The correction of software failures tends to be very cost-intensive because their debugging is an often time-consuming development activity. During this activity, developers largely attempt to understand what causes failures: Starting with a test case that reproduces the observable failure they have to follow failure causes on the infection chain back to the root cause (defect). This idealized procedure requires deep knowledge of the system and its behavior because failures and defects can be far apart from each other. Unfortunately, common debugging tools are inadequate for systematically investigating such infection chains in detail. Thus, developers have to rely primarily on their intuition and the localization of failure causes is not time-efficient. To prevent debugging by disorganized trial and error, experienced developers apply the scientific method and its systematic hypothesis-testing. However, even when using the scientific method, the search for failure causes can still be a laborious task. First, lacking expertise about the system makes it hard to understand incorrect behavior and to create reasonable hypotheses. Second, contemporary debugging approaches provide no or only partial support for the scientific method. In this dissertation, we present test-driven fault navigation as a debugging guide for localizing reproducible failures with the scientific method. Based on the analysis of passing and failing test cases, we reveal anomalies and integrate them into a breadth-first search that leads developers to defects. This systematic search consists of four specific navigation techniques that together support the creation, evaluation, and refinement of failure cause hypotheses for the scientific method. First, structure navigation localizes suspicious system parts and restricts the initial search space. Second, team navigation recommends experienced developers for helping with failures. Third, behavior navigation allows developers to follow emphasized infection chains back to root causes. Fourth, state navigation identifies corrupted state and reveals parts of the infection chain automatically. We implement test-driven fault navigation in our Path Tools framework for the Squeak/Smalltalk development environment and limit its computation cost with the help of our incremental dynamic analysis. This lightweight dynamic analysis ensures an immediate debugging experience with our tools by splitting the run-time overhead over multiple test runs depending on developers’ needs. Hence, our test-driven fault navigation in combination with our incremental dynamic analysis answers important questions in a short time: where to start debugging, who understands failure causes best, what happened before failures, and which state properties are infected. / Die Beseitigung von Softwarefehlern kann sehr kostenintensiv sein, da die Suche nach der Fehlerursache meist sehr lange dauert. Während der Fehlersuche versuchen Entwickler vor allem die Ursache für den Fehler zu verstehen: Angefangen mit einem Testfall, welcher den sichtbaren Fehler reproduziert, folgen sie den Fehlerursachen entlang der Infektionskette bis hin zum ursprünglichen Defekt. Dieses idealisierte Vorgehen benötigt ein grundlegendes Verständnis über das Systemverhalten, da Fehler und Defekt sehr weit auseinander liegen können. Bedauerlicherweise bieten jedoch gebräuchliche Entwicklungswerkzeuge wenig Unterstützung, um solche Infektionsketten detailliert zu untersuchen. Dementsprechend müssen Entwickler primär auf ihr Gespür vertrauen, so dass die Lokalisierung von Fehlerursachen sehr viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Um ein willkürliches Vorgehen zu verhindern, verwenden erfahrene Entwickler deshalb die wissenschaftliche Methode, um systematisch Hypothesen über Fehlerursachen zu prüfen. Jedoch kann auch noch mittels der wissenschaftlichen Methode die Suche nach Fehlerursachen sehr mühsam sein, da passende Hypothesen meist manuell und ohne die systematische Hilfe von Werkzeugen aufgestellt werden müssen. Diese Dissertation präsentiert die test-getriebene Fehlernavigation als einen zusammenhängenden Wegweiser zur Beseitigung von reproduzierbaren Fehlern mit Hilfe der wissenschaftlichen Methode. Basierend auf der Analyse von funktionierenden und fehlschlagenden Testfällen werden Anomalien aufgedeckt und in eine Breitensuche integriert, um Entwickler zum Defekt zu führen. Diese systematische Suche besteht aus vier spezifischen Navigationstechniken, welche zusammen die Erstellung, Evaluierung und Verfeinerung von Hypothesen für die wissenschaftliche Methode unterstützen. Erstens grenzt die Strukturnavigation verdächtige Systemteile und den initialen Suchraum ein. Zweitens empfiehlt die Team-Navigation erfahrene Entwickler zur Behebung von Fehlern. Drittens erlaubt es die Verhaltensnavigation Entwicklern, die hervorgehobene Infektionskette eines fehl- schlagenden Testfalls zurückzuverfolgen. Viertens identifiziert die Zustandsnavigation fehlerhafte Zustände, um automatisch Teile der Infektionskette offenzulegen. Alle vier Navigationen wurden innerhalb des Path Tools Framework für die Squeak/Smalltalk Entwicklungsumgebung implementiert. Dabei bauen alle Werkzeuge auf die inkrementelle dynamische Analyse, welche die Berechnungskosten über mehrere Testdurchläufe abhängig von den Bedürfnissen des Nutzers aufteilt und somit schnelle Ergebnisse während der Fehlersuche liefert. Folglich können wichtige Fragen in kurzer Zeit beantwortet werden: Wo wird mit der Fehlersuche begonnen? Wer versteht Fehlerursachen am Besten? Was passierte bevor der Fehler auftrat? Welche Programmzustände sind betroffen?

