語義網(wǎng)絡(luò)P2P參考模型語義映射構(gòu)建

蔡寅

摘 要：為了解決P2P定義域抽象與概念上表達(dá)的二義性和不兼容性，構(gòu)建了語義P2P系統(tǒng)參考模型語義映射，包括映射表達(dá)、映射實(shí)現(xiàn)、映射正確性、映射執(zhí)行者以及映射維護(hù)等各種問題的決策，從通用的、高層抽象的角度對(duì)涌現(xiàn)出來的分布式計(jì)算模式進(jìn)行建模，為該領(lǐng)域建立了一個(gè)通用的技術(shù)框架，使得研究成員相互間能更好地理解與交流，為各語義P2P系統(tǒng)間的比較提供了共同準(zhǔn)則。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：語義網(wǎng)絡(luò)；P2P；SP2P參考模型；分布式計(jì)算

DOIDOI：10.11907/rjdk.161489

中圖分類號(hào)：TP303

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2016）008-0001-03

0 引言

目前，針對(duì)P2P的研究已經(jīng)產(chǎn)生了各種各樣的實(shí)現(xiàn)與體系結(jié)構(gòu)。各類研究者在知識(shí)管理、數(shù)據(jù)庫、信息檢索、P2P等方面的背景不同，導(dǎo)致了這些各種各樣的實(shí)現(xiàn)與體系結(jié)構(gòu)在定義域抽象與概念上表達(dá)的二義性和不兼容性。P2P仍然是一個(gè)不斷演化的領(lǐng)域。GUO Fangfang等[1]構(gòu)建了一種層次P2P模型，用于網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)融合告警系統(tǒng)；劉衍珩等[2]構(gòu)建了P2P流媒體中動(dòng)態(tài)分級(jí)傳輸模型，用于流媒體的傳輸；吳鵬[3]針對(duì)文件共享只能按照文件標(biāo)識(shí)符查找的問題，構(gòu)建了異構(gòu)模式間的語義映射模型，將查詢請(qǐng)求中所有別名轉(zhuǎn)化成真實(shí)的數(shù)據(jù)表信息。目前存在不同的SP2P系統(tǒng)及其類型，如Piazza、Chatty Web、KEx、Somewhere、Hyperion、PeerDB、coDb、Esteem、Observer以及Edutella，這些系統(tǒng)互不兼容，具有不同的體系結(jié)構(gòu)，是由具有不同知識(shí)背景的專家開發(fā)的。

參考模型創(chuàng)建有兩種不同的方法，Volker與Katarina[4]闡述了創(chuàng)建參考模型的兩種主要方法，即：①當(dāng)某個(gè)領(lǐng)域有大量系統(tǒng)可用時(shí)，可以通過抽取現(xiàn)有系統(tǒng)的通用組件來開發(fā)參考模型；②對(duì)于一個(gè)領(lǐng)域，沒有較多系統(tǒng)可用時(shí)，通過對(duì)現(xiàn)有與本領(lǐng)域相近的領(lǐng)域參考模型進(jìn)行提升得到。本文采用第一種方法，即從現(xiàn)有系統(tǒng)及其相關(guān)工作中抽取共同組件，以構(gòu)建SP2P系統(tǒng)參考模型，該SP2P系統(tǒng)參考模型捕獲了許多SP2P系統(tǒng)及其相關(guān)工作的共同特征，并對(duì)這些系統(tǒng)與相關(guān)工作的關(guān)鍵概念提供了標(biāo)準(zhǔn)化的描述。為了獲取參考模型的主要結(jié)構(gòu)，本文著重對(duì)現(xiàn)有SP2P系統(tǒng)的顯著特征進(jìn)行識(shí)別，這些特征是有代表性的SP2P系統(tǒng)及其相關(guān)工作的用戶可視的各個(gè)方面，包括SP2P系統(tǒng)的共同方面與不同方面，這種方法就是面向特征的領(lǐng)域分析法（FODA）。對(duì)與SP2P系統(tǒng)相近領(lǐng)域的參考模型進(jìn)行研究，包括網(wǎng)格計(jì)算參考模型[5]與Web服務(wù)參考模型[6]，這些參考模型代表了各個(gè)經(jīng)典領(lǐng)域，并采用第一種參考模型創(chuàng)建方法來加以創(chuàng)建。選取多個(gè)SP2P系統(tǒng)及其有代表性的相關(guān)研究工作來抽取SP2P系統(tǒng)的顯著特征，包括Chatty Web、KEx、P2PSLN及Piazza 4種系統(tǒng)及其相應(yīng)的組件、組件屬性以及組件之間的關(guān)系。

