将知识区块链概念应用于本体论

将知识区块链的概念应用于本体Hans-Georg Fill数字化和信息系统集团信息学系-弗里堡大学Boulev ard de Pe´ rolles 90，1700 Fribour g，瑞士摘要在这份立场文件中，我们想引发一场关于知识区块链概念如何应用于本体论的讨论。知识区块链恢复到区块链技术，用于实现对知识演进的透明监控，用于跟踪知识的来源，用于建立委托方案，以及用于使用零知识证明来确保形式概念化中的模式的存在。基于他们原来的应用，企业模型，我们讨论了使用本体的概念产生的好处。本文最后概述了在这一方向的进一步研究。介绍区块链的使用目前在许多应用领域都有讨论（Iansiti和Lakhani 2017）。基于比特币和以太坊的成功，行业和学术界都发起了调查潜在用例的倡议。尽管底层技术已经存在了相当长的一段时间，但分散的防篡改存储与值得信任的和同样分散的交易共识机制的组合有可能实现新形式的协作和商业模式（Aste，Tasca和DiMatteo 2017）。尽管不监管对存储信息的访问的公共区块链已经促成了该技术的突出，但是当今在工业中发现的许多用例都集中在所谓的许可区块链上。例如（Androulaki et al. 2018年）。对于这种类型的区块链，保持分散存储和自动协商机制的方面，而对区块链的访问仅限于经认证的用户。因此，允许的区块链使不完全信任彼此但仍追求共同目标的参与者之间能够进行交互。由于参与者的身份要求，他们的交易可以追溯到自然人，因此也符合法律合规要求，如了解客户（KYC）和反洗钱（AML）原则（Mo¨ se r，Bo¨hme，andBreuk er2013）。版权归作者所有。以. Martin，K. Hinkelmann，A. Gerber，D.Lenat，F.van Harmelen，P.Clark（Eds.），AAAI 2019春季研讨会将机器学习与知识工程相结合斯坦福大学，帕洛阿尔托，加利福尼亚州，美国，2019年3月25日至27日。在最近的一份出版物中，讨论了如何将这些区块链技术应用于企业建模领域（Fill和Har¨ rer2018）。因此，核心思想是将以可视化概念模型的形式明确表示的知识存储在去中心化的区块链上。该方法的目标被表示为知识边缘区块链，如下所示。它应允许跟踪谁在模型中做出了哪些改变，在什么时候以及模型中的概念是如何演变的。此外，该方法允许建立授权方案，使模型上的操作可以委托给其他identities。最后，使用零知识证明允许证明模型中模式的存在，而不必公开模型的内容，这对于敏感信息是期望的。在下文中，该思想被扩展到本体，本体可以被认为是一种类型的企业模型，其代表领域的共享的、商定的、形式化的和机器可解释的概念化（Fill 2017; Studer，Benjamins，and Fensel 1998）.本文的其余部分组织如下。首先，简要介绍了知识区块链的概念。随后，我们调查了用于知识区块链的哪些组件已经在本体论的背景下进行了讨论。接下来，我们将说明知识区块链如何应用于本体，并最终获得进一步研究活动的机会。知识区块链知 识 区 块 链 的 概 念 首 次 出 现 在 最 近 的 出 版 物 中（FillandHaürer2018）。知识区块链的主要目标是存储和处理使用区块链技术以各种类型的企业模型形式显式化的知识。在这种情况下，企业模型被理解为基于模式的信息结构，通常以可视化格式表示，并以半正式或正式的方式指定（Bork and Fill 2014）。通过区块链的去中心化性质，知识可以轻松分发。基于用于在区块链上签署信息的数字签名，可以进一步跟踪谁在什么时间对企业模型做出了什么贡献。在许可的区块链的情况下，这可以被限制为经过认证的用户，并且模型信息可以甚至被加密以防止未经授权的访问。为了存储有关模型状态的信息，知识区块链使用基于Merkle树的结构以及包含模型信息的文件，这些文件的格式可以由建模工具解释。为此，每个模型实体的属性值都被散列。此外，所有模型实体都被分配了也被散列的通用唯一标识符（UUID）UUID允许识别独立于区块链的分散存储副本中的其他元素两个结果散列的连接再次被散列，并且结果散列进一步与从其他模型实体产生的散列连接并被散列直到达到一个单个散列值。