A formal architecture-centric and model driven approach for the engineering of science gateways

From n-Tier client/server applications, to more complex academic Grids, or even the most recent and promising industrial Clouds, the last decade has witnessed significant developments in distributed computing. In spite of this conceptual heterogeneity, Service-Oriented Architecture (SOA) seems to have emerged as the common and underlying abstraction paradigm, even though different standards and technologies are applied across application domains. Suitable access to data and algorithms resident in SOAs via so-called ‘Science Gateways’ has thus become a pressing need in order to realize the benefits of distributed computing infrastructures.In an attempt to inform service-oriented systems design and developments in Grid-based biomedical research infrastructures, the applicant has consolidated work from three complementary experiences in European projects, which have developed and deployed large-scale production quality infrastructures and more recently Science Gateways to support research in breast cancer, pediatric diseases and neurodegenerative pathologies respectively. In analyzing the requirements from these biomedical applications the applicant was able to elaborate on commonly faced issues in Grid development and deployment, while proposing an adapted and extensible engineering framework. Grids implement a number of protocols, applications, standards and attempt to virtualize and harmonize accesses to them. Most Grid implementations therefore are instantiated as superposed software layers, often resulting in a low quality of services and quality of applications, thus making design and development increasingly complex, and rendering classical software engineering approaches unsuitable for Grid developments.The applicant proposes the application of a formal Model-Driven Engineering (MDE) approach to service-oriented developments, making it possible to define Grid-based architectures and Science Gateways that satisfy quality of service requirements, execution platform and distribution criteria at design time. An novel investigation is thus presented on the applicability of the resulting grid MDE (gMDE) to specific examples and conclusions are drawn on the benefits of this approach and its possible application to other areas, in particular that of Distributed Computing Infrastructures (DCI) interoperability, Science Gateways and Cloud architectures developments

Initial Architectural Style for CHOReOS Choreographies (D1.3)

While the development of CHOReOS systems build on well-known paradigms associated with service-oriented architectures (e.g., services, service bus and service choreography), the supporting architectural style re- quires accounting for the challenges posed by the future Internet, i.e., ultra large scale, high heterogeneity, increased mobility, and awareness & adaptability. This deliverable then revisits the traditional definitions of service-oriented component (i.e., service), connector (interaction protocol and related service bus for interop- erability) and configuration (system-wide architecture composing services according to orchestration or more general choreography patterns) to meet the FI challenges. Specifically, CHOReOS components enable lever- aging the diversity of Web-based services that integrate in the FI (i.e., WS∗ and RESTful web-based services, and from business to thing-based services) as well as the ultra large service base envisioned for the FI. As for CHOReOS connectors, they bring together the highly heterogeneous interaction paradigms that are now used in today's increasingly complex distributed systems and further support interoperability across heterogeneous paradigms. Finally, CHOReOS coordination protocols foster choreography-based coordination for the sake of scalability, while preventing undesired behavior (i.e., undesired service interactions that would violate the specified choreography). A key aspect of the proposed CHOReOS architectural style is to introduce novel ab- stractions for all its elements, which enable leveraging the wide diversity of the FI, in all the dimensions of scale, heterogeneity and mobility. The CHOReOS style further sets the base ground for the development (from design to implementation) of the CHOReOS Integrated Development and Runtime Environment, and especially for the specification and design of choreography-based systems (studied in WP2 complemented with WP4 work on Governance and V&V) and the development of the CHOReOS service-oriented middleware (studied in WP3)

The Essence of Software Engineering

Software Engineering; Software Development; Software Processes; Software Architectures; Software Managemen

