基于語(yǔ)義的NGN融合業(yè)務(wù)合成算法研究*

彭榮群，張連俊，糜正琨

（1.山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 淄博 255049；2.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 南京210003）

1 引言

NGN（next generation network，下一代網(wǎng)絡(luò)）是業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)，能否快速高效地提供用戶所需要的各種業(yè)務(wù)決定著網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展。在過去的20多年中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電信網(wǎng)絡(luò)都在不斷地演進(jìn)，但二者提供業(yè)務(wù)的機(jī)理不同[1]：電信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)封閉的垂直網(wǎng)絡(luò)，提供保證收費(fèi)質(zhì)量的業(yè)務(wù)；而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開放的平面網(wǎng)絡(luò)，提供免費(fèi)的盡力而為的服務(wù)，因此它們?cè)诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都各自獨(dú)立地提供基于自身網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)。但隨著社會(huì)的進(jìn)步以及電信網(wǎng)向全I(xiàn)P網(wǎng)的演進(jìn)，用戶越來越不滿足于只使用由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或電信網(wǎng)絡(luò)提供的單純業(yè)務(wù)，而是希望能夠享用由這兩種網(wǎng)絡(luò)提供的融合服務(wù)。根據(jù)客戶請(qǐng)求自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、匹配以及動(dòng)態(tài)合成新業(yè)務(wù)，特別是由兩種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)合成的融合業(yè)務(wù)，成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

NGN以前的電信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)封閉的網(wǎng)絡(luò)，只有電信工程師才能理解電信業(yè)務(wù)的提供機(jī)制，導(dǎo)致了兩種業(yè)務(wù)合成過程實(shí)現(xiàn)的困難。Web Service[2]技術(shù)的出現(xiàn)使業(yè)務(wù)的合成變得簡(jiǎn)單并易于實(shí)現(xiàn)。Web Service是近年來計(jì)算機(jī)界提出的一種新的分布技術(shù)，具有平臺(tái)獨(dú)立性、松耦合性、自包含性、基于可編程性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著Web Service技術(shù)的成熟，將該技術(shù)應(yīng)用于電信網(wǎng)絡(luò)中成為現(xiàn)在研究的一個(gè)新熱點(diǎn)[3]。由ETSI、OSA Parlay Group以及3GPP定義的Parlay X Web Services API[4]和由歐洲計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)（ECMA）制定的一系列計(jì)算機(jī)支持的電信應(yīng)用（CSTA）[5]標(biāo)準(zhǔn)，都是Web業(yè)務(wù)技術(shù)在電信領(lǐng)域的成功應(yīng)用。

傳統(tǒng)的電信業(yè)務(wù)可以被封裝成一系列具有標(biāo)準(zhǔn)接口的Web Service，具有豐富網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的非電信業(yè)務(wù)開發(fā)人員可以像調(diào)用普通網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)那樣調(diào)用電信業(yè)務(wù)，在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中融入呼叫、即時(shí)消息等電信業(yè)務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和電信業(yè)務(wù)的無縫集成，縮短了融合業(yè)務(wù)的開發(fā)周期，給電信業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。

Parlay X Web Service和CSTA業(yè)務(wù)與Web Service類似，都基于WSDL描述業(yè)務(wù)，它們沒有提供業(yè)務(wù)的語(yǔ)義信息，不支持基于語(yǔ)義的操作，不利于業(yè)務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、調(diào)用與合成。這就需要采用機(jī)器能夠理解的基于語(yǔ)義的Web業(yè)務(wù)描述語(yǔ)言。

語(yǔ)義Web業(yè)務(wù)描述語(yǔ)言采用一種具有明顯語(yǔ)義的表示方式來表示和交換信息，以利于Web業(yè)務(wù)的自動(dòng)處理?；谡Z(yǔ)義支持的自動(dòng)業(yè)務(wù)合成算法主要采用OWL-S[6]、WSMO[7]兩種語(yǔ)義建模語(yǔ)言來描述業(yè)務(wù)，它主要包含兩種具體算法[8]，即前向鏈合成算法（forward-chaining composition algorithm，F(xiàn)CA）[9]和無回溯的反向鏈合成算法（non-backtrace backward-chaining composition algorithm，NBCA）[10]。這 兩 種算法雖然在網(wǎng)絡(luò)域得到了廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于由網(wǎng)絡(luò)域和電信域業(yè)務(wù)合成的融合業(yè)務(wù)來說，它們存在著明顯的不足。

