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计算机科学面临的挑战
软件服务生态中的非确定性科学问
题、互操作性的应用基础问题
何克清
SKLSE(WHU)
软件工程国家重点实验室（武汉大学）
[email protected]
2003/12/27
目
录
1. 问题提出的背景
2. 软件服务生态中的非确定性问题
3. 应用基础中的互操作性问题
4. 工作基础---一个解决方案：本体元建模与
自组织MDA理论方法
5. 小结
1.问题提出的背景
互联网技术的快速发展促进了软件开发与服务
形态的变更
第一代网络技术应用
在浏览器上使用Web技术进行资料的参考和交流
第二代网络技术应用
网络上的软件工程：电子商务、电子政务、软组件、软件框架
开发和服务 ，系统集成
下一代网络技术应用
软件工程开放信息服务网格：软件信息资源的最大化共享、组合服
务与高效率开发、互操作、分布异构、人性化。进行业务集成，适
配性软件的开发，软件信息资源库的建设管理、服务、交易，等
开放信息网格时代的服务主导型软件生产方式的变革

信息资源最大化共享与服务
– 信息的Discoverability & Coopratability
– 信息孤岛与信息海洋的矛盾

分布协同的作业方式
– 网络应用的发展
• 共享→交换与互操作→协同
• Internet从WWW→GGG
以信息服务为中心的组合型软件生产方式开放型信
息系统：异构的、分布的、动态的、协同的、大规模
的、自主成分等构成的计算系统；
 开放信息系统计算生态学（广义生态学）
开放信息系统的生态系统，从协同的角度，计算过程
可以看成是一种相变，是系统处在一种非线性结构下
产生更有序的时空结构的过程。
★服务也是一种计算：计算生态学-服务生态。

服务生态中互操作（相互作用）和协同问题在语
义层上才能实现

网格信息资源的组织和服务匹配存在巨大的语义鸿沟
– 难以确定信息资源的内容和确切含义
– 信息表达不一致——信息服务的供求双方通常不能确切地在服
务的时间、地点、提供方式和内容上达成一致
– 信息的互操作方法不一致——信息服务的供求双方看待服务的
角度和对服务的了解程度各不相同
– 现存的绝大多数基于XML的标准缺乏清晰的语义
– 对网格信息服务的语义，缺乏一套公共的本体的承诺

信息资源的服务匹配需要一个语义层上的互操作，需要
为网格中的信息资源和服务定义一套公共的语义规范
★需要一种统一的语义支撑的基础理论与方法及其技术标准
2. 软件服务生态中的非确定性问题

信息资源的科学管理——如何科学地分类、有效地组
织与管理软构件的信息？
– 复杂的软件属性信息结构的科学分类(Taxonomy)的非确定性问
题
– 复杂的软件属性信息结构的登记与注册(Registering)的非确定
性问题
– 软件信息资源建设与管理：如何科学地建设资源库
(Repository)，查找资源库中的软件信息？

信息资源的高效服务
– 如何有效地查询软构件信息？
– 如何有效地绑定(Binding)软构件信息在应用系统中，实现高效
率的组合型软件系统开发？
– 如何实现系统集成到业务集成(business integration)的进化,有效
地进行业务集成？
服务生态模型
软件信息资源开发
软件信息资源分类
注册的服务描述
管理注册
服务中心
Registering
查询
资源的公
共注册管
理MMF
发布
资源库
软件信息资源
服务请求描述
服务请求者
绑定(binding)服务
业务集成服务
资源库建筑、查
询服务
资塬服务中心
Repository
语义web服务中信息资源描述与管理
Semantic Web
Services
Web Services
Ontology/OWL+
UDDI
WSDL
RDF Schema
SOAP
RDF
MMF
Repository
XML(+URI+Namespaces)
Interface & Protocol描述
资源的描述
资源的管理
UDDI: Universal Description,Discovery and Integration
WSDL: Web Service Description Language
SOAP: Simple Object Access Protocol
XML: extensible Markup Language
OWL: Ontology Web Language
RDF: Resource Description Framework
MMF: MetaModel Framework
3. 应用基础中的互操作性问题




