Semantic Web im Kontext service-orientierter Architekturen

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Begriffliche Abgrenzung und technologische Grundlagen
2.1 Semantic Web
2.2 SOA
2.3 Grundlagentechnologien des Semantic Web
2.3.1 Ontologien
2.3.2 RDF und RDFS
2.3.3 OWL
2.3.4 SPARQL

3. Semantic Web und Service-orientierte Architekturen
3.1 Unternehmensontologien
3.2 Agenten
3.3 Semantic Web Services
3.3.1 Definition Web Services
3.3.2 Mögliche Verbesserungen durch Semantic Web Services
3.3.3 WSMO, WSML und WSMX
3.3.4 OWL-S
3.3.5 WSDL-S
3.3.6 Andere Ansätze zur Unterstützung von Semantic Web Services

4. Abschließende Bemerkung

Literaturverzeichnis

Elektronische Quellen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: SOA-Tempel [Dos+05, S. 11]

Abbildung 2: Ein einfacher RDF-Graf (in Anlehnung an [Hit+08, S. 39])

Abbildung 3: Semantik und SOA [StTi07, S. 479]

Abbildung 4: Semantic Matchmaker (in Anlehnung an [Syc+03, S. 4])

Abbildung 5: Web Services im SOA-Kontext (in Anlehnung an [PeRi05, S.2])

Abbildung 6: Entwicklung des Web [ReSt04, S. 24]

Abbildung 7: Konzeptuelles Modell von OWL-S [Fen+07, S. 102]

Abbildung 8: Verbindung zw. WSDL und Domain Model [Fen+07, S. 107]

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Die drei Teilsprachen von OWL (in Anlehnung an [Hit08, S. 127])

Tabelle 2: Design-Prinzipien von WSMO (in Anlehnung an [Fen+07, S. 57 f. ])

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Im Rahmen der vorliegenden Seminararbeit werden wesentliche Konzepte des Semantic Web vorgestellt. Zuerst sollen die Begriffe Semantic Web und Service-orientierte Architektur definiert und voneinander abgegrenzt werden. Danach werden technische Grundlagen, das heißt die Standards auf denen Semantic Web aufbaut, vorgestellt und erklärt. Anschließend soll der Zusammenhang mit Service-orientierten Architekturen hergestellt werden.

Dabei soll ein besonderes Augenmerk auf die verschiedenen Ansatzpunkte, die eine Service-orientierte Architektur im Hinblick auf Semantic Web bietet, gelegt werden, um anhand selbiger aktuelle Lösungsansätze aus der Forschung darzulegen.

Abschließend werden die durch die Auseinandersetzung mit der Thematik gewonnenen Erkenntnisse zusammenfassend erläutert.

Ziel der vorliegenden Arbeit wird es sein, einen allgemeinen Überblick der Grundlagen, Möglichkeiten und Potenziale des Semantic Web im Zusammenhang mit Service­orientierten Architekturen zu geben.

2. Begriffliche Abgrenzung und technologische Grundlagen

In diesem Kapitel sollen die Termini „Semantic Web“ und „Service-orientierte Architektur“ sowie die dem Semantic Web unterliegenden Konzepte und Technologien beschrieben und von einenander abgegrenzt werden.

2.1 Semantic Web

2001 veröffentlichten Berners-Lee et al. den Artikel „The Semantic Web: A New Form of Web Content That Is Meaningful to Computers Will Unleash a Revolution of New Possibilities“ [Ber+01]. In diesem Artikel definierten die drei Autoren den Begriff des Semantic Web wie folgt [Ber+01, S. 1 f. ]:

„The Semantic Web is not a separate Web but an extension of the current one, in which information is given well-defined meaning, better enabling computers and people to work in cooperation.”

Somit wird das Semantic Web als eine Erweiterung des World Wide Web (WWW) gesehen, um zum einen die Informationen des WWW mit Bedeutung zu versehen und zum anderen um die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Computer zu vereinfachen. Hitschler et al. beschreiben dies ähnlich, legen den Schwerpunkt ihrer Definition des Semantic Web aber stärker auf Standards zur Informationsrepräsentation, sowie auf die durch das Semantic Web ermöglichte automatische Schlussfolgerung zur Erschließung impliziten Wissens [Hit+08, S. 13].

Abschließend sei noch auf die Definition von Weerawarana et al. verwiesen. Auch sie sehen das Semantic Web als Erweiterung des heutigen WWW, vor allem in Hinblick auf die Erweiterung um Techniken zur Informationssuche. Zusätzlich nennen diese noch den Vorteil der Repräsentation der Semantik strukturierter Daten, um diese für Maschinen verarbeitbar zu machen. Dies soll wiederum die automatische Transformation und das automatische Zusammenführen von Dokumenten in verschiedenen Formaten ermöglichen [Wee+05, S. 373].

