Diese Arbeit beschreibt ein Konzept für eine verteilte Datensicherung unter Nutzung freier Ressourcen von Arbeitsplatzrechnern. Das vorzustellende System beinhaltet entsprechende Maßnahmen, um sowohl die Authentizität und Vertraulichkeit der zu sichernden Daten zu gewährleisten, als auch eine möglichst hohe Wahrscheinlichkeit für die Wiederherstellung zu erreichen.

Ongoing changes in spaceflight – continuing miniaturization, declining costs of rocket launches and satellite components, and improved satellite computing and control capabilities – are advancing Satellite Formation Flying (SFF) as a research and application area. SFF enables new applications that cannot be realized (or cannot be realized at a reasonable cost) with conventional single-satellite missions. In particular, distributed Earth observation applications such as photogrammetry and tomography or distributed space telescopes require precisely placed and controlled satellites in orbit. Several enabling technologies are required for SFF, such as inter-satellite communication, precise attitude control, and in-orbit maneuverability. However, one of the most important requirements is a reliable distributed Guidance, Navigation and Control (GNC) strategy. This work addresses the issue of distributed GNC for SFF in 3D with a focus on Continuous Low-Thrust (CLT) propulsion satellites (e.g., with electric thrusters) and concentrates on circular low Earth orbits. However, the focus of this work is not only on control theory, but control is considered as part of the system engineering process of typical small satellite missions. Thus, common sensor and actuator systems are analyzed to derive their characteristics and their impacts on formation control. This serves as the basis for the design, implementation, and evaluation of the following control approaches: First, a Model Predictive Control (MPC) method with specific adaptations to SFF and its requirements and constraints; second, a distributed robust controller that combines consensus methods for distributed system control and $H_{\infty}$ robust control; and finally, a controller that uses plant inversion for control and combines it with a reference governor to steer the controller to the target on an optimal trajectory considering several constraints. The developed controllers are validated and compared based on extensive software simulations. Realistic 3D formation flight scenarios were taken from the Networked Pico-Satellite Distributed System Control (NetSat) cubesat formation flight mission. The three compared methods show different advantages and disadvantages in the different application scenarios. The distributed robust consensus-based controller for example lacks the ability to limit the maximum thrust, so it is not suitable for satellites with CLT. But both the MPC-based approach and the plant inversionbased controller are suitable for CLT SFF applications, while showing again distinct advantages and disadvantages in different scenarios. The scientific contribution of this work may be summarized as the creation of novel and specific control approaches for the class of CLT SFF applications, which is still lacking methods withstanding the application in real space missions, as well as the scientific evaluation and comparison of the developed methods. / Die anhaltenden Veränderungen in der Raumfahrt – die fortschreitende Miniaturisierung, die sinkenden Kosten für Raketenstarts und Satellitenkomponenten sowie die verbesserten Rechen- und Steuerungsmöglichkeiten von Satelliten – fördern den Satelliten-Formationsflug (SFF) als Forschungs- und Anwendungsgebiet. SFF ermöglicht neue Anwendungen, die mit herkömmlichen Einzelsatellitenmissionen nicht (oder nicht mit vertretbarem Aufwand) realisiert werden können. Insbesondere verteilte Erdbeobachtungsanwendungen wie Photogrammetrie und Tomographie oder verteilte Weltraumteleskope erfordern präzise positionierte und kontrollierte Satelliten in der Umlaufbahn. Für den SFF sind verschiedene Basistechnologien erforderlich, z. B. Kommunikation zwischen den Satelliten, präzise Lageregelung und Manövrierfähigkeit. Eine der wichtigsten Anforderungen sind jedoch zuverlässige verteilte Leit- und Regelungsverfahren (Guidance, Navigation and Control, GNC). Diese Arbeit befasst sich mit dem Thema der verteilten GNC für SFF in 3D mit dem Schwerpunkt auf Satelliten mit kontinuierlichem, niedrigen Schub (Continuous Low-Thrust, CLT) z.B. mit elektrischen Triebwerken und legt den Fokus hier zusätzlich auf niedrige kreisförmige Erdumlaufbahnen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt jedoch nicht nur auf der Regelungstheorie, vielmehr wird Regelung als Teil des Systementwicklungsprozesses typischer Kleinsatellitenmissionen betrachtet. So werden gängige Sensor- und Aktuatorsysteme analysiert, um ihre Eigenschaften und ihre Auswirkungen auf die Formationskontrolle abzuleiten. Dies dient als Grundlage für den Entwurf, die Implementierung und die Bewertung der folgenden Regelungsansätze: Erstens eine Modellprädiktive Regelung (Model-Predictive Control, MPC) mit spezifischen Anpassungen an die Anforderungen und Beschränkungen des SFFs, zweitens ein robuster Regler, der Konsensmethoden für die Steuerung verteilter Systeme mit robuster $H_{\infty}$-Regelung kombiniert, und schließlich ein kaskadierter Regler, der zur Steuerung die Regelstrecke invertiert und dessen Referenz von einem Referenzregler auf einer optimalen Trajektorie unter Berücksichtigung verschiedener Beschränkungen zum Ziel gesteuert wird. Die entwickelten Regler werden auf der Grundlage umfangreicher Softwaresimulationen validiert und miteinander verglichen. Realistische 3D-Formationsflug-Szenarien wurden der NetSat-Formationsflug-Mission entnommen. Die drei verglichenen Methoden zeigen unterschiedliche Vor- und Nachteile in den verschiedenen Anwendungsszenarien. Der verteilten robusten konsensbasierten Regelung fehlt bspw. die Fähigkeit, den maximalen Schub zu begrenzen, sodass sie nicht für Satelliten mit CLT geeignet ist. Aber sowohl der MPC-basierte Ansatz als auch der auf der Invertierung der Regelstrecke basierende Ansatz sind für CLT SFF-Anwendungen geeignet und weisen wiederum ander Vor- und Nachteile in unterschiedlichen Szenarien auf. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit besteht in der Entwicklung neuartiger und spezifischer Regelungsansätze für die Klasse der CLT-SFF-Anwendungen, für die es noch keine Methoden gibt, die der Anwendung in realen Weltraummissionen standhalten, sowie in der wissenschaftlichen Bewertung und dem Vergleich der entwickelten Methoden.

