In this thesis various aspects of Quality of Experience (QoE) research are examined. The work is divided into three major blocks: QoE Assessment, QoE Monitoring, and VNF Performance Evaluation. First, prominent cloud applications such as Google Docs and a cloud-based photo album are explored. The QoE is characterized and the influence of packet loss and delay is studied. Afterwards, objective QoE monitoring for HTTP Adaptive Video Streaming (HAS) in the cloud is investigated. Additionally, by using a Virtual Network Function (VNF) for QoE monitoring in the cloud, the feasibility of an interworking of Network Function Virtualization (NFV) and cloud paradigm is evaluated. To this end, a VNF that exploits deep packet inspection technique was used to parse the video traffic. An algorithm is then designed accordingly to estimate video quality and QoE based on network and application layer parameters. To assess the accuracy of the estimation, the VNF is measured in different scenarios under different network QoS and the virtual environment of the cloud architecture. The insights show that the different geographical deployments of the VNF influence the accuracy of the video quality and QoE estimation. Various Service Function Chain (SFC) placement algorithms have been proposed and compared in the context of edge cloud networks. On the one hand, this research is aimed at cloud service providers by providing methods for evaluating QoE for cloud applications. On the other hand, network operators can learn the pitfalls and disadvantages of using the NFV paradigm for such a QoE monitoring mechanism. / In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte von Quality of Experience (QoE) und QoE-Monitoring untersucht. Die Arbeit teilt sich in drei große Blöcke auf: QoE Assessment, QoE Monitoring und Leistungsuntersuchung einer VNF. Zunächst werden prominente Cloud-Anwendungen wie Google Docs und ein Cloud-basiertes Photoalbum untersucht. Die QoE wird charakterisiert und es wird der Einfluss von Paketverlust und Delay studiert. Danach wird das objektive QoE-Monitoring für HTTP Adaptive Video Streaming (HAS) in der Cloud untersucht. Durch die Verwendung einer virtuellen Netzwerkfunktion (Virtual Network Function, VNF) für die QoE-Überwachung in der Cloud wurde außerdem die Durchführbarkeit eines Zusammenwirkens von Netzwerkfunktionsvirtualisierung (NFV) und Cloud-Paradigma bewertet. Zu diesem Zweck wurde der VNF, die die Deep-Packet-Inspection-Technik benutzt, zum Parsen des Videoverkehrs verwendet. Im Anschluss wurde ein Algorithmus entworfen, um die Videoqualität und die QoE basierend auf Netzwerk- und Anwendungsschichtparametern zu schätzen. Um die Genauigkeit der Schätzung zu bewerten, wurde die VNF in verschiedenen Szenarien unter verschiedener Netzwerk-QoS und der virtuellen Umgebung der Cloud-Architektur gemessen. Die Erkenntnisse zeigen, dass die unterschiedlichen geografischen Implementierungen der VNF die Genauigkeit der Schätzung der Videoqualität und QoE beeinflussen. Es wurden verschiedene Platzierungsalgorithmen der Service Function Chain (SFC) vorgeschlagen und im Kontext von Edge-Cloud-Netzwerken verglichen. Diese Forschungsarbeit zielt zum einen auf Cloud-Service-Provider ab, indem ihnen Methoden zur Bewertung der QoE für Cloud-Anwendungen zur Verfügung gestellt werden. Auf der anderen Seite können die Netzwerkbetreiber die Fallstricke und Nachteile der Anwendung des NFV-Paradigmas für einen solchen QoE-Überwachungsmechanismus erlernen.

The Software Defined Networking (SDN) paradigm offers network operators numerous improvements in terms of flexibility, scalability, as well as cost efficiency and vendor independence. However, in order to maximize the benefit from these features, several new challenges in areas such as management and orchestration need to be addressed. This dissertation makes contributions towards three key topics from these areas. Firstly, we design, implement, and evaluate two multi-objective heuristics for the SDN controller placement problem. Secondly, we develop and apply mechanisms for automated decision making based on the Pareto frontiers that are returned by the multi-objective optimizers. Finally, we investigate and quantify the performance benefits for the SDN control plane that can be achieved by integrating information from external entities such as Network Management Systems (NMSs) into the control loop. Our evaluation results demonstrate the impact of optimizing various parameters of softwarized networks at different levels and are used to derive guidelines for an efficient operation. / Heutige Kommunikationsnetze müssen ein breites Spektrum an Applikationen mit sehr heterogenen Anforderungen unterstützen sowie mit einer kontinuierlich steigenden Anzahl an Nutzern und Endgeräten skalieren. Softwarisierte Netze, welche sich insbesondere durch Paradigmen wie Software Defined Networking (SDN) und Network Functions Virtualization (NFV) kennzeichnen, zielen auf eine Erhöhung der Flexibilität und Skalierbarkeit ab, um diesen Anforderungen auch in Zukunft gerecht zu werden. Um jedoch in vollem Umfang von den Vorteilen dieser Paradigmen zu profitieren, müssen neue Fragestellungen adressiert werden. Diese umfassen insbesondere die Platzierung neuer Entitäten im Netz sowie deren Integration in bestehende Architekturen und ihre Interaktion mit vorhandenen Komponenten. In dieser Dissertation werden Optimierungsverfahren entwickelt und bewertet, welche zu verschiedenen Zeitpunkten im Lebenszyklus softwarisierter Netze eingesetzt werden und ihre Performanz sowie Automatisierbarkeit steigern. Diese umfassen Verfahren für das Platzieren von Kontrollentitäten in SDN-basierten Netzen, welche eine effiziente Dimensionierung während der Planungsphase ermöglichen. Zudem werden diese Verfahren um Mechanismen erweitert, welche eine automatisierte Anpassung an dynamische Veränderungen ermöglichen und somit die Effizienz des Netzes aufrechterhalten. Zuletzt wird die Integration von Daten aus externen Informationsquellen wie Netzmanagementsystemen in SDN-Komponenten untersucht, um deren Entscheidungen und somit die Performanz im gesamten Netz zu optimieren.

The field of human-computer interaction (HCI) strives for innovative user interfaces. Innovative and novel user interfaces are a challenge for a growing population of older users and endanger older adults to be excluded from an increasingly digital world. This is because older adults often have lower cognitive abilities and little prior experiences with technology. This thesis aims at resolving the tension between innovation and age-inclusiveness by developing user interfaces that can be used regardless of cognitive abilities and technology-dependent prior knowledge. The method of image-schematic metaphors holds promises for innovative and age-inclusive interaction design. Image-schematic metaphors represent a form of technology-independent prior knowledge. They reveal basic mental models and can be gathered in language (e.g. bank account is container from "I put money into my bank account"). Based on a discussion of previous applications of image-schematic metaphors in HCI, the present work derives three empirical research questions regarding image-schematic metaphors for innovative and age-inclusive interaction design. The first research question addresses the yet untested assumption that younger and older adults overlap in their technology-independent prior knowledge and, therefore, their usage of image-schematic metaphors. In study 1, a total of 41 participants described abstract concepts from the domains of online banking and everyday life. In study 2, ten contextual interviews were conducted. In both studies, younger and older adults showed a substantial overlap of 70% to 75%, indicating that also their mental models overlap substantially. The second research question addresses the applicability and potential of image-schematic metaphors for innovative design from the perspective of designers. In study 3, 18 student design teams completed an ideation process with either an affinity diagram as the industry standard, image-schematic metaphors or both methods in combination and created paper prototypes. The image-schematic metaphor method alone, but not the combination of both methods, was readily adopted and applied just as a well as the more familiar standard method. In study 4, professional interaction designers created prototypes either with or without image-schematic metaphors. In both studies, the method of image-schematic metaphors was perceived as applicable and creativity stimulating. The third research question addresses whether designs that explicitly follow image-schematic metaphors are more innovative and age-inclusive regarding differences in cognitive abilities and prior technological knowledge. In two experimental studies (study 5 and 6) involving a total of 54 younger and 53 older adults, prototypes that were designed with image-schematic metaphors were perceived as more innovative compared to those who were designed without image-schematic metaphors. Moreover, the impact of prior technological knowledge on interaction was reduced for prototypes that had been designed with image-schematic metaphors. However, participants' cognitive abilities and age still influenced the interaction significantly. The present work provides empirical as well as methodological findings that can help to promote the method of image-schematic metaphors in interaction design. As a result of these studies it can be concluded that the image-schematic metaphors are an applicable and effective method for innovative user interfaces that can be used regardless of prior technological knowledge. / Innovative Benutzungsoberflächen sind eines der Hauptziele der Mensch-Computer Interaktion. Diese neuartigen Benutzungsoberflächen sind eine Herausforderung gerade für ältere Benutzer und drohen diese aus der immer digitaleren Welt auszuschließen. Hierbei spielen abnehmende kognitive Fähigkeiten und eine geringere Vorerfahrung mit Technologie eine wichtige Rolle. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Spannung zwischen Innovation und Alters-Inklusivität zu verringern und Benutzungsoberflächen zu entwickeln, die unabhängig von kognitiven Fähigkeiten und technologieabhängigem Vorwissen benutzt werden können. Die Methode der image-schematischen Metaphern verspricht innovative und zugleich alters-inklusives Interaktionsdesign. Image-schematische Metaphern stellen eine technologieunabhängige Form von Vorwissen dar. Sie offenbaren grundlegende mentale Modelle und können aus metaphorischer Sprache extrahiert werden (z.B. Bankkonto ist Container ausgehend von "Geld ein}zahlen). Die vorliegende Arbeit leitet aus vorangegangen Anwendung von image-schematischen Metaphern im Bereich der Mensch-Computer Interaktion drei empirische Forschungsfragen mit dem Fokus auf innovatives und alters-inklusives Interaktionsdesign ab. Die erste Forschungsfrage behandelt die bisher ungetestete Annahme, dass junge und ältere Menschen in ihrem technologieunabhängigem Vorwissen und damit auch im Gebrauch image-schematischer Metaphern übereinstimmen. In Studie 1 beschrieben 41 Probanden abstrakte Konzepte in den Bereichen Online Banking und Alltag. In Studie 2 wurden zehn kontextuelle Interviews durchgeführt. In beiden Studien wurde eine Übereinstimmung zwischen 70% und 75% gefunden, was auf eine substantielle Übereinstimmung der mentalen Modelle hinweist. Die zweite Forschungsfrage zielte auf die Anwendbarkeit und das Potential image-schematischer Metaphern für innovatives Design aus der Perspektive von Designern ab. In Studie 3 durchliefen 18 studentische Designteams einen Ideenfindungsprozess mit Prototypenerstellung, der entweder auf einem Affinity Diagramm als Industriestandard, image-schematischen Metaphern oder beiden Ansätzen in Kombination basierte. Die Methode der image-schematischen Metaphern, aber nicht die Kombination beider Methoden, war ebenso leicht anwendbar wie die bekanntere Standardmethode. In Studie 4 erstellten professionelle Interaktionsdesigner Prototypen mit oder ohne image-schematische Metaphern. In beiden Studien wurde die neue Methode als leicht anwendbar und die Kreativität stimulierend wahrgenommen. Die dritte Forschungsfrage ging der Frage nach, ob Prototypen, die explizit auf image-schematischen Metaphern basieren, tatsächlich innovativer wahrgenommen werden und alters-inklusiver bezüglich kognitiver Fähigkeiten und Technologievorwissen sind. In zwei experimentellen Studien (Studie 5 und 6) mit insgesamt 54 jüngeren und 53 älteren Menschen wurden Prototypen, die mit image-schematischen Metaphern entwickelt worden waren, als innovativer wahrgenommen als solche, die nicht explizit mit der neuen Methode entwickelt worden waren. Zudem war der Einfluss von Technologievorwissen auf die Interaktion geringer für Prototypen, die mit image-schematischen Metaphern erstellt worden waren. Der Einfluss von kognitiven Fähigkeiten und Alter auf die Interaktion blieb jedoch signifikant. Die vorliegende Arbeit liefert sowohl in empirischer als auch methodischer Hinsicht einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Methode der image-schematischen Metaphern im Interaktionsdesign. Als Ergebnis dieser Arbeit lässt sich festhalten, dass image-schematische Metaphern eine leicht anwendbare und effektive Methode darstellen, um innovative Benutzungsoberflächen zu entwickeln, die unabhängig von Technologievorwissen benutzt werden können.

