Enterprise Systeme werden immer mehr von Bedeutung, was sie in die Mitte der Aufmerksamkeit und der Berücksichtigung durch Organisationen in verschiedensten Formen rückt – seien es Unternehmen oder Industrien von riesigen öffentlichen oder privaten Organisationen bis hin zu mittleren und kleinen Dienstleistungsunternehmen. Diese Systeme verbessern sich ständig, sowohl funktionell, als auch technologisch und sie sind unumgänglich für Unternehmen, um ihre Produktivität zu vergrößern und um in dem nationalen und globalen Wettbewerb mitzuhalten. Da lokale Softwarelösungen die Bedingungen, speziell von großen Betrieben, funktionell und technologisch nicht erfüllen konnten und da riesige globale Softwarehersteller, wie SAP, Oracle und Microsoft ihre Lösungen rapide verbessern und sie ihren Markt immer mehr über den Globus expandieren, nimmt die Nachfrage für diese globalen Marken und deren nahezu einwandfreien Softwarelösungen täglich zu. Die Zustimmung für internationale ERP Unternehmensberatungsanwendungen nimmt deswegen exponentiell zu, während die Forschung der beeinflussenden Faktoren und des Fachwissens wenig verbreitet ist. Deswegen ist es so dringlich, dieses Gebiet zu erforschen. Das schlussendliche fünf-in-fünf Framework dieser Studie sammelt zum ersten Mal in der Geschichte alle historisch erwähnten, kritischen Erfolgsfaktoren und Projektaktivitäten. Diese wurden in fünf Phasen unterteilt und nach den fünf Schwerpunkten der internationalen ERP Projektdurchführung kategorisiert. Dieses Framework bietet einen Überblick und bildet einen umfassenden Fahrplan für solche Projekte. / The importance of enterprise systems is increasingly growing and they are in the center of attention and consideration by organizations in various types of business and industries from extra-large public or private organizations to small and medium-sized service sector business. These systems are continuously advancing functionally and technologically and are inevitable and ineluctable for the enterprises to maximize their productivity and integration in current competitive national and global business environments. Also, since local software solutions could not meet the requirements of especially large enterprises functionally and technically, and as giant global enterprise software producers like SAP, Oracle and Microsoft are improving their solutions rapidly and since they are expanding their market to more corners of the globe, demand for these globally branded low-defect software solutions is daily ascending. The agreements for international ERP implementation project consultancy are, therefore, exponentially increasing, while the research on the influencing factors and know-hows is scattered and rare, and thus, a timely urgency for this field of research is being felt. The final developed five-in-five framework of this study, for the first time, collects all mentioned-in-the-history critical success factors and project activities, while sequencing them in five phases and categorizing them in five focus areas for international ERP implementation projects. This framework provides a bird’s-eye view and draws a comprehensive roadmap or instruction for such projects.

A key functionality of cloud systems are automated resource management mechanisms at the infrastructure level. As part of this, elastic scaling of allocated resources is realized by so-called auto-scalers that are supposed to match the current demand in a way that the performance remains stable while resources are efficiently used. The process of rating cloud infrastructure offerings in terms of the quality of their achieved elastic scaling remains undefined. Clear guidance for the selection and configuration of an auto-scaler for a given context is not available. Thus, existing operating solutions are optimized in a highly application specific way and usually kept undisclosed. The common state of practice is the use of simplistic threshold-based approaches. Due to their reactive nature they incur performance degradation during the minutes of provisioning delays. In the literature, a high-number of auto-scalers has been proposed trying to overcome the limitations of reactive mechanisms by employing proactive prediction methods. In this thesis, we identify potentials in automated cloud system resource management and its evaluation methodology. Specifically, we make the following contributions: We propose a descriptive load profile modeling framework together with automated model extraction from recorded traces to enable reproducible workload generation with realistic load intensity variations. The proposed Descartes Load Intensity Model (DLIM) with its Limbo framework provides key functionality to stress and benchmark resource management approaches in a representative and fair manner. We propose a set of intuitive metrics for quantifying timing, stability and accuracy aspects of elasticity. Based on these metrics, we propose a novel approach for benchmarking the elasticity of Infrastructure-as-a-Service (IaaS) cloud platforms independent of the performance exhibited by the provisioned underlying resources. We tackle the challenge of reducing the risk of relying on a single proactive auto-scaler by proposing a new self-aware auto-scaling mechanism, called Chameleon, combining multiple different proactive methods coupled with a reactive fallback mechanism. Chameleon employs on-demand, automated time series-based forecasting methods to predict the arriving load intensity in combination with run-time service demand estimation techniques to calculate the required resource consumption per work unit without the need for a detailed application instrumentation. It can also leverage application knowledge by solving product-form queueing networks used to derive optimized scaling actions. The Chameleon approach is first in resolving conflicts between reactive and proactive scaling decisions in an intelligent way. We are confident that the contributions of this thesis will have a long-term impact on the way cloud resource management approaches are assessed. While this could result in an improved quality of autonomic management algorithms, we see and discuss arising challenges for future research in cloud resource management and its assessment methods: The adoption of containerization on top of virtual machine instances introduces another level of indirection. As a result, the nesting of virtual resources increases resource fragmentation and causes unreliable provisioning delays. Furthermore, virtualized compute resources tend to become more and more inhomogeneous associated with various priorities and trade-offs. Due to DevOps practices, cloud hosted service updates are released with a higher frequency which impacts the dynamics in user behavior. / Eine Schlüsselfunktionalität von Cloud-Systemen sind automatisierte Mechanismen zur Ressourcenverwaltung auf Infrastrukturebene. Als Teil hiervon wird das elastische Skalieren der allokierten Ressourcen durch eigene Mechanismen realisiert. Diese sind dafür verantwortlich, dass die dynamische Ressourcenzuteilung die aktuelle Nachfrage in einem Maße trifft, welches die Performance stabil hält und gleichzeitig Ressourcen effizient auslastet. Prozesse, welche die Bewertung der Qualität von elastischem Skalierungsverhalten in der Realität ermöglichen, sind derzeit nicht umfassend definiert. Folglich fehlt es an Leitfäden und Entscheidungskriterien bei der Auswahl und Konfiguration automatisch skalierender Mechanismen. In der Praxis zum Einsatz kommende Lösungen sind auf ihr Anwendungsszenario optimiert und werden in fast allen Fällen unter Verschluss gehalten. Mehrheitlich werden einfache, schwellenwertbasierte Regelungsansätze eingesetzt. Diese nehmen aufgrund ihres inhärent reaktiven Charakters verschlechterte Performance während der Bereitstellungsverzögerung im Minutenbereich in Kauf. In der Literatur wird eine große Anzahl an Mechanismen zur automatischen Skalierung vorgeschlagen, welche versuchen, diese Einschränkung durch Einsatz von Schätzverfahren zu umgehen. Diese können in Ansätze aus der Warteschlangentheorie, der Kontrolltheorie, der Zeitreihenanalyse und des maschinellen Lernens eingeteilt werden. Jedoch erfreuen sich prädiktive Mechanismen zum automatischen Skalieren aufgrund des damit verknüpften hohen Risikos, sich auf einzelne Schätzverfahren zu verlassen, bislang keines breiten Praxiseinsatzes. Diese Dissertation identifiziert Potenziale im automatisierten Ressourcenmanagement von Cloud-Umgebungen und deren Bewertungsverfahren. Die Beiträge liegen konkret in den folgenden Punkten: Es wird eine Sprache zur deskriptiven Modellierung von Lastintensitätsprofilen und deren automatischer Extraktion aus Aufzeichnungen entwickelt, um eine wiederholbare Generierung von realistischen und in ihrer Intensität variierenden Arbeitslasten zu ermöglichen. Das vorgeschlagene Descartes Lastintensitätsmodell (DLIM) zusammen mit dem Limbo Software-Werkzeug stellt hierbei Schlüsselfunktionalitäten zur repräsentativen Arbeitslastgenerierung und fairen Bewertung von Ressourcenmanagementansätzen zur Verfügung. Es wird eine Gruppe intuitiver Metriken zur Quantifizierung der zeit-, genauigkeits- und stabilitätsbezogenen Qualitätsaspekte elastischen Verhaltens vorgeschlagen. Basierend auf diesen zwischenzeitlich von der Forschungsabteilung der Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC) befürworteten Metriken, wird ein neuartiges Elastizitätsmessverfahren zur fairen Bewertung von Infrastruktur-Cloud-Dienstleistungen, unabhängig von der Leistungsfähigkeit der zugrunde liegenden Ressourcen, entwickelt. Durch die Entwicklung eines neuartigen, hybriden Ansatzes zum automatischen Skalieren, genannt Chameleon, wird das Risiko reduziert, welches sich aus dem Einsatz einzelner proaktiver Methoden automatischen Skalierens ergibt. Chameleon kombiniert mehrere verschiedene proaktive Methoden und ist mit einer reaktiven Rückfallebene gekoppelt. Dazu verwendet Chameleon bei Bedarf automatische Zeitreihenvorhersagen, um ankommende Arbeitslasten abzuschätzen. Ergänzend dazu kommen Techniken der Serviceanforderungsabschätzung zur Systemlaufzeit zum Einsatz, um den Ressourcenverbrauch einzelner Arbeitspakete in etwa zu bestimmen, ohne dass eine feingranulare Instrumentierung der Anwendung erforderlich ist. Abgesehen davon nutzt Chameleon anwendungsbezogenes Wissen, um Warteschlangennetze in Produktform zu lösen und optimale Skalierungsaktionen abzuleiten. Der Chameleon-Ansatz ist der erste seiner Art, welcher Konflikte zwischen reaktiven und proaktiven Skalierungsaktionen in intelligenter Art und Weise aufzulösen vermag. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Beiträge dieser Dissertation auf lange Sicht die Art und Weise beeinflussen dürften, in welcher Ressourcenmanagementansätze in Cloudumgebungen bewertet werden. Ein Ergebnis wäre unter anderem eine verbesserte Qualität der Algorithmen für ein automatisches Ressourcenmanagement. Als Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten werden aufkommende Herausforderungen identifiziert und diskutiert: Die Einführung der Containerisierung innerhalb von virtuellen Maschineninstanzen bewirkt eine weitere Ebene der Indirektion. Als Folge dieser Verschachtelung der virtuellen Ressourcen wird die Fragmentierung erhöht und unzuverlässige Bereitstellungsverzögerungen verursacht. Außerdem tendieren die virtualisierten Rechenressourcen aufgrund von Priorisierung und Zielkonflikten mehr und mehr zu inhomogenen Systemlandschaften. Aufgrund von DevOps-Praktiken werden Softwareupdates von Diensten in Cloudumgebungen mit einer höheren Frequenz durchgeführt, welche sich auf das Benutzungsverhalten dynamisierend auswirken kann.

Telemedicine uses telecommunication and information technology to provide health care services over spatial distances. In the upcoming demographic changes towards an older average population age, especially rural areas suffer from a decreasing doctor to patient ratio as well as a limited amount of available medical specialists in acceptable distance. These areas could benefit the most from telemedicine applications as they are known to improve access to medical services, medical expertise and can also help to mitigate critical or emergency situations. Although the possibilities of telemedicine applications exist in the entire range of healthcare, current systems focus on one specific disease while using dedicated hardware to connect the patient with the supervising telemedicine center. This thesis describes the development of a telemedical system which follows a new generic design approach. This bridges the gap of existing approaches that only tackle one specific application. The proposed system on the contrary aims at supporting as many diseases and use cases as possible by taking all the stakeholders into account at the same time. To address the usability and acceptance of the system it is designed to use standardized hardware like commercial medical sensors and smartphones for collecting medical data of the patients and transmitting them to the telemedical center. The smartphone can also act as interface to the patient for health questionnaires or feedback. The system can handle the collection and transport of medical data, analysis and visualization of the data as well as providing a real time communication with video and audio between the users. On top of the generic telemedical framework the issue of scalability is addressed by integrating a rule-based analysis tool for the medical data. Rules can be easily created by medical personnel via a visual editor and can be personalized for each patient. The rule-based analysis tool is extended by multiple options for visualization of the data, mechanisms to handle complex rules and options for performing actions like raising alarms or sending automated messages. It is sometimes hard for the medical experts to formulate their knowledge into rules and there may be information in the medical data that is not yet known. This is why a machine learning module was integrated into the system. It uses the incoming medical data of the patients to learn new rules that are then presented to the medical personnel for inspection. This is in line with European legislation where the human still needs to be in charge of such decisions. Overall, we were able to show the benefit of the generic approach by evaluating it in three completely different medical use cases derived from specific application needs: monitoring of COPD (chronic obstructive pulmonary disease) patients, support of patients performing dialysis at home and councils of intensive-care experts. In addition the system was used for a non-medical use case: monitoring and optimization of industrial machines and robots. In all of the mentioned cases, we were able to prove the robustness of the generic approach with real users of the corresponding domain. This is why we can propose this approach for future development of telemedical systems. / Telemedizin nutzt Telekommunikation und Informationstechnologie, um medizinische Dienstleistungen über räumliche Distanzen hinweg zu ermöglichen. Durch den demographischen Wandel hin zu einer älteren Bevölkerung, verschlechtert sich vor allem im ländlichen Raum der Betreuungsschlüssel zwischen (Fach-)ärzten und Patienten, während Experten in den jeweiligen medizinischen Spezialgebieten sehr weit verteilt sind und Anfahrtswege immer weiter werden. Gerade der ländliche Raum profitiert von der Telemedizin. Anfahrtswege entfallen, wenn Untersuchungen oder ärztliche Konzile über Telemedizinsysteme abgewickelt werden. Kritische Situationen können entschärft oder vermieden werden, wenn Spezialisten durch Telemedizin frühzeitig eingebunden werden. Aktuelle Telemedizinsysteme sind allerdings generell auf ein bestimmtes Krankheitsbild beschränkt und verwenden dedizierte Hardware, um den Patienten mit dem telemedizinischen Zentrum zu verbinden, obwohl ein breiteres Anwendungsspektrum in der gesamten Gesundheitsversorgung denkbar ist. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Telemedizinsystems, das darauf ausgelegt ist das System so generisch zu planen und zu entwickeln, dass möglichst viele Krankheitsbilder und Anwendungsfälle abgebildet werden können. Dafür werden alle möglichen Beteiligten des Systems mit berücksichtigt und einbezogen. Um das Telemedizinsystem bedienerfreundlich zu gestalten und die Akzeptanz zu erhöhen, wurde auf den Einsatz von Standardhardware, wie kommerzielle medizinische Sensorik oder Smartphones, hoher Wert gelegt. Das Smartphone dient dabei unter anderem als Patientengerät, das die Daten verschiedenster Sensorik auslesen, aggregieren und an das zentrale System weiterleiten kann. Es kann interaktive Fragebögen anzeigen und verwendet werden, um dem Patienten Feedback zu den Daten zu geben. Das Telemedizinsystem unterstützt die komplette Kette der telemedizinischen Datenverarbeitung, von der Aufnahme der Daten über den abgesicherten Transport bis hin zur Analyse und Visualisierung der Daten. Zusätzlich wird eine Kommunikationsmöglichkeit der Beteiligten über Audio- oder Videotelefonie zur Verfügung gestellt. Um die Skalierbarkeit des Systems zu erhöhen, wurde ein regelbasiertes Auswertesystem für die Patientendaten implementiert. Das medizinische Personal kann über ein einfach zu bedienendes grafisches Interface patientenindividuelle Regeln anlegen. Das Regelsystem ist in der Lage die Daten anhand komplexer Regeln zu analysieren, Visualisierungen zu erzeugen oder Aktionen auszulösen, wie beispielsweise einen Alarm zu geben, wenn die Werte des Patienten sich verschlechtern. Es kommt vor, dass die Experten ihr Wissen nicht in konkrete Regeln formulieren können oder dass Wissen in den Daten steckt, das den Experten selbst nicht bekannt ist. Deshalb kommt ein weiteres Modul zum Einsatz, das anhand der eingehenden Daten mittels maschinellem Lernen neue Regeln erzeugt und dem Fachpersonal zur Überprüfung vorschlägt. Die letzte Entscheidung liegt immer bei dem jeweiligen Fachpersonal, so dass das System konform zu aktuellem europäischem Recht arbeitet. Der generische Ansatz des Telemedizinsystems wurde in drei verschiedenen medizinischen Anwendungsszenarien mit den entsprechenden Anwendern getestet: Langzeitmonitoring von COPD (chronisch obstruktive Lungenerkrankung) Patienten, Unterstützung von Heimdialyse Patienten und intensivmedizinische Konsile. Zusätzlich wurde das System im industriellen Anwendungskontext zum Überwachen und Optimieren von Industrieanlagen und Industrierobotern eingesetzt. In allen Anwendungsfällen konnten wir die Machbarkeit des Systems zeigen und mit Anwendern aus dem jeweiligen Fachbereich evaluieren. Das System kann somit als robuste Grundlage für die Entwicklung weiterer Telemedizinsysteme und Anwendungen dienen.