Based on the increasing complexity of modern avionics, the associated system design processes moved towards Model Driven Architecture (MDA) based processes. Additionally, the demand for higher system autonomy features requires means to further modularise mission systems and to define and establish interactions among the systems’ individual components. Therefore, the ideas of service-oriented computing are currently adapted to established, model driven design processes. With respect to modelling interactions for service components, current approaches are limited to only a fixed set of communication primitives, restricting a service designer’s expressiveness to specify service interaction. In consequence, interaction patterns not included in this basic set have to be reflected in application code, mangling application and communication logic. Furthermore, when service functionality relies on communication semantics which are not provided by the underlying set of primitives, additional emulation behaviour has to be added to the service which makes this mangling even worse. Platform independence is reduced as services can not easily be ported to platforms not natively supporting the selected primitives which contradicts the ideas of model-driven development. Addressing these limitations, this thesis proposes a new model-driven service development process based on Interaction Templates (ITs), promoting interactions among service participants to first class modelling entities. The process focuses on modelling the interactions among service participants. Interaction semantics are explicitly specified in models, beyond pure stereotyping, and gain increased platform independence for services with respect to communication. The process exploits automated Model-to-Model (M2M) and Model-to-Text (M2T) transformations to assist service implementation and to automatically derive interaction realisations on concrete target platforms. This allows for easy replacement and inter-mixing of communication middleware to realise a service’s interactions. This way, services become independent of the underlying communication primitives by only relying on ITs and not platform primitives which are hidden behind ITs. In turn, realising ITs on concrete platforms is not affected by their utilisation for service interaction. Beside the novel modelling process itself, the presented work defines a Unified Modeling Language (UML) profile, referred to as UML Profile for Interaction-centric Services (UP4IS), which directly supports the adaptation of standard UML language constructs and tools for the proposed modelling approach. The whole development process is demonstrated via the specification of a simple video recording systems consisting of two services. The services themselves are based on a representative IT library which forms an essential part of the presented case study. Using these service and IT models, the thesis emphasises the necessary model transformation and code generation steps to derive service implementations based on the abstract models.