即Merkle根。Merkle树的使用一方面允许容易地识别模型中发生的任何变化。与此同时，它可以执行所谓的零知识证明。因此，可以证明某些信息部分包含在企业模型中，而不揭示模型的内容。为了实现这一点，在模型中要搜索的信息部分随后，可以将散列值与模型的Merkle树中的散列值进行比较。除了模型信息之外，知识区块链还存储权限模型的信息。这些规定了基于对知识区块链做出贡献的参与者的数字签名来创建、修改或删除模型信息的权利。此外，它们还允许将这些权利委托给其他行为者。权限模型以与上述相同的方式进行散列。然后，知识区块链中的区块头部基本上包含企业模型和权限模型的Merkle根散列、模型和权限模型本身、时间戳和头部签名。在非许可区块链的情况下，也可以将随机数添加到头部。在挖掘的过程中，检查在先前的权限模型中指定的权限是否允许预期的操作。该方法已使用ADOxx元建模平台实现为原型（Fill和Karagiannis 2013）。有关挖掘算法和实现的详细信息，请参阅（FillandHärer2018）。相关工作在下文中，我们回顾了与用于知识区块链的概念类似的接下来将讨论如何在知识区块链中表示本体。由于它们作为共享概念化的性质，本体通常在多用户 环 境 中 创 建 。 传 统 上 ， 这 是 通 过 使 用 诸 如StanfordProt 'g'e'或ContentCVS之类的平台来实现的，这些 平 台 允 许 本 体 的 协 作 编 辑 和 变 化 的 跟 踪 （ Tu-doracheetal. 2008 ;Jim e'nez-Ruizetal. 2009 年）。在相应的变更记录中，存储关于本体变更的元数据。这包括例如关于哪个用户执行了改变、时间戳或上的实体的信息。这些变化是如何进行的（Walk et al. 2015年）。如今，这是使用基于网络的环境来完成的，这简化了多用户协作平台的技术实现（Horridge et al. 2018年）。关于本体中的变化的数据的可用性对于分析它们的演化和导出相应的策略是必不可少的，例如，用于验证变化及其影响（Zablith et al. 2013年）。已经针对RDF图讨论了用于签名本体的数字签名的使用，例如（Carroll 2003）。因此，可以验证谁创建或修改了某个RDF文档，这对于跟踪其证明是必要的。与此密切相关的是XML文档的散列和随后的签名，用于确定XML文档的哪些部分已经更新（Maruyama、Tamura和Uramoto 2000; Bartel等人2013年）。这种方法还可以通过使用单向散列函数和Merkle树来扩展，以将零知识证明应用于XML文档（Devanbu et al. 2001）。因此，可以证明XML文档中的信息的存在，而不显示其内容。相同的过程可以用于许多基于XML的本体格式。在（Kuhn和Dumontier2014）中已经提出了资源的唯一标识的另一个方向。这里，密码散列值被包括在唯一资源标识符（URI）中，用于使得能够识别和验证网络上的资源或其部分。由于加密哈希值直接添加到URI，因此不需要任何额外的数据结构，但可以轻松处理。因此，这种方法不将XML文档或本体作为一个整体，而是能够识别单个资源在语义网的背景下，Iancu和Sandu提出使用区块链来实 现 传 统 语 义 网 堆 栈 中 的 信 任 层 （ Iancu 和 Sandu2016）。然而，在他们的论文中，他们只是将整个本体信息作为文件存储在Openchain区块链上，而没有使用哈希树形式的区块链典型数据结构。类似地，用于语义物联网的方法恢复到用于在区块链上存储本体信息的超分类账基础设施（Ruta et al. 2017年）。通过扩展底层API，可以将语义匹配和推理添加到基于区块链的应用程序中。关 于 本 体 和 区 块 链 的 整 合 的 最 新 发 展 之 一 是GraphChain的提议（Sopek et al. 2018年）。在这项工作中，作者提出了创建一个链接链的RDF图的基础上计算RDF摘要与SHA-256哈希函数。RDF摘要然后被存储在三元组存储中，并且改变被广播到其他节点。