With the introduction of Software-defined Networking (SDN) in the late 2000s, not only a new research field has been created, but a paradigm shift was initiated in the broad field of networking. The programmable network control by SDN is a big step, but also a stumbling block for many of the established network operators and vendors. As with any new technology the question about the maturity and the productionreadiness of it arises. Therefore, this thesis picks specific features of SDN and analyzes its performance, reliability, and availability in scenarios that can be expected in production deployments. The first SDN topic is the performance impact of application traffic in the data plane on the control plane. Second, reliability and availability concerns of SDN deployments are exemplary analyzed by evaluating the detection performance of a common SDN controller. Thirdly, the performance of P4, a technology that enhances SDN, or better its impact of certain control operations on the processing performance is evaluated. / Mit der Einführung von Software-definierten Netzwerken (SDN) in den späten 2000ern wurde nicht nur ein neues Forschungsfeld begründet sondern auch ein Paradigmenwechsel im breiten Feld der Netzwerktechnik eingeleitet. Die programmierbare Kontrolle über das Netzwerk durch SDN ist eine großer Schritt, aber auch ein Stolperstein für viele der etablierten Netzwerk Operatoren und Hersteller. Wie mit jeder neuen Technologie stellt sich die Frage über die Reife und die Eignung für den Produktionseinsatz. Diese Arbeit wählt deswegen drei spezifische Eigenschaften von SDN und untersucht sie auf ihre Performanz, Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit in Szenarien die so in Produktionsumgebungen zu erwarten sind. Das erste SDN Thema ist der Einfluss von Applikationsverkehr in der Data Plane auf die Performanz in der Control Plane. Als zweites Thema werden die Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsbedenken von SDN Installationen exemplarisch durch die Evaluation der Erkennungsperformanz eines gängigen SDN Controllers analyisiert.Schließlich wird die Verarbeitungsperformanz von P4, einer Technolgie die SDN erweitert, anhand eines Beispiels evaluiert.

The importance of proactive and timely prediction of critical events is steadily increasing, whether in the manufacturing industry or in private life. In the past, machines in the manufacturing industry were often maintained based on a regular schedule or threshold violations, which is no longer competitive as it causes unnecessary costs and downtime. In contrast, the predictions of critical events in everyday life are often much more concealed and hardly noticeable to the private individual, unless the critical event occurs. For instance, our electricity provider has to ensure that we, as end users, are always supplied with sufficient electricity, or our favorite streaming service has to guarantee that we can watch our favorite series without interruptions. For this purpose, they have to constantly analyze what the current situation is, how it will develop in the near future, and how they have to react in order to cope with future conditions without causing power outages or video stalling. In order to analyze the performance of a system, monitoring mechanisms are often integrated to observe characteristics that describe the workload and the state of the system and its environment. Reactive systems typically employ thresholds, utility functions, or models to determine the current state of the system. However, such reactive systems cannot proactively estimate future events, but only as they occur. In the case of critical events, reactive determination of the current system state is futile, whereas a proactive system could have predicted this event in advance and enabled timely countermeasures. To achieve proactivity, the system requires estimates of future system states. Given the gap between design time and runtime, it is typically not possible to use expert knowledge to a priori model all situations a system might encounter at runtime. Therefore, prediction methods must be integrated into the system. Depending on the available monitoring data and the complexity of the prediction task, either time series forecasting in combination with thresholding or more sophisticated machine and deep learning models have to be trained. Although numerous forecasting methods have been proposed in the literature, these methods have their advantages and disadvantages depending on the characteristics of the time series under consideration. Therefore, expert knowledge is required to decide which forecasting method to choose. However, since the time series observed at runtime cannot be known at design time, such expert knowledge cannot be implemented in the system. In addition to selecting an appropriate forecasting method, several time series preprocessing steps are required to achieve satisfactory forecasting accuracy. In the literature, this preprocessing is often done manually, which is not practical for autonomous computing systems, such as Self-Aware Computing Systems. Several approaches have also been presented in the literature for predicting critical events based on multivariate monitoring data using machine and deep learning. However, these approaches are typically highly domain-specific, such as financial failures, bearing failures, or product failures. Therefore, they require in-depth expert knowledge. For this reason, these approaches cannot be fully automated and are not transferable to other use cases. Thus, the literature lacks generalizable end-to-end workflows for modeling, detecting, and predicting failures that require only little expert knowledge. To overcome these shortcomings, this thesis presents a system model for meta-self-aware prediction of critical events based on the LRA-M loop of Self-Aware Computing Systems. Building upon this system model, this thesis provides six further contributions to critical event prediction. While the first two contributions address critical event prediction based on univariate data via time series forecasting, the three subsequent contributions address critical event prediction for multivariate monitoring data using machine and deep learning algorithms. Finally, the last contribution addresses the update procedure of the system model. Specifically, the seven main contributions of this thesis can be summarized as follows: First, we present a system model for meta self-aware prediction of critical events. To handle both univariate and multivariate monitoring data, it offers univariate time series forecasting for use cases where a single observed variable is representative of the state of the system, and machine learning algorithms combined with various preprocessing techniques for use cases where a large number of variables are observed to characterize the system’s state. However, the two different modeling alternatives are not disjoint, as univariate time series forecasts can also be included to estimate future monitoring data as additional input to the machine learning models. Finally, a feedback loop is incorporated to monitor the achieved prediction quality and trigger model updates. We propose a novel hybrid time series forecasting method for univariate, seasonal time series, called Telescope. To this end, Telescope automatically preprocesses the time series, performs a kind of divide-and-conquer technique to split the time series into multiple components, and derives additional categorical information. It then forecasts the components and categorical information separately using a specific state-of-the-art method for each component. Finally, Telescope recombines the individual predictions. As Telescope performs both preprocessing and forecasting automatically, it represents a complete end-to-end approach to univariate seasonal time series forecasting. Experimental results show that Telescope achieves enhanced forecast accuracy, more reliable forecasts, and a substantial speedup. Furthermore, we apply Telescope to the scenario of predicting critical events for virtual machine auto-scaling. Here, results show that Telescope considerably reduces the average response time and significantly reduces the number of service level objective violations. For the automatic selection of a suitable forecasting method, we introduce two frameworks for recommending forecasting methods. The first framework extracts various time series characteristics to learn the relationship between them and forecast accuracy. In contrast, the other framework divides the historical observations into internal training and validation parts to estimate the most appropriate forecasting method. Moreover, this framework also includes time series preprocessing steps. Comparisons between the proposed forecasting method recommendation frameworks and the individual state-of-the-art forecasting methods and the state-of-the-art forecasting method recommendation approach show that the proposed frameworks considerably improve the forecast accuracy. With regard to multivariate monitoring data, we first present an end-to-end workflow to detect critical events in technical systems in the form of anomalous machine states. The end-to-end design includes raw data processing, phase segmentation, data resampling, feature extraction, and machine tool anomaly detection. In addition, the workflow does not rely on profound domain knowledge or specific monitoring variables, but merely assumes standard machine monitoring data. We evaluate the end-to-end workflow using data from a real CNC machine. The results indicate that conventional frequency analysis does not detect the critical machine conditions well, while our workflow detects the critical events very well with an F1-score of almost 91%. To predict critical events rather than merely detecting them, we compare different modeling alternatives for critical event prediction in the use case of time-to-failure prediction of hard disk drives. Given that failure records are typically significantly less frequent than instances representing the normal state, we employ different oversampling strategies. Next, we compare the prediction quality of binary class modeling with downscaled multi-class modeling. Furthermore, we integrate univariate time series forecasting into the feature generation process to estimate future monitoring data. Finally, we model the time-to-failure using not only classification models but also regression models. The results suggest that multi-class modeling provides the overall best prediction quality with respect to practical requirements. In addition, we prove that forecasting the features of the prediction model significantly improves the critical event prediction quality. We propose an end-to-end workflow for predicting critical events of industrial machines. Again, this approach does not rely on expert knowledge except for the definition of monitoring data, and therefore represents a generalizable workflow for predicting critical events of industrial machines. The workflow includes feature extraction, feature handling, target class mapping, and model learning with integrated hyperparameter tuning via a grid-search technique. Drawing on the result of the previous contribution, the workflow models the time-to-failure prediction in terms of multiple classes, where we compare different labeling strategies for multi-class classification. The evaluation using real-world production data of an industrial press demonstrates that the workflow is capable of predicting six different time-to-failure windows with a macro F1-score of 90%. When scaling the time-to-failure classes down to a binary prediction of critical events, the F1-score increases to above 98%. Finally, we present four update triggers to assess when critical event prediction models should be re-trained during on-line application. Such re-training is required, for instance, due to concept drift. The update triggers introduced in this thesis take into account the elapsed time since the last update, the prediction quality achieved on the current test data, and the prediction quality achieved on the preceding test data. We compare the different update strategies with each other and with the static baseline model. The results demonstrate the necessity of model updates during on-line application and suggest that the update triggers that consider both the prediction quality of the current and preceding test data achieve the best trade-off between prediction quality and number of updates required. We are convinced that the contributions of this thesis constitute significant impulses for the academic research community as well as for practitioners. First of all, to the best of our knowledge, we are the first to propose a fully automated, end-to-end, hybrid, component-based forecasting method for seasonal time series that also includes time series preprocessing. Due to the combination of reliably high forecast accuracy and reliably low time-to-result, it offers many new opportunities in applications requiring accurate forecasts within a fixed time period in order to take timely countermeasures. In addition, the promising results of the forecasting method recommendation systems provide new opportunities to enhance forecasting performance for all types of time series, not just seasonal ones. Furthermore, we are the first to expose the deficiencies of the prior state-of-the-art forecasting method recommendation system. Concerning the contributions to critical event prediction based on multivariate monitoring data, we have already collaborated closely with industrial partners, which supports the practical relevance of the contributions of this thesis. The automated end-to-end design of the proposed workflows that do not demand profound domain or expert knowledge represents a milestone in bridging the gap between academic theory and industrial application. Finally, the workflow for predicting critical events in industrial machines is currently being operationalized in a real production system, underscoring the practical impact of this thesis. / Die Bedeutung einer proaktiven und rechtzeitigen Vorhersage von kritischen Ereignissen nimmt immer weiter zu, sei es in der Fertigungsindustrie oder im Privatleben. In der Vergangenheit wurden Maschinen in der Fertigungsindustrie oft auf der Grundlage eines regelmäßigen Zeitplans oder aufgrund von Grenzwertverletzungen gewartet, was heutzutage nicht mehr wettbewerbsfähig ist, da es unnötige Kosten und Ausfallzeiten verursacht. Im Gegensatz dazu sind die Vorhersagen von kritischen Ereignissen im Alltag oft wesentlich versteckter und für die Privatperson kaum spürbar, es sei denn das kritische Ereignis tritt ein. So muss zum Beispiel unser Stromanbieter dafür sorgen, dass wir als Endverbraucher immer ausreichend mit Strom versorgt werden, oder unser Streaming-Dienst muss garantieren, dass wir unsere Lieblingsserie jederzeit ohne Unterbrechungen anschauen können. Hierzu müssen diese ständig analysieren wie der aktuelle Zustand ist, wie er sich in naher Zukunft entwickeln wird und wie sie reagieren müssen, um die zukünftigen Bedingungen zu bewältigen, ohne dass es zu Stromausfällen oder Videoabbrüchen kommt. Zur Analyse der Leistung eines Systems werden häufig Überwachungsmechanismen integriert, um Merkmale zu beobachten, die die Arbeitslast und den Zustand des Systems und seiner Umgebung abbilden. Reaktive Systeme verwenden typischerweise Schwellenwerte, Nutzenfunktionen oder Modelle, um den aktuellen Zustand des Systems zu bestimmen. Allerdings können solche reaktiven Systeme zukünftige Ereignisse nicht proaktiv abschätzen, sondern lediglich sobald diese eintreten. Bei kritischen Ereignissen ist die reaktive Bestimmung des aktuellen Systemzustands jedoch zwecklos, während ein proaktives System dieses Ereignis im Voraus hätte vorhersagen und rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleiten können. Um Proaktivität zu erreichen, benötigt das System Abschätzungen über zukünftige Systemzustände. Angesichts der Kluft zwischen Entwurfszeit und Laufzeit ist es typischerweise nicht möglich Expertenwissen zu verwenden, um alle Situationen zu modellieren, auf die ein System zur Laufzeit stoßen könnte. Daher müssen Vorhersagemethoden in das System integriert werden. Abhängig von den verfügbaren Überwachungsdaten und der Komplexität der Vorhersageaufgabe müssen entweder Zeitreihenprognosen in Kombination mit Schwellenwerten oder ausgefeiltere Modelle des „Machine Learning“ und „Deep Learning“ trainiert werden. Obwohl in der Literatur schon zahlreiche Zeitreihenprognosemethoden vorgeschlagen wurden, haben alle diese Methoden in Abhängigkeit der Eigenschaften der betrachteten Zeitreihen ihre Vor- und Nachteile. Daher ist Expertenwissen erforderlich, um zu entscheiden, welche Zeitreihenprognosemethode gewählt werden sollte. Da jedoch die zur Laufzeit beobachteten Zeitreihen zur