一種基于語(yǔ)義的RESTful Web 服務(wù)匹配模型

程 方，朱建虎

(重慶郵電大學(xué)通信寬帶網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)研究所，重慶400065)

0 引言

目前，Web服務(wù)主要以簡(jiǎn)單對(duì)象訪(fǎng)問(wèn)(simple object access protocol，SOAP)協(xié)議為基礎(chǔ)，將需要交互的信息和方法包裝成SOAP協(xié)議，通過(guò)超文本傳送(hypertext transfer protocol，HTTP)協(xié)議來(lái)傳輸，以此來(lái)完成信息的交互。但是這種基于SOAP協(xié)議的Web服務(wù)存在很多弊端，比如，會(huì)涉及大量的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)(統(tǒng)稱(chēng)為WS-*標(biāo)準(zhǔn)棧)，這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的嵌套將給開(kāi)發(fā)帶來(lái)不必要的麻煩，一些自定義的方法也會(huì)使系統(tǒng)間的交互產(chǎn)生障礙，同時(shí)，龐大的SOAP負(fù)載通過(guò)HTTP協(xié)議傳輸，也違背了HTTP協(xié)議設(shè)計(jì)的本意［1］。所以，這種復(fù)雜、重量級(jí)的 Web服務(wù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足某些系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需要。

隨著Web2.0的到來(lái)，RESTful Web服務(wù)開(kāi)始大量出現(xiàn)。這種輕量級(jí)分布式的系統(tǒng)架構(gòu)充分利用了HTTP的語(yǔ)法語(yǔ)義，通過(guò)統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符(uniform resource identifier，URI)來(lái)識(shí)別和定位資源［2］，使系統(tǒng)具有可尋址性、連通性、無(wú)狀態(tài)性、統(tǒng)一接口等特點(diǎn)，還可以低耦合其他分布式組件，使系統(tǒng)具有很好的交互性、伸縮性和可擴(kuò)展性。目前，RESTful Web服務(wù)已經(jīng)被一些大公司采用，比如谷歌、臉譜、雅虎等。

然而，對(duì)如何有效地匹配和發(fā)現(xiàn)RESTful Web服務(wù)，許多學(xué)者都提出了自己的觀點(diǎn)，但目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)［3］。文獻(xiàn)［4］提出了一種從語(yǔ)法層面上來(lái)描述現(xiàn)有RESTful Web服務(wù)的微格式，可以被機(jī)器識(shí)別;文獻(xiàn)［2］結(jié)合了Web應(yīng)用程序描述語(yǔ)言(Web application description language，WADL)和學(xué)習(xí)本體機(jī)制，提出一種組合方法，從語(yǔ)法和語(yǔ)義上對(duì)RESTful Web服務(wù)進(jìn)行了描述;文獻(xiàn)［5］在文獻(xiàn)［2］提供的語(yǔ)法和語(yǔ)義基礎(chǔ)上，通過(guò)將資源定義為描述、請(qǐng)求和響應(yīng)的集合來(lái)進(jìn)行匹配;文獻(xiàn)［6］從資源狀態(tài)轉(zhuǎn)換的角度，在功能層面上，提出了一種基于輸入、輸出、前提條件和效果(inputs，outputs，preconditions and effects，IOPE)的RESTful Web服務(wù)搜索匹配方法，該方法重點(diǎn)在于建立共同的資源模型和對(duì)資源狀態(tài)的統(tǒng)一描述;文獻(xiàn)［7］主要是提出了一種基于HTML文件，對(duì)RESTful Web服務(wù)進(jìn)行語(yǔ)法層面描述的 hRESTS微格式語(yǔ)言，hRESTS較WADL更為簡(jiǎn)單。

綜合以上觀點(diǎn)，為了能夠自動(dòng)有效地發(fā)現(xiàn)用戶(hù)所需要的RESTful Web服務(wù)，本文在hRESTS和MicroWSMO微格式的基礎(chǔ)上，通過(guò)一種有效算法，構(gòu)建了一套R(shí)ESTful Web服務(wù)匹配模型，該模型可以將服務(wù)請(qǐng)求方的請(qǐng)求條件和服務(wù)提供方提供的參數(shù)進(jìn)行語(yǔ)義上的匹配來(lái)發(fā)現(xiàn)服務(wù)，實(shí)驗(yàn)證明，該服務(wù)匹配模型較現(xiàn)有匹配模型在效率指標(biāo)方面有較大提高。

