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Forschungsschwerpunkte

 

Quantitative Modelle: Beschreibung und Analyse

LB-Tools: Entwickung und Einsatz

Zur Kopplung von Leistungs- und anderen Bewertungstechniken

Rechnernetzwerke und verteilte Systeme

 

Methodik und Techniken der Leistungsbewertung (LB) von Rechen- und Kommunikationssystemen bilden den traditionellen Schwerpunkt der Aktivitäten am LS IV. Wesentliche Ergebnisse unserer Arbeiten liegen in Bereichen der modellgestützten LB, dort bei der Beschreibung und Analyse quantitativer Modelle, der Bereitstellung zugehöriger Software-Werkzeuge ("Tools'') und deren praktischem Einsatz. Zusätzlich wird die konsistente Kopplung leistungsorientierter Bewertungsansätze mit Ansätzen zur modellgestützten Beurteilung weiterer Systemeigenschaften (Zuverlässigkeit / Verfügbarkeit, funktionale Korrektheit) vorangetrieben.

 

 

Quantitative Modelle: Beschreibung und Analyse

 

Zur LB von Systemen werden ereignisorientierte, stochastische Modelle herangezogen. Die Spezifikation eines derartigen Modells beinhaltet die Beschreibung seines (diskreten) Zustandsraumes sowie der (ggf. stochastischen) Regeln seiner Zustandsübergänge. Gängige Techniken zur Analyse solcher Modelle (und damit zur Systembewertung) entstammen Kategorien, die mit "algebraisch'', "numerisch'' und "simulativ'' charakterisiert werden.

Algebraische und numerische Analysetechniken basieren auf dem mathematischen Modelltyp der Markov-Prozesse. Bei algebraischen Modellen, benutzerseitig gern durch Warteschlangennetze repräsentiert, spielen die sog. "separablen'' Netze wegen ihrer hocheffizient berechenbaren, expliziten Produktform-Lösung eine herausragende Rolle. Hier konnten wir exakte Algorithmen für separable Netze sowie approximative Verfahren für nahezu separable Netze nennenswert verbessern. Markov-Modelle ohne explizite Lösung werden mittels numerischer Analysetechniken behandelt (und benutzerseitig gern durch erweiterte Warteschlangen- oder zeitbehaftete Petri-Netze repräsentiert). Mathematisch gesehen ist zur Modellanalyse "lediglich'' ein lineares Gleichungssystem zu lösen, das aber sehr groß und entsprechend schwer handhabbar werden kann. Unter Einbeziehung moderner Verfahren der linearen Algebra konnten wir zeigen, daß die Struktur einer hierarchischen und modularen Modell-Spezifikation (aus Sicht der System-Beschreibung ohnehin empfehlenswert) bei der Analyse direkt nutzbar ist, womit auch sehr große Modelle (größenordnungsmässig 2-3 Mio Zustände) für Standardworkstations zugänglich werden.

Dekompositions- und Aggregierungstechniken erhöhen die Effizienz der Modell-Analyse. Dabei wird ein Teil des Modells durch eine einfacher zu analysierende verhaltensgleiche / verhaltensähnliche Komponente ersetzt. Es resultieren effizienter berechenbare, approximative Ergebnisse (vielfach mit abschätzbarem Approximationsfehler). Diese Techniken konnten deutlich erweitert werden. Nennenswerte Ergebnisse liegen bei der Konstruktion von Aggregaten für nicht separable Subnetze mittels numerischer und/oder simulativer Techniken und stark reduziertem Aggregierungsfehler.

 

 

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LB-Tools: Entwickung und Einsatz

 

Parallel zu den methodischen Arbeiten wurde kontinuierlich die Entwicklung und Anwendung von Tools zur modellgestützten LB verfolgt. Mit diesen soll dem Systembewerter eine problemnahe Systembeschreibung ermöglicht werden, weitestgehend unbelastet von Details der diversen Analysetechniken. Die Abbildung der Modellbeschreibung auf ein analysierbares Modell geschieht automatisch. Am LSIV entwickelte Tools umfassen u.a.:

  • HIT, eine Modellierungsumgebung, welche eine modulare und hierarchische Spezifikation auch großer komplexer Modelle erlaubt, die mittels Simulation und einer Vielzahl exakter und approximativer, analytischer und numerischer Techniken analysiert werden können.
  • MACOM, das zur quantitativen Analyse von Kommunikationssystemen erweiterte Warteschlangen-/Verlust-Modelle einsetzt, welche zur numerischen Analyse auf eine Markovkette abgebildet oder aber mit simulativen Techniken analysiert werden.
  • HiQPN-Tool, welches die Analyse von hierarchischen QPN-Modellen unterstützt. QPN-Modelle bilden eine Obermenge zu farbigen GSPNs und Warteschlangennetzen und können sowohl bezüglich qualitativer als auch quantitativer Aspekte analysiert werden.

Alle Tools besitzen eine graphische Oberfläche und sind für übliche Workstations verfügbar. Sie sind vielfältig erprobt und eingesetzt, so zur Untersuchung von Betriebssystemen im Entwurfsstadium, zur Beurteilung zukünftiger Hardwarearchitekturen, zur Bewertung von verteilten Systemen und Telekommunikationssystemen. Sie eignen sich gleichermaßen zur Untersuchung von Transport-, Fertigungs-, logistischen u.ä. Systemen. Die praktische Verwendbarkeit der Tools dokumentiert sich in einer Vielzahl von externen Installationen in Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industrie.

 

 

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Zur Kopplung von Leistungs- und anderen Bewertungstechniken

 

Bei der Beurteilung fehlertolerierender und verteilter Systeme gewinnen Methoden zur kombinierten Beurteilung von Zuverlässigkeit und Leistung (performability) und von Korrektheit und Leistung an Bedeutung.

Da bei Performability-Modellen "reine'' Analysemethoden wegen großer Unterschiede der Ereignisraten für Normal- bzw. Fehler-/Reparaturbetrieb versagen, kommen Aggregierungstechniken zum Einsatz. Hiermit ließen sich sehr gute Approximationsergebnisse erzielen, für bestimmte Problemklassen darüber hinaus effiziente approximative Produktformlösungen entwickeln.

Zur Untersuchung funktionaler Aspekte existieren Modellklassen wie Petri-Netze, Prozeß-Algebren und endliche Automaten bzw. benutzerfreundlichere formale Beschreibungssprachen wie SDL oder Estelle. Eine Möglichkeit zur unmittelbaren LB eines derart beschriebenen Systems ist typischerweise nicht gegeben, so daß bei diesbezüglichem Interesse ein zusätzliches quantitatives Modell notwendig wird. Um resultierende Konsistenzprobleme zu vermeiden, wurden Kopplungen zwischen funktionalen und quantitativen Beschreibungen untersucht. Stochastische Petri-Netze, um Elemente der Warteschlangennetze angereichert, ermöglichen eine Vereinfachung der Modellspezifikation. Effiziente funktionale Analysetechniken der Petri-Netze werden zur Voranalyse der stochastischen Variante herangezogen. Die Resultate sind in einem Modellierungstool (HiQPN-Tool) mit graphischer Oberfläche integriert. Mit analoger Zielsetzung wurden LB-Techniken und formale Beschreibungssprachen gekoppelt. Insbesondere liegen Resultate zur Bewertung von SDL-Entwürfen unter Einsatz von HIT vor.

 

 

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Rechnernetzwerke und verteilte Systeme

 

Moderne Rechnernetze kombinieren weltumspannende Kommunikationsmöglichkeiten mit lokalen Informationsbeständen und Verarbeitungsfähigkeiten, um leistungsfähige verteilte Anwendungssysteme zu unterstützen. Die Architektur von Rechnernetzen, Basis-bildenden Telekommunikationssystemen und nutzenden Anwendungen sowie ihre zweckmässige Implementierung durch Hard/Software-Systeme sind zentrale Gegenstände der praxisorientierten Forschungsarbeiten. Wir untersuchen den Einsatz formaler, funktioneller Modelle verteilter Systeme und entwickeln darauf aufbauend Werkzeuge für die rechnergestützte, produktive Entwicklung qualitätsgesicherter Systeme.