1 SP2P參考模型語義映射構(gòu)建

由于研究者的知識(shí)背景不同，并且SP2P領(lǐng)域仍然在不斷演化，目前存在許多各式各樣的SP2P實(shí)現(xiàn)與體系結(jié)構(gòu)。本文提出的SP2P參考模型滿足通用體系結(jié)構(gòu)的本質(zhì)需要，是對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的主要方面進(jìn)行建模。一個(gè)特殊的SP2P系統(tǒng)，例如Chatty Web、Piazza等，可以看成是參考體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例。本模型是一個(gè)高層次的抽象，隱藏了開發(fā)者的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，然而，它使得導(dǎo)出具體的系統(tǒng)成為可能?；诒緟⒖寄Ｐ退鶆?chuàng)建的系統(tǒng)應(yīng)該容易修改。SP2P參考模型由7個(gè)主要結(jié)構(gòu)組成：

SP2P=

其中p表示結(jié)點(diǎn)；r表示資源；qf表示查詢生成器；sn表示語義鄰居；rt表示路由；m表示映射；qa表示查詢結(jié)果。這7個(gè)結(jié)構(gòu)組成了任何SP2P系統(tǒng)所需要的最小組件，并能用于SP2P系統(tǒng)評(píng)估。

語義映射m=，是指來自獨(dú)立信息資源（本體）的概念之間的語義關(guān)系。對(duì)于任何SP2P系統(tǒng)而言，語義映射是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)創(chuàng)建塊，也是深度研究中的一個(gè)課題。由于結(jié)點(diǎn)信息的表示是異構(gòu)的，因而映射是SP2P系統(tǒng)的基礎(chǔ)組件。結(jié)點(diǎn)的局部本體被獨(dú)立開發(fā)出來以反映結(jié)點(diǎn)的知識(shí)、興趣及文化。因此，在參考模型中需用映射組件來描述本體之間與概念轉(zhuǎn)換相關(guān)的設(shè)計(jì)方面。SP2P系統(tǒng)使用的語義映射涉及映射表達(dá)（me）、映射實(shí)現(xiàn)（mi）、映射正確性（mc）、映射執(zhí)行者（mw）以及映射維護(hù)（mm）等各種問題的決策。此外，SP2P系統(tǒng)可以支持查詢的改寫，也即分解查詢或以一個(gè)等價(jià)但完全不同的方式對(duì)查詢重新排序，在這種情況下，映射組件需要一個(gè)額外的評(píng)估過程來支持查詢的評(píng)估與更改。

1.1 映射表達(dá)

從以最簡(jiǎn)單形式進(jìn)行語義映射適合不同本體中發(fā)現(xiàn)查詢概念的同義詞。在具有更好表現(xiàn)力的映射中，邏輯關(guān)系用于發(fā)現(xiàn)概念間的關(guān)系、概念屬性和性質(zhì)。

