Biology has made great progress in identifying and measuring the building blocks of life. The availability of high-throughput methods in molecular biology has dramatically accelerated the growth of biological knowledge for various organisms. The advancements in genomic, proteomic and metabolomic technologies allow for constructing complex models of biological systems. An increasing number of biological repositories is available on the web, incorporating thousands of biochemical reactions and genetic regulations. Systems Biology is a recent research trend in life science, which fosters a systemic view on biology. In Systems Biology one is interested in integrating the knowledge from all these different sources into models that capture the interaction of these entities. By studying these models one wants to understand the emerging properties of the whole system, such as robustness. However, both measurements as well as biological networks are prone to considerable incompleteness, heterogeneity and mutual inconsistency, which makes it highly non-trivial to draw biologically meaningful conclusions in an automated way. Therefore, we want to promote Answer Set Programming (ASP) as a tool for discrete modeling in Systems Biology. ASP is a declarative problem solving paradigm, in which a problem is encoded as a logic program such that its answer sets represent solutions to the problem. ASP has intrinsic features to cope with incompleteness, offers a rich modeling language and highly efficient solving technology. We present ASP solutions, for the analysis of genetic regulatory networks, determining consistency with observed measurements and identifying minimal causes for inconsistency. We extend this approach for computing minimal repairs on model and data that restore consistency. This method allows for predicting unobserved data even in case of inconsistency. Further, we present an ASP approach to metabolic network expansion. This approach exploits the easy characterization of reachability in ASP and its various reasoning methods, to explore the biosynthetic capabilities of metabolic reaction networks and generate hypotheses for extending the network. Finally, we present the BioASP library, a Python library which encapsulates our ASP solutions into the imperative programming paradigm. The library allows for an easy integration of ASP solution into system rich environments, as they exist in Systems Biology. / In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der Identifikation und Messung der Bausteine des Lebens gemacht. Die Verfügbarkeit von Hochdurchsatzverfahren in der Molekularbiology hat das Anwachsen unseres biologischen Wissens dramatisch beschleunigt. Durch die technische Fortschritte in Genomic, Proteomic und Metabolomic wurde die Konstruktion komplexer Modelle biologischer Systeme ermöglicht. Immer mehr biologische Datenbanken sind über das Internet verfügbar, sie enthalten tausende Daten biochemischer Reaktionen und genetischer Regulation. System Biologie ist ein junger Forschungszweig der Biologie, der versucht Biologische Systeme in ihrer Ganzheit zu erforschen. Dabei ist man daran interessiert möglichst viel Wissen aus den unterschiedlichsten Bereichen in ein Modell zu aggregieren, welches das Zusammenwirken der verschiedensten Komponenten nachbildet. Durch das Studium derartiger Modelle erhofft man sich ein Verständnis der aufbauenden Eigenschaften, wie zum Beispiel Robustheit, des Systems zu erlangen. Es stellt sich jedoch die Problematik, das sowohl die biologischen Modelle als auch die verfügbaren Messwerte, oft unvollständig, miteinander unvereinbar oder fehlerhaft sind. All dies macht es schwierig biologisch sinnvolle Schlussfolgerungen zu ziehen. Daher, möchten wir in dieser Arbeit Antwortmengen Programmierung (engl. Answer Set Programming; ASP) als Werkzeug zur diskreten Modellierung system biologischer Probleme vorschlagen. ASP verfügt über eingebaute Eigenschaften zum Umgang mit unvollständiger Information, eine reichhaltige Modellierungssprache und hocheffiziente Berechnungstechniken. Wir präsentieren ASP Lösungen zur Analyse von Netzwerken genetischer Regulierungen, zur Prüfung der Konsistenz mit gemessene Daten, und zur Identifikation von Gründen für Inkonsistenz. Diesen Ansatz erweitern wir um die Möglichkeit zur Berechnung minimaler Reparaturen an Modell und Daten, welche Konsistenz erzeugen. Mithilfe dieser Methode werden wir in die Lage versetzt, auch im Fall von Inkonsistenz, noch ungemessene Daten vorherzusagen. Weiterhin, präsentieren wir einen ASP Ansatz zur Analyse metabolischer Netzwerke. Bei diesem Ansatz, nutzen wir zum einen aus das sich Erreichbarkeit mit ASP leicht spezifizieren lässt und das ASP mehrere mächtige Methoden zur Schlussfolgerung bereitstellt, welche sich auch kombiniert lassen. Dadurch wird es möglich die Synthese Möglichkeiten eines Metabolischen Netzwerks zu erforschen und Hypothesen für Erweiterungen des metabolischen Netzwerks zu berechnen. Zu guter Letzt, präsentieren wir die BioASP Softwarebibliothek. Die BioASP-Bibliothek kapselt unsere ASP Lösungen in das imperative Programmierparadigma und vereinfacht eine Integration von ASP Lösungen in heterogene Betriebsumgebungen, wie sie in der System Biologie vorherrschen.

Most of the microelectronic circuits fabricated today are synchronous, i.e. they are driven by one or several clock signals. Synchronous circuit design faces several fundamental challenges such as high-speed clock distribution, integration of multiple cores operating at different clock rates, reduction of power consumption and dealing with voltage, temperature, manufacturing and runtime variations. Asynchronous or clockless design plays a key role in alleviating these challenges, however the design and test of asynchronous circuits is much more difficult in comparison to their synchronous counterparts. A driving force for a widespread use of asynchronous technology is the availability of mature EDA (Electronic Design Automation) tools which provide an entire automated design flow starting from an HDL (Hardware Description Language) specification yielding the final circuit layout. Even though there was much progress in developing such EDA tools for asynchronous circuit design during the last two decades, the maturity level as well as the acceptance of them is still not comparable with tools for synchronous circuit design. In particular, logic synthesis (which implies the application of Boolean minimisation techniques) for the entire system's control path can significantly improve the efficiency of the resulting asynchronous implementation, e.g. in terms of chip area and performance. However, logic synthesis, in particular for asynchronous circuits, suffers from complexity problems. Signal Transitions Graphs (STGs) are labelled Petri nets which are a widely used to specify the interface behaviour of speed independent (SI) circuits - a robust subclass of asynchronous circuits. STG decomposition is a promising approach to tackle complexity problems like state space explosion in logic synthesis of SI circuits. The (structural) decomposition of STGs is guided by a partition of the output signals and generates a usually much smaller component STG for each partition member, i.e. a component STG with a much smaller state space than the initial specification. However, decomposition can result in component STGs that in isolation have so-called irreducible CSC conflicts (i.e. these components are not SI synthesisable anymore) even if the specification has none of them. A new approach is presented to avoid such conflicts by introducing internal communication between the components. So far, STG decompositions are guided by the finest output partitions, i.e. one output per component. However, this might not yield optimal circuit implementations. Efficient heuristics are presented to determine coarser partitions leading to improved circuits in terms of chip area. For the new algorithms correctness proofs are given and their implementations are incorporated into the decomposition tool DESIJ. The presented techniques are successfully applied to some benchmarks - including 'real-life' specifications arising in the context of control resynthesis - which delivered promising results. / Moderner Schaltungsentwurf fokussiert hauptsächlich synchrone Schaltungstechnik mit allen inhärenten Problemen. Asynchone (d.h. ungetaktete) Schaltungen zeichnen sich jedoch nicht nur durch das Fehlen der Taktversatzproblematik gegenüber ihren synchronen Pendents aus, sondern auch insbesondere durch geringeren Energieverbrauch, günstigere EMV-Eigenschaften, hohe Performance, Modularität und Robustheit gegenüber Schwankungen in der Spannungsversorgung, im Herstellungsprozess sowie Temperaturunterschieden. Diese Vorteile werden mit höherer Integration sowie höheren Taktraten signifikanter. Jedoch ist der Entwurf und auch der Test asynchroner Schaltungen erheblich schwieriger verglichen mit synchronen Schaltungen. Entwurfswerkzeuge zur Synthese asynchroner Schaltungen aus Hochsprachen-Spezifikationen sind zwar inzwischen verfügbar, sie sind jedoch noch nicht so ausgereift und bei weitem noch nicht so akzeptiert in der Industrie, wie ihre Äquivalente für den synchronen Schaltungsentwurf. Insbesondere fehlt es an Werkzeugunterstützung im Bereich der Logiksynthese komplexer Steuerungen („Controller“), welche kritisch für die Effizienz – z.B. in Bezug auf Chipfläche und Geschwindigkeit – der resultierenden Schaltungen oder Systeme ist. Zur Spezifikation von Steuerungen haben sich Signalflankengraphen („signal transition graphs“, STGs) bewährt, die auch als Entwurfseinstieg für eine Logiksynthese von SI-Schaltungen („speed independent“) verwendet werden. (SI-Schaltungen gelten als sehr robuste asynchrone Schaltungen.) Aus den STGs werden zwecks Logiksynthese Automaten abgeleitet werden, deren Zustandszahl aber oft prohibitiv groß werden kann. Durch sogenannte STG-Dekomposition wird die Logiksynthese einer komplexen Schaltung ermöglicht, was bislang aufgrund von Zustandsexplosion oft nicht möglich war. Dabei wird der Spezifikations-STG laut einer gegebenen Partition von Ausgangssignalen in viele kleinere Teilnetze dekomponiert, wobei zu jedem Partitionsblock ein Teilnetz – mit normalerweise signifikant kleinerem Zustandsraum im Vergleich zur Spezifikation – erzeugt wird. Zu jedem Teilnetz wird dann eine Teilschaltung (Komponente) mittels Logiksynthese generiert. Durch die Anwendung von STG-Dekomposition können jedoch Teilnetze erzeugt werden, die sogenannte irreduzible CSC-Konflikte aufweisen (d.h. zu diesen Teilnetzen kann keine SI-Schaltung erzeugt werden), obwohl die Spezifikation keine solchen Konflikte hatte. Diese Arbeit präsentiert einen neuen Ansatz, welcher die Entstehung solcher irreduziblen Konflikte vermeidet, und zwar durch die Einführung interner Kommunikation zwischen den (zu den Teilnetzen gehörenden) Schaltungskomponenten. Bisher werden STG-Dekompositionen total durchgeführt, d.h. pro resultierender Komponente wird ein Ausgangssignal erzeugt. Das führt gewöhnlich nicht zu optimalen Schaltungsimplementierungen. In dieser Arbeit werden Heuristiken zur Bestimmung gröberer Ausgabepartitionen (d.h. Partitionsblöcke mit mehreren Ausgangssignalen) vorgestellt, die zu kleineren Schaltungen führen. Die vorgestellten Algorithmen werden formal abgesichert und wurden in das bereits vorhandene Dekompositionswerkzeug DESIJ integriert. An praxisrelevanten Beispielen konnten die vorgestellten Verfahren erfolgreich erprobt werden.

Mit zunehmender Komplexität technischer Softwaresysteme ist die Nachfrage an produktiveren Methoden und Werkzeugen auch im sicherheitskritischen Umfeld gewachsen. Da insbesondere objektorientierte und modellbasierte Ansätze und Methoden ausgezeichnete Eigenschaften zur Entwicklung großer und komplexer Systeme besitzen, ist zu erwarten, dass diese in naher Zukunft selbst bis in sicherheitskritische Bereiche der Softwareentwicklung vordringen. Mit der Unified Modeling Language Real-Time (UML-RT) wird eine Softwareentwicklungsmethode für technische Systeme durch die Object Management Group (OMG) propagiert. Für den praktischen Einsatz im technischen und sicherheitskritischen Umfeld muss diese Methode nicht nur bestimmte technische Eigenschaften, beispielsweise temporale Analysierbarkeit, besitzen, sondern auch in einen bestehenden Qualitätssicherungsprozess integrierbar sein. Ein wichtiger Aspekt der Integration der UML-RT in ein qualitätsorientiertes Prozessmodell, beispielsweise in das V-Modell, ist die Verfügbarkeit von ausgereiften Konzepten und Methoden für einen systematischen Modultest. <br><br> Der Modultest dient als erste Qualititätssicherungsphase nach der Implementierung der Fehlerfindung und dem Qualitätsnachweis für jede separat prüfbare Softwarekomponente eines Systems. Während dieser Phase stellt die Durchführung von systematischen Tests die wichtigste Qualitätssicherungsmaßnahme dar. Während zum jetzigen Zeitpunkt zwar ausgereifte Methoden und Werkzeuge für die modellbasierte Softwareentwicklung zur Verfügung stehen, existieren nur wenig überzeugende Lösungen für eine systematische modellbasierte Modulprüfung. <br><br> Die durchgängige Verwendung ausführbarer Modelle und Codegenerierung stellen wesentliche Konzepte der modellbasierten Softwareentwicklung dar. Sie dienen der konstruktiven Fehlerreduktion durch Automatisierung ansonsten fehlerträchtiger, manueller Vorgänge. Im Rahmen einer modellbasierten Qualitätssicherung sollten diese Konzepte konsequenterweise in die späteren Qualitätssicherungsphasen transportiert werden. Daher ist eine wesentliche Forderung an ein Verfahren zur modellbasierten Modulprüfung ein möglichst hoher Grad an Automatisierung. <br><br> In aktuellen Entwicklungen hat sich für die Generierung von Testfällen auf Basis von Zustandsautomaten die Verwendung von Model Checking als effiziente und an die vielfältigsten Testprobleme anpassbare Methode bewährt. Der Ansatz des Model Checking stammt ursprünglich aus dem Entwurf von Kommunikationsprotokollen und wurde bereits erfolgreich auf verschiedene Probleme der Modellierung technischer Software angewendet. Insbesondere in der Gegenwart ausführbarer, automatenbasierter Modelle erscheint die Verwendung von Model Checking sinnvoll, das die Existenz einer formalen, zustandsbasierten Spezifikation voraussetzt. Ein ausführbares, zustandsbasiertes Modell erfüllt diese Anforderungen in der Regel. Aus diesen Gründen ist die Wahl eines Model Checking Ansatzes für die Generierung von Testfällen im Rahmen eines modellbasierten Modultestverfahrens eine logische Konsequenz.