1、 浅论面向服务的语义互操作性技术及其标准摘要:面向服务的软件工程面临新的挑战。促进互联网环境中松耦合式服务资源之间的互操作性行为协作,是实现服务资源深度共享与按需服务的关键。文章对服务虚拟化的关键技术:可用资源的服务互操作性封装方法、虚拟化服务组织的互操作性聚合的基于本体的RGPS 元建模方法、虚拟化服务管理的互操作性元模型框架及其注册与存储管理、虚拟化服务本体及其与 RGPS 关联呈现等进行了研究。对研究的互操作性元模型框架(MFI) 及 ISO 系列标准工作新进展进行了介绍。 关键词互操作性元模型框架 ;按需服务; 服务聚合 Abstract:Service-oriented softwa
2、re engineering (SOSE) faces new challenges; in particular, how to promote interoperability and cooperation among loose coupling service resources. This is critical for service resource sharing and for implementing on-demand Internet services. This paper discusses key technologies of service virtuali
3、zationincluding the interoperable package approach of available resources; interoperable aggregation and ontology-based element modeling RGPS in virtualization services; the framework, storage management, and registration of the interoperable element model; virtualization service ontology; and the a
4、ppearance associate with RGPS (role, goal, process and service). Recent progress of the Metamodel Framework for Interoperability (MFI) and ISO series standards are also discussed. Key words: metamodel framework for interoperability; service on demand; service aggregation 软件的架构、发布与使用方式正在发生颠覆性的变化,软件与服
5、务相关技术的相互融合的速度增长迅猛,而理论方法的创新进程却明显滞后。 尽管利用信息技术提升当今现代服务产业已成为社会发展的主要推动力之一,可是在以信息技术为基础的计算机和信息管理等学科领域,软件、硬件和组织系统仍是传统的基础知识体系,没有正式的学科体系来填补信息技术领域的一个巨大空白服务1。 以用户为中心,面向按需服务的目标,促进了面向服务的软件工程(SOSE)新时代的到来2。从产业发展的角度来看,越来越多的信息技术公司正致力于从硬件产品为核心向计算机软件与服务为中心的业务模式的转型。例如,云计算已成为一个为服务提供者与消费者从事服务交付与使用的可扩展平台与营运模式。云计算的目标是在云价值链上
6、让云的消费者、合作伙伴与服务提供者进行资源共享服务。无论说是软件即服务(SaaS)、平台即服务 (PaaS),还是基础设施即服务(IaaS), 云计算实际上是一种服务!作为云计算的技术基础,也迫切需要 SOSE 理论与方法的创新。 2010 年 1 月中国计算机学会成立了服务计算专委会,标志着中国在服务计算研发和教育方面已经取得了一定的发展成就,其中特别是在服务组合及其优化方面的软件方法上成果突出。但是,软件工程角度的系统性研究还有待于深入探讨和创新。本文结合我们开展的国家“973”计划项目以及自然科学基金等项目的研究工作,从SOSE 中 SaaS 模型的角度 ,介绍我们的学术观点及研究的主要
7、进展。 1 服务的松耦合式互操作 互联网计算中自主分布异构的服务之间通过网络呈现松耦合。文献3给出了 SaaS 模型中服务的松耦合与传统面向对象(OO)软件设计中以消息传递为代表的紧耦合的区别。本地或桌面 OO 软件之间呈现预先设计的紧耦合。松耦合只能动态延迟绑定、异地异步运行,紧耦合实现级连接、固定绑定、集成运行;松耦合追求行为的动态获取与协作,紧耦合追求无缝连接。因此,松耦合服务计算软件的功能结构动态变化、没有确定的边界;紧耦合的 OO 软件具有确定边界、结构和功能。 文献4 认为,所谓语义互操作性能力,一般来说,是指两个服务单元或者系统间交换具有精确含意数据的能力,并且接收方能够准确地翻
