The cloud computing business grows year after year. To keep up with increasing demand and to offer more services, data center providers are always searching for novel architectures. One of them are FPGAs, reconfigurable hardware with high compute power and energy efficiency. But some clients cannot make use of the remote processing capabilities. Not every involved party is trustworthy and the complex management software has potential security flaws. Hence, clients’ sensitive data or algorithms cannot be sufficiently protected. In this thesis state-of-the-art hardware, cloud and security concepts are analyzed and com- bined. On one side are reconfigurable virtual FPGAs. They are a flexible resource and fulfill the cloud characteristics at the price of security. But on the other side is a strong requirement for said security. To provide it, an immutable controller is embedded enabling a direct, confidential and secure transfer of clients’ configurations. This establishes a trustworthy compute space inside an untrusted cloud environment. Clients can securely transfer their sensitive data and algorithms without involving vulnerable software or a data center provider. This concept is implemented as a prototype. Based on it, necessary changes to current FPGAs are analyzed. To fully enable reconfigurable yet secure hardware in the cloud, a new hybrid architecture is required. / Das Geschäft mit dem Cloud Computing wächst Jahr für Jahr. Um mit der steigenden Nachfrage mitzuhalten und neue Angebote zu bieten, sind Betreiber von Rechenzentren immer auf der Suche nach neuen Architekturen. Eine davon sind FPGAs, rekonfigurierbare Hardware mit hoher Rechenleistung und Energieeffizienz. Aber manche Kunden können die ausgelagerten Rechenkapazitäten nicht nutzen. Nicht alle Beteiligten sind vertrauenswürdig und die komplexe Verwaltungssoftware ist anfällig für Sicherheitslücken. Daher können die sensiblen Daten dieser Kunden nicht ausreichend geschützt werden. In dieser Arbeit werden modernste Hardware, Cloud und Sicherheitskonzept analysiert und kombiniert. Auf der einen Seite sind virtuelle FPGAs. Sie sind eine flexible Ressource und haben Cloud Charakteristiken zum Preis der Sicherheit. Aber auf der anderen Seite steht ein hohes Sicherheitsbedürfnis. Um dieses zu bieten ist ein unveränderlicher Controller eingebettet und ermöglicht eine direkte, vertrauliche und sichere Übertragung der Konfigurationen der Kunden. Das etabliert eine vertrauenswürdige Rechenumgebung in einer nicht vertrauenswürdigen Cloud Umgebung. Kunden können sicher ihre sensiblen Daten und Algorithmen übertragen ohne verwundbare Software zu nutzen oder den Betreiber des Rechenzentrums einzubeziehen. Dieses Konzept ist als Prototyp implementiert. Darauf basierend werden nötige Änderungen von modernen FPGAs analysiert. Um in vollem Umfang eine rekonfigurierbare aber dennoch sichere Hardware in der Cloud zu ermöglichen, wird eine neue hybride Architektur benötigt.

This report presents the SHAP platform consisting of its microarchitecture and its implementation of the Java Virtual Machine (JVM). Like quite a few other embedded implementations of the Java platform, the SHAP microarchitecture relies on an instruction set architecture based on Java bytecode. Unlike them, it, however, features a design with well-encapsulated components autonomously managing their duties on rather high abstraction levels. Thus, permanent runtime duties are transferred from the central computing core to concurrently working components so that it can actually spent a larger fraction of time executing application code. The degree of parallelity between the application and the runtime implementation is increased. Currently, the stack and heap management including the automatic garbage collection are implemented this way. After detailing the design of the microarchitecture, the SHAP implementation of the Java Virtual Machine is described. A major focus is laid on the presentation of the layout and the use of the runtime data structures representing the various language abstractions provided by Java. Also, the boot sequence starting the JVM is described.

Die stetig voranschreitende Dezentralisierung und Internationalisierung von Organisationen sowie die zunehmende Digitalisierung führen zu erheblichen Veränderungen beruflicher Arbeitsprozesse (Staar, 2014). Dabei ermöglicht vor allem die steigende Virtualisierung von Geschäftsprozessen durch den Einsatz vielfältiger Technologien eine dynamische Vernetzung der beteiligten Personen (ebd.): Statische vordefinierten Strukturen weichen zugunsten der Bearbeitung problembezogener, dynamischer, vernetzter Zusammenarbeit (Picot, Reichwald, & Wigand, 2003, S. 420). Die beteiligten Personen arbeiten dabei nach einem „anytime-anyplace-Prinzip“ (Offelmann & Zülch, 2006., S. 118) vermehrt an ganz unterschiedlichen geografischen Standorten. Die Zusammenarbeit und Koordination der beteiligten Mitglieder wird dabei zu einem großen Teil oder vollständig durch eine Reihe verschiedener Informations- und Kommunikationstechnologien wie z.B. E-Mail, Videokonferenzsysteme, oder Groupware-Systeme ermöglicht (Schaper, 2011). Mit diesen Veränderungen in Kontext und Kommunikation verändert sich auch die Zusammenarbeit der beteiligten Personen insgesamt (Huxham & Vangen, 2001). Besonderes Augenmerk kommt vor allem der Gestaltung von Führung in virtuellen Kontexten zu (Hertel & Konradt, 2007). So werden für diese Formen der Zusammenarbeit, die oft projektbezogen und wenig hierarchisch organisiert sind, alternative Führungsmodelle wie das der „Shared Leadership“ (Hoch & Kozlowski, 2014) oder der „Emergent Leadership“ diskutiert (Yoo & Alavi, 2004). Entlang dieser Thematik ist folglich zu untersuchen, wie und durch wen in überwiegend heterarchisch organisierten Formen virtueller Zusammenarbeit Entscheidungen getroffen werden, Führung beurteilt und durch Führer und Geführte geteilt wird. Insbesondere die Frage, wer aus welchen Gründen eine Führungsrolle im Team übernimmt, ist dabei Gegenstand aktueller Forschung und wird sowohl aus Führer als auch aus Geführtenperspektive untersucht (z.B. Staar, 2014). [Aus der Einleitung.]

Virtualisierung und Cloud Computing gehören derzeit zu den wichtigsten Schlagworten für Betreiber von IT Infrastrukturen. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Technologien, Produkte und Geschäftsmodelle für vollkommen verschiedene Anwendungsszenarien. Die vorliegende Studie gibt zunächst einen detaillierten Überblick über aktuelle Entwicklungen in Konzepten und Technologien der Virtualisierungstechnologie – von klassischer Servervirtualisierung über Infrastrukturen für virtuelle Arbeitsplätze bis zur Anwendungsvirtualisierung und macht den Versuch einer Klassifikation der Virtualisierungsvarianten. Bei der Betrachtung des Cloud Computing-Konzepts werden deren Grundzüge sowie verschiedene Architekturvarianten und Anwendungsfälle eingeführt. Die ausführliche Untersuchung von Vorteilen des Cloud Computing sowie möglicher Bedenken, die bei der Nutzung von Cloud-Ressourcen im Unternehmen beachtet werden müssen, zeigt, dass Cloud Computing zwar große Chancen bietet, aber nicht für jede Anwendung und nicht für jeden rechtlichen und wirtschaftlichen Rahmen in Frage kommt.. Die anschließende Marktübersicht für Virtualisierungstechnologie zeigt, dass die großen Hersteller – Citrix, Microsoft und VMware – jeweils Produkte für fast alle Virtualisierungsvarianten anbieten und hebt entscheidende Unterschiede bzw. die Stärken der jeweiligen Anbieter heraus. So ist beispielsweise die Lösung von Citrix für Virtual Desktop Infrastructures sehr ausgereift, während Microsoft hier nur auf Standardtechnologie zurückgreifen kann. VMware hat als Marktführer die größte Verbreitung in Rechenzentren gefunden und bietet als einziger Hersteller echte Fehlertoleranz. Microsoft hingegen punktet mit der nahtlosen Integration ihrer Virtualisierungsprodukte in bestehende Windows-Infrastrukturen. Im Bereich der Cloud Computing-Systeme zeigen sich einige quelloffene Softwareprojekte, die durchaus für den produktiven Betrieb von sogenannten privaten Clouds geeignet sind. / Virtualization and Cloud Computing belong to the most important issues for operators of large ICT infrastructures today. There are a large number of various technologies, products, and business models for entirely different application scenarios. The study at hand gives a detailed overview on latest developments in concepts and technologies of virtualization – beginning with classic server virtualization, continuing with infrastructures for virtual workplaces, through to application virtualization and makes an attempt to classify all these variants of virtualization. When investigating on the concepts of Cloud Computing, the report introduces basic principles as well as different types of architecture and use cases. The extensive analysis of benefits of Cloud Computing and possible reservations when using cloud resources within an enterprise context is evidence that Cloud Computing offers great opportunities, but is not worth considering for any kind of application scenario, legal framework or business scenario. The subsequent market study on virtualization technology shows that each of the major manufacturers – Citrix, Microsoft, and VMware – offer products for any variant of virtualization and highlights the important differences between the products and the respective strengths of the vendors. For example, the Citrix solution on Virtual Desktop Infrastructures comes up very well-engineered, while Microsoft can only rely on standard technology in this field. VMware, the market leader in virtualization technology, has gained the biggest popularity in data centers and offers the only product implementing real fault tolerance. On the other hand, Microsoft is able to score with seamless integration of their virtualization products into existing Windows-based infrastructures. In the area of Cloud Computing systems, there are some open source software projects that are very possibly suitable for the productive operation of so called private clouds.

