Ringvorlesung: Semantic Web Services Discovery Piotr Wendt Hochschule für Angewandte Wissenschaften Fachbereich e/i Informatik

Agenda Motivation Einführung Technologien Projekt Ferienklub Fallbeispiel Einführung Semantic Web Services Semantic Web Process Technologien OWL-S SWMO METEOR-S Projekt Ferienklub Ausblick Masterthesis

Motivation Fallbeispiel Ein Ferienklubmitglied will auswärts essen und dabei noch etwas von der Umgebung sehen Das Essen sollte gegen 16 Uhr sein Für den Ausflug will er 5 Stunden investieren Dabei will er mit einem Cabriolet dorthin fahren Umwege zu Sehenswürdigkeiten sind erwünscht Eine Reihe von Diensten sind hierfür notwendig Restaurantdienst Autovermietungsdienst Routenplanerdienst Bankdienst

Fallbeispiel: Problematik Motivation Fallbeispiel: Problematik

Fallbeispiel: Problematik (2) Motivation Fallbeispiel: Problematik (2) Web Service Discovery Before A C D N1 N2 F E A4 A1 A2 B3 Now QoS B8 A4 Web Services A1 B3 A4 A5 A1 A2 A1 A4 A6 A2 A C D N1 N2 F E Web Process Source: [12]

Fallbeispiel: Problematik (3) Motivation Fallbeispiel: Problematik (3) Hohe Benutzerinteraktion und hohes Verständnis erforderlich WS sind nicht Maschinen-verarbeitbar Automatisierte Verarbeitung von WS erst durch semantische Beschreibung dieser möglich Ontologien Ermöglichen Maschinen-verständliche Dateninterpretation Reduzieren den menschlichen Einsatz Gemeinsam benutzte Ontologie bildet das domänenspezifische Kommunikationsvokabular für SWS Daraus resultierende Notwendigkeit: SEMANTIC WEB SERVICES (SWS)

SWS Einsatzmöglichkeiten Motivation SWS Einsatzmöglichkeiten Integration der internen Workflows Integration der externen Workflows Komplet dezentralisiert Jedem zugänglich Knowledge Management eCommerce (B2B) (B2C) eWork

Semantic Web Services Web Services (syntaktische Beschreibung) Einführung Semantic Web Services Web Services (syntaktische Beschreibung) Auffinden, Auswählen, Zusammensetzen, Ausführen + Semantic Web (semantische Beschreibung) Maschinen verarbeitbar durch Ontologien = Semantic Web Services

Semantic Web Services: Ontologie Einführung Semantic Web Services: Ontologie Konzepte Domänen-relevante Basiselemente, beschrieben durch Attribute, organisiert mit Taxonomien Instanzen Repräsentiert spezifische Elemente eines Konzeptes Relationen Beziehungen zwischen Domänen-relevanten Konzepten Funktionen Methoden die auf spezifische Instanzen eines Konzeptes aufgerufen werden können Axiome Modellsätze die immer wahr sind An ontology, is a formal, explicit specification of a shared conceptualization [Gruber, 1993]

Semantic Web Services: Web Services Einführung Semantic Web Services: Web Services Modular Beschrieben Verfügbar Veröffentlicht Implementierungs-unabhängig UDDI SOAP WSDL

Semantic Web Services: Ziele Einführung Semantic Web Services: Ziele Veröffentlichen Auffinden Selektieren Zusammensetzen Vermittlung Ausführen Überwachen Kompensieren Ersetzung Source: [16]

Einführung Web Prozess Workflow Technik die das Zusammenspiel zwischen verschieden Organisationen vereinfachen soll Unternehmens weit Zwischen den einzelnen Unternehmen Mit Hilfe der Web Services Technik Zusammen mit der SWS Technik wird dieser als Semantic Web Process bezeichnet Beschreibt Anwendungen die aus SWS bestehen Vereinfacht die Integration Technologien- und Unternehmensübergreifend

