Teilprojekt B02

B02: Planung und Koordination

Multi-Mechanismen-Adaption verteilter Systeme durch diskrete Optimierung

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Vernetzung des Teilprojekts B02

Teilprojekt B02 befasst sich mit Übergängen zwischen Systemkonfigurationen eines Kommunikationssystems, die durch koordinierte multiple Mechanismen-Transitionen zur Laufzeit herbeigeführt werden, und zwar im Sinne eines Optimierungsproblems und eines Problems der Verteilte-Systeme-Forschung. Zum Verständnis seien Mechanismen vergleichbarer Funktionalität, die per Transition zur Laufzeit austauschbar sind, als einer logischen Schicht zugehörig aufgefasst. Gesucht wird zur Laufzeit die schichtenübergreifend optimale Konfiguration des Systems, präziser: seiner Mechanismen. Dabei sind die Wechselkosten zu berücksichtigen, die bei den erforderlichen multiplen Transitionen aus der aktuellen Konfiguration heraus anfallen. Für die Berechnung solcher optimaler Konfigurationen werden in B02 diskrete Optimierungsverfahren auf den induzierten Graphen entwickelt; Prof. Weihe bringt hierzu umfassende Kompetenz ein. Die Forschungsherausforderung ist dabei zweifach: Um die Problematik genauer zu verstehen, werden in den ersten zwei Jahren Algorithmen entwickelt für den Fall, dass zu einem Zeitpunkt in jedem Rechnernetzknoten dieselbe Konfiguration vorliegen soll und eine zentrale Instanz alle Entscheidungen plant sowie den Wechsel zwischen zwei Konfigurationen netzweit koordiniert. Dann werden die so gewonnenen algorithmischen Erkenntnisse auf lokal unterschiedliche Mechanismen-Konfigurationen übertragen und die Entscheidung auf einzelne Knoten verlagert. Ziel des Teilprojekts B02 ist es, die Planung durch diskrete Optimierungsverfahren und die Koordination der Mechanismen-Transitionen schließlich dezentral auf allen oder einer Teilmenge der Knoten des Gesamtnetzes auszuführen, sodass eine zentrale Entscheidungsinstanz nicht mehr notwendig ist.

Aus dem Blickwinkel verteilter Kommunikationssysteme konzentriert sich die Forschung in B02 in der ersten Förderphase auf Verfahren, mit deren Hilfe dynamisch rekonfigurierbare verteilte Softwaresysteme (DRVS) entwickelt und ausgeführt werden können, die dem Prinzip schichtenweise austauschbarer Mechanismen und schichtenübergreifender Optimierung (SAMSO-Prinzip) folgen. Für die Arbeiten in diesem Bereich wurden von Prof. Mühlhäuser und seiner Gruppe wichtige Vorarbeiten geleistet, namentlich in der DFG-Forschergruppe QuaP2P (FOR 733). Konkret ergibt sich die folgende zweifache Forschungsherausforderung. Einerseits sind Konzepte für geeignete Schnittstellen zu den o.g. schichtenübergreifenden Optimierungsverfahren zu erforschen einschließlich Algorithmen und Kommunikationsprotokollen zur netzweiten Ermittlung der von den Optimierungsverfahren verlangten Parameter; im weiteren Projektverlauf ist die Erweiterung auf verteilte Optimierungsverfahren zu leisten. Andererseits sind Verfahren zu erforschen, die modulare, schichtenweise austauschbare Mechanismen in DRVS zu entwickeln gestatten sowie solche, die zur Laufzeit die gewünschten kontrollierten und unterbrechungsfreien, schichtenübergreifenden und netzweiten Transitionen zwischen Mechanismen-Konfigurationen ermöglichen; die Transitionsentscheidungen sind dabei an der genannten Schnittstelle aufzunehmen und netzweit umzusetzen.

Als weitere Herausforderung ist ein konkretes DRVS zu entwerfen und zu realisieren, das als Versuchsaufbau für Evaluierungszwecke dient. Durch geeignete Konzeption soll dieses DRVS außerdem einen Beitrag zur aktuellen Forschung über sogenannte Cloudlets leisten (vgl. Abschnitt 3.4). Konkret ist die Realisierung eines DRVS geplant mit den vier Kernschichten A:Anwendung, M:Medien, T:(Cloudlet-)Topologie und O:Overlay, jeweils mit mehreren alternativen Mechanismen. Darauf aufbauend soll eine oberste Schicht S entwickeln werden, die das Anwendungsszenario, d.h. die Verkehrslast, simuliert. Des Weiteren soll eine Basis-Schicht B angebunden werden, die in der ersten Förderphase nur zwei existierende Mobilkommunikations-Protokollstapel enthält (Infrastruktur- und Ad-hoc-Kommunikationsmodus, vgl. Teilprojekt C01). Abhängig von den Umgebungsparametern, welche der obersten Schicht und dem aktuellen Netzwerkzustand entnommen werden, sollen optimale Mechanismen-Konfigurationen der einzelnen Schichten dieses Systems zur Laufzeit qua Optimierungsverfahren geplant und die Übergänge zwischen den Konfigurationen qua DVRS-Verfahren koordiniert werden. Dazu müssen außerdem rudimentäre Basisfunktionen anderer Teilprojekte nachgebildet werden, wie die Zustandstransition (Teilprojekt A03) und das Monitoring (Teilprojekt B01); Ergebnisse dieser Teilprojekte ersetzen später die rudimentären Eigenentwicklungen. Die Optimierungsverfahren müssen umgesetzt werden, schichtenübergreifende und -interne Mechanismen-Adaptionen müssen realisiert werden; nicht zuletzt ist für die vergleichende Leistungsbewertung das System in einem umfangreichen Simulator nachzubilden. Überdies wird Teilprojekt B02 aktiv am Entwurf des Demonstrators mitwirken, Schnittstellen zu den verschiedenen Teilprojekten mitdefinieren und gewonnene Erkenntnisse zur Planung und Koordination im Verlauf des Projekts in den Demonstrator einbauen.