1.1 前向鏈合成算法

[9]給出了一種前向鏈合成算法，該算法的基本思想是根據(jù)用戶的輸入來推導(dǎo)各種Web Service輸出，把推導(dǎo)中用到的Web Service和它們產(chǎn)生的輸出分別加到Web Service輸入集合和Web Service輸出集合中，同時(shí)要把每次Web Service產(chǎn)生的輸出加到Web Service的輸入集合中，這樣一直迭代，直到用戶所請(qǐng)求的結(jié)果完全包含在Web Service輸出集合中。

但FCA存在幾個(gè)很顯著的問題，介紹如下。

·該算法結(jié)束的條件是用戶請(qǐng)求的輸出都已經(jīng)獲得。對(duì)于電信業(yè)務(wù)來說，這個(gè)結(jié)束條件并不充分，因?yàn)槟承╇娦艠I(yè)務(wù)只是執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作，并沒有明顯的輸出。如果沒有用戶要求的輸出參數(shù)，即UO= ，那么FCA就不執(zhí)行。以MakeCall業(yè)務(wù)為例，該業(yè)務(wù)的主要功能是建立通信雙方的連接，而不是產(chǎn)生明確的輸出結(jié)果。

·算法中沒有考慮業(yè)務(wù)的前提（P）和效果（E）參數(shù)，而這兩個(gè)參數(shù)對(duì)電信域業(yè)務(wù)來說是非常重要的。

·沒有考慮對(duì)于合成中需要的某些業(yè)務(wù)，用戶未提供它的某些輸入或某些前提不滿足時(shí)的情況。

當(dāng)算法遇到上述情況時(shí)就會(huì)返回，導(dǎo)致合成失敗結(jié)果，使合成成功率降低。

1.2 無回溯反向鏈合成算法

無回溯反向鏈合成算法的基本思想是：從用戶所想要得到的查詢結(jié)果開始，試圖找出能得到該結(jié)果所需要的所有生成式。如果存在多個(gè)與當(dāng)前目標(biāo)匹配的生成式，則先去緩沖區(qū)查找有無對(duì)該輸入用戶的輸入閉包；若沒有，則先要計(jì)算該用戶的輸入閉包，并放入緩沖區(qū)中，然后選用生成式體部項(xiàng)全部包含在輸入閉包中的生成式進(jìn)行合成。輸入閉包計(jì)算只需要進(jìn)行一次，只要用戶的輸入和模型描述庫(kù)不變，以后的合成都可以從緩沖區(qū)中取出使用。

與FCA相比，NBCA由于在算法中引入了輸入閉包，克服了前向鏈合成算法中多次回溯的缺點(diǎn)，因此在合成效率方面有了顯著的提高。但對(duì)于電信域業(yè)務(wù)來說，仍不能直接使用，原因如下。

·NBCA的啟動(dòng)條件是用戶需要的輸出參數(shù)集合非空，但由于很多電信業(yè)務(wù)只是要求完成一個(gè)動(dòng)作，并沒有明確需求的輸出，這樣NBCA就沒法啟動(dòng)。

·算法中也沒有考慮業(yè)務(wù)的前提（P）和效果（E）參數(shù)，而這兩個(gè)參數(shù)對(duì)電信域業(yè)務(wù)來說是非常重要的。

針對(duì)以上分析，本文提出了一種雙向鏈合成算法（double-chaining composition algorithm，DCA），以滿足網(wǎng)絡(luò)域和電信域業(yè)務(wù)合成的需求。

2 雙向鏈合成算法的設(shè)計(jì)

DCA的基本思想是：首先針對(duì)FCA和NBCA存在的問題，對(duì)它們分別進(jìn)行改進(jìn)；然后把兩種業(yè)務(wù)合成算法結(jié)合起來使用，并充分利用兩者各自的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)用戶請(qǐng)求的輸出集合為空（UO= ）時(shí)，由于FCA用UO作為算法的結(jié)束條件，因此對(duì)它進(jìn)行簡(jiǎn)單的改進(jìn)后就可以順利完成合成過程，但對(duì)NBCA來說，就很難做到這一點(diǎn)，因?yàn)閁O是該算法的啟動(dòng)條件。因此在UO= 的條件下，可以首先采用改進(jìn)后的FCA，如果能成功完成合成，那么就輸出合成結(jié)果；對(duì)于合成不成功的情況，如果此時(shí)的UO已經(jīng)非空（UO≠ ），那么還可以啟動(dòng)NBCA進(jìn)行合成，這樣可以進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)合成的成功率。如果一開始UO就非空（UO≠ ），那么就可以直接啟動(dòng)改進(jìn)后的NBCA，這樣仍可以保證較好的合成成功率。DCA的基本思想如圖1所示。

