Ringvorlesung: Semantic Web Services Discovery

1. 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. 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

4. Motivation Fallbeispiel: Problematik

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

6. 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)

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

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

9. 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]

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

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

12. 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

13. 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

14. Einführung Execution Semantics Data / Information Semantics QoS Semantics Functional / Operational Semantics 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 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]

15. 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 …

16. 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

17. 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

18. 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)

19. 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

20. 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

21. 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.

22. 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]

23. 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

24. Technologien OWL-S: Überblick - 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]

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

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

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

31. 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

32. 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

33. 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

34. 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)

35. 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

36. 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

37. 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

38. 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

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

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

41. Ferienklub Aktuelle Arbeiten im Projekt

42. Ferienklub Aktuelle Arbeiten im Projekt

43. 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

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

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

46. Vielen dank für Ihre Aufmerksamkeit Für weitere Fragen stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung