Introduzione: il Web Semantico - LACAMlacam.di.uniba.it/~nico/corsi/tws/materiale/TWS-Intro.pdf · Sommario 1 Introduzione 2 Web:FondamentiedEvoluzione 3 WebeSemantica 4 WebSemanticocomeWebdeiDati

Introduzione:il Web SemanticoNicola FanizziTecnologie per il Web Semantico063003

CdS Magistrale in Informatica

Università degli Studi di Bari ”Aldo Moro”

26 settembre 2016

Sommario

1 Introduzione

2 Web: Fondamenti ed Evoluzione

3 Web e Semantica

4 Web Semantico come Web dei Dati

N. Fanizzi (TWS) Introduzione: il Web Semantico 26 settembre 2016 2 / 55

http://www.di.uniba.it/~fanizzi

http://www.di.uniba.it/~fanizzi/corsi/tws

Agenda

1 Introduzione


3 Web e Semantica





WebWWW – elementi costitutivi

URL (Uniform Resource Locator)

schema univoco globale per l’individuazione e

l’indirizzamento di documenti (risorse )HTTP (Hyper Text Transfer Protocol)

protocollo di trasporto client-server, stateless generico eindipendente dal tipo di dati

HTML (Hyper Text Markup Language)

linguaggio di presentazione / formattazione testo con

capacità di collegamenti ipertestuali leggibile attraversoWeb browser




Web [. . . cont.]

In ∼20 anni, architettura del Web inalterata:scalabile

aperta

neutrale

gratuita




Dal Web al Semantic Web

A partire dal 2001 [Berners-Lee et al., 2001]

Web semantico come estensione del Web:significato dato all’informazione per facilitare la cooperazione trapersone e macchine

enfasi passa dalle persone (doc) alle macchine (dati)

dal Web dei documenti ad un Web di dati interconnessi




Agenda

1 Introduzione


3 Web e Semantica





Identificare le risorsePer identificare le risorse in maniera univoca (anche se non unica )URL Uniform Resource LocatorURI Uniform Resource IdentifierIRI Internationalized Resource IdentifierURI:

<schema>:<parte_gerarchica>[? query ][# frammento ]

Esempi.http:www.example.org/std/tech/rdfa.html#extel:+390805442130doi:10.1000/182

URI http://tools.ietf.org/html/rfc3986


http://tools.ietf.org/html/rfc3986



HTTPHyper Text Transfer Protocol

testuale e generico

non solo ipertesti:

file binari, eseguibili, oggetti distribuiti, immagini, . . .

applicativo, client-server:usa TCP/IP per il trasporto

senza stato

il server non mantiene info persistenti tra successive connessioni

dello stesso client

non essendoci memoria il client deve ricreare il contesto

necessario

modalità di trasferimento dati negoziabile tramite parametries. content-type o accept-charset (MIME format)




HTTP [. . . cont.]

Richiesta HTTPMethod azione che il client richiede al server

GET, HEAD, POST, DELETEURL risorsa interessata (sul server)

Version versione del protocollo supportata(HTTP/1.0, HTTP/1.0)

Header in formato MIME RFC 822

generali, di entità, di richiesta

Body messaggio (opzionale), in formato MIME




HTTP [. . . cont.]

Risposta HTTPVersion versione del protocollo supportata

(HTTP/1.0, HTTP/1.0)Status code + reason phrase: codice di 3 cifre:

classe risposta (1a pos.), risposta specifica (2a-3a

pos.), si associa anche una frase esplicativa

1xx Informational

2xx Successful

3xx Redirection

4xx Client Error

5xx Server Error

Header specifica caratteristiche del server

s.o., tipi di dati accettati, eventuale richiesta di

autenticazione

Body risposta (con intestazioni utili)




HTTP [. . . cont.]

Evoluzione HTTP 1.1gestione caching e proxymultihoming (siti diversi sullo stesso server)gestione autenticazione, persistenza delle connessioni, pipeliningrichieste

Da contenitore di ipertesti, server HTTP interfaccia unica per

applicazionimulti-tierapplicazioni CGI

estensioni server-side (fino ai servizi Web)




HTMLStoria HTML

’90-’91 proposta di TBL in SGML (metaling. di markup)

’92 HTML 1.0 prima ver. standard

’93 introduzione layout fisico | form

’94 HTML 2.0 standardizzazione

’95-’96 guerra dei browser: Netscape, Explorer

’97 HTML 4.0 fogli di stile

’99 HTML 4.01 standardizzazione

’00 XHTML 1.0

’01 XHTML 1.1 modularizzazione

’02 XHTML 2.0 semplificazione e generalizzazione

’04 inizio HTML 5

’12 HTML 5 come Working Draft del W3C




HTML [. . . cont.]

DOM (document object model) rende (porzioni di) doc HTMLmanipolabili da codice

Browser (form) come interfaccia standard (lato client)

Nuove versioni: separazione contenuto | presentazione

HTML 5: nuove regole parsing, nuovi elementi, multimedia, richinternet applications, nuovi controlli dei form, supporto APIDOM e ling. di scripting client-side e manipolazione asincrona AJAX




XML

Limite di HTML: nasce per la formattazione del(l’iper-)testo

XML (eXtensible Markup Language): metalinguaggio 1998

sottoinsieme di SGML orientato al Web

aggiunta di una struttura ai documenti che contengono datidescrizione non presentazione

tipizzazione (attraverso ling. di schema )definizione di nuovi elementi arbitraritestomachine processable




XML [. . . cont.]Esempio.

Bruno Giordano

?<?xml version ="1.0" encoding = "UTF-8" ?>

<dati-personali><cognome>Giordano</cognome><nome>Bruno</nome>

</dati-personali>




XML [. . . cont.]

Con XML, costruzione di famiglie di metadati:i.e. linguaggi che seguono uno schema definito

doc. ben formato rispetta la sintassi XML

doc. valido conforme alle regole sintattiche definite attraverso

un ling. di schema

DTD

schema XSD

In caso di errore: interruzione parsing e segnalazione




XML [. . . cont.]

Linguaggi basati su XML:

XSD XML Schema Definition

standard per la descrizione di schemi

namespace

tipizzazione forte (tipi predefiniti + costruttori)

XHTML eXtensible HTML

per documenti HTML conformi ad XML

separazione descrizione | presentazioneXSL eXtensible Stylesheet Language

fogli di stile per doc XML

rendering negli applicativi

SVG Scalable Vector Graphics

rappresentazione vettoriale di grafici 2D




XML [. . . cont.]

XPath ling. di interrogazione semplice di doc XML

sfrutta la struttura ad albero dei doc XML

XQuery ling. di prog. funzionale per l’interrogazione di doc XML

capace di combinare risultati di query su sorgenti eterogenee

creazione dinamica di doc




XML [. . . cont.]

SOAP Service Object Access Protocol

utile allo scambio di dati strutturati in sistemi distribuiti basato

sui protocolli di Internet

WSDL Web Service Description Language

descrizionimachine readable delle funzionalità esposte daWeb servicemodo di invocazione,

localizzazione,

messaggi scambiati, tipicamente imbustati in pacchetti SOAPtipi di dato utilizzati

Molti ling. del Web Semantico hanno una sintassi basata su XML




Limiti del Web dei Documenti

Information Overloada causa della ricchezza delle fonti informative su Web

difficile delegare alle macchine ritrovamento e composizione di

informazioni pur presenti




Limiti del Web dei Documenti [. . . cont.]A: motori di ricerca basati su tecniche relativamente semplici

rilevanza basata sulla frequenza dei termini

.

.

.

rilevanza basata sui link Pagerank

Presentano noti problemi legati a polisemia, omonimia, rel.gerarchiche (più) complesse, . . .

B: IR tecniche approssimate (statistiche)C: semantica dei link dati sparsi su doc Web distinti collegati

i link non esprimono relazioni precise

D: dati non indicizzabili: né info né strutturaes. dati in doc generati dinamicamente

Deep / Dark Web




Web 2.0

Web 2.0 nome assegnato alle principali tendenze e modalità d’usoapparse ad inizio secolo: http://oreilly.com/web2/archive/what-is-web-20.html

no nuove tecnologie,

evoluzione ed innovazione dell’interazione degli utenti con il Webutenti prosumer = producer + consumer :contenuti sul Web evolvono rapidamente perché

creati / modificati / commentati da utenti

social network es. TWITTER, FACEBOOK

crowds’ wisdom es. WIKIPEDIA


http://oreilly.com/web2/archive/what-is-web-20.html



Web 2.0 [. . . cont.]

Elementi caratterizzanti:

partecipazione sociale alla creazione dei contenuti del Web,

attraverso nuovi canali e piattaforme

Blog (Web Log ) diari personali es. BLOGSPOT, WORDPRESS

Wiki sistemi di gestione documentale collaborativa es. WIKIPEDIA

Piattaforme di social networking

generaliste es. FACEBOOK o TWITTER

specializzate es. LINKEDIN

Piattaforme per multimedia user generated content es. filmati e

immagini prodotte / condivise dall’utente es. YOUTUBE, FLICKR




Web 2.0 [. . . cont.]

Piattaforme di recommendation orientate al suggerimento sociale

implicito: basato su scelte pregresse proprie o di utenti con

comportamenti simili, spesso parte di sistemi di e-commercees. AMAZON

esplicito: orientate alla valutazione collaborativa

es. TRIPADVISOR

Piattaforme di acquisto collaborativo nate per offerte di beni e servizi

con forti sconti, sottoscritte collaborativamente da un certo

numero di utenti (deal of the day ) es. GROUPON

creazione anche cross-platformsocial tagging

scelta a maggioranza di descrizioni veritiere




Web 2.0 [. . . cont.]

SOA evoluzione delle classiche architetture distribuite:componenti e applicazioni software disponibili comeWeb service(eredi delle RPC)

servizi individuati, invocati ed utilizzati utilizzando protocolli

standard e descrizioni interoperabiliogni servizio ha un’interfaccia, ad es. descritta in WSDL,e per richieste e risposte si utilizzano buste logiche SOAP

tipicamente un servizio è esposto con un URI utilizzando HTTParchitetture SOA di tipo RESTful (REpresentational State Transfer )non necessitano di specifici linguaggi e protocolli:

comunicazione esclusivamente basata sui metodi di HTTP/1.1




Web 2.0 [. . . cont.]

Software as a Service (SaaS): modello in cui il SW è disponibilecome servizio remoto e utilizzato su richiesta

basta un thin clientad es. un browser o una app per smartphone / tabletmashup: servizi resi disponibili integrando i risultati di diversi Web

service

ad es. GOOGLE MAPS usate in tante di applicazioni di

geolocalizzazione

Cloud Computing: evoluzione e generalizzazione del SaaS,con risorse di elaborazione e immagazzinamento dati per

applicazioni ed utenti, fornite da elaboratori virtualizzati

localizzazioni e caratteristiche trasparenti agli utenti che trattano

l’infrastruttura di elaborazione come un servizio




Web 2.0 [. . . cont.]

Aumentano le problematiche legate all’interoperabilità a livello

funzionale tra Web service

Semantic Web Service sfruttano descrizionimachine-understandable per semplificare la composizione eorchestrazione di servizi eterogenei




Agenda

1 Introduzione


3 Web e Semantica





Web e SemanticaI limiti del Web attuale non si superano attraverso il Web 2.0

Tim Berners-Lee: introdurre semantica→Web 3.0 [Berners-Lee, 2006]

Per superare i doc di testo elaborabile con tecniche IR:

dare una struttura associandometadati descrittivi ai terminicome nel modello relazionale dei DB, nome-colonna (attributo)

esplicita il significato del valore in una riga

metadati associati a linguaggi logici:consentono di definire concetti e relazioni tra i concetti associati

(ad es. l’equivalenza)

es. uomo con almeno un figlio equivale a padreidentificare concetti e relazioni con URI facilita lettura e

condivisione dei dati tra macchine, elaborazione automatica

tramite sistemi di ragionamento o agenti SW:delega alla esecuzione di compiti complessiN. Fanizzi (TWS) Introduzione: il Web Semantico 26 settembre 2016 30 / 55



Web e Semantica [. . . cont.]




