信息服务的融合技术实现研究综述*

胡潜 黄丽姿



信息服务的融合技术实现研究综述*

胡潜 黄丽姿

（华中师范大学信息管理学院，武汉 430079）

围绕信息服务融合的实现机制、服务发现、服务选择、可靠性保障四大关键问题，对国内外代表性研究成果进行总结与分析，分析当前信息服务融合面临的基本问题和未来的发展方向。当前研究着重融合实现与运行中的通用技术策略展开，其成果在服务融合的实践中已经得到应用，但服务融合实现技术方案仍需要优化，对信息服务安全保障关注不足，同时与具体应用领域结合较为欠缺，在未来研究中应重点关注。

信息服务融合；服务选择；可靠性保障

信息服务融合技术是利用现有的服务按照一定的规则或业务逻辑进行组合，从而产生增值的服务能力或新的服务应用，这些增值的新的信息服务既可作为最终的服务提供给用户，又可作为新的服务进行发布供其他服务开发者利用[1-2]。“互联网+”背景下，以融合的形式提供信息服务已然成为趋势。对服务提供者来说，需要提供灵活、通用、可拓展性强的动态服务，使其能灵活应对用户多元化需求，作为一种有效的解决方案被研究与实践领域所关注。国内外研究主要围绕信息技术实现展开，主要包括服务融合实现技术、服务发现、服务选择及服务融合可靠性保障等方面，本文在研究问题和发展趋势分析基础上探讨信息服务融合组织机制。

1 信息服务的融合机制

信息服务融合的实现机制包括业务流程驱动的实现机制、基于接口匹配的实现机制和基于人工智能规划的实现机制3类。其中，业务流程驱动的实现机制是先确定融合需要涉及的服务类型及融合顺序，在此基础上再进行相关服务的发现、选择；而后两者是从用户需求出发，先进行待融合服务的发现，再进行服务的筛选与融合方案的确定，而且往往将两个环节作为一个整体进行实施。

1.1 业务流程驱动的信息服务融合

业务流程驱动的信息服务融合是以工作流技术为基础，使用较为成熟的建模工具和语言对信息服务融合业务过程进行建模。建模过程中以抽象服务为“占位符”替代实体服务建立工作流模型，融合执行时将其对应的实体服务进行匹配和绑定，从而将抽象的业务流转换成实际的服务融合方案并将融合结果返回给用户[3]。

业务流程驱动的融合实现通常以半自动化的方式，在可视化工具的支持下，用户根据业务逻辑定义信息服务融合的抽象业务流程，从而实现服务融合模型的构建。围绕这一思路，典型研究包括：Huang等[4]使用一个通用的分层图模型描述待融合服务间的关系，帮助非编程人员快速、简单地实现融合模型构建；胡昌平等[5]利用Yahoo！Pipes建模工具，以可视化的形式将功能独立的Widget进行融合，实现个人图书馆中的知识管理、查新和资源获取的融合；费大羽等[6]将工作流技术和集成融汇技术相结合，支持用户按照一定的描述规范自行构建个性化服务，并支持融汇服务脚本的开放复用。

上述思路虽然能够实现用户信息服务融合需求的精准表达，但服务间的交互和数据流都受控于业务流程，灵活性和动态性不足。为解决这些问题，Sbaï等[7]提出了一个D&A4WSC服务融合框架，使用Petri网的一个子类OWF网对服务进行建模，并对其进行兼容性验证，随后再将融合过程转化为BPEL流程；Ridhawi等[8]提出一种基于工作流的云雾网络移动边缘节点合作机制，使用数学合作算子将服务融合问题转化为代数表示，确定服务融合的最小成本合作路径，避免了服务融合过程中引入延迟和资源限制问题。

1.2 基于接口匹配的服务融合

基于接口匹配的服务融合实现的基本思路是，根据用户对服务融合的功能需求筛选出潜在融合对象，并根据其接口参数进一步确定融合对象及顺序[9]。这种融合思路下，只需明确用户的需求即可，无须制定融合对象间的顺序和融合方式，提升了融合实现的自动化水平。