尽管数据结构与其他区块链方法中的数据结构非常相似，但没有讨论共识机制或链更新策略。总之，以前的方法已经讨论了区块链所需的本体和技术的集成。这特别涉及用于散列和签名RDF图以及本体资源的标识的方法。到目前为止缺少的是使用区块链机制，如共识协议重新扩展元-元模型构造1..国1..国1..国1..国扩展的OWL本体模型类型构造-IRI：IRIOWL本体模型- IRI：IRI- 子类：IRI+- UUID子类：UUID+owl：类- 域名：IRI+- 范围：IRI+- 域名UUID：UUID+- rangeUUID：UUID+OWL对象属性- UUID：UUID- 名称：字符串- 来源：UUID- 到：UUID- containedInModel：UUID- isRelationClass：boolean=true关系类- UUID：UUID- 名称：字符串- isModel：boolean=true模型类型用于自动确定是否应当添加概念的相应挖掘算法。此外，本体和零知识证明的面向多用户的设计到目前为止还没有被认为是在这种情况下。本体论和知识区块链基于前两节中获得的见解，现在将讨论知识区块链的概念如何有助于本体论领域。为此，首先需要回答如何根据知识区块链的方法将本体表示为模型。如图1的上半部分所示，知识区块链扩展了元元模型构造模型类型、类和具有UUID属性的关系类类- UUID：UUID- 名称：字符串- containedInModel：UUID- isClass：boolean = true图1：在知识区块链方法从这些元-元模型构造中，我们可以导出OWL本体的元素，如图的下半部分以这种方式的OWL本体的表示已经在前面更详细地描述例如（2017年填写）。然而，由于知识区块链使用UUID来识别元素，因此OWL本体中所需的相应引用属性也必须以这种方式图中对SubClassOf以及domain和range属性进行了说明除了仅使用IRI的列表（表示为IRI+）之外，知识区块链还需要UUID的列表，以考虑具有相同IRI的元素可能存在几个版本，例如因为一个类的进化默克尔树模型-梅克尔-鲁特小时小时...小时小时小时小时小时小时子集本体模型数据UUID属性-UUID数据属性-数据...应用于子节点的图2：在知识区块链中创建Merkle树利用本体模型元素的由此扩展的属性，每个元素的UUID的散列值（如从元元模型继承的）以及属性数据的散列值可以在Merkle树中表示，如图2所示。这将是对本体的内容进行零知识证明的基础。基于这些数据结构，我们将考虑知识区块链的四个领域，这些领域可能对本体有益，并且尚未被以前的方法所覆盖这些是：监测的本体的演变和跟踪的概念的起源，使用每任务和委托计划的分布式设计的本体，和使用零知识证明。本体演化监测与概念溯源由于其作为不可变和分布式分类账的性质，区块链似乎非常适合作为监测本体演化和跟踪所包含概念来源的基础。通过知识区块链的方法，这可以通过以下方式实现。由于知识区块链中的每个修改建议都必须进行数字签名，因此可以跟踪谁在什么时候添加了哪些更改。在合格的电子签名1的情况下，这些签名甚至是指包括所有法律责任的实际自然人。通过使用UUID来识别本体模型中的元素，甚至可以存储相同IRI的不同版本，使得可以记录用于实现概念的替代提议。同时，UUID允许明确地指定概念化的特定版本，并在区块链中随着时间的推移跟踪该版本是否为此，Merkle树允许基于散列值的比较来有效地识别本体模型中的变化区块链的去中心化性质进一步要求建立所谓的挖掘算法，该算法决定在区块链上的交易。1例如，参见欧盟的eIDAS法规：https://eur-lex.europa.eu/legal-content/ EN/TXT/HTML/？uri=CELEX：32014 R 0910&来自=EN#d1 e791 -73-1。小时包括新区块。这里，最初为知识区块链提出的挖掘算法可以扩展到本体的情况，以在添加块之前对本体进行某些健全性检查，例如。以过滤掉可能导致固有或不一致的本体或不满足特定领域或应用特定约束的改变，参见图1。（Zablith et al. 2013年）。