软件的互操作性(Interoperability)、透明性
(Transparency)、开放性(Openness)、可伸缩
性(Scalability)问题中最核心的互操作性问题；
从传统的系统集成(system integration)到业务
集成(business integration)的服务转变问题;
从互连、互通，到语义层面的互操作；
需要解决互操作性保证的软件开发与服务的理
论与方法及其技术标准。
4. 工作基础---一个解决方案：本体元建模理论与
自组织MDA方法


本体元建模理论与方法，即本体及其元模型承诺
(commitment)的理论与方法
– 本体承诺是建立在某种语言和可以被称为本体的某
种事物之间的映射
– 以本体模型分类注册(Registering)复杂的信息结构、
本体模型与元模型的映射
– 以元模型体系建设管理信息资源库（Repository）
– 用户接口：公共逻辑的本体模型
– 资源库信息结构的组织与管理：元模型框架MMF
核心：本体元建模框架MMF(Meta-Model Framework)
基于本体元模型的软件工程信息网格中的软件服务与开发
Common Metamodel Frameworks
Metamodel Framework
for Ontology
Metamodel Framework
for Modeling Constructs
Metamodel Framework
for Mapping
Metamodel for
Metamodel for
a Classification
Metamodel for
a Classification
a Classification
ontology
分类、注
册
Metamodel for
Metadata
Metamodel
for for
Metamodel
Object
Patterns
Object
Patterns
Metamodel
Model
A Particular Domain
Metamodel for
Metamodel
Code
Values for
Code Values
Modeling
Constructs
基于元模型的网格中软构件信息资源库的建设与管理方法
国际标准 MOF元建模的基本标准&ISO11179
扩充
Repository
（库管理）
基于本体
元模型的
分类与登记
公共的识别和
分类的本体方
法,Registering
元 模 型 框 架MMF
标 准 元 模 型 CORE
软构件信息结构分类、
登记的本体模型
基于元模
型的映射
模型映射
的元模型
领域的公共软构件信息结构
UML &
XML&
MDA
领域模型构筑
领域元模型、框架及其规约
UOD
Ontology方法
UMM建模方法, UML
UML&XML&MDA
软构件属性信息本体


Property
Binded
Meta
Unbinded
Intrinsic
管
理
属
性
本
体
商
业
属
性
本
体
技
术
属
性
本
体
功
能
属
性
本
体
Extrinsic
接
口
属
性
本
体
………
软构件属性应用本体
构
造
属
性
本
体


公共的属性本体
公共的软构件不同
属性本体（标准模
板）；定义本体接
点的元属性及其制
约关系；
用户定义和提交的
软构件属性本体必
须继承公共的软构
件属性本体的标准
使用属性本体进行
软构件分类、注册
服务过程本体与绑定服务




服务过程（动态）本体：CIM过程本体模型；
业务工作流本体模型；用户提交的服务过程本
体模型；
本体描述语言：DAML+OIL,OWL++
过程（动态）本体语义：分布操作语义，Petri
网；
绑定服务模型：BPEL4WS模型 + 服务过程
（动态）本体模型;
WSDL模型 + 服务过程（动态）本体模型
绑定服务模型
BPEL4WS Composition Model
Input-only operation
Input-output operation
<receive>
portType
<receive>
<reply>
BPEL4WS
Process
ontological
Model
<reply>
Web service
绑定服务模型
Web Services Description
Language Component Model
Component Service
Implementation
with Process ontological
Model
Binding Service
元建模(Meta Modeling)
元语言是描述语言的语言，元数据是描
述数据的数据，元模型是描述模型的模
型；
 元模型场体系(M3,M2,M1,M0)结构形成
的自组织法则、交互作用关系及反射、
变换的内在统一性、广泛的适应性；

– 满足结构主义的结构的三属性：整体性、
转换性、自身调整性
元模型层次的停止问题


“元的层次”，是表示“描述的”与“被描述
的”对象间的关系的层次，两者之间的关系可
以无限的重复。所以，往往需要强制地停止。
而且，基于什么标准来确定元的层次？往往也
没有绝对的基准
作为构成元层次的基准，一般来说考虑上层对
象的描述内容。常见的基准有：
①泛化型（类型和实现值） ④管理属性
②生成与操作规则
③抽象类型
⑤解释描述等