Semantic Web Process Datensemantik Funktionssemantik Einführung Semantic Web Process Datensemantik Benötigt bei der Wiederauffindung Formal beschrieben (Input/Output) Annotiert mit Hilfe von Ontologien Funktionssemantik Benötigt bei der Wiederauffindung und Komposition Formal spezifizierte Funktion des Web Service Annotierung durch Vorbedingung und Auswirkungen Ausführungssemantik Benötigt bei der Analyse, Validierung und Ausführung Formal definierte Prozesse Aktivitätsdiagramme, Zustandsautomaten, Petrinetze, … QoS-Semantik Benötigt bei der Auswahl des best geeigneten WS Spezifiziert durch QoS Metriken eines WS

Semantic Web Prozess (2) Einführung Semantic Web Prozess (2) Execution (Orchestration?) Development / Description / Annotation WSDL, WSEL DAML-S Meteor-S (WSDL Annotation) BPWS4J, Commercial BPEL Execution Engines, Intalio n3, HP eFlow Semantics Required for Web Processes Execution Semantics QoS Functional / Operational Data / Information BPEL, BPML, WSCI, WSCL, DAML-S, METEOR-S (SCET, SPTB) UDDI WSIL, DAML-S METEOR-S (P2P model of registries) Composition (Choreography?) Publication / Discovery Source: [12]

Semantic Web Process: Phasen Einführung Semantic Web Process: Phasen Semantic Web Service Annotation WSDL Nur syntaktische und strukturelle Details (input/output) Ontologie Datenannotierung (input/output) Semantic Web Service Advertisement UDDI Ungenauere Suchergebnisse WS Profile Erhöhung der Genauigkeit Suchergebnisse Semantic Web Service Discovery Exaktheit des Discovery-Prozesses Automatische Bestimmung …

Semantic Web Process: Phasen (2) Einführung Semantic Web Process: Phasen (2) Semantic Web Sevice Selection Best geeignete Dienst Ontologiebasierte QoS-Metriken notwendig Semantic Process Composition Verbesserung der Interoperabilität durch Semantik Repräsentiert mit BPEL4WS BPML WSCI … Funktionale-, Daten-, QoS-, Execution-Semantik involviert Semantic Web Process QoS Dienstqualität, -kosten, -verfügbarkeit Neue Mechanismen notwendig Semantische Spezifikation Verarbeitung Überwachung Steuerung

Semantic Web Process: Phasen (3) Einführung Semantic Web Process: Phasen (3) Execution of Web Processes Web Process definiert durch Workflows WS Execution Semantic umfasst Nachrichtenketten Kommunikationsmuster der WS Ausführung Aktionsfluss Vorbedingungen und Auswirkungen von WS Aufrufen Repräsentation der Execution Semantic Mathematisch formale Modelle Prozess Algebra Concurrency Formalismen Zustandmaschinen, Petrinetze, Simulation

Aktuelle Arbeiten Semantic Web Services Initiative (SWSI) Einführung Aktuelle Arbeiten Semantic Web Services Initiative (SWSI) Web Service Modeling Ontology (WSMO) Web Service Modeling Language (WSML) Web Service Execution Environment (WSMX) Ontology Web Language for Services (OWL-S) METEOR for Semantic Web Services (METEOR-S) Semantic Web enable Web Services (SWWS)

Semantic Web Services: Forschungsarbeiten Technologien Semantic Web Services: Forschungsarbeiten OWL-S Profile, Process, Grounding, Service METEOR-S Annotation, Discovery, Compostion, Execution METEOR-S Semantic Web Service Annotation Framework (MWSAF) METEOR-S Web Service Discovery Infrastucture (MWSDI) METEOR-S Web Service Composition Framework (MWSCF) METEOR-S Web Service Dynamic Process Manager (MWSDPM) SWWS Entwicklungsumgebung zur WS Beschreibung und Auffindung Skalierbare WS Vermittlungs-Middleware

Semantic Web Services: Entwicklung in der Industrie Technologien Semantic Web Services: Entwicklung in der Industrie SOAP, WSDL, UDDI einbeziehende Dienstbeschreibung BPEL4WS (Microsoft, IBM, BEA) WSCL (HP) BPML (Microsoft) WSCI (SUN, BEA, Yahoo …) XLANG (Microsoft) WSFL (IBM) Proprietäre Erweiterungen Prozesszentrierte Ansätze Anfragebasiert

Semantic Web Services: Gemeinsame Zukunftsperspektiven Technologien Semantic Web Services: Gemeinsame Zukunftsperspektiven Semantic Web Services Initiative (SWSI) Akademische und industrielle Initiative Infrastruktur zur Automatisierung von SWS Weiterentwicklung von OWL-S SWWS Produktentwicklung WSMO WSML WSMX Zielsetzung ist: [13]:One day analysts will be dragging-and-dropping process diagrams and point-and-clicking ontology mappings. Until then, researchers in industry and academia would be well served to examine modeling heuristics to lower barriers for widespread adoption.