Entwurfszeit nicht bekannt sein können, lässt sich ein solches Expertenwissen nicht im System integrieren. Zusätzlich zur Auswahl einer geeigneten Zeitreihenprognosemethode sind mehrere Zeitreihenvorverarbeitungsschritte erforderlich, um eine zufriedenstellende Prognosegenauigkeit zu erreichen. In der Literatur wird diese Vorverarbeitung oft manuell durchgeführt, was für autonome Computersysteme, wie z. B. „Self-Aware Computing Systems“, nicht praktikabel ist. Hinsichtlich der Vorhersage kritischer Ereignisse auf der Grundlage multivariater Überwachungsdaten wurden in der Literatur auch bereits mehrere Ansätze unter Verwendung von „Machine Learning“ und „Deep Learning“ vorgestellt. Diese Ansätze sind jedoch typischerweise sehr domänenspezifisch, wie z. B. für finanzielle Zusammenbrüche, Lagerschäden oder Produktfehler. Aus diesem Grund erfordern sie umfassendes Expertenwissen. Durch den spezifischen Zuschnitt auf die jeweilige Domäne können diese Ansätze nicht vollständig automatisiert werden und sind nicht auf andere Anwendungsfälle übertragbar. Somit fehlt es in der Literatur an verallgemeinerbaren Ende-zu-Ende Prozessen zur Modellierung, Erkennung und Vorhersage von Ausfällen, die lediglich wenig Expertenwissen erfordern. Um diese Unzulänglichkeiten zu überwinden, wird in dieser Arbeit ein Systemmodell zur meta-selbstbewussten Vorhersage kritischer Ereignisse vorgestellt, das auf der LRA-M-Schleife von „Self-Aware Computing Systems“ basiert. Aufbauend auf diesem Systemmodell liefert diese Arbeit sechs weitere Beiträge zur Vorhersage kritischer Ereignisse. Während sich die ersten beiden Beiträge mit der Vorhersage kritischer Ereignisse auf der Basis univariater Daten mittels Zeitreihenprognose befassen, adressieren die drei folgenden Beiträge die Vorhersage kritischer Ereignisse für multivariate Überwachungsdaten unter Verwendung von „Machine Learning“ und „Deep Learning“ Algorithmen. Der letzte Beitrag schließlich behandelt das Aktualisierungsverfahren des Systemmodells. Im Einzelnen lassen sich die sieben Hauptbeiträge dieser Arbeit wie folgt zusammenfassen: Zunächst stellen wir ein Systemmodell für die meta-selbstbewusste Vorhersage von kritischen Ereignissen vor. Um sowohl univariate als auch multivariate Überwachungsdaten verarbeiten zu können, bietet es univariate Zeitreihenprognosen für Anwendungsfälle, in denen eine einzelne Beobachtungsgröße repräsentativ für den Zustand des Systems ist, sowie „Machine Learning“ und „Deep Learning“ Algorithmen in Kombination mit verschiedenen Vorverarbeitungstechniken für Anwendungsfälle, in denen eine große Anzahl von Variablen beobachtet wird, um den Zustand des Systems zu charakterisieren. Die beiden unterschiedlichen Modellierungsalternativen sind jedoch nicht disjunkt, da auch univariate Zeitreihenprognosen einbezogen werden können, um zukünftige Überwachungsdaten als zusätzliche Eingabe für die „Machine Learning“ und „Deep Learning“ Modelle zu schätzen. Schließlich ist eine Rückkopplungsschleife eingebaut, die die erreichte Vorhersagequalität überwacht und gegebenenfalls Modellaktualisierungen auslöst. Wir präsentieren eine neuartige, hybride Zeitreihenvorhersagemethode für univariate, saisonale Zeitreihen, die wir Telescope nennen. Telescope verarbeitet die Zeitreihe automatisch vor, führt eine Art „Divide-and-Conquer“ Technik durch, welche die Zeitreihe in mehrere Komponenten unterteilt, und leitet zusätzliche kategoriale Informationen ab. Anschließend prognostiziert es die Komponenten und kategorialen Informationen getrennt voneinander mit einer spezifischen Methode für jede Komponente. Abschließend setzt Telescope die einzelnen Vorhersagen wieder zusammen. Da Telescope alle Vorverarbeitungsschritte und Vorhersagen automatisch durchführt, stellt es einen vollständigen Ende-zu-Ende Ansatz für univariate, saisonale Zeitreihenvorhersagen dar. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Telescope eine verbesserte Vorhersagegenauigkeit, zuverlässigere Vorhersagen und eine erhebliche Beschleunigung erreicht. Darüber hinaus wenden wir Telescope für die Vorhersage kritischer Ereignisse bei der automatischen Skalierung von virtuellen Maschinen an. Die Ergebnisse belegen, dass Telescope die durchschnittliche Antwortzeit erheblich reduziert und die Anzahl der Verletzungen der Service Level Zielvorgaben signifikant verringert. Für die automatische Auswahl einer geeigneten Zeitreihenprognosemethode führen wir zwei Empfehlungssysteme ein. Das erste System extrahiert verschiedene Zeitreihencharakteristika, um die Beziehung zwischen ihnen und der Prognosegenauigkeit zu erlernen. Im Gegensatz dazu unterteilt das zweite System die historischen Beobachtungen in interne Trainings- und Validierungsteile, um die am besten geeignete Zeitreihenprognosemethode zu schätzen. Außerdem beinhaltet letzteres System auch Zeitreihenvorverarbeitungsschritte. Vergleiche zwischen den vorgeschlagenen Empfehlungssystemen für Zeitreihenprognosemethoden und den einzelnen Prognosemethoden sowie dem Ansatz zur Empfehlung von Zeitreihenprognosemethoden nach dem Stand der Technik ergeben, dass die vorgeschlagenen Systeme die Prognosegenauigkeit erheblich verbessern. Im Hinblick auf multivariate Überwachungsdaten stellen wir zunächst einen Ende-zu-Ende Prozess vor, mit dem kritische Ereignisse in technischen Systemen in Form von anomalen Maschinenzuständen erkannt werden können. Der Ende-zu-Ende Entwurf umfasst die Rohdatenverarbeitung, die Phasensegmentierung, das Datenresampling, die Merkmalsextraktion und die Maschinenanomalieerkennung. Darüber hinaus stützt sich der Prozess explizit nicht auf tiefgreifendes Domänenwissen oder spezifische Überwachungsgrößen, sondern setzt lediglich gängige Maschinenüberwachungsdaten voraus. Wir evaluieren den Ende-zu-Ende Prozess anhand von Daten einer realen CNC-Maschine. Die Ergebnisse zeigen, dass die konventionelle Frequenzanalyse die kritischen Maschinenzustände nicht gut erkennt, während unser Prozess die kritischen Ereignisse mit einem F1-Wert von fast 91% sehr gut identifiziert. Um kritische Ereignisse vorherzusagen, anstatt sie nur reaktiv zu erkennen, vergleichen wir verschiedene Modellierungsalternativen für die Vorhersage kritischer Ereignisse im Anwendungsfall der Vorhersage der Zeit bis zum nächsten Fehler von Festplattenlaufwerken. Da Fehlerdatensätze typischerweise wesentlich seltener sind als Instanzen, die den Normalzustand repräsentieren, setzen wir verschiedene Strategien zum Erzeugen künstlicher Fehlerinstanzen ein. Im nächsten Schritt vergleichen wir die Vorhersagequalität der binären Klassenmodellierung mit der herunterskalierten Mehrklassenmodellierung. Des Weiteren integrieren wir die univariate Zeitreihenprognose in den Merkmalsgenerierungsprozess, um so die zukünftigen Überwachungsdaten zu schätzen. Schließlich modellieren wir die Zeit bis zum nächsten Fehler nicht nur mithilfe von Klassifikationsmodellen, sondern auch mit Regressionsmodellen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Mehrklassenmodellierung die insgesamt beste Vorhersagequalität hinsichtlich praktischer Anforderungen liefert. Außerdem belegen wir, dass die Prognose der Merkmale des Vorhersagemodells mittels univariater Zeitreihenprognose die Qualität der Vorhersage kritischer Ereignisse signifikant verbessert. Wir stellen einen Ende-zu-Ende Prozess für die Vorhersage kritischer Ereignisse von Industriemaschinen vor. Auch dieser Ansatz verlässt sich nicht auf Expertenwissen, mit Ausnahme der Definition von Überwachungsdaten, und stellt daher einen verallgemeinerbaren Prozess für die Vorhersage kritischer Ereignisse von Industriemaschinen dar. Der Prozess umfasst Merkmalsextraktion, Merkmalsverarbeitung, Zielklassenzuordnung und Modelllernen mit integrierter Hyperparameter-Abstimmung mittels einer Gittersuchtechnik. Ausgehend von den Ergebnissen des vorherigen Beitrags modelliert der Prozess die Vorhersage der Zeit bis zum nächsten Fehler in Form mehrerer Klassen, wobei wir verschiedene Beschriftungsstrategien für die Mehrklassenklassifizierung vergleichen. Die Evaluierung anhand realer Produktionsdaten einer großen Industriepresse demonstriert, dass der Prozess in der Lage ist, sechs verschiedene Zeitfenster für bevorstehende Fehler mit einem Makro F1-Wert von 90% vorherzusagen. Wenn man die Klassen der Zeit bis zum nächsten Fehler auf eine binäre Vorhersage von kritischen Ereignissen herunterskaliert, steigt der F1-Wert sogar auf über 98%. Schließlich stellen wir vier Aktualisierungsauslöser vor, um zu bestimmen, wann Modelle zur Vorhersage kritischer Ereignisse während der Online-Anwendung neu trainiert werden sollten. Ein solches Neutraining ist bspw. aufgrund von Konzeptdrift erforderlich. Die in dieser Arbeit vorgestellten Aktualisierungsauslöser berücksichtigen die Zeit, die seit der letzten Aktualisierung verstrichen ist, die auf den aktuellen Testdaten erreichte Vorhersagequalität und die auf den vorangegangenen Testdaten erreichte Vorhersagequalität. Wir vergleichen die verschiedenen Aktualisierungsstrategien miteinander und mit dem statischen Ausgangsmodell. Die Ergebnisse veranschaulichen die Notwendigkeit von Modellaktualisierungen während der Online-Anwendung und legen nahe, dass die Aktualisierungsauslöser, die sowohl die Vorhersagequalität der aktuellen als auch der vorangegangenen Testdaten berücksichtigen, den besten Kompromiss zwischen Vorhersagequalität und Anzahl der erforderlichen Aktualisierungen erzielen. Wir sind der festen Überzeugung, dass die Beiträge dieser Arbeit sowohl für die akademische Forschungsgemeinschaft als auch für die praktische Anwendung wichtige Impulse darstellen. Zuallererst sind wir unseres Wissens nach die ersten, die eine vollautomatische, hybride, komponentenbasierte, Ende-zu-Ende Prognosemethode für saisonale Zeitreihen vorschlagen, die auch die Zeitreihenvorverarbeitung beinhaltet. Durch die Verbindung einer zuverlässig hohen Vorhersagegenauigkeit mit einer zuverlässig niedrigen Zeit bis zum Ergebnis eröffnet diese viele neue Möglichkeiten für Anwendungen, die genaue Vorhersagen innerhalb eines festen Zeitraums erfordern, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Darüber hinaus bieten die vielversprechenden Ergebnisse der Empfehlungssysteme für Zeitreihenprognosemethoden neue Ansätze zur Verbesserung der Vorhersageleistung für alle Arten von Zeitreihen, nicht nur für saisonale Zeitreihen. Ferner sind wir die ersten, die die Schwachstellen des bisherigen Stands der Technik bei der Empfehlung von Zeitreihenprognosemethoden aufgedeckt haben. Hinsichtlich der Beiträge zur Vorhersage kritischer Ereignisse mittels multivariater Überwachungsdaten haben wir bereits eng mit Industriepartnern zusammengearbeitet,wodurch die hohe praktische Relevanz der Beiträge dieser Arbeit verdeutlicht wird. Der automatisierte Ende-zu-Ende Entwurf der vorgeschlagenen Prozesse, die kein tiefes Domänen- oder Expertenwissen erfordern, stellt einen Meilenstein in der Überbrückung der Kluft zwischen akademischer Theorie und industrieller Anwendung dar. Diese Tatsache wird insbesondere dadurch untermauert, dass der Prozess zur Vorhersage kritischer Ereignisse in Industriemaschinen derzeit bereits in einem realen Produktionssystem operationalisiert wird.

Since the advent of high-throughput sequencing technologies in the mid-2010s, RNA se- quencing (RNA-seq) has been established as the method of choice for studying gene expression. In comparison to microarray-based methods, which have mainly been used to study gene expression before the rise of RNA-seq, RNA-seq is able to profile the entire transcriptome of an organism without the need to predefine genes of interest. Today, a wide variety of RNA-seq methods and protocols exist, including dual RNA sequenc- ing (dual RNA-seq) and multi RNA sequencing (multi RNA-seq). Dual RNA-seq and multi RNA-seq simultaneously investigate the transcriptomes of two or more species, re- spectively. Therefore, the total RNA of all interacting species is sequenced together and only separated in silico. Compared to conventional RNA-seq, which can only investi- gate one species at a time, dual RNA-seq and multi RNA-seq analyses can connect the transcriptome changes of the species being investigated and thus give a clearer picture of the interspecies interactions. Dual RNA-seq and multi RNA-seq have been applied to a variety of host-pathogen, mutualistic and commensal interaction systems. We applied dual RNA-seq to a host-pathogen system of human mast cells and Staphylo- coccus aureus (S. aureus). S. aureus, a commensal gram-positive bacterium, can become an opportunistic pathogen and infect skin lesions of atopic dermatitis (AD) patients. Among the first immune cells S. aureus encounters are mast cells, which have previously been shown to be able to kill the bacteria by discharging antimicrobial products and re- leasing extracellular traps made of protein and deoxyribonucleic acid (DNA). However, S. aureus is known to evade the host’s immune response by internalizing within mast cells. Our dual RNA-seq analysis of different infection settings revealed that mast cells and S. aureus need physical contact to influence each other’s gene expression. We could show that S. aureus cells internalizing within mast cells undergo profound transcriptome changes to adjust their metabolism to survive in the intracellular niche. On the host side, we found out that infected mast cells elicit a type-I interferon (IFN-I) response in an autocrine manner and in a paracrine manner to non-infected bystander-cells. Our study provides the first evidence that mast cells are capable to produce IFN-I upon infection with a bacterial pathogen. / Seit dem Aufkommen von Hochdurchsatz-Sequenziertechnologien Mitte der 2010er Jahre hat sich RNA-Sequenzierung (RNA-seq) als Methode der Wahl für die Untersuchung von Genexpression etabliert. Im Vergleich zu Microarray-basierten Methoden, die vor dem Aufkommen von RNA-seq hauptsächlich zur Untersuchung der Genexpression verwendet wurden, kann mit RNA-seq das gesamte Transkriptom eines Organismus charakterisiert werden, ohne dass die Gene von Interesse vorab definiert werden müssen. Heute gibt es ei- ne Vielzahl von RNA-seq-Methoden und Protokollen, darunter Dual RNA-seq und Multi RNA-seq. Dual RNA-seq und Multi RNA-seq untersuchen gleichzeitig die Transkriptome von zwei bzw. mehreren Arten. Dazu wird die gesamte RNA aller interagierenden Arten gemeinsam sequenziert und nur in silico aufgetrennt. Im Vergleich zur herkömmlichen RNA-seq, bei der jeweils nur eine Spezies untersucht wird, können Dual RNA-seq- und Multi RNA-seq-Analysen die Transkriptomveränderungen der untersuchten Spezies mit- einander in Verbindung bringen und so ein klareres Bild der Wechselwirkungen zwischen den Spezies vermitteln. Dual RNA-seq und Multi RNA-seq wurden bereits auf eine Viel- zahl von Wirt-Pathogen-, mutualistischen und kommensalen Interaktionssystemen ange- wendet. Wir haben Dual RNA-seq auf ein Wirt-Pathogen-System aus menschlichen Mastzellen und S. aureus angewendet. S. aureus, ein kommensales grampositives Bakterium, kann zu ei- nem opportunistischen Erreger werden und Hautläsionen von Patienten mit atopischer Dermatitis (AD) infizieren. Zu den ersten Immunzellen, auf die S. aureus trifft, gehören Mastzellen, die nachweislich in der Lage sind, das Bakterium abzutöten, indem sie antimi- krobielle Produkte abgeben und extrazelluläre Fallen aus Proteinen und DNA freisetzen. Es ist jedoch bekannt, dass S. aureus die Immunantwort des Wirts umgehen kann, indem es in die Mastzellen internalisiert wird. Unsere Dual RNA-seq-Analyse verschiedener In- fektionssituationen ergab, dass Mastzellen und S. aureus physischen Kontakt benötigen, um ihre Genexpression gegenseitig zu beeinflussen. Wir konnten zeigen, dass S. aureus Zellen, die von Mastzellen internalisiert werden, tiefgreifende Transkriptomveränderungen durchlaufen, um ihren Stoffwechsel für das ̈Uberleben in der intrazellulären Nische an- zupassen. Auf Seite des Wirts fanden wir heraus, dass infizierte Mastzellen eine IFN-I (Interferon Typ I)-Antwort auf autokrine und auf parakrine Weise auf nicht-infizierte, in der Nähe befindliche Zellen auslösen. Unsere Studie liefert den ersten Beweis dafür, dass Mastzellen bei einer Infektion mit einem bakteriellen Erreger in der Lage sind, IFN-I zu produzieren. Um die bioinformatische Analyse von Dual RNA-seq und Multi RNA-seq zu erleichtern, haben wir ein umfangreiches Update des bereits existierenden RNA-seq-Analysepro- gramms READemption veröffentlicht. Die neue Version READemption 2 ermöglicht es den Nutzern, Dual RNA-seq- und Multi RNA-seq-Daten einer beliebigen Anzahl von Spe- zies auf bequeme Weise zu analysieren, während es weiterhin möglich ist, herkömmliche RNA-seq-Projekte zu analysieren, die nur eine Spezies untersuchen. Bei der Entwicklung wurde Wert darauf gelegt, die Qualität der Software durch die Einhaltung bewährter Verfahren für die Entwicklung wissenschaftlicher Software hoch zu halten.