软件工程中，我们往往采用基准①来确定“元
的层次”。例如IRDS采用了“类型和实现值”
强制停止“元的层次”
UML,MOF(Meta Object Facility)也基本上采用
了“类型和实现值”的基准:
层次
描述
例
元元模型
（metametamodel）
元模型的定义
元类(metaclass)，
元属性
元模型（metamodel）
元元模型的示例，模型的定义 类、属性
模型（model）
描述领域规范，类模型
对象(object)
模型的示例，信息领域的示例 李兵，TV
MOF的元层次
职员、产品
承担的ISO国际标准项目内容
MMF
Core Model
(MOF1.4 + ISO11179(MDR))
(Meta-Model Framework)
Metamodel Framework
for Ontology
Metamodel Framework
for Mapping
Metamodel Framework
for Modeling Constructs
武汉大学承担的部分
Metamodel Instance
Exchanging
Business Domain
Domain Model
基于本体元模型方法的软构件
R&R平台（原型）的开发
Model Driven
Architecture,
OMG,2001
自组织MDA
★CIM(Computing Independent Models)
领域的建模，业务过程本体，静态本体
业务领域的分析･建模
业务要件
CIM
业务系统的分析･设计标准模型
PIM
每个平台的映射
PSM
PSM
PSM
・・・
实现的映射
实现
实现
实现
・・・
★
PIM与PSM
PIM是不依赖于平台的模型
PSM是使用了平台固有功能的模型
★模型编译、映射、转换：
- CIM-PIM （过程本体与元模型）
- PIM→PSM （元模型与基本模型）
- PSM→实现
自组织体系
- CIM <→ PIM<→PSM
PIM→PIM自组织: PIM软构件的相互作
用与集成→ PIM有序行为；
PSM→PSM自组织: PSM软构件的相互
作用与集成→ PIM有序行为；
★从系统集成到业务（Business）集成；
★基于CIM过程本体的业务集成；
★三个级别（CIM,PIM,PSM)的互操作性
保证与测评；
本体元模型支持MDA软件开发
Common MMF(Meta-model Frameworks)
Metamodel Framework
Metamodel Framework
Metamodel Instance
UML Modeling
Tool
基于元模型的模型编译：
PIM-PSM
Model Driven
Platform
Independent
Models
Platform
Specific
Models
Execution
Engine
Metamodel Instance
SC Patterns
Control Patterns
Components
Model and Software
Constructs
基于元建模型的互操作性测评
互操作性是网格时代系统的基本
的、核心的技术指标
 成立中国互操作性测评中心
（2002.12 武汉大学）
 参加亚洲ebXML互操作性测
评工作委员会
 完成了ebXML互操作性的MSH,
CPP,BPSS标准的测试
（亚洲国家与地区联网测试）
 获得亚洲ebXML互操作性测评资格证书

5.小结



本体元建模理论与方法在一定程度上解决软件
服务生态中的非确定性问题
元模型体系、MDA一定程度上解决互操作性标
准的问题
今后研究的课题：
–
–
–
–
–
–
服务过程本体与服务模型的形式化
软件服务的本体体系与领域的元模型体系
MDA 模型编译的原理与方法
业务集成与语义互操作方法
互操作性保证技术与标准
新型中间件：反射中间件；基于CWM的元信息服
务中间件。
谢谢大家！
敬请指导！
Discovery
ebXML
Registries
ebXML
CPA
UDDI
Contracts
Business Process
/Workflow
BPEL4WS
Transactions
WS-Transaction
Choreography
WS-Coordination
CS-WS
WSCL
Conversations
Non-functional
description
Service
Description
BPML
BTP
WSCI
DAML-S Service
Model
DAML-S Service
Profile
WSEL
WSDL
XML-based
messaging
Network
DAML-S Service
Model
DAML-S Service
Grounding
BPML
BTP
ebXML
BPSS
ebXML
CPP
RDF
ebXML
Messaging
SOAP
HTTP,FTP,SMTP,etc
WSDL-based
Semanticbased
ebXML