Die "Mitteilungen des URZ" informieren die Nutzer des Universitätsrechenzentrums der TU Chemnitz umfassend über neue Dienste und Projekte, vermitteln ggf. Hintergrundwissen und dienen der Berichterstattung.

In diesem Jahr fand das erste Studentensymposium Informatik Chemnitz (TUCSIS StudSym 2012) statt. Wir freuen uns, Ihnen in diesem Tagungsband studentische Beiträge präsentieren zu können. Das Studentensymposium der Fakultät für Informatik der TU Chemnitz richtet sich an alle Studierende und Doktoranden der Informatik sowie angrenzender Disziplinen mit Schwerpunkt Informatik aus dem Raum Chemnitz. Das Symposium hat das Ziel, den Studierenden eine Plattform zu geben, ihre Projekte, Studienarbeiten und Forschungsvorhaben vorzustellen. Im Mittelpunkt des Symposiums stehen studentische Projekte aus Seminaren, Praktika, Abschlussarbeiten oder extracurricularen Aktivitäten. Das Symposium bietet die Möglichkeit, vor einem akademischen Publikum Ideen, Pläne und Ergebnisse zu präsentieren und zu diskutieren. Darüber hinaus sind Doktoranden eingeladen ihre Promotionsprojekte mit einem Poster zu präsentieren um dadurch Feedback von anderen jungen Wissenschaftlern und Professoren für ihre wissenschaftliche Arbeit zu erhalten.