Semantic Web Services: Fazit Technologien Semantic Web Services: Fazit Akademische Sicht Betrachtung von der Semantic Web Seite Semantik basierte WS-Beschreibungssprachen Vereinfachung der Automatisierung Industrielle Sicht Betrachtung von der Web Service Seite WS basierte Infrastruktur für Web Anwendungen Source: [13]

OWL-S Anforderungen Formal DAIML-S, basiert auf OWL Technologien OWL-S Anforderungen Beschreibungssprache für WS Algorithmus mit dem man WS findet Formal DAIML-S, basiert auf OWL Beschreibungssprache für Spezifizierung der Funktionen (Precondition, Effect) Semantische Typisierung (Input, Output) Anfragen und Veröffentlichung Setzt voraus: Semantic Concepts Sharing Semantische Spezifikation Flexibilisierte Automatisierung der WS Dynamische Dienstaufindung- und Aufruf

OWL-S: Überblick Technologien - Beschreibt die Funktion - Klassifiziert nach Diensttaxonomie - Beschreibt wie Dienst aufgerufen wird - Kommunikationsprotokoll-Spezifizierung - Serialisierung, Transformation - Beschreibt den Prozessfluss - Prozessunterscheidung: composit, atomic, simple Source: [nach 16]

OWL-S: Service Profile Technologien OWL-S: Service Profile Nichtfunktionale Eigenschaften Name Dienstbeschreibung Dienstkategorie QoS… Funktionale Eigenschaften Informationstransformation Inputs Outputs Zustandsänderung Vorbedingungen Auswirkungen Vereinfacht Auffinden

OWL-S: Process Model Beschreibt die Funktionsweise Technologien OWL-S: Process Model Beschreibt die Funktionsweise Interne Prozesse Spezifiziert den Interaktionsprotokoll Input/Output Vorbedingungen Ergebnis Prozessunterscheidung Zusammengesetzt Kontrollfluss, Datenfluss Einfach Atomar (Blackbox) Vereinfacht Aufruf von Diensten Zusammensetzung von Diensten Überwachung der Interaktionen

OWL-S: Service Grounding Technologien OWL-S: Service Grounding Wie wird der Dienst aufgerufen Beschreibung des Informationszugriffes Basiert auf WSDL Definiert Nachrichtenstruktur Spezifiziert Kommunikationsprotokoll Transportmechanismen Kommunikationssprache Bietet Trennung zwischen Dienstbeschreibung Aufruf/Implementierung

OWL-S Reasoning OWL-S kombiniert mit SWRL Technologien OWL-S Reasoning OWL-S kombiniert mit SWRL Vorbedingungen Ergebnis SWRL Variablen als Oberklassen Input/Output Beschreibung der logischen Zusammenhänge SWRL-FOL KIF DRS PDDL Auffindung und Komposition der Dienste Beschreibungslogik Planungstechnik

WSMO Begriffsmodell (Ontologie) Basiert auf WSMF Technologien WSMO Begriffsmodell (Ontologie) Basiert auf WSMF Zwei verschiedene Sichten Interessent -> GOAL Lieferant -> WS Fähigkeiten (funktional) -> WS Schnittstellen (Gebrauch) Vermittler (Mediator) als Bindeglied Vokabular des Interessenten Vokabular des Lieferanten Formal spezifizierte Terminologie Wird gemeinsam von jeder Komponente genutzt

WSMO WSMO WG WSML WG WSMX WG Technologien Begriffsmodell für SWS Formale Sprache für WSMO Laufzeitumgebung für WSMO Regelbasierte-Sprache für SW Source: [18]