圖1 DCA的基本思想

2.1 對(duì)FCA的改進(jìn)

對(duì)FCA的改進(jìn)介紹如下。

·該 算法結(jié)束的條件根據(jù)用戶請(qǐng)求的輸出都已經(jīng)得到。如果沒有用戶要求的輸出參數(shù)，即UO= ，那么FCA就不會(huì)執(zhí)行。因此，為了適應(yīng)電信業(yè)務(wù)的特殊性，在前期工作中[11]對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)，在結(jié)束條件中加入了功能說明項(xiàng)，使算法只有在所有輸出都得到且所有要執(zhí)行的功能都完成后才能結(jié)束。

·在 算法中增加了業(yè)務(wù)的前提（P）和效果（E）參數(shù)的匹配。

·考慮了在合成中需要的某些業(yè)務(wù)，在用戶未提供某些輸入或某些前提不滿足的情況。當(dāng)合成需要的業(yè)務(wù)的某些輸入?yún)?shù)不在用戶輸入集合中時(shí)，就把這些沒有的參數(shù)加入用戶需求的輸出集合中，再去查找能生成它們的業(yè)務(wù)，使合成得以完成，由此提高合成的成功率。

改進(jìn)的FCA（improvedFCA，I-FCA）算法參見參考文獻(xiàn)[11]。

2.2 對(duì)NBCA的改進(jìn)

對(duì)NBCA的改進(jìn)介紹如下。

·與對(duì)FCA的改進(jìn)類似，在算法中增加了對(duì)業(yè)務(wù)功能（F）的匹配。也就是說，算法結(jié)束的條件是除了要得到用戶所要求的所有輸出參數(shù)之外，還要完成用戶要求的所有功能。

·算法中增加了業(yè)務(wù)的前提（P）和效果（E）參數(shù)的匹配。

改進(jìn)后的 NBCA（improved NBCA，I-NBCA）的計(jì)算流程如圖2所示。

2.3 雙向鏈合成算法

綜合上述I-FCA和I-NBCA，本文提出了支持網(wǎng)絡(luò)域和電信域業(yè)務(wù)合成的雙向鏈合成算法，計(jì)算流程如圖3所示。

DCA采用Java語(yǔ)言編程開發(fā)。程序中利用美國(guó)馬里蘭大學(xué)開發(fā)的Mindswap OWL-S API調(diào)用Pellet推理機(jī)來獲取兩概念間的語(yǔ)義相似度。另外，在算法中把I和P、O和E同等對(duì)待，因?yàn)橹挥性跇I(yè)務(wù)執(zhí)行時(shí)才需要驗(yàn)證前提（P）是否滿足，效果（E）是否能得到；而在業(yè)務(wù)合成中，業(yè)務(wù)只需要P和E參數(shù)項(xiàng)，不用驗(yàn)證，因此它們與I、O地位相同，可以放在一起處理。

3 算法性能

3.1 性能指標(biāo)

對(duì)于業(yè)務(wù)合成性能，可以從以下兩方面來測(cè)試。

·平均合成時(shí)間：指成功合成業(yè)務(wù)所用時(shí)間的平均值，表示如下：

·合成成功率，表示如下：

3.2 性能測(cè)試的設(shè)計(jì)

性能測(cè)試的步驟設(shè)計(jì)如下。

（1）測(cè)試用業(yè)務(wù)集合包括擴(kuò)展后的CSTA電信域業(yè)務(wù)（共 154個(gè)）和網(wǎng)絡(luò)域業(yè)務(wù)（OWLS-TC_v2.2_revision_3_(profile_taxonomy)[12]測(cè)試集的1 007個(gè)業(yè)務(wù)）。