Reconfigurable circuits (Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)) for accelerating applications have been a key technology for many years. Thus, the world’s leading data center operators and providers of cloud infrastructures, namely Microsoft, IBM, and soon Amazon, are using FPGAs on their application platforms. The central question of this contribution is how FPGAs can be virtualized for a flexible and dynamic deployment in cloud infrastructures. In addition to the virtualization of FPGA resources, service models for the provision of virtualized FPGAs are developed and embedded into a resource management system in order to evaluate the cloud system’s behaviour. The objective of this work is not to build a cloud architecture, but rather to examine selected aspects of cloud systems with regard to the integration of reconfigurable hardware. The FPGAs are not only virtualized but, unlike in many other projects, the entire system and the application are taken into account. As a result, the vFPGAs are used dynamically and adaptively at different locations and topologies in the cloud architecture, depending on the user’s requirements. Furthermore, a prototypical implementation of a cloud system has been developed, and evaluated in several projects. The virtualization using state-of-the-art FPGAs has shown that the establishment of homogenous environments is possible. The Migration of a partial FPGA context is also possible with current FPGA architectures, but is associated with high costs in form of hardware resources. Furthermore, a simulation was carried out to determine whether virtualization and migration, could contribute to a more efficient utilization of resources in a larger cloud system or impair the service level agreement. In summary, both the developed virtualization and the possibility of a migration make it possible to reduce the amount of necessary resources in a modern cloud system. / Rekonfigurierbare Schaltkreise wie Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stellen seit Jahren für viele Unternehmen eine Schlüsseltechnologie zur Hintergrundbeschleunigung von Anwendungen und Cloud- Diensten dar. Als weltweit führende Betreiber von Rechenzentren und Anbieter von Cloud-Infrastrukturen setzten mittlerweile Microsoft, IBM und demnächst auch Amazon in ihren Systemen FPGAs auf Anwendungsebene ein, um sowohl die Rechenleistung zu erhöhen als auch die Verlustleistung und damit die Betriebskosten zu reduzieren. Ebenso stellt die Erhöhung der Zugangssicherheit durch Nutzung von FPGAs einen weiteren bedeutenden Aspekt dar. Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit besteht darin, wie FPGAs durch Virtualisierung effizient auf der Anwendungsebene nutzbar gemacht werden können. Das Ziel besteht darin, die FPGAs wie andere Komponenten flexibel und dynamisch in der Cloud einzusetzen. Um ein Cloud-System mit FPGAs evaluieren zu können, werden zunächst Servicemodelle für eine Bereitstellung der virtualisierten FPGAs entwickelt und in eine Ressourcenverwaltung eingebettet. Ziel der Arbeit ist hierbei nicht der Aufbau einer Cloud-Architektur selbst, sondern vielmehr die Untersuchung ausgewählter Aspekte mit Hinblick auf die Integration rekonfigurierbarer Hardware in eine Cloud. Dabei wird die klassische System-Virtualisierung auf die rekonfigurierbare Hardware übertragen, um eine Abstraktion vom physischen FPGA zu erreichen und diesen möglichst effizient auslasten zu können. Das Ziel besteht hierbei darin, mehrere unabhängige, nebenläufig arbeitende Nutzerkerne auf demselben physischen FPGA zu realisieren und durch Migration auf andere Rechenknoten zu übertragen sowie von der physischen Größe und der Architektur des FPGAs zu abstrahieren. Dabei wird nicht nur der FPGA virtualisiert, sondern – anders als bei der Mehrzahl vergleichbarer Arbeiten – das Gesamtsystem und der Einsatzzweck berücksichtigt. Ein prototypisch entwickeltes Cloud-System wurde im Rahmen mehrerer Projekte evaluiert. Durch diese prototypische Umsetzung wird nachgewiesen, dass eine FPGA-Virtualisierung auf aktuellen FPGAs möglich ist und welche Kosten dazu erforderlich sind. Ebenso zeigt sich, dass aufgrund bestimmter fester Strukturen eine Etablierung von homogenen Bereichen notwendig ist, um die Migration eines partiellen FPGA-Kontextes zu ermöglichen und eine effiziente Lastverteilung in der Cloud zu realisieren. Die prototypische Implementierung zeigt, dass eine Migration mit aktuellen FPGA-Architekturen möglich, aber mit Kosten in Form von FPGA-Ressourcen verbunden ist. Des Weiteren wird mittels Simulation untersucht, ob die in einem komplexen Anwendungsszenario angewendete Migration auch in einem größeren Cloud-System zu einer effizienteren Auslastung der Ressourcen beitragen kann. Zusammenfassend ist sowohl durch die entwickelte Virtualisierung als auch durch die Möglichkeit einer Migration die Einsparung von Hardware-Ressourcen und somit auch Energie in einem modernen Cloud-System möglich.