建立权限和委派方案与其他对齐区块链和本体的方法相比，知识区块链提供了一种机制，用于指定谁对模型的哪些部分具有哪种访问权限-有关这些权限模型的详细信息，我们参考（Fill和Haürer2018）。这意味着，可以定义谁可以编辑本体的哪些部分以及谁被允许将权利委托给其他人。通过这种方式，可以在不同行为者之间建立信任链这随后可以与用于定义依赖于多方来决定概念的包含的本体的先前方法对齐，例如（Vrande cˇ i c´etal. 2005年）。使用零知识证明零知识证明通常用于区块链中，用于有效地验证区块链中信息或交易的存在，而不必揭示实际数据。例如，在加密货币区块链中，这图3因此，除了其IRI属性之外，每个元素还包含用于其唯一标识的UUID属性。OWL类元素Animal：owlClass还包含对另一个类Thing的SubClassOf引用，它以IRI和UUID风格表示。在图4中，示出了这些元素的散列如何发生。它被示例性地示出用于Merkle树的最低层和两个属性IRI和SubClassOf。在每种情况下，元素的UUID都被作为Merkle树的左叶，属性的名称和值被这是 对知识区块链的原始概念进行了轻微的扩展，因为它允许在以后的证明中访问单个属性值然后使用安全单向SHA256散列算法对两个叶值中的每一个进行散列。利 用 该 结 构 ， 现 在 可 以 例 如 证 明 具 有IRIhttp://www.unifr.ch/#Animal的元素仅通过在没有底层数据的情况下给予对Merkle树中的散列的访问而被包含 在 区 块 链 数 据 中 。 这 是 通 过 计 算 “IRI ：www.example.com r.c h/#Animal”的SHA 256哈希值，然后 在 哈 希 树 的 最 低 级 别 上 搜 索 它 来 实 现 的http://www.unif随后，可以找到UUID的散列，其可以用于 进 一 步 的 查 询 ， 例 如 ： 以 证 明 相 同 的 元 素 是www.example.com的子类http://www.unifr.ch/#Thing。该机制可以用于检查特定交易已经完成并且因此是区块链的当前分支的一部分。然而，实际交易数据不需要披露。在知识区块链中，零知识证明可以用来验证模型中存在某些模式，而不必放弃实际的模型数据。这可以类似地应用于本体，例如向外部参与者证明机密本体包含某些元素SH A256-H灰UUIDSH A256-H灰932680FF785ED95DCD1B8889814E039F2A0DA385355521DCA7AC3AD53B240D20IRI：http://www.unifr.ch/#Animal属性-数据SH A256-H灰UUIDSH A256-H灰53CF58313582722E1AEC78AE3EE20E31C9699B3935B7F13DD729F08FC3EF6B3FSubClassOf：http：www.unifr.ch/#//www.example.com属性-数据而不必公开本体。这方面的用例可以是确保本体符合域中的法律规定，例如描述人的类实际上确实需要社会保障号的指定。http://www.unifr.ch/：OWL本体模式1IRI：IRI =http://www.unifr.ch/UUID：UUID = e3874776-3398-42ec-bdf7-4c4cc6f2f646Name：String =http://www.unifr.ch/isModel：boolean = true动物：猫头鹰：类IRI：IRI =http://www.unifr.ch/#AnimalSubClassOf：IRI+=http://www.unifr.ch/#ThingUUID子类：UUID+ = 77965e01-3aef-490b-8875-5760d28659a9 UUID：UUID = 7e381016-810a-49c5-aacf-662353843940Name：String = AnimalcontainedInModel：UUID = e3874776-3398-42ec-bdf7-4c4cc6f2f646isClass：boolean = true图3：使用扩展知识区块链构建为了说明这种机制的基本工作，我们在图4：示例本体模型的Merkle树摘录进一步研究虽然这份立场文件只打算引发对使用知识区块链方法进行本体论的讨论，但我们可以获得进一步研究的机会。