Energy efficiency of computing systems has become an increasingly important issue over the last decades. In 2015, data centers were responsible for 2% of the world's greenhouse gas emissions, which is roughly the same as the amount produced by air travel. In addition to these environmental concerns, power consumption of servers in data centers results in significant operating costs, which increase by at least 10% each year. To address this challenge, the U.S. EPA and other government agencies are considering the use of novel measurement methods in order to label the energy efficiency of servers. The energy efficiency and power consumption of a server is subject to a great number of factors, including, but not limited to, hardware, software stack, workload, and load level. This huge number of influencing factors makes measuring and rating of energy efficiency challenging. It also makes it difficult to find an energy-efficient server for a specific use-case. Among others, server provisioners, operators, and regulators would profit from information on the servers in question and on the factors that affect those servers' power consumption and efficiency. However, we see a lack of measurement methods and metrics for energy efficiency of the systems under consideration. Even assuming that a measurement methodology existed, making decisions based on its results would be challenging. Power prediction methods that make use of these results would aid in decision making. They would enable potential server customers to make better purchasing decisions and help operators predict the effects of potential reconfigurations. Existing energy efficiency benchmarks cannot fully address these challenges, as they only measure single applications at limited sets of load levels. In addition, existing efficiency metrics are not helpful in this context, as they are usually a variation of the simple performance per power ratio, which is only applicable to single workloads at a single load level. Existing data center efficiency metrics, on the other hand, express the efficiency of the data center space and power infrastructure, not focusing on the efficiency of the servers themselves. Power prediction methods for not-yet-available systems that could make use of the results provided by a comprehensive power rating methodology are also lacking. Existing power prediction models for hardware designers have a very fine level of granularity and detail that would not be useful for data center operators. This thesis presents a measurement and rating methodology for energy efficiency of servers and an energy efficiency metric to be applied to the results of this methodology. We also design workloads, load intensity and distribution models, and mechanisms that can be used for energy efficiency testing. Based on this, we present power prediction mechanisms and models that utilize our measurement methodology and its results for power prediction. Specifically, the six major contributions of this thesis are: We present a measurement methodology and metrics for energy efficiency rating of servers that use multiple, specifically chosen workloads at different load levels for a full system characterization. We evaluate the methodology and metric with regard to their reproducibility, fairness, and relevance. We investigate the power and performance variations of test results and show fairness of the metric through a mathematical proof and a correlation analysis on a set of 385 servers. We evaluate the metric's relevance by showing the relationships that can be established between metric results and third-party applications. We create models and extraction mechanisms for load profiles that vary over time, as well as load distribution mechanisms and policies. The models are designed to be used to define arbitrary dynamic load intensity profiles that can be leveraged for benchmarking purposes. The load distribution mechanisms place workloads on computing resources in a hierarchical manner. Our load intensity models can be extracted in less than 0.2 seconds and our resulting models feature a median modeling error of 12.7% on average. In addition, our new load distribution strategy can save up to 10.7% of power consumption on a single server node. We introduce an approach to create small-scale workloads that emulate the power consumption-relevant behavior of large-scale workloads by approximating their CPU performance counter profile, and we introduce TeaStore, a distributed, micro-service-based reference application. TeaStore can be used to evaluate power and performance model accuracy, elasticity of cloud auto-scalers, and the effectiveness of power saving mechanisms for distributed systems. We show that we are capable of emulating the power consumption behavior of realistic workloads with a mean deviation less than 10% and down to 0.2 watts (1%). We demonstrate the use of TeaStore in the context of performance model extraction and cloud auto-scaling also showing that it may generate workloads with different effects on the power consumption of the system under consideration. We present a method for automated selection of interpolation strategies for performance and power characterization. We also introduce a configuration approach for polynomial interpolation functions of varying degrees that improves prediction accuracy for system power consumption for a given system utilization. We show that, in comparison to regression, our automated interpolation method selection and configuration approach improves modeling accuracy by 43.6% if additional reference data is available and by 31.4% if it is not. We present an approach for explicit modeling of the impact a virtualized environment has on power consumption and a method to predict the power consumption of a software application. Both methods use results produced by our measurement methodology to predict the respective power consumption for servers that are otherwise not available to the person making the prediction. Our methods are able to predict power consumption reliably for multiple hypervisor configurations and for the target application workloads. Application workload power prediction features a mean average absolute percentage error of 9.5%. Finally, we propose an end-to-end modeling approach for predicting the power consumption of component placements at run-time. The model can also be used to predict the power consumption at load levels that have not yet been observed on the running system. We show that we can predict the power consumption of two different distributed web applications with a mean absolute percentage error of 2.2%. In addition, we can predict the power consumption of a system at a previously unobserved load level and component distribution with an error of 1.2%. The contributions of this thesis already show a significant impact in science and industry. The presented efficiency rating methodology, including its metric, have been adopted by the U.S. EPA in the latest version of the ENERGY STAR Computer Server program. They are also being considered by additional regulatory agencies, including the EU Commission and the China National Institute of Standardization. In addition, the methodology's implementation and the underlying methodology itself have already found use in several research publications. Regarding future work, we see a need for new workloads targeting specialized server hardware. At the moment, we are witnessing a shift in execution hardware to specialized machine learning chips, general purpose GPU computing, FPGAs being embedded into compute servers, etc. To ensure that our measurement methodology remains relevant, workloads covering these areas are required. Similarly, power prediction models must be extended to cover these new scenarios. / In den vergangenen Jahrzehnten hat die Energieeffizienz von Computersystemen stark an Bedeutung gewonnen. Bereits 2015 waren Rechenzentren für 2% der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich, was mit der durch den Flugverkehr verursachten Treibhausgasmenge vergleichbar ist. Dabei wirkt sich der Stromverbrauch von Rechenzentren nicht nur auf die Umwelt aus, sondern verursacht auch erhebliche, jährlich um mindestens 10% steigende, Betriebskosten. Um sich diesen Herausforderungen zu stellen, erwägen die U.S. EPA und andere Behörden die Anwendung von neuartigen Messmethoden, um die Energieeffizienz von Servern zu bestimmen und zu zertifizieren. Die Energieeffizienz und der Stromverbrauch eines Servers wird von vielen verschiedenen Faktoren, u.a. der Hardware, der zugrundeliegenden Ausführungssoftware, der Arbeitslast und der Lastintensität, beeinflusst. Diese große Menge an Einflussfaktoren führt dazu, dass die Messung und Bewertung der Energieeffizienz herausfordernd ist, was die Auswahl von energieeffizienten Servern für konkrete Anwendungsfälle erheblich erschwert. Informationen über Server und ihre Energieeffizienz bzw. ihren Stromverbrauch beeinflussenden Faktoren wären für potentielle Kunden von Serverhardware, Serverbetreiber und Umweltbehörden von großem Nutzen. Im Allgemeinen mangelt es aber an Messmethoden und Metriken, welche die Energieeffizienz von Servern in befriedigendem Maße erfassen und bewerten können. Allerdings wäre es selbst unter der Annahme, dass es solche Messmethoden gäbe, dennoch schwierig Entscheidungen auf Basis ihrer Ergebnisse zu fällen. Um derartige Entscheidungen zu vereinfachen, wären Methoden zur Stromverbrauchsvorhersage hilfreich, um es potentiellen Serverkunden zu ermöglichen bessere Kaufentscheidungen zu treffen und Serverbetreibern zu helfen, die Auswirkungen möglicher Rekonfigurationen vorherzusagen. Existierende Energieeffizienzbenchmarks können diesen Herausforderungen nicht vollständig begegnen, da sie nur einzelne Anwendungen bei wenigen Lastintensitätsstufen ausmessen. Auch sind die vorhandenen Energieeffizienzmetriken in diesem Kontext nicht hilfreich, da sie normalerweise nur eine Variation des einfachen Verhältnisses von Performanz zu Stromverbrauch darstellen, welches nur auf einzelne Arbeitslasten bei einer einzigen gemessenen Lastintensität angewandt werden kann. Im Gegensatz dazu beschreiben die existierenden Rechenzentrumseffizienzmetriken lediglich die Platz- und Strominfrastruktureffizienz von Rechenzentren und bewerten nicht die Effizienz der Server als solche. Methoden zur Stromverbrauchsvorhersage noch nicht für Kunden verfügbarer Server, welche die Ergebnisse einer ausführlichen Stromverbrauchsmessungs- und Bewertungsmethodologie verwenden, gibt es ebenfalls nicht. Stattdessen existieren Stromverbrauchsvorhersagemethoden und Modelle für Hardwaredesigner und Hersteller. Diese Methoden sind jedoch sehr feingranular und erfordern Details, welche für Rechenzentrumsbetreiber nicht verfügbar sind, sodass diese keine Vorhersage durchführen können. In dieser Arbeit werden eine Energieeffizienzmess- und Bewertungsmethodologie für Server und Energieeffizienzmetriken für diese Methodologie vorgestellt. Es werden Arbeitslasten, Lastintensitäten und Lastverteilungsmodelle und -mechanismen, die für Energieeffizienzmessungen und Tests verwendet werden können, entworfen. Darauf aufbauend werden Mechanismen und Modelle zur Stromverbrauchsvorhersage präsentiert, welche diese Messmethodologie und die damit produzierten Ergebnisse verwenden. Die sechs Hauptbeiträge dieser Arbeit sind: Eine Messmethodologie und Metriken zur Energieeffizienzbewertung von Servern, die mehrere, verschiedene Arbeitslasten unter verschiedenen Lastintensitäten ausführt, um die beobachteten Systeme vollständig zu charakterisieren. Diese Methodologie wird im Bezug auf ihre Wiederholbarkeit, Fairness und Relevanz evaluiert. Es werden die Stromverbrauchs- und Performanzvariationen von wiederholten Methodologieausführungen untersucht und die Fairness der Methodologie wird durch mathematische Beweise und durch eine Korrelationsanalyse anhand von Messungen auf 385 Servern bewertet. Die Relevanz der Methodologie und der Metrik wird gezeigt, indem Beziehungen zwischen Metrikergebnissen und der Energieeffizienz von anderen Serverapplikationen untersucht werden. Modelle und Extraktionsverfahren für sich mit der Zeit verändernde Lastprofile, sowie Lastverteilungsmechanismen und -regeln. Die Modelle können dazu verwendet werden, beliebige Lastintensitätsprofile, die zum Benchmarking verwendet werden können, zu entwerfen. Die Lastverteilungsmechanismen, hingegen, platzieren Arbeitslasten in hierarchischer Weise auf Rechenressourcen. Die Lastintensitätsmodelle können in weniger als 0,2 Sekunden extrahiert werden, wobei die jeweils resultierenden Modelle einen durchschnittlichen Medianmodellierungsfehler von 12,7% aufweisen. Zusätzlich dazu kann die neue Lastverteilungsstrategie auf einzelnen Servern zu Stromverbrauchseinsparungen von bis zu 10,7% führen. Ein Ansatz um kleine Arbeitslasten zu erzeugen, welche das Stromverbrauchsverhalten von größeren, komplexeren Lasten emulieren, indem sie ihre CPU Performance Counter-Profile approximieren sowie den TeaStore: Eine verteilte, auf dem Micro-Service-Paradigma basierende Referenzapplikation. Der TeaStore kann verwendet werden, um Strom- und Performanzmodellgenauigkeit, Elastizität von Cloud Autoscalern und die Effektivität von Stromsparmechanismen in verteilten Systemen zu untersuchen. Das Arbeitslasterstellungsverfahren kann das Stromverbrauchsverhalten von realistischen Lasten mit einer mittleren Abweichung von weniger als 10% und bis zu einem minimalen Fehler von 0,2 Watt (1%) nachahmen. Die Anwendung des TeaStores wird durch die Extraktion von Performanzmodellen, die Anwendung in einer automatisch skalierenden Cloudumgebung und durch eine Demonstration der verschiedenen möglichen Stromverbräuche, die er auf Servern verursachen kann, gezeigt. Eine Methode zur automatisierten Auswahl von Interpolationsstrategien im Bezug auf Performanz und Stromverbrauchscharakterisierung. Diese Methode wird durch einen