在实现中，最常用的参数是输入、输出参数，如Paolucci等[10]提出的“弹性匹配”算法，根据各潜在融合对象的输入、输出参数，将其匹配程度分为Exact、Plugin、Subsumes和Fail4个等级，进而实现融合对象的选择与流程设计；为改进匹配效果，鲁城华等[11]综合输入、输出参数和功能描述两方面内容进行匹配度计算，并考虑了语义的双向性及连接路径上的多重关系。鉴于部分情况下，除输入、输出参数外，服务的前置条件、效果也制约着服务融合的实施，因此部分学者在服务融合方案设计中将前置条件和效果也作为接口参数考虑进来。基于这一思路，崔金栋等[12]利用一个五元组的本体对Web服务进行形式化描述，在IOPE算法的基础上进行服务的逐级匹配，从而实现匹配全过程的定量分析；王向辉等[13]改进传统规划图来体现服务的接口参数要求，并采用基于广度优先的后向搜索策略进行服务匹配，实现可伸缩的语义信息服务融合建模框架。

1.3 基于人工智能规划的服务融合

基于人工智能规划的信息服务融合实现机制旨在将服务融合问题转换成规划求解问题，进而利用人工智能中的规划技术创建服务融合方案[14]。根据形式域表示策略，可以将其分为HTN规划法和情景演化法等。

HTN规划法的思路是将用户需求不断分解成更小的子任务，在不违反约束条件的情况下直至分解成原子服务，进而求解规划问题。其优势在于支持模块化，能够处理非常大的问题领域，适合自动化的服务融合[15]。情景演算是用于表示动作和变化的理论，在Web信息服务融合中，情景演算将用户请求视为特定的初始情景，利用一阶谓词演算来推理是否可以通过调用服务等一系列动作将初始情景转变成目标情景。代表性研究包括：Ma等[16]在扩展OWL-S语义描述能力的基础上，将情景演算与语义描述相结合，提出一种基于OWL-S模型的自动服务组合的情形演算方法，实现规范化的服务融合；陈志勇等[17]为提高服务融合的执行效率，基于流演算和前推推理机制，设计了一个由OWL-S到流演算形式的转换算法，制定了基于流演算的规划策略，克服了传统的情景演算为代表的人工智能规划算法执行效率低的问题。

2 基于需求匹配的信息服务发现

在信息服务融合实现中，服务发现定位于用户需求，从服务资源中发现潜在融合对象，主要包括基于关键词匹配和语义匹配两种。

2.1 基于关键词匹配的信息服务发现

基于关键词匹配的信息服务发现是指，将用户需求提炼为一个或几个关键词，并将其与UDDI（universal description，discovery and integration）注册中心已发布服务的功能性、非功能性描述进行匹配，进而将能够通过字面匹配的Web信息服务返回给用户。这种服务匹配方式是研究与实践中较为常用的方式，其主要优点是：实现较为简单；技术比较成熟；而且由于UDDI中的服务描述较为规范，因此也能收到较为不错的效果。如Platzer等[18]、Sharma等[19]都采用向量空间模型进行了服务发现策略设计；实践方面，Globus、亚马逊的EC2、墨尔本大学的Inter-Cloud等系统都采用了该服务发现策略[20-21]。但是，由于其匹配仅限于语法层面，缺乏对Web信息服务描述的语义层面的分析，因此难以实现深层次的服务匹配，导致服务发现的准确率和召回率较低[22]。

2.2 基于语义的信息服务发现

随着语义技术的发展，将语义信息与信息服务描述语言相结合进行更精确的服务匹配成为信息服务发现研究的热点。近年来，有关组织提出了基于语义的服务描述语言，如SAWSDL（semantic annotations for WSDL and XML schema）、OWL-S（ontology web language for services)和WSMO（web service modeling ontology）等，为服务匹配提供较好的解决方案。基于语义的Web信息服务发现一般利用本体概念间的相似度计算进行服务匹配。李进华等[23]以描述逻辑及其SHIQ语言为基础，通过对服务语法与语义定义，实现语义Web服务的查询、匹配以及多服务的融合机制，以解决无状态服务查询匹配的精度问题；张亮[24]指出仅计算概念相似度而忽略上下文语义的属性和关系信息的不足，提出一种基于语义相似度计算的服务匹配算法SMASS，进行概念相似度、关系相似度和属性相似度计算，提高了Web服务匹配的准确率和效率。也有相关研究提出从信息服务接口中提取词向量，通过计算词向量间的相似度来衡量服务之间的语义相似度[25-26]。

