Einsatz von Open Source-Software in der Lehre am Beispiel einer Vorlesung zu XML-Technologien

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1 Einsatz von Open Source-Software in der Lehre am Beispiel einer Vorlesung zu XML-Technologien Holger Hinrichs Fachbereich Elektrotechnik Fachhochschule Lübeck Stephensonstr Lübeck hinrichs@fh-luebeck.de Abstract: Dieser Artikel beschreibt eine Reihe von Open Source-Werkzeugen, -Bibliotheken und -Frameworks, die sich in besonderer Weise zum Einsatz in der Lehre von XML-Technologien eignen. Die einzelnen Produkte werden jeweils in einen Anwendungskontext eingeordnet und inihrer Funktionalität grob skizziert. 1 Einleitung Das für die heutige IT-Praxis so überaus wichtige Thema XML-Technologien lässt sich in der Lehre sowohl an Fachhochschulen als auch an Universitäten nur dann adäquat vermitteln, wenn die theoretischen Konzepte mit umfangreichen praktischen Übungen veranschaulicht und angewandt werden können. Bei der Auswahl geeigneter Werkzeuge, Funktionsbibliotheken und Frameworks steht der Dozent jedoch meist einem äußerst umfangreichen Angebot an kommerzieller und frei verfügbarer Software gegenüber. Dieser Artikel stellt daher eine subjektive Auswahl von Softwareprodukten vor, mit denen der Autor positive Erfahrungen gemacht hat. Es handelt sich dabei ausschließlich um frei verfügbare, meist Open Source-Software aus dem Java-Umfeld. Der folgende Abschnitt skizziert die Inhalte einer Lehrveranstaltung, die seit dem Sommersemester 2004 an der FH Lübeck im Studiengang Kommunikations-, Informationsund Medientechnik, Studienrichtung Informatik, 7. Semester, gehalten wird. Die Veranstaltung setzt sich aus einem Vorlesungsteil (4 SWS) und einem Praktikumsteil (2 SWS) zusammen. Kenntnisse in Java, HTML und Datenbanken werden vorausgesetzt. 2 Inhalte der Lehrveranstaltung In den nachfolgenden Unterabschnitten werden die (mehrheitlich vom W3C standardisierten) XML-Technologien XPath, XML Schema, SAX und DOM, XSLT, XMLbasiertes Web-Publishing, XQuery sowie Web Services betrachtet. Auf den obligatorischen Einleitungsteil zu XML-Grundlagen (Knotentypen, Namensräume, DTDs, Wohlgeformtheit, Gültigkeit) wird nicht näher eingegangen (siehe hierzu z. B. [HM05]). 106

2 2.1 XPath XPath [Wo99a] kann als Abfragesprache für XML-Dokumente verstanden werden und verfolgt insofern ähnliche Ziele wie XQuery (siehe Abschnitt 2.6). Während XQuery jedoch einen deskriptiven, SQL-ähnlichen Ansatz verfolgt, steht bei XPath die Navigation entlang der Achsen eines XML-Baums mit Hilfe sog. Pfadausdrücke (vergleichbar mit Pfaden in einem Dateisystem) im Mittelpunkt. XPath ist wiederum Bestandteil verschiedener weiterführender XML-Technologien wie XML Schema (siehe Abschnitt 2.2), XSLT (siehe Abschnitt 2.4) und auch XQuery. Üben lässt sich der Einsatz von XPath sehr gut, indem den Studierenden textuell formulierte Anfragen vorgegeben werden, die in XPath-Ausdrücke zu überführen sind. Zum Experimentieren mit XPath lässt sich z. B. die Open Source-Software XPath Explorer (XPE) [So03] einsetzen, über die sich XPath-Anfragen interaktiv an ein XML- Dokument stellen lassen. Anfrageergebnisse können sowohl textuell als auch graphisch (markierte Knoten im XML-Baum) dargestellt werden. 2.2 XMLSchema Um die Defizite von DTD-basierten Schemata (z. B. proprietäre Syntax, unzureichende Datentypen, keine echte referentielle Integrität) zu beseitigen, hat das W3C den Standard XML Schema [Wo05a] geschaffen. Die Konzepte von XML Schema sind allerdings wesentlich komplexer als die von DTDs, so dass vertiefende praktische Übungen auch hier unerlässlich sind (z. B. gegebene DTD in XML Schema umwandeln oder für gegebenes XML Schema gültiges XML-Dokument angeben). Softwaretechnisch können diese Aufgaben durch XML-Editoren wie XmEdiL 1 unterstützt werden, die ein Dokument automatisch auf Wohlgeformtheit und Gültigkeit prüfen können. Alternativ kann auch ein herkömmlicher Editor in Verbindung mit einem validierenden XML-Parser zum Einsatz kommen. Als Open Source-Lösung kommt z. B. der Parser Xerces (Apache) in Frage (Näheres zu Xerces in Abschnitt 2.3). 2.3 SAX und DOM Oft müssen XML-Dokumente anwendungsseitig verarbeitet werden. Hier empfiehlt sich der Einsatz von XML-Parsern, welche einen Satz vordefinierter Funktionen zum Einlesen und ggf. auch Manipulieren von XML-Dokumenten bereit stellen. Als Standards haben sich SAX [So04] und DOM [Wo05b] etabliert, die unterschiedliche Ziele verfolgen. Während SAX (Simple API for XML) ein effizientes, serielles Lesen mittels Callback- Funktionen ermöglicht (z. B. für Streaming-Anwendungen geeignet), steht bei DOM (Document Object Model) die Möglichkeit im Mittelpunkt, frei durch ein XML- Dokument zu navigierenund dieses auch ändern zukönnen. 1 XmEdiL ist inzwischen kaum noch zum Download imweb verfügbar. Einer der wenigen funktionierenden Links ist 107

3 Der Java-basierte Open Source-Parser Xerces [Ap04a] (auch für C++ und Perl verfügbar) unterstützt sowohl SAX als auch DOM. Java-Programme, die das SAX- und/oder DOM-API von Xerces verwenden, müssen lediglich beim Compilieren bzw. Ausführen auf die jar-dateien des Parsers zugreifen können. 2.4 XSLT Sollen XML-Dokumente transformiert werden, sei es in einen anderen XML-Dialekt oder z. B. in HTML, ist XSLT (Extensible Stylesheet Language Transformations) [Wo99b] die Technologie der Wahl. In einem XSLT-Praktikum können die Studierenden das Schreiben von Stylesheets erlernen, in dem sie ein vorgegebenes Quelldokument in ein ebenfalls vorgegebenes Zieldokument überführen. Übungen dieser Art können auf zweierlei Weise softwaretechnisch unterstützt werden: Entweder erlaubt bereits der verwendete XML-Editor die Anwendung eines XSLT- Stylesheets auf ein geöffnetes XML-Dokument (z. B. bei XmEdiL der Fall), oder aber man greift auf einen XSLT-Prozessor im Standalone-Betrieb zurück, dem man sowohl Quelldokument als auch Stylesheet als Parameter übergibt. Von den verschiedenen verfügbaren Open Source-XSLT-Prozessoren sei an dieser Stelle Apache Xalan [Ap04b] genannt, quasi der Bruder des XML-Parsers Xerces (siehe Abschnitt 2.3). 2.5 XML-basiertes Web Publishing Nachdem bisher verschiedene Basistechnologien für die Verarbeitung von XML- Dokumenten behandelt wurden, bietet es sich an, diese in einen anwendungsnahen Gesamtzusammenhang zu stellen. Als Beispiel wurde XML-basiertes Web Publishing gewählt. Dabei geht es um die Entwicklung von Web-basierten Informationssystemen mit Multi Delivery-Funktionalität, d. h. darstellungsunabhängiger Content wird zur Anfragezeit in dasjenige Ausgabeformat transformiert, das das jeweilige anfragende System erwartet (z. B. HTML bei herkömmlichem Browser, WML bei Mobiltelefonen etc.). Ein mächtiges und ausgereiftes Open Source-Framework, das hierfür verwendet werden kann, ist das auf XSLT basierende Apache Cocoon [Ap05a]. Dieses kann z. B. als Web- Applikation in einer (Open Source-)Servlet Engine wie Apache Tomcat [Ap05b] laufen und mittels sog. Sitemaps konfiguriert werden. Sitemaps spezifizieren sog. Pipelines, dies sind Datenflüsse, die aus einem Generator, beliebig vielen Transformatoren und einem Serialisierer bestehen. Der Generator stellt eine XML-Quelle bereit im einfachsten Fall wird ein statisches XML-Dokument eingelesen. Wesentlich interessanter und praxisnäher ist es jedoch, den Generator die aufzubereitenden Daten aus einer JDBCfähigen Datenbank auslesen und zur Laufzeit in ein XML-Dokument überführen zu lassen. Cocoon macht sich dabei sog. XSPs (Extensible Server Pages) zu Nutze, einen XML-Dialekt, der es unter anderem erlaubt, SQL-Anfragen in XML-Dokumente einzubetten und dynamisch auszuwerten (analog zu JSPs). Als Transformatoren kommen in erster Linie XSLT-Stylesheets zum Einsatz. Serialisiert werden kann schließlich u. A. nach XML, (X)HTML, WML, SVG oder auch PDF. 108