Konfigurationsansatz, der die Genauigkeit der auslastungsabhängigen Stromvorhersagen von polynomiellen Interpolationsfunktionen verbessert, erweitert. Im Gegensatz zur Regression kann der automatisierte Interpolationsmethodenauswahl- und Konfigurationsansatz die Modellierungsgenauigkeit mit Hilfe eines Referenzdatensatzes um 43,6% verbessern und kann selbst ohne diesen Referenzdatensatz eine Verbesserung von 31,4% erreichen. Einen Ansatz, der explizit den Einfluss von Virtualisierungsumgebungen auf den Stromverbrauch modelliert und eine Methode zur Vorhersage des Stromverbrauches von Softwareapplikationen. Beide Verfahren nutzen die von der in dieser Arbeit vorgegestellten Stromverbrauchsmessmethologie erzeugten Ergebnisse, um den jeweiligen Stromverbrauch von Servern, die den Vorhersagenden sonst nicht zur Verfügung stehen, zu ermöglichen. Die vorgestellten Verfahren können den Stromverbrauch für verschiedene Hypervisorkonfigurationen und für Applikationslasten zuverlässig vorhersagen. Die Vorhersage des Stromverbrauchs von Serverapplikationen erreicht einen mittleren absoluten Prozentfehler von 9,5%. Ein Modellierungsansatz zur Stromverbrauchsvorhersage für Laufzeitplatzierungsentscheidungen von Softwarekomponenten, welcher auch dazu verwendet werden kann den Stromverbrauch für bisher nicht beobachtete Lastintensitäten auf dem laufenden System vorherzusagen. Der Modellierungsansatz kann den Stromverbrauch von zwei verschiedenen, verteilten Webanwendungen mit einem mittleren absoluten Prozentfehler von 2,2% vorhersagen. Zusätzlich kann er den Stromverbrauch von einem System bei einer in der Vergangenheit nicht beobachteten Lastintensität und Komponentenverteilung mit einem Fehler von 1,2% vorhersagen. Die Beiträge in dieser Arbeit haben sich bereits signifikant auf Wissenschaft und Industrie ausgewirkt. Die präsentierte Energieeffizienzbewertungsmethodologie, inklusive ihrer Metriken, ist von der U.S. EPA in die neueste Version des ENERGY STAR Computer Server-Programms aufgenommen worden und wird zurzeit außerdem von weiteren Behörden, darunter die EU Kommission und die Nationale Chinesische Standardisierungsbehörde, in Erwägung gezogen. Zusätzlich haben die Implementierung der Methodologie und die zugrundeliegende Methodologie bereits Anwendung in mehreren wissenschaftlichen Arbeiten gefunden. In Zukunft werden im Rahmen von weiterführenden Arbeiten neue Arbeitslasten erstellt werden müssen, um die Energieeffizienz von spezialisierter Hardware zu untersuchen. Zurzeit verändert sich die Server-Rechenlandschaft in der Hinsicht, dass spezialisierte Ausführungseinheiten, wie Chips zum maschinellen Lernen, GPGPU Rechenchips und FPGAs in Servern verbaut werden. Um sicherzustellen, dass die Messmethodologie aus dieser Arbeit weiterhin relevant bleibt, wird es nötig sein, Arbeitslasten zu erstellen, welche diese Fälle abdecken, sowie Stromverbrauchsmodelle zu entwerfen, die in der Lage sind, derartige spezialisierte Hardware zu betrachten.

Optical Character Recognition (OCR) on historical printings is a challenging task mainly due to the complexity of the layout and the highly variant typography. Nevertheless, in the last few years great progress has been made in the area of historical OCR resulting in several powerful open-source tools for preprocessing, layout analysis and segmentation, Automatic Text Recognition (ATR) and postcorrection. Their major drawback is that they only offer limited applicability by non-technical users like humanist scholars, in particular when it comes to the combined use of several tools in a workflow. Furthermore, depending on the material, these tools are usually not able to fully automatically achieve sufficiently low error rates, let alone perfect results, creating a demand for an interactive postcorrection functionality which, however, is generally not incorporated. This thesis addresses these issues by presenting an open-source OCR software called OCR4all which combines state-of-the-art OCR components and continuous model training into a comprehensive workflow. While a variety of materials can already be processed fully automatically, books with more complex layouts require manual intervention by the users. This is mostly due to the fact that the required Ground Truth (GT) for training stronger mixed models (for segmentation as well as text recognition) is not available, yet, neither in the desired quantity nor quality. To deal with this issue in the short run, OCR4all offers better recognition capabilities in combination with a very comfortable Graphical User Interface (GUI) that allows error corrections not only in the final output, but already in early stages to minimize error propagation. In the long run this constant manual correction produces large quantities of valuable, high quality training material which can be used to improve fully automatic approaches. Further on, extensive configuration capabilities are provided to set the degree of automation of the workflow and to make adaptations to the carefully selected default parameters for specific printings, if necessary. The architecture of OCR4all allows for an easy integration (or substitution) of newly developed tools for its main components by supporting standardized interfaces like PageXML, thus aiming at continual higher automation for historical printings. In addition to OCR4all, several methodical extensions in the form of accuracy improving techniques for training and recognition are presented. Most notably an effective, sophisticated, and adaptable voting methodology using a single ATR engine, a pretraining procedure, and an Active Learning (AL) component are proposed. Experiments showed that combining pretraining and voting significantly improves the effectiveness of book-specific training, reducing the obtained Character Error Rates (CERs) by more than 50%. The proposed extensions were further evaluated during two real world case studies: First, the voting and pretraining techniques are transferred to the task of constructing so-called mixed models which are trained on a variety of different fonts. This was done by using 19th century Fraktur script as an example, resulting in a considerable improvement over a variety of existing open-source and commercial engines and models. Second, the extension from ATR on raw text to the adjacent topic of typography recognition was successfully addressed by thoroughly indexing a historical lexicon that heavily relies on different font types in order to encode its complex semantic structure. During the main experiments on very complex early printed books even users with minimal or no experience were able to not only comfortably deal with the challenges presented by the complex layout, but also to recognize the text with manageable effort and great quality, achieving excellent CERs below 0.5%. Furthermore, the fully automated application on 19th century novels showed that OCR4all (average CER of 0.85%) can considerably outperform the commercial state-of-the-art tool ABBYY Finereader (5.3%) on moderate layouts if suitably pretrained mixed ATR models are available. / Die Optische Zeichenerkennung (Optical Character Recognition, OCR) auf historischen Drucken stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar, hauptsächlich aufgrund des häufig komplexen Layouts und der hoch varianten Typographie. In den letzten Jahre gab es große Fortschritte im Bereich der historischen OCR, die nicht selten auch in Form von Open Source Tools interessierten Nutzenden frei zur Verfügung stehen. Der Nachteil dieser Tools ist, dass sie meist ausschließlich über die Kommandozeile bedient werden können und somit nicht-technische Nutzer schnell überfordern. Außerdem sind die Tools häufig nicht aufeinander abgestimmt und verfügen dementsprechend nicht über gemeinsame Schnittstellen. Diese Arbeit adressiert diese Problematik mittels des Open Source Tools OCR4all, das verschiedene State-of-the-Art OCR Lösungen zu einem zusammenhängenden Workflow kombiniert und in einer einzigen Anwendung kapselt. Besonderer Wert liegt dabei darauf, auch nicht-technischen Nutzern zu erlauben, selbst die ältesten und anspruchsvollen Drucke selbstständig und mit höchster Qualität zu erfassen. OCR4all ist vollständig über eine komfortable graphische Nutzeroberfläche bedienbar und bietet umfangreiche Möglichkeiten hinsichtlich Konfiguration und interaktiver Nachkorrektur. Zusätzlich zu OCR4all werden mehrere methodische Erweiterungen präsentiert, um die Effektivität und Effizienz der Trainings- und Erkennungsprozesse zur Texterkennung zu optimieren. Während umfangreicher Evaluationen konnte gezeigt werden, dass selbst Nutzer ohne nennenswerte Vorerfahrung in der Lage waren, OCR4all eigenständig auf komplexe historische Drucke anzuwenden und dort hervorragende Zeichenfehlerraten von durchschnittlich unter 0,5% zu erzielen. Die methodischen Verbesserungen mit Blick auf die Texterkennung reduzierten dabei die Fehlerrate um über 50% im Vergleich zum etablierten Standardansatz.

Affordable prices for 3D laser range finders and mature software solutions for registering multiple point clouds in a common coordinate system paved the way for new areas of application for 3D point clouds. Nowadays we see 3D laser scanners being used not only by digital surveying experts but also by law enforcement officials, construction workers or archaeologists. Whether the purpose is digitizing factory production lines, preserving historic sites as digital heritage or recording environments for gaming or virtual reality applications -- it is hard to imagine a scenario in which the final point cloud must also contain the points of "moving" objects like factory workers, pedestrians, cars or flocks of birds. For most post-processing tasks, moving objects are undesirable not least because moving objects will appear in scans multiple times or are distorted due to their motion relative to the scanner rotation. The main contributions of this work are two postprocessing steps for already registered 3D point clouds. The first method is a new change detection approach based on a voxel grid which allows partitioning the input points into static and dynamic points using explicit change detection and subsequently remove the latter for a "cleaned" point cloud. The second method uses this cleaned point cloud as input for detecting collisions between points of the environment point cloud and a point cloud of a model that is moved through the scene. Our approach on explicit change detection is compared to the state of the art using multiple datasets including the popular KITTI dataset. We show how our solution achieves similar or better F1-scores than an existing solution while at the same time being faster. To detect collisions we do not produce a mesh but approximate the raw point cloud data by spheres or cylindrical volumes. We show how our data structures allow efficient nearest neighbor queries that make our CPU-only approach comparable to a massively-parallel algorithm running on a GPU. The utilized algorithms and data structures are discussed in detail. All our software is freely available for download under the terms of the GNU General Public license. Most of the datasets used in this thesis are freely available as well. We provide shell scripts that allow one to directly reproduce the quantitative results shown in this thesis for easy verification of our findings. / Kostengünstige Laserscanner und ausgereifte Softwarelösungen um mehrere Punktwolken in einem gemeinsamen Koordinatensystem zu registrieren, ermöglichen neue Einsatzzwecke für 3D Punktwolken. Heutzutage werden 3D Laserscanner nicht nur von Expert*innen auf dem Gebiet der Vermessung genutzt sondern auch von Polizist*innen, Bauarbeiter*innen oder Archäolog*innen. Unabhängig davon ob der Einsatzzweck die Digitalisierung von Fabrikanlagen, der Erhalt von historischen Stätten als digitaler Nachlass oder die Erfassung einer Umgebung für Virtual Reality Anwendungen ist - es ist schwer ein Szenario zu finden in welchem die finale Punktwolke auch Punkte von sich bewegenden Objekten enthalten soll, wie zum Beispiel Fabrikarbeiter*innen, Passant*innen, Autos oder einen Schwarm Vögel. In den meisten Bearbeitungsschritten sind bewegte Objekte unerwünscht und das nicht nur weil sie in mehrmals im gleichen Scan vorkommen oder auf Grund ihrer Bewegung relativ zur Scanner Rotation verzerrt gemessen werden. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit sind zwei Nachverarbeitungsschritte für registrierte 3D Punktwolken. Die erste Methode ist ein neuer Ansatz zur Änderungserkennung basierend auf einem Voxelgitter, welche es erlaubt die Eingabepunktwolke in statische und dynamische Punkte zu segmentieren. Die zweite Methode nutzt die gesäuberte Punktwolke als Eingabe um Kollisionen zwischen Punkten der Umgebung mit der Punktwolke eines Modells welches durch die Szene bewegt wird zu erkennen. Unser Vorgehen für explizite Änderungserkennung wird mit dem aktuellen Stand der Technik unter Verwendung verschiedener Datensätze verglichen, inklusive dem populären KITTI Datensatz. Wir zeigen, dass unsere Lösung ähnliche oder bessere F1-Werte als existierende Lösungen erreicht und gleichzeitig schneller ist. Um Kollisionen zu finden erstellen wir kein Polygonnetz sondern approximieren die Punkte mit Kugeln oder zylindrischen Volumen. Wir zeigen wie unsere Datenstrukturen effiziente Nächste-Nachbarn-Suche erlaubt, die unsere CPU Lösung mit einer massiv-parallelen Lösung für die GPU vergleichbar macht. Die benutzten Algorithmen und Datenstrukturen werden im Detail diskutiert. Die komplette Software ist frei verfügbar unter den Bedingungen der GNU General Public license. Die meisten unserer Datensätze die in dieser Arbeit verwendet wurden stehen ebenfalls zum freien Download zur Verfügung. Wir publizieren ebenfalls all unsere Shell-Skripte mit denen die quantitativen Ergebnisse die in dieser Arbeit gezeigt werden reproduziert und verifiziert werden können.