WSMO: Begriffsmodell Konzepte Attribute Relationen Funktionen Technologien WSMO: Begriffsmodell Konzepte Zur Ontologie zugehörige Konzepte Attribute Zur Konzepten zugehörige Attribute Relationen Beziehungen zwischen Konzepten Funktionen Spezielle Beziehungstyp Instanzen Zur Ontologie zugehörende Instanzen Axiome Axiomatische Ausdrücke in der Ontologie MOF M2

WSMO: GOALS Ontologische Entkopplung Ziele des Interessenten Technologie WSMO: GOALS Ontologische Entkopplung Ziele des Interessenten Nachbedingungen Auswirkungen Anfragen - WS Verbindung Benutzen Mediatoren Ontologische Beziehungen Zielgerichtete Architektur Interessent formuliert sein Ziel unabhängig Dienst welches zum Ziel führ wird gesucht

WSMO: GOALS Beschreibung Technologie WSMO: GOALS Beschreibung Nicht funktionale Eigenschaften Importierte Ontologien Benutzt Mediators OO Mediator GG Mediator Angefragte Fähigkeiten Dienstfunktionalität welche zum Ziel führt Fähigkeitsbeschreibung aus Sicht des Interessenten Angefragte Schnittstelle Beschreibt Kommunikationsverhalten Restriktionen, Präferenz

WSMO: CAPABILITY Was der Dienst anbietet Technologien WSMO: CAPABILITY Was der Dienst anbietet Vorbedingungen Dienst-Input-Daten Nachbedingungen Dienst-Output-Daten Annahmen Nicht notwendigerweise prüfbare Bedingungen Auswirkungen Einzuhaltende Bedingungen nach der Ausführung Nicht funktionale Eigenschaften Zur Lösungsfindung werden Vermittler benutzt OO Mediator WG Mediator WSML (Description Logig, First Order Logic)

METEOR-S Baut auf WDSL und BPEL4WS Technologien METEOR-S Baut auf WDSL und BPEL4WS MWSDI führt Semantik in zwei Stufen ein Einzelnen Dienste Registry Annotierung einzelner Dienste (bottom-up) Abbildung auf Konzepte aus den (Domain) Ontologien WSDL Nachrichtentypen (Input/Output) WSDL Operationen (Vorbedingungen, Auswirkungen) Fokussiert auf SWS und Prozesskomposition Prozess Komposition Funktionale Perspektive Dienst Auffindung Operationale Perspektive QoS für Dienste und Prozesse

METEOR-S Goals beschrieben durch Dienstschablonen Technologien METEOR-S Goals beschrieben durch Dienstschablonen Operation + Input + Output + Vorbedingungen + Auswirkungen Registry ebenfalls annotiert Sind auf Domänen spezialisiert Enthalten nur domänenspezifische Dienste Registry-Ontologie zur Annotierung Beschreibt Registries domänenspezifisch Enthält zusätzliche Informationen Beziehungen zu anderen Registries Beziehungen zu anderen Domänen

METEOR-S SWS-Komponenten Technologien METEOR-S SWS-Komponenten Auffindungsinfrastruktur Infrastruktur Semantische Annotierung Auffindung der Dienste Punkt-zu-Punkt Netz bestehend aus RegistrierungsDBs Zusammensetzung Service Composition and Execution Tool (SCET) Semantics Process Template Builder and Process Generator QoS Management (SWR Algorithmus) Orchestrierung Analyse und Simulation Ausführung Überwachung Industrielle Werkzeugsunterstützung BPWS4J Editor, BPEL4WS Laufzeitumgebung

MWSAF METEOR-S Web Service Annotation Framework Technologien MWSAF METEOR-S Web Service Annotation Framework Klassifikation der Dienste [19] Maschinengestützte Klassifikation Semi-automatisierte Annotierung WSDL Annotierung Metadaten aus relevanten Ontologien Fokussiert auf Datensemantik Baut Schemagraphen auf Konzepte werden gegen alle Ontologiekonzepte geprüft Führt einen strukturellen und elementbasierten Matching ElemMatch Linguistische Ähnlichkeiten SchemaMatch Prüft die strukturellen Ähnlichkeiten