8、译或转换数据所携带的信息、信息所携带的知识,即信息、知识能够被理解,最终产生有效的行为协作结果,而且结果的有效性确认是由互操作双方来协定的。进一步将语义互操作性能力划分为 3 个层次: (1) 含意互操作性。亦称深度语义互操作或者完全语义互操作,即双方完全理解协定的语义。 (2) 部分语义互操作性。服务实体之间,仅仅能够理解相互协定的部分语义。 (3)无语义互操作性。当服务实体之间的部分语义互操作性能力低于一定的阈值时,将会出现无语义互操作,其中也包括语法(或结构) 互操作。 部分语义互操作是一个相当大的研究空间。我们应该研究部分语义互操作性能力刻画的理论与方法。松耦合服务之间的语义互操作问题
9、是一个挑战性研究难题。作为基础,应该研究公共的互操作性交互框架(如统一的信息描述方式:可扩展标记语言 XML)。可是,XML 提供的仅仅是语法交互框架。ISO/IEC 19763 标准给出了语义支持的互操作性元模型框架(MFI)5,其核心模型为松耦合式服务之间的语义互操作性管理。 2 服务聚合 面向服务的软件提供了一种以“只为满意的服务付费”为核心理念的商业模式。在这种模式下,人人都是用户、人人都是开发者。对各类用户而言是“按需使用,计量付费,不求所有,只求所用”;对服务提供者而言,所提供的服务必须质量更精、粒度更细、方式更灵活,以适应多元化和个性化的用户需求。为实现以用户为中心、满足涉众服务
10、的高体验质量(QoE)需求,不仅要提供给用户一个或几个离散的服务,而且要提供一组具有语义互操作性聚合能力的服务集作为解决方案。例如,以采购食品材料满足自炊服务为例。如果我们不仅仅是采购到一些食品(如面条、肉鱼、蔬菜、辅料等) 材料及其使用说明(服务), 而且商店还提供给用户包括个性化偏好(辣、甜味道等)服务目标、指导用户自炊的流程及其中应使用的食品材料等服务方案,用户就能够在最短时间内、得到高质量的自炊服务体验。因此,按需服务需要服务聚合。 中国 对于服务聚合,软件理论上需要研究需求主导的服务的部分语义互操作性聚类。本文提出一种涉众服务需求的角色(Role) 、目标(Goal)、业务流程 (P
11、rocess)及可用 Web服务(Service)的 RGPS 元模型描述框架及模型6-7。元模型基于本体元建模理论与方法,采用基于本体的 RGPS 元模型来组织服务的聚合,形成面向领域群体需求的服务资源聚合建模(服务聚合的规模化定制)理论与方法及其软件工具套件的开发。实现了基于领域服务功能本体的部分语义互操作性服务聚合及其可调可控的设计技术。服务虚拟化的软件技术层次化体系如图 1 所示。服务聚合的一个形象描述是“葡萄串 ”,其中葡萄串的蒂相当于描述用户社会角色和服务目标;径路描述相当于过程/可操作过程(如供应链、工作流等等)。当然实际上不仅仅是树结构,还应包括并行、循环等复杂控制结构。葡萄描
12、述相当于“即服务或原子服务”, 本体标注 RGPS 间的语义关联。一个领域往往有多种服务功能,对应多个服务聚合的葡萄串。 3 服务虚拟化 1959 年 Christopher Strachey 等提出了计算机硬件的虚拟化技术,其核心是“去紧耦合” 。50 年来计算机阵列、服务器等硬件的虚拟化技术已经取得了长足的发展。传统软件的虚拟化概念并不陌生,如操作系统(OS) 中内存的虚拟化管理技术、作业的虚拟化调度等,在计算机科学与工程的发展中,起到了重要的作用。 服务虚拟化的软件理论与方法研究是 SOSE 中的一个核心问题,是实现服务资源高可动员性、深度共享、按需服务的关键。其核心问题是辩证统一“去紧
13、耦合 ”与 “互操作性协作”的矛盾。它能够实现支撑服务和可用资源之间去紧耦合、需求和服务资源之间去紧耦合、通过网络松耦合式服务的行为动态获取与互操作性协作、互操作性云服务构造,以及支撑面向按需服务体系架构(ODSOA)的软件服务解决方案。我们主要研究了 4 个层次的服务虚拟化计算方法及其软件工具套件: (1)可用资源的服务互操作性封装方法。 (2) 虚拟化服务组织中互操作性聚合基于本体的 RGPS 元建模方法。 (3) 虚拟化服务管理的互操作性元模型框架及其注册与存储管理(RR)元建模。 (4)虚拟化服务本体及其与 RGPS 关联的呈现,涉众需求的服务本体生成方法及其和服务本体的本体对齐技术研
14、究。 4 互操作性元模型框架 互联、互通、互操作是网络技术在整个发展过程中所必须具备的基本特性。各种局域网和广域网协议让计算设备互通,传输控制协议/网间协议(TCP/IP) 实现了网际互联。在万维网时代,超文本传输协议(HTTP)和超文本链接标记语言(HTML)协议实现了终端与 Web 网站间的互操作,使得任何遵从这些协议的Web 浏览器都能自由无缝地访问万维网;Web 服务与面向服务的体系架构(SOA)开启了服务计算的大门。基于服务的互操作成为新的挑战。信息资源的互操作性管理的基础:互操作性元模型框架,如图 2 所示。 许多企业、组织和个人已经采用特定的语法规范和格式创建了大量的信息资源,并