3 基于服务质量的信息服务融合选择

服务发现可以确保潜在融合对象能满足用户的功能需求，而服务选择主要考虑服务质量（quality of service，QoS）这一指标。QoS一般包括响应时间、可达性、可靠性、价格等因素，反映服务满足用户需求的能力，是服务性能评价的重要指标。服务选择的具体实现主要包括基于局部优化和全局优化选择两种思路。

3.1 局部优化信息服务选择

基于局部优化的信息服务选择是指单独地考察各个候选服务融合对象，对其QoS参数进行加权和排序，并以此为依据从每组候选集合中选择一个满足局部约束条件限制且服务质量加权和最大的服务来构建融合服务。叶恒舟等[27]提出一种时序约束分解方法，将整个或部分工作流的时序约束分解为施加于每个活动的局部约束，过滤掉不满足局部约束的候选服务，从而降低原问题的复杂程度。李玲等[28]在Hu等[29]提出的基于多维服务质量的局部最优服务选择模型的启发下，提出基于模糊层次分析法（FAHP）的多维服务质量局部最优服务选择模型中建立服务的客观属性和主观评价的双重质量属性模糊层次结构，更为全面地考量主观、客观QoS属性对局部服务最优选择的影响。Watanabe等[30]在服务选择的过程中加入局部约束条件，采用线性规划的方法对问题进行求解，避免了对服务组合进行全局的探索。基于局部优化的服务选择其优势是简单、易于实现，但由于未考虑各个服务融合对象间的关系，可能无法实现全局最优。

3.2 全局优化信息服务选择

基于全局优化的信息服务选择旨在从服务融合的全局需求出发，综合考虑每个具体服务的融合服务全局最优。实现过程中，通常将其映射为多维多选择背包问题，使用整数规划方法进行求解[31-32]。谢晓燕等[33]提出一种代表性Skyline服务选择方法进行服务的不确定性筛选，建立代表性服务树作为整数规划选择模型的输入，最后通过整数规划模型求解出满足用户需求的最优服务。王伟东等[34]基于神经网络方法的服务质量等级划分和筛选服务来满足全局约束条件，建立等级划分融合模型，获得服务质量的近似最优解。

除求解策略外，由于基于全局优化的服务选择考虑了全局服务质量约束，计算难度较大，因此面临动态环境和实时需求场景下的效率与性能问题。解决这一问题的主要思路是混合策略，即先对每个抽象服务所对应的候选服务集合进行筛选，过滤掉不符合用户需求约束的服务，再从未筛选掉的候选服务集中计算出满足用户全局约束的最优解。考虑全局和局部服务的矛盾，刘志忠等[35]提出服务融合任务分配自适应框架，通过分析服务的日志来预测服务质量阈值，从而全局地服务质量分解提供启发信息，并引入松弛系数降低服务自适应开销。此外，许多学者通过算法改进进行基于服务质量的信息服务选择的优化，如改进粒子群算法[36]、蚁群算法[37-38]等。

4 信息服务的融合技术实现保障

服务融合实现中面临服务缺陷、网络故障、Web服务更新、服务拒绝攻击等威胁，为保障其可靠执行，可以从融合验证、容错设计、故障诊断与处理等方面加以保障。

4.1 融合验证

信息服务融合的验证包括控制流验证和数据流验证两个方面，前者验证的是信息服务融合业务流程逻辑的正确性，后者验证的是业务流程服务间的相容性。具体策略设计上，一般采用基于形式化方法的设计思路，代表性研究有：沈华等[39]基于Petri网理论，提出了一种基于SPN的服务融合性能分析模型，在服务融合设计阶段验证其有界性、死锁和陷阱，以保证运行时的服务融合结构优化；陆闯等[40]基于自动机理论进行策略设计，将服务融合的过程理解为一个实时系统的运行过程，利用概率时间自动机对融合进行形式化建模，并对整体进行服务质量的定量评估，保证了建模分析方法的可行性和可信度；祝义[41]和Yun[42]等均采用基于进程代数的方法，前者提出了基于CSP_M的BPEL模型建模与验证框架，后者通过Pi演算对服务之间的动态交互过程进行描述、验证，以保证融合过程的正确性。

4.2 融合容错机制

容错机制可通过提升融合策略的健壮性来保障其可靠性，围绕这一问题，国内外学者提出了3种解决方案。①将容错策略转化为最优化问题。Zheng等[43]给出了一个可扩展的信息服务融合框架，将用户要求转化为局部或全局约束条件，将最佳容错策略的选择问题形式化为最优化问题的一个约束，并设计了一种启发式算法进行求解。②引入外部容错机制。在服务融合过程中引入故障避免服务，将其作为原子服务加入服务融合流程，周期性地探测服务融合方案中尚未执行的原子服务的可用性，若原子服务不可用则及时调用具有相同功能的原子服务进行替换，避免失败的发生[44]。③服务补偿容错机制。当出现故障的原子服务不可替换时，停止当前服务融合的执行，将状态回溯到一个可以进行补偿的阶段，为具有原子特性的融合子流程重新选择原子服务。Tan等[45]采用这一思路，从服务融合错误发生处采用回滚操作进行错误补偿，通过自动化遗传算法计算得到能够保证融合服务功能属性顺利实施的恢复计划。

4.3 故障诊断与异常处理

服务融合故障诊断与异常处理研究的目标是当服务融合可靠性出现问题时，能够迅速判断故障类型及具体位置并加以解决。

融合中的故障诊断可以分为基于历史数据的故障诊断方法和基于模型的故障诊断方法。基于历史数据的故障诊断方法以历史数据作为先验知识，通过分析历史数据构建诊断模型或对故障进行分类。贾志淳等[46]通过历史数据构建服务执行矩阵，提出基于贝叶斯与多故障逻辑推理的诊断方法，以解决故障诊断中无法处理系统中服务状态和行为故障的不确定性问题。基于模型的故障诊断方法是利用已知的服务描述构建待诊断信息服务进程模型或故障模型，通过这种形式化的模型和进程运行时的观察来识别故障服务，并对故障传播路径提供解释。基于这一思路，Liu等[47]提出一种基于条件随机场的诊断模型，首先分析单个服务之间的通信建立起消息转移矩阵和行为转移矩阵，通过诊断模型观察到消息序列与正常消息序列的相似性，并通过Viterbi算法挑选出可疑的消息的转换序列，为出现故障提供可替代的服务。

服务异常处理最直接的方法是利用现有服务协议的故障处理机制来解决错误问题，提高服务融合的故障处理能力，但服务标准协议本身不断发展变化且标准之间存在一定的差异，该方法不易于推广。目前，服务异常处理的代表性解决方案包括：基于注释的异常处理，在业务流程代码中加入预定义的注释来声明服务流程异常时的处理逻辑[48]；基于运行时的异常处理，需要对原有服务组合描述语言进行拓展，将新的拓展标记映射到新定义的监控服务上，以此通过添加新的程度代码形成监控引擎，分离了正常的业务逻辑和异常处理逻辑。Barbon等[49]对BPEL执行引擎进行拓展，添加了Java代码监控模块来捕获服务融合的执行信息。面向事务型的异常处理，把异常当作一个事务进行处理，面向服务融合系统和执行环境的特点，建立高级事务模型，Liu等[50]提出了一种通错的事务性BPEL流程框架FACTS，为服务融合提供一个集成的规约异常处理模块。在服务异常处理的框架研究方面，Moser等[51]提出了VieDAME框架，对BPEL过程进行非侵入监控与服务调整；王权于等[52]提出了一个基于策略驱动的异常管理框架BPEH/F来处理BPEL业务流程中的异常。