Towards ontological foundations of research information systems

Despite continuous advancements in information system technologies it is still not simple to receive relevant answers to Science-related queries. Getting answers requires a gathering of information from heterogeneous systems, and the volume of responses that semantically do not match with the queried intensions overwhelms users. W3C initiatives with extensions such as the Semantic Web and the Linked Open Data Web introduced important technologies to overcome the issues of semantics and access by promoting standard representation formats – formal ontologies – for information integration. These are inherent in architectural system styles, where increased openness challenges the traditional closed-world and often adhocly designed systems. However, technology on its own is not meaningful and the information systems community is increasingly becoming aware of foundations and their importance with guiding system analyses and conceptual design processes towards sustainable and more integrative information systems. As a contribution, this work develops a formal ontology FERON – Field-extensible Research Ontology – following the foundations as introduced by Mario Bunge and applied to information systems design by Wand and Weber, i.e. Bunge- Wand-Weber (BWW). Nevertheless, FERON is not aimed at the modelling of an information system as such, but at the description of a perceived world – the substantial things – that an information system ought to be able to model. FERON is a formal description of the Research domain – a formal ontology according to latest technological standards. Language Technology was chosen as a subdomain to demonstrate its field extensibility. The formal FERON ontology results from a hybrid modelling approach; it was first described top-down based on a many years activity of the author and then fine-tuned bottom-up through a comprehensive analysis and re-use of openly available descriptions and standards. The entire FERON design process was accompanied by an awareness of architectural system levels and system implementation styles, but was at first aimed at a human domain understanding, which according to the General Definition of Information (GDI) is achievable through well-formed meaningful data.Trotz kontinuierlich verbesserter Informationssystemtechnologien ist es nicht einfach möglich, relevante Antworten auf forschungsverwandte Suchanfragen zu erhalten. Dies liegt unter anderem daran, dass Informationen in verschiedenen Systemen bereitgestellt werden, und dass die Beschreibung der bereitgestellten Informationen nicht mit den Beschreibungen der gestellten Fragen übereinstimmen. Neuere Technologien wie das Semantische Web oder Linked Open Data ermöglichen zwar verbesserte Beschreibungen und Zugriffe – jedoch sind die Technologien an sich auch nicht bedeutungsvoll. Weitergehende, fundierende Ansätze zur Beschreibung von Informationenen finden daher zunehmend Anerkennung und Zuspruch in der wissenschaftlichen Gemeinde, diese beinflussen konsequenterweise die Systemanalyse sowie das Systemdesign. Die vorliegende Arbeit entwickelt eine formale Ontologie einer Forschungswelt die disziplinenübergreifend skaliert, namentlich FERON – Field-extensible Research Ontology, basierend auf den Ansätzen der Bunge-Wand-Weber (BWW) Ontologie. Der Titel der Arbeit “Towards Ontological Foundations of Research Information Systems” übersetzt: „Zur ontologischen Fundierung von Forschungsinformationssystemen“. Im Titel ist ontologisch zuallererst im philosophischen Sinne zu verstehen, und nicht zu verwechseln mit der dann resultierenden Ontologie im technologischen Sinne einer formalen Beschreibung der wahrgenommenen Forschungswelt – namentlich FERON. Eine Klärung der Begriffe Ontologie, Konzept, Entität, Daten und Information zum Verständnis der vorliegenden Arbeit wird in Kapitel 2.5 versucht, ein Verständnis wurde als kritisch für die Qualität der resultierenden formalen Ontologie FERON, aber