邏輯關(guān)系集通常用于定義結(jié)點(diǎn)本體概念間的關(guān)系，包括{≡，＼[，＼]，*，┷}。關(guān)系C1≡C2意味著兩個(gè)概念等價(jià)，換言之，C1與C2是兩個(gè)相似的或同等意義的并可相互交換的兩個(gè)不同的概念，例如，“notebook”與“l(fā)aptop”是兩個(gè)等同的概念。關(guān)系C1＼]C2表示C1超過C2，即C1比C2更具有一般性或更寬廣，例如，“system software”的概念比“operating system”的概念更具有一般性，更寬泛。關(guān)系C1＼[C2表示C1低于C2，即C2比C1更具有一般性或更寬廣，例如，“book”比“publication”更不具有一般性，因?yàn)槌霭嫖锊粌H僅是書。關(guān)系┷表示兩個(gè)概念之間沒有語義關(guān)系，例如，“bank”作為財(cái)政機(jī)構(gòu)與“bank”作為河岸之間沒有語義關(guān)系。不能用以上關(guān)符號(hào)描述的其它兩個(gè)概念之間的關(guān)系用*來描述。

映射的表達(dá)對(duì)查詢結(jié)果的可擴(kuò)展程度有影響。基于映射允許的邏輯表達(dá)式，可以增加或減小查詢結(jié)果的可擴(kuò)展程度。需要精確映射的系統(tǒng)可能放松系統(tǒng)的約束條件，以增加查詢的召回率。例如，假定一個(gè)本體中的“大學(xué)”概念與第二個(gè)本體中的“教育學(xué)院”的概念是等價(jià)的，即：

大學(xué)≡教育學(xué)院

相應(yīng)地，映射操作返回值為1：

map（大學(xué)，教育學(xué)院）=1.0

由于這兩個(gè)概念能同時(shí)被映射到一個(gè)共同的概念“學(xué)院”，因此，這個(gè)假定是有效的。

此外，假定“大學(xué)”或“教育學(xué)院”與“研究院”之間已確定具有相關(guān)的語義關(guān)系，即：

map（研究院，教育學(xué)院）=0.25

現(xiàn)提出如下查詢：

Query：列出該地區(qū)所有研究院的名字

嚴(yán)格的查詢結(jié)果為空，因?yàn)樵凇把芯吭骸迸c“大學(xué)”或“教育學(xué)院”之間沒有設(shè)置完全等價(jià)的關(guān)系。然而，如果放寬查詢的約束條件，即不是查找“研究院”與“教育學(xué)院”概念間的確切關(guān)系，而且考慮先前的查詢結(jié)果，將會(huì)有相應(yīng)的大學(xué)名字被檢索出來，因?yàn)椤把芯吭骸迸c“教育學(xué)院”之間的關(guān)系都會(huì)被確定為“學(xué)院”。

1.2 映射實(shí)現(xiàn)

如何進(jìn)行映射是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)問題。結(jié)點(diǎn)使用例如WordNet的本地的同義詞辭典的副本，創(chuàng)建其自己的字典，構(gòu)建映射表，交換本體以翻譯本體間的概念。執(zhí)行映射方法的選擇受應(yīng)用范圍的影響，對(duì)于小范圍、特定領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)點(diǎn)可能交換其局部本體或創(chuàng)建其局部字典以供翻譯；對(duì)于較大規(guī)模的應(yīng)用，可能需要局部同義詞字典，能夠完成一些推理，而不僅僅是處理與本地字典與表相關(guān)的簡(jiǎn)單的概念到概念的映射。映射可以被自動(dòng)地、半自動(dòng)地或手動(dòng)地進(jìn)行。

1.3 映射正確性測(cè)量

正確的語義映射是SP2P系統(tǒng)的基礎(chǔ)。很多研究者致力于對(duì)可能錯(cuò)誤的分類、對(duì)映射質(zhì)量的測(cè)量以及對(duì)查詢翻譯期間信息丟失的評(píng)估。映射正確性的測(cè)量有兩種方式，即數(shù)值測(cè)量與邏輯測(cè)量。數(shù)值測(cè)量適合于通過映射工具返回?cái)?shù)值，例如，一個(gè)映射操作得出概念間的語義關(guān)系，“Laptop”概念C1與“Notebook”概念C2的映射關(guān)系為：map（C1，C2）=1.0；“Operation system”概念C3與“Software”概念C4的映射關(guān)系為：map（C3，C4）=0.5或一些其它值。假如一個(gè)映射操作返回的數(shù)值≥δ（閾值），則認(rèn)為該映射是正確的。與本體概念間語義關(guān)系相關(guān)的數(shù)值由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者決定。例如，一個(gè)SP2P系統(tǒng)對(duì)于映射使用一致性表，賦給表中兩概念之間關(guān)系的值將被申明，并用于以后的映射過程。