Serverless computing is an emerging cloud computing paradigm that offers a highlevel application programming model with utilization-based billing. It enables the deployment of cloud applications without managing the underlying resources or worrying about other operational aspects. Function-as-a-Service (FaaS) platforms implement serverless computing by allowing developers to execute code on-demand in response to events with continuous scaling while having to pay only for the time used with sub-second metering. Cloud providers have further introduced many fully managed services for databases, messaging buses, and storage that also implement a serverless computing model. Applications composed of these fully managed services and FaaS functions are quickly gaining popularity in both industry and in academia. However, due to this rapid adoption, much information surrounding serverless computing is inconsistent and often outdated as the serverless paradigm evolves. This makes the performance engineering of serverless applications and platforms challenging, as there are many open questions, such as: What types of applications is serverless computing well suited for, and what are its limitations? How should serverless applications be designed, configured, and implemented? Which design decisions impact the performance properties of serverless platforms and how can they be optimized? These and many other open questions can be traced back to an inconsistent understanding of serverless applications and platforms, which could present a major roadblock in the adoption of serverless computing. In this thesis, we address the lack of performance knowledge surrounding serverless applications and platforms from multiple angles: we conduct empirical studies to further the understanding of serverless applications and platforms, we introduce automated optimization methods that simplify the operation of serverless applications, and we enable the analysis of design tradeoffs of serverless platforms by extending white-box performance modeling. / Serverless Computing ist ein neues Cloud-Computing-Paradigma, das ein High-Level-Anwendungsprogrammiermodell mit nutzungsbasierter Abrechnung bietet. Es ermöglicht die Bereitstellung von Cloud-Anwendungen, ohne dass die zugrunde liegenden Ressourcen verwaltet werden müssen oder man sich um andere betriebliche Aspekte kümmern muss. FaaS-Plattformen implementieren Serverless Computing, indem sie Entwicklern die Möglichkeit geben, Code nach Bedarf als Reaktion auf Ereignisse mit kontinuierlicher Skalierung auszuführen, während sie nur für die genutzte Zeit mit sekundengenauer Abrechnung zahlen müssen. Cloud-Anbieter haben darüber hinaus viele vollständig verwaltete Dienste für Datenbanken, Messaging-Busse und Orchestrierung eingeführt, die ebenfalls ein Serverless Computing-Modell implementieren. Anwendungen, die aus diesen vollständig verwalteten Diensten und FaaS-Funktionen bestehen, werden sowohl in der Industrie als auch in der Wissenschaft immer beliebter. Aufgrund dieser schnellen Verbreitung sind jedoch viele Informationen zum Serverless Computing inkonsistent und oft veraltet, da sich das Serverless Paradigma weiterentwickelt. Dies macht das Performanz-Engineering von Serverless Anwendungen und Plattformen zu einer Herausforderung, da es viele offene Fragen gibt, wie zum Beispiel: Für welche Arten von Anwendungen ist Serverless Computing gut geeignet und wo liegen seine Grenzen? Wie sollten Serverless Anwendungen konzipiert, konfiguriert und implementiert werden? Welche Designentscheidungen wirken sich auf die Performanzeigenschaften von Serverless Plattformen aus und wie können sie optimiert werden? Diese und viele andere offene Fragen lassen sich auf ein uneinheitliches Verständnis von Serverless Anwendungen und Plattformen zurückführen, was ein großes Hindernis für die Einführung von Serverless Computing darstellen könnte. In dieser Arbeit adressieren wir den Mangel an Performanzwissen zu Serverless Anwendungen und Plattformen aus mehreren Blickwinkeln: Wir führen empirische Studien durch, um das Verständnis von Serverless Anwendungen und Plattformen zu fördern, wir stellen automatisierte Optimierungsmethoden vor, die das benötigte Wissen für den Betrieb von Serverless Anwendungen reduzieren, und wir erweitern die White-Box-Performanzmodellierungerung für die Analyse von Designkompromissen von Serverless Plattformen.