Model-driven software development requires techniques to consistently propagate modifications between different related models to realize its full potential. For large-scale models, efficiency is essential in this respect. In this paper, we present an improved model synchronization algorithm based on triple graph grammars that is highly efficient and, therefore, can also synchronize large-scale models sufficiently fast. We can show, that the overall algorithm has optimal complexity if it is dominating the rule matching and further present extensive measurements that show the efficiency of the presented model transformation and synchronization technique. / Die Model-getriebene Softwareentwicklung benötigt Techniken zur Übertragung von Änderungen zwischen verschiedenen zusammenhängenden Modellen, um vollständig nutzbar zu sein. Bei großen Modellen spielt hier die Effizienz eine entscheidende Rolle. In diesem Bericht stellen wir einen verbesserten Modellsynchronisationsalgorithmus vor, der auf Tripel-Graph-Grammatiken basiert. Dieser arbeitet sehr effizient und kann auch sehr große Modelle schnell synchronisieren. Wir können zeigen, dass der Gesamtalgortihmus eine optimale Komplexität aufweist, sofern er die Ausführung dominiert. Die Effizient des Algorithmus' wird durch einige Benchmarkergebnisse belegt.

"Forschung meets Business" - diese Kombination hat in den vergangenen Jahren immer wieder zu zahlreichen interessanten und fruchtbaren Diskussionen geführt. Mit dem Symposium "Sicherheit in Service-orientierten Architekturen" führt das Hasso-Plattner-Institut diese Tradition fort und lud alle Interessenten zu einem zweitägigen Symposium nach Potsdam ein, um gemeinsam mit Fachvertretern aus der Forschung und Industrie über die aktuellen Entwicklungen im Bereich Sicherheit von SOA zu diskutieren. Die im Rahmen dieses Symposiums vorgestellten Beiträge fokussieren sich auf die Sicherheitsthemen "Sichere Digitale Identitäten und Identitätsmanagement", "Trust Management", "Modell-getriebene SOA-Sicherheit", "Datenschutz und Privatsphäre", "Sichere Enterprise SOA", und "Sichere IT-Infrastrukturen". / 'Research meets Business' is the successful concept of the SOA Security Symposia held at the Hasso-Plattner-Institute that has lead to interesting discussions in the community. The SOA Security Symposium 2010 continued this tradition and invited researchers and representatives from the industry to discuss concepts, issues, and solution in the field of SOA Security. The topics presented in the scope of this symposium focused on the security related topics 'Secure Digital Identities and Identity Management', 'Trust Management', 'Model-driven SOA Security', 'Privacy',' Secure Enterprise SOA', and 'Secure IT-Infrastructures'.

