A viable architecture for autonomic management of distributed software components

Abstract

Autonomic Computing is a brand of system design approaches which enable IT systems with self-management capabilities such as self-configuration, self-healing, self-protection and self-optimization. Although the field of distributed system management has achieved considerable advances, building autonomic management solutions for heterogeneous component-based systems presents five major challenges. First, component deployment and its management gets difficult with the growth of the system, because of the variety of component models with their own specifics. Second, each component framework provides its own way and interface for management creating redundancy and variety of management routines. Third, software components evolve separately which introduces problems with compatibility upon system upgrade. Forth, there are remote dependencies which are difficult to tack and this may cause unpredicted inconsistency of the system after component update. Finally, the integration of a management sub-system influences the overall system complexity by making it dependent on interfaces and functionality of the management module.

This thesis introduces an architectural approach which addresses these challenges. An organizational meta-model represents the architectural constraints for encapsulation of software components and defines requirements for feedback loops adapted from the Viable System Model for software components. It enables modeling of viable organization and communication management on the levels of component deployment and runtime operations.

The autonomic management architecture consists of modules that facilitate monitoring component states, an operation manager that allows inspection of distributed dependencies by utilizing the notion of the managed communication channel. Its design conforms with the recommendations of the proposed organizational model. A channel management middleware implements the necessary functionality for establishing communication channels and provides interfaces for integration of autonomic managers which follow the requirements of the organizational and communication model.

A prototype of the middleware has been developed to implement the architectural approach for real-world scenarios in two separate domains - Smart Home and Distributed Product Development Support Systems. It has demonstrated the usability of the architecture by satisfying the management requirements of these domains and addressing the management challenges.

Autonomic Computing ist ein spezieller Ansatz des System-Designs, der die Entwicklung von IT-Systemen mit Selbst-Management-Fähigkeiten ermöglicht, die Eigenschaften wie Selbst- Konfiguration, Selbst-Heilung, Selbst-Schutz und Selbst-Optimierung integrieren. Obwohl der Bereich der verteilten System-Verwaltung erhebliche Fortschritte erzielt hat, sind die Lösungen für heterogene Komponenten-basierte Management-Systeme von fünf großen Herausforderungen gekennzeichnet. Zunächst wird der Komponenten-Einsatz und die Verwaltung schwierig mit dem Wachstum des Systems; ein Grund dafür ist die Vielzahl von Komponenten- Modellen, die ihre eigenen Besonderheiten haben. Ein zweiter Punkt ist, dass jedes Komponenten- basierte Framework über seine eigenen Abläufe und seine eigenen Schnittstellen verfügt, was zu zusätzlicher Redundanz und Vielfalt von Management-Routinen führt. Drittens werden Software-Komponenten weiterentwickelt, und erzeugen so Probleme mit der Kompatibilität beim System-Update. Besonders verteilte Abhängigkeiten, die schwer zu beheben sind können nach einem System-Update zu unvorhersehbaren Inkonsistenzen führen. Schließlich beeinflusst die Integration eines Management-Sub-Systems die Gesamt-Komplexität des Systems, so dass eine starke Abhängigkeit von den Schnittstellen und von den Funktionen des Management-Moduls erzeugt wird.

Diese Dissertation stellt einen Architektur-Ansatz vor, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Ein organisatorisches Meta-Modell stellt die Architektur -Anforderungen für die Kapselung von Software-Komponenten bereit und definiert angepasste Feedback-Schleifen, die das Viable Systems Model für Software-Komponenten realisieren. Es ermöglicht die Modellierung von komplexen Strukturen und Kommunikationswegen auf der Ebene der Komponenten Implementierung und der Runtime-Operationen.

Die Management Architektur besteht aus Modulen, die die Analyse von Komponenten erleichtern und aus einem Operation-Manager, der verteilte Abhängigkeiten durch den Einsatz der verwalteten Kommunikationskanäle (Managed Communcation Channels) kontrolliert. Eine Channel-Management-Middleware implementiert die notwendige Funktionalität für die Einrichtung von Kommunikationskanälen und bietet Schnittstellen für die Integration von Autonomen Managern, die die Anforderungen des Organisations- und des Kommunikations-Modells erfüllen.

Ein Prototyp der Middleware wurde entwickelt, um das Konzept für die Real-World-Szenarien in zwei getrennten Bereichen zu demonstrieren - Smart Home und verteilte Produkt-Entwicklung. Hierdurch wurde die Nutzbarkeit der entwickelten Architektur demonstriert, wobei die speziellen Herausforderungen und Management-Anforderungen dieser Bereiche erfüllt werden.