auch als hilfreich für den Leser vorweggenommen, insbesondere weil die genannten Begriffe über Disziplinen hinweg oftmals sehr unterschiedlich wahrgenommen werden. Die Analyse und Modellierung von FERON basiert auf der Bedeutung dieser grundlegenden Begriffe wie die philosophische und wissenschaftliche Literatur verschiedener Disziplinen sie belegt. Die vorliegende Arbeit entwickelt FERON, und modelliert eine Welt der Forschung in disziplinenübergreifender Weise mittels neuester technologischer Standards – formal in RDF/OWL. Die fachspezifische Erweiterbarkeit ist durch Eingliederung von Beschreibungen des Gebietes Sprachtechnologie demonstriert. Die Modellierung wurde durchgehend von der Theorie Mario Bunges begleitet, welche Wand und Weber für eine Anwendung während der Systemanalyse und Systemgestaltung interpretierten und welche im Kapitel 3.1.1 vorgestellt wird. Die Idee ist als Bunge-Wand-Weber Ontologie (BWW) zunehmend bekannt und demgemäße ontologische Ansichten sind teilweise in formalen Beschreibungssprachen und Werkzeugen eingebunden, und damit bei der Modellierung explizit nutzbar. Neben BWW werden kurz die Fundierungsansätze von DOLCE, SUMO und Cyc vorgestellt und deren Relevanz für FERON verdeutlicht. Eine fehlende Fundierung in der Disziplin Informationssysteme wurde lange Zeit als wesentliche Ursache für die vermisste wissenschaftliche Akzeptanz der Disziplin betrachtet; größtenteils wurden Informationssysteme pragmatisch und adhoc entwickelt und skalierten daher nicht konsistent. Zunehmend wird jedoch eine theoretische und insbesondere die ontologische Fundierung von Informationssystemen als wertvoll anerkannt – von der Idee bis hin zur Implementierung aber auch während der Umgestaltungsphasen. Konzepte fundierter Informationssysteme im funktional-technischen Sinne sind als modellgetriebene Architektur bekannt und werden hier durch die Ansätze von Zachmann und Scheer verdeutlicht. In der kurzen Geschichte IT-basierter Informationssysteme wurden phasenweise immer wieder strukturell unterschiedliche Modelle angewandt. Diese werden daher im Kapitel 3.2 Modellierungsgrammatiken untersucht und deren Unterschiede dargestellt – namentlich das Entity-Relationship-Modell, semantische Netzwerke, das relationale Modell, hierarchische Modelle und objekt-orientierte Modelle. Darüberhinaus sind insbesondere formale Ontologien durch die Web Standardisierungsaktivitäten und W3C Empfehlungen ein rasant wachsendes Segment, verstärkt durch politische Entscheidungen für offene Daten und implizierend offene Systeme. Im Vergleich zu traditionellen und weitestgehend geschlossenen sogenannten closed-world Systemen sind hinsichtlich der Modellierung bestimmte Aspekte zu beachten. Diese unterliegen im Gegensatz zu offenen Systemen dem Paradigma des kompletten Wissens und sind sozusagen vorschreibend; im System aktuell nicht vorhandene Information wird als nicht existent interpretiert. Dahingegen gehen offene open-world Systeme davon aus, dass nicht vorhandene Information aktuell unbekannt ist – und die bekannte Information nicht vorschreibt sondern beschreibt. Weitere Unterschiede die es bezüglich der Modellierung zu beachten gilt, befassen sich mit zeitlich geprägten Verknüpfungen – über sogenannte Links oder Relationships – aber auch mit Entitäten und deren Identitäten. Da FERON keine Ontologie eines Informationssystems selbst modelliert, sondern eine Welt für eine mögliche Umsetzung in einem Informationssystem bechreibt sind weitergehende Modellierungsaspekte in Kapitel 3.3 lediglich erklärt und es wird auf Beispiele verwiesen. In der vorliegenden Arbeit wird keine explizite Anwendung empfohlen, weil ein Informationssystem immer derjenigen Form entsprechen sollte, welche einer bestimmten Funktion folgt, und weil die Vorwegnahme von Funktionen eine Dimension darstellt die weit über das Maß der vorliegenden Arbeit hinaus geht. FERON beschreibt eine Welt der Forschung; vorhandene Modellierungsansätze von Forschungsinformationssystemem werden mit Kapitel 