These days, we are living in a digitalized world. Both our professional and private lives are pervaded by various IT services, which are typically operated using distributed computing systems (e.g., cloud environments). Due to the high level of digitalization, the operators of such systems are confronted with fast-paced and changing requirements. In particular, cloud environments have to cope with load fluctuations and respective rapid and unexpected changes in the computing resource demands. To face this challenge, so-called auto-scalers, such as the threshold-based mechanism in Amazon Web Services EC2, can be employed to enable elastic scaling of the computing resources. However, despite this opportunity, business-critical applications are still run with highly overprovisioned resources to guarantee a stable and reliable service operation. This strategy is pursued due to the lack of trust in auto-scalers and the concern that inaccurate or delayed adaptations may result in financial losses. To adapt the resource capacity in time, the future resource demands must be "foreseen", as reacting to changes once they are observed introduces an inherent delay. In other words, accurate forecasting methods are required to adapt systems proactively. A powerful approach in this context is time series forecasting, which is also applied in many other domains. The core idea is to examine past values and predict how these values will evolve as time progresses. According to the "No-Free-Lunch Theorem", there is no algorithm that performs best for all scenarios. Therefore, selecting a suitable forecasting method for a given use case is a crucial task. Simply put, each method has its benefits and drawbacks, depending on the specific use case. The choice of the forecasting method is usually based on expert knowledge, which cannot be fully automated, or on trial-and-error. In both cases, this is expensive and prone to error. Although auto-scaling and time series forecasting are established research fields, existing approaches cannot fully address the mentioned challenges: (i) In our survey on time series forecasting, we found that publications on time series forecasting typically consider only a small set of (mostly related) methods and evaluate their performance on a small number of time series with only a few error measures while providing no information on the execution time of the studied methods. Therefore, such articles cannot be used to guide the choice of an appropriate method for a particular use case; (ii) Existing open-source hybrid forecasting methods that take advantage of at least two methods to tackle the "No-Free-Lunch Theorem" are computationally intensive, poorly automated, designed for a particular data set, or they lack a predictable time-to-result. Methods exhibiting a high variance in the time-to-result cannot be applied for time-critical scenarios (e.g., auto-scaling), while methods tailored to a specific data set introduce restrictions on the possible use cases (e.g., forecasting only annual time series); (iii) Auto-scalers typically scale an application either proactively or reactively. Even though some hybrid auto-scalers exist, they lack sophisticated solutions to combine reactive and proactive scaling. For instance, resources are only released proactively while resource allocation is entirely done in a reactive manner (inherently delayed); (iv) The majority of existing mechanisms do not take the provider's pricing scheme into account while scaling an application in a public cloud environment, which often results in excessive charged costs. Even though some cost-aware auto-scalers have been proposed, they only consider the current resource demands, neglecting their development over time. For example, resources are often shut down prematurely, even though they might be required again soon. To address the mentioned challenges and the shortcomings of existing work, this thesis presents three contributions: (i) The first contribution-a forecasting benchmark-addresses the problem of limited comparability between existing forecasting methods; (ii) The second contribution-Telescope-provides an automated hybrid time series forecasting method addressing the challenge posed by the "No-Free-Lunch Theorem"; (iii) The third contribution-Chamulteon-provides a novel hybrid auto-scaler for coordinated scaling of applications comprising multiple services, leveraging Telescope to forecast the workload intensity as a basis for proactive resource provisioning. In the following, the three contributions of the thesis are summarized: Contribution I - Forecasting Benchmark To establish a level playing field for evaluating the performance of forecasting methods in a broad setting, we propose a novel benchmark that automatically evaluates and ranks forecasting methods based on their performance in a diverse set of evaluation scenarios. The benchmark comprises four different use cases, each covering 100 heterogeneous time series taken from different domains. The data set was assembled from publicly available time series and was designed to exhibit much higher diversity than existing forecasting competitions. Besides proposing a new data set, we introduce two new measures that describe different aspects of a forecast. We applied the developed benchmark to evaluate Telescope. Contribution II - Telescope To provide a generic forecasting method, we introduce a novel machine learning-based forecasting approach that automatically retrieves relevant information from a given time series. More precisely, Telescope automatically extracts intrinsic time series features and then decomposes the time series into components, building a forecasting model for each of them. Each component is forecast by applying a different method and then the final forecast is assembled from the forecast components by employing a regression-based machine learning algorithm. In more than 1300 hours of experiments benchmarking 15 competing methods (including approaches from Uber and Facebook) on 400 time series, Telescope outperformed all methods, exhibiting the best forecast accuracy coupled with a low and reliable time-to-result. Compared to the competing methods that exhibited, on average, a forecast error (more precisely, the symmetric mean absolute forecast error) of 29%, Telescope exhibited an error of 20% while being 2556 times faster. In particular, the methods from Uber and Facebook exhibited an error of 48% and 36%, and were 7334 and 19 times slower than Telescope, respectively. Contribution III - Chamulteon To enable reliable auto-scaling, we present a hybrid auto-scaler that combines proactive and reactive techniques to scale distributed cloud applications comprising multiple services in a coordinated and cost-effective manner. More precisely, proactive adaptations are planned based on forecasts of Telescope, while reactive adaptations are triggered based on actual observations of the monitored load intensity. To solve occurring conflicts between reactive and proactive adaptations, a complex conflict resolution algorithm is implemented. Moreover, when deployed in public cloud environments, Chamulteon reviews adaptations with respect to the cloud provider's pricing scheme in order to minimize the charged costs. In more than 400 hours of experiments evaluating five competing auto-scaling mechanisms in scenarios covering five different workloads, four different applications, and three different cloud environments, Chamulteon exhibited the best auto-scaling performance and reliability while at the same time reducing the charged costs. The competing methods provided insufficient resources for (on average) 31% of the experimental time; in contrast, Chamulteon cut this time to 8% and the SLO (service level objective) violations from 18% to 6% while using up to 15% less resources and reducing the charged costs by up to 45%. The contributions of this thesis can be seen as major milestones in the domain of time series forecasting and cloud resource management. (i) This thesis is the first to present a forecasting benchmark that covers a variety of different domains with a high diversity between the analyzed time series. Based on the provided data set and the automatic evaluation procedure, the proposed benchmark contributes to enhance the comparability of forecasting methods. The benchmarking results for different forecasting methods enable the selection of the most appropriate forecasting method for a given use case. (ii) Telescope provides the first generic and fully automated time series forecasting approach that delivers both accurate and reliable forecasts while making no assumptions about the analyzed time series. Hence, it eliminates the need for expensive, time-consuming, and error-prone procedures, such as trial-and-error searches or consulting an expert. This opens up new possibilities especially in time-critical scenarios, where Telescope can provide accurate forecasts with a short and reliable time-to-result. Although Telescope was applied for this thesis in the field of cloud computing, there is absolutely no limitation regarding the applicability of Telescope in other domains, as demonstrated in the evaluation. Moreover, Telescope, which was made available on GitHub, is already used in a number of interdisciplinary data science projects, for instance, predictive maintenance in an Industry 4.0 context, heart failure prediction in medicine, or as a component of predictive models of beehive development. (iii) In the context of cloud resource management, Chamulteon is a major milestone for increasing the trust in cloud auto-scalers. The complex resolution algorithm enables reliable and accurate scaling behavior that reduces losses caused by excessive resource allocation or SLO violations. In other words, Chamulteon provides reliable online adaptations minimizing charged costs while at the same time maximizing user experience. / Heutzutage leben wir in einer digitalisierten Welt. Sowohl unser berufliches als auch unser privates Leben ist von verschiedenen IT-Diensten durchzogen, welche typischerweise in verteilten Computersystemen (z.B. Cloud-Umgebungen) betrieben werden. Die Betreiber solcher Systeme sind aufgrund des hohen Digitalisierungsgrades mit schnellen und wechselnden Anforderungen konfrontiert. Insbesondere Cloud-Umgebungen unterliegen starken Lastschwankungen und entsprechenden schnellen und unerwarteten Änderungen des Bedarfs an Rechenressourcen. Um dieser Herausforderung zu begegnen, können so genannte Auto-Scaler, wie z.B. der schwellenwertbasierte Mechanismus von Amazon Web Services EC2, eingesetzt werden, um eine elastische Skalierung der Rechenressourcen zu ermöglichen. Doch trotz dieser Gelegenheit werden geschäftskritische Anwendungen nach wie vor mit deutlich überdimensionierten Rechenkapazitäten betrieben, um einen stabilen und zuverlässigen Dienstbetrieb zu gewährleisten. Diese Strategie wird aufgrund des mangelnden Vertrauens in Auto-Scaler und der Sorge verfolgt, dass ungenaue oder verzögerte Anpassungen zu finanziellen Verlusten führen könnten. Um die Ressourcenkapazität rechtzeitig anpassen zu können, müssen die zukünftigen Ressourcenanforderungen "vorhergesehen" werden. Denn die Reaktion auf Veränderungen, sobald diese beobachtet werden, führt zu einer inhärenten Verzögerung. Mit anderen Worten, es sind genaue Prognosemethoden erforderlich, um Systeme proaktiv anzupassen. Ein wirksamer Ansatz in diesem Zusammenhang ist die Zeitreihenprognose, welche auch in vielen anderen Bereichen angewandt wird. Die Kernidee besteht darin, vergangene Werte zu untersuchen und vorherzusagen, wie sich diese Werte im Laufe der Zeit entwickeln werden. Nach dem "No-Free-Lunch Theorem" gibt es keinen Algorithmus, der für alle Szenarien am besten funktioniert. Daher ist die Auswahl einer geeigneten Prognosemethode für einen gegebenen Anwendungsfall eine wesentliche Herausforderung. Denn jede Methode hat - abhängig vom spezifischen Anwendungsfall - ihre Vor- und Nachteile. Deshalb basiert üblicherweise die Wahl der Prognosemethode auf Trial-and-Error oder auf Expertenwissen, welches nicht vollständig automatisiert werden kann. Beide Ansätze sind teuer und fehleranfällig. Obwohl Auto-Skalierung und Zeitreihenprognose etablierte Forschungsgebiete sind, können die bestehenden Ansätze die genannten Herausforderungen nicht vollständig bewältigen: (i) Bei unserer Untersuchung zur Zeitreihenvorhersage stellten wir fest, dass die meisten der überprüften Artikel nur eine geringe Anzahl von (meist verwandten) Methoden berücksichtigen und ihre Performanz auf einem kleinen Datensatz von Zeitreihen mit nur wenigen Fehlermaßen bewerten, während sie keine Informationen über die Ausführungszeit der untersuchten Methoden liefern. Daher können solche Artikel nicht als Hilfe für die Wahl einer geeigneten Methode für einen bestimmten Anwendungsfall herangezogen werden; (ii) Bestehende hybride open-source Prognosemethoden, die sich mindestens zwei Methoden zunutze machen, um das "No-Free-Lunch Theorem" anzugehen, sind rechenintensiv, schlecht automatisiert, für einen bestimmten Datensatz ausgelegt oder haben eine unvorhersehbare Laufzeit. Methoden, die eine hohe Varianz in der Ausführungszeit aufweisen, können nicht für zeitkritische Szenarien angewendet werden (z.B. Autoskalierung), während Methoden, die auf einen bestimmten Datensatz zugeschnitten sind, Einschränkungen für mögliche Anwendungsfälle mit sich bringen (z.B. nur jährliche Zeitreihen vorhersagen); (iii) Auto-Scaler skalieren typischerweise eine Anwendung entweder proaktiv oder reaktiv. Obwohl es einige hybride Auto-Scaler gibt, fehlt es ihnen an ausgeklügelten Lösungen zur Kombination von reaktiver und proaktiver Skalierung. Beispielsweise werden Ressourcen nur proaktiv freigesetzt, während die Ressourcenzuweisung vollständig reaktiv (inhärent verzögert) erfolgt; (iv) Die Mehrheit der vorhandenen Mechanismen berücksichtigt bei der Skalierung einer Anwendung in einer öffentlichen Cloud-Umgebung nicht das Preismodell des Anbieters, was häufig zu überhöhten Kosten führt. Auch wenn einige kosteneffiziente Auto-Scaler vorgeschlagen wurden, berücksichtigen sie nur den aktuellen Ressourcenbedarf und vernachlässigen ihre Entwicklung im Laufe der Zeit. Beispielsweise werden Ressourcen oft vorzeitig abgeschaltet, obwohl sie vielleicht bald wieder benötigt werden. Um den genannten Herausforderungen und den Defiziten der bisherigen Arbeiten zu begegnen, werden in dieser Arbeit drei Beiträge vorgestellt: (i) Der erste Beitrag - ein Prognosebenchmark - behandelt das Problem der begrenzten Vergleichbarkeit zwischen bestehenden Prognosemethoden; (ii) Der zweite Beitrag stellt eine automatisierte hybride Zeitreihen-Prognosemethode namens Telescope vor, die sich der Herausforderung des "No-Free-Lunch Theorem" stellt; (iii) Der dritte Beitrag stellt Chamulteon, einen neuartigen hybriden Auto-Scaler für die koordinierte Skalierung von Anwendungen mit mehreren Diensten, bereit, der Telescope zur Vorhersage der Lastintensität als Grundlage für eine proaktive Ressourcenbereitstellung nutzt. Im Folgenden werden die drei Beiträge der Arbeit zusammengefasst: Beitrag I - Prognosebenchmark Um gleiche Ausgangsbedingungen für die Bewertung von Prognosemethoden anhand eines breiten Spektrums zu schaffen, schlagen wir einen neuartigen Benchmark vor, der Prognosemethoden auf der Grundlage ihrer Performanz in einer Vielzahl von Szenarien automatisch bewertet und ein Ranking erstellt. Der Benchmark umfasst vier verschiedene Anwendungsfälle, die jeweils 100 heterogene Zeitreihen aus verschiedenen Bereichen abdecken. Der Datensatz wurde aus öffentlich zugänglichen Zeitreihen zusammengestellt und so konzipiert, dass er eine viel höhere Diversität aufweist als bestehende Prognosewettbewerbe. Neben dem neuen Datensatz führen wir zwei neue Maße ein, die verschiedene Aspekte einer Prognose beschreiben. Wir haben den entwickelten Benchmark zur Bewertung von Telescope angewandt. Beitrag II - Telescope Um eine generische Prognosemethode bereitzustellen, stellen wir einen neuartigen, auf maschinellem Lernen basierenden Prognoseansatz vor, der automatisch relevante Informationen aus einer gegebenen Zeitreihe extrahiert. Genauer gesagt, Telescope extrahiert automatisch intrinsische Zeitreihenmerkmale und zerlegt die Zeitreihe dann in Komponenten, wobei für jede dieser Komponenten ein Prognosemodell erstellt wird. Jede Komponente wird mit einer anderen Methode prognostiziert und dann wird die endgültige Prognose aus den vorhergesagten Komponenten unter Verwendung eines regressionsbasierten Algorithmus des maschinellen Lernens zusammengestellt. In mehr als 1300 Experiment-Stunden, in denen 15 konkurrierende Methoden (einschließlich Ansätze von Uber und Facebook) auf 400 Zeitreihen verglichen wurden, übertraf Telescope alle Methoden und zeigte die beste Prognosegenauigkeit in Verbindung mit einer niedrigen und zuverlässigen Ausführungszeit. Im Vergleich zu den konkurrierenden Methoden, die im Durchschnitt einen Prognosefehler (genauer gesagt, den symmetric mean absolute forecast error) von 29% aufwiesen, wies Telescope einen Fehler von 20% auf und war dabei 2556 mal schneller. Insbesondere die Methoden von Uber und Facebook wiesen einen Fehler von 48% bzw. 36% auf und waren 7334 bzw. 19 mal langsamer als Telescope. Beitrag III - Chamulteon Um eine zuverlässige Auto-Skalierung zu ermöglichen, stellen wir einen hybriden Auto-Scaler vor, der proaktive und reaktive Techniken kombiniert, um verteilte Cloud-Anwendungen, die mehrere Dienste umfassen, koordiniert und kostengünstig zu skalieren. Genauer gesagt, werden proaktive Anpassungen auf der Grundlage von Prognosen von Telescope geplant, während reaktive Anpassungen auf der Grundlage tatsächlicher Beobachtungen der überwachten Lastintensität ausgelöst werden. Um auftretende Konflikte zwischen reaktiven und proaktiven Anpassungen zu lösen, wird ein komplexer Konfliktlösungsalgorithmus implementiert. Außerdem überprüft Chamulteon Anpassungen im Hinblick auf das Preismodell des Cloud-Anbieters, um die anfallenden Kosten in öffentlichen Cloud-Umgebungen zu minimieren. In mehr als 400 Experiment-Stunden, in denen fünf konkurrierende Auto-Skalierungsmechanismen unter fünf verschiedene Arbeitslasten, vier verschiedene Anwendungen und drei verschiedene Cloud-Umgebungen evaluiert wurden, zeigte Chamulteon die beste Auto-Skalierungsleistung und Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der berechneten Kosten. Die konkurrierenden Methoden lieferten während (durchschnittlich) 31% der Versuchszeit zu wenige Ressourcen. Im Gegensatz dazu reduzierte Chamulteon diese Zeit auf 8% und die SLO-Verletzungen (Service Level Objectives) von 18% auf 6%, während es bis zu 15% weniger Ressourcen verwendete und die berechneten Kosten um bis zu 45% senkte. Die Beiträge dieser Arbeit können als wichtige Meilensteine auf dem Gebiet der Zeitreihenprognose und der automatischen Skalierung in Cloud Computing angesehen werden. (i) In dieser Arbeit wird zum ersten Mal ein Prognosebenchmark präsentiert, der eine Vielzahl verschiedener Bereiche mit einer hohen Diversität zwischen den analysierten Zeitreihen abdeckt. Auf der Grundlage des zur Verfügung gestellten Datensatzes und des automatischen Auswertungsverfahrens trägt der vorgeschlagene Benchmark dazu bei, die Vergleichbarkeit von Prognosemethoden zu verbessern. Die Benchmarking-Ergebnisse von verschiedenen Prognosemethoden ermöglichen die Auswahl der am besten geeigneten Prognosemethode für einen gegebenen Anwendungsfall. (ii) Telescope bietet den ersten generischen und vollautomatischen Zeitreihen-Prognoseansatz, der sowohl genaue als auch zuverlässige Prognosen liefert, ohne Annahmen über die analysierte Zeitreihe zu treffen. Dementsprechend macht es teure, zeitaufwändige und fehleranfällige Verfahren überflüssig, wie z.B. Trial-and-Error oder das Hinzuziehen eines Experten. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, insbesondere in zeitkritischen Szenarien, in denen Telescope genaue Vorhersagen mit einer kurzen und zuverlässigen Antwortzeit liefern kann. Obwohl Telescope für diese Arbeit im Bereich des Cloud Computing eingesetzt wurde, gibt es, wie die Auswertung zeigt, keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der Anwendbarkeit von Telescope in anderen Bereichen. Darüber hinaus wird Telescope, das auf GitHub zur Verfügung gestellt wurde, bereits in einer Reihe von interdisziplinären datenwissenschaftlichen Projekten eingesetzt, z.B. bei der vorausschauenden Wartung im Rahmen von Industry 4.0, bei der Vorhersage von Herzinsuffizienz in der Medizin oder als Bestandteil von Vorhersagemodellen für die Entwicklung von Bienenstöcken. (iii) Im Kontext der elastischen Ressourcenverwaltung ist Chamulteon ein wichtiger Meilenstein für die Stärkung des Vertrauens in Auto-Scaler. Der komplexe Konfliktlösungsalgorithmus ermöglicht ein zuverlässiges und genaues Skalierungsverhalten, das Verluste durch übermäßige Ressourcenzuweisung oder SLO-Verletzungen reduziert. Mit anderen Worten, Chamulteon bietet zuverlässige Ressourcenanpassungen, die die berechneten Kosten minimieren und gleichzeitig die Benutzerzufriedenheit maximieren.