Das Management von Projekten, welche sowohl einmalige und interdisziplinäre Aufgabenstellungen als auch individuelle Rahmenbedingungen und Einschränkungen umfassen, stellt eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Es gibt einige standardisierte Vorgehensmodelle, die einen organisatorischen Rahmen aus Phasen, Prozessen, Rollen und anzuwendenden Methoden anbieten. Traditionellen Vorgehensmodellen wird in der Regel gefolgt, wenn die zu erzielenden Ergebnisse und der Ablauf eines Projektes auf Basis der zur Verfügung stehenden Informationen geplant werden können. Agile Vorgehensmodelle werden vorranging genutzt, wenn keine ausreichenden Informationen zur Verfügung stehen, um eine vollständige Planung aufzusetzen. Ihr Fokus liegt darauf, flexibel auf sich ändernde Anforderungen einzugehen. Im direkten Austausch mit Kunden werden in meist mehreren aufeinander folgenden Zyklen Zwischenergebnisse bewertet und darauf basierend die jeweils nächsten Entwicklungsschritte geplant und umgesetzt. Hybride Vorgehensmodelle werden genutzt, wenn Methoden aus mehreren unterschiedlichen Vorgehensmodellen erforderlich sind, um ein Projekt zu bearbeiten. Die Bedeutung hybrider Vorgehensmodelle hat über die Jahre immer weiter zugenommen. Ihr besonderer Nutzen liegt darin, dass die Methodenauswahl auf den individuellen Kontext eines Projektes angepasst werden kann. Da es in der Praxis aber eine sehr große Anzahl an Methoden gibt, ist die Auswahl der zum Kontext passenden und deren Kombination zu einem individuellen Vorgehensmodell selbst für Experten/-innen eine Herausforderung. Die Forschungsergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass es bisher auch kein Schema zur Unterstützung dieses Prozesses gab. Um diese Forschungslücke zu schließen, wurde ein adaptives Referenzmodell für hybrides Projektmanagement (ARHP) entwickelt. Der wissenschaftliche Beitrag besteht zum einen in der Entwicklung eines Ablaufs zur Selektion und Kombination von zum Kontext passenden Methoden und zum anderen in der Umsetzung des Ablaufs als semi-automatisches Werkzeug. Referenzmodellnutzer/-innen können darin ihren individuellen Projektkontext durch die Auswahl zutreffender Kriterien (sogenannter Parameterausprägungen) erfassen. Das ARHP bietet ihnen dann ein Vorgehensmodell an, welches aus miteinander anwendbaren und verknüpfbaren Methoden besteht. Da in der Projektmanagement Community häufig schnelle Entscheidungen für ein geeignetes Vorgehensmodell erforderlich sind und selbst Experten/-innen nicht alle Methoden kennen, wird der Nutzen der ''digitalen Beratung'', die das semi-automatische ARHP bietet, als hoch eingestuft. Sowohl die für die Erfassung des Kontextes erforderlichen Parameter als auch die Methoden mit der höchsten Praxisrelevanz, wurden anhand einer umfangreichen Umfrage erforscht. Ihr wissenschaftlicher Beitrag besteht unter anderem in der erstmaligen Erfassung von Begründungen für die Verwendung von Methoden im Rahmen individueller, hybrider Vorgehensmodelle. Zudem erlauben die gesammelten Daten einen direkten Vergleich der Methodennutzung in funktionierenden und nicht funktionierenden hybriden Vorgehensmodellen. Mit der so vorhandenen Datengrundlage wird in drei Design Science Research Zyklen ein Algorithmus entwickelt, der den Adaptionsmechanismus des ARHP bildet. Die Evaluation des ARHP erfolgt anhand des entwickelten semi-automatischen Prototypen unter Einbeziehung von Projektmanagementexperten/-innen. Ausführungen zur Pflege des ARHP können als Handlungsanleitung für Referenzmodellkonstrukteure/-innen verstanden werden. Sie bilden den letzten Teil der Arbeit und zeigen, wie das ARHP kontinuierlich weiterentwickelt werden kann. Zudem wird ein Ausblick darauf gegeben, um welche Themen das ARHP im Rahmen weiterführender Forschung erweitert werden kann. Dabei handelt es sich zum Beispiel um eine noch stärkere Automatisierung und Empfehlungen für das Change Management, welche beide bereits in Vorbereitung sind. / The importance of hybrid process models has continued to grow over the years. Their particular benefit lies in the fact that the selection of methods can be adapted to the individual context of a project. However, since there is a very large number of methods in practice, selecting the ones that fit the context and combining them to form an individual process model is a challenge even for experts.The research results of the present work show that until now there has also been no procedure to support this process. To close this research gap, an adaptive reference model for hybrid project management (ARHP) has been developed. The scientific contribution consists on the one hand in the development of a process for the selection and combination of methods suitable for the context and on the other hand in the implementation of the process as a semi-automatic tool. Users of the reference model can enter their individual project context by selecting appropriate criteria (so-called parameter values). The ARHP then offers them a process model consisting of methods that can be used and linked with each other.

Latency is an inherent problem of computing systems. Each computation takes time until the result is available. Virtual reality systems use elaborated computer resources to create virtual experiences. The latency of those systems is often ignored or assumed as small enough to provide a good experience. This cumulative thesis is comprised of published peer reviewed research papers exploring the behaviour and effects of latency. Contrary to the common description of time invariant latency, latency is shown to fluctuate. Few other researchers have looked into this time variant behaviour. This thesis explores time variant latency with a focus on randomly occurring latency spikes. Latency spikes are observed both for small algorithms and as end to end latency in complete virtual reality systems. Most latency measurements gather close to the mean latency with potentially multiple smaller clusters of larger latency values and rare extreme outliers. The latency behaviour differs for different implementations of an algorithm. Operating system schedulers and programming language environments such as garbage collectors contribute to the overall latency behaviour. The thesis demonstrates these influences on the example of different implementations of message passing. The plethora of latency sources result in an unpredictable latency behaviour. Measuring and reporting it in scientific experiments is important. This thesis describes established approaches to measuring latency and proposes an enhanced setup to gather detailed information. The thesis proposes to dissect the measured data with a stacked z-outlier-test to separate the clusters of latency measurements for better reporting. Latency in virtual reality applications can degrade the experience in multiple ways. The thesis focuses on cybersickness as a major detrimental effect. An approach to simulate time variant latency is proposed to make latency available as an independent variable in experiments to understand latency's effects. An experiment with modified latency shows that latency spikes can contribute to cybersickness. A review of related research shows that different time invariant latency behaviour also contributes to cybersickness. / Latenz ist ein inhärentes Problem in Computersystemen. Jede Berechnung benötigt Zeit bis das Ergebnis verfügbar ist. Virtual Reality Systeme verwenden komplexe Rechenressourcen um virtuelle Erfahrungen zu erstellen. Die Latenz dieser Systeme wird oft ignoriert oder als klein genug angesehen um eine gute Erfahrung zu ermöglichen. Diese kumulative Doktorarbeit ist aus peer reviewten Forschungspublikationen zusammengesetzt, die das Verhalten und Effekte von Latenz erforschen. Gegensätzlich zu der landläufig verwendeten Beschreibung als zeitinvariante Latenz, wird gezeigt, dass Latenz fluktuiert. Wenige Forscher haben dieses zeitvariable Verhalten genauer untersucht. Diese Arbeit erforscht zeitvariable Latenz mit einem Fokus auf zufällig auftretende Latenzspitzen. Latenzspitzen wurden sowohl für die Ausführung kleiner Algorithmen als auch als End-to-End Latenz in kompletten Virtual Reality Systemen beobachtet. Die meisten Latenzmessungen sammeln sich nahe eines Durchschnittswertes wobei es mehrere Ballungen von höheren Latenzwerten gibt und einige seltene extreme Ausreißer. Das Latenzverhalten unterscheidet sich bei unterschiedlichen Implementierungen eines Algorithmusses. Betriebssystemsscheduler und Programmiersprachenumgebungen wie Garbage Collektoren tragen zu dem Gesamtlatenzverhalten bei. Diese Arbeit beschreibt diese Einflüsse am Beispiel unterschiedlicher Implementierungen von Nachrichtenaustausch. Die Vielfalt an Latenzquellen resultiert in einem unvorhersehbaren Latenzverhalten. Das Messen und Dokumentieren von Latenz ist wichtig in wissenschaftlichen Experimenten. Diese Arbeit beschreibt etablierte Ansätze um Latenz zu messen und schlägt einen verbesserten Ansatz vor um detaillierte Messungen zu sammeln. Diese Arbeit beschreibt wie gemessene Daten mit Hilfe eines stacked z-Testes in separate Cluster geteilt werden können um das Verhalten besser beschreiben zu können. Latenz in Anwendungen der Virtuellen Realität kann die Erfahrung in verschiedenen Arten verschlechtern. Diese Arbeit fokussiert sich auf Cybersickness als einen bedeutenden negativen Einfluss. Es wird ein Ansatz vorgestellt um Latenz zeit-variant zu simulieren damit Latenz als unabhängige Variable in Experimenten, die Auswirkungen von Latenz untersuchen, verwendet werden kann. Ein Experiment mit modifizierter Latenz zeigt, dass Latenzspitzen zu Cybersickness beitragen können. Ein Review verwandter Arbeiten zeigt, dass auch andere Latenzverhalten Cybersickness negativ beeinflussen können.

No description available.