Die vorliegende Dissertation besteht aus zwei Teilen, deren gemeinsames Thema in der Frage besteht, wie mächtig Zufall als Berechnungsressource ist. Im ersten Teil beschäftigen wir uns mit zufälligen Strukturen, die -- mit hoher Wahrscheinlichkeit -- Eigenschaften haben können, die von Computeralgorithmen genutzt werden können. In zwei konkreten Fällen geben wir bis dahin unbekannte deterministische Konstruktionen solcher Strukturen: Wir derandomisieren eine randomisierte Reduktion von Alekhnovich und Razborov, indem wir bestimmte unbalancierte bipartite Expandergraphen konstruieren, und wir geben eine Reduktion von einem Problem über bipartite Graphen auf das Problem, den minmax-Wert in Dreipersonenspielen zu berechnen. Im zweiten Teil untersuchen wir die Ausdrucksstärke verschiedener Logiken, wenn sie durch zufällige Relationssymbole angereichert werden. Unser Ziel ist es, Techniken aus der deskriptiven Komplexitätstheorie für die Untersuchung randomisierter Komplexitätsklassen nutzbar zu machen, und tatsächlich können wir zeigen, dass unsere randomisierten Logiken randomisierte Komlexitätsklassen einfangen, die in der Komplexitätstheorie untersucht werden. Unter Benutzung starker Ergebnisse über die Logik erster Stufe und die Berechnungsstärke von Schaltkreisen beschränkter Tiefe geben wir sowohl positive als auch negative Derandomisierungsergebnisse für unsere Logiken. Auf der negativen Seite zeigen wir, dass randomisierte erststufige Logik gegenüber normaler erststufiger Logik an Ausdrucksstärke gewinnt, sogar auf Strukturen mit einer eingebauten Additionsrelation. Außerdem ist sie nicht auf geordneten Strukturen in monadischer zweitstufiger Logik enthalten, und auch nicht in infinitärer Zähllogik auf beliebigen Strukturen. Auf der positiven Seite zeigen wir, dass randomisierte erststufige Logik auf Strukturen mit einem unären Vokabular derandomisiert werden kann und auf additiven Strukturen in monadischer Logik zweiter Stufe enthalten ist. / This thesis is comprised of two main parts whose common theme is the question of how powerful randomness as a computational resource is. In the first part we deal with random structures which possess -- with high probability -- properties than can be exploited by computer algorithms. We then give two new deterministic constructions for such structures: We derandomise a randomised reduction due to Alekhnovich and Razborov by constructing certain unbalanced bipartite expander graphs, and we give a reduction from a problem concerning bipartite graphs to the problem of computing the minmax-value in three-player games. In the second part we study the expressive power of various logics when they are enriched by random relation symbols. Our goal is to bridge techniques from descriptive complexity with the study of randomised complexity classes, and indeed we show that our randomised logics do capture complexity classes under study in complexity theory. Using strong results on the expressive power of first-order logic and the computational power of bounded-depth circuits, we give both positive and negative derandomisation results for our logics. On the negative side, we show that randomised first-order logic gains expressive power over standard first-order logic even on structures with a built-in addition relation. Furthermore, it is not contained in monadic second-order logic on ordered structures, nor in infinitary counting logic on arbitrary structures. On the positive side, we show that randomised first-order logic can be derandomised on structures with a unary vocabulary and is contained in monadic second-order logic on additive structures.

