Ringvorlesung: Semantic Web Services Discovery

Piotr Wendt

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Fachbereich e/i Informatik

2

Agenda Motivation

Fallbeispiel

Einführung Semantic Web Services Semantic Web Process

Technologien OWL-S SWMO METEOR-S

Projekt Ferienklub Ausblick Masterthesis

3

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

Motivation

4

Fallbeispiel: ProblematikMotivation

Wie soll ein Dienst beschrieben werden

damit dieser gefunden werden kann!?

Autovermietung

Web Service

Bank

Web Service

Routenplaner

Web Service

Ferienklubgast

Ferienklubgelände

Ich will auswärts

Essen gehen!

Und mit einen Cabrio

dorthin fahren!

Dabei einige

Sehenswürdigkeiten

sehen!

Und das alles mit

meine Kreditkarte

zahlen!

Restaurant

Web Service

Ermöglicht eine

Reservierung eines

TischesErmöglicht eine

Reservierung eines

Mietwagens

Ermöglicht die

Bezahlung von

Rechnungen

Ermöglicht

Routenplanung

Wie soll der Benutzer seine Wünsche

verständlich beschreibensodass ein Dienst ihn

Versteht!?

MATCH!?

5

Fallbeispiel: Problematik (2)

Source: [12]

Motivation

A

C D

N1 N2 FE

B8

A1A4 A1 A2

A4

B3

A1A4 A6

A2A2

A5

Before

A

C D

N1 N2 FE

A4 A1A1

A4 A1 A4 A1 A2A1 A1A1 A1B3 A1

B3

A1

A2A1

B3

A1A4 A1 A2

A1B3

A1A4 A1 A2

A1

B3

A1

A1

B3

A1A4 A1 A2

A1

B3

A1A4 A2

A1

B3 A1A4 A1 A2

B3 A1A1

B3

A1A4 A1 A2

A1

B3

A1A4 A1

A2A1

B3 A1A4 A1 A2

A1B3

A1A4 A1 A2

A1

A1A4 A1

A1A4 A1 A2B3

A1A4

A1A2A1

B3

A1

A4A1 A2

A1

B3

A1A4 A1 A2

B3A1

A4 A1 A2A1

B3

A1A4 A1 A2

A1B3

A1A4 A1 A2

A1

A4

A4

A1

A4 A1

A1 A4 A1 A2

B3

A1A4 A1

A2

A1

B3

A1

A4

A1

A2B3

A1

A4 A1 A2A1

A4

A1

A4 A1

A1A4 A1 A2

A1

A1

A4 A1 A2A1

A1A4

A1

B3A1

A1A1

B3

A1A4 A1 A2

A1B3

A1A4 A1 A2

A1

A1 A2

A1

A4 A2A4 A2A2

A1

A1

B3

A1A4 A1 A2

A1

Now

QoS

QoS

Web Services

Web Process

Web ServiceDiscovery

Web ServiceDiscovery

6

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)

Motivation

7

SWS Einsatzmöglichkeiten Integration der internen Workflows Integration der externen Workflows

Komplet dezentralisiert Jedem zugänglich

Knowledge Management eCommerce

(B2B) (B2C)

eWork

Motivation

8

Semantic Web Services

Web Services (syntaktische Beschreibung)

Auffinden, Auswählen, Zusammensetzen, Ausführen+

Semantic Web (semantische Beschreibung)

Maschinen verarbeitbar durch Ontologien=

Semantic Web Services

Einführung

9

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 sindAn ontology, is a formal, explicit specification of a shared

conceptualization [Gruber, 1993]

Einführung

10

Semantic Web Services: Web Services

Modular Beschrieben Verfügbar Veröffentlicht Implementierungs-unabhängig

Einführung

UDDI

WSDL

SOAP

11

Semantic Web Services: Ziele Veröffentlichen Auffinden Selektieren Zusammensetzen Vermittlung Ausführen Überwachen Kompensieren Ersetzung

Source: [16]

Einführung

WWWURI, HTML, HTTP

Semantic WebRDF, RDF(S), OWL

Dynamic Web ServicesUDDI, WSDL, SOAP

Static

Semantic WebServices

METEOR-S, WSMO, OWL-S

Syntactic Semantic

12

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

Einführung

13

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

Einführung

14

Semantic Web Prozess (2)

Source: [12]

Einführung

Publication/ Discovery

WSDL, WSEL

DAML-S

Meteor-S (WSDL Annotation)

UDDI

WSIL, DAML-S

METEOR-S (P2P model of registries)

BPWS4J, Commercial BPEL Execution Engines,

Intalio n3, HP eFlow

Semantics Required for Web Processes

ExecutionSemantics

QoSSemantics

Functional/ Operational

Semantics

Data/ Information

Semantics

Development/ Description/ Annotation

Composition(Choreography?)

Execution(Orchestration?)

BPEL, BPML, WSCI, WSCL,

DAML-S, METEOR-S

(SCET, SPTB)

15

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 …

Einführung

16

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

Einführung

17

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

Einführung

18

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)

Einführung

19

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

Technologien

20

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

Technologien

21

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.

Technologien

22

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]

Technologien

Web process

BPEL4WS

WSCL

WSCI

XLANG

WSFL

...

Industriele Entwicklung Forschungsarbeiten

Zei

t

Web Service

Semantic Web process

Semantic Web Service

SOAP

WSDL

UDDI

XML

...

Anotierung

Veröffentlichung

Auffinden

Auswählen

Komposition

Ausführung

OWL-S

OWL

DAML-S

DAML

...

Semantic Web Service Initiative (SWSI)

23

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

Technologien

24

OWL-S: Überblick

Source: [nach 16]

Technologien

- Beschreibt wie Dienst aufgerufen wird- Kommunikationsprotokoll-Spezifizierung- Serialisierung, Transformation

- Beschreibt die Funktion

- Klassifiziert nach Diensttaxonomie

- Beschreibt den Prozessfluss

- Prozessunterscheidung: composit, atomic, simple

25

OWL-S: Service Profile Nichtfunktionale Eigenschaften

Name Dienstbeschreibung Dienstkategorie QoS…

Funktionale Eigenschaften Informationstransformation

Inputs Outputs

Zustandsänderung Vorbedingungen Auswirkungen

Vereinfacht Auffinden

Technologien

26

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

Technologien

Auswahl

Ferienklub

Auswahl

Suche

Atomar

Autovermietung

Atomar

Restaurant

Atomar

Routenplaner

Sequenz

Reservation Agent

Auswahl

Korb

Atomar

hinzufügen

Atomar

entfernen

If

Reise gefundenthen

nill

else

27

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

Technologien

28

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

Technologien

29

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

Technologien

30

WSMO

Source: [18]

Technologien

WSMO WG

WSMX WGWSML WG

Begriffsmodell für SWS

Formale Sprache für WSMO

Regelbasierte-Sprache für SW

Laufzeitumgebung für WSMO

31

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

Technologien

32

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

Technologie

33

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

Technologie

34

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)

Technologien

35

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

Technologien

36

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

Technologien

37

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

Technologien

38

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

Technologien

39

Einfluss der Techniken Vereinfachung

Auffindung Zusammensetzung Interoperabilität

Einmal entwickelte SWS werden Auffindbar Aufrufbar Können zusammengesetzt werden

Zusätzlich sind SWS robust gegen Entwurfsänderung

Technologien

40

Bevorstehende Risiken Kompatibilität der Web Service Ontologien NP-Vollständigkeit Ontologienvollständigkeit Fehlende Werkzeuge

Annotierung Validierung

Innovativ

Technologien

41

Aktuelle Arbeiten im Projekt

Autovermietung 1 Autovermietung 2 Restaurant 1 Restaurant 2

Dienstserver Dienstserver Dienstserver Dienstserver

WWWFerienklubgast

Ferienklubgast

Ferienklubgelände

Dienstserver

Ferienklubgast

1

2 3 4 5

1. Dienstserver: auf diesen residiert die Semantic Web Service Plattform.2. Dienstserver: enthält einen Autovermietung 1 Web Service.3. Dienstserver: enthält einen Autovermietung 2 Web Service welches sich deutlich von der Autovermietung 1 unterscheidet.4. Dienstserver: enthält einen Restaurant 1 Web Service.5. Dienstserver: enthält einen Restaurant 2 Web Service welches sich deutlich von der Restaurant 1 unterscheidet.

Freizeit Planungs-

Agent Plattform (FPAP)

Freizeit Plannungs- Agent Client

(FPAC)

Freizeit Plannungs- Agent Client

(FPAC)

Freizeit Plannungs- Agent Client

(FPAC)

Web Service

Web Service

Web Service

Web Service

Freizeit Plannungs- Agent Plattform (FPAP): ist die Eigentliche Plattform, auf der die semantische Auswertung der Anfragen durchgeführt wird.

Freizeit Plannungs- Agent Client (FRAC): stellt die Clientanwendung dar, welche auf das mobile Gerät geladen wird um Anfragen an das FPAP zu stellen.

Ferienklub

42

Aktuelle Arbeiten im Projekt

Dienstserver

Freizeit Planungs-

Agent Plattform (FPAP)

UDDI

Zentrale Registrierungsstelle für

Web Service

MatchAgent

RACER

OWL Inferenz-Maschinezur Beweisführung der

Dienstidentifikation

Service Ontologie

Service Ontologie

Service Ontologie

use use

WSDLWSDL

WSDL

Ontology Merge Modul

Transformation Modul

OWL-SOWL-S

OWL-S

Ferienklub

43

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

Ausblick Masterthesis

44

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

Ausblick Masterthesis

45

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

Vielen dank

Für weitere Fragen stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung

für Ihre Aufmerksamkeit