2.2 SOA

Den Begriff der Service-orientierten Architektur führte die Gartner Group wie folgt ein:

„Essentially, SOA is a software architecture that builds a topology of interfaces, interface implementations and interface calls. SOA is a relationship of services and service consumers, both software modules large enough to represent a complete business function. Services are software modules that are accessed by name via interface, typically in request-reply mode. Service consumers are software that embeds a service interface proxy (the client representation of the interface).” zitiert nach [Masa07, S. 9].

SOA ist also eine Art von Softwarearchitektur, kein fertiges Softwareprodukt, basierend auf sogenannten Services, die eine Serviceplattform bilden. Die sogenannten Service Consumers können dabei sowohl andere Services als auch eine Schnittstelle für einen menschlichen Benutzer sein.

Dostal et al. definieren eine SOA folgendermaßen:

“Unter einer SOA versteht man eine Systemarchitektur, die vielfältige, verschiedene und eventuell inkompatible Methoden oder Applikationen als wieder verwendbare und offen zugreifbare Dienste repräsentiert und dadurch eine plattform- und sprachenunabhängige Nutzung und Wiederverwendung ermöglicht“ [Dos+05, S. 11].

In Abbildung 1 wird eine SOA als ein Tempel dargestellt. Als tragende Säulen findet man hier die Konzepte Verteiltheit, lose Kopplung, einen Verzeichnisdienst und die Prozess-Orientierung von Services, die verwendet werden, um einen Geschäftsprozess zu implementieren.

Diese Konzepte definieren sich im Kontext Service-orientierter Architekturen wie folgt [Dos+05, S. 9]:

Verteiltheit: Die verschiedenen Services können sich bei verschiedenen Service­Anbietern befinden.

Lose Kopplung: Dynamische Suche und Einbindung von Diensten durch Anwendungen oder andere Dienste zur Laufzeit.

Verzeichnisdienst: In diesem Verzeichnis werden zur Verfügung stehende Dienste registriert, um die Suche nach ihnen zu ermöglichen.

Prozess-Orientierung: Bei der Erstellung bzw. Einbindung von Services steht der Geschäftsprozess im Vordergrund. Das bedeutet, dass der Geschäftsprozess in einzelne Teilschritte zerlegt wird (Dekomposition), um diesen dann Web Services bzw. deren Operations zuzuordnen. Durch diese Zuordnung (Komposition) der Services erfolgt eine Abbildung des Geschäftsprozesses mittels Services.

Die Basis bilden dabei Einfachheit, Sicherheit und Standards, um eine einfache, einheitliche und sichere Anwendungsentwicklung zu ermöglichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: SOA-Tempel [Dos+05, S. 11]

Um die Charakteristika von SOA zu vervollständigen, ist noch hinzuzufügen, dass die Services (Dienste) „entweder von einer Unternehmenseinheit oder durch externe Partner erbracht“ werden [StTi07, S.12].

Inwiefern nun genau das Semantic Web das Konzept der SOA erweitert bzw. verbessert, ist Thema des dritten Kapitels dieser Arbeit.

2.3 Grundlagentechnologien des Semantic Web

In diesem Kapitel erfolgt die Vorstellung der verschiedenen Grundlagentechnologien des Semantic Web. Dazu gehören RDF(S) und OWL, sogenannte Ontologiesprachen, die speziell für das Semantic Web entwickelt wurden, die RDF(S)-Anfragesprache SPARQL und Ontologien. Dies soll in erster Linie dazu dienen, den technischen Hintergrund für den Leser zu schaffen, um darauf aufbauend in Kapitel 3 den Bezug zwischen Semantic Web und SOA deutlich herausarbeiten zu können.

2.3.1 Ontologien

Der Begriff der Ontologie wurde im 19. Jahrhundert vom deutschen Philosophen GOCKEL eingeführt, um das Studium des Seins vom Studium der verschiedenen Arten in den Naturwissenschaften abzugrenzen [Bre+07, S. 20].

Breitmann et al. nennen als meist zitierte Definition des Begriffs der Ontologie in Bezug auf Semantic Web die Definition von Gruber, 1993:

„An ontology is a formal, explicit specification of a shared conceptualization“, zitiert nach [Bre+07, S. 20].

