CN102624908B - 一种基于混合P2P网络结构的语义Web服务发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合P2P网络结构的语义Web服务发现方法，通过对对组网阶段和发现阶段的步骤设置，引入了P2P技术进行服务发现，因此即便应对大规模的服务集合，依然能够表现出良好的扩展性和可用性；通过基于语义相似性对节点进行分组，提高P2P网络中的局部关联度，从而可以减少P2P网络中节点间转发消息的跳数，提高查询效率；另外集合点在处理查询请求时加入历史查询缓存机制，对于出现频率相对较高的查询请求可以更快地作出响应，从而提高查询效率。<b/>

Description

一种基于混合P2P网络结构的语义Web服务发现方法

技术领域

本发明主要针对在大规模的Web服务集合中进行快速、高效的服务发现问题，提出了一种基于混合P2P网络结构的语义Web服务发现方法。

背景技术

Web服务是服务计算中所强调的服务概念的一种具体表现形式和功能载体，它是一种基于Web环境的具有自适应、自描述、模块化并具有良好互操作能力的应用程序。Web服务作为一种新型的分布式构件模型，已经在电子商务、企业应用集成等领域扮演了越来越重要的角色。随着互联网中Web服务数目和种类的增加，如何方便有效地进行服务发现是面向服务的架构SOA所要解决的关键问题之一。近年来，国内外学者提出了基于语义的Web服务发现方法，通过使用语义网(Semantic Web)中的本体技术、语义推理技术来提高服务发现的效果，这类方法被学术界视为最有前景的服务发现方法，并在国内外学术期刊和会议上不断涌现出大量的基于语义的Web服务发现方法，这些方法大多以语义Web服务模型OWL-S、WSMO和WSDL-S等为基础，结合本体推理、语义匹配等技术实现准确和自动的服务发现过程。

传统的Web服务发现方法大多是基于集中式的解决方案，随着互联网上Web服务的数量不断增多，这类方法将不可避免的展现出过于依赖服务器、效率瓶颈、单点失败、扩展性差等缺陷。海量的Web服务注册到集中式的服务注册中心势必会增大服务注册中心的负担，一旦中心节点崩溃，将导致所有注册的Web服务无法被发现。P2P技术打破了传统的集中式网络模式，使用分布的资源，以分散的方式来执行特定功能的一类系统和应用程序，具有分布性、可扩展性、自组织性、安全性和互操作性等特点。在P2P网络中，所有节点地位相同，每个节点既是服务器为其他节点提供服务，同时也是客户机享用其他节点提供的服务。P2P计算模型已经被成功地应用到许多领域，如管理和共享信息、协作、企业资源管理、分布式计算等，把P2P的思想与Web服务结合起来，可以有效地解决传统集中式Web服务发现所带来的一系列问题。

P2P技术经过多年的研究与发展，已经产生了许多成熟有效的P2P网络，如Napster、Gnutella、Chord、CAN、JXTA等，但是，JXTA协议却是一种缺乏全局观的局部有效搜索方法。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种基于混合P2P网络结构的语义Web服务发现方法，克服传统集中式服务发现解决方案在服务集合规模庞大时所表现出的单点失败、效率瓶颈、扩展性差、可用性低等缺陷，利用P2P网络的分布性、可扩展性、互操作性等优势为服务请求者提供一种更为快捷高效的服务发现策略。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于混合P2P网络结构的语义Web服务发现方法，包括组网阶段和发现阶段；

所述组网阶段包括如下步骤：

1)在网络中设定默认对等组为G₀，任何没有服务发布的节点都属于该组，第一个加入该组的节点成为该组的集合点R₀；

2)对于新加入网络的节点P_i，首先将其加入到对等组G₀，所述节点P_i通过以下步骤发布Web服务：

21)P_i首先将欲发布的Web服务w_j所对应的语义范畴w_j_catogory发送给所属对等组的集合点，如果所述P_i本身就是集合点则忽略此步骤；

22)通过计算w_j_catogory的哈希值，找到Chord网络中与w_j_catogory语义最近的集合点R_x；

23)计算R_x所对应的语义范畴R_x_catogory与w_j_catogory的语义相似度Sim(R_x_catogory，w_j_catogory)，若相似度值大于设定阈值，则认为两者语义相似，P_i作为边缘节点加入R_x的对等组，R_x将<P_i，w_j>添加到自己的索引表中；

24)若步骤23)计算出的语义不相似，P_i自己成为集合点R_i，建立新的对等组G_i，R_i在集合点Chord网络中的唯一标识根据w_j_catogory进行哈希映射得到；R_i加入后，整个集合点网络根据Chord协议进行更新；

