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Towards the Governance of Open Distributed Systems [Elektronische Ressource] : A Case Study in Wireless Mobile Grids / Tina Balke. Betreuer: Torsten Eymann

De
304 pages
Towards the Governance of Open Distributed Systems -A Case Study in Wireless Mobile GridsTina BalkeTowards the Governance of Open Distributed Systems:A Case Study in Wireless Mobile GridsD i s s e r t a t i o nzur Erlangung des Grades eines Doktors der Wirtschaftswissenschaftder Rechts- und Wirtschaftswissenschaftlichen Fakultatder Universitat BayreuthvorgelegtvonDipl.-K r. Univ. Tina Balkeaus PotsdamDekan: Prof. Dr. Markus MostlErstberichterstatter: Prof. Dr. Torsten EymannZweitberichterstatter: Dr. Julian Padget (Senior Lecturer)Zusatzlic her Gutachter: Dr. Marina De Vos (SeniorTag der mundlichen Prufung: 23. September 2011 AbstractNew networking technologies such as wireless mobile grids and peer-to-peer middlewa-re are examples of a growing class of open distributed systems whose strength is theabsence of a central controlling instance and which function through the cooperationof autonomous entities that voluntarily commit resources to a common pool. Thesocial dilemma in such systems is that it is advantageous for rational users to accessthe common pool resources without making any commitment of their own. This iscommonly known as \free-riding". However, if a substantial number of users followedthis sel sh strategy, the system itself would fail, depriving all users of its bene ts.
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Towards the Governance
of Open Distributed
Systems -
A Case Study in
Wireless Mobile Grids
Tina BalkeTowards the Governance of Open Distributed Systems:
A Case Study in Wireless Mobile Grids
D i s s e r t a t i o n
zur Erlangung des Grades eines Doktors der Wirtschaftswissenschaft
der Rechts- und Wirtschaftswissenschaftlichen Fakultat
der Universitat Bayreuth
vorgelegt
von
Dipl.-K r. Univ. Tina Balke
aus PotsdamDekan: Prof. Dr. Markus Mostl
Erstberichterstatter: Prof. Dr. Torsten Eymann
Zweitberichterstatter: Dr. Julian Padget (Senior Lecturer)
Zusatzlic her Gutachter: Dr. Marina De Vos (Senior
Tag der mundlichen Prufung: 23. September 2011 Abstract
New networking technologies such as wireless mobile grids and peer-to-peer middlewa-
re are examples of a growing class of open distributed systems whose strength is the
absence of a central controlling instance and which function through the cooperation
of autonomous entities that voluntarily commit resources to a common pool. The
social dilemma in such systems is that it is advantageous for rational users to access
the common pool resources without making any commitment of their own. This is
commonly known as \free-riding". However, if a substantial number of users followed
this sel sh strategy, the system itself would fail, depriving all users of its bene ts. In
this dissertation, we demonstrate how governance decisions can induce cooperation
in such systems and how normative frameworks in combination with multi-agent
system simulations can be successfully employed to analyse their e ects, even at an
early development stage.
We show that our approach is not only practical and powerful, but also easily
accessible. We demonstrate its functionality by implementing a prototype to explore
the impact of enforcement mechanisms on wireless mobile grids, a concept which has
been proposed to address the energy issues arising in the next generation of mobile
phones and the networks that connect them. We also infer lessons from this example
for open distributed systems in general. Simulation experiments quantify the bene ts
of enforcement mechanisms for wireless mobile grids. We analyse these results with
respect to the costs of enforcement as well as further criteria that re ect the interests
of the multiple stakeholders in the system. We conclude with some observations on
how the lessons learned from both process and outcomes may be applicable to the
broader context of open distributed systems. In particular, we highlight (i) the use
of simulation using intelligent agents and a normative framework as a means for in
silico exploration of complex systems for both business and technological objectives,
and (ii) the insight o ered into a range of enforcement mechanisms and a better
understanding of the conditions and constraints under which they are applicable.iv ABSTRACTAusfuhrliche Zusammenfassung
Meine in englischer Sprache verfasste Dissertation beschaftigt sich mit normati-
ven Eingri en und deren Auswirkungen auf o ene verteilte Systeme ohne zentrale
Kontrollinstanz, in denen Akteure mit moglicherweise kon ikt aren und eigennutzen-
maximierenden Interessen miteinander interagieren.
