Verknüpfung Von Domänenwissen Für Ein Ontologie-Basiertes IT-Management
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Verknüpfung von Domänenwissen für ein Ontologie-basiertes IT-Management Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) im Fachbereich 16 — Elektrotechnik / Informatik der Universität Kassel vorgelegt von Andreas Textor Tag der Disputation: 20.12.2017 Gutachter: Prof. Dr. Kurt Geihs Prof. Dr. Reinhold Kröger Erklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Dissertation selbständig, ohne unerlaubte Hilfe Dritter angefertigt und andere als die in der Dissertation angegebenen Hilfsmittel nicht benutzt habe. Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus veröffentlichten oder unveröffentlichten Schriften entnommen sind, habe ich als solche kenntlich gemacht. Dritte waren an derinhalt- lichen Erstellung der Dissertation nicht beteiligt; insbesondere habe ich nicht die Hilfe eines kommerziellen Promotionsberaters in Anspruch genommen. Kein Teil dieser Arbeit ist in ei- nem anderen Promotions- oder Habilitationsverfahren durch mich verwendet worden. Weinstadt, 19.08.2017 Andreas Textor Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Motivation ...................................... 1 1.2 Fragestellung und Lösungsansätze ......................... 4 1.3 Methodischer Ansatz ................................ 7 1.4 Aufbau und Ergebnisse der Arbeit ......................... 8 I Grundlagen 9 2 IT Service Management und IT-Governance 11 2.1 Ziele und Aufgaben ................................. 11 2.1.1 IT Service Management .......................... 11 2.1.2 IT-Governance ............................... 14 2.1.3 Der Zusammenhang zwischen IT Service Management und IT-Governance 15 2.2 Aufbau von COBIT 5 ................................ 16 3 Wissensmodelle, Ontologien und Semantische Technologien 23 3.1 Historische Entwicklung .............................. 23 3.1.1 Ontologien ................................. 23 3.1.2 Formale Repräsentation .......................... 24 3.1.3 Semantic Web ................................ 25 3.2 Bezeichner im Semantic Web ............................ 27 3.3 RDF und RDFS .................................... 29 3.3.1 Resource Description Framework (RDF) ................. 29 3.3.2 Resource Description Framework Schema (RDFS) ............ 33 3.4 Web Ontology Language (OWL) .......................... 35 3.4.1 Beschreibungslogiken ........................... 36 3.4.2 OWL, OWL 2 und OWL 2 Profile ..................... 37 3.5 SPARQL ....................................... 44 3.6 Ontology Engineering ................................ 46 3.6.1 Abstraktionsebenen ............................ 46 3.6.2 Ontology Engineering Methodiken .................... 50 3.6.3 Modularisierung .............................. 54 I Inhaltsverzeichnis 3.6.4 Best Practices ................................ 57 II Entwurf 61 4 Verwandte Arbeiten 63 4.1 Ontologien im IT-Management ........................... 63 4.2 Formalisierung von IT-Governance und COBIT ................. 65 4.3 Entwicklung von Ontologien für IT Service Management, IT-Governance und verwandte Gebiete .................................. 66 4.4 Einordnung in den Stand der Forschung ...................... 68 5 Konzeption 73 5.1 Anforderungen ................................... 73 5.1.1 Funktionale Anforderungen ........................ 73 5.1.2 Nicht-funktionale Anforderungen ..................... 75 5.2 Architektur ...................................... 76 5.2.1 Überblick .................................. 76 5.2.2 Modularisierung der Wissensbasis .................... 80 5.2.3 Konzepte des Laufzeitsystems ....................... 84 6 COBIT-Ontologie 95 6.1 Methodik und Abdeckung des Rahmenwerks ................... 95 6.2 Entwicklung des Schemas .............................. 99 6.3 Umsetzung der Prozesse .............................. 109 6.4 Modellierung von Metriken ............................. 114 6.5 Zusammenfassung und Fazit ............................ 117 III Realisierung 121 7 Prototypische Umsetzung 123 7.1 Implementierung der COBIT-Ontologie ...................... 123 7.2 Implementierung des Laufzeitsystems ....................... 125 7.2.1 Übersicht über eingesetzte Technologien ................. 125 7.2.2 Abbildung von Ontologie-Modulen auf OSGi .............. 128 7.2.3 Umsetzung der Architektur mittels OSGi ................. 129 7.2.4 Regelbasierter Reasoner .......................... 135 7.2.5 Schnittstellen ................................ 136 8 Evaluation 141 8.1 Betrachtung im Hinblick auf die definierten Anforderungen .......... 141 II Inhaltsverzeichnis 8.2 Use-Case: Ontologie-basiertes Storage Management ............... 145 8.2.1 Kontext ................................... 145 8.2.2 Architektur ................................. 149 8.2.3 Ontologien und Umsetzung ........................ 152 8.2.4 Ergebnisse .................................. 162 8.2.5 Diskussion .................................. 168 9 Zusammenfassung und Ausblick 171 9.1 Ergebnisse der Arbeit ................................ 171 9.2 Ausblick ....................................... 175 Literaturverzeichnis 177 A Publikationen 207 B COBIT 5 Prozesse 209 C Nötige Anpassungen an QUDT 211 D Abkürzungen 213 E Verwendete Namensräume 219 F Schema der COBIT-Ontologie 221 III Abbildungsverzeichnis 2.1 Evolution der IT-Governance ............................ 16 2.2 Übersicht: Bestandteile der COBIT-Spezifikation ................. 18 2.3 Konzeptueller Aufbau der COBIT Abstraktionsschichten ............ 20 2.4 Befähigungsstufen und Prozessattribute des Prozessbefähigungsmodells ... 22 3.1 Der Semantic Web Schichtenkuchen\ ...................... 26 " 3.2 Zusammenhang zwischen IRI, URI, URL, URN und CURIE ........... 27 3.3 Aufbau einer IRI ................................... 28 3.4 Datentypen in RDF und Zusammenhang mit XML Schema ........... 30 3.5 Übersicht der RDF-Syntaxen ............................ 31 3.6 Beispiel: Turtle-Syntax für RDF .......................... 32 3.7 Notation für RDF- und RDFS-Graphen ...................... 33 3.8 Kernelemente von RDFS .............................. 34 3.9 RDF-Listen ...................................... 35 3.10 Reifikation in RDF .................................. 36 3.11 Grafische Notation für OWL ............................ 43 3.12 Kategorisierungen von Ontology-Typen ...................... 47 3.13 Wissenserfassung .................................. 51 3.14 Ontology Engineering Methodiken ........................ 52 3.15 Knowlege-Meta-Prozess ............................... 54 3.16 Techniken zum Ontology-Matching ........................ 56 5.1 Vorgehen des Lösungsansatzes ........................... 77 5.2 Aufbau von und Abhängigkeiten zwischen Ontologiemodulen ......... 82 5.3 Zyklische Abhängigkeiten und Abbildungen zwischen Ontologiemodulen .. 83 5.4 Architektur des Laufzeitsystems .......................... 85 5.5 Datenfluss des Laufzeitsystems ........................... 87 5.6 Arbeitsweise von Built-Ins und Domänenregeln ................. 90 5.7 Definition von Nachverarbeitungsvorschriften .................. 91 5.8 Dependency Injection in Nachverarbeitungsvorschriften ............ 93 6.1 Zusammenhang von Prozesskategorien und Prozessen ............. 102 6.2 Zusammenhang zwischen Prozessen, Zielen und Managementpraktiken ... 104 6.3 Zusammenhang zwischen Managementpraktiken, Rollen und Aktivitäten ... 106 V Abbildungsverzeichnis 6.4 Modellierung von Listen in OWL ......................... 108 6.5 OWL-Formalisierung des COBIT Prozessbefähigungsmodells .......... 110 6.6 Ausschnitt: ManagementPractice 01 des Prozesses 01 mit Rollen und Aktivitäten 113 6.7 Quellreferenzen durch Annotationen ....................... 115 6.8 Formalisierung von COBIT-Metriken ....................... 118 7.1 Mögliche Abhängigkeiten zwischen Informationsfragmenten .......... 128 7.2 Grundlegende Komponenten des Prototypen ................... 130 7.3 Umsetzung von OWL 2 RL Regeln (Beispiel) ................... 137 7.4 Prototypen-Komponenten für CLI- und Web-UI ................. 138 8.1 Anwendung des Lösungsansatzes auf den Use-Case ............... 150 8.2 Entwicklungsphasen des Use-Case ......................... 152 8.3 Kernelemente der SVC-Ontologie ......................... 155 8.4 Mapping von SVC auf Virtualisierungsontologie ................. 156 8.5 Beispiel: Nachverarbeitungsvorschriften für Aggregationen des SVC-Modells . 157 8.6 HZD-Ontologie und Relation zu FIBO-Entitäten ................. 159 8.7 Verbindung zwischen HZD-Ontologie und COBIT-Ontologie .......... 160 8.8 Verbindung zwischen HZD-Ontologie, COBIT- und Formalisierungs-Ontologien 161 8.9 Laufzeiten zur Bearbeitung eines Reasoning-Zyklus ............... 166 8.10 Speicherverbrauch bei Bearbeitung eines Reasoning-Zyklus .......... 167 B.1 COBIT Prozesskategorien und zugehörige Prozesse: EDM, DSS, MEA ..... 209 B.2 COBIT Prozesskategorien und zugehörige Prozesse: APO, BAI ......... 210 VI Tabellenverzeichnis 2.1 COBIT Prozesskategorien .............................. 21 3.1 Turtle-Syntax für Literale .............................. 32 3.2 Notation von Beschreibungslogiken ........................ 36 3.3 Abbildung zwischen OWL-Ausdrücken und Description Logics ........ 40 3.4 Abbildung zwischen OWL-Axiomen und Description Logics .......... 41 3.5 Übersicht Upper Ontologies ............................ 48 4.1 Fokus von Ansätzen in der Literatur ........................ 69 6.1 Sonderfälle bei der Benennung von Work Products ............... 111 7.1 Statistiken über die COBIT-Ontologie ....................... 125 7.2 Statistiken über die prototypische Implementierung