邏輯測(cè)量是在映射操作期間得出邏輯關(guān)系，也即兩個(gè)概念間的關(guān)系是否滿足其邏輯操作{≡，＼[，＼]，*，┷}中的一個(gè)。例如，“publication”與“book”間的邏輯關(guān)系為＼]。

以上兩種方法可以改變，因此，邏輯關(guān)系可以轉(zhuǎn)換為數(shù)值關(guān)系，反之亦然。

1.4 映射執(zhí)行者

P2P系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須決定誰來實(shí)施映射，是發(fā)送結(jié)點(diǎn)，還是接收結(jié)點(diǎn)？也即查詢轉(zhuǎn)換發(fā)生在發(fā)送查詢之前，還是發(fā)生在接收查詢之后？這是非常重要的決定，它影響到查詢路由。在某種程度上，查詢結(jié)點(diǎn)先執(zhí)行映射，再提交給語義相關(guān)的結(jié)點(diǎn)（如果映射的輸出結(jié)果高于某一給定閾值），這種約束可以用作一種結(jié)束查詢轉(zhuǎn)發(fā)策略。若一個(gè)接收結(jié)點(diǎn)接收一個(gè)查詢后再執(zhí)行映射，也即對(duì)查詢轉(zhuǎn)發(fā)沒有約束，任何一個(gè)查詢將會(huì)發(fā)給任何其它結(jié)點(diǎn)，查詢接收結(jié)點(diǎn)回答各種查詢，或?qū)⑺鼈冝D(zhuǎn)發(fā)到其它結(jié)點(diǎn)。

1.5 映射維護(hù)

不同本體之間的映射需要維護(hù)。這是因?yàn)橛成潆S著本體的改變而過時(shí)。過時(shí)的映射會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來失敗的危險(xiǎn)。因此，有必要進(jìn)行以下處理：①語義映射維護(hù)；②映射失敗檢測(cè)；③容忍映射失敗。映射維護(hù)用于阻止映射失敗，需要進(jìn)行失敗檢測(cè)以至于修復(fù)。容忍映射失敗是必要的，目的在于降低因映射失敗給系統(tǒng)帶來的毀壞程度。

1.6 映射維護(hù)

在SP2P系統(tǒng)中，查詢結(jié)果的正確性需要評(píng)估，當(dāng)一個(gè)查詢得到多個(gè)查詢結(jié)果時(shí)，需要選擇合適的查詢結(jié)果。因此，在SP2P參考模型中，需要查詢結(jié)果組件（qa）。換句話說，參考模型的查詢結(jié)果組件qa=用于處理查詢結(jié)果的兩個(gè)重要方面，即：①查詢答案評(píng)估（ae）；②查詢結(jié)果選擇（as）。查詢結(jié)果評(píng)估策略是語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)中適應(yīng)性查詢路由的重要方面，對(duì)需要連接的SP2P網(wǎng)絡(luò)，需要采用正確結(jié)果評(píng)估函數(shù)。不正確的評(píng)估函數(shù)會(huì)阻礙語義相關(guān)的結(jié)點(diǎn)群集，基于有效應(yīng)用，能夠很好地在系統(tǒng)的性能與可靠性上取得一致。

查詢結(jié)果評(píng)估的確定（qd）方式在SP2P系統(tǒng)中是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)問題。結(jié)果確定可以手動(dòng)或自動(dòng)獲得，在手動(dòng)查詢結(jié)果確定方式中，查詢結(jié)果組件將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶，由系統(tǒng)用戶決定其查詢結(jié)果的正確與否；在自動(dòng)查詢結(jié)果確定方式中，系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)有確定查詢結(jié)果正確與否的能力。對(duì)于后者，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要設(shè)計(jì)一系列的準(zhǔn)則來增強(qiáng)對(duì)SP2P系統(tǒng)的控制，以有能力決定查詢結(jié)果的正確與否。這種測(cè)量實(shí)例包括計(jì)算查詢結(jié)果概念與查詢概念間的語義關(guān)系。

