Nghiên cứu dịch vụ web ngữ nghĩa và vấn đề tự động tìm kiếm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Đinh Cường NGHIÊN CỨU DỊCH VỤ WEB NGỮ NGHĨA VÀ VẤN ĐỀ TỰ ĐỘNG TÌM KIẾM Chuyên ngành: Công nghệ thông tin LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Cao Tuấn Dũng Trang phụ bìa 0B Hà Nội - 2009 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố cơng trình luận văn trước Tác giả luận văn Lê Đinh Cường Mục lục Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan .2 Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt .6 Danh mục bảng .7 Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU 10 Chương – TỔNG QUAN .13 1.1 Công nghệ Web Service 13 1.1.1 Giới thiệu Web Service 13 1.1.2 Kiến trúc thành phần Web Service .13 1.1.3 Hạn chế Web Service 15 1.2 Giới thiệu Semantic Web 16 1.2.1 Giới thiệu Semantic Web 17 1.2.2 Kiến trúc Semantic Web 18 1.2.3 Khái niệm Ontology 20 1.2.4 Các ngôn ngữ biểu diễn ngữ nghĩa thông tin 20 1.2.5 Ứng dụng Semantic Web 21 1.3 Công nghệ Semantic Web Service 22 1.3.1 Từ Web Service tới Semantic Web Service .22 1.3.2 Giới thiệu dịch vụ Web ngữ nghĩa 25 1.3.3 Vòng đời phát triển dịch vụ Web ngữ nghĩa .26 1.3.4 Các công nghệ tảng để xây dựng Semantic Web Service 29 1.4 Kết chương 31 Chương – SO SÁNH CÁC CÁCH TIẾP CẬN DỊCH VỤ WEB NGỮ NGHĨA 32 2.1 Giới thiệu .32 2.2 Mục đích 32 2.3 OWL-S đánh dấu ngữ nghĩa cho dịch vụ web 33 2.3.1 Ontology mức đỉnh 33 2.3.2 Tìm kiếm dịch vụ .34 2.3.3 Sự tương hỗ 35 2.3.4 Sự kết hợp 37 2.3.5 Sự triệu gọi .37 2.4 Mô hình Web Semantic Modelling Ontology (WSMO) .38 2.4.1 Ontology mức đỉnh 38 2.4.2 Tìm kiếm dịch vụ .39 2.4.3 Sự tương hỗ 40 2.4.4 Sự kết hợp 41 2.4.5 Sự triệu gọi .42 2.5 Khung làm việc METEOR-S 42 2.5.1 Tìm kiếm dịch vụ - tương hỗ .43 2.5.2 Sự kết hợp 44 2.5.3 Sự triệu gọi .44 2.6 So sánh cách tiếp cận 44 2.6.1 So sánh thao tác tìm kiếm dịch vụ 46 2.6.2 So sánh tương hỗ hành động 47 2.6.3 So sánh kết hợp 48 2.6.4 So sánh triệu gọi 49 2.7 Kết luận 49 Chương – ĐÁNH DẤU NGỮ NGHĨA VỚI OWL-S VÀ KỸ THUẬT ĐỐI SÁNH DỊCH VỤ 50 3.1 Giới thiệu .50 3.2 Kiến trúc OWL-S ontology mức đỉnh dịch vụ 51 3.2.1 Service Profile 54 3.2.2 Process Model 55 3.2.3 Service Grouding .56 3.3 Các cách tìm kiếm dịch vụ 58 3.4 Kỹ thuật khám phá tự động dịch vụ web ngữ nghĩa 59 3.4.1 UDDI việc tìm kiếm dịch vụ 59 3.4.2 Kỹ thuật khám phá tự động dựa hệ đối sánh ngữ nghĩa 60 3.5 Kết chương 64 Chương – XÂY DỰNG HỆ ĐỐI SÁNH NGỮ NGHĨA .65 4.1 Giới thiệu .65 4.2 Thư viện OWLS-MX 65 4.2.1 Giới thiệu thư viện 65 4.2.2 Tập hàm giao diện lập trình ứng dụng .66 4.3 Xây dựng hệ thống đối sánh ngữ nghĩa SMS 75 4.3.1 Phân tích chức hệ thống 75 4.3.2 Các module hệ thống 76 4.3.3 Quy trình thực đối sánh 78 4.4 Giới thiệu ontology dùng 79 4.5 Giới thiệu kiểm thử truy vấn dịch vụ 80 4.5.1 Cấu trúc kiểm thử 81 4.5.2 Truy vấn dịch vụ ngữ nghĩa .82 4.5.3 Các dịch vụ ngữ nghĩa sử dụng .85 4.6 Kết thực nghiệm đánh giá 94 4.7 Kết chương 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .100 