Over the last decades, cybersecurity has become an increasingly important issue. Between 2019 and 2011 alone, the losses from cyberattacks in the United States grew by 6217%. At the same time, attacks became not only more intensive but also more and more versatile and diverse. Cybersecurity has become everyone’s concern. Today, service providers require sophisticated and extensive security infrastructures comprising many security functions dedicated to various cyberattacks. Still, attacks become more violent to a level where infrastructures can no longer keep up. Simply scaling up is no longer sufficient. To address this challenge, in a whitepaper, the Cloud Security Alliance (CSA) proposed multiple work packages for security infrastructure, leveraging the possibilities of Software-defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV). Security functions require a more sophisticated modeling approach than regular network functions. Notably, the property to drop packets deemed malicious has a significant impact on Security Service Function Chains (SSFCs)—service chains consisting of multiple security functions to protect against multiple at- tack vectors. Under attack, the order of these chains influences the end-to-end system performance depending on the attack type. Unfortunately, it is hard to predict the attack composition at system design time. Thus, we make a case for dynamic attack-aware SSFC reordering. Also, we tackle the issues of the lack of integration between security functions and the surrounding network infrastructure, the insufficient use of short term CPU frequency boosting, and the lack of Intrusion Detection and Prevention Systems (IDPS) against database ransomware attacks. Current works focus on characterizing the performance of security functions and their behavior under overload without considering the surrounding infrastructure. Other works aim at replacing security functions using network infrastructure features but do not consider integrating security functions within the network. Further publications deal with using SDN for security or how to deal with new vulnerabilities introduced through SDN. However, they do not take security function performance into account. NFV is a popular field for research dealing with frameworks, benchmarking methods, the combination with SDN, and implementing security functions as Virtualized Network Functions (VNFs). Research in this area brought forth the concept of Service Function Chains (SFCs) that chain multiple network functions after one another. Nevertheless, they still do not consider the specifics of security functions. The mentioned CSA whitepaper proposes many valuable ideas but leaves their realization open to others. This thesis presents solutions to increase the performance of single security functions using SDN, performance modeling, a framework for attack-aware SSFC reordering, a solution to make better use of CPU frequency boosting, and an IDPS against database ransomware. Specifically, the primary contributions of this work are: • We present approaches to dynamically bypass Intrusion Detection Systems (IDS) in order to increase their performance without reducing the security level. To this end, we develop and implement three SDN-based approaches (two dynamic and one static). We evaluate the proposed approaches regarding security and performance and show that they significantly increase the performance com- pared to an inline IDS without significant security deficits. We show that using software switches can further increase the performance of the dynamic approaches up to a point where they can eliminate any throughput drawbacks when using the IDS. • We design a DDoS Protection System (DPS) against TCP SYN flood at tacks in the form of a VNF that works inside an SDN-enabled network. This solution eliminates known scalability and performance drawbacks of existing solutions for this attack type. Then, we evaluate this solution showing that it correctly handles the connection establishment and present solutions for an observed issue. Next, we evaluate the performance showing that our solution increases performance up to three times. Parallelization and parameter tuning yields another 76% performance boost. Based on these findings, we discuss optimal deployment strategies. • We introduce the idea of attack-aware SSFC reordering and explain its impact in a theoretical scenario. Then, we discuss the required information to perform this process. We validate our claim of the importance of the SSFC order by analyzing the behavior of single security functions and SSFCs. Based on the results, we conclude that there is a massive impact on the performance up to three orders of magnitude, and we find contradicting optimal orders for different workloads. Thus, we demonstrate the need for dynamic reordering. Last, we develop a model for SSFC regarding traffic composition and resource demands. We classify the traffic into multiple classes and model the effect of single security functions on the traffic and their generated resource demands as functions of the incoming network traffic. Based on our model, we propose three approaches to determine optimal orders for reordering. • We implement a framework for attack-aware SSFC reordering based on this knowledge. The framework places all security functions inside an SDN-enabled network and reorders them using SDN flows. Our evaluation shows that the framework can enforce all routes as desired. It correctly adapts to all attacks and returns to the original state after the attacks cease. We find possible security issues at the moment of reordering and present solutions to eliminate them. • Next, we design and implement an approach to load balance servers while taking into account their ability to go into a state of Central Processing Unit (CPU) frequency boost. To this end, the approach collects temperature information from available hosts and places services on the host that can attain the boosted mode the longest. We evaluate this approach and show its effectiveness. For high load scenarios, the approach increases the overall performance and the performance per watt. Even better results show up for low load workloads, where not only all performance metrics improve but also the temperatures and total power consumption decrease. • Last, we design an IDPS protecting against database ransomware attacks that comprise multiple queries to attain their goal. Our solution models these attacks using a Colored Petri Net (CPN). A proof-of-concept implementation shows that our approach is capable of detecting attacks without creating false positives for benign scenarios. Furthermore, our solution creates only a small performance impact. Our contributions can help to improve the performance of security infrastructures. We see multiple application areas from data center operators over software and hardware developers to security and performance researchers. Most of the above-listed contributions found use in several research publications. Regarding future work, we see the need to better integrate SDN-enabled security functions and SSFC reordering in data center networks. Future SSFC should discriminate between different traffic types, and security frameworks should support automatically learning models for security functions. We see the need to consider energy efficiency when regarding SSFCs and take CPU boosting technologies into account when designing performance models as well as placement, scaling, and deployment strategies. Last, for a faster adaptation against recent ransomware attacks, we propose machine-assisted learning for database IDPS signatures. / In den letzten Jahrzehnten wurde Cybersicherheit zu einem immer wichtigeren Thema. Allein zwischen 2019 und 2011 stiegen die Verluste durch Cyberattacken in den Vereinigten Staaten um 6217%. Gleichzeitig wurden die Angriffe nicht nur intensiver, sondern auch immer vielseitiger und facettenreicher. Cybersicherheit ist zu einem allgegenwärtigen Thema geworden. Heute benötigen Dienstleistungsanbieter ausgefeilte und umfassende Sicherheitsinfrastrukturen, die viele Sicherheitsfunktionen für verschiedene Cyberattacken umfassen. Den- noch werden die Angriffe immer heftiger, so dass diese Infrastrukturen nicht mehr mithalten können. Ein einfaches Scale-Up ist nicht mehr ausreichend. Um dieser Herausforderung zu begegnen, schlug die Cloud Security Alliance (CSA) in einem Whitepaper mehrere Arbeitspakete für Sicherheitsinfrastruk turen vor, die die Möglichkeiten des Software-definierten Netzwerks (SDN) und der Netzwerkfunktionsvirtualisierung (NFV) nutzen. Sicherheitsfunktionen erfordern einen anspruchsvolleren Modellierungsansatz als normale Netzwerkfunktionen. Vor allem die Eigenschaft, als bösartig erachtete Pakete fallen zu lassen, hat erhebliche Auswirkungen auf Security Service Function Chains (SSFCs) – Dienstketten, die aus mehreren Sicherheitsfunktionen zum Schutz vor mehreren Angriffsvektoren bestehen. Bei einem Angriff beeinflusst die Reihenfolge dieser Ketten je nach Angriffstyp die Gesamtsystemleistung. Leider ist es schwierig, die Angriffszusammensetzung zur Designzeit vorherzusagen. Daher plädieren wir für eine dynamische, angriffsbewusste Neuordnung der SSFC. Außerdem befassen wir uns mit den Problemen der mangelnden Integration zwischen Sicherheitsfunktionen und der umgebenden Netzwerkinfrastruktur, der unzureichenden Nutzung der kurzfristigen CPU-Frequenzverstärkung und des Mangels an Intrusion Detection and Prevention Systems (IDPS) zur Abwehr von Datenbank-Lösegeldangriffen. Bisherige Arbeiten konzentrieren sich auf die Charakterisierung der Leistungsfähigkeit von Sicherheitsfunktionen und deren Verhalten bei Überlastung ohne Berücksichtigung der umgebenden Infrastruktur. Andere Arbeiten zielen darauf ab, Sicherheitsfunktionen unter Verwendung von Merkmalen der Netzwerkinfrastruktur zu ersetzen, berücksichtigen aber nicht die Integration von Sicherheitsfunktionen innerhalb des Netzwerks. Weitere Publikationen befassen sich mit der Verwendung von SDN für die Sicherheit oder mit dem Umgang mit neuen, durch SDN eingeführten Schwachstellen. Sie berücksichtigen jedoch nicht die Leistung von Sicherheitsfunktionen. Die NFV-Domäne ist ein beliebtes Forschungsgebiet, das sich mit Frameworks, Benchmarking-Methoden, der Kombination mit SDN und der Implementierung von Sicherheitsfunktionen als Virtualized Network Functions (VNFs) befasst. Die Forschung in diesem Bereich brachte das Konzept der Service-Funktionsketten (SFCs) hervor, die mehrere Netzwerkfunktionen nacheinander verketten. Dennoch berücksichtigen sie noch immer nicht die Besonderheiten von Sicherheitsfunktionen. Zu diesem Zweck schlägt das bereits erwähnte CSA-Whitepaper viele wertvolle Ideen vor, lässt aber deren Realisierung anderen offen. In dieser Arbeit werden Lösungen zur Steigerung der Leistung einzelner Sicherheitsfunktionen mittels SDN, Performance Engineering, Modellierung und ein Rahmenwerk für die angriffsbewusste SSFC-Neuordnung, eine Lösung zur besseren Nutzung der CPU-Frequenzsteigerung und ein IDPS gegen Datenbank-Lösegeld. Im Einzelnen sind die sechs Hauptbeiträge dieser Arbeit: • Wir stellen Ansätze zur dynamischen Umgehung von Intrusion-Detection-Systemen (IDS) vor, um deren Leistung zu erhöhen, ohne das Sicherheitsniveau zu senken. Zu diesem Zweck entwickeln und implementieren wir drei SDN-basierte Ansätze (zwei dynamische und einen statischen). Wir evaluieren sie hinsichtlich Sicherheit und Leistung und zeigen, dass alle Ansätze die Leistung im Vergleich zu einem Inline-IDS ohne signifikante Sicherheitsdefizite signifikant steigern. Wir zeigen ferner, dass die Verwendung von Software-Switches die Leistung der dynamischen Ansätze weiter steigern kann, bis zu einem Punkt, an dem sie bei der Verwendung des IDS etwaige Durchsatznachteile beseitigen können. • Wir entwerfen ein DDoS-Schutzsystem (DPS) gegen TCP-SYN-Flutangriffe in Form eines VNF, das innerhalb eines SDN-fähigen Netzwerks funktioniert. Diese Lösung eliminiert bekannte Skalierbarkeits-und Leistungsnachteile bestehender Lösungen für diesen Angriffstyp. Dann bewerten wir diese Lösung und zeigen, dass sie den Verbindungsaufbau korrekt handhabt, und präsentieren Lösungen für ein beobachtetes Problem. Als nächstes evaluieren wir die Leistung und zeigen, dass unsere Lösung die Leistung bis zum Dreifachen erhöht. Durch Parallelisierung und Parameterabstimmung werden weitere 76% der Leistung erzielt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse diskutieren wir optimale Einsatzstrategien. • Wir stellen die Idee der angriffsbewussten Neuordnung des SSFC vor und erläutern deren Auswirkungen anhand eines theoretischen Szenarios. Dann erörtern wir die erforderlichen Informationen zur Durchführung dieses Prozesses. Wir validieren unsere Behauptung von der Bedeutung der SSFC-Ordnung, indem wir das Verhalten einzelner Sicherheitsfunktionen und SSFCs analysieren. Aus den Ergebnissen schließen wir auf eine massive Auswirkung auf die Leistung bis zu drei Größenordnungen, und wir finden widersprüchliche optimale Aufträge für unterschiedliche Arbeitsbelastungen. Damit beweisen wir die Notwendigkeit einer dynamischen Neuordnung. Schließlich entwickeln wir ein Modell für den SSFC hinsichtlich der Verkehrszusammensetzung und des Ressourcenbedarfs. Dazu klassifizieren wir den Datenverkehr in mehrere Klassen und modellieren die Auswirkungen einzelner Sicherheitsfunktionen auf den Datenverkehr und die von ihnen erzeugten Ressourcenanforderungen als Funktionen des eingehenden Netzwerkverkehrs. Auf der Grundlage unseres Modells schlagen wir drei Ansätze zur Berechnung der gewünschten Reihenfolge für die Neuordnung vor. Auf der Grundlage dieses Wissens implementieren wir einen Rahmen für die angriffsbewusste SSFC-Neuordnung. Das Rahmenwerk platziert alle Sicherheitsfunktionen innerhalb eines SDN-fähigen Netzwerks und ordnet sie mit Hilfe von SDN-Flüssen neu an. Unsere Auswertung zeigt, dass das Rahmenwerk alle Routen wie gewünscht durchsetzen kann. Es passt sich allen Angriffen korrekt an und kehrt nach Beendigung der Angriffe in den ursprünglichen Zustand zurück. Wir finden mögliche Sicherheitsprobleme zum Zeitpunkt der Neuordnung und präsentieren Lösungen zu deren Beseitigung. Als Nächstes entwerfen und implementieren wir einen Ansatz zum Lastausgleich von Servern hinsichtlich ihrer Fähigkeit, in einen Zustand der Frequenzerhöhung der Zentraleinheit (CPU) zu gehen. Zu diesem Zweck sammelt der Ansatz Temperaturinformationen von verfügbaren Hosts und platziert den Dienst auf dem Host, der den verstärkten Modus am längsten erreichen kann. Wir evaluieren diesen Ansatz und zeigen seine Funktionalität auf. Für Hochlastszenarien erhöht der Ansatz die Gesamtleistung und steigert die Leistung pro Watt. Noch bessere Ergebnisse zeigen sich bei Niedriglast-Workloads, wo sich nicht nur alle Leistungsmetriken verbessern, sondern auch die Temperaturen und der Gesamtstromverbrauch sinken. • Zuletzt entwerfen wir ein IDPS, das vor Lösegeld-Angriffen auf Datenbanken schützt, die mehrere Abfragen umfassen, um ihr Ziel zu erreichen. Unsere Lösung modelliert diese Angriffe mit einem Colored Petri Net (CPN). Eine Proof-of-Concept-Implementierung zeigt, dass unser Ansatz in der Lage ist, die beobachteten Angriffe zu erkennen, ohne für gutartige Szenarien falsch positive Ergebnisse zu erzeugen. Darüber hinaus erzeugt un sere Lösung nur eine geringe Auswirkung auf die Leistung. Unsere Beiträge können dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit von Sicherheitsinfrastrukturen zu erhöhen. Wir sehen vielfältige Anwendungsbereiche, von Rechenzentrumsbetreibern über Software- und Hardwareentwickler bis hin zu Sicherheits- und Leistungsforschern. Die meisten der oben aufgeführten Beiträge fanden in mehreren Forschungspublikationen Verwendung. Was die zukünftige Arbeit betrifft, so sehen wir die Notwendigkeit, bessere SDN-fähige Sicherheitsfunktionen und SSFC-Neuordnung in Rechenzentrumsnetzwerke zu integrieren. Künftige SSFC sollten zwischen verschiedenen Verkehrsarten unterscheiden, und Sicherheitsrahmen sollten automatisch lernende Modelle für Sicherheitsfunktionen unterstützen. Wir sehen den Bedarf, bei der Betrachtung von SSFCs die Energieeffizienz zu berücksichtigen und bei der Entwicklung von Leistungsmodellen sowie Platzierungs-, Skalierungs- und Bereitstellungsstrategien CPU-verstärkende Technologien in Betracht zu ziehen. Schließlich schlagen wir für eine schnellere Anpassung an die jüngsten Lösegeld-Angriffe maschinengestütztes Lernen für Datenbank-IDPS-Signaturen vor.