1 語(yǔ)義RESTful Web服務(wù)

基于SOAP協(xié)議的Web服務(wù)，通常是使用WSDLs(Web service description languages)來(lái)描述操作，而RESTful Web服務(wù)往往是由人們可以閱讀的非規(guī)范文件來(lái)進(jìn)行描述，比如網(wǎng)頁(yè)［8］。對(duì)于SUN Microsystems提出的WADL，雖然為RESTful Web服務(wù)的操作定義了生成URI的方式，使用XML結(jié)構(gòu)定義(XML schema，XSD)描述服務(wù)的輸入和輸出信息，但是，WADL提供的描述只是語(yǔ)法層面的，不能進(jìn)行語(yǔ)義標(biāo)注。相對(duì)于WADL來(lái)說(shuō)，hRESTS提供了一種輕量級(jí)描述RESTful Web服務(wù)的機(jī)制，能夠把RESTful Web服務(wù)的文本信息，用HTML網(wǎng)頁(yè)的形式來(lái)描述，包括服務(wù)的一系列操作(operation)及與這些操作相關(guān)的輸入(inputs)、輸出(outputs)、方法(method)等信息［9］，這些描述既可以讓人理解，也可以讓機(jī)器識(shí)別。

但是，hRESTS僅能夠?qū)eb服務(wù)提供語(yǔ)法層面的描述，無(wú)法涉及到語(yǔ)義層面，會(huì)嚴(yán)重影響服務(wù)的查全率和查準(zhǔn)率，故本文引入了MicroWSMO微格式［10］。MicroWSMO 是在SAWSDL的基礎(chǔ)上對(duì)hRESTS的擴(kuò)展，對(duì)RESTful Web服務(wù)進(jìn)行了4個(gè)語(yǔ)義層面的描述。

2 匹配思想

圖1給出了基于本體的RESTful Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)框架，該方法的基本思想是提取互聯(lián)網(wǎng)中RESTful Web服務(wù)的HTML文檔，通過(guò)hRESTS微格式處理，生成服務(wù)語(yǔ)法層面的描述，之后用MicroWSMO微格式對(duì)服務(wù)中的資源進(jìn)行語(yǔ)義標(biāo)注。而服務(wù)請(qǐng)求者輸入的請(qǐng)求條件，經(jīng)過(guò)用戶(hù)查詢(xún)處理，抽取其中與服務(wù)操作相關(guān)的概念，如輸入、輸出、操作方法等。二者通過(guò)匹配引擎來(lái)匹配，發(fā)現(xiàn)滿(mǎn)足請(qǐng)求條件的REST-ful Web服務(wù)，通過(guò)提取器提取滿(mǎn)足匹配要求的服務(wù)，提供給用戶(hù)。

圖1 RESTful Web服務(wù)匹配模型Fig.1 Matching model for RESTful Web services

3 匹配算法

通過(guò)hRESTS微格式對(duì)RESTful Web服務(wù)的HTML文檔信息進(jìn)行描述，包括了服務(wù)的名稱(chēng)、操作及操作的輸入、輸出和方法等信息。RESTful Web服務(wù)是面向資源的服務(wù)，主要依靠HTTP提供的方法對(duì)資源進(jìn)行操作，所以，對(duì)RESTful Web服務(wù)的匹配可以理解為對(duì)服務(wù)操作的匹配。

3.1 操作相似度的計(jì)算

網(wǎng)絡(luò)中提供的RESTful Web服務(wù)的操作定義為Sp=〈In，Ou，Op，Rws，Mt〉，In，Ou，Op，Rws，Mt分別表示操作的輸入、輸出、內(nèi)容、所在服務(wù)和操作方法。與之對(duì)應(yīng)，服務(wù)請(qǐng)求者輸入的請(qǐng)求操作可以描述為Sr=〈In'，Ou'，Op'，Rws'，Mt'〉，2 個(gè)操作的相似度可以定義為

(1)式中:Simop，Simin，Simou，Simrws，Simmt分別為計(jì)算操作內(nèi)容、輸入、輸出、所在服務(wù)和操作方法相似度。α，β，γ，δ為可調(diào)節(jié)的權(quán)重，權(quán)重的大小根據(jù)該參數(shù)的相似度對(duì)匹配影響的大小決定，且，α+β+γ+δ =1，0 ≤ α，β，γ，δ≤1。

