Khai phá và lực chọn web service phù hợp cho một quy trình nghiệp vụ mới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯƠNG THU THỦY KHAI PHÁ VÀ LỰA CHỌN WEB SERVICE PHÙ HỢP CHO MỘT QUY TRÌNH NGHIỆP VỤ MỚI Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã số:604801 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2011 i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Đặng Trần Khánh Cán chấm nhận xét : TS Nguyễn Đức Cường Cán chấm nhận xét : TS Nguyễn Tuấn Đăng Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 07 tháng 09 năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Trần Văn Hoài (CT) TS Nguyễn Đức Cường TS Nguyễn Tuấn Đăng PGS.TS Đặng Trần Khánh TS Võ Thị Ngọc Châu (TK) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA TS Trần Văn Hoài TS Thoại Nam ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trương Thu Thủy MSHV:09070467 Ngày, tháng, năm sinh: 18/04/1985 Nơi sinh: Daklak Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số : 604801 I TÊN ĐỀ TÀI: KHAI PHÁ VÀ LỰA CHỌN WEB SERVICE PHÙ HỢP CHO MỘT QUY TRÌNH NGHIỆP VỤ MỚI II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đề xuất phương pháp tìm kiếm tự động Web services thực phương pháp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2011 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:07/09/2011 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS Đặng Trần Khánh Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) PGS.TS Đặng Trần Khánh TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) TS Thoại Nam iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đặng Trần Khánh, người tận tình hướng dẫn tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn Cao học Tơi xin trân trọng cảm ơn quý lãnh đạo quý Thầy-Cô khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh tổ chức đào tạo khóa học để chúng tơi có hội học tập, nâng cao kiến thức nhằm phục vụ tốt ngành nghề Tơi xin cảm ơn gia đình động viên tạo điều kiện tốt để tơi tiếp tục theo đuổi việc học tập Đồng thời xin gửi lời cảm ơn đến bạn học viên K2009 động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn iv LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng, ngoại trừ kết tham khảo từ cơng trình khác ghi rõ luận văn, công việc trình bày luận văn tơi thực chưa có phần nội dung luận văn nộp để lấy cấp trường trường khác Tp.HCM, tháng 09 năm 2011 Trương Thu Thủy v TÓM TẮT Luận văn trình bày cách thức lựa chọn Web service ứng viên có đủ tiêu chuẩn để tham gia vào tiến trình tạo nên Web service composition Việc lựa chọn Web service ứng viên phải xem xét độ an toàn kiểu (type), điểm số input output có liên quan phải lớn ngưỡng cho trước Ngoài ra, input output Web service operation cịn phân tích hình thành nên IODAG khơng làm cấu trúc vốn có Mỗi node IODAG chứa thơng tin xsdtype, name annotation (được trích xuất từ attribute modelreference) Giải thuật data mediation phát triển, sử dụng lý thuyết kiểu (type), độ đo tương tự IODAG dựa giải thuật có: Tversky Model giải thuật Mwsdi Discovery Đồng thời giải thuật data mediation cải tiến cách đưa xsdtype vào công thức tính tốn độ tương tự nhằm làm cho kết xác ABSTRACT The Thesis describes the method of selecting candidate Web services which qualifies to participate to the process of Web service composition creation The selecting method must consider type safety, and the score of