結(jié)果選擇as=，當(dāng)一個(gè)查詢從正確的轉(zhuǎn)換序列中得到多個(gè)正確結(jié)果時(shí)，可定義一系列準(zhǔn)則來選擇其一。這包括答案的精確性（ap）、映射路徑的長度（lp）以及結(jié)點(diǎn)的權(quán)重（w）。結(jié)點(diǎn)的權(quán)重指查詢結(jié)點(diǎn)在參與產(chǎn)生結(jié)果的結(jié)點(diǎn)中的信任級(jí)別，用w表示。查詢路徑長度與精確性可直接由查詢結(jié)果計(jì)算得到，結(jié)點(diǎn)的權(quán)重可通過對(duì)以前結(jié)點(diǎn)遇到的情形收集得到，或從結(jié)點(diǎn)的推薦信息中得到。

查詢結(jié)果處理的另一個(gè)重要元素是結(jié)點(diǎn)對(duì)部分結(jié)果集成的能力。一些查詢結(jié)果可能是部分結(jié)果，因此，需要結(jié)點(diǎn)具有對(duì)多個(gè)部分結(jié)果集成的能力，也即結(jié)點(diǎn)必須能合成所有部分結(jié)果并為用戶和其它結(jié)點(diǎn)提供一個(gè)全都相同的結(jié)果。

查詢結(jié)果可能直接或間接地傳送到查詢結(jié)點(diǎn)。直接的應(yīng)答結(jié)果是哪些響應(yīng)結(jié)點(diǎn)不經(jīng)由中間結(jié)點(diǎn)而直接發(fā)給查詢結(jié)點(diǎn)的查詢應(yīng)答結(jié)果；間接的應(yīng)答結(jié)果是哪些經(jīng)由查詢映射路徑而到達(dá)查詢結(jié)點(diǎn)的查詢應(yīng)答結(jié)果。

查詢結(jié)果的到達(dá)依賴于路由行為，也即查詢結(jié)果路由返回到提出查詢的結(jié)點(diǎn)，因此，查詢結(jié)果的到達(dá)是路由組件的一部分。

2 模型適應(yīng)性確認(rèn)

為了表明模型的適應(yīng)性，KEx、P2PSLN、Piazza以及Chaty Web系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)被映射到此參考模型。表1說明，所描述的最新系統(tǒng)擁有模型的核心組件，然而，它們?cè)诮M件屬性與組件關(guān)系的實(shí)現(xiàn)上互不相同。

3 結(jié)語

本文構(gòu)建了語義網(wǎng)絡(luò)P2P參考模型的語義映射，解決了P2P定義域抽象與概念上表達(dá)的二義性與不兼容性。采取結(jié)點(diǎn)本體概念間的映射表達(dá)，用以發(fā)現(xiàn)概念間的關(guān)系、概念屬性和性質(zhì)，其結(jié)點(diǎn)使用同義詞辭典創(chuàng)建其字典，構(gòu)建映射表，實(shí)現(xiàn)映射，交換本體以翻譯本體間的概念；采用數(shù)值測(cè)量與邏輯測(cè)量的方式實(shí)現(xiàn)了映射正確性測(cè)量，查詢結(jié)點(diǎn)先執(zhí)行映射，然后提交給語義相關(guān)的結(jié)點(diǎn)，用于結(jié)束查詢轉(zhuǎn)發(fā)的策略。最后，本文給出了P2PSLN系統(tǒng)所呈現(xiàn)的概念與關(guān)系，建立了一個(gè)通用技術(shù)框架，為各語義P2P系統(tǒng)間的比較提供了共同準(zhǔn)則。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）