TÀI LIỆU THAM KHẢO .102 PHỤ LỤC 105 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Thuật ngữ HTML Diễn giải Mô tả Hypertext Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn HTTP Hypertext Transfer Protocol METEOR-S Managing End Giao thức truyền Siêu văn End Khung điều khiển hoạt động To OpeRations - Services dịch vụ OWL Ontology Web Language Ngôn ngữ mô tả Ontology OWL-S Ontology Web Language - Ontology dựa OWL để mô tả dịch vụ SWS ServiceS RDF Description Khung mô tả tài nguyên Resource Framework SOAP Simple Access Giao thức truy cập đối tượng Object Protocol đơn giản SWS Semantic Web Service Dịch vụ Web ngữ nghĩa URI Uniform Resource Identifiers Địa định danh tài nguyên URL Uniform Resource Locator Địa định vị tài nguyên WS Web Service Dịch vụ Web WSDL Web Services Description Ngôn ngữ mô tả dịch vụ Web Language WSMO XML Web Service Modeling Mơ hình khái niệm liên quan Ontology đến SWS Extensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng Danh mục bảng Bảng 2.1: So sánh khái niệm tương ứng ba mơ hình 46 Bảng 4.1: Số lượng dịch vụ truy vấn kiểm thử .81 Bảng 4.2: Chi tiết dịch vụ kiểm thử 93 Bảng 4.3: Chi tiết yêu cầu dịch vụ 95 Bảng 4.4: Kết đối sánh .95 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1: Mơ hình kiến trúc hướng dịch vụ 14 Hình 1.2: Kiến trúc SOA với SOAP, WSDL, UDDI 15 Hình 1.3: Sự tiến hóa lên Semantic Web 16 Hình 1.4: Đề xuất WWW Tim Berners-Lee năm 1989 17 Hình 1.5: Liên kết ngữ nghĩa nguồn khác Semantic Web 18 Hình 1.6: Kiến trúc Semantic Web 19 Hinh 1.7: Ví dụ RDF .21 Hình 1.8: Vịng đời dịch vụ web ngữ nghĩa .27 Hình 2.1: Ontology mức đỉnh OWL-S .33 Hình 2.2: Các phương thức mức khái niệm ServiceProfile 35 Hình 2.3: OWL-S xử lý mơ hình IOPEs 36 Hình 2.4: Mơ hình mức đỉnh WSMO .39 Hình 2.5: Các lớp chức WSMO .40 Hình 2.6: Lớp WSMO Service 41 Hình 2.7: Lớp WSMO Interface .42 Hình 3.1: Ontology mức đỉnh dịch vụ 52 Hình 4.1: Sơ đồ chức hệ SMS 76 Hình 4.2: Lược đồ chức đăng đăng ký dịch vụ .77 Hình 4.3: Lược đồ chức đăng ký yêu cầu 77 Hình 4.4: Lược đồ chức cấu hình SMS 78 Hình 4.5: Lược đồ chức đối sánh & xem kết 78 Hình 4.6: Quy trình hệ thống đối sánh ngữ nghĩa 79 Hình 4.7: Mức đỉnh ontology yêu cầu dịch vụ thông tin bệnh viện 82 Hình 4.8: Cây phân cấp khái niệm ontology Mid-level-ontology 84 Hình 4.9: Cây phân cấp khái niệm ontology SUMO 85 Hình 4.10: Mức đỉnh ontology dịch vụ thơng tin bệnh viện 86 Hình 4.11: Mức đỉnh ontology dịch vụ thông tin trình điều trị 87 Hình 4.12: Mức đỉnh ontology dịch vụ trả trình điều trị tâm lý 88 Hình 4.13: Mức đỉnh ontology dịch vụ trả giá loại xe .89 Hình 4.14: Giao diện hệ đối sánh SMS .94 10 MỞ ĐẦU Ban đầu, Web nhà khoa học sử dụng nhằm mục đích cung cấp chia sẻ thơng tin để phục vụ cho tổ chức phủ, doanh nghiệp cá nhân qua các liệu ứng dụng họ Nhưng web hướng đến phục vụ cho mục đích mà trước chưa nghĩ đến Đặc trưng Web thời đa số hiển thị cho người “hiểu” Tuy nhiên, trở ngại lớn cho việc tìm kiếm thơng