Mini Unmanned Aerial Vehicles (MUAVs) werden immer beliebtere Forschungsplattformen. Vor allem in den letzten Jahren ziehen sie aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und ihrer Flexibilität, die es erlaubt sie in fast allen Lebensbereichen einzusetzen, beträchtliche Aufmerksamkeit auf sich. MUAVs haben offensichtliche Vorteile gegenüber bemannten Plattformen einschließlich ihrer viel geringeren Herstellungs- und Betriebskosten, Risikovermeidung für den menschlichen Piloten, der Möglichkeit sicher niedrig und langsam fliegen zu können, und Realisierung von Operationen, die über die inhärenten Grenzen des menschlichen Körpers hinausgehen. Der Fortschritt in der Micro Electro-Mechanical System (MEMS) Technologie, Avionik und Miniaturisierung von Sensoren spielte auch eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der MUAVs. Diese Fluggeräte reichen von einfachem Spielzeug aus dem Elektrofachhandel bis zu hoch entwickelten, kommerziellen Plattformen, die die Durchführung neuer Aufgaben wie Offshore-Windkraftwerk Inspektionen, 3D-Modellierung von Gebäuden usw. erlauben. MUAVs sind auch umweltfreundlich, da sie weniger Luftverschmutzung und Lärm verursachen. Unbemannt ist daher unübertroffen. Aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Möglichkeit mehrere kostengünstige Fluggeräte zusammen fliegen zu lassen, während die erforderliche relative räumliche Trennungen beibehalten wird. Dies ermöglicht es effizient Aufgaben zu erfüllen im Vergleich zu einem einzigen sehr teuren Fluggerät. Durch die Redundanz entfällt auch das Risiko des Scheiterns der Mission durch den Verlust eines einzigen Fluggeräts. Wertvolle Aufgaben, die kooperative Fluggeräte ausführen können, sind beispielsweise gemeinsame Lasttransporte, Such- und Rettungsmissionen, mobile Kommunikationsrelais, Sprühen von Pestiziden und Wetterbeobachtung. Obwohl die Realisierung von Flügen mit mehreren, gekoppelten UAVs komplex ist, rechtfertigen dennoch offensichtliche Vorteile diese mühsame und aufwändige Entwicklungsarbeit. Verteilte Steuerung von kooperierenden Einheiten ist ein multidisziplinäres Thema, das es erfordert in diversifizierten Bereichen zu arbeiten. Dazu gehören MUAV Hardware und Software, Kommunikationstechniken für den notwendigen Informationsaustausch, Flugdynamik, Regelungstechnik, insbesondere für verteilte / kooperative Steuerungstechniken, Graphentheorie für Kommunikationstopologie Modellierung und Sensoren-Technologie wie Differential GPS (DGPS). Für eine Flotte von Agenten, die in unmittelbarer Nähe fliegen, ist eine genaue Positionsbestimmung zwingend nötig um Kollisionen zu vermeiden und die Anforderungen für die meisten Missionen wie Georeferenzierung zu erfüllen. Für solche Szenarien ist DGPS ein potenzieller Kandidat. Ein Teil der Forschung konzentriert sich daher auf die Entwicklung von DGPS Code. Eines der Module dieser Forschung war Hardware-Implementierung. Ein einfacher Test-Aufbau zur Realisierung von Basisfunktionalitäten für Formationsflug von Quadrocoptern wurde am Lehrstuhl für Informationstechnik in der Luft- und Raumfahrt der Universität Würzburg entwickelt. Diese Testumgebung kann nicht nur zur Prüfung und Validierung von Algorithmen für Formationsflug in realer Umgebung genutzt werden, sondern dient auch zur Ausbildung von Studenten. Ein bereits vorhandener Prüfstand für einzelne Quadrocopter wurde mit den notwendigen Kommunikation und verteilten Steuerung erweitert, um Algorithmen für Formationsflüge in drei Freiheitsgraden (Roll / Nick / Gier) zu testen. Diese Studie umfasst die Bereiche der Kommunikation, Steuerungstechnik und Embedded-System-Programmierung. Das Bluetooth-Protokoll wurde für die gegenseitige Kommunikation zwischen zwei Quadrocoptern verwendet. Eine einfache Technik der Proportional-Integral-Differential (PID) Steuerung in Kombination mit Kalman-Filter wurde genutzt. Die MATLAB Instrument Control Toolbox wurde für die Datenanzeige, die Analyse und das Plotten verwendet. Plots können in Echtzeit gezeichnet werden und empfangene Daten können auch in Form von Dateien zur späteren Verwendung und Analyse gespeichert werden. Das System wurde preisgünstig, unter Berücksichtigung eines einfachen Aufbaus, entwickelt. Der vorgeschlagene Aufbau ist sehr flexibel und kann einfach an veränderte Anforderungen angepasst werden. Als verteiltes Steuerungsschema wurde ein zentralisierter, heterogener Formationsflug Positionsregler formuliert, der einen „explicit model following Linear Quadratic Regulator Proportional Integral (LQR PI)“ Regler verwendet. Der Anführer Quadrocopter ist ein stabiles Referenzmodell mit der gewünschten Dynamik, deren Ausgang vollkommen von den beiden Wingmen Quadrocopter verfolgt wird. Der Anführer selbst wird durch Pole Placement Steuerverfahren mit den gewünschten Stabilitätseigenschaften gesteuert, während die beiden Anhänger durch robuste und adaptive LQR PI Steuerverfahren geregelt werden. Für diese Studie wird ein Vollzustandsvektor der Quadrocopter betrachtet während nur die resultierende Leistung verfolgt wird. Die ausgewählte 3D Formationsgeometrie und die statische Stabilität bleibt unter einer Vielzahl von möglichen Störungen erhalten. Bei Kommunikationsverlust zwischen Anführer und einem der Anhänger, leitet der andere Anhänger die Daten, die er vom Anführer erhalten hat, an den betroffenen Anhänger weiter. Die Stabilität des Regelsystems wurde unter Verwendung von Singulärwerten analysiert. Der vorgeschlagene Ansatz für eng gekoppelten Formationsflug von MUAVs wurde mit Hilfe von umfangreichen Simulationen unter MATLAB® / Simulink® validiert und ergab viel versprechende Ergebnisse. Auch die Tracking-Leistung wurde für zeitlich veränderliche Befehle gezeigt. Die vorgeschlagene Architektur ist skalierbar und kann problemlos erweitert werden. Dieser Ansatz ist für die Szenarien geeignet, die eng gekoppelte Formationsflug benötigen, wie kooperatives Greifen oder gemeinsame Lasttransporte. Ein innovatives Framework für die Teamarbeit von zwei Quadrocopter Flotten wurde entwickelt. Als Beispielmission wurde ein Szenario gewählt, bei dem ein Feuer auf einer größeren Fläche gelöscht werden muss. Jede Formation hat ihre angegebene Formationsgeometrie und eine zugewiesene Aufgabe. Die Lageregelung für die Quadrocopter in einer der Formationen wurde durch ein LQR PI-Regelschema, das auf „explicit model following“ basiert, umgesetzt. Die Quadrocopter in anderen Formation werden durch ein LQR PI Servomechanismus Regelsystem gesteuert. Die beiden Steuersysteme werden in Bezug auf ihre Leistung und ihren Steuerungsaufwand verglichen. Beide Formationen werden durch entsprechende Bodenstationen durch virtuelle Anführer kommandiert. Die Bodenstationen tauschen die befohlene Höheninformation aus, um gegenseitig eine sichere Trennung zwischen den Formationen zu gewährleisten. Die Quadrocopter können kommandierte Solltrajektorien folgen und über erwünschten Punkten für eine vorgegebene Zeit schweben. Bei Kommunikationsverlust zwischen Bodenstation und einem der Quadcopter leitet der benachbarte Quadrocopter die Befehlsdaten, die er von der Bodenstation erhalten hat, an die betroffene Einheit weiter. Das vorgeschlagene Framework wurde durch umfangreiche Simulationen mit Hilfe von MATLAB® / Simulink® validiert und liefert sehr brauchbare Ergebnisse. Cluster-Rekonfiguration von Agenten wird in unserer Arbeit ebenfalls gezeigt. Dies erlaubt es die Formationsgeometrie während des Fluges auf eine beliebige neue Form umzuschalten. Für die genannten Anwendungen sind Konsens Algorithmen nicht erwünscht, da wir von den Quadrocopter Flotten fordern, dass sie dem von uns gewählten Weg folgen, und nicht ihren Weg selbst wählen. Eine Reihe der praktischen Probleme von Kommunikationsnetzen kann in geeigneter Weise durch Graphen dargestellt werden. Dies erleichtert die Problemformulierung und den Analyseprozess. Kommunikationstopologien für Netzwerke mit einer großen Anzahl von Einheiten, wie zum Beispiel Schwärme von Luftfahrzeugen, können durch einen graphentheoretischen Ansatz untersucht werden. Um die Bildung solcher Probleme zu erleichtern, wird der Graph mit Hilfe der Laplace-Matrix dargestellt. Eigenwerte der Laplace-Matrix wurden in unserer Studie angemessene Berücksichtigung gegeben einen Einblick in die Graphen / Subgraphen Eigenschaften zu verleihen. Der gleiche wurden genutzt um die bekannte Euler Formel zu verallgemeinern und somit auf Graphen und Subgraphen anwendbar zu machen. Eine modifizierte Euler-Formel wird ebenfalls vorgestellt. Die Verwendung der Graphentheorie in verteilten / kooperativen Regelsystemen wird auch durch Simulationen gezeigt. Kooperative Kontrolschemas, die auf auf Konsens-Algorithmen beruhenden, wurden für die Lageregelung von Quadrocopter-Flotten, in denen kein expliziter Anführer existiert, verwendet. Konsens-Algorithmen wurden in Kombination mit verschiedenen Steuersystemen verwendet, was zur Autonomie von Quadrocoptern beiträgt. Die Steuersysteme, die für diesen Zweck verwendet werden, umfassen LQR PI-Regelung basierend auf „model following“ und LQR PI Servo-Mechanismus. Die Regelungen wurden unter verschiedenen Kommunikationstopologien untersucht, darunter voll verbundene ungerichtete Graphen, gerichteten Graphen und Zyklus-Topologie. Der Informationsfluss unter den Agenten in einem Cluster wurde durch Laplace-Matrix modelliert. Die Auswirkungen von Eingangs Verzerrungen auf Konsens Werte wurden ebenfalls untersucht. Quadrocopter können durch gegenseitigen Konsens Flugbahnen verfolgen und die Zielpunkte erreichen. Die vorgeschlagenen Regelungssysteme wurden unter verschiedenen Kommunikationstopologien in Matlab / Simulink-Umgebung durch umfangreiche Simulationen validiert. Die Ergebnisse bescheinigen die Wirksamkeit der präsentierten Schemata mit dem zusätzlichen Vorteil der Einfachheit der Umsetzung. Das vorgeschlagene Regelungssystem ist skalierbar für große Gruppen von MUAVs. Für Formationsflug sind die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit sehr hoch. GPS-Signale allein bieten keine ausreichend hohe Positionsgenauigkeit um die Anforderung zu erfüllen; eine Technik für die genauere Positionsbestimmung ist daher erforderlich, beispielsweise DGPS. Es existiert eine Anzahl von öffentlichen Codes für die GPS-Positionsbestimmung und Baseline-Bestimmung im Offline-Modus. Es existiert jedoch keine Software für DGPS, die Korrekturfaktoren der Basisstationen nutzt, ohne auf Doppel Differenz Informationen zu vertrauen. Um dies zu erreichen, wurde eine Methodik in MATLAB-Umgebung für DGPS mit C/A Pseudoranges nur auf einzelne Frequenz L1 eingeführt es machbar für Empfänger kostengünstig GPS zu nutzen. Unsere Basisstation wird an einem genau vermessen Referenzpunkt aufgestellt. Pseudoranges und geometrische Abstände werden