Fairneß (d.h. faire Konfliktlösung), Randomisierung (d.h. Münzwürfe) und partielle Synchronie sind verschiedene Konzepte, die häufig zur Lösung zentraler Synchronisations- und Koordinationsprobleme in verteilten Systemen verwendet werden. Beispiele für solche Probleme sind das Problem des wechselseitigen Ausschlusses (kurz: Mutex-Problem) sowie das Konsens-Problem. Für einige solcher Probleme wurde bewiesen, daß ohne die oben genannten Konzepte keine Lösung für das betrachtete Problem existiert. Unmöglichkeitsresultate dieser Art verbessern unser Verständnis der Wirkungsweise verteilter Algorithmen sowie das Verständnis des Trade-offs zwischen einem leicht analysierbaren und einem ausdrucksstarken Modell für verteiltes Rechnen. In dieser Arbeit stellen wir zwei neue Unmöglichkeitsresultate vor. Darüberhinaus beleuchten wir ihre Hintergründe. Wir betrachten dabei Modelle, die Randomisierung einbeziehen, da bisher wenig über die Grenzen der Ausdrucksstärke von Randomisierung bekannt ist. Mit einer Lösung eines Problems durch Randomisierung meinen wir, daß das betrachtete Problem mit Wahrscheinlichkeit 1 gelöst wird. Im ersten Teil der Arbeit untersuchen wir die Beziehung von Fairneß und Randomisierung. Einerseits ist bekannt, daß einige Probleme (z.B. das Konsens- Problem) durch Randomisierung nicht aber durch Fairneß lösbar sind. Wir zeigen nun, daß es andererseits auch Probleme gibt (nämlich das Mutex-Problem), die durch Fairneß, nicht aber durch Randomisierung lösbar sind. Daraus folgt, daß Fairneß nicht durch Randomisierung implementiert werden kann. Im zweiten Teil der Arbeit verwenden wir ein Modell, das Fairneß und Randomisierung vereint. Ein solches Modell ist relativ ausdrucksstark: Es erlaubt Lösungen für das Mutex-Problem, das Konsens-Problem, sowie eine Lösung für das allgemeine Mutex-Problem. Beim allgemeinen Mutex-Problem (auch bekannt als Problem der speisenden Philosophen) ist eine Nachbarschaftsrelation auf den Agenten gegeben und ein Algorithmus gesucht, der das Mutex-Problem für jedes Paar von Nachbarn simultan löst. Schließlich betrachten wir das ausfalltolerante allgemeine Mutex-Problem -- eine Variante des allgemeinen Mutex-Problems, bei der Agenten ausfallen können. Wir zeigen, daß sogar die Verbindung von Fairneß und Randomisierung nicht genügt, um eine Lösung für das ausfalltolerante allgemeine Mutex-Problem zu konstruieren. Ein Hintergrund für dieses Unmöglichkeitsresultat ist ein unerwünschtes Phänomen, für das in der Literatur der Begriff Konspiration geprägt wurde. Konspiration wurde bisher nicht adäquat charakterisiert. Wir charakterisieren Konspiration auf der Grundlage nicht-sequentieller Abläufe. Desweiteren zeigen wir, daß Konspiration für eine große Klasse von Systemen durch die zusätzliche Annahme von partieller Synchronie verhindert werden kann, d.h. ein konspirationsbehaftetes System kann zu einem randomisierten System verfeinert werden, das unter Fairneß und partieller Synchronie mit Wahrscheinlichkeit 1 konspirationsfrei ist. Partielle Synchronie fordert, daß alle relativen Geschwindigkeiten im System durch eine Konstante beschränkt sind, die jedoch den Agenten nicht bekannt ist. Die Darstellung der Unmöglichkeitsresultate und die Charakterisierung von Konspiration wird erst durch die Verwendung nicht-sequentieller Abläufe möglich. Ein nicht-sequentieller Ablauf repräsentiert im Gegensatz zu einem sequentiellen Ablauf kausale Ordnung und nicht zeitliche Ordnung von Ereignissen. Wir entwickeln in dieser Arbeit eine nicht-sequentielle Semantik für randomisierte verteilte Algorithmen, da es bisher keine in der Literatur gibt. In dieser Semantik wird kausale Unabhängigkeit durch stochastische Unabhängigkeit widergespiegelt. / Concepts such as fairness (i.e., fair conflict resolution), randomization (i.e., coin flips), and partial synchrony are frequently used to solve fundamental synchronization- and coordination-problems in distributed systems such as the mutual exclusion problem (mutex problem for short) and the consensus problem. For some problems it is proven that, without such concepts, no solution to the particular problem exists. Impossibilty results of that kind improve our understanding of the way distributed algorithms work. They also improve our understanding of the trade-off between a tractable model and a powerful model of distributed