tin, dịch vụ liệu Web thiếu ngữ nghĩa phép máy tính hiểu tự động xử lý liệu Để giải khó khăn trên, nhiều nghiên cứu tiến hành nhằm làm giàu thêm thông tin có thành dạng thơng tin mà máy xử lý Tim Berners Lee, người phát minh WWW xem tương lai WWW “Semantic Web” – mở rộng Web, thơng tin tồn dạng máy tính đọc được, dịch vụ có khả vượt trội so với dịch vụ cung cấp thông tin Web ngữ nghĩa định nghĩa mở rộng Web thời, thơng tin mang đầy đủ ngữ nghĩa Các dịch vụ tự động cải thiện khả để giúp đỡ người hiểu nhiều nội dung web việc tìm kiếm, phân loại lọc thông tin trở nên xác Q trình cuối dẫn tới hệ thống tri thức khổng lồ đặc trưng nhiều dịch vụ suy luận chuyên biệt Những dịch vụ hỗ trợ hầu hết khía cạnh sống hàng ngày việc truy cập thông tin trở nên dễ dàng hơn, phổ biến Việc phát triển công nghệ nhằm hỗ trợ cho Web ngữ nghĩa dần chiếm ưu công đồng nghiên cứu khác Web ngữ nghĩa tận dụng tối đa khả thơng qua dịch vụ web (Web Service) Một dịch vụ web hệ phần mềm bao gồm tập chức mà trao đổi tương tác với 97 Hospital Hospital _investigating Investigating Exact Đối sánh xác đầu vào dịch vụ Address address trùng với đầu vào _service.owls yêu cầu đầu dịch vụ chứa thành phần với đầu yêu cầu Hospital Hospital Investigating Exact Đối sánh xác _investigating đầu vào đầu _service.owls dịch vụ với đầu vào đầu yêu cầu Hospital Hospital _postal- Investigating Exact Đối sánh xác đầu vào dịch vụ Postal-Address address xác với đầu vào yêu cầu investigating đầu dịch vụ _service.owls chứa thành phần với đầu yêu cầu Hospital Hospital Predicting Fail Đầu dịch vụ _predicting không liên quan đến đầu _service.owls yêu cầu organization _diagnostic Organization DiagnosticProcess Plug-in Đầu vào dịch vụ tổng Cost quát đầu vào yêu cầu Processcost (Organization tổng quát _service.owls Hospital) Đầu dịch vụ chứa đầu yêu cầu Đây kiểu đối sánh plug-in 98 organization Organization DiagnosticProcess Plug-in Đầu vào dịch vụ tổng _diagnostic quát đầu vào yêu cầu process (Organization tổng quát _service.owls Hospital) Đầu dịch vụ chứa đầu yêu cầu Đây kiểu đối sánh plug-in Question question DiagnosticProcess Fail Đầu vào dịch vụ tổng quát đầu yêu cầu Hospital hospital Đầu dịch vụ _diagnostc chứa đầu yêu process cầu Nên khơng rơi _service.owls vào lọc Vì trạng thái FAIL _diagnostic Organization process DiagnosticProcess Plug-in Đầu vào dịch vụ rỗng tổng quát đầu vào organization yêu cầu _service.owls Đầu dịch vụ chứa đầu yêu cầu Đây kiểu đối sánh plug-in _investigating Investigating Exact Đầu vào dịch vụ rỗng _Saar nên thỏa mãn đầu vào Service.owls yêu cầu Đầu dịch vụ trùng khớp với đầu yêu cầu Trường hợp đối sánh xác EXACT 99 car_price Car Price Fail Đầu vào đâu dịch vụ khác với yêu cầu _service.owls Nên không đối sánh với (FAIL) drugstore_tea DrugStore Tea _service.owls Fail Đầu vào đâu dịch vụ khác với yêu cầu Nên không đối sánh với (FAIL) Từ bảng kết trên, ta thấy việc thực đối sánh suy diễn ontology dùng xác theo lọc định nghĩa Các trường hợp dịch vụ đối sánh theo đầu vào đầu Trên thực tế, để việc đối sánh xác phải thực tất thành phần IOPEs Việc đối sánh hai khái niệm khơng so sánh xác thơng thường, mà cịn tính đến khái niệm lân cận phân cấp khái niệm ontology 4.7 Kết chương Chương cuối ta tìm hiểu thư viện OWLS-MX xây dựng hệ đối sánh dựa thư viện Hệ đối sánh sử dụng yêu cầu truy vấn dịch vụ theo chuẩn OWL-S Khi ta gửi yêu cầu, tự động đối sánh trả dịch vụ tương ứng Đây điều mà mong đợi công nghệ Semantic Web Service, việc tự động khám phá dịch vụ, giúp việc lựa chọn dịch vụ dễ dàng thao tác tập hợp nhỏ dịch vụ Để đạt điều hệ đối sánh phải truy cập vào (hoặc số) kho chứa web service Vì việc khám phá dịch vụ dễ dàng nhiều cho ứng dụng phát triển việc sử dụng hệ đối sánh 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các dịch vụ web ngữ nghĩa hiểu việc áp dụng ngữ nghĩa vào dịch vụ web Nó cơng nghệ có tính đột phá, giúp cho việc tự động hóa thao tác Web Service Các giai đoạn vòng đời Web Service khám phá, lựa chọn hợp dịch vụ thực tự động Điều giúp giảm thời gian công sức người phát triển ứng dụng, công nghệ nằm hệ web mới, Web 3.0 Luận văn đề cập đến Semantic Web Service công nghệ liên quan, đồng thời tập trung vào cách tiếp cận theo cơng nghệ OWL-S, từ nghiên cứu việc đối sánh tự động yêu cầu dịch vụ qua hệ đối sánh ngữ nghĩa Các kết đạt luận văn bao gồm: - Nghiên cứu Semantic Web Service công nghệ liên quan - Tìm hiểu cách tiếp cận Semantic Web Service so sánh cách - Tìm hiểu ngơn ngữ ontology web cho dịch vụ OWL-S kỹ thuật đối sánh tự động - Xây dựng hệ đối sánh tự động dựa thư viện OWLS-MX Việc có hệ đối sánh, kết hợp với kho chứa mô tả dịch vụ web ngữ nghĩa đem đến cho ta khả tự động tìm kiếm khám phá dịch vụ Từ giúp tự động hóa giai đoạn vịng đời dịch vụ web Semantic Web Service phần hệ Web 3.0, hệ mà thông tin mạng mang nhiều tri thức hơn, tăng cường tính thơng minh - tự động ứng dụng phát triển mạng xã hội Một số hướng nghiên cứu phát triển luận văn: 101 - Xây dựng hệ đối sánh theo nhiều cách tiếp cận khác tới dịch vụ web ngữ nghĩa (mô tả WSMO, hay METEO-R dùng mô tả truyền thống kiểu WSDL …) - Xây dựng ứng dụng minh họa việc tự động khám phá, lựa chọn hợp dịch vụ Tức tự động hóa áp dụng trọn vẹn vòng đời dịch vụ - Phát triển ứng dụng cụ thể, áp dụng lĩnh vực chuyên sâu, chẳng hạn chăm sóc sức khỏe, hệ thống quản lý du lịch, ngân hàng … Mặc dù nhiều hạn chế: chưa có chuẩn chung cho Semantic Web Service, có nhiều cách tiếp cận công nghệ này, đặc tả (ngay OWL-S) chưa hoàn thiện, số lượng dịch vụ có lớn khơng tập trung Song Semantic Web Service cho thấy tiềm để tạo cách mạng việc chia sẻ liệu, phát triển phân tán nâng cao tri thức cộng đồng Cuối cùng, muốn nói lời cảm ơn chân thành tới TS Cao Tuấn Dũng, tới thầy cô giáo khoa CNTT trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, tới trung tâm đào tạo Sau Đại học, tới gia đình bạn bè người thân giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Hà Nội, tháng – 2009 Lê Đinh Cường 