4.1 den Ansätzen verwandter Arten gegenübergestellt – nämlich, wissenschaftlichen Repositorien, Datenrepositorien, Digitalen Bibliotheken, Digitalen Archiven und Lehre Systemen. Die untersuchten Modelle offenbaren neben inhaltlichen Unterschieden auch die Verschiedenheit der Modellierungsansätze von z.B. Referenzmodellen gegenüber formalen Datenmodellen oder offenen Weltbeschreibungen, und damit auch die einhergehende Schwierigkeit von Integration. Insbesondere formale Ontologien erlauben über die traditionellen Ansätze hinweg, automatische Schlußfolgerungen und Beweisführungen, welche jedoch hier nicht weitergehend erörtert werden. FERON war von Anfang an für den menschlichen Leser konzipiert, wenn auch formal beschrieben. Der Modellierungsansatz in FERON ist hybrid und wird in Kapitel 7 erläutert. Eine hybride Modellierung war möglich durch eine mehr als zehn-jährige Erfahrung und Tätigkeit der Autorin in diesem Bereich, auch belegt durch zahlreiche Peer-Review Publikationen. Der erste Entwurf von FERON erfolgte demgemäß zuallererst im Top-Down Verfahren (Figure 29), bevor mittels umfassender Analyse (dokumentiert in den Kapiteln 5 und 6) von verfügbaren Domänenbeschreibungen sukszessive eine Bottom-Up Anpassung von FERON vorgenommen wurde (Figure 68), welche bereits standardisierte und bereits definierte Beschreibungen und Eigenschaften wenn möglich integrierte (Figure 67). FERON ist eine ontologisch fundierte, formale Beschreibung – eine formale Ontologie – einer Forschungswelt zur vereinfachten, konsistenten Umsetzung von standardisierten, integrativen Forschungsinformationssystemen oder Fachinformationssystemen. Substantielle Entitäten wurden grundsätzlich erkannt, und deren Eigenschaften sowie Verknüpfungen formal beschrieben (Kapitel 7): Ressource unterschieden nach Nicht-Informations-Ressource und Informations-Ressource. Erstere unterscheidet nach Agent (Person, Organisationseinheit), Aktivität (Methode, Projekt, Bildung, Ereignis), Förderung (Programm, Einkommen), Messung und Infrastruktur (Werkzeug, Dienst, Einrichtung), zweitere nach Publikation, Literatur, Produkt (Daten), Wissensorganisationssystem, auch bekannt als KOS (Knowledge Organisation System), wie in der im Dokument integrierten Graphik (Figure 1) demonstriert. Kapitel 7 präsentiert FERON und dessen formale Einbindung von übergreifenden Eigenschaften wie Sprache, Zeit, Geographie, zeitlich geprägte Verknüpfung, ontologische Verpflichtung, Namensraum, Klasse, Eigenschaft, funktionales Schema, Entität und Identität. Seine inherente Struktur erlaubt eine einfache Disziplinen- oder Domänenerweiterung. Die Sprachtechnologie (englisch: Language Technology – abgekürzt LT) wird als Gebiet zur Demonstration der Erweiterung von FERON formal eingebunden, und mit Kapitel 6 insbesondere seine substantiell fach-spezifischen Entitäten wie Methode, Projekt, Daten, Service, Infrastruktur, Messung, aber auch KOS untersucht. Eine Erweiterung der Ontologie FERON für explizit-funktionale Anforderungen an ein Informationssystem, oder für weitergehende disziplinen-spezifische Eigenschaften, z.B. einer linguistisch verbesserten Anwendung für sprachtechnologische Weiterverarbeitung, ist möglich, erfordert jedoch tiefergehendes Fachwissen. Ziel der Arbeit war es zuallererst, das Verständnis für die Domäne Forschung zu verbessern – mit weiterreichendem Blick auf eine allgemeine integrative system-technische Entwicklung zur Verbesserung von Informationszugriff und Informationsqualität. Daneben wurden historische, gesellschaftliche aber auch politische Faktoren beobachtet, welche helfen, die wachsenden Anforderungen jenseits der Technologie zu bewältigen. FERON ist als formales Model FERON.owl valide und wird mit der vorliegenden Arbeit sozusagen als Template zur weiteren Befüllung bereitgestellt. Darauf basierend sind formale Restriktionen sowie disziplinen-spezifische und terminologische Erweiterungen direkt möglich. Daten-Instanzen wie in den präsentierten Beispielen sind mittels FERON.pprj verfügbar