computation. In this thesis, we prove two new impossibility results and we investigate their reasons. We are in particular concerned with models for randomized distributed algorithms since little is yet known about the limitations of randomization with respect to the solvability of problems in distributed systems. By a solution through randomization we mean that the problem under consideration is solved with probability 1. In the first part of the thesis, we investigate the relationship between fairness and randomization. On the one hand, it is known that to some problems (e.g. to the consensus problem), randomization admits a solution where fairness does not admit a solution. On the other hand, we show that there are problems (viz. the mutex problem) to which randomization does not admit a solution where fairness does admit a solution. These results imply that fairness cannot be implemented by coin flips. In the second part of the thesis, we consider a model which combines fairness and randomization. Such a model is quite powerful, allowing solutions to the mutex problem, the consensus problem, and a solution to the generalized mutex problem. In the generalized mutex problem (a.k.a. the dining philosophers problem), a neighborhood relation is given and mutual exclusion must be achieved for each pair of neighbors. We finally consider the crash-tolerant generalized mutex problem where every hungry agent eventually becomes critical provided that neither itself nor one of its neighbors crashes. We prove that even the combination of fairness and randomization does not admit a solution to the crash-tolerant generalized mutex problem. We argue that the reason for this impossibility is the inherent occurrence of an undesirable phenomenon known as conspiracy. Conspiracy was not yet properly characterized. We characterize conspiracy on the basis of non-sequential runs, and we show that conspiracy can be prevented by help of the additional assumption of partial synchrony, i.e., we show that every conspiracy-prone system can be refined to a randomized system which is, with probability 1, conspiracy-free under the assumptions of partial synchrony and fairness. Partial synchrony means that each event consumes a bounded amount of time where, however, the bound is not known. We use a non-sequential semantics for distributed algorithms which is essential to some parts of the thesis. In particular, we develop a non-sequential semantics for randomized distributed algorithms since there is no such semantics in the literature. In this non-sequential semantics, causal independence is reflected by stochastic independence.

Performanz ist ein zentraler Bestandteil des Designs von Anonymisierungsdiensten. Ihre zunehmende Popularität führt jedoch zu einer hohen Netzwerklast, die unzulängliche Entwurfsentscheidungen imminent macht. Die Anforderungen und die vielschichtige Architektur von Anonymisierungsdiensten machen die Thematik zu einem anspruchsvollen und zugleich inspirierenden Forschungsgegenstand. Die vorliegende Arbeit diskutiert das Design von sogenannten Niedriglatenz-Anonymisierungsdiensten im Allgemeinen und dem Tor-Netzwerk als relevantesten Vertreter im Speziellen. Es werden Lösungen für eine Reihe von Forschungsfragen entwickelt, die allesamt das Ziel verfolgen, diese Overlay-Netzwerke zu verbessern und sicherer zu gestalten. Es entsteht ein fundamentales Verständnis zu Netzwerkaspekten in Anonymisierungs-Overlays, das die Netzwerklast, als vorherrschende Ursache für die schwache Performanz, thematisiert. / Performance is a pivot point in the design of anonymity overlays. Due to their growing popularity, they are faced with increasing load, which makes design problems imminent. The special requirements and complex architecture of anonymity overlays renders the topic a challenging but likewise inspiring object of research. In this work, we discuss the design of low-latency anonymous communication systems in general and the Tor network as the de-facto standard in particular. We develop solutions to a number of research questions, all collectively following the aim of enhancing and securing such networks. By doing this we create a fundamental technical understanding of networking aspects in anonymity overlays and tackle the most prevalent performance issue experienced today: network congestion.

