Sewage exfiltration from a sanitary and combined sewer systems and its percolation into porous medium results in a clogged or colmation layer in the nearby soil. In order to develop a comprehensive understanding of raw sewage transport mechanisms in porous media, investigations were carried out on the micro-scale properties of the multiphase system. In our laboratory experiments, the role of surfactants as a major organic chemical compound in wastewater was evaluated by using a surfactant solution as an artificial wastewater percolating into a porous media, represented by using columns and Plexiglas model. We studied flows of water and surfactants solution in saturated porous medium to detect the dynamic effects by means of measuring pressure and permeability as well as by visualization of flow regions and consequence for porosity along interfaces between water and surfactants solution. The tests revealed that mechanisms at interfaces between fluids and solids as well as between water and surfactants solution (i.e. wastewater) are significantly influencing the flow behavior. At the interfaces surfactant molecules are adsorbed or accumulate, respectively, and subsequently inducing electrical charges to those layers, altering the properties of fluids and these interfaces. Depending on the conditions, channels might be narrowed and thus decreasing the flow rate with a later erosion and increase of flow rates, or the flow and thus the erosive capacity might become intensified along the interface between surfactants solution and neighbouring water. In conclusion, the results of tests proved the surfactants to be an important controlling factor in the hydraulic properties of wastewater percolating into soil.

We present a MPI based software library for computing the fast Fourier transforms on massively parallel, distributed memory architectures. Similar to established transpose FFT algorithms, we propose a parallel FFT framework that is based on a combination of local FFTs, local data permutations and global data transpositions. This framework can be generalized to arbitrary multi-dimensional data and process meshes. All performance relevant building blocks can be implemented with the help of the FFTW software library. Therefore, our library offers great flexibility and portable performance. Likewise FFTW, we are able to compute FFTs of complex data, real data and even- or odd-symmetric real data. All the transforms can be performed completely in place. Furthermore, we propose an algorithm to calculate pruned FFTs more efficiently on distributed memory architectures. For example, we provide performance measurements of FFTs of size 512^3 and 1024^3 up to 262144 cores on a BlueGene/P architecture.

The MPI_Barrier-collective operation, as a part of the MPI-1.1 standard, is extremely important for all parallel applications using it. The latency of this operation increases the application run time and can not be overlaid. Thus, the whole MPI performance can be decreased by unsatisfactory barrier latency. The main goals of this work are to lower the barrier latency for InfiniBand networks by analyzing well known barrier algorithms with regards to their suitability within InfiniBand networks, to enhance the barrier operation by utilizing standard InfiniBand operations as much as possible, and to design a constant time barrier for InfiniBand with special hardware support. This partition into three main steps is retained throughout the whole thesis. The first part evaluates publicly known models and proposes a new more accurate model (LoP) for InfiniBand. All barrier algorithms are evaluated within the well known LogP and this new model. Two new algorithms which promise a better performance have been developed. A constant time barrier integrated into InfiniBand as well as a cheap separate barrier network is proposed in the hardware section. All results have been implemented inside the Open MPI framework. This work led to three new Open MPI collective modules. The first one implements different barrier algorithms which are dynamically benchmarked and selected during the startup phase to maximize the performance. The second one offers a special barrier implementation for InfiniBand with RDMA and performs up to 40% better than the best solution that has been published so far. The third implementation offers a constant time barrier in a separate network, leveraging commodity components, with a latency of only 2.5 microseconds. All components have their specialty and can be used to enhance the barrier performance significantly.

Die Forschungsprofillinie 5 “Kommunikation, Medien, Technik” entstand im Jahr 2005 aus der ursprünglichen Profillinie “Medien, Kommunikation und Informationstechnologien”. Sie zeigt heute eine deutlich stärkere Vernetzung über die verschiedenen Fakultäten hinweg, als das die bisherige Ausrichtung des Profils leisten konnte. Der wesentliche Unterschied zu den anderen Forschungsprofillinien der Technischen Universität Chemnitz besteht darin, dass hier der Mensch als der Nutzer technischer Systeme im Zentrum steht. Dies bedeutet jedoch nicht, dass vor allem sozial-, verhaltens- und kulturwissenschaftlich orientierte Professuren die Forschungsprofillinie tragen. Ganz im Gegenteil ist gerade in diesem Themenbereich eine enge Kooperation von naturwissenschaftlichen und technischen Disziplinen auf der einen Seite und sozialwissenschaftlichen Fächern auf der anderen Seite gefordert.