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Cao Tuấn Dũng, Lê Tấn Hùng, Đặng Văn Chuyết; “Phát triển dịch vụ Web truy vấn thao tác Ontology xây dựng hệ thống tư vấn y tế từ xa.”; Kỷ yếu Hội thảo ICT.rda’08, Hà Nội 08-09, 2008 Lê Diệu Thu, Trần Thị Ngân; “Xây dựng Ontology nhằm hỗ trợ tìm kiếm ngữ nghĩa lĩnh vực y tế”; Báo cáo nghiên cứu khoa học, Đại học Quốc Gia Hà Nội, tháng – 2008 Tiếng Anh Martin, D., Burstein, M., Hobbs, J., Lassila, O., McDermott, D., McIlraith, S., Narayanan, S., Paolucci, M., Parsia, B., Payne, T R., Sirin, E., Srinivasan, N and Sycara, K (2004); “OWL-S: Semantic Markup for Web Services” W3C Technical Report, http://www.w3.org/Submission/OWL-S/ Klusch, M., Fries, B., Sycara, K.: “Automated Semantic Web Service Discovery with OWLS-MX” In Proc of the 5th Int Joint Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS), Hakodate, Japan, 2006 915-922 Carnegie Mellon University, The Intelligent Software Agents Lab: “Semantic Web Technologies: Ontology Building, Semantic Web Services, Discovery, Languages, Tools, Service Composition and Interaction Protocols.” http://www.cs.cmu.edu/~softagents Panagiotis Bouros; “Semantic Web Services: A conceptual comparison of OWL-S, WSMO and METEOR-S approaches”; www.netmode.ntua.gr/courses/postgraduate/edi/ergasies2006/PanagiotisBour os_SWS_comparison.pdf 103 Matthias Klusch and Benedikt Fries; “Hybrid OWL-S Service Retrieval with OWLS-MX: Benefits and Pitfalls”; German Research Center for Artificial Intelligence Carnegie Mellon University; “CMU OWL-S API”; http://www.daml.ri.cmu.edu/owlsapi/index.html Carnegie Mellon University; “Semantic Matching of Web Services Capabilities”; Massimo Paolucci, Takahiro Kawamura, Terry R Payne, Katia Sycara 10 “METEOR-S: Semantic Web Services and Processes”; ©2005 LSDIS and the University of Georgia, http://lsdis.cs.uga.edu/projects/meteor-s/ 11 Dumitru Roman, Holger Lausen, Uwe Keller; “D2v1.3 Web Service Modeling Ontology (WSMO)”; WSMO Final Draft 21 October 2006; http://www.wsmo.org/TR/d2/v1.3/ 12 David Martin, Massimo Paolucci, Sheila McIlraith, Mark Burstein, Drew McDermott, Deborah McGuinness, Bijan Parsia, Terry Payne, Marta Sabou, Monika Solanki, Naveen Srinivasan, and Katia Sycara; “Bringing Semantics to Web Services: The OWL-S Approach”; Artificial Intelligence Center, 13 Michael C Jaeger, Gregor Rojec-Goldmann, Christoph Liebetruth, Gero Muhl, and Kurt Geihs; “Ranked Matching for Service Descriptions using OWL-S”; TU Berlin, Institute of Telekommunication Systems, FR6-10, Franklinstasse 28/29, D-10587 Berlin 14 Michael Stollberg, Cristina Feier, Dumitru Roman, and Dieter Fensel; “Semantic Web Services - Concepts and Technology”; Digital Enterprise Research Institute; Institut fur Informatik, Universitat Innsbruck, Austria 15 Tanja Sollazzo, Siegfried Handschuh, Steffen Staab, and Martin Frank; “Semantic Web Service Architecture — EvolvingWeb Service Standards toward the Semantic Web”; Proceedings of