Service-oriented Architectures (SOA) facilitate the provision and orchestration of business services to enable a faster adoption to changing business demands. Web Services provide a technical foundation to implement this paradigm on the basis of XML-messaging. However, the enhanced flexibility of message-based systems comes along with new threats and risks. To face these issues, a variety of security mechanisms and approaches is supported by the Web Service specifications. The usage of these security mechanisms and protocols is configured by stating security requirements in security policies. However, security policy languages for SOA are complex and difficult to create due to the expressiveness of these languages. To facilitate and simplify the creation of security policies, this thesis presents a model-driven approach that enables the generation of complex security policies on the basis of simple security intentions. SOA architects can specify these intentions in system design models and are not required to deal with complex technical security concepts. The approach introduced in this thesis enables the enhancement of any system design modelling languages – for example FMC or BPMN – with security modelling elements. The syntax, semantics, and notion of these elements is defined by our security modelling language SecureSOA. The metamodel of this language provides extension points to enable the integration into system design modelling languages. In particular, this thesis demonstrates the enhancement of FMC block diagrams with SecureSOA. To enable the model-driven generation of security policies, a domain-independent policy model is introduced in this thesis. This model provides an abstraction layer for security policies. Mappings are used to perform the transformation from our model to security policy languages. However, expert knowledge is required to generate instances of this model on the basis of simple security intentions. Appropriate security mechanisms, protocols and options must be chosen and combined to fulfil these security intentions. In this thesis, a formalised system of security patterns is used to represent this knowledge and to enable an automated transformation process. Moreover, a domain-specific language is introduced to state security patterns in an accessible way. On the basis of this language, a system of security configuration patterns is provided to transform security intentions related to data protection and identity management. The formal semantics of the security pattern language enable the verification of the transformation process introduced in this thesis and prove the correctness of the pattern application. Finally, our SOA Security LAB is presented that demonstrates the application of our model-driven approach to facilitate a dynamic creation, configuration, and execution of secure Web Service-based composed applications. / Im Bereich der Enterprisearchitekturen hat das Paradigma der Service-orientierten Architektur (SOA) in den vergangenen Jahren eine große Bedeutung erlangt. Dieser Ansatz ermöglicht die Strukturierung und Umsetzung verteilter, IT-basierter Geschäftsfunktionen, um einen effizienten und flexiblen Einsatz von IT-Ressourcen zu ermöglichen. Während in der Vergangenheit fachliche Anforderungen in monolithischen Applikationen umgesetzt wurden, setzt dieser Architekturansatz auf wiederverwendbare Dienste, die spezifische Geschäftsfunktionen implementieren. Diese Dienste können dann dynamisch zur Umsetzung von Geschäftsprozessen herangezogen werden und ermöglichen eine schnelle Reaktion auf verändernde geschäftliche Rahmenbedingungen durch Anpassung der Prozesse. Die einzelnen Dienste existieren unabhängig voneinander und sind lose über einen Nachrichtenaustausch gekoppelt. Diese Unabhängigkeit unterscheidet den SOA-Ansatz von der bisherigen Entwicklung klassischer verteilter Anwendungen. Die Verwendung unabhängiger Dienste geht aber auch mit einem größeren Gefährdungspotential einher, da eine Vielzahl von Schnittstellen bereitgestellt wird, die mittels komplexer Protokolle angesprochen werden können. Somit ist die korrekte Umsetzung von Sicherheitsmechanismen in allen Diensten und SOA-Infrastrukturkomponeten essentiell. Kommunikationspartner müssen an jedem Kommunikationsendpunkt authentifiziert und autorisiert werden und ausgetauschte Nachrichten müssen immer geschützt werden. Solche Sicherheitsanforderungen werden in technischen Sicherheitskonfigurationen (Policydokumenten) mittels einer Policysprache kodiert und werden an die Dienste verteilt, die diese Anforderungen durchsetzen. Da Policysprachen für SOA aber durch die Vielzahl und Vielfalt an Sicherheitsmechanismen, -protokollen und -standards eine hohe Komplexität aufweisen, sind Sicherheitskonfigurationen höchst fehleranfällig und mit viel Fachwissen zu erstellen. Um die Generierung von Sicherheitskonfigurationen in komplexen Systemen zu vereinfachen, wird in dieser Arbeit ein modellgetriebener Ansatz vorgestellt, der eine visuelle Modellierung von Sicherheitsanforderungen in Architekturmodellen ermöglicht und eine automatisierte Generierung von Sicherheitskonfigurationen auf Basis dieser Anforderungen unterstützt. Die Modellierungsebene ermöglicht eine einfache und abstrakte Darstellung von Sicherheitsanforderungen, die sich auch für Systemarchitekten erschließen, welche keine Sicherheits-experten sind. Beispielsweise können modellierte Daten einfach mit einem Schloss annotiert werden, um den Schutz dieser Daten zu fordern. Die Syntax, die Semantik und die Darstellung dieser Anforderungen werden durch die in dieser Arbeit vorgestellte Sicherheitsmodellierungssprache SecureSOA spezifiziert. Der vorgestellte modellgetriebene Ansatz transformiert die modellierten Anforderungen auf ein domänen-unabhängiges Policymodell, das eine Abstraktionsschicht zu konkreten Policysprachen bildet. Diese Abstrak-tionsschicht vereinfacht die Generierung von Sicherheitspolicies in verschiedenen Policysprachen. Allerdings kann diese Transformation nur erfolgen, wenn im System Expertenwissen hinterlegt ist, das die Auswahl von konkreten Sicherheitsmechanismen und -optionen bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit werden Entwurfsmuster für SOA-Sicherheit zur Transformation herangezogen, die dieses Wissen repräsentieren. Dazu wird ein Katalog von Entwurfsmustern eingeführt, der die Abbildung von abstrakten Sicherheitsanforderungen auf konkrete Konfigurationen ermöglicht. Diese Muster sind mittels einer Entwurfsmustersprache definiert, die in dieser Arbeit eingeführt wird. Die formale Semantik dieser Sprache ermöglicht die formale Verifikation des Transformationsprozesses, um die Korrektheit der Entwurfsmusteranwendung nachzuweisen. Die Definition dieses Entwurfsmusterkatalogs und der darauf basierende Transformationsprozess ermöglichen die Abbildung von abstrakten Sicherheitsanforderungen auf konkrete technische Sicherheitskonfigurationen und stellen den Beitrag dieser Arbeit dar. Abschließend wird in dieser Arbeit das SOA-Security-Lab vorgestellt, das die Umsetzung dieses Ansatzes demonstriert.

In dieser Arbeit wird die Strukturbildung beim Risswachstum im stationären und instationärem Temperaturfeld im Rahmen der linear-elastischen Bruchmechanik analysiert und numerisch mittels der Methode der finiten Elemente (FEM) untersucht. Die beim langsamen Eintauchen eines heißen schmalen Glasstreifens in kaltes Wasser mit wachsender Temperaturdifferenz oder Eintauchgeschwindigkeit beobachteten Übergänge zwischen keinem, einem geraden und einem oszillierenden Riss werden in ein morphologisches Diagramm eingetragen und die Art des Überganges zur oszillierenden Rissausbreitung bestimmt. Die theoretischen Ergebnisse werden mit Experimenten verschiedener Autoren verglichen. Gleichartige Untersuchungen werden für die Ausbreitung mehrerer Risse durchgeführt. Beim Abschrecken einer erwärmten breiten Probe entstehen hierarchisch geordnete Risslängenstrukturen. Das Skalenverhalten der Rissdichte in Abhängigkeit von der Risslänge wird untersucht. Die Theorie liefert ohne Fitparameter eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment. / This paper investigates the formation of crack patterns in stationary and transient temperature fields analytically with linear elastic fracture mechanics and numerically with the finite elements method (FEM). In particular, we consider the experimental situation of a narrow thin strip of hot glass slowly lowered into cold water, with temperature difference and velocity as variable parameters. The parameter regions of no crack, one straight crack and one oscillating crack are determined. The type of phase transition related to the borderline between straight and oscillating crack is characterized. The theoretical results are compared with those of other authors. Similar investigations and comparisions are done for the propagation of multiple cracks. Quenching of a wide thin strip leads to a hierarchy of cracks whose scaling properties are analyzed. Without any fitting, theory and experiment agree surprisingly well.

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In dieser Arbeit wird die Strukturbildung beim Risswachstum im stationären und instationärem Temperaturfeld im Rahmen der linear-elastischen Bruchmechanik analysiert und numerisch mittels der Methode der finiten Elemente (FEM) untersucht. Die beim langsamen Eintauchen eines heißen schmalen Glasstreifens in kaltes Wasser mit wachsender Temperaturdifferenz oder Eintauchgeschwindigkeit beobachteten Übergänge zwischen keinem, einem geraden und einem oszillierenden Riss werden in ein morphologisches Diagramm eingetragen und die Art des Überganges zur oszillierenden Rissausbreitung bestimmt. Die theoretischen Ergebnisse werden mit Experimenten verschiedener Autoren verglichen. Gleichartige Untersuchungen werden für die Ausbreitung mehrerer Risse durchgeführt. Beim Abschrecken einer erwärmten breiten Probe entstehen hierarchisch geordnete Risslängenstrukturen. Das Skalenverhalten der Rissdichte in Abhängigkeit von der Risslänge wird untersucht. Die Theorie liefert ohne Fitparameter eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment. / This paper investigates the formation of crack patterns in stationary and transient temperature fields analytically with linear elastic fracture mechanics and numerically with the finite elements method (FEM). In particular, we consider the experimental situation of a narrow thin strip of hot glass slowly lowered into cold water, with temperature difference and velocity as variable parameters. The parameter regions of no crack, one straight crack and one oscillating crack are determined. The type of phase transition related to the borderline between straight and oscillating crack is characterized. The theoretical results are compared with those of other authors. Similar investigations and comparisions are done for the propagation of multiple cracks. Quenching of a wide thin strip leads to a hierarchy of cracks whose scaling properties are analyzed. Without any fitting, theory and experiment agree surprisingly well.