This work covers the implementation of a raw Ethernet communication module for the Open MPI message passing library. Thereby it focuses on both the reduction of the communication latency for small messages and maximum possible compatibility. Especially the need for particular network devices, adapted network device drivers or kernel patches is avoided. The work is divided into three major parts: First, the networking subsystem of the version 2.6 Linux kernel is analyzed. Second, an Ethernet protocol family is implemented as a loadable kernel module, consisting of a basic datagram protocol (EDP), providing connection-less and unreliable datagram transport, and a streaming protocol (ESP), providing connection-oriented, sequenced and reliable byte streams. The protocols use the standard device driver interface of the Linux kernel for data transmission and reception. Their services are made available to user-space applications through the standard socket interface. Last, the existing Open MPI TCP communication module is ported atop the ESP. With bare EDP/ESP sockets a message latency of about 30 us could be achieved for small messages, which compared to the TCP latency of about 40 us is a reduction of 25 %.

The broadcast function MPI_Bcast() from the MPI-1.1 standard is one of the most heavily used collective operations for the message passing programming paradigm. This diploma thesis makes use of a feature called "Multicast", which is supported by several network technologies (like Ethernet or InfiniBand), to create an efficient MPI_Bcast() implementation, especially for large communicators and small-sized messages. A preceding analysis of existing real-world applications leads to an algorithm which does not only perform well for synthetical benchmarks but also even better for a wide class of parallel applications. The finally derived broadcast has been implemented for the open source MPI library "Open MPI" using IP multicast. The achieved results prove that the new broadcast is usually always better than existing point-to-point implementations, as soon as the number of MPI processes exceeds the 8 node boundary. The performance gain reaches a factor of 4.9 on 342 nodes, because the new algorithm scales practically independently of the number of involved processes. / Die Broadcastfunktion MPI_Bcast() aus dem MPI-1.1 Standard ist eine der meistgenutzten kollektiven Kommunikationsoperationen des nachrichtenbasierten Programmierparadigmas. Diese Diplomarbeit nutzt die Multicastfähigkeit, die von mehreren Netzwerktechnologien (wie Ethernet oder InfiniBand) bereitgestellt wird, um eine effiziente MPI_Bcast() Implementation zu erschaffen, insbesondere für große Kommunikatoren und kleinere Nachrichtengrößen. Eine vorhergehende Analyse von existierenden parallelen Anwendungen führte dazu, dass der neue Algorithmus nicht nur bei synthetischen Benchmarks gut abschneidet, sondern sein Potential bei echten Anwendungen noch besser entfalten kann. Der letztendlich daraus entstandene Broadcast wurde für die Open-Source MPI Bibliothek "Open MPI" entwickelt und basiert auf IP Multicast. Die erreichten Ergebnisse belegen, dass der neue Broadcast üblicherweise immer besser als jegliche Punkt-zu-Punkt Implementierungen ist, sobald die Anzahl von MPI Prozessen die Grenze von 8 Knoten überschreitet. Der Geschwindigkeitszuwachs erreicht einen Faktor von 4,9 bei 342 Knoten, da der neue Algorithmus praktisch unabhängig von der Knotenzahl skaliert.

Originally presented as the author's Thesis--Technische Hochschule Aachen, 2008. / Includes bibliographical references.

Mit dem Aufkommen natürlicher Benutzerschnittstellen zum Erreichen einer möglichst intuitiven Interaktion mit Computern wird auch über die Bedeutung der Gestaltungsaspekte LOOK und FEEL der darzustellenden Benutzeroberflächen neu verhandelt. Dies bedeutet für den Entwurf und die Entwicklung neuer Anwendungen, die bisherigen Vorgehensmodelle, Werkzeuge und Interaktionen zu überdenken und hinsichtlich der neuen Herausforderungen zu überprüfen. Als Leitmotiv der vorliegenden Arbeit dient der Ansatz: Ähnliches wird durch Ähnliches entwickelt, der sich am Beispielfall der Multi-Touch-Technologie konkret mit dem Forschungsraum der natürlichen Benutzerschnittstellen auseinandersetzt. Anhand der drei aufeinander aufbauenden Aspekte Modell, Werkzeug und Interaktion wird die besondere Stellung des FEELs betont und diskutiert. Die Arbeit konzentriert sich dabei besonders auf die Phase des Prototypings, in der neue Ideen entworfen und später (weiter-) entwickelt werden. Die Arbeit nähert sich dabei dem Thema schrittweise an, vom Abstrakten hin zum Konkreten. Hierzu wird zunächst ein neu entwickeltes Vorgehensmodell vorgestellt, um auf die Besonderheiten des FEELs im Entwicklungsprozess natürlicher Benutzerschnittstellen eingehen zu können. Das Modell verbindet Ansätze agiler und klassischer Modelle, wobei die Iteration und die Entwicklung von Prototypen eine besondere Stellung einnehmen. Ausgehend vom neu vorgestellten Modell werden zwei Einsatzbereiche abgeleitet, die entsprechend des Leitmotivs der Arbeit mit zu konzipierenden Multi-Touch-Werkzeugen besetzt werden. Dabei wird besonderer Wert darauf gelegt, den Entwickler in die Rolle des Nutzers zu versetzen, indem die beiden Aktivitäten Umsetzung und Evaluation am selben Gerät stattfinden und fließend ineinander übergehen. Während das für den Entwurf erstellte Konzept TIQUID die Nachbildung von Verhalten und Abhängigkeiten mittels gestengesteuerter Animation ermöglicht, stellt das Konzept LIQUID dem Entwickler eine visuelle Programmiersprache zur Umsetzung des FEELs zur Verfügung. Die Bewertungen der beiden Werkzeuge erfolgte durch drei unabhängige Anwendungstests, welche die Einordnung im Entwicklungsprozess, den Vergleich mit alternativen Werkzeugen sowie die bevorzugte Interaktionsart untersuchten. Die Resultate der Evaluationen zeigen, dass die vorab gesteckten Zielstellungen einer einfachen Verwendung, der schnellen und umgehenden Darstellung des FEELs sowie die gute Bedienbarkeit mittels der Multi-Touch-Eingabe erfüllt und übertroffen werden konnten. Den Abschluss der Arbeit bildet die konkrete Auseinandersetzung mit der Multi-Touch-Interaktion, die für Entwickler und Nutzer die Schnittstelle zum FEEL der Anwendung ist. Die bisher auf die mittels Berührung beschränkte Interaktion mit dem Multi-Touch-Gerät wird im letzten Abschnitt der Arbeit mit Hilfe eines neuartigen Ansatzes um einen räumlichen Aspekt erweitert. Aus dieser Position heraus ergeben sich weitere Sichtweisen, die einen neuen Aspekt zum Verständnis von nutzerorientierten Aktivitäten beitragen. Diese, anhand einer technischen Umsetzung erprobte Vision neuer Interaktionskonzepte dient als Ansporn und Ausgangspunkt zur zukünftigen Erweiterung des zuvor entwickelten Vorgehensmodells und der konzipierten Werkzeuge. Der mit dieser Arbeit erreichte Stand bietet einen gesicherten Ausgangspunkt für die weitere Untersuchung des Fachgebietes natürlicher Benutzerschnittstellen. Neben zahlreichen Ansätzen, die zur vertiefenden Erforschung motivieren, bietet die Arbeit mit den sehr konkreten Umsetzungen TIQUID und LIQUID sowie der Erweiterung des Interaktionsraumes Schnittstellen an, um die erzielten Forschungsergebnisse in die Praxis zu übertragen. Eine fortführende Untersuchung des Forschungsraumes mit Hilfe alternativer Ansätze ist dabei ebenso denkbar wie der Einsatz einer zu Multi-Touch alternativen Eingabetechnologie.

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Der Einsatz von digitalen Menschmodellen erlaubt neben einer frühzeitigen ergonomischen Analyse die Gestaltung von Arbeitsprozessen und stellt ein hilfreiches Werkzeug in der Produkt- und Prozessgestaltung dar. Im Rahmen dieses Beitrages soll auf ausgewählte Schwerpunkte der Entwicklung des digitalen Menschmodells „The Smart Virtual Worker“ eingegangen werden. Das Forschungsprojekt soll einen Beitrag zur Lösung, der mit dem demografischen Wandel der Gesellschaft einhergehenden Herausforderungen leisten. Die daraus resultierenden Forschungsschwerpunkte liegen insbesondere in der Einbeziehung von Alterungs- und psychischen Faktoren in die Bewegungsgenerierung des Menschmodells und der Modellierung von Umweltbedingungen. In Umsetzung des Projektes wurde ein erstes Arbeitsszenario erarbeitet, auf dessen Basis die vorgenannten Forschungsaufgaben interdisziplinär gelöst werden sollen.