<br><br> Obwohl in der aktuellen Spezifikation der UML-RT keine eindeutigen Aussagen über den zur Verhaltensbeschreibung zu verwendenden Formalismus gemacht werden, ist es wahrscheinlich, dass es sich bei der UML-RT um eine zu Real-Time Object-Oriented Modeling (ROOM) kompatible Methode handelt. Alle in dieser Arbeit präsentierten Methoden und Ergebnisse sind somit auf die kommende UML-RT übertragbar und von sehr aktueller Bedeutung.<br><br> Aus den genannten Gründen verfolgt diese Arbeit das Ziel, die analytische Qualitätssicherung in der modellbasierten Softwareentwicklung mittels einer modellbasierten Methode für den Modultest zu verbessern. Zu diesem Zweck wird eine neuartige Testmethode präsentiert, die auf automatenbasierten Verhaltensmodellen und CTL Model Checking basiert. Die Testfallgenerierung kann weitgehend automatisch erfolgen, um Fehler durch menschlichen Einfluss auszuschließen. Das entwickelte Modultestverfahren ist in die technischen Konzepte Model Driven Architecture und ROOM, beziehungsweise UML-RT, sowie in die organisatorischen Konzepte eines qualitätsorientierten Prozessmodells, beispielsweise das V-Modell, integrierbar. / In consequence to the increasing complexity of technical software-systems the demand on highly productive methods and tools is increasing even in the field of safety-critical systems. In particular, object-oriented and model-based approaches to software-development provide excellent abilities to develop large and highly complex systems. Therefore, it can be expected that in the near future these methods will find application even in the safety-critical area. The Unified Modeling Language Real-Time (UML-RT) is a software-development methods for technical systems, which is propagated by the Object Management Group (OMG). For the practical application of this method in the field of technical and safety-critical systems it has to provide certain technical qualities, e.g. applicability of temporal analyses. Furthermore, it needs to be integrated into the existing quality assurance process. An important aspect of the integration of UML-RT in an quality-oriented process model, e.g. the V-Model, represents the availability of sophisticated concepts and methods for systematic unit-testing. <br><br> Unit-testing is the first quality assurance phase after implementation to reveal faults and to approve the quality of each independently testable software component. During this phase the systematic execution of test-cases is the most important quality assurance task. Despite the fact, that today many sophisticated, commercial methods and tools for model-based software-development are available, no convincing solutions exist for systematic model-based unit-testing. <br><br> The use of executable models and automatic code generation are important concepts of model-based software development, which enable the constructive reduction of faults through automation of error-prone tasks. Consequently, these concepts should be transferred into the testing phases by a model-based quality assurance approach. Therefore, a major requirement of a model-based unit-testing method is a high degree of automation. In the best case, this should result in fully automatic test-case generation. <br><br> Model checking already has been approved an efficient and flexible method for the automated generation of test-cases from specifications in the form of finite state-machines. The model checking approach has been developed for the verification of communication protocols and it was applied successfully to a wide range of problems in the field of technical software modelling. The application of model checking demands a formal, state-based representation of the system. Therefore, the use of model checking for the generation of test-cases is a beneficial approach to improve the quality in a model-based software development with executable, state-based models. <br><br> Although, in its current state the specification of UML-RT provides only little information on the semantics of the formalism that has to be used to specify a component’s behaviour, it can be assumed that it will be compatible to Real-Time Object-Oriented Modeling. Therefore, all presented methods and results in this dissertation are transferable to UML-RT.<br><br> For these reasons, this dissertations aims at the improvement of the analytical quality assurance in a model-based software development process. To achieve this goal, a new model-based approach to automated unit-testing on the basis of state-based behavioural models and CTL Model Checking is presented. The presented method for test-case generation can be automated to avoid faults due to error-prone human activities. Furthermore it can be integrated into the technical concepts of the Model Driven Architecture and ROOM, respectively UML-RT, and into a quality-oriented process model, like the V-Model.