3)任意节点若要发布新的Web服务都遵循步骤2)中的21)至步骤24)过程；

所述同一个对等点可以发布多个属于不同语义范畴的Web服务；

所述发现阶段包括如下步骤：

4)用户发出服务查询请求query，经过语义处理后得到可进行语义匹配的查询请求query_category；

5)将查询请求query_category转发给查询请求发出节点的所属集合点R_i，若查询请求就来自于集合点，则可省略此步骤；

6)集合点R_i收到查询请求query_category后，将对查询请求进行处理，具体步骤如下：

61)将query_category与本地的历史查询缓存进行匹配，若命中，则直接将结果返回给请求转发者，否则进入下一步；

62)计算query_category与集合点对应的语义范畴的语义相似度，若语义相似，则在自己维护的边缘节点索引表中进行语义匹配，查找与query_category语义相似的Web服务，将结果查询返回给请求转发者，同时更新本地历史查询缓存，否则进入下一步；

63)将查询请求转发给与查询请求query_category语义最相似的集合点R_x，查询请求的转发将根据Chord路由算法；

64)接收到查询请求的集合点将重复步骤61)，直到有查询结果返回或所有集合点都被遍历为止；

7)所有接收到查询结果的路由集合点，在路由返回查询结果的同时更新本地的查询缓存，最后查询结果将路由到查询请求者，查询结束。

进一步的，在组网阶段中步骤1)和步骤2)中节点加入具体包括如下步骤：当一个新的节点加入该网络时，首先将该节点加入到默认对等组G₀，该对等组中的节点都是未发布服务的节点，第一个加入该组的节点成为这个组的集合点，其维护的边缘节点索引表仅为节点列表；如果当某一节点发布服务时则从该对等组中离开，集合点维护的索引表中将该节点删除；如果集合点发布服务，则选定索引表中第一个节点为新的集合点，将索引表转发给新的集合点。

进一步的，当节点需要离开所述网络时，包括如下步骤：若P_i作为边缘节点离开网络时，则向其集合点R_j发送退出请求，R_j收到请求后，在其所维护的索引表中，将P_j的服务信息删除；若某一集合点R_k想要离开网络时，则R_k从自己所在对等组中选出与其相似度最高的边缘节点P_k作为集合点的继任者，然后将自己所维护的组内边缘节点索引表转交给P_k，P_k成为新的集合点之后，对P_k加入该对等组的第一个Web服务w_k的语义范畴进行哈希映射，得到新集合点在的Chord网络中的唯一标识，继而整个Chord网络也进行相应更新。

进一步的，如果节点P_i需要撤销其发布的某一服务w_j，节点P_i将撤销请求发给他的所有集合点{R₁，R₂，R₃，…R_k，k＞＝1}，收到请求的集合点R_k判断其维护的边缘节点索引表中是否含有记录<P_i，w_j>，若含有则将该记录删除。

本发明具有以下有益效果：

(1)由于引入了P2P技术进行服务发现，因此即便应对大规模的服务集合，依然能够表现出良好的扩展性和可用性；

(2)基于语义相似性对节点进行分组，提高P2P网络中的局部关联度，从而可以减少P2P网络中节点间转发消息的跳数，提高查询效率；

(3)集合点在处理查询请求时加入历史查询缓存机制，对于出现频率相对较高的查询请求可以更快地作出响应，从而提高查询效率。

附图说明

图1为本发明中所要构造的混合P2P网络结构图；

图2为本发明中在混合P2P网络中进行语义Web服务发布的流程图；

图3为本发明中的语义Web服务发现流程图；

图4为本发明中集合点转发查询请求的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

通过分析Web服务环境以及Web服务发现问题的特点，本发明是基于一种混合的P2P网络结构JXTACh来实现Web服务发现的解决方案。JXTACh是由CarloNocentini等人提出的将JXTA协议和Chord协议结合的一种混合P2P网络结构。JXTA是由SUN公司提出一组开放的、通用的P2P协议集合。基于JXTA协议构造的P2P网络是一种半结构化的网络，网络中的节点可以根据某一规则进行分组，组内的节点分为集合点和边缘节点，集合点负责维护边缘节点的索引。对于上层集合点采用松散一致的DHT算法，有限范围内集合点步行查找，而对于下层边缘节点则采用广播方式查找。但是，JXTA协议是一种缺乏全局观的局部有效搜索算法，JXTACh通过引入Chord，将JXTA上层网络构造成结构化网络，下层路由机制不变，有效地利用了Chord的负载平衡、高鲁棒性、高扩展性以及高可用性等优势，从而构造出路由效率高效且具有全局观的路由网络。