5 结语

开放、共享互联网环境下，受用户多元、复杂的服务需求驱动，信息服务融合深化和拓展了信息服务组织方式。总体上看，国内外相关研究与实践均注重从服务融合方视角出发，围绕服务融合实现与运行中的通用技术策略展开研究，研究成果具有较强的解决实际问题的现实性，在服务融合的实践中得到了应用。然而，也存在一些突出问题，如服务融合实现技术方案仍需要优化、研究对服务融合方的信息安全保障关注不足、对服务提供者的需求关注不足、与具体应用领域的结合较为欠缺等。

（1）围绕实现机制、服务发现、服务选择、可靠性保障等服务融合实现的具体环节，进行技术方案的优化研究。具体而言，主要包括：提升融合实现的智能化水平，支持面向复杂需求的探索式融合实现机制；融合领域背景信息，提升基于语义的服务发现的效果，尤其是“互联网+”背景下面向产业链服务融合需求的跨行业服务发现问题；服务选择方面需要进一步优化考虑QoS的服务选择效率与效果；可靠性保障方面需要围绕开放、动态、多变环境的要求，进行全程化可靠性保障的研究。

（2）信息服务融合的安全保障。信息服务融合过程中，可能向服务提供者请求其所拥有的资源，也可能将自身数据上传给服务提供者进行加工处理，而处理结果可能直接返回，也可能作为新的输入传输至下一个待融合服务。在此过程中会面临较为复杂的信息安全问题，研究与实践探索中，既需要关注服务提供者可能引发的数据完整性、准确性、保密性的受损问题，也需要关注数据在多个服务提供者之间、服务融合方与服务提供者之间的安全传输问题。

（3）服务提供者的服务调度机制。当前研究主要关注的是如何满足服务融合方的需求；但站在全局视角，为保障融合的顺利进行，还需要关注服务提供者的需求。尤其是要关注服务提供者的服务调度问题，从而提高其资源利用效率。需要说明的是，在进行服务提供者的服务调度策略设计时，不能仅关注服务提供者自身的要求，而应立足于服务融合的全局视角，实现服务融合方和服务提供者需求的有机融合。

（4）面向应用领域的信息服务融合实现。当前研究主要关注通用信息服务融合及技术实现策略，除围绕云制造展开一些专门研究外，还较少围绕具体应用领域展开研究。然而，各应用领域有其自身特性，简单照搬通用性的研究成果未必能取得良好的应用效果。基于此，应加强围绕具体领域的应用研究，诸如学术信息服务融合、面向产业链的行业信息服务融合等。

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Review of Studies on Information Service Composition Technology

HU Qian HUANG LiZi

( Central China Normal University of School of Information Management, Wuhan 430079, China )

This paper reviews the research progress of information service composition at home and abroad, and analyzes and evaluates it objectively, providing reference for the further research. On the basis of discriminating the related concepts of Web information service composition, this paper focuses on the four key issues of information service composition: implementation mechanism, service discovery, service selection and reliability insurance, and compares the main methods and research results at home and abroad. Finally, it points out the problems faced by the current information service composition and the future development direction. The current research on Web information service composition is centered on the implementation of service composition and the general technology strategy in operation. The results are also applied in the practice of service integration. At the same time, there are still problems such as the implementation technical solution optimization, the lack of attention to the information security assurance, and the lack of combination with specific application areas.

Information Service Composition; Service Selection; Reliability Assurance

G250

10.3772/j.issn.1673-2286.2018.11.003

（2018-10-11）

胡潜，男，博士，教授，博士生导师，研究方向：数字信息管理、信息服务与用户，E-mail：huqian361@163.com。

黄丽姿，女，硕士研究生，研究方向：信息服务与用户。

*本研究得到国家社会科学基金项目“‘互联网+’背景下面向产业链的行业信息服务融合研究”（16BTQ063）资助。