input and relevant output component must be greater than the specified threshold Moreover, the input and output of Web service operation are also analyzed to form the IODAG so that it doesn’t break its inherent structure Each node of IODAG contains the information of xdstype, name and its annotation (was extracted from modelreference attribute) The Data Mediation algorithm was developed and using the theory of type, the similarity measurement on IODAGs that relies on previous algorithms, such as: Tversky Model & Mwsdi Discovery Simultaneously, the Data Mediation algorithm is adjusted and improved by introducing the xsdtype into the similarity measurement in order to make the result more accurate vi MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iv LỜI CAM ĐOAN v TÓM TẮT vi MỤC LỤC vii MỤC LỤC HÌNH ix Chương PHÁT BIỂU VẤN ĐỀ 1.1 Lý thực đề tài 1.2 Mục tiêu giới hạn đề tài 1.3 Cấu trúc luận văn Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Kiến trúc SOA (Service Oriented Architecture) 2.2 Web Service 2.2.1 Tổng quan Web service 2.2.2 Kiến trúc Web service 11 2.3 Description Logic (DL) .12 2.3.1 Giới thiệu 12 2.3.2 Attributive Language with Complement (ALC) 12 2.3.3 Reasoning description logics .14 2.4 Ontology .15 2.5 Semantic Web .17 2.6 Semantic Web Service 18 2.7 Xác định dịch vụ có liên quan Discovery 23 2.7.1 Khái niệm 23 2.7.2 Discovery dựa ngữ nghĩa 24 2.7.3 Kiến trúc Semantic Web Service (SWS) Discovery thành phần cấu tạo 24 2.8 Các cách tiếp cận Matchmaking 27 Chương CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN 32 3.1 OWLS-MX (Hybrid OWL-S Web Service Matchmaker) .32 3.2 OWLSM (TUB OWL-S Matcher) 34 3.3 OWL-S/UDDI Matchmaker (OWL-S/UDDIM) 35 3.4 OWL-SLR 36 vii 3.5 STWS (IBM Semantic Tools for Web Services) 36 3.6 Giải thuật dựa mơ hình TVERSKY .37 3.7 Giải thuật MWSDI DISCOVERY MATCHING 40 3.8 Tổng hợp Web service sử dụng Service Suggestions 44 3.8.1 Lý thuyết kiểu 45 3.8.2 Mơ hình đồ thị Input/Output type 46 3.8.3 Cách tiếp cận dựa node .48 3.8.4 Path-based Data Mediation 52 Chương PHƯƠNG HƯỚNG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ .59 4.1 Nêu lại vấn đề .59 4.2 Phân rã Web service 59 4.3 Lựa chọn Web service 60 Chương Hiện thực .63 5.1 Kiến trúc hệ thống .63 5.2 Thành phần hệ thống 64 5.2.1 Parsers 64 5.2.2 Similarity Measures .65 5.2.3 Data Mediation Engine 65 Chương TỔNG KẾT 68 6.1 Tổng kết 68 6.2 Hướng phát triển 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 viii MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1 Một ví dụ web service composition [1] Hình 2.1 Sự phát triển Web [7] Hình 2.2 Ngăn xếp Web service[30] Hình 2.3 Cấu trúc thông điệp SOAP Hình 2.4 Hạ tầng tương tác Web service (W3C) 10 Hình 2.5 Cơ chế hoạt động Web service [18] 11 Hình 2.6 Một phần Vehicle Ontology [14] 16 Hình 2.7 Kiến trúc Semantic web (Berners-Lee, Hendler, et al., 2001) 17 Hình 2.8 Visibility Web [12] 17 Hình 2.9 Vịng đời Web Service [7] 19 Hình 2.10 Thành phần cốt lõi WSMO [8] 21 Hình 2.11 OWL-S upper ontology [8] .22 Hình 2.12 Discovery dựa mơ tả ngữ nghĩa dịch vụ [8] 24 Hình 2.13 Service profile ontology trước sau thêm/phân loại service request [7] 28 Hình 2.14 Biểu diễn dịch vụ đồ thị [7] 29 Hình 2.15 Biểu diễn gián tiếp dựa đồ thị [7] .30 Hình 3.1 Ví dụ so trùng dịch vụ với OWLS-MX [31] 32 Hình 3.2 Màn hình giao diện OWL-MX [13] .33 Hình 3.3 Mơ hình kết hợp kết Matching [15] 34 Hình 3.4 Kiến trúc UDDI/OWL-S Registry [28] 35 Hình 3.5 Các node so sánh giải thuật node-based [17] 49 Hình 3.6 Phân cấp kiểu liệu XSD [32] 51 Hình 3.7 Type web service 53 Hình 3.8 Trọng số path .56 Hình 3.9 Ví dụ giải thuật path based data mediation 57 Hình 4.1 Ví dụ Web service composition .59 Hình 4.2 Input Web service sau phân thành 60 Hình 4.3 Chọn Web service Operation 62 Hình 5.1 Kiến trúc hệ thống 63 Hình 5.2 Giải thuật phân tích file SAWSDL .64 Hình 5.3 Giải thuật tìm kiếm node ontology 65 Hình 5.4 Giải thuật tính tốn điểm số hai element 65 Hình 5.5 Hàm so sánh hai path 66 Hình 5.6 Hàm tính tốn điểm số .66 Hình 5.7 Chọn Web service 66 Hình 5.8 Hàm tính điểm số service thêm vào 67 Hình 6.1 So sánh việc kết nối end output với require output 69 ix Chương 1: Phát biểu vấn đề Chương PHÁT BIỂU VẤN ĐỀ 1.1 Lý thực đề tài Web service cung cấp cách thức chuẩn để công bố, khám phá gọi phần mềm hay ứng dụng khác phân bố rời rạc Internet Nhiều Web service phát triển sẵn có Web, việc sử dụng lại Web service có sẵn cho cơng việc làm tăng tốc phần việc người dùng Tuy nhiên, nhiều trường hợp, cơng việc phức tạp u cầu nhiều Web service làm việc với Web service composition (WSC) giải vấn đề cách sử dụng Web service có sẵn để xếp chúng lại thành quy trình theo yêu cầu người thiết kế Web service hứa hẹn giải nhu cầu việc tích hợp ứng dụng cách cung cấp framework dựa chuẩn trao đổi thông tin ứng dụng cách tự động Đã có nhiều nỗ lực để chuẩn hóa mơ tả (description), phát (discovery) gọi (invocation) dịch vụ web hình thành tiêu chuẩn tương ứng WSDL (2001), UDDI (2002), SOAP (2000) Khi thiết kế giải pháp sử dụng kiến trúc hướng dịch vụ (SOA), dịch vụ web (Web service) công nghệ trội Về giải pháp dựa SOA thúc đẩy phân tách thành phần để tạo nên hệ thống nhỏ riêng lẻ, hệ thống nhỏ riêng lẻ sẵn sàng cho giải pháp hoàn chỉnh dịch vụ (service) Mỗi dịch vụ sử dụng giao thức khác nhau, giao thức “SOAP” (Simple Object Access Protocol) SOAP giao thức mà dịch vụ web xây dựng dựa Web service cung cấp giao diện (interface) mà máy tương tác nhằm hỗ trợ cách truy cập linh hoạt môi trường mạng để thực tích hợp ứng dụng Như tài nguyên web khác, mong muốn định vị (locate) truy cập (access) vào ứng dụng Web service khác cách xác định Chương 4: Phương hướng giải vấn đề Hình 4.2 Input Web service sau phân thành Mỗi node chứa thông tin tên (name), thích (annotation), riêng node chứa thêm thơng tin kiểu liệu (xsdtype) Annotation trỏ đến class ontology 4.3 Lựa chọn Web service Khi phân rã xong Web service annotation node ánh xạ lên ontology để lấy thêm thông tin thích node Tiêu chí để chọn web service operation để kết nối vào chuỗi web service trước trước tiên phải đảm bảo an tồn kiểu liệu Tức kiểu liệu output web service operation trước phải kiểu (subtype) kiểu liệu input web service operation Kiểu liệu mô tả chi tiết Hình 3.6 Giả sử ta xét path P output web service trước với path P1 input web service ta thu kết sau: 60 Chương 4: Phương hướng giải vấn đề Preceding output Candidate input Result An toàn truyền P0 với P1 kiểu liệu node P0(int) subtype kiểu liệu node P1(long) Khơng an tồn truyền P0 với P1 kiểu liệu node P0(int) khơng subtype kiểu liệu node P1(short) Khi đạt yêu cầu độ an toàn, bước tính tốn điểm số hai path Để so sánh hai path, cặp node so sánh cặp node theo công thức (3.12) (3.13) Cơng thức (3.11) dùng để tính tốn điểm số cặp node, cơng thức (3.11), annotation thơng tin class biểu diễn ontology Việc tính tốn annotation dựa việc tính tốn độ khớp tên class, property class… mô tả công thức (3.5), (3.6), (3.7), (3.8), (3.9) Điểm số hai path bắt buộc phải lớn ngưỡng α cho trước Tuy nhiên so sánh hai path, giải thuật không xét đến độ an toàn ánh xạ output input mà cịn tính tốn điểm số dựa xsdtype 61 Chương 4: Phương hướng giải vấn đề = ( ) (4.15) ( )= ( )= 1, , = = , ′ ( ) ( ′) + + Trong λ hệ số suy giảm, x độ đo khoảng cách type p p’, w1, w2 hệ số tương ứng SP conSimType Cứ vậy, với path input web service operation ta tìm path tương ứng output trước Nếu tìm ta chọn operation tiếp tục tìm web service operation khác nối kết vào chuỗi Web service trước thỏa mãn u cầu đề Nếu khơng tìm Web service operation thỏa mãn giải thuật dừng lại Hình 4.3 Chọn Web service Operation 62 Chương 5: Hiện thực Chương Hiện thực Chương trình thực sử dụng ngôn ngữ Java, hệ thống hoạt động nhằm giúp người sử dụng tổng hợp Web service trở thành quy trình Những Web service operation tiềm xếp hạng service có điểm số ngưỡng sử dụng suốt q trình tổng hợp Ngồi cịn xây dựng data mediation để quản lý kết nỗi service operation (làm ánh xạ output service operation vào service operation theo sau) 5.1 Kiến trúc hệ thống Hình 5.1 Kiến trúc hệ thống Thành phần hệ thống data mediation, ngồi cịn có thành phần khác là: parser, similarityMeasure 63 Chương 5: Hiện thực 5.2 Thành phần hệ thống 5.2.1 Parsers Parser gồm hai thành phần riêng lẻ, cung cấp tất thông tin yêu cầu cho thành phần khác Thành phần thứ SAWSDL parser thứ hai OWL parser SAWSDL parser sử dụng thư viện sawsdl4j xsom, thư viện Jena cho OWL parser Một file SAWSDL gồm nhiều operation, operation có chứa hai message: input message output message Khi phân tích message, chương trình tạo thành để chứa tất element message đó, sau chuyển thành danh sách để tiện xử lý getOperationOfService(File wsdlFile) // wsdlFile file cần đọc {OP1, OP2, …, OPm} = OPERATION (wsdlFile) For each OPi in {OP1, OP2, …, OPm} {MS1, MS2, …, MSm} = MESSAGE_INPUT_OUTPUT (OPi) foreach MSi DO readPart of message readElement XSDSchema end end return PATH of each operation //trả danh sách path operation kể INPUT OUTPUT Hình 5.2 Giải thuật phân tích file SAWSDL Để tìm kiếm ngữ nghĩa element tương ứng với node ontology, chương trình đọc ontology đó, phân tích so sánh nhằm lấy node cần tìm readOntology (File ontoFile) parseFile (ontoFile) 64 Chương 5: Hiện thực Foreach Node on Ontology If(nodeWanted = Node) Return Node; Return not found Hình 5.3 Giải thuật tìm kiếm node ontology 5.2.2 Similarity Measures Đo độ tương tự có hai phần: độ đo tương tự cú pháp độ đo tương tự ngữ nghĩa Ở đây, chương trình sử dụng giải thuật Ngram để đo độ tương tự cú pháp Còn độ tương tự ngữ nghĩa tính tốn dựa [22] scoreTwoElement (eleOut, eleIN) //eleOut element Ouput //eleIn element Input //Lấy ngữ nghĩa hai element biểu diễn ontology {conceptOut, conceptIn} = GET_ANNOTATION_ONTO (eleOut, eleIN) cvrgSim = scoreAnnotationt(conceptOut, conceptIn) propSim = scorePropSim(conceptOut, conceptIn) consynsim = scoreConSynSim(conceptOut, conceptIn) return (w1.cvrgSim + w2.propSim +w3.consynsim)/(w1+w2+w3) Hình 5.4 Giải thuật tính toán điểm số hai element 5.2.3 Data Mediation Engine Trong phần thực, phương pháp path-based data mediation