This thesis describes a probabilistic model for optimum information retrieval in a distributed heterogeneous environment. The model assumes the collection of documents offered by the environment to be hierarchically partitioned into subcollections. Documents as well as subcollections have to be indexed. At this indexing methods using different indexing vocabularies can be employed. A query provided by a user is answered in terms of a ranked list of documents. The model determines a procedure for ranking the documents that stems from the Probability Ranking Principle: For each subcollection the subcollection´s elements are ranked; the resulting ranked lists are combined into a final ranked list of documents where the ordering is determined by the documents´ probabilities of being relevant with respect to the user´s query. Various probabilistic ranking methods may be involved in the distributed ranking process. The underlying data volume is arbitrarily scalable. A criterion for effectively limiting the ranking process to a subset of subcollections extends the model. The model´s applicability is experimentally confirmed. When exploiting the degrees of freedom provided by the model experiments showed evidence that the model even outperforms comparable models for the non-distributed case with respect to retrieval effectiveness. An architecture for a distributed information retrieval system is presented that realizes the probabilistic model. The system provides access to an arbitrary number of dynamic multimedia databases.

University, Diss.--Bamberg, 2007.

Die Anforderungen an die verfügbare Rechenkapazität von Steuergeräten in der Automotive und Avionik-Domäne steigen kontinuierlich an. Dieser Anstieg ist auf die steigende Bedeutung von softwarebasierten Funktionen zurückzuführen, sowie auf die damit einhergehende steigende Anzahl und Komplexität der softwarebasierten Funktionen. In dieser Dissertation wird die Berücksichtigung der Situation (z. B. die geographische Position oder die Geschwindigkeit) als ein möglicher Ansatz beschrieben, um den steigenden Bedarf an Rechenkapazität der softwarebasierten Funktionen zu decken. Die benötigte Rechenkapazität einer softwarebasierten Funktion verändert sich in Abhängigkeit von der momentanen Situation. Durch die Berücksichtigung der Situation bei der Verteilung der Rechenkapazitäten entstehen freie Rechenkapazitäten, welche durch komplementäre softwarebasierte Funktion verwendet werden können. Die Zielsetzung dieser Dissertation ist es, eine situationsbasierte Verteilung der Rechenkapazität auf die softwarebasierten Funktionen des verteilen eingebetteten Systems zu erreichen.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielsetzung 1.3 Struktur der Arbeit 1.4 Zusammenfassung 2 Grundlagen 2.1 Situationsbasierte Systeme 2.2 Eingebettete verteilte Systeme 2.2.1 Architektur 2.2.2 Echtzeit-Tasks 2.2.3 Echtzeit-Scheduling 2.2.4 Echtzeit-Kommunikation 2.2.5 Steuergeräte der Zieldomänen 2.3 Prozessmigration in verteilten Systemen 2.3.1 Prozesssegmente 2.3.2 Möglichkeiten der Prozessmigration 2.4 Application checkpointing 2.5 Zusammenfassung 3 Stand der Forschung 3.1 Situationsbasiertes Scheduling für eingebettete verteilte Systeme 3.1.1 Semi-Statische Systeme 3.1.2 Dynamische Systeme 3.2 Situationsbasiertes Scheduling für Multi-Core Systeme 3.2.1 Situationen in HAMS 3.2.2 HAMS Architektur 3.2.3 Wissensdatenbank 3.3 Semi-Statische Netzwerkkonfiguration 3.4 Zusammenfassung 4 Situationsbasiertes Scheduling in verteilten eingebetteten Systemen 4.1 Analyse der Zielsetzung 4.2 Technische Ziele 4.3 SiVES-Sched Konzept 4.3.1 Erweiterter HAMS 4.3.2 Situations-Wissensdatenbank 4.3.3 TLS Master 4.3.4 Task-Migration 4.3.5 TLS Slave 4.3.6 Software Defined Network 4.3.7 TLS-KM 4.4 Zusammenfassung 5 Evaluation 5.1 Konzept der Evaluation 5.2 Evaluationsumgebung 5.2.1 Hardwareumgebung 5.2.2 Softwareumgebung 5.3 Rekonfiguration des verteilten eingebetteten Systems 5.3.1 Evaluation I: Erstellung der SWDB 5.3.2 Evaluation II: Durchführung der Rekonfiguration 5.3.3 Evaluation III: Dauer des kritischen Abschnitts 5.3.4 Evaluation IV: Vermeidung von Informationsverlust 5.4 Zusammenfassung 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Ergebnisse dieser Arbeit 6.1.1 Konzept 6.1.2 Evaluation 6.2 Ausblick 7 Appendix Literaturverzeichnis Nomenklatur Thesen Eigene Veröffentlichungen