Starke und Tilkov interpretieren dies als „formalisierte und explizite gemeinsame Begrifflichkeit“ [StTi07, S. 470] und vergleichen den Begriff der Ontologie mit den Begriffen „Glossar“ und „Sprachgebrauch“.

Hitschler et al. bezeichnen den Begriff der Ontologie hingegen als Äquivalent zum Begriff Wissensbasis, welche das in einer Anwendungsdomäne enthaltene Wissen modelliere [Hit+08, S. 12].

Berners-Lee et al. definieren ähnlich: „[...] an ontology is a document or file that formally defines the relations among terms.“ [Ber+01, S. 3].

Als am weitesten verbreitete Form einer Ontologie nennen sowohl Berners-Lee et al. als auch WICHMANN die Taxonomie [Ber+01, S. 3], [Wich07, S. 46].

Taxonomien klassifizieren Begriffe hierarchisch [Bre+07, S. 20]. Dies kann man sich als eine Art Baumstruktur vorstellen, da es nur sogenannte Vater-Sohn-Beziehungen gibt, auch Generalisierungs-, is-a- oder type-of-Beziehung genannt. Taxonomien erlauben, im Gegensatz zu allgemeinen Ontologien, die man verglichen mit der Baumstruktur einer Taxonomie als Wissensnetz sehen kann, keine Zuordnung von Attributen zu den Begriffen. Folglich kann keine Taxonomie verwendet werden, wenn man eine Zuordnung von Attributen zu Begriffen vornehmen muss [Bre+07, S. 20].

Die am weitesten verbreiteten Sprachen zur Beschreibung von Ontologien sind das Resource Description Framework (RDF) bzw. dessen Erweiterung RDF Schema (RDFS), sowie die Web Ontology Language (OWL), welche im Folgenden näher erläutert werden sollen.

2.3.2 RDF und RDFS

Die eXtensible Markup Language (XML), definiert vom World Wide Web Consortium (W3C), bietet die Möglichkeit, den Daten eine einheitliche und flexible Struktur zu verleihen. Dabei ist die Bedeutung aber nach wie vor nur vom Menschen interpretierbar bzw. nicht maschinenlesbar [Birk06, S.80].

Zur Kombination und Weiterverarbeitung von in Dokumenten enthaltenen Informationen, existiert das vom W3C spezifizierte Darstellungsformat RDF [Hit+08, S.35].

Da laut W3C XML die grundlegende Basis des WWW ist, ist eine Serialisierung von XML nach RDF möglich, was wiederum die Integration von RDF ins WWW ermöglicht [Birk06, S. 81]. Dies sei an dieser Stelle erwähnt, um den Zusammenhang zwischen RDF und XML zu verdeutlichen.

Sowohl RDF als auch RDFS basieren auf Grafstrukturen, welche wiederum aus sogenannten Tripeln bestehen. Diese Tripel enthalten jeweils ein Subjekt, Prädikat und Objekt, welche im Wesentlichen die Kanten eines RDF-Grafen beschreiben [Hit+08, S. 40]. Abbildung 2 zeigt einen exemplarischen RDF-Grafen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Ein einfacher RDF-Graf (in Anlehnung an [Hit+08, S. 39])

In der oben genannten Abbildung wird ein Tripel dargestellt, welches folgende Elemente enthält: Subjekt (http://example.org/SemanticWebSOA), Prädikat (http://example.org/ geschriebenBei) und Objekt (http://www.bit-institute.com).

Objekte und Subjekte (auch Ressourcen genannt) werden also immer durch Ovale dar­gestellt und das Prädikat, welches die beiden verbindet, als gerichtete Kante. Weiterhin verwendet man Rechtecke, um einfache Literale, also Namen, darzustellen, die wie­derum (nur) Objekte darstellen können [Hit+08, S. 39].

Zur eindeutigen Namensgebung von Subjekten, Prädikaten und Objekten werden soge­nannte Uniform Resource Identifiers (URI) eingesetzt. Diese können sowohl abstrakte als auch physische Ressourcen referenzieren [Hit+08, S. 26].

Anzumerken ist an dieser Stelle, dass RDF und RDFS wie schon erwähnt Daten graforientiert darstellen und sich daher nicht für die Darstellung von Taxonomien eignen. Dies kommt daher, dass RDF „für die Beschreibung von allgemeinen Beziehungen zwischen Ressourcen“ entwickelt wurde [Hit+08, S. 37].