Modern general purpose programming languages like Java or C# provide a rich feature set and a higher degree of abstraction than conventional real-time programming languages like C/C++ or Ada. Applications developed with these modern languages are typically deployed via platform independent intermediate code. The intermediate code is typically executed by a virtualizing runtime environment. This allows for a high portability. Prominent examples are the Dalvik Virtual Machine of the Android operating system, the Java Virtual Machine as well as Microsoft .NET’s Common Language Runtime. The virtualizing runtime environment executes the instructions of the intermediate code. This introduces additional challenges to real-time software development. One issue is the transformation of the intermediate code instructions to native code instructions. If this transformation interferes with the execution of the real-time application, this might introduce jitter to its execution times. This can degrade the quality of soft real-time systems like augmented reality applications on mobile devices, but can lead to severe problems in hard real-time applications that have strict timing requirements. This thesis examines the possibility to overcome timing issues with intermediate code execution in virtualizing runtime environments. It addresses real-time suitable generation of native code from intermediate code in particular. In order to preserve the advantages of modern programming languages over conventional ones, the solution has to adhere to the following main requirements: - Intermediate code transformation does not interfere with application execution - Portability is not reduced and code transformation is still transparent to a programmer - Comparable performance Existing approaches are evaluated. A concept for real-time suitable code generation is developed. The concept bases on a pre-allocation of the native code and the elimination of indirect references, while considering and optimizing startup time of an application. This concept is implemented by the extension of an existing virtualizing runtime environment, which does not target real-time systems per se. It is evaluated qualitatively and quantitatively. A comparison of the new concept to existing approaches reveals high execution time determinism and good performance and while preserving the portability deployment of applications via intermediate code.

Due to the changing scope of data management towards the management of heterogeneous and distributed systems and applications, integration processes gain in importance. This is particularly true for those processes used as abstractions of workflow-based integration tasks; these are widely applied in practice. In such scenarios, a typical IT infrastructure comprises multiple integration systems with overlapping functionalities. The major problems in this area are high development effort, low portability and inefficiency. Therefore, in this paper, we introduce the vision of invisible deployment that addresses the virtualization of multiple, heterogeneous, physical integration systems into a single logical integration system. This vision comprises several challenging issues in the fields of deployment aspects as well as runtime aspects. Here, we describe those challenges, discuss possible solutions and present a detailed system architecture for that approach. As a result, the development effort can be reduced and the portability as well as the performance can be improved significantly.

Populaere Betriebssysteme (Windows XP, UNIX) sind in heutiger Zeit meist monolithisch aufgebaut. Durch immer neue nachgewiesene Sicherheitslücken in Kern und Anwendungen wird eindrucksvoll belegt, dass monolithische Architekturen den heutigen Sicherheitsanforderungen nicht mehr gewachsen sind. Dennoch kann man auf die reichhaltige Basis an Anwendungen heutiger Betriebssysteme nicht verzichten. Als Ausweg werden herkoemmliche Betriebssysteme isoliert in einer vertrauenswuerdigen Umgebung ausgeführt. Eine in letzter Zeit immer populaerere Methode zur Kapselung besteht in der Virtualisierung mit verschiedenen Auspraegungen. Mit L4Linux wurde 1997 erstmals nachgewiesen, dass die Ausfuehrung eines Standard-Betriebssystems auf einem Mikrokern (manchmal auch Para-Virtualisierung genannt) nicht zwangslaeufig zu inakzeptablen Mehrkosten an Laufzeit fuehren muss. Bei Einsatz von gebraeuchlicher Standardhardware muessen allerdings eine Reihe von Problemen geloest werden, unter anderem der uneingeschraenkte Zugriff von Geraeten auf den physischen Adressraum mittels DMA. Im Rahmen der Arbeit wird ein allgemeines Modell von IO-Adressraeumen als Erweiterung der virtuellen Adressraeume der CPU eingefuehrt und gezeigt, wie mittels Teil-Virtualisierung von Geraeten IO-Adressraeume in Software emuliert werden koennen. Weiterhin werden anhand von L4Linux Moeglichkeiten eroertert und implementiert, wie Betriebssystem-Kerne vollstaendig gezaehmt und insbesondere ohne IO-Privilegien ausgefuehrt werden koennen. Im Kapitel "Leistungsbewertung" erfolgt eine umfangreiche Evaluation der Implementierung anhand von L4Linux 2.2.