3.2 本體與分類(lèi)樹(shù)

由于本體分類(lèi)較為廣泛，本文只涉及其中的領(lǐng)域本體，領(lǐng)域本體是特定領(lǐng)域內(nèi)的一組術(shù)語(yǔ)及其關(guān)系的定義，開(kāi)發(fā)比較復(fù)雜，需要相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c［11］，本文將不會(huì)涉及領(lǐng)域本體庫(kù)的開(kāi)發(fā)內(nèi)容，只關(guān)注本體概念在服務(wù)發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用。在本體的基礎(chǔ)上，RESTful Web服務(wù)經(jīng)過(guò)MicroWSMO微格式的描述，服務(wù)中的參數(shù)有了語(yǔ)義解釋?zhuān)?wù)請(qǐng)求者輸入的請(qǐng)求條件經(jīng)過(guò)解析，也有了相應(yīng)的語(yǔ)義概念。通過(guò)領(lǐng)域本體中2個(gè)概念之間的語(yǔ)義匹配度來(lái)計(jì)算操作的相似度。

根據(jù)領(lǐng)域本體的概念，可以將某領(lǐng)域中的概念描述成分類(lèi)樹(shù)，圖2給出了一個(gè)由WoT(Web of things)中的資源概念描述成的分類(lèi)樹(shù)。圖2中，樹(shù)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)概念，概念之間的關(guān)系距離表示路徑。

圖2 WoT資源概念分類(lèi)樹(shù)Fig.2 WoT resources concept classification tree

3.3 概念相似度的計(jì)算

分類(lèi)樹(shù)中相鄰2個(gè)節(jié)點(diǎn)(Ci，C'i)之間的距離值Dis〈Ci，C'i〉=1 － Sim〈Ci，C'i〉。相鄰概念(Ci，C'i)的相似度 Sim〈Ci，C'i〉需根據(jù)概念的類(lèi)型確定，例如:如果(Ci，C'i)為2個(gè)數(shù)值屬性概念，相似度定義為［12］

(Ci，C'i)為2個(gè)區(qū)間屬性概念，則定義為［13］

(3)式中:Ci=［ai，a'i］，C'i=［bi，b'i］是描述第i個(gè)區(qū)間型屬性規(guī)范化后的區(qū)間值，ai，bi分別為 Ci，C'i第i個(gè)區(qū)間型屬性規(guī)范化后區(qū)間值的下限，a'i，b'i為該區(qū)間值的上限。

根據(jù)領(lǐng)域本體，在分類(lèi)樹(shù)中尋找請(qǐng)求本體概念和目標(biāo)本體概念的流程如圖3所示。

圖3 計(jì)算分類(lèi)樹(shù)中概念相似度的流程圖Fig.3 Flowchart about computing similarity between concepts in classification tree

3.4 方法相似度的設(shè)定

RESTful Web服務(wù)充分利用了HTTP操作方法(GET，PUT，POST，DELETE)，但由于服務(wù)開(kāi)發(fā)者和服務(wù)請(qǐng)求者對(duì)這些操作方法上理解不同，會(huì)給服務(wù)匹配造成誤導(dǎo)。所以，為了能夠更加全面地發(fā)現(xiàn)用戶(hù)所需要的RESTful Web服務(wù)，預(yù)先對(duì)服務(wù)請(qǐng)求用戶(hù)的要求Ma和服務(wù)操作方法Mb的相似度做了定義，如表1所示。

表1 方法匹配相似度Tab.1 Method matching similarity

3.5 服務(wù)總體相似度的計(jì)算

每個(gè)RESTful Web服務(wù)都包含一個(gè)或多個(gè)操作，所以對(duì)服務(wù)整體的相似度定義為

為了能夠保證匹配效率，對(duì)操作匹配相似度設(shè)定一個(gè)閥值θ，如果Simrp(Sp，Sr)＜θ將直接去除，n為滿(mǎn)足要求的RESTful Web服務(wù)操作數(shù)。