Die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Anwendungen, welche schutzwürdige Daten verarbeiten, lässt sich durch die geschützte Verlagerung in die Cloud mit einer Kombination aus zielgrößenabhängiger Datenkodierung, kontinuierlicher mehrfacher Dienstauswahl, dienstabhängiger optimierter Datenverteilung und kodierungsabhängiger Algorithmen deutlich erhöhen und anwenderseitig kontrollieren. Die Kombination der Verfahren zu einer anwendungsintegrierten Stealth-Schutzschicht ist eine notwendige Grundlage für die Konstruktion sicherer Anwendungen mit zusicherbaren Sicherheitseigenschaften im Rahmen eines darauf angepassten Softwareentwicklungsprozesses. / The security and reliability of applications processing sensitive data can be significantly increased and controlled by the user by a combination of techniques. These encompass a targeted data coding, continuous multiple service selection, service-specific optimal data distribution and coding-specific algorithms. The combination of the techniques towards an application-integrated stealth protection layer is a necessary precondition for the construction of safe applications with guaranteeable safety properties in the context of a custom software development process.

Eine umfängliche Berücksichtigung der qualitativen Zusammensetzung von beschreibenden Artefakten im Internet der Dienste über dafür ausgelegte Dienstplattformen steigert die Erlebnisqualität für die Benutzer der angebotenen Dienstleistungen. In dieser Dissertation sind die existierenden Verfahren zur Erkennung, Propagierung und Verbesserung von Qualitatsmetriken in dienstorientierten Architekturen in Hinblick auf diese gesteigerten Anforderungen systematisch in Verfahren eingebunden. Die Arbeit liefert zwei wissenschaftliche Beiträge. Der erste ist beinhaltet ein Konzept für inkrementelle Qualiẗatsverbesserungen von Diensten durch Nutzung von Laufzeitmechanismen zur dynamischen Beschreibung und Bewertung nichtfunktionaler Eigenschaften. Der zweite liefert eine Definition eines abstrakten Zusammenspiels von Architekturmustern und Prozessen zur vertraglich abgesicherten Gewahrleistung von Dienstgüteeigenschaften in Dienstlandschaften in Form einer Referenzarchitektur. / A holistic consideration of the qualitative composition of descriptive artefacts in the Internet of Services through specifically designed service platforms increases the quality of experience for the users of the offered services. In this dissertation, the existing methods for the recognition, propagation and improvement of quality metrics in service-oriented architectures are systematically included in methods related to these increased requirements. The work delivers two scientific contributions. The first one encompasses a concept for the incremental improvement of quality of services via the use of runtime mechanisms for the dynamic description and rating of non-functional properties. The second one carries a definition of an abstract interplay of architecture patterns and processes for the contractually safeguarded guarantee of quality of service properties in service ecosystems in the form of a reference architecture.

