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 software 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 virtualization—including 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 appearance 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

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(process)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(r&r)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[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