Die immer dichtere und schnellere Vernetzung von Rechnern und Rechenzentren über Hochgeschwindigkeitsnetzwerke ermöglicht eine neue Art des wissenschaftlich verteilten Rechnens, bei der geographisch weit auseinanderliegende Rechenkapazitäten zu einer Gesamtheit zusammengefasst werden können. Dieser so entstehende virtuelle Superrechner, der selbst aus mehreren Grossrechnern besteht, kann dazu genutzt werden Probleme zu berechnen, für die die einzelnen Grossrechner zu klein sind. Die Probleme, die numerisch mit heutigen Rechenkapazitäten nicht lösbar sind, erstrecken sich durch sämtliche Gebiete der heutigen Wissenschaft, angefangen von Astrophysik, Molekülphysik, Bioinformatik, Meteorologie, bis hin zur Zahlentheorie und Fluiddynamik um nur einige Gebiete zu nennen.<br /> <br /> Je nach Art der Problemstellung und des Lösungsverfahrens gestalten sich solche "Meta-Berechnungen" mehr oder weniger schwierig. Allgemein kann man sagen, dass solche Berechnungen um so schwerer und auch um so uneffizienter werden, je mehr Kommunikation zwischen den einzelnen Prozessen (oder Prozessoren) herrscht. Dies ist dadurch begründet, dass die Bandbreiten bzw. Latenzzeiten zwischen zwei Prozessoren auf demselben Grossrechner oder Cluster um zwei bis vier Grössenordnungen höher bzw. niedriger liegen als zwischen Prozessoren, welche hunderte von Kilometern entfernt liegen.<br /> <br /> Dennoch bricht nunmehr eine Zeit an, in der es möglich ist Berechnungen auf solch virtuellen Supercomputern auch mit kommunikationsintensiven Programmen durchzuführen. Eine grosse Klasse von kommunikations- und berechnungsintensiven Programmen ist diejenige, die die Lösung von Differentialgleichungen mithilfe von finiten Differenzen zum Inhalt hat. Gerade diese Klasse von Programmen und deren Betrieb in einem virtuellen Superrechner wird in dieser vorliegenden Dissertation behandelt. Methoden zur effizienteren Durchführung von solch verteilten Berechnungen werden entwickelt, analysiert und implementiert. Der Schwerpunkt liegt darin vorhandene, klassische Parallelisierungsalgorithmen zu analysieren und so zu erweitern, dass sie vorhandene Informationen (z.B. verfügbar durch das Globus Toolkit) über Maschinen und Netzwerke zur effizienteren Parallelisierung nutzen. Soweit wir wissen werden solche Zusatzinformationen kaum in relevanten Programmen genutzt, da der Grossteil aller Parallelisierungsalgorithmen implizit für die Ausführung auf Grossrechnern oder Clustern entwickelt wurde. / In order to face the rapidly increasing need for computational resources of various scientific and engineering applications one has to think of new ways to make more efficient use of the worlds current computational resources. In this respect, the growing speed of wide area networks made a new kind of distributed computing possible: Metacomputing or (distributed) Grid computing. This is a rather new and uncharted field in computational science. The rapidly increasing speed of networks even outperforms the average increase of processor speed: Processor speeds double on average each 18 month whereas network bandwidths double every 9 months. Due to this development of local and wide area networks Grid computing will certainly play a key role in the future of parallel computing.<br /> <br /> This type of distributed computing, however, distinguishes from the traditional parallel computing in many ways since it has to deal with many problems not occurring in classical parallel computing. Those problems are for example heterogeneity, authentication and slow networks to mention only a few. Some of those problems, e.g. the allocation of distributed resources along with the providing of information about these resources to the application have been already attacked by the Globus software.<br /> <br /> Unfortunately, as far as we know, hardly any application or middle-ware software takes advantage of this information, since most parallelizing algorithms for finite differencing codes are implicitly designed for single supercomputer or cluster execution. We show that although it is possible to apply classical parallelizing algorithms in a Grid environment, in most cases the observed efficiency of the executed code is very poor.<br /> <br /> In this work we are closing this gap. In our thesis, we will<br /> - show that an execution of classical parallel codes in Grid environments is possible but very slow<br /> - analyze this situation of bad performance, nail down bottlenecks in communication, remove unnecessary overhead and other reasons for low performance<br /> - develop new and advanced algorithms for parallelisation that are aware of a Grid environment in order to generelize the traditional parallelization schemes<br /> - implement and test these new methods, replace and compare with the classical ones - introduce dynamic strategies that automatically adapt the running code to the nature of the underlying Grid environment.<br /> <br /> The higher the performance one can achieve for a single application by manual tuning for a Grid environment, the lower the chance that those changes are widely applicable to other programs. In our analysis as well as in our implementation we tried to keep the balance between high performance and generality. None of our changes directly affect code on the application level which makes our algorithms applicable to a whole class of real world applications.<br /> <br /> The implementation of our work is done within the Cactus framework using the Globus toolkit, since we think that these are the most reliable and advanced programming frameworks for supporting computations in Grid environments. On the other hand, however, we tried to be as general as possible, i.e. all methods and algorithms discussed in this thesis are independent of Cactus or Globus.

The requirements of modern e-learning techniques change. Aspects such as community interaction, flexibility, pervasive learning and increasing mobility in communication habits become more important. To meet these challenges e-learning platforms must provide support on mobile learning. Most approaches try to adopt centralised and static e-learning mechanisms to mobile devices. However, often technically it is not possible for all kinds of devices to be connected to a central server. Therefore we introduce an application of a mobile e-learning network which operates totally decentralised with the help of an underlying ad hoc network architecture. Furthermore the concept of ad hoc messaging network (AMNET) is used as basis system architecture for our approach to implement a platform for pervasive mobile e-learning.

Many formal descriptions of DPLL-based SAT algorithms either do not include all essential proof techniques applied by modern SAT solvers or are bound to particular heuristics or data structures. This makes it difficult to analyze proof-theoretic properties or the search complexity of these algorithms. In this paper we try to improve this situation by developing a nondeterministic proof calculus that models the functioning of SAT algorithms based on the DPLL calculus with clause learning. This calculus is independent of implementation details yet precise enough to enable a formal analysis of realistic DPLL-based SAT algorithms. / Viele formale Beschreibungen DPLL-basierter SAT-Algorithmen enthalten entweder nicht alle wesentlichen Beweistechniken, die in modernen SAT-Solvern implementiert sind, oder sind an bestimmte Heuristiken oder Datenstrukturen gebunden. Dies erschwert die Analyse beweistheoretischer Eigenschaften oder der Suchkomplexität derartiger Algorithmen. Mit diesem Artikel versuchen wir, diese Situation durch die Entwicklung eines nichtdeterministischen Beweiskalküls zu verbessern, der die Arbeitsweise von auf dem DPLL-Kalkül basierenden SAT-Algorithmen mit Klausellernen modelliert. Dieser Kalkül ist unabhängig von Implementierungsdetails, aber dennoch präzise genug, um eine formale Analyse realistischer DPLL-basierter SAT-Algorithmen zu ermöglichen.

Aspect-oriented programming, component models, and design patterns are modern and actively evolving techniques for improving the modularization of complex software. In particular, these techniques hold great promise for the development of "systems infrastructure" software, e.g., application servers, middleware, virtual machines, compilers, operating systems, and other software that provides general services for higher-level applications. The developers of infrastructure software are faced with increasing demands from application programmers needing higher-level support for application development. Meeting these demands requires careful use of software modularization techniques, since infrastructural concerns are notoriously hard to modularize. Aspects, components, and patterns provide very different means to deal with infrastructure software, but despite their differences, they have much in common. For instance, component models try to free the developer from the need to deal directly with services like security or transactions. These are primary examples of crosscutting concerns, and modularizing such concerns are the main target of aspect-oriented languages. Similarly, design patterns like Visitor and Interceptor facilitate the clean modularization of otherwise tangled concerns. Building on the ACP4IS meetings at AOSD 2002-2009, this workshop aims to provide a highly interactive forum for researchers and developers to discuss the application of and relationships between aspects, components, and patterns within modern infrastructure software. The goal is to put aspects, components, and patterns into a common reference frame and to build connections between the software engineering and systems communities.

A wide range of additional forward chaining applications could be realized with deductive databases, if their rule formalism, their immediate consequence operator, and their fixpoint iteration process would be more flexible. Deductive databases normally represent knowledge using stratified Datalog programs with default negation. But many practical applications of forward chaining require an extensible set of user–defined built–in predicates. Moreover, they often need function symbols for building complex data structures, and the stratified fixpoint iteration has to be extended by aggregation operations. We present an new language Datalog*, which extends Datalog by stratified meta–predicates (including default negation), function symbols, and user–defined built–in predicates, which are implemented and evaluated top–down in Prolog. All predicates are subject to the same backtracking mechanism. The bottom–up fixpoint iteration can aggregate the derived facts after each iteration based on user–defined Prolog predicates.

The correction of software failures tends to be very cost-intensive because their debugging is an often time-consuming development activity. During this activity, developers largely attempt to understand what causes failures: Starting with a test case that reproduces the observable failure they have to follow failure causes on the infection chain back to the root cause (defect). This idealized procedure requires deep knowledge of the system and its behavior because failures and defects can be far apart from each other. Unfortunately, common debugging tools are inadequate for systematically investigating such infection chains in detail. Thus, developers have to rely primarily on their intuition and the localization of failure causes is not time-efficient. To prevent debugging by disorganized trial and error, experienced developers apply the scientific method and its systematic hypothesis-testing. However, even when using the scientific method, the search for failure causes can still be a laborious task. First, lacking expertise about the system makes it hard to understand incorrect behavior and to create reasonable hypotheses. Second, contemporary debugging approaches provide no or only partial support for the scientific method. In this dissertation, we present test-driven fault navigation as a debugging guide for localizing reproducible failures with the scientific method. Based on the analysis of passing and failing test cases, we reveal anomalies and integrate them into a breadth-first search that leads developers to defects. This systematic search consists of four specific navigation techniques that together support the creation, evaluation, and refinement of failure cause hypotheses for the scientific method. First, structure navigation localizes suspicious system parts and restricts the initial search space. Second, team navigation recommends experienced developers for helping with failures. Third, behavior navigation allows developers to follow emphasized infection chains back to root causes. Fourth, state navigation identifies corrupted state and reveals parts of the infection chain automatically. We implement test-driven fault navigation in our Path Tools framework for the Squeak/Smalltalk development environment and limit its computation cost with the help of our incremental dynamic analysis. This lightweight dynamic analysis ensures an immediate debugging experience with our tools by splitting the run-time