Ausgehend von sogenannten \Wireless Mobile Grids"(WMGs) { einer spezi schen
Auspragung eines o enen verteilten Systems { wird in der Dissertation sowohl f ur das
spezi sche WMG-Szenario als auch allgemein g ultig fur o ene verteilte Systeme unter-
sucht, inwieweit nicht-technische Durchsetzungmechanismen kooperatives Verhalten
von Akteuren fordern und welche Auswirkungen unterschiedliche Mechanismen auf
die verschiedenen Stakeholder des Systems haben.
Bei WMGs handelt es sich um ein Kooperationskonzept fur die vierte Mobilfunk-
generation, welche sich mit einem Energieverbrauchsproblem konfrontiert sieht. So
wandeln sich bedingt durch einen wachsenden Funktionsumfang und Anwendungen
wie bspw. gro e Touchscreens, Digitalkameras, GPS-Empf anger und Videostreaming
Mobiltelefone derzeit zu multimedialen Alleskonnern \ und entwickeln hierdurch
"
einen immensen Energiehunger\. Der Energieverbrauch bei 3G-Geraten hat sich im
"
Vergleich zu den Geraten der ersten und zweiten Handygeneration verdoppelt und
dieser Zuwachs wird sich in Zukunft nicht verlangsamen (Katz and Fitzek, 2006).
Aufgrund entgegengesetzter Kundenwunsc he kommt eine Vergro erung des Akkus
als Losung nicht in Frage (Perrucci et al., 2009).
Aus diesem Grund wurden von Prof. Frank Fitzek und Dr. Marcos Katz WMGs
als ein moglic her Losungsansatz fur die erwahnten Energieprobleme vorgeschlagen,
prototypisch implementiert und technisch getestet. Die Idee der WMGs stellt sich
dabei wie gefolgt dar: ausgehend von traditionellen 3G Mobilfunknetzen, welche durch
eine Konzentration der Kommunikation auf die zellulare Kommunikation zwischen
den einzelnen Mobilfunkteilnehmern mit einer Basisstation charakterisiert ist, wird
die traditionelle 3G Struktur um eine Kurz-Distanz-Verbindung erweitert.
In WMGs verbinden sich einzelne Mobilfunknutzer mittels ihrer unterschiedlichen
Endgeraten mit Hilfe einer Kurz-Distanz-Verbindung (bspw. WLAN oder Bluetooth)
in einer Peer-to-Peer-Manier untereinander und nutzen diese Verbindung zur Koope-
ration, d.h. zum gemeinsamen Verwenden von Ressourcen der Endgerate wie CPU
und Speicher, oder dem gemeinsamen Download / Streamen von Dateien. Der Vorteil
der Kurz-Distanz-Verbindung liegt in schnelleren und energiee zienteren Kommu-
nikationsprotokollen. Die Mobilfunknutzer konnen entsprechend beispielsweise von
schnelleren Datenraten und langeren Akkulaufzeiten im Vergleich zu traditionellen
3G Verbindungen pro tieren. Zudem wird aus Sicht der Mobilfunknetzbetreiber die
Netzwerkinfrastruktur entlastet.vi ABSTRACT
Trotz des theoretisch hohen Energieeinsparungspotentials gibt es derzeit von
Seiten der Mobilfunkbranche Zweifel am Konzept der WMG, welche primar auf
befurchtete Kooperationsprobleme zuruckzufuhren sind. Fur die Akteure im System
ist es gunstiger zu betrugen (d.h. Ressourcen zu beziehen ohne selbst Ressourcen
zur Verfugung zu stellen), da jeder Beitrag zum System in Form von Kosten (wie
beispielsweise Energiekosten) zu verstehen ist. Deshalb werden Normen benotigt, um
Kooperation zu fordern.
Durch die o ene dezentrale Struktur des Systems ist es nicht m oglich, implizit
von einer Durchsetzbarkeit der Normen auszugehen. Folglich stellt sich die Frage,
wie mogliche Durchsetzungsmechanismen zur Reduktion des Kooperationsproblems
beitragen.
1Basierend auf realen Handydaten habe ich in meiner Dissertation eine normative
Multiagenten-Simulation entwickelt, die es ermoglicht, verschiedene Durchsetzungs-
mechanismen zu analysieren.
In diesem Zusammenhang leistet meine Dissertation einen wissenschaftlichen
Beitrag durch die Untersuchung der folgenden zwei Hauptthesen:
1. Der Einsatz von Durchsetzungsmechanismen kann die Kooperation in einem
WMG steigern.
2. So genannte \Normative Frameworks" in Kombination mit Multiagenten-
Simultionen eignen sich sehr gut, um die dynamische Interaktion von Akteuren
eines Systems mit den im System vorhandenen Normen darstellen.
Zur Veri zierung dieser beiden Thesen pr asentiert diese Dissertation zunachst
einen Uberblick ub er die existierende Literatur zu Normen und deren Durchsetzung
in Kapitel 2. Kapitel 3 stellt im Anschluss die WMG-Fallstudie detailliert vor und
zeigt auf, in wie weit in ihr Kooperationsdilemmata bestehen. Kapitel 4 fuhrt in
normative Systeme ein, diskutiert deren Bedeutung fur die Modellierung von Normen
und prasentiert das in dieser Dissertation verwendete formale Model eines Normative
Frameworks.
Dieses formale Model wird in Kapitel 5 mit Hilfe vonAnsProlog und InstAL in ein
Computermodell ub ersetzt und die Fallstudie mit Hilfe dieses Modells implementiert.
Die Analyse der Ergebnisse dieses Modells zeigt, dass Durchsetzungsmechanismen
helfen konnen, der beschriebenen Dilemmasituation entgegenzuwirken und es sich
lohnt, detailliertere Untersuchungen vorzunehmen.
Als Resultat dessen, widmen sich Kapitel 6 und 7 der Erweiterung des zuvor
entwickelten Modells um eine Multiagenten-Simulation. Diese Dissertation beschreibt
dabei zum einen die formalen Grundlagen dieser Erweiterung. Des Weiteren wird ein
lau ahiger Prototyp des WMG-Beispiels implementiert.
Dieseryp wird in den Kapiteln 7 bis 9 eingesetzt, um drei verschiedene
Durchsetzungsmechanismen auf Ihre Wirkungsamkeit bezuglich der Kooperation und
der damit verbundenen Energiekosten in WMGs zu untersuchen. Dabei zeigt sich,
dass sogenannte Polizeiagenten einen vielversprechenden Ansatz zur Reduktion des
Kooperationsdilemmas in WMGs bieten.
1
Frank Fitzek und seine Forschergruppe haben bereits Prototypen von WMG-Mobiltelefonen
entwickelt und haben mir diese technischen Daten wie beispielsweise den Energievebrauch bei
verschiedenen Empfangs- und Sendezustanden fur die Dissertation zur Verfugung gestellt.AUSFUHRLICHE ZUSAMMENFASSUNG vii
Kapitel 10 widment sich im Anschluss der erweiterten Analyse der Simualtionser-
gebnisse. Spezieller Fokus wird dabei auf die Interessen der verschiedenen Stakeholder
des Systems, sowie der Interpretation der Ergebnisse fur o ene verteilte Systeme im
allgemeinen gelegt.
Zusammenfassend bestatigt diese Dissertation die beiden Eingangs erwahnten Hy-
pothesen. Sie leistet dadurch einen wichtigen Beitrag sowohl aus wissenschaftlicher als
auch praktischer Sicht. So gibt diese erstmals detaillierte Einblicke in die
Kooperation in WMGs und zeigt auf, wie Normative Frameworks und Multiagenten-
Simulationen e ektiv eingesetzt werden k onnen um Governance-Entscheidungen
einfach und schnell zu analysieren.viii AUSFUHRLICHE ZUSAMMENFASSUNG