4 Um dynamisch PDF-Dateien erzeugen zu können, muss allerdings der letzte Transformator der Pipeline ein XSL-FO-Dokument erzeugt haben. XSL-FO (XSL Formatting Objects) ist neben XSLT der zweite Teil des XSL-Standards [Wo01a]. Im Praktikum können die Studierenden eine gegebene Entwicklungsaufgabe mit Multi Delivery-Funktion auf Basis von Cocoon umsetzen. Um auch die WML-Ausgabe einfach auf localhost testen zu können, empfiehlt sich ein frei verfügbarer WML-Previewer wie Deck-It [Py01]. 2.6 XQuery XQuery [Wo05c] ist zwar einer der jüngsten W3C-Standards im XML-Umfeld, ihm wird jedoch für die Zukunft eine äußerst hohe Relevanz zugesprochen, bis hin zur Ablösung von XSLT. XQuery stellt eine deklarative, an SQL angelehnte Abfragesprache für XML-Dokumente dar. Auf das Ausgabeformat kann dabei sehr flexibel Einfluss genommen werden. Ähnlich wie bei XPath können die Studierenden die Verwendung von XQuery trainieren, indem sie textuell formulierte Anfragen in die XQuery-Syntax überführen. Umdie XQuery-Ausdrücke ausführen und testen zu können, kann z. B. das Java-basierte Open Source-Werkzeug Qizx/open [Fr04] verwendet werden. Dieses bietet u. A. eine graphische Oberfläche zum Eingeben, Ausführen und Debuggen von XQuery-Ausdrücken sowie zum Anzeigen von Anfrageergebnissen. 2.7 Web Services Zu den vielleicht bedeutendsten aller XML-Standards haben sich in den letzten Jahren SOAP (Simple Object Access Protocol) [Wo03a] und WSDL (Web Services Definition Language) [Wo01b] entwickelt. Mit ihnen lassen sich sog. Web Services realisieren, die ihrerseits innerhalb kurzer Zeit einen Paradigmenwechsel bei der Integration von heterogenen Anwendungssystemen bewirkt haben (Service Oriented Architecture, SOA). Ein Java-basiertes Open Source-Framework, das sowohl zur Nutzung fremder als auch zur Entwicklung und Bereitstellung eigener Web Services eingesetzt werden kann, ist Apache Axis [Ap05c]. Diese Software, die analog zu Cocoon in einer Servlet-Engine wie Apache Tomcat abläuft, stellt nicht nur eine Ablaufumgebung für Web Services bereit, sondern enthält insbesondere auch verschiedene Werkzeuge, die das Nutzen und Erstellen von Web Services erheblich erleichtern. Beispielhaft seien WSDL2Java und Java2WSDL genannt. Während ersteres aus einer gegebenen WSDL-Beschreibung eines (zu nutzenden) Web Service automatisch Java-Stubs und -Skeletons erzeugt, generiert letzteres aus der gegebenen Java-Implementierung eines Dienstes automatisch eine zugehörige WSDL-Beschreibung. Als Testwerkzeug wird u. A. ein SOAP-Monitor mitgeliefert, der die zwischen Dienstanbieter und Dienstnutzer ausgetauschten Nachrichten visualisiert. 109

5 3 Zusammenfassung und Ausblick In diesem Artikel wurde eine subjektive, stichprobenartige Auswahl von Open Source- Softwareprodukten im XML-Umfeld vorgestellt, die sich in besonderer Weise für den Einsatz in der Lehre eignen. Während einige Produkte noch nicht so ausgereift sind, dass sie auch in der industriellen Praxis einsetzbar wären (XPath Explorer, Qizx/open), haben andere den Prototypenstatus längst hinter sich gelassen und stehen kommerziellen Systemen in nichts nach(xerces, Xalan, Cocoon, Axis). Veranstaltungsrelevante Themenbereiche, die in diesem Artikel aus Platzgründen nicht vorgestellt werden konnten, sind XML-Datenbanken (siehe z. B. [Sl05]), XForms [Wo03b], XML Signature [Wo02a], XML Encryption [Wo02b] und das Semantic Web (RDF [Wo04a], OWL [Wo04b]). Open Source-Software zu diesen Themen wird derzeit vom Autor evaluiert. Als wertvolle Informationsquelle hat sich dabei [XM05] erwiesen. Literaturverzeichnis [Ap04a] Apache Software Foundation: Xerces2 Java Parser Readme [Ap04b] Apache Software Foundation: Xalan-Java [Ap05a] Apache Software Foundation: Apache Cocoon [Ap05b] Apache Software Foundation: Jakarta Tomcat [Ap05c] Apache Software Foundation: Web Services Axis [Fr04] Franc, Xavier: Qizx/open [HM05] Harold, E. R.; Means, W. S.: XML in a Nutshell, O Reilly, [Py01] PyWeb: deckit RPM for i deckit i386.html, [Sl05] Sleepycat Software: Berkeley DB, [So03] Sourceforge: XPath Explorer (XPE) [So04] Sourceforge: SAX [Wo99a] WWW Consortium: XML Path Language (XPath) [Wo99b] WWW Consortium: XSL Transformations (XSLT) [Wo01a] WWW Consortium: Extensible Stylesheet Language (XSL) [Wo01b] WWW Consortium: Web Services Definition Language (WSDL). TR/wsdl, [Wo02a] WWW Consortium: XML-Signature Syntax and Processing. xmldsig-core, [Wo02b] WWW Consortium: XML-Encryption Syntax and Processing. xmlenc-core, [Wo03a] WWW Consortium: SOAP Specifications [Wo03b] WWW Consortium: XForms 1.0, [Wo04a] WWW Consortium: Resource Description Framework [Wo04b] WWW Consortium: OWL Web Ontology Language [Wo05a] WWW Consortium: XML Schema [Wo05b] WWW Consortium: Document Object Model (DOM) [Wo05c] WWW Consortium: XML Query (XQuery) [XM05] XML Software: