Although the nearing end of Moore’s Law has been predicted numerous times in the past, it will eventually come to pass. In forethought of this, many modern computing systems have become increasingly complex, distributed, and parallel. As software is developed on and for these complex systems, a common API is necessary for gathering vital performance related metrics while remaining transparent to the user, both in terms of system impact and ease of use. Several distributed performance monitoring and testing systems have been proposed and implemented by both research and commercial institutions. However, most of these systems do not meet several fundamental criterion for a truly useful distributed performance monitoring system: 1) variable data delivery models, 2) security, 3) scalability, 4) transparency, 5) completeness, 6) validity, and 7) portability. This work presents dCAMP: Distributed Common API for Measuring Performance, a distributed performance framework built on top of Mark Gabel and Michael Haungs’ work with CAMP. This work also presents an updated and extended set of criterion for evaluating distributed performance frameworks and uses these to evaluate dCAMP and several related works.

Das Internet of Things (IoT) ist aktuell ein junger Wachstumsmarkt, dessen Bedeutung für unsere Gesellschaft in naher Zukunft vielen Menschen erst noch wirklich bewusst werden wird. Die Subdomänen Smart-Home, Smart-Grid, Smart-Mobility, Industrie 4.0, Smart-Health und viele mehr sind wichtig für unsere zukünftige Wettbewerbsfähigkeit, die Herausforderungen zur Bewältigung des Klimawandels, unsere Gesundheit, aber auch für trivialere Dinge wie Komfort. Andererseits ergibt sich hierbei bereits dasselbe große Problem, das in einer ähnlichen Form schon bei klassischem Cloud-Computing bekannt ist: Vendor-Silos, die keinen hersteller- oder anbieterübergreifenden Austausch von Gerätedaten ermöglichen, verhindern eine schnelle Verbreitung dieser neuen Technologie. Diensteanbieter müssen ihre Produkte aufwendig für unzählige Technologien bereitstellen, was die Entwicklung von Diensten unnötig teuer macht und letztendlich das Dienstangebot insgesamt einschränkt. Cloud-Computing wird dabei in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Die Dissertation beschäftigt sich daher mit dem Problem IoT-Gerätedaten an IoT-Clouds plattformübergreifend und anbieterübergreifend nutzbar zu machen. Die Motivation und die adressierte Forschungslücke zeigen die Notwendigkeit der Beschäftigung mit dem Thema auf. Ausgehend davon, wird das Konzept einer dezentral organisierten IoT-Intercloud vorgeschlagen, welches in der Lage ist heterogene IoT-Clouds zu integrieren. Die Analyse des Standes der Technik zeigt, das IoT-Clouds genügend Eigenschaften teilen, um in Zukunft eine Adaption zu einer einheitlichen Schnittstelle für die IoT-Intercloud zu schaffen. Das Konzept umfasst zunächst die Komponentenarchitektur eines Intercloud-Brokers zur Etablierung einer IoT-Intercloud. Ausgehend davon wird in vertiefenden Teilkonzepten ein Discovery-Service zum Finden von Gerätedaten und einem Push-Stream-Provider, für die Zustellung von IoT-Event-Notifications in Echtzeit, behandelt. Eine Evaluation zeigt letztlich die praxistaugliche Realisierbarkeit, Skalierbarkeit und Performance der Konzeption und des implementierten Prototyps.

The University of Arizona's Aerial Robotics Club (ARC) sponsored two senior design teams to compete in the 2011 AUVSI Student Unmanned Aerial Systems (SUAS) competition. These teams successfully design and built a UAV platform in-house that was capable of autonomous flight, capturing aerial imagery, and filtering for target recognition but required excessive computational hardware and software bugs that limited the systems capability. A new multi-discipline team of undergrads was recruited to completely redesign and optimize the system in an attempt to reach true autonomous real-time target recognition with reasonable COTS hardware.

