Verlässliche Dienstbereitstellung ist eines der wichtigsten Ziele in modernen Netzwerken. Da Anbieter und Nutzer Teil einer Informations und Kommunikationstechnologie (IKT) Infrastruktur sind, wird die Verlässlichkeit der Dienste je nach Position der Aktoren variieren, so wie sich die für die Bereitstellung nötigen IKT Geräte ändern. Wir stellen zwei Ansätze zur Quantifizierung nutzerspezifischer Dienstverlässlichkeit vor. Der erste, modellgetriebene Ansatz berechnet momentane Dienstverfügbarkeit. Aus Modellen des Dienstes, der Infrastruktur und einer Abbildung zwischen den beiden, welche die Aktoren der Dienstkommunikation beschreibt, werden durch eine Serie von Modelltransformationen automatisiert Verfügbarkeitsmodelle generiert. Die Realisierbarkeit des Ansatzes wird anhand von Diensten im Netzwerk der Universität Lugano, Schweiz, gezeigt. Der zweite Ansatz behandelt die Responsivität der Dienstfindung, die Wahrscheinlichkeit innerhalb einer Frist Dienstinstanzen zu finden, unter der Annahme von Fehlern. Dies stellt den Hauptteil dieser Arbeit dar. Eine Hierarchie stochastischer Modelle wird vorgestellt, die nutzerspezifische Responsivität auf Basis von Messdaten der Routingebene berechnet. Umfangreiche Experimente wurden im Distributed Embedded Systems (DES) Funktestbett der Freien Universität Berlin durchgefürt. Diese zeigen Probleme aktueller Dienstfindungsprotokolle in modernen, dynamischen Netzwerken. Gleichzeitig dienen sie der Validierung der vorgestellten Modelle. Beide Ansätze zeigen, daß die Verlässlichkeit der Dienstbereitstellung in der Tat deutlich mit der Position von Nutzern und Anbietern variiert, sogar in hochverfügbaren Kabelnetzwerken. Die Ansätze ermöglichen die Optimierung von Dienstnetzwerken anhand bekannter oder erwarteter Nutzungsmuster. Zudem antizipieren sie neuartige Verlässlichkeitsmodelle, welche Dienstfindung, zeitige Bereitstellung, Platzierung und Nutzung kombinieren; Gebiete, die bisher im Allgemeinen getrennt behandelt wurden. / Dependability of service provision is one of the primary goals in modern networks. Since providers and clients are part of a connecting Information and Communications Technology (ICT) infrastructure, service dependability varies with the position of actors as the ICT devices needed for service provision change. We present two approaches to quantify user-perceived service dependability. The first is a model-driven approach to calculate instantaneous service availability. Using input models of the service, the infrastructure and a mapping between the two to describe actors of service communication, availability models are automatically created by a series of model to model transformations. The feasibility of the approach is demonstrated using exemplary services in the network of University of Lugano, Switzerland. The second approach aims at the responsiveness of the service discovery layer, the probability to find service instances within a deadline even in the presence of faults, and is the main part of this thesis. We present a hierarchy of stochastic models to calculate user-perceived responsiveness based on monitoring data from the routing layer. Extensive series of experiments have been run on the Distributed Embedded Systems (DES) wireless testbed at Freie Universität Berlin. They serve both to demonstrate the shortcomings of current discovery protocols in modern dynamic networks and to validate the presented stochastic models. Both approaches demonstrate that the dependability of service provision indeed differs considerably depending on the position of service clients and providers, even in highly reliable wired networks. The two approaches enable optimization of service networks with respect to known or predicted usage patterns. Furthermore, they anticipate novel service dependability models which combine service discovery, timeliness, placement and usage, areas that until now have been treated to a large extent separately.

Die vorliegende Dissertation beinhaltet eine umfassende Untersuchung der Entscheidbarkeit und Komplexität der Probleme, die sich durch eine statische Analyse von monadischem Datalog auf endlichen gefärbten Bäumen stellen. Statische Analyse bedeutet hierbei Anfrageoptimierung ohne Blick auf konkrete Instanzen, aber mit Rücksicht auf deren zugrunde liegende Struktur. Im Kern beinhaltet dies die Lösung der drei folgenden Probleme: das Leerheitsproblem (die Frage, ob eine Anfrage auf jeder Instanz ein leeres Ergebnis liefert), das Äquivalenzproblem (die Frage, ob zwei Anfragen auf jeder Instanz das gleiche Ergebnis liefern) und das Query-Containment-Problem (die Frage, ob das Ergebnis der einen Anfrage auf jeder Datenbank im Ergebnis der anderen Anfrage enthalten ist). Von Interesse ist dabei, ob die Fragen für eine gegebene Anfragesprache entscheidbar sind und wenn ja, welche Komplexität ihnen innewohnt. Wir betrachten diese Probleme für monadisches Datalog auf unterschiedlichen Repräsentationen für endliche gefärbte Bäume. Hierbei unterscheiden wir zwischen ungeordneten und geordneten Bäumen, welche die Achsen child bzw. firstchild und nextsibling und deren Erweiterung um die descendant-Achse nutzen. Außerdem unterscheiden wir Alphabete mit und ohne Rang. Monadisches Datalog ist eine Anfragesprache, die in Abhängigkeit vom gewählten Schema die Ausdrucksstärke der monadischen Logik zweiter Stufe (MSO) erreicht und dennoch effizient ausgewertet werden kann. Wir zeigen, dass unter in der Datenbanktheorie üblichen Mengensemantik die drei genannten Probleme für alle Schemata ohne descendant-Achse EXPTIME-vollständig sind und lösbar in 2EXPTIME, falls die descendant-Achse involviert ist. Eine passende untere Schranke wird für fast alle Schemata gezeigt. Unter Multimengensemantik lassen sich die obigen Ergebnisse für das Leerheitsproblem übertragen, während das Query-Containment-Problem für alle betrachteten Schemata unentscheidbar ist. / This thesis provides a comprehensive investigation into the decidability and complexity of the fundamental problems entailed by static analysis of monadic datalog on finite labeled trees. Static analysis is used for optimizing queries without considering concrete database instances but exploiting information about the represented structure. Static analysis relies on three basic decision problems. First, the emptiness problem, whose task is to decide whether a query returns the empty result on every database. Second, the equivalence problem asking if the result of two given queries always coincides on every database. And finally, the query containment problem where it is to decide whether on every database a given query produces a subset of the results of a second given query. We are interested in finding out whether these problems are decidable and, if so, what their complexity is. We consider the aforementioned problems for monadic datalog on different representations of finite labeled trees. We distinguish unordered and ordered trees which use the axis child, as well as the axes firstchild and nextsibling, respectively. An extension of the schemas by the descendant-axis is also considered. Furthermore, we distinguish ranked and unranked labeling alphabets. Depending on the schema, the query language monadic datalog can reach the expressive power of monadic second order logic but remains efficiently evaluable. Under set semantics, we show EXPTIME-completness for all used schemas where the descendant-axis is omitted. If the descendant-axis is involved, we present an algorithm that solves the problem within 2-fold exponential time. A matching lower bound is proven for virtually all schemas. Finally, we prove that the complexity of the emptiness problem of monadic datalog on finite trees under bag semantics is the same as under set semantics. Furthermore, we show that the query containment problem of monadic datalog under bag semantics is undecidable in general.

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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