Engineering self-organizing dynamics in distributed systems [Elektronische Ressource] : a systemic approach / von Jan Oliver Sudeikat

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• Publié par: universitat_hamburg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 35
• Langue: Deutsch
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Extrait

Engineering Self-Organizing Dynamics in Distributed Systems:
A Systemic Approach
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Dr. rer. nat
an der Fakult at fur Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der Universit at Hamburg
eingereicht beim Department Informatik von
Jan Oliver Sudeikat
aus Luneburg
August 20102
Genehmigt von der
Fakult at fur Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
Department Informatik der Universit at Hamburg
auf Antrag von
Prof. Dr. Winfried Lamersdorf (Erstgutachter/Doktorvater)
Prof. Dr. Wolfgang Renz (Zweitgutachater)
Prof. Dr. Bernd Page (Vorsitzender)
Hamburg, den 28.10.2010 (Tag der Disputation)Zusammenfassung
Diese Dissertation besch aftigt sich mit der Nutzbarmachung von Prinzipien der Selbstorganisa-
tion fur die Entwicklung verteilter Softwaresysteme. In selbstorganisierenden Prozessen fuhrt
das Zusammenwirken vieler, an sich autonomer, Elemente zur Herausbildung von Gesamtstruk-
turen, die kontinuierlich und selbst andig an sich ver andernde Umgebungsbedingungen angepasst
werden. Die Verwendung solcher Ph anomene ist im Bereich der Entwicklung verteilter Soft-
waresysteme insbesondere deswegen attraktiv, weil so die F ahigkeit zur exiblen L osung kom-
plexer (Gesamt)Probleme unter den elementaren Systemelementen verteilt werden kann. Daher
k onnen diese Prozesse als wirksame Hilfsmittel zur dezentralen Koordination in verteilten Syste-
men verwendet werden.
Generell ist Selbstorganisation (SO) immer dann anwendbar, wenn gro e verteilte Systeme
dezentral koordiniert werden sollen. Wenn beispielsweise solche Softwaresysteme in dynamischen
Kontexten ausgefuhrt werden, ist eine autonome Arbeitsweise einzelner Teile oft unabdingbar.
So sind zukunftsweisende verteilte Systeme aufgrund der Unterstutzung nicht-funktionaler Eigen-
schaften, beispielsweise der Skalierbarkeit, der physikalischen Verteilung, der Kompliziertheit der
beteiligten Systemelemente oder der unbest andigen Dynamiken der Ausfuhrungsumgebung, oft
kaum manuell administrierbar. Demgegenub er erm oglicht eine dezentrale Automatisierung von
Laufzeitanpassungen mehr Skalierbarkeit und Robustheit, da sich die Ausf alle einzelner Systemele-
mente nur begrenzt auf die systemweite Anpassungsf ahigkeit auswirken.
In diesem Zusammenhang schl agt die vorliegende Arbeit ein Konstruktionsrahmenwerk fur
selbstorganisierte verteilte Systeme vor | hierbei wird unter Selbstorganisation die Teilnahme von
Systemelementen in einem dezentralen und adaptiven Prozess, als Erg anzung eines ansonsten weit-
gehend funktionalen Softwaresystems, verstanden. Diesem Ansatz folgend k onnen Anwendungen
mit SO-Eigenschaften ausgestattet werden. Ein systematischer Entwicklungsansatz wird dadurch
erm oglicht, dass die Prozesse, die die selbstorganisierte Strukturbildung regeln, zu eigenst andigen
Entwurfselementen erhoben werden. Ihre explizite Modellierung erlaubt die Einplanung der be-
absichtigten Systemdynamik. Zun achst wird eine etablierte Modellierungstechnik angepasst, um
das Zusammenwirken autonomer Softwareagenten, bedingt durch verteilte Ruc kkopplungen, zu
beschreiben. Dieser Modellierungsansatz wird fur die Analyse von Anwendungsdynamiken und
zur Beschreibung von wiederkehrenden Musterprozessen benutzt. Die Konstruktion selbstorgani-
sierender Anwendungen wird zus atzlich durch ein entsprechendes Programmiermodel unterstutzt.