Einfluss der Techniken Technologien Einfluss der Techniken Vereinfachung Auffindung Zusammensetzung Interoperabilität Einmal entwickelte SWS werden Auffindbar Aufrufbar Können zusammengesetzt werden Zusätzlich sind SWS robust gegen Entwurfsänderung

Bevorstehende Risiken Technologien Bevorstehende Risiken Kompatibilität der Web Service Ontologien NP-Vollständigkeit Ontologienvollständigkeit Fehlende Werkzeuge Annotierung Validierung Innovativ

Aktuelle Arbeiten im Projekt Ferienklub Aktuelle Arbeiten im Projekt

Aktuelle Arbeiten im Projekt Ferienklub Aktuelle Arbeiten im Projekt

Thesis relevante Ziele Ausblick Masterthesis Thesis relevante Ziele Wie kann eine effiziente Dienstauffindung aussehen und unterstützt werden, damit eine Komposition dieser möglich wird? Erstellung eines (Zeit-) Vorgehensplans Vergleich der Technologien Konzeption einer Architektur für Service Discovery Optional Dienst Komposition Auswahl der hierfür geeigneten Ansätze Prototypische Implementierung !?! Anregungen und Kritik sind sehr willkommen

Risiken die hierbei entstehen Ausblick Masterthesis Risiken die hierbei entstehen Komplexität Berechenbarkeit der ausgewählten Ansätze Innovation der Ansätze Zugriff auf notwendigen Technologien

Bibliography [1] Tools for Design of Composite Web Services; Richard Hull u. a.; SIGMOD Conference 2004; [2] Pitfalls of OWL-S – A Practical Semantic Web Use Case; Steffen Balzer u. a.; ICSOC 2004; [3] WSMO, Web Service Modeling Ontology; www.wsmo.org [4] WSML, Web Service Modeling Language; www.wsmo.org/wsml [5] WSMX, Web Service Execution Environment; www.wsmx.org [6] A Service Creation Environment Based on End To End Composition of Web Services; Vikas Agarwal u. a.; WWW '05: Proceedings of the 14th international conference on World Wide Web [7] TCOZ Approach to Semantic Web Services Design; Jin Song Dong u. a.; WWW Alt. '04: Proceedings of the 13th international World Wide Web conference on Alternate track papers & posters [8] Automated Semantic Web Services Orchestration via Concept Covering [9] METEOR-S Web Service Annotation Framework; Abhijit A. Patil u. a.; WWW '04: Proceedings of the 13th international conference on World Wide Web; http://lsdis.cs.uga.edu/Projects/METEOR-S/index.php [10] SWSI, Semantic Web Srvices Initiative; www.swsi.org [11] SWWS, Semantic Web Enable Web Service; http://swws.semanticweb.org [12] Introduction to Semantic Web Services and Web Process Composition; Jorge Cardoso u. a.; First International Workshop, SWSPC 2004, San Diego, CA, USA, July 2004 [13] Academic and Industrial Research: Do Their Approaches Differ in Adding Semantics to Web Services?; Jorge Cardoso u. a.; First International Workshop, SWSPC 2004, San Diego, CA, USA, July 2004 [14] Digital Enterprise Research Institute, www.deri.ie [15] Automatic Location of Service; Uwe Keller u. a.; Second European Semantic Web Conference, ESWC 2005 Heraklion, Crete, Greece, May/June 2005 [16] Current Efforts towards Semantic Web Services (SWS): OWL-S and WSMO; Axel Polleres; www.wsmo.org/papers/presentations/SWS.ppt [17] Semantic Web Services Discovery; Rubén Lara; http://www.deri.at/teaching/seminars/internal/slides/SWSdiscovery.ppt [18] The Web Service Modelling Ontology – WSMO; Christoph Bussler u. a.; http://www.wsmo.org/TR/d17/resources/netobjectdays04/WSMOTutorial-netobjectdays-20040927.pdf [19] METEOR-S Web Service Annotation Framework with Machine Learning Classification; Nicole Oldham u. a. First International Workshop, SWSPC 2004, San Diego, CA, USA, July 2004 [20] Bringing Semantic to Web Services: The OWL-S Approach; David L. Martin u. a.; First International Workshop, SWSPC 2004, San Diego, CA, USA, July 2004

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