（2）合成請(qǐng)求由系統(tǒng)隨機(jī)生成，I、P和O、E的個(gè)數(shù)從0到10逐漸變大，I、O、P、E參數(shù)均來自于從測(cè)試集業(yè)務(wù)中提取的 I、O、P、E 參數(shù)集合。

（3）在具體測(cè)試中采用2.6 GHz雙核Intel處理器、內(nèi)存2 GB的個(gè)人計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)算法性能的評(píng)估，每組100個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求，分別做100組求均值。

3.3 測(cè)試結(jié)果

FCA、NBCA、DCA 3種算法的合成時(shí)間與請(qǐng)求的輸出個(gè)數(shù)、參與的業(yè)務(wù)數(shù)量以及用戶輸入個(gè)數(shù)之間的關(guān)系曲線分別如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可以看出，3種算法的平均合成時(shí)間均隨著用戶提供的輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)、用戶請(qǐng)求的輸出參數(shù)個(gè)數(shù)和參與的業(yè)務(wù)數(shù)量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。其中，F(xiàn)CA的平均合成時(shí)間最長(zhǎng)，NBCA所用時(shí)間最少，而DCA略高于NBCA，這是因?yàn)镕CA是由輸入推導(dǎo)輸出，算法中存在回溯，而NBCA中消除了回溯，因此所用時(shí)間最少，合成效率最高。而對(duì)于DCA，當(dāng)用戶需求的輸出參數(shù)個(gè)數(shù)集不為空集時(shí)，采用的是改進(jìn)型的NBCA，因此合成效率與NBCA類似，但由于在算法中增加了P、E和F參數(shù)的匹配，因此所用時(shí)間略高于NBCA。

圖6 平均合成時(shí)間與用戶提供的輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)之間的關(guān)系

單就合成效率來看，DCA不是最好的，但從合成的成功率來看，DCA卻是最好的，如圖7～圖9所示。特別是當(dāng)用戶請(qǐng)求的輸出參數(shù)集為空時(shí)，F(xiàn)CA和NBCA根本就不能啟動(dòng)，因此合成成功率為0；而DCA就可以啟動(dòng)并完成合成，如圖9所示。這一點(diǎn)特別適合應(yīng)用于電信業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)融合的場(chǎng)合。

4 業(yè)務(wù)合成實(shí)例

假設(shè)某“股票信息業(yè)務(wù)”的需求是：從某個(gè)日期開始，每隔一段時(shí)間自動(dòng)查詢?cè)谀硞€(gè)城市股票交易所的某支股票的價(jià)格信息，如果價(jià)格高于或低于某個(gè)數(shù)值，就自動(dòng)接通用戶和股票經(jīng)紀(jì)人的電話，以便商討如何處理股票。

該用戶請(qǐng)求的業(yè)務(wù)可以表示為：

WSautoStockQuote (I:stockname,city,datetostart,interval,toplimit,bottomlimit,usertelnum,stockbrokertelnum;O: ;P: ;E:establish a call between user and broker;F:timing stock quote,data comparison,make call)

利用上面提出的DCA可以找到9個(gè)原子業(yè)務(wù)，其中6個(gè)是電信域業(yè)務(wù)，3個(gè)是網(wǎng)絡(luò)域業(yè)務(wù)，如圖10所示。輸出的合成業(yè)務(wù)如圖11所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

前向鏈合成算法和無回溯反向鏈合成算法是目前常用的兩種基于語(yǔ)義支持的自動(dòng)業(yè)務(wù)合成算法，但由于它們是基于網(wǎng)絡(luò)域開發(fā)的，因此不太適用于網(wǎng)絡(luò)域和電信域融合業(yè)務(wù)的合成。本文通過分析兩種算法的不足，提出了一種新的基于語(yǔ)義的雙向鏈自動(dòng)業(yè)務(wù)合成算法，克服了現(xiàn)有算法的不足，并在縮短平均合成時(shí)間和提高合成成功率方面獲得了明顯的改進(jìn)。并且利用該算法時(shí)，用戶只需要提供必要的輸入輸出信息、部分處理過程，在合成過程中需要的其他部分可以由系統(tǒng)自動(dòng)生成，這對(duì)不熟悉電信業(yè)務(wù)的IT開發(fā)人員是非常有幫助的，既節(jié)省了開發(fā)成本，又縮短了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率。

圖11 自動(dòng)股票查詢系統(tǒng)的合成結(jié)果

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