一种基于泛化-特化关系模式的业务服务实例化方法

1一种基于泛化-特化关系模式的业务服务实例化方法1张鹏1王菁2赵小伟1（1山东科技大学信息科学与工程学院青岛266510）（2中国科学院计算技术研究所网格与服务计算研究中心北京100190）摘要业务服务作为业务活动具体实现的一种抽象表示，在业务层上解决了业务用户可用及领域可复用的问题，但是，业务服务在落实到具体的物理服务时缺少一种规范化的实例化方法，因此，本文提出了一种基于泛化-特化关系模式的业务服务实例化方法。通过泛化-特化关系的判定，最终用户定制的表达个性化需求的业务服务能够发现它的邻近上界业务服务，并且基于泛化-特化关系模式的应用，业务服务只需要在它的邻近上界业务服务的公共实例集合中去匹配。实验表明，这种实例化方法能够很好的减少业务服务实例化中的冗余匹配，提高业务服务实例化的效率。关键词业务服务；泛化-特化关系模式；实例化；邻近上界中图法分类号TP311BusinessServicesInstantiationontheBasisoftheGeneralization-SpecificationPatternsZHANGPeng1WANGJing2ZHAOXiao-Wei11（CollegeofInformationScienceandEngineering.ShandongUniversityofScienceandTechnology,QingDao266510,China）2(ResearchCenterforGridandServiceComputing,InstituteofComputingTechnology,CAS,Beijing100190,China)AbstractBusinessService,asanabstractionofconcreterealizationofabusinessactivity,helpstorelievethecomplexityinend-user-orientedserviceassemblyandreuse.However,therelacksastandardinstantiationmethodforrealizingbusinessservicesontopofconcretesoftwareservices.Thepaperproposesaninstantiationmethodforbusinessservicesonthebasisofthegeneralization-specificationpatterns.Byexaminingandsummarizinggeneralization-specificationrelationsandthepatternsthereof,thecustomizedbusinessservicesthatareadaptedtoend-userrequirementsonlyneedtomatchtothesoftwareservicesthatfallintothecategoryofthepatterns.Experimentsindicatethattheinstantiationmethodcanhelptoreducethematchingredundancyandtoimprovetheinstantiationefficiency.KeywordsBusinessService;Generalization-SpecificationPatterns;Instantiation;AdjacentUpperBound本课题得到国家自然科学基金项目(60573117)和山东泰山学者项目资助。作者简历:张鹏(1984-),男,硕士研究生,[e-mail],主要研究领域为面向服务的计算;王菁(1978-),女,博士,助理研究员,[e-mail]，主要研究领域为面向服务的计算，服务组合。赵小伟(1984-)，男，硕士研究生，主要研究领域为服务网格，工作流技术。21.引言网络技术的发展对科学研究活动正在产生着深远的影响，并且使得共享网络资源和进行跨时间和空间的科研协作成为可能。e-Science概念的提出意味着科学家能够方便地共享广域分布的大规模计算能力、存储能力和科学仪器，能够方便地获得和使用大量的科学数据以及与世界各地的科学研究人员进行交流协作。目前，Internet内已有大量的信息资源，也开始涌现出越来越多的可供使用的网络服务资源，例如仅在生物信息领域可统计到的Web服务数量就超过3000[1]，并且还在不断增长。针对无序成长、高度自治和复杂多样的网络资源，如何提供面向网络资源共享和集成的“资源在逻辑上一体、物理上独立自治”的虚拟计算环境，以支持最终用户方便高效的使用，已经成为当前网络计算技术领域的热点研究问题。业务服务[2]作为业务活动具体实现的一种抽象表示，在业务层上满足了最终用户对服务的可理解、可构造的需求，然而，业务服务只有落实到具体的物理服务，才能让最终用户真正的使用。由于业务服务和物理服务分属于问题域和解空间，因此需要通过一种跨所属域的资源实例化方法来实现两者之间的映射。我们把业务服务与物理服务通过跨所属域的匹配方法建立映射的过程称为业务服务实例化。首先通过一个实际场景，说明本文拟解决的问题。Jerry是某化学所的科研人员，对生物信息领域的软件操作不是很熟悉。现在，Jerry接到一个任务：要尽快完成家蚕的化学实验，该实验流程中包括家蚕的核苷酸序列相似性查找。目前，网络上已经有很多实现序列相似性查找业务功能的Web服务，但是Jerry并不了解，也不会使用这些Web服务。Jerry现在只有整个实验的流程图，并且可以根据这个流程图构建家蚕的核苷酸序列相似性查找的业务服务，但是，这个业务服务并不是真正的计算资源，不能够返回Jerry需要的实验结果。为了解决Jerry遇到的问题，业务服务需要一种实例化方法能够保证其正确、快速的落实到对应的物理服务，实现具体的业务功能。