L'objectif de ce travail de thèse est double : - Le développement et application de méthodes originales pour la chimie quantique ; - La mise au point de stratégies informatiques variées permettant la réalisation de simulations à grande échelle. Dans la première partie, les méthodes d'integration de configuration (IC) et monte carlo quantique (QMC) utilisées dans ce travail pour le calcul des propriétés quantiques sont présentées. Nous détaillerons en particulier la méthode d'\IC sélectionnée perturbativement (CISPI) que nous avons utilisée pour construire des fonctions d'onde d'essai pour le QMC. La première application concerne le calcul des énergies totales non-relativistes des atomes de transition de la série 3d ; ceci a nécessité l'implémentation de fonctions de base de type Slater et a permis d'obtenir les meilleures valeurs publiées à ce jour. La deuxième application concerne l'implémentation de pseudo-potentiels adaptés à notre approche QMC, avec pour application une étude concernant le calcul des énergies d'atomisation d'un ensemble de 55 molécules. La seconde partie traite des aspects calcule haute performance (HPC) avec pour objectif l'aide au déploiement des simulations à très grande échelle, aussi bien sous l'aspect informatique proprement dit - utilisation de paradigmes de programmation originaux, optimisation des processus monocœurs, calculs massivement parallèles sur grilles de calcul (supercalculateur et Cloud), outils d'aide au développement collaboratif \textit{et cætera} -, que sous l'aspect \emph{utilisateur} - installation, gestion des paramètres d'entrée et de sortie, interface graphique, interfaçage avec d'autres codes. L'implémentation de ces différents aspects dans nos codes-maison quantum pakcage et qmc=chem est également présentée. / This thesis work has two main objectives: 1. To develop and apply original electronic structure methods for quantum chemistry 2. To implement several computational strategies to achieve efficient large-scale computer simulations. In the first part, both the Configuration Interaction (CI) and the Quantum Monte Carlo (QMC) methods used in this work for calculating quantum properties are presented. We then describe more specifically the selected CI approach (so-called CIPSI approach, Configuration Interaction using a Perturbative Selection done Iteratively) that we used for building trial wavefunctions for QMC simulations. As a first application, we present the QMC calculation of the total non-relativistic energies of transition metal atoms of the 3d series. This work, which has required the implementation of Slater type basis functions in our codes, has led to the best values ever published for these atoms. We then present our original implementation of the pseudo-potentials for QMC and discuss the calculation of atomization energies for a benchmark set of 55 organic molecules. The second part is devoted to the Hight Performance Computing (HPC) aspects. The objective is to make possible and/or facilitate the deployment of very large-scale simulations. From the point of view of the developer it includes: The use of original programming paradigms, single-core optimization process, massively parallel calculations on grids (supercomputer and Cloud), development of collaborative tools , etc - and from the user's point of view: Improved code installation, management of the input/output parameters, GUI, interfacing with other codes, etc.

With the increasing usage of Unmanned Aerial Vehicle (UAV)s and the prediction of becoming applicable to more industries within the next decade there is a need for a controlling authority in the lower airspace. An Unmanned Aircraft System Traffic Man- agement (UTM) provides multiple solutions to how such a system should operate and what services it should provide. This makes a UTM a key infrastructure that will need to withstand potential cyberattacks and ensure safe communication channels with sensitive information. This thesis will provide an analysis of what key areas need protection and show an example of how to implement it in UTM50.  Possible vulnerabilities were identified by performing a risk analysis based on the Con- trolled Object-Oriented Risk Assessment (CORAS) model, and a comparison was made between similar communication systems to compare what challenges they face. To handle the vulnerabilities, countermeasures were implemented in UTM50 using coding libraries such as ZeroMQ and CurveZMQ. The implementation was tested to ensure its effective- ness against possible cyber attacks, and the traffic was monitored using Wireshark.  Finally, this thesis presents a few areas that require further research to ensure full safety and security across all communication channels.

Das Internet of Things (IoT) ist aktuell ein junger Wachstumsmarkt, dessen Bedeutung für unsere Gesellschaft in naher Zukunft vielen Menschen erst noch wirklich bewusst werden wird. Die Subdomänen Smart-Home, Smart-Grid, Smart-Mobility, Industrie 4.0, Smart-Health und viele mehr sind wichtig für unsere zukünftige Wettbewerbsfähigkeit, die Herausforderungen zur Bewältigung des Klimawandels, unsere Gesundheit, aber auch für trivialere Dinge wie Komfort. Andererseits ergibt sich hierbei bereits dasselbe große Problem, das in einer ähnlichen Form schon bei klassischem Cloud-Computing bekannt ist: Vendor-Silos, die keinen hersteller- oder anbieterübergreifenden Austausch von Gerätedaten ermöglichen, verhindern eine schnelle Verbreitung dieser neuen Technologie. Diensteanbieter müssen ihre Produkte aufwendig für unzählige Technologien bereitstellen, was die Entwicklung von Diensten unnötig teuer macht und letztendlich das Dienstangebot insgesamt einschränkt. Cloud-Computing wird dabei in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Die Dissertation beschäftigt sich daher mit dem Problem IoT-Gerätedaten an IoT-Clouds plattformübergreifend und anbieterübergreifend nutzbar zu machen. Die Motivation und die adressierte Forschungslücke zeigen die Notwendigkeit der Beschäftigung mit dem Thema auf. Ausgehend davon, wird das Konzept einer dezentral organisierten IoT-Intercloud vorgeschlagen, welches in der Lage ist heterogene IoT-Clouds zu integrieren. Die Analyse des Standes der Technik zeigt, das IoT-Clouds genügend Eigenschaften teilen, um in Zukunft eine Adaption zu einer einheitlichen Schnittstelle für die IoT-Intercloud zu schaffen. Das Konzept umfasst zunächst die Komponentenarchitektur eines Intercloud-Brokers zur Etablierung einer IoT-Intercloud. Ausgehend davon wird in vertiefenden Teilkonzepten ein Discovery-Service zum Finden von Gerätedaten und einem Push-Stream-Provider, für die Zustellung von IoT-Event-Notifications in Echtzeit, behandelt. Eine Evaluation zeigt letztlich die praxistaugliche Realisierbarkeit, Skalierbarkeit und Performance der Konzeption und des implementierten Prototyps.:1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Motivation 1.2 Ziele der Dissertation 1.2.1 Thesen 1.2.2 Forschungsfragen 1.3 Aufbau der Dissertation 2 Grundlagen zu Cloud-Computing im Internet of Things 2.1 Definition von Cloud-Computing 2.1.1 Generelle Eigenschaften 2.1.2 Architekturschichten 2.1.3 Einsatzformen 2.2 Internet of Things 2.2.1 Middleware im IoT 2.3 Architekturen verteilter Systeme zur Bereitstellung der IoT-Middleware 2.3.1 Geräte-zentrische IoT-Architektur 2.3.2 Gateway-zentrische IoT-Architektur 2.3.3 Cloud-zentrische IoT-Architektur 2.3.4 Zusammenfassung 2.4 Eigenschaften von verteilten Event-basierten Systemen 2.4.1 Interaktionsmodelle 2.4.2 Filtermodelle von Subscriptions 2.4.3 Verteiltes Notfication-Routing 2.5 Discovery im IoT 2.5.1 Grundlegende Begrifflichkeiten 2.5.2 Topologien von Discovery-Services 2.5.3 Funktionale Anforderungen für Discovery-Services im IoT 2.5.4 Ausgewählte Ansätze von Discovery-Services im IoT 3 Stand der Technik 3.1 Device-as-a-Service-Schnittstellen von IoT-Clouds 3.1.1 Gerätedatenmodell 3.1.2 Datenabruf mit Pull-Semantik 3.1.3 Datenabruf mit Push-Semantik 3.1.4 Steuerung von Gerätedaten 3.1.5 Datenzugriff durch Drittparteien 3.2 Analyse der DaaS-Schnittstellen verschiedener IoT-Clouds 3.2.1 Google Nest 3.2.2 Samsung Artik 3.2.3 AWS IoT 3.2.4 Microsoft Azure IoT Suite 3.2.5 Kiwigrid IoT-Plattform 3.2.6 Digi Device Cloud 3.2.7 DeviceHive 3.2.8 Eurotech Everyware Cloud 3.3 Zusammenfassung und Diskussion des Standes der Technik 4 Intercloud-Computing für das IoT 4.1 Intercloud-Computing nach Toosi 4.1.1 Ansätze zur Interoperabilität 4.1.2 Szenarien zur Cloud-übergreifenden Interoperabilität 4.1.3 Herausforderungen für Komponenten 4.2 Intercloud-Computing nach Grozev 4.2.1 Klassifikation der Architekturen 4.2.2 Klassifikation des Brokering-Mechanismus 4.2.3 Klassifikation verteilter Cloudanwendungen 4.3 Verwandte Arbeiten 4.3.1 Intercloud-Architekturen außerhalb der IoT-Domäne 4.3.2 Intercloud-Architekturen für das IoT 4.4 Analyse der verwandten Arbeiten 4.4.1 Systematik zur Bewertung 4.4.2 Bewertung und Abgrenzung 5 Anforderungsanalyse 5.1 Akteure in einer IoT-Intercloud 5.1.1 Menschliche Akteure 5.1.2 Systemakteure 5.2 Anwendungsfälle 5.2.1 Anwendungsfälle von IoT-Diensten 5.2.2 Anwendungsfälle von IoT-Clouds 5.2.3 Anwendungsfälle von IoT-Geräten 5.2.4 Anwendungsfälle von Intercloud-Brokern 5.3 Anforderungen 5.4 Ausschlusskriterien 6 Intercloud-Architektur für das IoT 6.1 Systemmodell einer IoT-Intercloud 6.1.1 IoT-Datenmodell für die Intercloud 6.1.2 Etablierung einer Vertrauensbeziehung zwischen zwei Clouds 6.2 Komponentenarchitektur des Intercloud-Brokers 6.2.1 Service-Connector, IC-DaaS-IF und Service-Protocol 6.2.2 Intercloud-Proxy, ICC-IF und Protokoll 6.2.3 Cloud-Adapter und IC-DaaS-Adapter-IF 6.3 Zusammenfassung 7 Verteilter Discovery-Service 7.1 Problembeschreibung 7.1.1 Topologie des Discovery-Service 7.2 Einfache Cloud-Discovery mit Broadcasting-Weiterleitung 7.2.1 Schnittstelle und Protokoll des einfachen Discovery-Service 7.2.2 Diskussion des einfachen Discovery-Service 7.3 Cloud-Discovery mit Geräteverzeichnis und Multicast-Weiterleitung 7.3.1 Geeignete Geräteinformationen für das Verzeichnis 7.3.2 Struktur und Schnittstelle des Verzeichnisses 7.3.3 Verzeichnissynchronisation und erweitertes Protokoll 7.4 Zusammenfassung beider Ansätze des Discovery-Service 8 Verteilter Push-Stream-Provider 8.1 Verteilter Push-Stream-Provider im Modell des Broker-Overlay-Netzwerks 8.2 Verteilter Push-Stream-Provider mit einfachem Routing-Modell 8.2.1 Systemmodell 8.2.2 Integration der Subkomponenten in die verteilte ICB-Architektur 8.3 Redundanz und Redundanzvermeidung des Push-Stream-Providers 8.3.1 Beschreibung des Redundanzproblems und des Lösungsansatzes 8.3.2 Lösungsansatz 8.4 Verteilter Push-Stream-Provider mit vereinigungsbasiertem Routing-Modell 8.4.1 Erkennen von ähnlichen Filtern 8.4.2 Konstruktion eines Vereinigungsfilters 8.4.3 Rekonstruktion der Datenströme 8.4.4 Komponente: Merge-Controller 8.4.5 Komponente: Stream-Processing-Engine 8.4.6 Integration in die bisherige Architektur 8.4.7 Diskussion des Ansatzes zur Redundanzvermeidung 8.5 Zusammenfassung zum Konzept des Push-Stream-Providers 9 Evaluation 9.1 Prototypische Implementierung der Konzeptarchitektur 9.1.1 Intercloud-Broker 9.1.2 IoT-Cloud und IoT-Geräte 9.1.3 IoT-Dienste 9.1.4 Grenzen des Prototyps und Fokus der experimentellen Evaluation 9.2 Aufbau der Evaluationsumgebung 9.3 Experimentelle Untersuchung der prototypischen Implementierung des Konzepts 9.3.1 Ermittlung einer Performance-Baseline 9.3.2 Experiment 1: Performance bei variabler Nachrichtengröße und Nachrichtenanzahl 9.3.3 Experiment 2: Performance bei multiplen Subscriptions 9.3.4 Experiment 3: Ermittlung des maximalen Durchsatzes und Skalierbarkeit des ICB 9.3.5 Experiment 4: Effizienzvergleich zwischen einfachem und vereinigungsbasiertem Routing 9.4 Zusammenfassung und Diskussion der Evaluation 10 Zusammenfassung 10.1 Beiträge der Dissertation 10.2 Ausblick A Abbildungen B Tabellen Inhaltsverzeichnis C Algorithmen D Listings Literaturverzeichnis

Att flera datorer används för att gemensamt lösa problem är inte någonting nytt. Det finns många distribuerade system i bruk och många olika lösningar för hur dessa ska kommunicera med varandra. Vissa använder sig av meddelande-orienterade lager för kommunikation vilket det finns väldigt många implementationer av. RabbitMQ är ett exempel där att kommunikation går genom en (eller ett kluster av) central nod och kommunicerar med hjälp av protokollet Advanced Message Queue Protocol, AMQP. I en helt annan kategori finns ZeroMQ som inte definierar någon central nod för all kommunikation att passera utan peer to peer är istället möjlig vilket innebär snabbare responstider men försvårar hur olika klienter hittar till varandra. Det bloggindexerande företaget Twingly kör idag med ett distribuerat system som använder flera olika kösystem för att koordinera ut arbete till de olika datorerna. De vill kolla närmare på hur de kan bygga sitt system med hjälp av meddelande-orienterade lager. Resultatet av arbetet är att RabbitMQ innebär mindre komponenter att hålla reda på vilket innebär att koden blir mindre komplex. Det som kommer gratis med att använda RabbitMQ är just att klienterna inte behöver känna till varandra utan endast behöver känna till RabbitMQ-servern. Nackdelen är att RabbitMQ-servern kommer bli en flaskhals för systemet. ZeroMQ är däremot friare att implementera den funktionalitet man själv behöver vilket är till fördel i de fall tid och pengar finns för att skapa ett eget system byggt ovanpå ZeroMQ. För Twingly som vill ha ett system inom en snar framtid är RabbitMQ ett bättre val av dessa två alternativ.