So stehen für die Modellwelt kommunizierender erweiterter endlicher Automaten verschiedene Erreichbarkeitsanalyse-basierte Werkzeuge zur Verfügung, die z.B. bei Prüfung eines Protokollturms und anschliessendem Entwurf einer leistungsfähigen Activity-Thread/Server-Implementierung mit großem Vorteil durchgängig eingesetzt wurden.

Die allgemeinere Modellwelt der Transitionsssysteme liegt den Arbeiten des TLA-Projekts zugrunde. Für L. Lamports 'Temporal Logic of Actions (TLA)' werden Konstruktionshilfen (z.B. Syntaxeditor, Browser, Interpreter, Visualisierung und Animation) und Verifikationshilfen (z.B. Theorembeweiser-Frontend, On-the-Fly-Model-Checker für Safety- und Liveness-Beweise von Refinement Mappings) entwickelt und an einen neuen, kompositionalen TLA-Spezifikationsstil angepasst. Aktuelle Anwendungsfelder sind flexible Hochleistungsprotokolle und offene, standardkonform kommunizierende Rechnernetzanwendungen.

 

 

Forschung

Unsere Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf:

 

  • Kommunikationsprotokolle:
    Entwurf, Spezifikation, Verifikation und effiziente Implementierung,

  • Verteilte Anwendungen:
    Tool-gestützte, qualitätsgesicherte Entwicklung, Konfiguration und Management verteilter Anwendungssysteme,

  • Integriertes Netz-, System- und Anwendungsmanagement:
    Policy- und Modell-basierte Automatisierung von Managementaufgaben,

  • Sicherheit von Netzen und verteilten Systemen:
    Tool-gestützte Sicherheitsanalyse, Vertrauens-angepasste Laufzeit-Überwachung, Automatisiertes Sicherheitsmanagement.


 

Neuere Entwicklungen umfassen die modulare formale Spezifikationstechnik cTLA, eine Technik zur Übersetzung von Zustandsmaschinenmodellen in effiziente Protokollimplementierungen, Überwachungs-Wrapper, die sich mit Vertrauensinformationsdiensten austauschen um Komponenten-strukturierte Anwendungen zu sichern, den Ansatz Objekt-orientierter Sicherheitsanalyse, den Ansatz Modell-basiertes Management (MBM) zur automatisierten Administration von IT-Systemen und die Webservice-Server Implementierung Java Multi Edition DPWS Stack (JMEDS).

 

Model-based Service Configuration

 

MBM ist eine Erweiterung des Policy-basierten technischen System-, Netz- und Anwendungs-Managements. MBM unterstützt die Verfeinerung abstrakter High-Level-Policies in Konfigurationsbeschreibungen und ausführbare Management-Regeln. Das Tool MoBaSeC (Model-based Service Configuration) und ein Laufzeitsystem unterstützen MBM. MoBaSeC dient zur interaktiven Modellierung von IT-Systemen und Policies. Weiterhin kann es abstrakte Policies in automatisch durchsetzbare Low-Level-Policies verfeinern. MBM wurde bisher sehr erfolgreich für die Konfiguration von Sicherheitsdiensten und Schutzmechanismen vernetzter Systeme sowie für das technische Management verteilter Dienstesysteme (Konfigurations-, Fehler-, Leistungs-, Sicherheits- und Account-Management) eingesetzt.

 

 

 

 

Device Profile for Web Services

Die JMEDS Webservices Serverimplementierung unterstützt die leichgewichtige Realisierung von Dienstesystemen mit Hilfe Ressourcen-beschränkter Geräte und eingebetteter Systeme. Die Serverimplementierung ist Java-basiert und für die Java-Microedition geeignet. Sie ist konform zum OASIS Standard "Device Profile for Web Services (DPWS)".

MBM und JMEDS wurden in enger Zusammenarbeit gemeinsam mit dem Industriepartner MATERNA, Dortmund, entwickelt. Beide Ansätze werden im Projekt OSAMI an OSGi-Umgebungen angepasst und werden gemeinsam die zuverlässige Kooperation und Interaktion verteilter Geräte unterstützen. MBM wird zur Umsetzung Policy-basierter Self-Management-Funktionen eingesetzt, so dass sich verteilte Geräte-basierte Dienstesysteme selbsttätig an veränderliche Bedingungen, Anforderungen und Umgebungen anpassen können.

 

 

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