15、遵循特定的注册元模型将其存储在各种注册库中,以特定的方式在互联网上进行发布,以便用户查询和使用。随着云计算等新型计算模式的出现,网络资源的发布方式统一为服务,从IaaS、PaaS 到 SaaS,网络环境中任何可用的信息资源都以服务的形态存在,以按用付费的方式提供给用户。因此,需要对这些分布、异构、自治的信息资源进行统一的管理,屏蔽信息资源本身的细节和物理位置信息。与此同时,大众用户需求正逐渐呈现出多样性和个性化的特征,可能涉及多个领域的知识,这使得满足大众用户需求的服务定制也需要跨领域/组织的资源和服务通过互操作、协作等方式共同完成。但这些企业和组织提供的数据和服务在语法和语义上的差异阻碍了它
16、们之间有效的信息共享和交换。如何利用开放的标准实现服务之间的互操作显得十分重要。这种开放的互操作标准不会颠覆现有的标准,而是在保持其独立性的基础上,实现部分语义互操作性兼容。 根据 IEEE 的定义,互操作性指的是“两个或多个系统或组成部分之间交换信息以及对所已经交换的信息加以使用的能力”。“ 交换”意味着信息系统在数据格式、通信协议以及接口描述等方面有约定。“使用”意味着交互双方能够一致地理解信息的含义。所以,为了实现软件系统之间的互操作,需要对软件系统间交换的信息所遵循的语法、语义给予明确的记录,即注册。同时,对于交互双方在语法、语义方面的对应关系也需要准确地说明,即建立语法和语义方面的映
17、射。注册也是一种虚拟化聚合服务的技术,是 SOA 架构中的关键一环。基于这一理念,ISO/IEC JTC1 SC32 制订了 MFI 系列标准,从模型注册、本体注册、模型映射的角度对注册信息资源的基本管理信息提供参考,能够在一定程度上促进软件系统之间的互操作。 2003 年受国际标准化组织(ISO) 的委托,在我们研制的语义互操作性注册与存储管理的本体元建模理论和技术基础上,主持研制 ISO/IEC 19763-3:本体注册元模型。2008 年 3 月该标准被 ISO 国际组织公开颁布 ,并推广应用,为服务资源的互操作性注册提供了语义支撑。2008 年我们向 ISO 国际组织提交了新的标准提案
18、8。经 ISO 主权国家的专家评审,2009年被批准立项,随后委托我们主持 4 个相应的 ISO 标准系列(ISO/IEC 19763-5,7,8,9)研究。MFI 系列标准可以从以下两个方面来进行说明: (1)面向按需服务选择的互操作性管理的基本模式 MFI-1,2,3,4,6描述了支撑语义互操作性注册与存储管理的基本模型,其中包含 SCIS核心模型,提供语义支撑的本体注册元模型、语义映射元模型等。这些标准主要致力于从抽象的元模型层为大量异构信息资源和服务提供统一的注册标准,并能为它们之间的互操作提供语义和语法层面的支持。 MFI-1 是整个 MFI 标准族的参考模型,用于说明其研究范畴和各
19、部分之间的关系。 MFI-2 是核心模型,定义了待注册模型、元模型和本体之间的关系,是实现模型间映射和软件系统间互操作的基础。 MFI-3 是本体注册元模型,为各种语言描述的本体提供了一个公共的注册机制,能在一定程度上促进本体之间的互操作,并为软件系统之间基于语义的互操作提供基础;同时,由于信息资源和服务都在不断演化以适应不断变化的用户需求,MFI-3 在后续研究中还考虑了本体演化对信息系统之间互操作的影响,为注册本体的演化信息进行了一定程度的扩展。 MFI-4 是模型映射元模型,主要用于注册和管理元模型和模型之间的映射信息,为不同语言定义的元模型/模型之间的转换提供支持。 MFI-6 是注册
20、规程,定义了在注册各类模型的过程中必需要遵从的规程。 (2)面向按需服务的 RGPS注册元模型标准 以用户为中心,且计算资源以服务的形式提供要求,不仅需要数据资源的管理,还需要服务资源、用户需求及其之间关联信息的管理。这种背景下,需要有一套合理描述用户需求和服务的方法。我们认为,用户角色、业务目标、业务流程以及服务资源是这种描述的 4 个要素9。 我们在近几年关于 RGPS 研究的基础上,向 ISO/IEC JTC1 SC32 提交了 MFI-5, 7, 8, 9 标准提案,获得 ISO组织通过,并立项研制 MFI-5 流程模型注册元模型、 MFI-7 服务注册元模型、MFI-8 角色和目标注
21、册元模型。这几项标准为网络中的业务流程、服务、目标等不同层次、不同粒度的信息资源提供了一个标准的注册方法,对其呈现给大众用户的表现方式进行了统一。此外,MFI-9 提供了一套完整的方法学 ,详细阐述了上述标准所提供的注册信息之间的关系,并说明了如何使用基于上述标准提供的注册信息、通过多次迭代的模型映射过程帮助用户完成按需的按需服务选择和定制。 5 结束语 本文从 SOSE 角度列举了关于服务计算的软件理论与方法研究的若干重要问题,介绍我们的学术观点及其开展的研究工作新进展。SOSE 理论与方法包括多方面研究,但是实现的核心目标是:促进互联网环境中松耦合式服务资源之间的互操作性行为协作,实现服务资源深度共享、按需服务。我们将进一步研究服务云的互操作性构造方法和管理与服务的关键技术及其标准化,促进中国云计算时代的软件工程学科和现代服务业的快速发展。6
