Semantic Mediation between Loosely Coupled Information Models in Service-Oriented Architectures [Elektronische Ressource] / Nils Barnickel. Betreuer: Radu Popescu-Zeletin

Nils Barnickel

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• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
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Extrait

Semantic Mediation
between Loosely Coupled Information Models
in Service-Oriented Architectures


vorgelegt von
Diplom-Informatiker
Nils Barnickel
aus Berlin



Von der Fakultät IV – Elektrotechnik und Informatik –
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften
– Dr.-Ing. –

genehmigte Dissertation



Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr. Thomas Magedanz
Berichter: Prof. Dr. Dr. h.c. Radu Popescu-Zeletin
Berichter: Prof. Dr. Bernd Mahr
Berichter: Prof. Dr. Mathias Weske


Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 11. Mai 2011

Berlin 2011
D 83



Abstract
The last two decades have shown a major shift from stand-alone to networked information
technology (IT) systems. Consequently, the effective and efficient achievement of
interoperability is a key factor to enable seamless business process chains and networks across
intra- and inter-organizational boundaries. Thereby, interoperability can be understood along
three dimensions: technical, semantic and organizational interoperability.
While the concept of service-oriented architectures (SOA) and widely accepted Web service
standards have benefited technical interoperability in recent years substantially, managing and
integrating semantic differences in heterogeneous distributed environments remains critical and
cost intensive. In order to preserve the precise meaning as data is moved from one IT system to
another, explicit formal information models in terms of ontologies have evolved as the concept
of choice from academia to first industry adoption. However, it has been recognized that the
dominant approach of developing a common, globally shared ontology as an information model
standard has turned out to be limited in real world cross-domain environments. Organizational
boundaries with regard to consensus degree and the complexity deriving from inherent domain-
specific differences in requirements force a coexistence of independently managed but however
semantic interoperable information models.
In order to address this challenge, the guiding idea of this work is to transfer the principle of
loose coupling to the semantic level. In particular, the goal of this thesis is to contribute to the
reduction of complexity in semantic system integration by developing an effective and efficient
approach for semantic interoperability in large-scale SOA landscapes based on semantic
mediation between loosely coupled information models. Moreover, this work shows how
emerging semantic technologies can contribute to the instantiation of this concept exploiting
their capabilities to explicitly express semantics. The main contributions of this work are:
 A conceptual framework for semantic interoperability in SOA, which is mapped to an
overview and evaluation of existing academic and industry-driven approaches pointing out
shortcomings and fields for further advancements.
 A concept of semantic mediation between loosely coupled information models in SOA,
which describes an information architecture design pattern that provides an optimized
balance within the identified inherent trade-off between effectiveness and efficiency in
achieving semantic interoperability in SOA. It includes a specification of loosely coupled
information models in terms of key characteristics derived from the principle of loose
coupling such as autonomy, flexible binding and encapsulation.
 An instantiating semantic mediation mechanism by means of description logic rule-based
semantic bridges and self-contained domain ontologies exploiting capabilities such as
polymorphism, facet analysis classification and declarative entity manipulation.
 A semantic mediation methodology and prototypical toolkit, which maps the developed
concept and mechanism to the SOA life-cycle ranging from business process modeling,
over service composition to runtime process execution, in order to provide a proof of
concept.
The developed approach is evaluated based on a case study of an exemplary distributed
organization. It is shown how the approach of semantic mediation between loosely coupled
information models can be applied in practice and which benefits can be generated with regard
to achieving effective and efficient semantic interoperability in large-scale SOA landscapes.