Edsger W. Dijkstra prägte im Jahr 1974 den Begriff Selbststabilisierung (self-stabilization) in der Informatik. Ein System ist selbststabilisierend, wenn es von jedem denkbaren Zustand aus nach einer endlichen Anzahl von Aktionen ein stabiles Verhalten erreicht. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht der Entwurf selbststabilisierender Algorithmen. Wir stellen eine Petrinetz-basierte Methode zum Entwurf selbststabilisierender Algorithmen vor. Wir validieren unsere Methode an mehreren Fallstudien: Ausgehend von algorithmischen Ideen existierender Algorithmen beschreiben wir jeweils die die schrittweise Entwicklung eines neuen Algorithmus. Dazu gehört ein neuer randomisierter selbststabilisierender Algorithmus zur Leader Election in einem Ring von Prozessoren. Dieser Algorithmus ist abgeleitet aus einem publizierten Algorithmus, von dem wir hier erstmals zeigen, daß er fehlerhaft arbeitet. Wir weisen die Speicherminimalität unseres Algorithmus nach. Ein weiteres Ergebnis ist der erste Algorithmus, der ohne Time-Out-Aktionen selbststabilisierenden Tokenaustausch in asynchronen Systemen realisiert. Petrinetze bilden einen einheitlichen formalen Rahmen für die Modellierung und Verifikation dieser Algorithmen. / In 1974, Edsger W. Dijkstra suggested the notion of self-stabilization. A system is self-stabilizing if regardless of the initial state it eventually reaches a stable behaviour. This thesis focuses on the design of self-stabilizing algorithms. We introduce a new Petri net based method for the design of self-stabilizing algorithms. We validate our method on several case studies. In each of the case studies, our stepwise design starts from an algorithmic idea and leads to a new self-stabilizing algorithm. One of these algorithms is a new randomized self-stabilizing algorithm for leader election in a ring of processors. This algorithm is derived from a published algorithm which we show to be incorrect. We prove that our algorithm is space-minimal. A further result is the first algorithm for token-passing in a asynchronous environment which works without time-out actions. Petri nets form a unique framework for modelling and verification of these algorithms.

Context-aware computing aims at making mobile devices sensitive to the social and physical settings in which they are used. A necessary requirement to achieve this goal is to enable those devices to establish a shared understanding of the desired settings. Establishing a shared understanding entails the need to manipulate sensed data in order to capture a real world situation wholly, conceptually, and meaningfully. Quite often, however, the data acquired from sensors can be inexact, incomplete, and/or uncertain. Inexact sensing arises mostly due to the inherent limitation of sensors to capture a real world phenomenon precisely. Incompleteness is caused by the absence of a mechanism to capture certain real-world aspects; and uncertainty stems from the lack of knowledge about the reliability of the sensing sources, such as their sensing range, accuracy, and resolution. The thesis identifies a set of criteria for a context-aware system to capture dynamic real-world situations. On the basis of these criteria, a distributed architecture is designed, implemented and tested. The architecture consists of Primitive Context Servers, which abstract the acquisition of primitive contexts from physical sensors; Aggregators, to minimise error caused by inconsistent sensing, and to gather correlated primitive contexts pertaining to a particular entity or situation; a Knowledge Base and an Empirical Ambient Knowledge Component, to model dynamic properties of entities with facts and beliefs; and a Composer, to reason about dynamic real-world situations on the basis of sensed data. Two additional components, namely, the Event Handler and the Rule Organiser, are responsible for dynamically generating context rules by associating decision events ? signifying a user?s activity ? with the context in which those decision events are produced. Context-rules are essential elements with which the behaviour of mobile devices can be controlled and useful services can be provided. Four estimation and recognition schemes, namely, Fuzzy Logic, Hidden Markov Models, Dempster-Schafer Theory of Evidence, and Bayesian Networks, are investigated, and their suitability for the implementation of the components of the architecture of the thesis is studied. Subsequently, fuzzy sets are chosen to model dynamic properties of entities. Dempster-Schafer?s combination theory is chosen for aggregating primitive contexts; and Bayesian Networks are chosen to reason about a higher-level context, which is an abstraction of a real-world situation. A Bayesian Composer is implemented to demonstrate the capability of the architecture in dealing with uncertainty, in revising the belief of the Empirical Ambient Knowledge Component, in dealing with the dynamics of primitive contexts and in dynamically defining contextual states. The Composer could be able to reason about the whereabouts of a person in the absence of any localisation sensor. Thermal, relative humidity, light intensity properties of a place as well as time information were employed to model and reason about a place. Consequently, depending on the variety and reliability of the sensors employed, the Composer could be able to discriminate between rooms, corridors, a building, or an outdoor place with different degrees of uncertainty. The Context-Aware E-Pad (CAEP) application is designed and implemented to demonstrate how applications can employ a higher-level context without the need to directly deal with its composition, and how a context rule can be generated by associating the activities (decision events) of a mobile user with the context in which the decision events are produced.