Ein drahtloses Multihop-Netzwerk (DMN) ist ein verteiltes Kommunikationssystem, welches vor allem die Fähigkeit zur automatischen Anpassung an sich ständig änderne Umgebungsbedingungen hat. Eine zentrale Fragestellung in DMNen ist, ob das Netzwerk partitioniert ist, ob also nicht mehr jeder Knoten mit jedem anderen Knoten kommunizieren kann. Um festzustellen, ob eine Partitionierung droht werden mit Hilfe von 2-Zusammenhangstests Brücken und Artikulationspunkte im Kommunikationsgraphen gesucht. Daraufhin können anschließend korrektive Aktionen eingeleitet werden um die Partitionierung zu verhindern und somit die Netzwerkverfügbarkeit zu erhöhen. Eine Vielzahl von 2-Zusammenhangstestverfahren wurde bereits erfolgreich bei drahtgebundenen Netzen eingesetzt. Allerdings sind diese Verfahren ungeeignet für drahtlose Netze, da die Ungenauigkeiten durch den häufigen Paketverlust in solchen Systemen bisher nicht berücksichtigt wurden. Mit Hilfe von stochastischen Modellen wird gezeigt, dass Fehler in der Entscheidungsfindung für DMNen bereits bei sehr einfachen Problemen wie der Link-Erkennung signifikant sein können. In dieser Arbeit werden daher verschiedene Verfahren präsentiert, die auch auf Grundlage unsicherer Informationen noch eine verlässliche Entscheidungsfindung ermöglichen. Die Arbeit präsentiert einen neuen verteilten Algorithmus zum Test auf 2-Zusammenhang, welcher Fehler durch Nachrichtenverlust berücksichtigt und gleichzeitig die Anzahl an Nachrichten reduziert. Basierend auf einer umfassenden Analyse der Einflüsse von Kommunikationsfehlern auf den Algorithmus, wurden Abstimmungsprozeduren entwickelt, die die Wahrscheinlichkeit von Fehlentscheidungen nochmals reduzieren. Zur weiteren Analyse werden die Algorithmen erstens in der Motelab-Umgebung und zweitens mit Hilfe von Simulationen untersucht. Die präsentierten Algorithmen zeigen überzeugende Ergebnisse unter variierenden Bedingungen, was ihre Anwendbarkeit in realen Szenarien unterstreicht. / Wireless multi-hop network (WMN) is a distributed communication system composed of autonomous processing nodes that is known for its ability to automatically adjust to rapidly changing conditions in the surrounding environment. Connectivity is one of the basic properties of a network. Removal of a bridge or an articulation point partitions a network. Biconnectivity testing identifies bridges and articulation points in a network, and once they are known corrective actions can be performed in order to improve network''s reliability. Numerous biconnectivity testing algorithms are successfully applied in graphs, wired networks and multiprocessor systems. However, they are inadequate for application in wireless networks since the frequent packet losses introduce uncertainty in the system which these algorithms cannot handle. The stochastic analysis shows that errors in decision-making in WMNs are considerable even for seemingly simple tasks such as the detection of links. The main contribution of this work is to provide means for accurate binary decision-making under uncertainty within the context of biconnectivity testing in WMNs. A distributed algorithm is developed that successfully handles the faults caused by message losses and simultaneously utilizes benefits of wireless communication to reduce message complexity from O(e) to O(n). Based on stochastic analysis of WMN topologies and a comprehensive analysis of impact of communication faults on algorithm''s behavior, the algorithm is extended by voting theory to reduce probability of erroneous decisions. The algorithm and the voting rules are evaluated in experiments in Motelab testbed and in the event-based simulator Jist/SWANS. The algorithm is accurate under various conditions which demonstrates its applicability in reality and capability of successful operation in presence of packet losses.