the Fifteenth International Florida Artificial Intelligence Research Society Conference, Pages: 425 – 429 104 16 Cabral, L., Domingue, J., Motta, E., Payne, T R and Hakimpour, F (2004) “Approaches to Semantic Web Services: An Overview and Comparison” In: European Semantic Web Conference 17 Mikko Waris; “Adding Semantics into WSDL and UDDI”; Helsinki University 18 Jorge Cardoso (University of Madeira, Portugal), Amit P Sheth (University of Georgia, USA); Semantic Web Services, Processes and Applications: “Chapter - SEMANTIC ANNOTATIONS IN WEB SERVICES, Meenakshi Nagarajan, Large Scale Distributed Information Systems (LSDIS) Lab, Department of Computer Science, University of Georgia, GA, USA nbmeena@uga.edu”, “NEED FOR SEMANTICS IN WS-DISCOVERY – Page 96-99”, “SEMANTIC MATCHING AND MAPPING, Page 232 – 233” © 2006 Springer Science+Business Media, LLC 19 Thomas B.Passin, “Explorer's Guide to the Semantic Web”, © 2006 Springer Science+Business Media, LLC 20 G Alonso, F Casati, H Kuno, and V Machiraju; “Web Services: Concepts, Architecture, and Applications”; Springer Verlag (ISBN: 3540440089), June 2003 21 Jinghai Rao and Xiaomeng Su, “A Survey of Automated Web Service Composition Methods”; Norwegian University of Science and Technology Department of Computer and Information Science” 22 “Ontology (information science)”; From Wikipedia; http://en.wikipedia.org/wiki/Ontology_(computer_science) 105 PHỤ LỤC Các mô tả yêu cầu (request) dịch vụ (SWS) a Mô tả yêu cầu dịch vụ HospitalInvestigatingService 106 returns investigating of hospital http://127 0.0.1/ontology/Mid-levelontology.owl#Hospital http://127 0.0.1/ontology/SUMO.owl#Investigating b Mô tả dịch vụ InvestigatingFinding This service the certain type investigating facility available in the certain hospital 108 http://127 0.0.1/ontology/Mid-levelontology.owl#Hospital http://127 0.0.1/ontology/SUMO.owl#Investigating Cài đặt hệ đối sánh - Cài đặt IDE NetBean 5.11 để xây dựng, quản lý thực thi hệ đối sánh Semantic Matching Service - Cài đặt Web Server XAMPP; chẳng hạn luận văn thực cài đặt C:\apachefriends\xampp - Copy thư mục (services, queries ontology) vào web server cục C:\apachefriends\xampp\htdocs 109 Giao diện thực chương trình Giao diện hệ thống đối sánh Thực đăng ký Semantic Web Service 110 Gửi yêu cầu cho hệ thống Chọn cấu hình cho hệ đối sánh 111 Thực đối sánh theo dõi kết ... phát triển dịch vụ Web ngữ nghĩa Vòng đời phát triển dịch vụ web ngữ nghĩa; giống dịch vụ Web truyền thống, bao gồm: mô tả, quảng bá dịch vụ, khám phá dịch vụ, lựa chọn dịch vụ hợp dịch vụ hình... ngữ nghĩa vào trang Web để làm cho việc tìm kiếm trở nên hiệu nhờ quan hệ ngữ nghĩa Việc tìm kiếm tự động Web services hoạt động tìm kiếm, nhà nghiên cứu phát triển cân nhắc việc có số tính ngữ. .. để tìm kiếm dịch vụ yêu cầu cách tự động Vì khơng có q trình tìm kiếm tự động mục tiêu khác – triệu gọi tự động, kết hợp tự động hay giám sát tự động – khơng thể nhận biết Tìm kiếm thơng tin Web