i
Zusammenfassung
Die Informationstechnologie (IT) der letzten zwei Jahrzehnte war durch eine zunehmende
Entwicklung weg von eigenständigen hin zu vernetzten IT-Systemen geprägt. Vor diesem
Hintergrund ergibt sich die Herausforderung, Interoperabilität möglichst effektiv und effizient
zu erreichen, um nahtlose Geschäftsprozesse innerhalb und über Organisationsgrenzen hinweg
zu ermöglichen. Interoperabilität kann dabei entlang von drei Dimensionen verstanden werden:
technische, semantische und organisatorische Interoperabilität.
Während das Konzept der Service-orientierten Architekturen (SOA) und weit etablierte Web
Service-Standards in den letzten Jahren wesentlich zum Erreichen von technischer
Interoperabilität beigetragen haben, ist die semantische Integration in heterogenen verteilten
Umgebungen weiterhin schwierig und kostenintensiv. Für den bedeutungskonsistenten
Datenaustausch zwischen IT-Systemen haben sich explizite formale Informationsmodelle in
Form von Ontologien als erfolgversprechendes Konzept in akademischen und ersten
industriellen Bereichen herausgestellt. Allerdings hat sich gezeigt, dass der dominierende
Ansatz basierend auf einer umfassenden gemeinsam zu nutzenden Ontologie als standardisiertes
Informationsmodell in organisationsübergreifenden Szenarien nur begrenzt praktikabel ist.
Organisatorische Grenzen mit Hinsicht auf Konsensfähigkeit und die Komplexität, die aus
unterschiedlichen domänenspezifischen Anforderungen hervorgeht, erfordern eine Koexistenz
von unabhängig zu verwaltenden jedoch semantisch interoperablen Informationsmodellen.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, ist der Leitgedanke der vorliegenden Arbeit, das
Prinzip der losen Kopplung auf die semantische Ebene zu übertragen. Dabei verfolgt die Arbeit
das Ziel, einen Beitrag zur Verringerung der Komplexität bei der semantischen System-
integration zu leisten. Im Zentrum steht die Entwicklung eines effektiven und effizienten
Ansatzes für die semantische Interoperabilität in groß angelegten SOA-Landschaften mittels
semantischer Mediation zwischen lose gekoppelten Informationsmodellen. Darüber hinaus zeigt
die Arbeit, wie neuartige semantische Technologien verwendet werden können, um das
entworfene Konzept zu instanziieren. Die wichtigsten Beiträge dieser Arbeit sind:
 Ein konzeptioneller Rahmen der semantischen Interoperabilität in SOA, der abgebildet wird
auf einen Überblick existierender akademischer und industrieller Ansätze, mit dem Ziel
Handlungsfelder und Entwicklungsbedarfe aufzuzeigen.
 Ein Konzept der semantischen Mediation zwischen lose gekoppelten Informationsmodellen
in SOA als Entwurfsmuster für Informationsarchitekturen. Es beinhaltet eine Spezifikation
auf Basis von wesentlichen Merkmalen des Prinzips der losen Kopplung wie Autonomie,
flexible Bindung und Kapselung.
 Ein semantischer Mediationsmechanismus basierend auf regelbasierten semantischen
Brücken und unabhängiger Ontologien unter Nutzung von Eigenschaften wie Poly-
morphismus, Facetten-basierte Klassifizierung und deklarativer Entitätenmanipulation.
 Ein Machbarkeitsnachweis auf Basis einer Methodik und prototypischer Werkzeuge zur
semantischen Mediation, welche das entwickelte Konzept auf den SOA-Lebenszyklus
abbilden und instanziieren mit dem Fokus auf der Geschäftsprozessmodellierung, der
Servicekomposition und der laufzeitorientierten Prozessausführung.
Der entwickelte Ansatz wird anhand einer Fallstudie einer beispielhaften verteilten Organisation
evaluiert. Es wird gezeigt, wie der Ansatz in der Praxis angewendet werden kann und welche
Vorteile sich daraus für die effektive und effiziente Erreichung der semantischen
Interoperabilität in groß angelegten SOA-Landschaften ergeben.
ii
Preface
After finishing my studies, I made an internship at the United Nations Headquarters, where I
attended a conference called Web for development. A marketing vice president from a large IT
company gave a presentation on how service-oriented architectures (SOA) can accelerate
development. After the talk a question came from the audience asking to further elaborate on
how SOA can foster development in Africa. This misunderstanding has shown me that semantic
interoperability - or the absence of it – is not only an abstract concept but can be found all
around us even though often not visible and identified as such. Another example was the
organization-wide knowledge management system, which could not be adopted in the
eGovernance department I was working for, because the general terms and categories did not
match the required