In RDF gibt es auch noch fortgeschrittene Ausdrucksmittel, wie z. B. mehrwertige Beziehungen, leere Knoten und Listen. Da dies den Rahmen der vorliegenden Arbeit sprengen würde, sei an dieser Stelle auf weiterführende Literatur, beispielsweise [Hit+08] oder die zentrale Webseite des W3C [Worl04], verwiesen.

Als grundlegender Unterschied zwischen RDF und RDFS wird die Möglichkeit genannt mit Hilfe von RDFS Klassen in RDF, Subklassen von Klassen zu definieren sowie die Zuordnung von Werte- und Gültigkeitsbereichen, was als grundlegend für den Aufbau von Taxonomien bzw. Ontologien gesehen wird [Birk06, S. 82].

RDF und RDFS sind also nicht getrennt zu betrachten und werden zusammen als RDF(S) bezeichnet.

2.3.3 OWL

OWL steht für Web Ontology Language und wurde 2004 vom W3C als Ontologiesprache standardisiert [McG+04]. Als Schlüsselrolle bei der Spezifizierung des Standards nennen HITSCHLER et al. das Gleichgewicht zwischen Ausdrucksstärke und effizientem Schlussfolgern, da diese beiden Eigenschaften sich in der Regel konträr zueinander verhalten [Hit+08, S. 125].

Als grundlegenden Unterschied zu RDF bzw. RDFS nennt Klein „bessere Schlussfolgerungsoperationen wie Konsistenzprüfung und automatische Klassifizierung“ des OWL, um so die „weltweit verteilte Entwicklung größerer Ontologien [zu] ermöglichen“ [Klei06, S. 33 f. ].

Es existieren dabei drei Teilsprachen von OWL: OWL Full, OWL DL und OWL Lite. Diese unterscheiden sich in erster Linie in der Ausdrucksstärke. Weitere Unterschiede bzw. Vor- und Nachteile sind in Tabelle 1 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Die drei Teilsprachen von OWL (in Anlehnung an [Hit08, S. 127])

Abschließend sei angemerkt, dass Klein die„Modellierungen realer Anwendungsgebiete (sind) in OWL aufgrund der beschreibungslogischen Grundlage [als] schwierig“ bezeichnet [Klei06, S. 36].

2.3.4 SPARQL

SPARQL ist ein sogenanntes rekursives Akronym und steht für SPARQL Protocol and RDF Query Language. Diese Anfragesprache wurde am 15. Januar 2008 endgültig vom W3C als Recommendation freigegeben [PrSe08].

Als Kern dieser Anfragesprache nennt Hitschler einfache RDF-Anfragen. Weiterhin nennt er „erweiterte Funktionen für die Konstruktion komplexerer Anfragemuster, für die Verwendung zusätzlicher Filterbedingungen und für die Formatierung der Ausgabe“ [Hit+08, S. 202].

3. Semantic Web und Service-orientierte Architekturen

Im Folgenden sollen nun die Bezüge zwischen Semantic Web und SOA deutlich gemacht werden. Zunächst soll der Begriff der sogenannten Unternehmensontologien eingeführt werden, um dann zu klären, inwiefern diese einen Mehrwert in Bezug auf SOA erbringen können. Danach erfolgt die Abgrenzung des potenziellen Nutzens von (Software-) Agenten im SOA Kontext. Zuletzt werden die im Zusammenhang zwischen Semantic Web und SOA immer häufiger genannten Semantic Web Services (SWS) dargestellt und deren Bedeutung bzw. Mehrwert im Vergleich zu Web Services im Allgemeinen erläutert.

3.1 Unternehmensontologien

Wie bereits in Kapitel 2.3.1 eingeführt, kann man eine Ontologie als „formalisierte und explizite gemeinsame Begrifflichkeit“ und mit den Begriffen Glossar und Sprachgebrauch bezeichnen [StTi07, S. 478].

STARKE und TILKOV machen deutlich, warum ein Unternehmen eine Unternehmensontologie benötigt: Durch eine explizite Darstellung von gemeinsamen Begrifflichkeiten soll nicht nur eine größere Begriffsschärfe erzwungen, sondern auch Maschinenlesbarkeit, durch Formalisierung der Ontologie in einer Ontologiesprache, ermöglicht werden [StTi07, S. 478]. Dadurch wird es möglich, dass Geschäftsprozesse einer SOA Begrifflichkeiten der Ontologie verwenden können, um beispielsweise semantische Regeln in Geschäftsprozessen zu verwenden, siehe Abbildung 3. Weitere Elemente von Abbildung 3, beispielsweise Agenten und Komposition, werden in den folgenden Kapiteln (3.2 Agenten, bzw. 3.3 Semantic Web Services) näher erläutert.

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