首先，需要详细研究哪些数据结构最适合在区块链 的 背 景 下 表 示 本 体 ， 参 见 。 (Fill 和 Jo-hannsen2016）。这与零知识证明的应用密切相关，并且可以从其应用中获得哪些优势在这方面，额外的益处可以从零知识证明和推理的组合中产生，例如：当基于通过推理得到的信息在Merkle树中搜索概念时，自动扩展匹配范围第二，UUID的使用可能不是本体的最佳解决方案，尽管它们在分布式和因此独立创建元素方面提供了几个好处。为此目的，下一步骤将是评估由（Kuhn和Dumontier）描述的方法259C56E47447B3B498914A7D44B49F4CAB12E38956DB7F778A924C25E9C0C0ED7e381016-810a-49c5-aacf-662353843940259C56E47447B3B498914A7D44B49F4CAB12E38956DB7F778A924C25E9C0C0ED7e381016-810a-49c5-aacf-6623538439402014年）的可靠URI。Horridge，M.;Goncalves，R.;Nyulas，C.;Tudorache，T.;第三 为 实现 的 应用 知识和Musen，M. 上午 2018.WeebProt e´ g e´3.0 合作区块链到本体，来自本体或概念建模领域的现有编辑器将需要进行调整。特别地，需要评估本体的基于多用户的编辑的要求如何能够与许可模型的概念最佳地对准。在权限模型的当前概念中，仅考虑模型元素的级别。由于本体中的许多基本信息存储在属性层中，因此可能需要考虑将权限和委托规范扩展到属性。引用Androulaki ， E.;Barger ， A.;Bortnikov ， V.;Cachin ，C.;Chris- tidis，K.; Caro，A. D.; Enyeart，D.; Ferris，C.;Lavent- man ， G.; Manevich ， Y.; Muralidharan ， S.;Murthy ， C.; Nguyen ， B.; Sethi ， M.; Singh ， G.;Smith，K.; Sorniotti，A.; Stathakopoulou，C.;Cocco，S.W.; 和Yellick，J.2018年。Hy- perledger织物：用于许可区块链的分布式操作系统。第13届EuroSys Conf. ，1-15。ACM。Aste，T.; Tasca，P.;和Di Matteo，T. 2017.区块链技术：对社会和工业的可预见的影响。IEEE Computer（September）：18-28.Bartel，M.; Boyer，J.; Fox，B.; LaMacchia，B.;和Si-mon，E. 2013. XML签名语法和处理1.1版。报告，W3C推荐。https：//www.w3.org/TR/xmldsig-core/（访问时间：2018-11-02）。Bork，D.填充，H。例如2014.企业建模方法的形式方面：比较框架。第47届夏威夷系统科学国际会议，3400-3409。IEEE。Carroll ， J.2003 年 。 签 署 RDF 图 。 In Fensel ，D.;Sycara，K.;和Mylopoulos，J.，编辑，InternationalSemantic Web Conference ， volume LNCS 2870 ， 369-384. 斯普林格Devanbu ， P.; Gertz ， M.; Kwong ， A.; Martel ， C.;Nuckolls，G.;和Stubblebine，S. 2001. 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