Die Besonderheit der drahtlosen Kommunikation gegenüber den drahtgebundenen Netzwerken liegt im drahtlosen Übertragungsmedium. Aufgrund der Broadcast-Eigenschaft des Übertragungsmediums werden Nachrichten potentiell von allen Netzwerkstationen empfangen, welche sich in der Übertragungsreichweite des Senders aufhalten. Als Konsequenz können bei einem unsynchronisierten Medienzugriff mehrere Nachrichten beim Empfänger kollidieren und nicht korrekt empfangen werden. Dieses Phänomen wird auch als Interferenz bezeichnet. Um solche Interferenzen zu vermeiden, wurden spezielle Protokolle für den Medienzugriff in drahtlosen Netzen entwickelt. Ein solcher Ansatz für drahtlose Maschennetze ist die verteilte Kanalzuweisung. Bei der verteilten Kanalzuweisung werden sich nicht-überlappende Kanäle im verfügbaren Frequenzspektrum für Übertragungen verwendet, die auf dem gleichen Kanal Interferenzen erzeugen würden. Dieser Ansatz ist möglich, da die verwendeten Funktechnologien, wie zum Beispiel IEEE 802.11 (WLAN), mehrere nicht-überlappende Kanäle bereitstellen. Aufgrund der großen Verbreitung von IEEE 802.11, ist eine hohe Dichte von privaten wie kommerziellen Netzen im urbanen Raum die Norm. Diese räumlich überlappenden Netze konkurrieren um den Medienzugriff. Daher ist es für die Leistung von Kanalzuweisungsalgorithmen von großer Bedeutung, die Aktivität der externen Netze mit einzubeziehen. Die Leistung der vorgelegten Arbeit umfasst das Design, die Implementierung und Validierung von Modellen und Algorithmen zur Reduzierung von Interferenzen in drahtlosen Maschennetzen. Die Arbeit beinhaltet die Entwicklung eines Messungs-basierten Interferenzmodells, mit dem Interferenzabhängigkeiten der Maschenrouter untereinander effizient bestimmt werden können. Weiterhin wurde ein Algorithmus für die verteilte Kanalzuweisung entwickelt, der die Aktivität von externen Netzen berücksichtigt. Die Gesamtlösung wurde in einem großen drahtlosen Maschennetz experimentell validiert. / Due to the broadcast nature of the shared medium, wireless transmissions are potentially received by all network stations in the communication range of the sender. With an unsynchronized medium access, multiple transmissions may be active at the same time and thus interfere with each other. In consequence, multiple transmissions may collide at the receiver side and cannot be properly decoded. For this reason, protocols have been developed on the MAC layer to synchronize the medium access and thus reduce interference effects. One of these approaches in wireless mesh networks is channel assignment. The idea of channel assignment is to minimize the network-wide interference by utilizing non-overlapping channels for otherwise interfering wireless transmissions. This is feasible, since wireless mesh routers are usually equipped with multiple radios and commonly used wireless network technologies, such as IEEE 802.11, provide multiple non-overlapping channels. Since IEEE 802.11 operates in the unlicensed frequency spectrum, the dense distribution of private and commercial network deployments of WLANs in urban areas poses a new challenge. Co-located networks compete for the wireless medium, thus decreasing the achievable network performance in terms of throughput and latency. Therefore, an important issue for efficient channel assignment is to also address external interference The contributions of this dissertation comprise the design, implementation, and validation of models and algorithms to enable wireless multi-hop networks to become interference-aware. This includes a measurement-based interference model suitable for large-scale network deployments. A distributed channel assignment algorithm has been developed that considers external sources of interference. The overall solution has been experimentally validated in a large-scale wireless multi-hop multi-radio testbed and has significantly increased the network performance with regard to the network capacity.

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

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

In dieser Arbeit werden P2P-Algorithmen in ressourcen-limitierten und irregulären Wireless-ad-hoc-Netzwerken (WAHN) betrachtet, die effizient, skalierbar und fehlertolerant in Situationen arbeiten sollen, in denen eine räumlich benachbarte Gruppe von Netzwerkknoten simultan ausfällt. Es wird ein fehlertolerantes Replikationsschema zur datenzentrischen Speicherung betrachtet, und eine selbstorganisierende, skalierbare Berechnung von Datenaggregaten zur Lösung des Konsensproblems. Existierende P2P-Algorithmen die Skalierbarkeit, Fehlertoleranz und Selbstorganisation in drahtgebundenen Netzen betrachten sind für die Klasse des WAHNs nicht geeignet weil sie Engpässe in WAHNs verursachen können und in Katastrophenmanagement-szenarien die Zuverlässigkeit der Daten nicht sicherstellen können. Die Verwendung von Informationen der geographischen Position von Knoten ist ein möglicher Weg, um die Effizienz und Skalierbarkeit von P2P-Anwendungen in drahtlosen Netzwerken zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz vorgestellt, wie auf effiziente Weise 1) Gebiet des Netzwerks, das die geographische Ausbreitung seiner Knoten umfasst, und 2) Gruppenzugehörigkeit, wobei