lựa chọn để thực Bộ phận gọi parser để sinh path cho file SAWSDL, sau so sánh hai đường trả điểm số Nó gọi phận so sánh độ tương tự (Similarity Measures) để so sánh thông tin cú pháp ngữ nghĩa hai element, thư viện XSOM dùng để trích xuất thơng tin từ element để thực thi 65 Chương 5: Hiện thực COMPARE-2-PATH (Po, Pi) //Pi, PO hai path cần so sánh {A1, …, Aj, …, Am} = Semanic annotation tất node Po {A’1, …, A’j, …, A’z} = Semanic annotation tất node Pi L = {m, z} Return ∑ scoreTwoElement A , A’ ∗ W // scoreTwoElement độ tương tự ngữ nghĩa hai khái niệm ontology Hình 5.5 Hàm so sánh hai path PATH-RANK({P1, P2,…,Pn},Po) //Po path input message operation ứng viên //{P1, …, Pn} tập path so sánh với Po Score[] For i in {1, 2, …, n} Si = COMPARE-2-PATH(Po,Pi) End Score[] = {S1, S2, …Si,…Sn} Return Score[]; Hình 5.6 Hàm tính tốn điểm số Hình biểu diễn process có hai Web service operation kết nối sau: OP1->OP2 OP3 operation ứng viên thêm vào sau OP3 nhận input từ OP1, OP2 từ input phía ngồi (global input) Hình 5.7 Chọn Web service 66 Chương 5: Hiện thực Giải thuật data mediation giải vấn đề cách xem xét output từ operation trước từ global input DATA-MEDIATION (CP, Ix) //CP process //Ix input message operation thêm vào //PATH(s) hàm để lấy tất path tập s {O1, O2, …, Om}= OUTPUT-MESSAGES (CP) I0 = GLOBAL-INPUT-MESSAGE (CP) {P1, P2, … , Pn} = PATHS ({I0} ∪ {O1, O2, …, Om}) {Px1, Px2, … , Pxt} = PATHS ({Ix}) for Pxi in {Px1, Px2, … , Pxt} sc[] = PATH-RANK ({P1, P2, … , Pn}, Pxi) end Score[] = {sc[1], …, sc[t]} Return Sdm = HungarianAlgorithm (Score)/t Hình 5.8 Hàm tính điểm số service thêm vào 67 Chương 6: Tổng kết Chương TỔNG KẾT Đã có nhiều nghiên cứu tổng hợp Web service, bao gồm việc hỗ trợ tool nâng cao tự động hóa q trình tổng hợp Giải thuật mà tác giả sử dụng chủ yếu dựa vào tài liệu [25], [22], [23] có sửa đổi để tăng độ xác chương trình 6.1 Tổng kết Mục đích chương trình giúp người thiết kế tận dụng lại Web service có sẵn để tổng hợp thành chuỗi Web service theo đặc tả u cầu Đã có nhiều cơng trình giới thiệu hai phương pháp chủ yếu leaf-based path-based algorithm Với phương pháp path-based giải thuật tâm vào cấu trúc input/output operation củaWeb service Ngoài hai phương pháp quan tâm đến global input output operation đứng trước nó, điều cho phép quản lý nhiều trường hợp tổng qt Mơ hình đồ thị (IODAG) cho input/output Web service operation định nghĩa nhằm biểu thị cấu trúc input/output sở cho giải thuật data mediation Lý thuyết kiểu (type) nghiên cứu, luật subtyping định nghĩa nhằm giúp việc kiểm tra kiểu xác đảm bảo an tồn việc tính tốn độ khớp kết nối output với input Kết data mediation bao gồm kiểm tra kiểu tính tốn độ khớp cho cặp input output Việc phân loại service thực nhằm xếp hạng ứng viên sử dụng trình tổng hợp Và kết trả đáp ứng yêu cầu người thiết kế độ an toàn truyền liệu lấy Web service phù hợp với yêu cầu Phương pháp mà tác giải thực sử dụng giải thuật data mediation dựa path theo tài liệu [25], [22], [23] tính tốn điểm số node 68 Chương 6: Tổng kết tác giả tách node thêm vào việc tính tốn điểm số xsdtype kèm theo node (đã liệt kê công thức (4.15)) Hình 6.1 So sánh việc kết nối end output với require output Khi tính tốn điểm số output P1, P2 End output với input P0 Require Output, phương pháp cũ cho kết Nhưng phương pháp mà tác giả tiếp cận so P1 với P0 cho kết 1, so P2 với P0 kết