Building Blockslayer cake

adattata da http://www.w3.org/2000/Talks/1206-xml2k-tbl/slide10-0.html


http://www.w3.org/2000/Talks/1206-xml2k-tbl/slide10-0.html



Building Blocks [. . . cont.]

HTTP, URI/IRI e UNICODE www.unicode.org

uno standard per la rappresentazione di caratteri

livello sintattico elementare: XML

e XMLNS (namespaces ) www.w3.org/TR/REC-xml-names/

garantire un nome univoco agli elementi e gli attributi in doc XML,

qualificandoli con un URI

unicità dell’URI→ distinguibilità dei nomi

Al di sopra:

layer con gli elementi che caratterizzano ilWeb semantico


www.unicode.org

www.w3.org/TR/REC-xml-names/



RDF ed RDF-SRDF (Resource Description Framework) http://www.w3.org/TR/rdf-primer/

modello minimalista per rappresentare risorse e relazioni tra queste,

estendendo il concetto di link

Descrizione elementare (enunciato ): tripla RDFsoggetto-predicato-oggetto

dove predicato è una relazione binaria

Esempio (tripla RDF)

Dantesoggetto è autore dipredicato La Divina Commediaoggetto

ciascun elemento può essere identificato con un URI:

risorse tangibili o anche intangibilipersone, cose, concetti, . . .

grafi RDF tipicamente serializzati in XML oppure anche tramite

NOTATION 3 (N3) o TURTLE (Terse RDF Triple Language )N. Fanizzi (TWS) Introduzione: il Web Semantico 26 settembre 2016 34 / 55

http://www.w3.org/TR/rdf-primer/



RDF ed RDF-S [. . . cont.]

RDF-S (RDF Schema)fornisce gli elementi necessari a definire, sulla base di RDF,

un elementare linguaggio ontologico

A tal fine vengono definiti, come in OOP

classi (concetti) come

rdfs:Class, rdfs:Resource, rdfs:Literal,rdfs:Datatype

proprietà (relazioni) come

rdfs:subClassOf, rdfs:subPropertyOf,rdfs:domain e rdfs:range




RDF ed RDF-S [. . . cont.]

Osservazione.RDF semplice per la modellazione dati

ma problematico quando lo si voglia utilizzare come linguaggio logicoed effettuare ragionamento automatico sugli enunciati

Ad es. in RDF è possibile dichiarare enunciati su enunciati,

in contrasto con una rappresentazione in Logica del PrimoOrdine




SPARQL

SPARQL (SPARQL Protocol and RDF Query Language)linguaggio di interrogazione di RDF www.w3.org/TR/rdf-sparql-query/

analogo, anche in termini di sintassi, a SQL

è anche un protocollo per accedere a dataset RDF,pubblicati per mezzo di appositi endpoint


www.w3.org/TR/rdf-sparql-query/



Ontologie

Ontologia studio dell’esserein informatica, rappresentazione formale ed esplicita di unaconcettualizzazione condivisa di un dominio di interesseformale utilizza un linguaggio logico processabile da elaboratori;

esplicita non ambigua e tale da chiarire ogni assunzione fatta;

concettuale vista astratta e semplificata del dominio;

condivisa determinata dal consenso di una pluralità di soggetti

(possibilmente ampia)




Ontologie [. . . cont.]

Osservazioni.

adottando linguaggi logici dotati di costrutti e operatori si

aumenta l’espressività e la capacità di modellare i concetti e lerelazioni del dominio di interesse

aumento della espressività→ incremento della complessità deitask di ragionamento automatico

e.g., se per un linguaggio la deduzione è un problema polinomiale,

aggiungendo la disgiunzione (OR) diventa NP-hard

modellazione di domini come tassonomie (ontologie elementari)

con relazioni gerarchiche (IS-A) risulta spesso non banale→ingegnere della conoscenzatipicamente non una, ma tante ontologie servono a modellare

domini complessi con un certo grado di consenso tra i fruitori

nel progetto delle ontologie ci si avvale del concetto di gerarchia

che individua upper ontology per domini e concetti generalies. DOLCE,OPENCYC o WORDNET

utilizzati poi in ontologie più specialistiche




Ontologie [. . . cont.]