overhead over multiple test runs depending on developers’ needs. Hence, our test-driven fault navigation in combination with our incremental dynamic analysis answers important questions in a short time: where to start debugging, who understands failure causes best, what happened before failures, and which state properties are infected. / Die Beseitigung von Softwarefehlern kann sehr kostenintensiv sein, da die Suche nach der Fehlerursache meist sehr lange dauert. Während der Fehlersuche versuchen Entwickler vor allem die Ursache für den Fehler zu verstehen: Angefangen mit einem Testfall, welcher den sichtbaren Fehler reproduziert, folgen sie den Fehlerursachen entlang der Infektionskette bis hin zum ursprünglichen Defekt. Dieses idealisierte Vorgehen benötigt ein grundlegendes Verständnis über das Systemverhalten, da Fehler und Defekt sehr weit auseinander liegen können. Bedauerlicherweise bieten jedoch gebräuchliche Entwicklungswerkzeuge wenig Unterstützung, um solche Infektionsketten detailliert zu untersuchen. Dementsprechend müssen Entwickler primär auf ihr Gespür vertrauen, so dass die Lokalisierung von Fehlerursachen sehr viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Um ein willkürliches Vorgehen zu verhindern, verwenden erfahrene Entwickler deshalb die wissenschaftliche Methode, um systematisch Hypothesen über Fehlerursachen zu prüfen. Jedoch kann auch noch mittels der wissenschaftlichen Methode die Suche nach Fehlerursachen sehr mühsam sein, da passende Hypothesen meist manuell und ohne die systematische Hilfe von Werkzeugen aufgestellt werden müssen. Diese Dissertation präsentiert die test-getriebene Fehlernavigation als einen zusammenhängenden Wegweiser zur Beseitigung von reproduzierbaren Fehlern mit Hilfe der wissenschaftlichen Methode. Basierend auf der Analyse von funktionierenden und fehlschlagenden Testfällen werden Anomalien aufgedeckt und in eine Breitensuche integriert, um Entwickler zum Defekt zu führen. Diese systematische Suche besteht aus vier spezifischen Navigationstechniken, welche zusammen die Erstellung, Evaluierung und Verfeinerung von Hypothesen für die wissenschaftliche Methode unterstützen. Erstens grenzt die Strukturnavigation verdächtige Systemteile und den initialen Suchraum ein. Zweitens empfiehlt die Team-Navigation erfahrene Entwickler zur Behebung von Fehlern. Drittens erlaubt es die Verhaltensnavigation Entwicklern, die hervorgehobene Infektionskette eines fehl- schlagenden Testfalls zurückzuverfolgen. Viertens identifiziert die Zustandsnavigation fehlerhafte Zustände, um automatisch Teile der Infektionskette offenzulegen. Alle vier Navigationen wurden innerhalb des Path Tools Framework für die Squeak/Smalltalk Entwicklungsumgebung implementiert. Dabei bauen alle Werkzeuge auf die inkrementelle dynamische Analyse, welche die Berechnungskosten über mehrere Testdurchläufe abhängig von den Bedürfnissen des Nutzers aufteilt und somit schnelle Ergebnisse während der Fehlersuche liefert. Folglich können wichtige Fragen in kurzer Zeit beantwortet werden: Wo wird mit der Fehlersuche begonnen? Wer versteht Fehlerursachen am Besten? Was passierte bevor der Fehler auftrat? Welche Programmzustände sind betroffen?

Enacting business processes in process engines requires the coverage of control flow, resource assignments, and process data. While the first two aspects are well supported in current process engines, data dependencies need to be added and maintained manually by a process engineer. Thus, this task is error-prone and time-consuming. In this report, we address the problem of modeling processes with complex data dependencies, e.g., m:n relationships, and their automatic enactment from process models. First, we extend BPMN data objects with few annotations to allow data dependency handling as well as data instance differentiation. Second, we introduce a pattern-based approach to derive SQL queries from process models utilizing the above mentioned extensions. Therewith, we allow automatic enactment of data-aware BPMN process models. We implemented our approach for the Activiti process engine to show applicability. / Die Ausführung von Geschäftsprozessen in Process Engines benötigt Informationen über den Kontrollfluss, die Rollenzuordnungen und die Datenabhängigkeiten. Während die ersten beiden Aspekte bereits automatisiert von Process Engines unterstützt werden, müssen die Datenabhängigkeiten durch einen Prozessingenieur manuell hinzugefügt und gewartet werden. Allerdings ist diese Aufgabe sehr fehleranfällig und zeitintensiv. In diesem Report zeigen wir wie Prozesse mit komplexen Datenabhängigkeiten, z.B. m:n Beziehungen, modelliert und automatisiert ausgeführt werden können. Dazu erweitern wir zuerst BPMN Datenobjekte mit wenigen Annotationen, um das Handling von Datenabhängikeiten sowie die Differenzierung von Datenobjektinstanzen zu ermöglichen. Danach beschreiben wir einen Pattern-basierten Ansatz, um SQL-Queries, unter Nutzung der oben erwähnten Erweiterungen, aus Prozessmodellen abzuleiten. Damit erlauben wir die automatisierte Ausführung von Daten-orientierten BPMN Prozessmodellen. Um die Anwendbarkeit unseres Ansatzen zu demonstieren, implementierten wir ihn für die Process Engine Activiti.