Getriebener Transport wechselwirkender Teilchen ist im direkten oder übertragenen Sinne von großer Bedeutung für viele Forschungsfelder. Zur Untersuchung grundlegender Fragestellungen wird auf einfache Modellsysteme zurückgegriffen, die analytische Zugänge ermöglichen und zugleich wesentliche Aspekte der Nichtgleichgewichtsdynamik in realen Applikationen erfassen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein eindimensionales Gittergas mit Nächsten-Nachbar-Wechselwirkungen betrachtet, um den Einfluss von Wechselwirkungen auf den Teilchentransport in getriebenen Diffusionsprozessen zu studieren. Mit einem auf der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie klassischer Fluide basierenden Verfahren werden Evolutionsgleichungen für Dichten, Korrelationsfunktionen und Ströme aufgestellt, deren numerische Lösung eine gute Beschreibung der Transportkinetik liefert. Für Sprungdynamiken, welche bestimmte Relationen erfüllen, werden exakte Strom-Dichte-Beziehungen in geschlossenen Ringsystemen hergeleitet. Hierzu zählen insbesondere die für viele Applikationen relevanten Glauber-Raten. In offenen Kanälen, die zwei Reservoire verbinden, kommt es zu Phasenübergängen der Teilchendichte im Inneren des Kanals. Anhand allgemeiner Überlegungen auf Grundlage der Extremalprinzipien bezüglich des Stroms und der Strom-Dichte-Relation im Bulk kann ein Überblick aller möglichen Phasen, ungeachtet der konkreten System-Reservoir-Kopplung, erhalten werden. Welche Phasen im randinduzierten Phasendiagramm erscheinen, wird durch die System-Reservoir-Kopplung festgelegt. Dies wird anhand zweier unterschiedlicher Randankopplungen demonstriert. Im zweiten Teil der Dissertationsschrift werden stochastische Transportvorgänge in Brownschen Pumpen und in organischen Solarzellen mit Heteroübergang modelliert. Hierbei zeigen Brownsche Pumpen Phasenübergänge in periodengemittelten Dichten und Strömen, falls Ausschlusswechselwirkungen berücksichtigt werden. Ein Minimalmodell organischer Solarzellen erlaubt Elementarprozesse an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche abzubilden, wodurch Einblicke in das Strom- und Effizienzverhalten des photovoltaischen Systems gewonnen werden.

Adaptation enables a reaction to a changing environment. For traditional software development, that means changing the design and implementation of the software in a potentially complex and expensive process. If requirements are not known until the runtime of a software system, this system must be able to cope with changes during its runtime. For this, self-adaptive systems (SAS) were created. They have internal knowledge about themselves and their environment to reason about changes and take appropriate actions. Many approaches aiming to build such systems have been published since the start of the research area at the beginning of the 21st century. However, it is difficult to find an appropriate approach, even when all requirements of a scenario the system should be built for are known. If no suitable approach can be found, software developers have to built a new system leading to high development costs and potentially inefficient solutions due to the complexity of the system. This thesis follows two goals: (1) To make approaches building SAS more comparable through a feature model describing features of SAS, and (2) to provide a novel way of specifying SAS concisely using reference attribute grammars (RAGs) providing efficient systems. RAGs originate from the research field of compiler construction and enable the concise description of parts of the internal knowledge mentioned above as well as of the computation of the actions to cope with recognised changes. To make RAGs fully usable, this thesis presents two extensions: Relational RAGs enable the efficient handling of relations required for knowledge graphs, and Connected RAGs let RAG-based system communicate with other external systems to both recognise changes and execute actions. To evaluate the novel approaches, a classification of 30 approaches for the feature model and several case studies in the areas smart home, robotics, and system orchestration were conducted. It can be shown, that significantly less code is required to specify SAS. To specify the computation, 14.5 % to 28.7 % less code was required, whereas in another case study only 6.3 % of the total code was manually written and the rest was generated. The efficiency is similar to the best comparable approaches for graph queries. Furthermore, using additional optimizations (incremental evaluation), the execution time can be shown to be faster by a factor of 167.88 less albeit being sometimes by 50.0 % slower for very small workloads and specific queries. In a more realistic, extrapolated experiment, using incremental evaluation creates speed-up factors between 6.63 and 44.93. With the contributions in this thesis, existing approaches can be selected more precisely, new approaches can classify themselves within the research area, and the development of self-adaptive systems is possible using RAG-based systems.

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