目前，业务服务实例化方法主要有两种，一种是文献[2]提出的业务服务实例化方法，该方法虽然能够保证业务服务正确的落实到物理服务，但是没有给出物理服务复用的具体解决办法，当物理服务数量较多时，业务服务在实例化过程中会产生很多冗余匹配，影响业务服务实现具体业务功能的效率。业务服务A业务服务B业务服务C图例:业务服务物理服务业务服务A业务服务B业务服务C(a)(b)业务服务的实例业务服务C的匹配范围业务服务的实例图1定制复用的业务服务实例化方法定制是对可复用资源进行修改以适应某一特定需求的过程[3]。文献[4]沿用了自上而下的需求细化和自下而上的已有服务资源复用的思想，提出了定制复用的业务服务实例化方法。如图1所示，最终用户通过对业务层上的业务服务A进行定制，可得到满足个性化需求的业务服务B。在业务服务B实例化时，由于可以复用软件层上的业务服务A的实例，所以只需要在业务服务A的实例集合中进行匹配，从而缩小了匹配范围，但是，在哪个业务服务上进行定制，不同用户会有不同的做法。例如，一个用户可能通过对业务服务B进行定制得到业务服务C，如图1(a)所示，而另一个用户可能会通过对业务服务A进行定制来得到业务服务C，如图1(b)所示。由于业务服务A的实例数多于业务服务B的实例数，所以相同的业务服务C在与软件层的物理服务进行匹配时，匹配范围会不同，由此而产生冗余匹配，影响业务服务实现具体业务功能的效率。本文在分析和借鉴了服务聚合和服务匹配相关工作的基础上，提出了基于泛化-特化关系模式的业务服务实例化方法。与前两种方法相比，此方法可以通过发现邻近上界业务服务来确定业务服务的复用层次，并且基于泛化-特化关系模式的应用，业务服务在实例化时可以减少冗余匹配，能够正确、快速地落实到对应的物理服务，实现具体的业务功能。文章的组织结构如下：第二章是泛化-特化关系模式，是本文的核心，主要给出了模式中的元素、元素之间的关系以及关系之间的映射三个方面的形式化定义，为基于泛化-特化关系模式的业务服务实例化方法提供了基础；第三章是基于泛化-特化关系模式的业务服务实例化方法；第四章是应用及评价；第五章对相关工作进行了比较分析；最后是全文总结。2.泛化-特化关系模式模式是对某种环境中不断出现的问题给出的解3决方案的核心，是解决问题的指导。下面给出泛化-特化关系模式解决业务服务落实到对应的物理服务问题的基本原理以及具体的解释。2.1泛化-特化关系模式的基本原理对于如何将业务服务落实到对应的物理服务，使业务服务真正拥有业务能力的这个问题，泛化-特化关系模式给出了相应的解决方案。其基本原理是：在业务层上，业务服务之间建立泛化-特化关系，同时，在软件层上，这些业务服务对应的物理服务的集合之间建立包含-被包含关系。业务层和软件层通过实例化搭建沟通的桥梁。下图是泛化-特化关系模式的结构。业务服务实例泛化业务服务特化业务服务图例:业务服务物理服务图2泛化-特化关系模式的结构图2所示的结构中包括元素、元素之间的关系以及关系之间的映射三个方面，下面给出它们形式化的定义。2.2模式中的元素模式中的元素包括业务服务和物理服务，其中业务服务通过引入特征模型体现了领域业务活动的共性和变化性。特征模型由概念的特征及其特征间关系组成，通常以特征树形式描述，用于描述领域内系统的业务属性。特征树的一个配置是指根据特征树中定义的变化性约束选取得到的特征集合[5]。从特征树中得到一个特征树的配置的过程被称为配置过程。业务服务的特征模型描述了业务服务的输入参数、输出参数和服务质量属性，从而可以和具有特征模型描述的共性，以及特征模型允许的变化性范围内的物理服务进行匹配。物理服务是与业务服务具有匹配能力的语义Web服务操作，为了表述方便，后面简称语义Web服务。下面我们给出业务服务、业务服务特征树（输入参数/输出参数/服务质量特征树）和语义Web服务的定义。定义1.业务服务：BS::=Action,Entity,InputFT,OutputFT,QosFT，其中Action是业务服务的动作概念，Entity是业务服务的客体概念，InputFT/OutputFT/QosFT分别是业务服务输入/输出/服务质量特征树。定义2.特征树：FT::=F,E，其中F表示特征节点的集合，EFFFS为特征节点之间的有向边的集合，FS={Man,Opt,Xor,Or}分别对应于必选、可选、异或、或四种特征类型。集合F和E构成了以rF为根节点的树结构。定义3.语义Web服务：SWS::=Function,InputPara,OutputPara,QosPara其中Function是语义Web服务的功能语义，InputPara/OutputPara/QosPara是语义Web服务Input/Output/Qos标注语义的参数集合。2.3模式中元素之间的关系“泛化—特化”关系是概念间常见的一对关系。当在较低层上抽象表达了与之联系的较高层上抽象的特殊情况时，称较高层上抽象是较低层上抽象的“泛化”，而较低层上抽象是较高层上抽象的“特化”。对于业务服务来说，业务服务具有输入、输出、服务质量特征属性，表达了所对应的领域内业务活动的共性和变化性，因此可以通过业务服务的特征树之间的关系来刻画业务服务之间的泛化和特化关系[6]。“包含-被包含”关系是集合之间常见的一对关系，当集合A的元素都在集合B中，则称集合A被集合B包含，集合B包含集合A。下面给出这两种关系的形式化定义。定义4.概念匹配：conceptA和conceptB是两个本体概念，如果conceptA等价于conceptB，则称conceptA与conceptB概念匹配，cm(conceptA,conceptB)=true。定义5.概念细化：conceptA和conceptB是两个本体概念，如果conceptA等价于conceptB或者conceptA是conceptB的子概念，则称conceptA是concept