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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-49286
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4928/


Engineering Self-Organizing Dynamics in Distributed Systems: A Systemic Approach

Entwicklung Selbstorganisierender Dynamiken in Verteilten Systemen: Ein systemischer Ansatz

Sudeikat, Jan

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Selbstorganisation , Verteiltes System , Mehragentensystem , System Dynamics
Freie Schlagwörter (Deutsch): Selbstorganisation , Verteiltes System , Multiagentensystem , System Dynamics , Systemische Programmierung
Freie Schlagwörter (Englisch): Self-Organization, Distributed System, Multiagentsystem, System Dynamics, Systemic Programming
Basisklassifikation: 54.52 , 30.20 , 54.30
Institut: Informatik
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Lamersdorf, Winfried (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.10.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 14.12.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Nutzbarmachung von Prinzipien der Selbstorganisation für die Entwicklung verteilter Softwaresysteme. In selbstorganisierenden Prozessen führt das Zusammenwirken vieler, an sich autonomer, Elemente zur Herausbildung von Gesamtstrukturen, die kontinuierlich und selbständig an sich verändernde Umgebungsbedingungen angepasst werden. Die Verwendung solcher Phänomene ist im Bereich der Entwicklung verteilter Softwaresysteme insbesondere deswegen attraktiv, weil so die Fähigkeit zur exiblen Lösung komplexer (Gesamt)Probleme unter den elementaren Systemelementen verteilt werden kann. Daher können diese Prozesse als wirksame Hilfsmittel zur dezentralen Koordination in verteilten Systemen verwendet werden.

Generell ist Selbstorganisation (SO) immer dann anwendbar, wenn große verteilte Systeme dezentral koordiniert werden sollen. Wenn beispielsweise solche Softwaresysteme in dynamischen Kontexten ausgeführt werden, ist eine autonome Arbeitsweise einzelner Teile oft unabdingbar. So sind zukunftsweisende verteilte Systeme aufgrund der Unterstützung nicht-funktionaler Eigenschaften, beispielsweise der Skalierbarkeit, der physikalischen Verteilung, der Kompliziertheit der beteiligten Systemelemente oder der unbeständigen Dynamiken der Ausführungsumgebung, oft kaum manuell administrierbar. Demgegenüber ermöglicht eine dezentrale Automatisierung von Laufzeitanpassungen mehr Skalierbarkeit und Robustheit, da sich die Ausfälle einzelner Systemelemente nur begrenzt auf die systemweite Anpassungsfähigkeit auswirken.

In diesem Zusammenhang schlägt die vorliegende Arbeit ein Konstruktionsrahmenwerk für selbstorganisierte verteilte Systeme vor - hierbei wird unter Selbstorganisation die Teilnahme von Systemelementen in einem dezentralen und adaptiven Prozess, als Ergänzung eines ansonsten weitgehend funktionalen Softwaresystems, verstanden. Diesem Ansatz folgend können Anwendungen mit SO-Eigenschaften ausgestattet werden. Ein systematischer Entwicklungsansatz wird dadurch ermöglicht, dass die Prozesse, die die selbstorganisierte Strukturbildung regeln, zu eigenständigen Entwurfselementen erhoben werden. Ihre explizite Modellierung erlaubt die Einplanung der beabsichtigten Systemdynamik. Zunächst wird eine etablierte Modellierungstechnik angepasst, um das Zusammenwirken autonomer Softwareagenten, bedingt durch verteilte Rückkopplungen, zu beschreiben. Dieser Modellierungsansatz wird für die Analyse von Anwendungsdynamiken und zur Beschreibung von wiederkehrenden Musterprozessen benutzt. Die Konstruktion selbstorganisierender Anwendungen wird zusätzlich durch ein entsprechendes Programmiermodel unterstützt. Dieses basiert auf einer Referenzarchitektur für die Integration selbstorganisierender Prozesse, das die koordinationsbezogenen Aktivitäten kapselt und automatisiert. Eine Konfigurationssprache erlaubt es, Prozessmodelle mit implementationsabhängigen Details zu annotieren, die für die automatisierte Durchführung des Prozesses benötigt werden. Ausgehend von diesen Werkzeugen wird die systmatische Konzipierung und Integration der SO-Prozesse unterstützt durch: (a) einen neuen Entwicklungsprozess, der die Konzipierung dieser Prozesse und ihren Zuschnitt auf eine spezifische Anwendung hin beschreibt, (b) der konsequenten Nutzung eines Beschreibungskonzeptes um sowohl das vorhandene als auch das gewünschte Verhalten der Anwendung zu modellieren und (c) die Identifizierung und Verfeinerung von Prozessfragmenten, die geeignet sind das gewünschte Verhalten herbeiführen und die mittels des Programmiermodelles integriert werden können. Basierend auf diesen drei Aspekten schlägt die vorliegende Dissertation einen umfassenden Konstruktionsansatz für die softwaretechnische Nutzung selbstorganisierender Prozesse vor.
Kurzfassung auf Englisch: 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 distribution, 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 effects 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 equipping applications with self-organizing features. A systematic development approach 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 First, 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 encapsulates and automates coordination-related activities. A configuration language allows process models to be annotated with implementation-specific 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 specific software system, (b) a description concept for modeling the application behavior as is and the intended system behavior, and (c) the identification and refinement 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.

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