jeder Knoten zu genau einer Gruppe innerhalb eines einstellbaren Gebietes gehört, erzeugt werden kann. Dadurch können: existierenden, skalierbare P2P Datenspeicheralgorithmen für WAHNs genutzt werden, effiziente, fehlertolerante Replikation erstellt werden, die Effizienz von geographischen Routing und der Suche nach Replikaten verbessert werden sowie, Anwendungen auf einen bestimmten geographischen Bereich innerhalb des WAHN beschränkt werden (z.B. im Aggregationsprotokoll). Die entwickelten Protokolle sind tolerant gegenüber Nachrichtenverlust und verwenden ausschließlich lokale Broadcast-Nachrichten. Das Protokoll wurde mit Simulationen untersucht, die auf realistischen Netzwerktopologien mit Anteilen an sehr spärlichen und sehr dichten Knotenansammlungen basieren. / This dissertation addresses the challenge of reaching efficiency, scalability and fault-tolerance by P2P algorithms for resource-limited and irregular wireless ad-hoc networks (WAHNs) in disaster management (DM) scenarios where a spatially correlated group of nodes may crash simultaneously. In particular, we consider a fault-tolerant replication scheme for data-centric storage and a self-organized, scalable calculation of localized data aggregates for solving the consensus problem. Existing Peer-to-Peer algorithms that address issues of scalability, fault tolerance and self-organization in wired networks are inadequate for the addressed systems, they may cause bottlenecks in WAHNs and use replication that abstracts from geographical location of replicas and cannot therefore supply data survivability in DM scenarios in WAHNs. Incorporating information on geographical location of nodes is a recognized way to increase the efficiency and scalability of P2P applications in wireless networks. This dissertation proposes to efficiently construct new position information in a location-aware WAHN, where each node knows its own location and location of its direct neighbors. The new information are: network area, which expresses the geographical area covered by the network, and group membership, where each node belongs to exactly one group that is placed over the area of a maximum defined size. Together, they enable the use of the existing, scalable P2P data store in WAHNs (Geographical Hash Table), allow design of efficient fault-tolerant replication for the assumed fault model, increase efficiency of geographic routing and replica search, and allow to limit the geographical extent of activity of any distributed application, as we show using an example of data aggregation protocol. Proposed protocols tolerate message loss and use local broadcast only. They are evaluated by simulation over irregular topologies following the node placement of the existing, large WAHNs.

In dieser Arbeit untersuchen wir Algorithmen für Scheduling-Probleme. Wir betrachten semi-online Makespan-Scheduling und generalisiertes Bin Covering. Im online Makespan- Scheduling-Problem sind m Maschinen und n Jobs gegeben, wobei letztere jeweils eine individuelle Bearbeitungszeit haben. Es wird zu jedem Zeitpunkt ein Job offengelegt und muss sofort und unwiderruflich einer Maschine zugewiesen werden, ohne Wissen über zukünftige Jobs. Die Last einer Maschine wird als die Summe der Bearbeitungszeiten der ihr zugewiesenen Jobs definiert. Das Ziel ist es, eine Zuweisung von Jobs zu Maschinen zu finden, sodass die höchste Last einer Maschine minimiert wird. Im semi-online Scheduling-Modell wird dieses strikte Szenario relaxiert. Wir untersuchen drei verschied- ene Modelle. Im ersten ist uns die kumulierte Bearbeitungszeit der Jobs vor Ankunft der einzelnen Jobs bekannt. Im zweiten Modell dürfen wir bis zu einem gewissen Grade bereits zugewiesene Jobs anderen Maschinen neu zuordnen.Im dritten semi-online Scheduling-Modell darf ein Algorithmus mehrere Lösungen parallel konstruieren, von denen die beste ausgegeben wird. Beim generalisierten Bin Covering sind uns m Bintypen und n Objekte gegeben. Ein Bintyp Mj hat einen Bedarf dj und einen Profit rj. Jedes Objekt Jt hat eine Größe pt. Ein Bin vom Typ Mj heißt abgedeckt, wenn die Summe der Größen der ihm zugewiesenen Objekte mindestens dj ist. Wenn ein Bin vom Typ Mj abgedeckt ist, erzielen wir einen Profit von rj. Ziel ist es, die Objekte Bins zuzuweisen, sodass der erzielte Gesamtprofit maximiert wird. Wir untersuchen zwei Modelle, die sich in der Verfügbarkeit von Bintypen unterscheiden. Im Unit-Supply-Modell steht uns von jedem Bintyp genau ein Bin zur Verfügung. Im Gegensatz dazu stehen uns im Infinite-Supply-Modell von jedem Bintyp beliebig viele Bins zur Verfügung. Das Unit-Supply-Modell ist daher eine Verallgemeinerung des Infinite-Supply-Modells. Für alle Modelle zeigen wir beinahe scharfe obere und untere Schranken. / In this thesis we study algorithms for scheduling problems. We investigate semi-online minimum makespan scheduling and generalized bin covering. In online minimum makespan scheduling we are given a set of m machines and n jobs, where each job Jt is specified by a processing time. The jobs arrive one by one and we have to assign them to the machines without any knowledge about future incoming jobs. The load of a machine is defined to be total processing time of the assigned jobs. The goal is to place the jobs on the machines such that the maximum load of a machine is minimized. In semi-online minimum makespan scheduling this strict setting is softened. We investigate three different models. In the first setting an algorithm is given an advice on the total processing time of the jobs. In the second setting we may reassign jobs upto a limited amount. The third semi-online setting we study is minimum makespan scheduling with parallel schedules. In this problem an algorithm may maintain several schedules, the best of which is output after the arrival of the entire job sequence. In generalized bin covering we are given m bin types and n items. Each bin type Mj is specified by a demand dj and a revenue rj. Each item Jt has a size pj. A bin of type Mj is said to be covered if the total size of the assigned items is at least the demand dj. Then the revenue rj is earned. The goal is to find an assignment of items to bins maximizing the total obtained revenue. We study two models of bin supply. In the unit supply model there is only one bin of each type available. By contrast in the infinite supply model each bin type is available arbitrarily often, and hence the former is a generalization of the latter. We provide nearly tight upper and lower bounds for all models.

Informationssysteme verarbeiten Daten, die logisch und physisch über Knoten verteilt sind. Datenobjekte verschiedener Knoten können dabei Bezüge zueinander haben. Beispielsweise kann ein Datenobjekt eine Referenz auf ein Datenobjekt eines anderen Knotens oder eine kritische Information enthalten. Die Semantik der Daten induziert Datenintegrität in Form von Anforderungen: Zum Beispiel sollte keine Referenz verwaist und kritische Informationen nur an einem Knoten verfügbar sein. Datenintegrität unterscheidet gültige von ungültigen Verteilungen der Daten. Ein verteiltes System verändert sich in Schritten, die nebenläufig auftreten können. Jeder Schritt manipuliert Daten. Ein verteiltes System erhält Datenintegrität, wenn alle Schritte in einer Datenverteilung resultieren, die die Anforderungen von Datenintegrität erfüllen. Die Erhaltung von Datenintegrität ist daher ein notwendiges Korrektheitskriterium eines Systems. Der Entwurf und die Analyse von Datenintegrität in verteilten Systemen sind schwierig, weil ein verteiltes System nicht global kontrolliert werden kann. In dieser Arbeit untersuchen wir formale Methoden für die Modellierung und Analyse verteilter Systeme, die mit Daten arbeiten. Wir entwickeln die Grundlagen für die Verifikation von Systemmodellen. Dazu verwenden wir algebraische Petrinetze. Wir zeigen, dass die Schritte verteilter Systeme mit endlichen vielen Transitionen eines algebraischen Petrinetzes beschrieben werden können, genau dann, wenn eine Schranke für die Bedingungen aller Schritte existiert. Wir verwenden algebraische Gleichungen und Ungleichungen, um Datenintegrität zu spezifizieren. Wir zeigen, dass die Erhaltung von Datenintegrität unentscheidbar ist, wenn alle erreichbaren Schritte betrachtet werden. Und wir zeigen, dass die Erhaltung von Datenintegrität entscheidbar ist, wenn auch unerreichbare Schritte berücksichtigt werden. Dies zeigen wir, indem wir die Berechenbarkeit eines nicht-erhaltenden Schrittes als Zeugen zeigen. / Information systems process data that is logically and physically distributed over many locations. Data entities at different locations may be in a specific relationship. For example, a data entity at one location may contain a reference to a data entity at a different location, or a data entity may contain critical information such as a password. The semantics of data entities induce data integrity in the form of requirements. For example, no references should be dangling, and critical information should be available at only one location. Data integrity discriminates between correct and incorrect data distributions. A distributed system progresses in steps, which may occur concurrently. In each step, data is manipulated. Each data manipulation is performed locally and affects a bounded number of data entities. A distributed system preserves data integrity if each step of the system yields a data distribution that satisfies the requirements of data integrity. Preservation of data integrity is a necessary condition for the correctness of a system. Analysis and design are challenging, as distributed systems lack global control, employ different technologies, and data may accumulate unboundedly. In this thesis, we study formal methods to model and analyze distributed data-aware systems. As a result, we provide a technology-independent framework for design-time analysis. To this end, we use algebraic Petri nets. We show that there exists a bound for the conditions of each step of a distributed system if and only if the steps can be described by a finite set of transitions of an algebraic Petri net. We use algebraic equations and inequalities to specify data integrity. We show that preservation of data integrity is undecidable in case we consider all reachable steps. We show that preservation of data integrity is decidable in case we also include unreachable steps. We show the latter by showing computability of a non-preserving step as a witness.

Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit ist ein spieltheoretisches Modell für die dezentrale Erzeugung von Netzwerken durch eigennützige Agenten. Diese Akteure verfolgen das Ziel, ein zusammenhängendes Netzwerk aufzubauen, welches ihre individuelle Verbindungsqualität maximiert. Direktverbindungen im Netzwerk haben Kosten, weshalb die Agenten ihre Ausgaben für das Erstellen von Direktverbindungen und die damit erzielten Kommunikationskosten ausbalancieren müssen. Dieses Modell wurde vor einem Jahrzehnt von Fabrikant, Luthra, Maneva, Papadimitriou und Shenker eingeführt, um reale Netzwerke, welche aus der Interaktion von eigenützigen Parteien entstanden sind, zu verstehen. Zu solchen Netzwerken zählen das Internet und auch soziale Netzwerke. Die vorliegende Arbeit trägt zu diesem Forschungsvorhaben bei, indem die sogenannten Network Creation Games aus drei Perspektiven betrachtet werden. Die erste Sichtweise ist die Approximationsperspektive. Es wird untersucht, welche Netzwerke von sehr einfachen, in ihrer Berechnungsstärke eingeschränkten Agenten erzeugt werden und wie diese im Vergleich mit Netzwerken von Agenten, die beliebige Berechnungsstärke haben, abschneiden. Als zweite Sichtweise wird die Dynamikperspektive betrachtet. Dazu werden sequentielle Versionen des Modells definiert und anhand dieser wird explizit der Prozess der Netzwerkerzeugung untersucht. Die Hauptfragestellung ist, ob unter der natürlichen Annahme, dass Agenten stets ihre Situation verbessern wollen, der Prozess zu einem Gleichgewicht konvergiert und, falls dem so ist, wie dieser Prozess beschleunigt werden kann. Die Abhandlung wird mit der dritten Sichtweise, der Strukturperspektive, abgerundet. Es werden eine Vielfalt neuer Struktureigenschaften für verschiedene Gleichgewichtskonzepte bewiesen und neue Werkzeuge, die bei der Analyse von Gleichgewichtsnetzwerken mit hohen Direktverbindungskosten hilfreich sind, vorgestellt. / The subject of study in this thesis is a game-theoretic model for decentralized network creation by selfish agents. These agents aim to create a connected network among themselves which maximizes their individual connection quality. Links in the network are costly and therefore agents try to find a trade-off between their cost spent on creating edges and their cost incurred by communicating within the network. This model was proposed a decade ago by Fabrikant, Luthra, Maneva, Papadimitriou and Shenker with the goal of understanding real networks which emerge from the interaction of selfish entities without explicit central coordination, e.g. the Internet or social networks. We contribute to this research endeavor in many ways by considering these so-called Network Creation Games from three perspectives. Our first point of view on these games is the approximation perspective. We analyze which networks are created by very simple computationally bounded selfish agents and how these networks compare to networks built by agents having unlimited computational resources. The second point of view is the dynamics perspective. We turn the model into a sequential version and focus on the process of selfish network creation. For this, we investigate whether natural dynamics like best response dynamics are guaranteed to converge to an equilibrium of the game and if so, how this convergence process may be sped up. We complete the treatment of Network Creation Games with our third point of view: the structure perspective. We provide new structural insights for several equilibrium concepts and introduce new tools which shed light on the structure of equilibrium networks for high edge-cost.