an der Basisstation verglichen, um die Korrekturfaktoren zu berechnen. Diese Korrekturfaktoren, für aller gültigen Satelliten während einer Epoche, werden dann an einen Rover übergeben. Das Rover berücksichtigt innerhalb der entsprechenden Epoche diese für seine eigene wahre Positionsbestimmung. Zur Validierung der vorgeschlagenen Algorithmen wird unsere Rover ebenfalls an einer vorbestimmten Stelle platziert. Der vorgeschlagene Code ist ein geeignetes und einfaches Werkzeug für die Nachbearbeitung von GPS-Rohdaten für eine genaue Positionsbestimmung eines Rover, z.B. eines UAV während der Post-Missionsanalyse. / Mini Unmanned Aerial Vehicles (MUAVs) are becoming popular research platform and drawing considerable attention, particularly during the last decade due to their afford- ability and multi-dimensional applications in almost every walk of life. MUAVs have obvious advantages over manned platforms including their much lower manufacturing and operational costs, risk avoidance for human pilots, flying safely low and slow, and realization of operations that are beyond inherent human limitations. The advancement in Micro Electro-Mechanical System (MEMS) technology, Avionics and miniaturization of sensors also played a significant role in the evolution of MUAVs. These vehicles range from simple toys found at electronic supermarkets for entertainment purpose to highly sophisticated commercial platforms performing novel assignments like offshore wind power station inspection and 3D modelling of buildings etc. MUAVs are also more environment friendly as they cause less air pollution and noise. Unmanned is therefore unmatched. Recent research focuses on use of multiple inexpensive vehicles flying together, while maintaining required relative separations, to carry out the tasks efficiently compared to a single exorbitant vehicle. Redundancy also does away the risk of loss of a single whole-mission dependent vehicle. Some of the valuable applications in the domain of cooperative control include joint load transportation, search and rescue, mobile communication relays, pesticide spraying and weather monitoring etc. Though realization of multi-UAV coupled flight is complex, however obvious advantages justify the laborious work involved...

Virtual reality and related media and communication technologies have a growing impact on professional application fields and our daily life. Virtual environments have the potential to change the way we perceive ourselves and how we interact with others. In comparison to other technologies, virtual reality allows for the convincing display of a virtual self-representation, an avatar, to oneself and also to others. This is referred to as user embodiment. Avatars can be of varying realism and abstraction in their appearance and in the behaviors they convey. Such userembodying interfaces, in turn, can impact the perception of the self as well as the perception of interactions. For researchers, designers, and developers it is of particular interest to understand these perceptual impacts, to apply them to therapy, assistive applications, social platforms, or games, for example. The present thesis investigates and relates these impacts with regard to three areas: intrapersonal effects, interpersonal effects, and effects of social augmentations provided by the simulation. With regard to intrapersonal effects, we specifically explore which simulation properties impact the illusion of owning and controlling a virtual body, as well as a perceived change in body schema. Our studies lead to the construction of an instrument to measure these dimensions and our results indicate that these dimensions are especially affected by the level of immersion, the simulation latency, as well as the level of personalization of the avatar. With regard to interpersonal effects we compare physical and user-embodied social interactions, as well as different degrees of freedom in the replication of nonverbal behavior. Our results suggest that functional levels of interaction are maintained, whereas aspects of presence can be affected by avatar-mediated interactions, and collaborative motor coordination can be disturbed by immersive simulations. Social interaction is composed of many unknown symbols and harmonic patterns that define our understanding and interpersonal rapport. For successful virtual social interactions, a mere replication of physical world behaviors to virtual environments may seem feasible. However, the potential of mediated social interactions goes beyond this mere replication. In a third vein of research, we propose and evaluate alternative concepts on how computers can be used to actively engage in mediating social interactions, namely hybrid avatar-agent technologies. Specifically, we investigated the possibilities to augment social behaviors by modifying and transforming user input according to social phenomena and behavior, such as nonverbal mimicry, directed gaze, joint attention, and grouping. Based on our results we argue that such technologies could be beneficial for computer-mediated social interactions such as to compensate for lacking sensory input and disturbances in data transmission or to increase aspects of social presence by visual substitution or amplification of social behaviors. Based on related work and presented findings, the present thesis proposes the perspective of considering computers as social mediators. Concluding from prototypes and empirical studies, the potential of technology to be an active mediator of social perception with regard to the perception of the self, as well as the perception of social interactions may benefit our society by enabling further methods for diagnosis, treatment, and training, as well as the inclusion of individuals with social disorders. To this regard, we discuss implications for our society and ethical aspects. This thesis extends previous empirical work and further presents novel instruments, concepts, and implications to open up new perspectives for the development of virtual reality, mixed reality, and augmented reality applications. / Virtual Reality und weitere Medien- und Kommunikationstechnologien haben einen wachsenden Einfluss auf professionelle Anwendungsbereiche und unseren Alltag. Virtuelle Umgebungen haben das Potenzial, Einfluss darauf zu nehmen, wie Mensche sich selbst wahrnehmen und wie sie mit anderen umgehen. Im Vergleich zu anderen Technologien ermöglicht Virtual Reality die überzeugende Visualisierung einer virtuellen Selbstdarstellung, eines Avatars, sichtbar für den Nutzer/die Nutzerin selbst aber auch für andere. Dies bezeichnet man als Nutzerverk¨orperung. Avatare können von unterschiedlichem Realismus und Abstraktion in Bezug auf ihr Aussehen sowie der Darstellung von Verhaltensweisen geprägt sein. Solche nutzerverkörpernde Schnittstellen wiederum können die Wahrnehmung des Selbst sowie die Wahrnehmung von Interaktionen beeinflussen. Für Forscher/-innen, Designer/-innen und Entwickler/-innen ist es von besonderem Interesse, diese Wahrnehmungseffekte zu verstehen, um sie beispielsweise auf Therapie, assistive Anwendungen, soziale Plattformen oder Spiele anzuwenden. Die vorliegende Arbeit untersucht und bezieht sich auf diese Auswirkungen in drei Bereichen: intrapersonelle Effekte, zwischenmenschliche Effekte sowie Effekte durch soziale Augmentierungen, die durch die Simulation bereitgestellt werden. Im Hinblick auf intrapersonelle Effekte widmet sich die vorliegende Arbeit insbesondere der Frage, welche Simulationseigenschaften die Illusion des Besitzens/Innehabens und der Kontrolle eines virtuellen Körpers sowie eine wahrgenommene Veränderung des Körperschemas beeinflussen. Die vorgestellten Studien führen zur Konstruktion eines Instruments zur Erfassung dieser Dimensionen und die Ergebnisse zeigen, dass die empfundene Verkörperung besonders von dem Grad der Immersion, der Simulationslatenz sowie dem Grad der Personalisierung des Avatars abhängt. Im Hinblick auf zwischenmenschliche Effekte vergleicht diese Dissertation physische (realweltliche) und virtuelle soziale Interaktionen sowie unterschiedliche Freiheitsgrade in der Replikation nonverbalen Verhaltens. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die funktionalen Ebenen der Interaktion aufrechterhalten werden, während Aspekte der Präsenz durch avatarvermittelte Interaktionen beeinflusst werden und die kollaborative motorische Koordination durch immersive Simulationen gestört werden kann. Die soziale Interaktion besteht aus vielen unbekannten Symbolen und harmonischen Mustern, die das menschliche Verst¨andnis und zwischenmenschliche Beziehungen definieren. Für erfolgreiche virtuelle soziale Interaktionen mag eine bloße Replikation von physikalischenWeltverhaltensweisen auf virtuelle Umgebungen m¨oglich erscheinen. Das Potenzial computervermittelter sozialer Interaktionen geht jedoch über diese bloße Replikation hinaus. Im dritten Bereich dieser Arbeit werden alternative Konzepte vorgeschlagen und evaluiert, wie Computer genutzt werden können, um eine aktive Rolle in sozialen Interaktionen einzunehmen. Diese Technologien werden als hybride Avatar-Agenten-Technologien definiert. Insbesondere wird untersucht, welche Möglichkeiten das soziale Verhalten zu erweitern emtstehen, indem die Verhaltensweisen der Benutzer/-innen entsprechend sozialer Ph¨anomene und Verhaltensweisen modifiziert und transformiert werden. Beispiele sind die nonverbale Spiegelung, der Fokus des Blicks, eine gemeinsame Aufmerksamkeit und die Gruppenbildung. Basierend auf den Ergebnissen argumentiert diese Arbeit, dass solche Technologien für computervermittelte soziale Interaktionen von Vorteil sein könnten, beispielsweise zum Ausgleich fehlender Sensorik, Störungen bei der Datenübertragung oder zur Verbesserung sozialer Präsenz durch visuelle Substitution oder Verstärkung des sozialen Verhaltens. Basierend auf verwandten Arbeiten und präsentierten Ergebnissen wird abgeleitet, dass Computer als soziale Mediatoren fungieren können. Ausgehend von Prototypen und empirischen Studien kann das Potenzial der Technologie, ein aktiver Vermittler in Bezug auf dieWahrnehmung des Selbst sowie dieWahrnehmung sozialer Interaktionen zu sein, unserer Gesellschaft zugutekommen. Dadurch können beispielsweise weitere Methoden zur Diagnose, der Behandlung und Ausbildung sowie der Inklusion von Menschen mit sozialen Störungen ermöglicht werden. In diesem Zusammenhang werden die Auswirkungen auf unsere Gesellschaft und ethische Aspekte diskutiert. Diese Arbeit erweitert frühere empirische Arbeiten und präasentiert darüber hinaus neue Instrumente, Konzepte und Implikationen, um neue Perspektiven für die Entwicklung von Virtual Reality, Mixed Reality und Augmented Reality Anwendungen zu beleuchten.