本发明所提出技术方案主要包含两方面内容：其一，将参与服务发现的节点基于混合P2P网络结构JXTACh组织起来(简称组网阶段)；其二，在构造好的P2P网络中进行语义Web服务发现(简称发现阶段)。

由于P2P网络中的节点具有地位对等的特性，因此参与组网过程的节点既可以作为服务发布者，也可以作为服务请求者，每个节点同时也可以看作一个小的服务注册中心，可以在任意节点上进行Web服务的查询匹配。所构造的网络结构如图1所示，P2P网络中的节点分为边缘节点和集合点，每一集合点对应一个对等组，属于该对等组的边缘节点都提供语义相似的Web服务，同一边缘节点可以属于不同的对等组，一个节点的身份并不固定也不唯一，可以同时作为一个组的集合点和另一个对等组的边缘节点。网络中的所有集合点则根据Chord协议进行组织。每一集合点除了需要维护Chord协议所需的FingerTable之外，还要维护自己所管辖的对等组中边缘节点的服务信息索引。

语义Web服务建模

(1)Web服务服务：将语义Web服务表示成三元组s＝(n，P，category)，其中：n为服务名称；P表示为该服务提供的操作集合，一个操作可表示为二元组p＝(C_I，C_O)，其中C_I为操作所有的输入对象所对应的语义概念集合，C_O为所有输出对象所对应的语义概念集合；category表示该服务所属的语义范畴，是一种语义概念。

(2)语义相似度：给定语义概念c₁，c₂，两者之间的语义相似度为：

$\mathrm{Sim}(c_1,c_2)=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{al}}\&CenterDot;\frac{e^{\mathrm{\&beta;h}}-e^{-\mathrm{\&beta;h}}}{e^{\mathrm{\&beta;h}}+e^{-\mathrm{\&beta;h}}}& \mathrm{if}(c_1\&NotEqual;c_2)\\ 1& \mathrm{if}(c_1=c_2)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：l表示c₁，c₂之间的最短路径长度，h表示c₁，c₂共同祖先在语义概念继承树中的深度，α，β表示限定参数，用于限定l，h的贡献度。

该语义相似度的计算方法是一种现有技术的方法，本实施例中，该发现方法把服务发现的过程分为两个阶段：组网阶段和发现阶段。其中：

1.组网阶段

在组网阶段时，需要将参与的所有节点基于JXTACh协议组织起来，每个节点上都含有或多或少的Web服务，既是一个服务注册中心，也可以作为服务请求者向其他节点发送服务发现请求。

JXTA协议的一个优点就是可以将对等节点基于某一规则进行分组形成P2P网络中的对等组，本发明基于节点之间的语义相似度进行分组，每个对等组中的节点分为两类集合点和边缘节点，一个对等组对应一个集合点，该集合点维护对等组中边缘节点的索引表，所有集合点根据Chord协议进行组织。建立Chord网络的关键点在于如何确定节点在网络中的唯一标识key值，确定key值之后，对该网络的维护及管理将完全依照Chord协议。本发明通过SHA-1函数进行哈希映射得到语义范畴category的哈希值，该值即为集合点在Chord网络中的key值，集合点所管辖的对等组中的边缘节点都包含与category语义相似的Web服务，集合点将维护对等组中所有边缘节点的索引信息，索引表内容如下：

给定节点P_i，集合点R_j，R_j所对应的语义范畴为R_j_category，所管辖的对等组为G_j，P_i加入对等组G_j当且仅当：P_i包含服务w_k，w_k的语义范畴w_k_category，满足Sim(R_j_category，w_k_category)＞T_sim，T_sim为给定的相似度阈值。P_i加入对等组G_j之后，R_j将<P_i，w_k>添入索引表中。由于一个节点上可能含有属于不同语义范畴的Web服务，因此一个节点可能同时属于不同的对等组。

对于该混合结构P2P网络的管理主要包含以下四个方面的内容：节点加入，节点离开，发布服务，撤销服务。

节点加入：当一个新的节点加入该网络时，首先将该节点加入到默认对等组G₀，该对等组中的节点都是未发布服务的节点，第一个加入该组的节点成为这个组的集合点，其维护的边缘节点索引表仅为节点列表。当某一节点发布服务时则从该对等组中离开，集合点维护的索引表中将该节点删除。若集合点发布服务，则选定索引表中第一个节点为新的集合点，将索引表转发给新的集合点。