4 模擬實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該匹配模型，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的REST-ful Web服務(wù)基礎(chǔ)上，模擬26個(gè)類(lèi)似RESTful Web服務(wù)，其中，有104個(gè)操作。通過(guò) hRESTS和MicroWSMO描述，獲取其中的操作輸入、輸出，內(nèi)容、所在服務(wù)和操作方法信息，并將信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。表2和表3分別為hRESTS和MicroWSMO描述RESTful Web服務(wù)的簡(jiǎn)單例子。

表2 hRESTS服務(wù)實(shí)例Tab.2 Service instance of hRESTS

表3 MicroWSMO服務(wù)實(shí)例Tab.3 Service instance of MicroWSMO

由于沒(méi)有查找到與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的領(lǐng)域本體庫(kù)，所以，需要人為建立領(lǐng)域本體庫(kù)。為了盡量避免建庫(kù)過(guò)程中的主觀因素，需綜合考慮目前建立領(lǐng)域本體庫(kù)的主流方法和服務(wù)開(kāi)發(fā)中參數(shù)的特點(diǎn)。之后，將建好的領(lǐng)域本體庫(kù)映射到分類(lèi)樹(shù)中，對(duì)分類(lèi)樹(shù)的相鄰節(jié)點(diǎn)按照類(lèi)別根據(jù)不同的方法來(lái)計(jì)算相似度，進(jìn)而確定節(jié)點(diǎn)之間的距離，對(duì)于現(xiàn)在還沒(méi)有很好的方法來(lái)計(jì)算相似度的相鄰節(jié)點(diǎn)，就人為確定其距離。再把分類(lèi)樹(shù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)概念由該節(jié)點(diǎn)編號(hào)、層編號(hào)和父節(jié)點(diǎn)編號(hào)唯一確定。

輸入查詢(xún)信息，統(tǒng)計(jì)本文模型的查全率和查準(zhǔn)率，默認(rèn) α，β，γ，δ值均為0.25，閥值為0.04。

在Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，通過(guò)C#語(yǔ)言編程，將查詢(xún)條件中的概念和服務(wù)中概念對(duì)應(yīng)到分類(lèi)樹(shù)，計(jì)算相似度，最后將匹配服務(wù)提取出來(lái)。本實(shí)驗(yàn)同時(shí)也模擬設(shè)計(jì)了基于關(guān)鍵字和基于WADL的匹配模型，此處不再詳細(xì)描述。

圖4和圖5分別是基于操作相似度和服務(wù)整體相似度統(tǒng)計(jì)而來(lái)，由于現(xiàn)有模型匹配的特點(diǎn)，沒(méi)有進(jìn)行操作相似度的比較。從圖4可以看出，在查全率方面，本文模型比關(guān)鍵字模型有較大的提高，而查準(zhǔn)率方面不及關(guān)鍵字模型，從圖5中看出，在查全率方面，本文模型最高;而在查準(zhǔn)率方面，基于WADL模型和本文模型都比關(guān)鍵字模型低。無(wú)論是操作相似度，還是服務(wù)整體相似度，本文模型都比關(guān)鍵字模型低的原因是前者主要關(guān)注的是語(yǔ)法、語(yǔ)義上的匹配，而不是概念之間的精確匹配，所以，在提高查全率的同時(shí)，會(huì)對(duì)查準(zhǔn)率造成一定的損失，但本文模型在查準(zhǔn)率方面較基于WADL模型還是有了較大的提高。

圖4 操作相似度效率指標(biāo)對(duì)比Fig.4 Efficiency index contrast of operation similarity

5 結(jié)束語(yǔ)

本文模型是在hRESTS和MicroWSDL微格式的基礎(chǔ)上，運(yùn)用一種有效算法，并結(jié)合領(lǐng)域本體，將RESTful Web服務(wù)和請(qǐng)求條件描述為服務(wù)名稱(chēng)、操作及操作的輸入、輸出和方法信息，再進(jìn)行匹配，最后提取出匹配的RESTful Web服務(wù)。但是，本文中的算法在模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，只是對(duì)α，β，γ，δ和θ人為設(shè)定了初始值，而未對(duì)其做深入研究，因?yàn)檫@些權(quán)重和閥值的大小對(duì)匹配的影響很大，后續(xù)將對(duì)權(quán)重和閥值進(jìn)一步研究。

圖5 服務(wù)整體相似度效率指標(biāo)對(duì)比Fig.5 Efficiency index contrast of overall service similarity

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