Skalierbares schlüssel-basiertes Routing in verteilten Systemen ist eine Methode zur Weiterleitung von Nachrichten zu den für die Partition verantwortlichen Maschinen. Diese Technik findet Verwendung in Key-Value Speichersystemen, Content Distribution Networks oder auch beim Media Streaming. Einer der Gründe für die Verbreitung ist die Einfachheit der Routingabstraktion, bei welcher der Entwickler sich nicht um die Details des Gruppenmanagements oder Datenreplikation kümmern muss. Auf der anderen Seite sind die meisten schlüssel-basierten Routingverfahren optimistische Verfahren, bei denen der Datenzugriff keine strenge Konsistenz bietet. In dieser Arbeit präsentieren wir das System Recode mit dem schlüssel-basierten Routingabstraktion routecast, welches eine strengere Zugriffssemantik ermöglicht. Dabei garantiert routecast, dass Nachrichten eines bestimmten Schlüssels in der gleichen Reihenfolge an alle Replikate geliefert werden. Mit Hilfe dieser strengeren Garantien können auch Anwendungen wie Koordinations- oder Metadatendienste bzw. konsistente Speichersysteme das schlüssel-basierte Routing verwenden. Recode ist außerdem rekonfigurierbar bei Veränderungen der zur Verfügung stehenden Maschinen sowie bei Auslastungsänderung. Es ist ein komplett dezentralisiertes System und enthält damit keinen single-point of failure oder Systemengpass. Die drei Hauptbeiträge der Arbeit sind 1) die Abstraktion der Gruppenkommunikation unter Verwendung von Primary/Backup mit Leases für ein failover des Primary, 2) die Entwicklung und die Algorithmen der routcast-Primitive, 3) Mechanismen zur atomaren Rekonfiguration des dezentralen Schlüsselraumes. Um die Einfachheit unseres Ansatzes zu betonen, beschreiben wir außerdem drei verschiedene Anwendungen aufbauend auf Recode. Abschließend zeigen wir durch die Evaluation von Recode in einer Cluster-Umgebung die Leistungsfähigkeit. / Scalable key-based routing in distributed systems, where a mes- sage is forwarded towards a machine responsible for a partition in a large key space, has been used in many services such as key-value stores, content distribution networks and media streaming. This success can mainly be attributed to the simplicity of the route ab- straction, a developer does not need to care about the mechanisms for membership management, load balancing or data replication. A limitation, however, is that most key-based routing solutions are best-effort, which means that only eventually consistent data access is possible. This thesis presents a system (Recode) with a key-based routing primitive called routecast which provides strong delivery semantics. More specifically, routecast guarantees that a message for a key is delivered in the same total order at a set of replicas. With stronger guarantees, applications such as coordination and metadata services as used in large storage systems or consistent key-value stores can use key-based routing. Additionally, Recode aims to be both re- configurable, to handle changes to the machines running the service and updates to the workload, and fully decentralized which means there is no single point of failure or bottleneck. We make three main contributions in this thesis: 1) a group com- munication abstraction using primary/backup with leases for pri- mary fail-over, 2) the design and algorithms of the routecast-primitive and, 3) mechanisms for atomic reconfiguration of a decentralized key space. Each part of the system is broken up into modules and presented with a specification and a set of algorithms. To validate the simplicity claim, we describe how to implement three different applications on top of Recode. Finally, we evaluate Recode in a cluster environment and show that the performance is competitive.

Die Arbeit widmet sich der Frage, ob sich die etablierte Technik des modellbasierten Testens (MBT) auf eine spezielle Art von Software-Komponentensystemen, den dynamischen Komponentensystemen (DCS), anwenden lässt. DCS bieten die besondere Eigenschaft, dass sich die Komposition der Komponenteninstanzen zur Laufzeit ändern kann, da in solchen Systemen jede Komponenteninstanz einen Lebenszyklus aufweist. Damit ist es möglich, im laufenden Betrieb einzelne Komponenten im Softwaresystem zu aktualisieren oder dem System neue hinzuzufügen. Derartige Eingriffe führen dazu, dass die von den Komponenteninstanzen bereitgestellte Funktionalität jederzeit eingeschränkt oder unverfügbar werden kann. Diese Eigenschaft der DCS macht die Entwicklung von Komponenten schwierig, da diese in ihrem potentiellen Verhalten darauf vorbereitet werden müssen, dass die von ihnen jeweils benötigte und genutzte Funktionalität nicht ständig verfügbar ist. Ziel dieser Dissertation ist es nun, einen systematischen Testansatz zu entwickeln, der es erlaubt, bereits während der Entwicklung von DCS-Komponenten Toleranzaussagen bzgl. ihrer dynamischen Verfügbarkeit treffen zu können. Untersucht wird, inwieweit bestehende MBT-Ansätze bei entsprechender Anpassung für den neuen Testansatz übernommen werden können. Durch die in der Dissertation entwickelten Ansätze sowie deren Implementierung und Anwendung in einer Fallstudie wird gezeigt, dass eine systematische Testfallgenerierung für dynamische Komponentensysteme mit Hilfe der Anwendung und Anpassung von modellbasierten Testtechnologien erreicht werden kann. / This dissertation devotes to the question whether the established technique of model based testing (MBT) can be applied to a special type of software component systems called dynamic component systems (DCSs). DCSs have the special characteristic that they support the change of component instance compositions during runtime of the system. In these systems, each component instance exhibits an own lifecycle. This makes it possible to update existing, or add new components to the system, while it is running. Such changes cause that functionality provided by the component instances may become restricted or unavailable at any time. This characteristic of DCSs makes the development of components difficult because required and used functionality is not available all the time. The goal of this dissertation is to develop a systematic testing approach which allows to test a component’s tolerance to dynamic availability during development time. We analyze, to what extend existing MBT approaches can be reused or adapted. The approaches of this dissertation has been implemented in a software prototype. This prototype has been used in a case study and it has been showed, that systematic test generation for DCSs can be done with the help of MBT.

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