Dieses basiert auf einer Referenzarchitektur fur die Integration selbstorganisierender Prozesse, das
die koordinationsbezogenen Aktivit aten kapselt und automatisiert. Eine Kon gurationssprache
erlaubt es, Prozessmodelle mit implementationsabh angigen Details zu annotieren, die fur die au-
tomatisierte Durchfuhr ung des Prozesses ben otigt werden. Ausgehend von diesen Werkzeugen wird
die systmatische Konzipierung und Integration der SO-Prozesse unterstutzt durch: (a) einen neuen
Entwicklungsprozess, der die Konzipierung dieser Prozesse und ihren Zuschnitt auf eine spezi-
sche Anwendung hin beschreibt, (b) der konsequenten Nutzung eines Beschreibungskonzeptes um
sowohl das vorhandene als auch das gewunsc hte Verhalten der Anwendung zu modellieren und (c)
die Identi zierung und Verfeinerung von Prozessfragmenten, die geeignet sind das gewunsc hte Ver-
halten herbeifuhren und die mittels des Programmiermodelles integriert werden k onnen. Basierend
auf diesen drei Aspekten schl agt die vorliegende Dissertation einen umfassenden Konstruktionsan-
satz fur die softwaretechnische Nutzung selbstorganisierender Prozesse vor.
iiiAbstract
This dissertation addresses the utilization of self-organization principles in the development of
distributed software systems. In self-organizing processes, the coaction of multitudes of system
elements, which are by themselves autonomous, leads to the formation of global structures that
are continuously and independently adapted to a changeable environment. The use of these
phenomena in the development of distributed software systems is particularly attractive as it
allows distributing exible problem solving abilities for complex global problems among the basic
system elements. Hence, these processes can be used as powerful means for the decentralized
coordination of distributed systems.
In general, self-organization is applicable when large scale systems have to be coordinated
in decentralized ways. When software systems have to operate in a dynamic execution context,
their autonomous operation is desirable. Forward-looking next-generation distributed systems, in
consequence of the support for non-functional properties, e.g. the scalability, the physical distri-
bution, the complicatedness of the constituent system elements, or the volatile dynamics of the
execution context, often prohibit manual system administrations. In contrast, the decentralized
automation of run-time adjustments intently supports scalability and robustness as the failures of
single system elements have limited e ects on the system-wide adaptivity.
This dissertation proposes a construction framework for self-organizing distributed systems |
whereas self-organization is understood as the participation of system elements in decentralized,
adaptive processes, as a supplement to the functional software system. This approach allows equip-
ping applications with self-organizing features. A systematic developmenth is enabled by
the elevation of the adaptive, decentralized inter-agent process, which governs the self-organized
structure formation, to an independent design element. Explicit models allow planning for the
intended system dynamics. At rst, an established modeling technique is adapted to describe the
coaction of agents by expressing the distributed feedbacks among system agents. This modeling
approach is used to analyze application dynamics and describe recurring template processes. The
construction of self-organizing applications is supported by a corresponding programming model.
It is based on a reference-architecture for the integration of self-organizing processes that encap-
sulates and automates coordination-related activities. A con guration language allows process
models to be annotated with implementation-speci c details that are required for the automated
execution of processes. Based on these tools, the systematic conception and integration of processes
is supported by: (a) a novel development procedure that describes the conception of processes and
their tailoring for a speci c software system, (b) a description concept for modeling the applica-
tion behavior as is and the intended system behavior, and (c) the identi cation and re nement of
process fragments that are appropriate to bring about the intended system behavior and can be
integrated using the programming model. Based on these three aspects, this dissertation proposes
a comprehensive construction approach to the use of self-organizing processes.
iiiivPreface
This dissertation is a result of my work in the Multimedia Systems Lab (MMLab) at the Hamburg
University of Applied Sciences (HAW Hamburg) and I am particularly indebted to my supervisors
whose cooperation enabled me to conduct research. They complemented each other splendidly,
while facing an interdisciplinary research topic. Prof. Dr. Wolfgang Renz from the HAW, as
an expert in self-organizing and stochastic processes, guided my research work with great e ort
plus personal dedication. My research perspective bene ted a lot from our lively and serious
discussions. On the other hand, Prof. Dr. Lamersdorf from the University of Hamburg, as an
expert in distributed systems, was always available for active support, well-considered advice, and
encouragement when necessary. Based on their joint e orts, I found guidance and the freedom to
explore novel ideas/approaches.
Two workgroups provided me a friendly and creative atmosphere. In the MMLab, I found an
active research environment. The HAW supported my research by funding a position and a subse-
quent scholarship for initiating and continuing my studies. I especially appreciate that the HAW
supports its graduates in obtaining doctoral degrees. Besides, I want to thank Gregor Balthasar,
Thomas Preisler, and Peter Salchow for their friendly collaboration. In addition, the Distributed
Systems and Information Systems (VSIS) workgroup at the Department of Informatics of the
University of Hamburg provided an open environment for discussing and experimenting agent