modellazione formale e disponibilità di ragionatori automatici

consentono

verifica di soddisfacibilità di descrizioni ontologichead es. verificare se un’istanza del dominio o una parte

dell’ontologia siano in conflitto logico con il resto dell’ontologia:

modello inconsistenteinferenza di (nuova) conoscenza a partire da quella esistente




OWLWeb Ontology Language (OWL)nome di due famiglie successive di linguaggi ontologici

1 OWL raccomandazione W3C del 2004; 3 sottolinguaggi:OWL DL concepito per la massima espressività mantenendo

decidibilità della deduzione e complessità accettabile

basato su Logiche Descrittive, formalismi per larappresentazione della conoscenza in un frammento

decidibile della Logica del Primo Ordine

vantaggio: disponibilità di reasoner utilizzabili

immediatamente per inferire nuova conoscenza

OWL LITE presenta un sotto-insieme minimale dei costrutti OWL

DL per costruire ontologie espressive

OWL FULL linguaggio estremamente potente ma non decidibile.

NO ragionamento automatico con la certezza che termini

in un tempo finito

applicazione di rilievo: modello di dati SKOS




OWL [. . . cont.]

2 OWL 2, raccomandazione W3C del 2009supera alcuni dei limiti di OWL:

3 profili: OWL 2 EL, OWL 2 QL e OWL 2 RL

OWL 2 EL sottolinguaggio davvero leggero in termini di espressività

es. OWL Lite aveva comunque una espressività (e quindi una

complessità) troppo elevata

algoritmi di complessità computazionale polinomiale per i principali

task di ragionamento




RIF e SWRLRule-based systems ubiqui in informatica e intelligenza artificialeComplementano alcuni limiti di modellazione delle DL

facilmente superabili utilizzando delle regole sintatticheSWRL Semantic Web Rule Language www.w3.org/Submission/SWRL

combina OWL DL con il Rule Markup Language ruleml.org

problemi di espressività e decidibilità

la proposta (2004) non è divenuta raccomandazione W3C

RIF Rule Interchange Format www.w3.org/standards/techs/rif

linguaggio di interscambio che si compone di diversi dialettiCore Dialect (CD) ed estensioniBasic Logic Dialect (BLD) e Production Rule Dialect (PRD)livello di interscambio sintattico XML (non RDF)

recentemente (2013) divenuto raccomandazione W3C


www.w3.org/Submission/SWRL

ruleml.org

www.w3.org/standards/techs/rif



Livelli non definitiI livelli superiori del layer cake non hanno trovato ancora unaformalizzazione stabile ma sono definiti come desideratalogica unificante collante per superare, ad es., i problemi di

compatibilità ai livelli inferiori

riducendo il rischio di proliferazione di linguaggi

livello di proof deve consentire (inferenza) la verifica della veridicità

della nuova conoscenza dedotta dalle relazioni semantiche

ad es., la spiegazione logica dei risultati di una query

livello di trust deve decidere sull’affidabilità delle credenze

determinate ai livelli inferiori

utile essendo gli utenti inclini a credere ai risultati ottenuti

(per es. da Google o Wikipedia) senza mettere in dubbio

attendibilità e affidabilità di chi li fornisce




Livelli non definiti [. . . cont.]

livello firma digitale / crittografia Con la figura dell’utente prosumerriveste particolare importanza questo livello trasversaleper assicurare identità e responsabilità sulle affermazioni

(annotazioni)




Annotazione semantica di pagine Web

Annotazione delle risorse Web come attività centrale

annotazione con riferimento ad una specifica ontologia

(in generale un vocabolario condiviso)

richiede una certa capacità e conoscenza, soprattutto se le

ontologie che utilizzano costrutti espressivi ma complessi

attraverso generico taggingcome aggiunta di elementi descrittivi liberi

molto più semplice e soggetto anche ad un fenomeno di social

tagging che conduce a generare contenuti




Annotazione semantica di pagine Web [. . . cont.]

Microformat semplici formati per aggiungere meta-informazioniad elementi e attributi in linguaggi standard di markup

ad es, HCARD fornisce una ontologia minimale per descrivere le

caratteristiche tipiche di un biglietto da visita

RDFa Resource Description Framework (in) attributeswww.w3.org/TR/xhtml-rdfa-primer/

fornisce un insieme di attributi per includere metadati RDF

direttamente associati agli elementi di doc XML

il doc XHTML, pur arricchito di annotazioni espressive,

mantiene lo stesso rendering nei browser

GRDDL Gleaning Resource Descriptions from Dialects of Languagesmeccanismo per estrarre da pagine XHTML

dati codificati come codice XHTML www.w3.org/TR/grddl

come Microformat, RDFa o Microdata


www.w3.org/TR/xhtml-rdfa-primer/

www.w3.org/TR/grddl



Agenda

1 Introduzione


3 Web e Semantica





Web Semantico come Web dei DatiIn “The Semantic Web revisited ” [Shadbolt et al., 2006].1 lontane le prospettive originarie di un mondo di agenti capaci di

sfruttare relazioni semantiche tra dati sul Web [Berners-Lee et al., 2001]necessità un grande sforzo di standardizzazione;

2 supporto sociale alla costruzione e mantenimento di ontologiesimile a folksonomie e social tagging

come parti di un mondo di dati connessi;

3 no killer appsuccesso del Web semantico tramite progressiva e crescente

quantità di dati (RDF) disponibili sul Web annotati e collegati tra

loro




Web of DataIlWeb of Datarealizza lo strato fondamentale del Web semantico su scala globale e

interconnette ontologie e dati più complessi ed espressivi

da linkeddata.org/


linkeddata.org/



Web of Data [. . . cont.]

Linked Datano nuove tecnologie e linguaggi,

rispetto a quelle del Web semantico

regole da seguire per rendere più facilmente disponibili eraggiungibili i dati sul Web, da agenti umani o software





Regole auree per ilWeb of (Linked) Data [Berners-Lee, 2006]

utilizzare URI per denominare le cose;usare URI HTTP così che le persone possano ricercare via HTTP(dereferenziare) tali nomi;

con gli URI, fornire informazioni utili, usando gli standard RDF eSPARQL;

includere link ad altri URI nelle descrizioni,così che gli utenti possano seguirli e scoprire ulteriori cose:navigazione esplorativa





obiettivo raggiungibile: rendere sempre più facile esporre,

connettere e condividere dati sul Web

dati esposti e interrogabili come dataset aperti di triple RDF e

connessi via link RDF ad altri dati presenti in altri dataset RDF:

“The Gigantic Join”

Linked Open Data apertura pubblica dei dataset e la disponibilitàdi dataset sempre più grandi

www.w3.org/wiki/SweoIG/TaskForces/CommunityProjects/LinkingOpenData

rilevanza e centralità di DBpedia che ha fatto da volano dbpedia.org

Linked Open Data canale preferenziale di divulgazione dei dati in

ambito e-government

nuvola del Linked Open Data lod-cloud.net

statistiche disponibili linkeddatacatalog.dws.informatik.uni-mannheim.de/state/


www.w3.org/wiki/SweoIG/TaskForces/CommunityProjects/ LinkingOpenData

dbpedia.org

lod-cloud.net

linkeddatacatalog.dws.informatik.uni-mannheim.de/state/



Web of Data [. . . cont.]2014-08-30: fonte lod-cloud.net


lod-cloud.net



Riferimenti Bibliografici

T. Di Noia, R. De Virgilio, E. Di Sciascio, F. M. DoniniSemantic Web: Tra ontologie e Open Data. ApogeoBerners-Lee, T. (2006). Linked data - design issues.

Berners-Lee, T., Hendler, J., and Lassila, O. (2001). The Semantic Web. ScientificAmerican, 284(5), 34–43.Shadbolt, N., Hall, W., and Berners-Lee, T. (2006). The semantic web revisited.Intelligent Systems, IEEE, 21(3), 96–101.

Introduzione: il Web Semantico - LACAMlacam.di.uniba.it/~nico/corsi/tws/materiale/TWS-Intro.pdf · Sommario 1 Introduzione 2 Web:FondamentiedEvoluzione 3 WebeSemantica 4 WebSemanticocomeWebdeiDati

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