节点离开：若边缘节点P_i想要离开网络，则向其集合点R_j(可能有多个)发送退出请求，R_j收到请求后，在其所维护的索引表中，将P_j的服务信息删除。若某一集合点R_k想要离开网络，R_k从自己所在对等组中选出与其相似度最高的边缘节点P_k作为集合点的继任者，然后将自己所维护的组内边缘节点索引表转交给P_k，P_k成为新的集合点之后，对P_k加入该对等组的第一个Web服务w_k的语义范畴进行哈希映射，得到新集合点在的Chord网络中key值，继而整个Chord网络也进行相应更新。

发布服务：节点发布服务的流程图如图2所示，具体过程如下：

1.节点P_i首先将欲发布的Web服务w_j所对应的语义范畴w_j_catogory发送给所属对等组的集合点R_j，若P_i本身就是集合点，则省略此步；

2.Rj计算SHA-1(w_j_catogory)的值，得到w_j_catogory在Chord网络中的key值，R_j根据Chord路由算法找到该值的前驱节点R_x，R_x即为所有集合点中与w_j_catogory语义最相近的集合点；

3.计算R_x所对应的语义范畴R_x_catogory与w_j_catogory的语义相似度Sim(R_x_catogory，w_j_catogory)，若相似度值大于等于T_sim，则认为两者语义相似，P_i作为边缘节点加入R_x的对等组，R_x将<P_i，w_j>添加到自己的索引表中；

4.若步骤3计算出的语义不相似，P_i自己成为集合点R_i，建立新的对等组G_i，R_i在集合点Chord网络中的key值为SHA-1(w_j_catogory)。随着R_i的加入，整个集合点网络根据Chord协议进行更新。

撤销服务：若节点P_i需要撤销其发布的某一服务w_j，节点P_i将撤销请求发给他的所有集合点{R₁，R₂，R₃，…R_k，k＞＝1}，收到请求的集合点R_k判断其维护的边缘节点索引表中是否含有记录<P_i，w_j>，若含有则将该记录删除。

2.发现阶段

在发现阶段，用户发出查询请求后，会根据JXTACh协议在混合P2P网络结构中进行查询处理和消息转发，最后将所有满足用户要求的语义Web服务返回给用户。

设用户发出查询请求为query_x，经过语义处理可以得到该查询请求所对应的语义范畴query_x_category，若查询请求来自边缘节点P_i，则将query_x_category转发给该节点的集合点R_j，为了提高服务发现的效率，本发明在集合点处理查询请求时引入了查询缓存机制，即每个集合点都维护一个历史查询缓存，其结构如下，

查询请求	查询结果
		query1_category	<P1，w2>
query2_category	<P2，w3>，<P3，w5>
		query3_category	<P4，w6>
...	...

R_j从本地历史查询缓存中对query_x_category进行匹配，计算缓存中已有的查询请求query_k_category与query_x_category的语义相似度Sim(query_k_category，query_x_category)，若相似度值大于等于T_sim，则认定查询命中，将缓存中所对应的查询结果返回。否则，在集合点中根据Chord路由算法进行查询请求转发。对于历史查询缓存的更新可以根据一些比较经典的算法，例如LRC、MinD等。

集合点之间根据Chord协议进行组织，查询请求的转发及路由都根据Chord协议进行，每个接收到查询请求的集合点Rj的处理流程如图4所示，具体步骤如下：

1.进行本地历史查询缓存匹配，若命中则将查询结果返回给前一请求转发者同时进入步骤4，否则进入步骤2。

2.计算当前集合点与查询请求的语义相似度Sim(R_j_catogory，query_x_category)，若相似度值大于等于T_sim，在R_j所维护的边缘节点索引表中进行语义匹配，将语义相似的服务及其所属边缘节点<P_i，w_j>添加进查询结果集，遍历索引表得到所有满足条件的查询结果集，则将查询结果返回给前一请求转发者，同时更新本地历史查询缓存，进入步骤4；若Sim(R_j_catogory，query_x_category)得到的相似度值小于T_sim，则进入步骤3。

3.在R_j的FingerTable中查找，找出与SHA-1(query_x_category)距离最近且小于SHA-1(query_x_category)的R_j的后继节点，该节点也是FingerTable中最接近query_x_category的前驱节点，把查询请求转发到该节点，接收到查询请求的节点进入步骤1进行处理。

4.若接收到查询结果的节点即为最初发出查询请求的节点，则将查询结果返回给用户，结束查询。否则，对本地历史查询缓存进行更新，然后将查询结果继续转发给前一请求转发者，重复步骤4。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于混合P2P网络结构的语义Web服务发现方法，其特征在于，包括组网阶段和发现阶段；

所述组网阶段包括如下步骤：

1）在网络中设定默认对等组为G₀，任何没有服务发布的节点都属于该对等组，第一个加入该对等组的节点成为该组的集合点R₀；

2）对于新加入网络的节点P_i,首先将其加入到对等组G₀， 所述节点P_i通过以下步骤发布Web服务：

21)P_i首先将欲发布的Web服务w_j所对应的语义范畴w_{j_}catogory发送给所属对等组的集合点，如果所述P_i本身就是集合点则忽略此步骤；

22)通过计算w_{j_}catogory的哈希值，找到Chord网络中与w_{j_}catogory语义最近的集合点R_x ;

23)计算R_x所对应的语义范畴R_{x_}catogory与w_{j_}catogory的语义相似度Sim (R_{x_}catogory，w_{j_}catogory)，若相似度值大于设定阈值，则认为两者语义相似，P_i作为边缘节点加入R_x的对等组，R_x将<P_i，w_j>添加到自己的索引表中；

24)若步骤23)计算出的语义不相似，P_i自己成为集合点R_i，建立新的对等组G_i，R_i在集合点Chord网络中的唯一标识根据w_{j_}catogory进行哈希映射得到；R_i加入后，整个集合点网络根据Chord协议进行更新；

3）任意节点若要发布新的Web服务都遵循步骤2）中的21)至步骤24)过程；

同一个节点可以发布多个属于不同语义范畴的Web服务；

所述发现阶段包括如下步骤：

4）用户发出服务查询请求query，经过语义处理后得到可进行语义匹配的查询请求query_category；

5）将查询请求query_category转发给查询请求发出节点的所属集合点R_i，若查询请求就来自于集合点，则可省略此步骤；

6）集合点R_i收到查询请求query_category后，将对查询请求进行处理，具体步骤如下：

61）将query_category与本地的历史查询缓存进行匹配，若命中，则直接将结果返回给转发查询请求的节点，否则进入下一步；

62）计算query_category与集合点对应的语义范畴的语义相似度，若语义相似，则在自己维护的边缘节点索引表中进行语义匹配，查找与query_category语义相似的Web服务，将结果查询返回给转发查询请求的节点，同时更新本地历史查询缓存，否则进入下一步；

63）将查询请求转发给与查询请求query_category语义最相似的集合点R_x，查询请求的转发将根据Chord路由算法；

64）接收到查询请求的集合点将重复步骤61），直到有查询结果返回或所有集合点都被遍历为止；

7）所有接收到查询结果的路由集合点，在路由返回查询结果的同时更新本地的查询缓存，最后查询结果将路由到发起查询请求的节点，查询结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合P2P网络结构的语义Web服务发现方法，其特征在于，在组网阶段中步骤1）和步骤2）中节点加入具体包括如下步骤：当一个新的节点加入该网络时，首先将该节点加入到默认对等组G₀，该对等组中的节点都是未发布服务的节点，第一个加入该组的节点成为这个组的集合点，其维护的边缘节点索引表仅为节点列表；如果当某一节点发布服务时则从该对等组中离开，集合点维护的索引表中将该节点删除；如果集合点发布服务，则选定索引表中第一个节点为新的集合点，将索引表转发给新的集合点。

3.根据权利要求2所述的一种基于混合P2P网络结构的语义Web服务发现方法，其特征在于，当节点需要离开所述网络时，包括如下步骤：若P_i 作为边缘节点离开网络时，则向其集合点R_j发送退出请求，R_j收到请求后，在其所维护的索引表中，将P_j的服务信息删除；若某一集合点R_k想要离开网络时，则R_k从自己所在对等组中选出与其相似度最高的边缘节点P_k作为集合点的继任者，然后将自己所维护的组内边缘节点索引表转交给P_k，P_k成为新的集合点之后,对P_k加入该对等组的第一个Web服务w_k的语义范畴进行哈希映射，得到新集合点在的Chord网络中的唯一标识，继而整个Chord网络也进行相应更新。

4.根据权利要求1所述的一种基于混合P2P网络结构的语义Web服务发现方法，其特征在于，如果节点P_i需要撤销其发布的某一服务w_j，节点P_i将撤销请求发给他的所有集合点{R₁, R₂, R₃,…R_k, k>=1},收到请求的集合点R_k判断其维护的边缘节点索引表中是否含有记录<P_i, w_j>,若含有则将该记录删除。