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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-83496
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8349/


Realisierung von selbstorganisierenden Systemen auf Basis von dezentralen Koordinationsprozessen

Realization of self-organizing systems based on decentralized coordination processes

Preisler, Thomas

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SWD-Schlagwörter: Selbstorganisation , Koordination
Freie Schlagwörter (Deutsch): Dezentralität , Koordinationsprozesse , Verteilte Systeme
Freie Schlagwörter (Englisch): Decentralization , Coordination Processes , Distributed Systems
Basisklassifikation: 54.76 , 54.51 , 54.30 , 54.52
Institut: Informatik
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Lamersdorf, Winfried (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.01.2017
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 20.02.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Das Paradigma der Selbstorganisation hat sich als vielversprechender Lösungsansatz herausgestellt, um moderne, verteilte Anwendungen und Systeme mit hohen Adaptivitätsanforderungen zu realisieren. Dabei hat sich gezeigt, dass dezentrale Steuerungs- und Koordinationskonzepte geeignet sind, um das selbstorganisierenden Verhalten, welches die gewünschte Adaptivität herausbildet, umzusetzen. Die besondere Bedeutung des Paradigmas der Selbstorganisation ergibt sich aus der Möglichkeit, Anwendungen und Systeme zu entwickeln, die zur Laufzeit ein selbstadaptives Verhalten aufweisen. Solche Systeme sind in der Lage, ihre Strukturen und ihr Verhalten an sich verändernde Gegebenheiten anzupassen. Dabei ist es unerheblich, welcher Natur die Ursachen für eine solche Anpassung sind. Diese können z.B. in einer dynamischen Umgebung, wechselndem Benutzerverhalten oder auch Fehlerfälle begründet sein. Anwendungen und Systeme, die solche Eigenschaften aufweisen, sind im Hinblick auf aktuelle Herausforderungen in Informations- und Kommunikationssystemen, wie z.B. die zunehmende Heterogenität, Interaktionsdichte, Dynamik und Komplexität, von besonderer Bedeutung.

Im Rahmen dieser Dissertation erfolgt zunächst eine detaillierte Analyse des Paradigmas der Selbstorganisation, dessen charakteristische Eigenschaften neben der Selbstadaptivität auch erstrebenswerte nichtfunktionale Eigenschaften wie Skalierbarkeit und Robustheit beinhalten. Darauf aufbauend wird die systematische Entwicklung selbstorganisierender Systeme thematisiert, indem die Hauptbestandteile dieser Systeme analysiert und vorgestellt werden. Dabei wird auch gezeigt, dass die softwaretechnische Umsetzung dieses Konzepts eine besondere Herausforderung darstellt, da sich aufgrund des nichtlinearen und nichtdeterministischen Verhalten dieser Systeme unerwünschte emergente Phänomene herausbilden können. Dies führt dazu, dass etablierte Softwareentwicklungsansätze zur Konstruktion selbstorganisierender Systeme nur bedingt geeignet sind, sodass neuartige Entwicklungskonzepte und -ansätze benötigt werden. Daher wird nachfolgend ein bestehender, relativ neuer Ansatz zur Konstruktion von selbstorganisierenden Multiagentensystemen thematisiert. Multiagentensysteme sind eine spezielle Unterklasse von verteilten Systemen, die auf dem Agentenparadigma basieren.

Ausgehend von den vorgestellten Erkenntnissen und Vorarbeiten geht es im Rahmen dieser Dissertation im Speziellen um zwei Fragestellungen: Zunächst wird die Konstruktion eines möglichst allgemeingültigen Rahmenwerks behandelt, das es erlaubt, Anwendungen und Systeme, die auf unterschiedlichen Technologien und Architekturen beruhen, mit selbstadaptivem bzw. selbstorganisierendem Verhalten auszustatten. Die Realisierung dieses Verhaltens erfolgt dabei auf Basis von dezentralen Koordinationsprozessen. Zwar existieren bereits konzeptionelle Vorarbeiten, die sich mit der Konstruktion von selbstorganisierendem Verhalten auf Basis von dezentralen Koordinationsprozessen beschäftigen, diese beschränken sich allerdings auf das Architekturparadigma der Multiagentensysteme. Die unterschiedlichen Komponenten und Sub-Systeme, aus denen sich moderne, verteilte Systemen zusammensetzen, zeichnen sich aber häufig durch eine Heterogenität in Bezug auf die verwendeten Technologien und Architekturen aus. Ein aktuelles Anwendungsgebiet heterogener, verteilter Systeme sind Co-Simulationen, bei denen unterschiedliche, verteilte Simulationskomponenten verwendet werden, um ein komplexe Problem zu formulieren. Um solche Systeme mit selbstorganisierenden Eigenschaften auszustatten, wird ein Koordinationsansatz benötigt, der generische Software-Komponenten im Allgemeinen unterstützt. Da solche Komponenten aber nicht von einer speziellen Ausführungsumgebung verwaltet werden, ergeben sich spezielle Herausforderungen bei der Koordination. Diese werden im Rahmen der ersten Fragestellung herausgearbeitet und ein möglichst allgemeingültiges Rahmenwerk zur Koordination solcher Systeme entwickelt.

Davon ausgehend wird im Rahmen der zweiten Fragestellung die automatisierte Anpassung von Koordinationsprozessen zur Laufzeit thematisiert, um unerwünschte Dynamiken in einem selbstorganisierenden System zu verhindern. Dabei wird gezeigt, wie der Austausch bzw. die Rekonfiguration der Koordinationsprozesse, die die selbstorganisierende Dynamik im System abbilden, dabei hilft, unerwünschtem Verhalten entgegenzuwirken. Solches erwünschtes Verhalten kann sich z.B. in Form einer schlechten Performanz äußern. Bei der Ausführung solcher Anpassungen kann grundsätzlich zwischen zwei Modi unterschieden werden: Parametrische Anpassungen betreffen die dynamische Anpassung von bestimmten Koordinationsparametern, die einen konfigurierenden Einfluss auf die betreffenden Koordinationsprozesse haben. Strukturelle Anpassungen hingegen betreffen die Struktur der Koordinationsprozesse und beziehen sich daher auf einen Austausch der aktiven Prozesse zur Laufzeit.
Kurzfassung auf Englisch: The paradigm of self-organization has emerged as a promising approach to realize modern, distributed applications and systems with high adaptivity requirements. Decentralized control and coordination concepts have proven their applicability to implement the self-organizing behavior, which creates the desired adaptivity. Of particular importance for the paradigm of self-organization is the possibility to develop applications and systems with self-adaptive run-time behavior. Such systems can adapt their structure and behavior to changing circumstances and conditions. Here, the nature of the adaptation cause is irrelevant, it may be based on e.g. dynamic changes of the environment, changing user behavior or even errors. Applications and systems with such self-organizing characteristics are well-suited for current challenges in information and communication systems, e.g. increasing heterogeneity, interaction density and complexity.

As part of this dissertation, a detailed analysis of the paradigm of self-organization is carried out. In addition to self-adaptivity, the characteristics of self-organizing systems also include desirable non-functional properties such as scalability and robustness. Based on this, the systematic development of self-organizing systems will be addressed by analyzing and presenting the main components of these systems. It is also shown that the implementation of this concept is particular challenging, because of non-linear and non-deterministic behaviors as well as emergent phenomena. These problems lead to the fact that established software development approaches are only conditionally suitable for the construction of self-organizing systems. Hence, novel development concepts and approaches are needed. Therefore, an existing, relatively new approach for the construction of self-organizing multi-agent systems is discussed. Multi-agent systems are a special subclass of distributed systems based on the agent paradigm.

Based on the presented findings and preliminary studies, the thesis deals with two specific questions: First, the design of a framework that is as general as possible and allows to equip applications and systems based on different technologies and architectures with self-adaptive or self-organizing behavior. Thereby, the realization of this behavior is based on decentralized coordination processes. Although conceptual preliminary studies exist that deal with the construction of self-organizing behavior based on decentralized coordination processes, they are, however, limited to the multi-agent systems paradigm. But, modern distributed systems are often characterized by heterogeneous components and sub-systems that form the whole structure. A current application of such heterogeneous, distributed systems are co-simulations where different simulation components are coupled to formulate a complex problem. In order to equip such systems with self-organizing properties, a coordination approach is needed, that supports generic software components in general. However, such components are unlike agents not managed by a special execution platform. Therefore, special challenges arise when it comes to coordinating such components. These are elaborated as part of the first question complex when a coordination framework for generic software components will be developed.

In the context of the second question, the automated adaptation of coordination processes at run-time will be reviewed, in order to prevent unwanted dynamics in self-organizing systems. In this context, it is shown how the exchange or reconfiguration of the underlying coordination processes, responsible for the system’s self-organizing dynamic, helps to prevent undesired behavior. Such undesired behavior may occur in form of a performance decrease or even starvation. When performing such adjustments, two modes can be distinguished: Parametric adaptations are used to dynamically adjust certain coordination parameters. These are parameters which configure the corresponding coordination processes. Structural adaptations, on the other hand, concern the overall structure of the coordination processes and therefore refer to an exchange of the active coordination processes at runtime.

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