Die wachsende Anzahl an Robotikanwendungen, in denen mehrere Roboter ein gemeinsames Ziel verfolgen, erfordert eine gesonderte Betrachtung der Interaktion zwischen diesen Robotern mit Bezug auf den damit entstehenden Datenaustausch. Dieser muss hierbei effizient betrieben werden und die Sicherheit des gesamt Systems gewährleisten. Diese Masterarbeit stellt eine Simulationsumgebung vor, welche anhand von Testszenarien und Austauschstrategien Roboterkonstellationen prüft und Messergebnisse ausliefert. Zu Beginn der Arbeit werden drei Datenaustauschverfahren betrachtet und anschließend Publikationen vorgestellt, in denen Datenaustausch betrieben wird und Simulatoren für die Nutzbarkeit der Simulationsumgebung untersucht. Die anschließenden Kapitel behandeln das Konzept und die Implementierung der Testumgebung erläutert, wobei Roboter aus einer Menge von Hardware Komponenten und Zielen beschrieben werden. Der Aufbau des Experiments umfasst die verschiedenen Umgebungen, Testszenarien und Roboterkonfiguration. Der Aufbau beschreibt die Grundlage für die Auswertung der Testergebnisse.

Die Common Object Request Broker Architecture (CORBA) der Object Management Group (OMG) bietet die Chance, nicht nur eine Plattform fuer neue verteilte Anwendungen zu sein, sondern erlaubt es auch, bestehende Anwendungen und Altsoftware hersteller- und systemuebergreifend zu integrieren. Diese Eigenschaft hebt CORBA von anderen Programmierplattformen ab und gibt CORBA das Potential, eine aussichtsreiche Basis fuer kuenftige Anwendungssysteme zu sein. Das Ziel dieser Studienarbeit besteht darin, die Umsetzbarkeit verschiedener Interaktionsarten in CORBA zu untersuchen und an Beispielen praktisch auszuprobieren. Moegliche Ablaufformen aus der Literatur, aus den Systemen DCE und MPI und anhand eigener Ueberlegungen werden im ersten Teil dieser Arbeit systematisch zusammengefasst. Danach folgt eine ausfuerliche Behandlung der Architektur von CORBA und der hier moeglichen Ablaufformen und Interaktionsszenarien. Abschliessend werden acht verschiedene Versionen eines einfachen verteilten Woerterbuches vorgestellt, um einige der in CORBA realisierten Konzepte am praktischen Beispiel zu verdeutlichen. Als CORBA-Plattform stand Orbix-MT 2.0.1 (multi-threaded) der Firma IONA Technologies Ltd. unter Solaris 2.x zur Verfuegung.

Die Common Object Request Broker Architecture (CORBA) der Object Management Group (OMG) bietet die Chance, nicht nur eine Plattform fuer neue verteilte Anwendungen zu sein, sondern erlaubt es auch, bestehende Anwendungen und Altsoftware hersteller- und systemuebergreifend zu integrieren. Diese Eigenschaft hebt CORBA von anderen Programmierplattformen ab und gibt CORBA das Potential, eine aussichtsreiche Basis fuer kuenftige Anwendungssysteme zu sein. Das Ziel dieser Studienarbeit besteht darin, die Umsetzbarkeit verschiedener Interaktionsarten in CORBA zu untersuchen und an Beispielen praktisch auszuprobieren. Moegliche Ablaufformen aus der Literatur, aus den Systemen DCE und MPI und anhand eigener Ueberlegungen werden im ersten Teil dieser Arbeit systematisch zusammengefasst. Danach folgt eine ausfuerliche Behandlung der Architektur von CORBA und der hier moeglichen Ablaufformen und Interaktionsszenarien. Abschliessend werden acht verschiedene Versionen eines einfachen verteilten Woerterbuches vorgestellt, um einige der in CORBA realisierten Konzepte am praktischen Beispiel zu verdeutlichen. Als CORBA-Plattform stand Orbix-MT 2.0.1 (multi-threaded) der Firma IONA Technologies Ltd. unter Solaris 2.x zur Verfuegung.

Die wachsende Anzahl an Robotikanwendungen, in denen mehrere Roboter ein gemeinsames Ziel verfolgen, erfordert eine gesonderte Betrachtung der Interaktion zwischen diesen Robotern mit Bezug auf den damit entstehenden Datenaustausch. Dieser muss hierbei effizient betrieben werden und die Sicherheit des gesamt Systems gewährleisten. Diese Masterarbeit stellt eine Simulationsumgebung vor, welche anhand von Testszenarien und Austauschstrategien Roboterkonstellationen prüft und Messergebnisse ausliefert. Zu Beginn der Arbeit werden drei Datenaustauschverfahren betrachtet und anschließend Publikationen vorgestellt, in denen Datenaustausch betrieben wird und Simulatoren für die Nutzbarkeit der Simulationsumgebung untersucht. Die anschließenden Kapitel behandeln das Konzept und die Implementierung der Testumgebung erläutert, wobei Roboter aus einer Menge von Hardware Komponenten und Zielen beschrieben werden. Der Aufbau des Experiments umfasst die verschiedenen Umgebungen, Testszenarien und Roboterkonfiguration. Der Aufbau beschreibt die Grundlage für die Auswertung der Testergebnisse.

Self-adaptive software systems possess the ability to modify their own structure or behavior in response to changes in their operational environment. Access to sensor data providing information on the monitored environment is a necessary prerequisite in such software systems. In the future, self-adaptive software systems will be increasingly distributed and interconnected to perform their assigned tasks, e.g., within smart environments or as part of autonomous systems. Adaptations of the software systems\\\' structure or behavior will therefore have to be performed consistently on multiple remote subsystems. Current approaches, however, do not completely support the run-time adaptation of distributed and interconnected software systems. Supported adaptations are local to a specific device and do not require further coordination or the execution of such adaptations is controlled by a centralized management system. Approaches that support the decentralized adaptation process, help to determine a stable state, e.g., defined by quiescence, of one adaptable entity without central knowledge ahead of the actual adaptation process. The execution of complex adaptation scenarios comprising several adaptations on multiple computational devices is currently not supported. Consequently, inherent properties of a distributed system such as intermittent connectivity or local adaptation failures pose further challenges on the execution of adaptations affecting system parts deployed to multiple devices. Adaptation operations in the current research landscape cover different types of changes that can be performed upon a self-adaptive software system. Simple adaptations allow the modification of bindings between components or services as well as the removal or creation and integration of such components or services into the system. Semantically more expressive operations allow for the relocation of behavioral parts of the system. In this thesis, a coordination protocol is presented that supports the decentralized execution of multiple, possibly dependent adaptation operations and ensures a consistent transition of the software system from its source to a desired target configuration. An adaptation operation describes exactly one behavioral modification of the system, e.g., the addition or replacement of a component representing a behavioral element of the system\\\'s configuration. We rely on the notion of Roles as an abstraction to define the software system\\\'s static and dynamic, i.e., context-dependent, parts. Roles are an intuitive means to describe behavioral adaptations in distributed, context-dependent software systems due to their behavioral, relational and context-dependent nature. Adaptation operations therefore utilize the Role concept to describe the intended run-time modifications of the software system. The proposed protocol is designed to maintain a consistent transition of the software system from a given source to a target configuration in the presence of link failures between remote subsystems, i.e., messages used by the protocol to coordinate the adaptation process are lost on transmission, and in case of local failures during the adaptation process. The evaluation of our approach comprises two aspects: In one step, the correctness of the coordination protocol is formally validated using the model checking tool PRISM. The protocol is shown to be deadlock-free even in the presence of coordination message losses and local adaptation failures. In a second step, the approach is evaluated with the help of an emulated execution environment in which the degree of coordination message losses and adaptation failures is varied. The adaptation duration and the partial unavailability of the system, i.e., the time roles are passive due to ongoing adaptations, is measured as well as the success rate of the adaptation process for different rates of message losses and adaptation failures.

Monitoring information technology (IT) systems during operation is one of the few methods that help administrators track the health of the monitored system, predict and detect faults, and assist in system repair and error prevention. However, current implementations impose architectural and functional constraints on monitored systems that result in less flexibility in deployment and operation. While excellent monitoring systems exist for some use cases, others are not adequately supported, having no monitoring system available at all for very specific use cases. In addition, most monitoring software specializes in specific data formats, protocols, data collection mechanisms, etc., further limiting its flexibility. As a result, individuals and organizations struggle to find the right combination of features to support their monitoring needs in a single monitoring system, forcing them to use multiple monitoring systems instead in order to support all of their use cases. The role-based approach to software modeling and implementation promises an intuitive way to increase flexibility in modeling and implementing IT systems. In conjunction with technology from the field of self-adaptive systems, this thesis describes a framework for context-sensitive control loops with roles that can be used to overcome these limitations. We present a novel approach to building a flexible role-based monitoring system based on that framework. Our approach allows for context-specific implementation of monitoring capabilities to support a variety of application domains, while maintaining a derived architecture of well-defined roleplaying components that inherently support distribution and scalability. To this end, important background knowledge from the areas of self-adaptive systems, control loops, the role concept, as well as role-based modeling and implementation is first presented. In addition, important related work from the areas of flexible system design and monitoring systems is presented. Then, a framework for context-sensitive control loops with roles is introduced and applied to the monitoring application domain in modeling and implementation. Based on a common use case for monitoring systems (i.e., monitoring and autoscaling of a web service infrastructure), the resulting Role-based Monitoring Approach (RBMA) is compared to two state-of-the-art monitoring toolkits. This is followed by a qualitative and quantitative evaluation of RBMA, showing that it is more flexible and, at the same time, provides reasonable performance at no additional cost compared to the state-of-the-art tools. Finally, it is explained how this thesis’ contributions can be applied to another monitoring use case (i.e., network device monitoring) as well as to another application domain (i.e., embedded systems monitoring) and its extension (i.e., the Internet of Things domain). This thesis concludes with a summary of the contributions and a presentation of important topics for future work.:Preface iv Statement of Authorship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii The RoSI Research Training Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x 1 Introduction 1 1.1 Thesis Topic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Thesis Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Research Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Background 5 2.1 Principles of Self-adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.1 The MAPE-K Control Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2 MAPE-K Patterns for Distributed Self-adaptive Systems . . . . . . 12 2.1.3 MAPE-K Control Loop in Monitoring Systems . . . . . . . . . . . 16 2.2 The Notion of Roles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3 The Compartment Role Object Meta-Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4 The ObjectTeams Java Programming Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3 Related Work 31 3.1 Design Patterns for Flexibility in Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.1 Strategy Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.1.2 Template Method Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.1.3 Using Delegation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.4 Role-object Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2 Classifying Flexibility in Monitoring Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.1 Criteria for Flexibility in Monitoring Systems . . . . . . . . . . . . 40 3.2.2 Classification of Flexibility in Monitoring Systems . . . . . . . . . 44 3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4 The Role-based Monitoring Approach 47 4.1 Framework and Model for Context-sensitive Control Loops with Roles . 48 4.2 Evaluation Scenario: Autoscaling of Web Service Infrastructures . . . . . 54 4.2.1 Version 1: Role-based Monitoring Approach . . . . . . . . . . . . . 59 4.2.2 Version 2: Prometheus with Alertmanager . . . . . . . . . . . . . . 70 4.2.3 Version 3: Elasticsearch with Kibana . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 iii Contents 4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5 Evaluation 77 5.1 Quantitative Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.1.1 First Experiment (Correct Functionality) . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.1.2 Second Experiment (Idle Performance) . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1.3 Third Experiment (Performance under Load) . . . . . . . . . . . . 80 5.2 Qualitative Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.3 Additional Use Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.3.1 Monitoring Network Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.3.2 Flexible Embedded Systems Management . . . . . . . . . . . . . . 90 5.3.3 Managing Internet of Things Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6 Conclusion and Future Work 95 6.1 Summary of Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.2 Topics for Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Bibliography 99 List of Figures 107 List of Tables 109 List of Listings 110 List of Abbreviations 111 A Implementation, Compilation, and Execution of RBMA 113 A.1 Implementation of Base Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 A.2 Implementation of Team- and inner Role Classes . . . . . . . . . . . . . . . 121 A.3 Implementation of Auxiliary Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 A.4 Compilation of RBMA with Eclipse OT/J . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 A.5 Execution of RBMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 B Additional Information: Autoscaling of Web Service Infrastructures 145 B.1 Setup of the Slave-level Clusters (Versions 1, 2, and 3) . . . . . . . . . . . . 145 B.2 RBMA: Setup of the Master-level Cluster (Version 1) . . . . . . . . . . . . 156 B.3 Prometheus: Setup of Master-level Cluster (Version 2) . . . . . . . . . . . 160 B.4 Elastic Stack: Setup of the Master-level Cluster (Version 3) . . . . . . . . . 165 B.5 Auxiliary Tutorials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 C Large Figures 179

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

Die sich in den letzten Jahren abzeichnende Verteilung von Anwendungssystemen auf viele Rechner in Netzwerken, die sich in der Praxis unter dem Begriff Client/Server-Computing etabliert hat, brachte zwangsläufig eine Lücke im Management dieser Systeme mit sich. Es wurde schnell deutlich, daß die Verteilung der Systeme wesentlich kompliziertere Techniken benötigt, um sie zu administrieren, als man dies von zentralistischen Systemen her kannte. Anstrengungen von Standardisierungsgremien und Herstellervereinigungen führten zwar zu einer gewissen Administrierbarkeit, diese beschränkt sich aber derzeit noch weitgehend auf die beteiligten Knoten und auf die Netzkomponenten. Anwendungen, für die ja letztendlich die Rechner eingesetzt werden, sind bisher nur rudimentär in die heute vorliegenden und in der Praxis eingesetzten Managementstandards integriert. Die Anzahl der zu managenden Objekte innerhalb der Anwendungen wird aber immer größer und die Komplexität der Beziehungen unter den Objekten steigt immer mehr an. Diese Komplexität erfordert fehlertolerante Mechanismen in den Managementsystemen, über die Anwendungen administriert werden. Dieser Beitrag befaßt sich mit Mechanismen zum transaktionsgesicherten Management, wobei das Anwendungsmanagement im Vordergrund steht. Transaktionskonzepte, die vorwiegend im Datenbankbereich entwickelt wurden, werden auf die Verwendbarkeit im Management verteilter Anwendungen hin untersucht. Es wird ein neues Protokoll (Management-Transaktions-Protokoll, kurz MTAProtokoll) als Erweiterung zu SNMP vorgestellt, das die Abwicklung von verteilten Transaktionen auf Managementobjekte ermöglicht.

Mit steigender Komplexität heterogener, verteilter Systeme nehmen auch die Anforderungen an deren Validierung zu. In dieser Arbeit wird ein Konzept vorgestellt, mit dem eine bestimmte Klasse komplexer Systeme, so genannte Dienstbereitstellende Systeme, durch automatisiertes Testen validiert werden kann. Mit Hilfe heterogener Klienten, bspw. eingebetteter Systeme, wird die Systemfunktionalität getestet. Hierzu wird das zu testende System auf die nach außen zur Verfügung gestellten Dienste reduziert und die Nutzung dieser Dienste durch Klienten mit einer Last quantifiziert. Eine Validierung wird durch die Vorgabe zeitlich veränderlicher Lasten für jeden Dienst definiert. Diese Lasten werden zielgerichtet den verfügbaren Klienten zugeteilt und durch diese im zu testenden System erzeugt. Zur praktikablen Anwendung dieses Konzeptes ist eine Automatisierung des Validierungsprozesses notwendig. In der Arbeit wird die Architektur einer Testbench vorgestellt, die zum einen die Heterogenität der Klienten berücksichtigt und zum anderen Einflüsse durch die Dynamik der Klienten während der Laufzeit der Validierung ausgleicht. Das hierbei zu lösende algorithmische Problem der Dynamischen Testpartitionierung wird ebenso definiert, wie ein Modell zur Beschreibung aller notwendigen Parameter. Die Testpartitionierung kann mittels einer eigens entwickelten Heuristik in Polynomialzeit gelöst werden. Zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit des entwickelten Verfahrens wird die Heuristik aufwendigen Untersuchungen unterzogen. Am Beispiel eines zu testenden Mobilfunknetzwerkes wird die beschriebene Testbench umgesetzt und Kernparameter mittels Simulation ermittelt. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Konzept zur Systemvalidierung, das generisch auf jede Art von dienstbereitstellenden Systemen angewandt werden kann und damit zur Verbesserung des Entwicklungsprozesses von komplexen verteilten Systemen beiträgt.

Cyber-physikalische Systeme (CPS) sind eine erweitere Sicht auf eingebettete Systeme, die die konkreten umgebenden Elemente in das Systemdesign einbeziehen. Das Design solcher Systeme erfordert neue Herangehensweisen: Während beispielsweise in "normalen" verteilten Systemen Aspekte wie "Bewegung" oder "Ort" möglichst transparent und damit für den Nutzer unsichtbar gestaltet werden, benötigen CPS-Anwendungen häufig Bewusstsein für Bewegung oder Ort, d.h., sie sind _motion aware_ oder _location aware_. Die Professur "Betriebssysteme" der TUC hat sich die Frage gestellt, wie eine generische Unterstützung für solche verteilte mobile Systeme aussehen könnte. Im Vortrag werden Probleme, Konzepte und erste Lösungsansätze für ein künftiges Betriebssystem für diese Art von Systemen vorgestellt.