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Open Access
Availability analysis of redundant and replicated cloud services with Bayesian networks
(2023) Bibartiu, Otto; Dürr, Frank; Rothermel, Kurt; Ottenwälder, Beate; Grau, Andreas
Due to the growing complexity of modern data centers, failures are not uncommon any more. Therefore, fault tolerance mechanisms play a vital role in fulfilling the availability requirements. Multiple availability models have been proposed to assess compute systems, among which Bayesian network models have gained popularity in industry and research due to its powerful modeling formalism. In particular, this work focuses on assessing the availability of redundant and replicated cloud computing services with Bayesian networks. So far, research on availability has only focused on modeling either infrastructure or communication failures in Bayesian networks, but have not considered both simultaneously. This work addresses practical modeling challenges of assessing the availability of large‐scale redundant and replicated services with Bayesian networks, including cascading and common‐cause failures from the surrounding infrastructure and communication network. In order to ease the modeling task, this paper introduces a high‐level modeling formalism to build such a Bayesian network automatically. Performance evaluations demonstrate the feasibility of the presented Bayesian network approach to assess the availability of large‐scale redundant and replicated services. This model is not only applicable in the domain of cloud computing it can also be applied for general cases of local and geo‐distributed systems.
Open Access
Geographische Kommunikationsmechanismen auf Basis von feingranularen räumlichen Umgebungsmodellen
(2010) Dürr, Frank; Rothermel, Kurt (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
Die immer weiter zunehmende Verbreitung von leistungsfähigen mobilen Kommunikationstechnologien und Positionierungssystemen ermöglicht die Realisierung neuartiger geographischer Kommunikationsmechanismen (kurz Geocast). Mit Hilfe von Geocast können Nachrichten an alle Endgeräte in einem bestimmten geographischen Zielgebiet gesendet werden, d.h. die Gruppe der Empfänger wird durch ihren geographischen Aufenthaltsort definiert. Die Anwendungen von Geocast sind vielfältig. So können mit Hilfe von Geocast zum Beispiel Stauinformationen gezielt an alle Fahrzeuge auf einem bestimmten Straßenabschnitt verteilt werden, Touristen können über Sehenswürdigkeiten in ihrer Umgebung informiert werden, oder es können Warnmeldungen oder ortsbezogene Werbeinformationen in bestimmten räumlichen Gebieten verteilt werden. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen Geocast-Verfahren, welche die feingranulare ortsbezogene Verteilung von Nachrichten erlauben. Die Hauptbeiträge dieser Arbeit sind zum einen ein feingranulares Lokationsmodell und Adressierungskonzept für Geocast, welche sowohl die Bestimmung und Adressierung von Lokationen durch geometrische Figuren als auch durch symbolische Bezeichner wie Raum- oder Stockwerksnummern ermöglichen. Die Hauptaufgaben des Modells sind neben der Definition der Zielgebiete von Nachrichten und der Empfängerpositionen der Vergleich von Zielgebieten und Empfängerpositionen zur Definition der Empfängermenge. Zum anderen werden skalierbare Geocast-Protokolle für die effiziente Verteilung von Nachrichten vorgeschlagen, welche die notwendige Skalierbarkeit sowohl für die Unterstützung einer großen Anzahl an Lokationen als auch großer Empfängermengen aufweisen. Das vorgeschlagene Lokationsmodell verwendet ein hybrides Modellierungskonzept, das es ermöglicht, Lokationen sowohl mit symbolischen Bezeichnern als auch geometrischen Beschreibungen zu versehen. Geometrien können dabei sowohl durch zweidimensionale als 2,5-dimensional Figuren modelliert werden. Der symbolisch Teil des Modells basiert auf einer Hierarchie von Lokationen entsprechend der räumlichen Inklusionsbeziehung. Zusätzlich werden strukturelle Regeln für den Aufbau der symbolische Hierarchie eingeführt, die schließlich zu einem verbandsbasierten Modell führen, das im Gegensatz zu einfachen hierarchischen Modellen auch die Möglichkeit zur Definition überlappender Lokationen bietet. Ferner wird die Integration lokaler Lokationsmodelle unterstützt, welche gleichzeitig zur Definition mobiler Zielgebiete, z.B. eines bestimmten Wagens eines Zuges, verwendet werden. Durch die Unterstützung sowohl geometrischer als auch symbolischer Beschreibungen sind spezielle Konzepte zum Vergleich von Zielgebieten und Empfängerpositionen erforderlich. Das vorgeschlagene Modell ordnet hierzu symbolischen Lokationen geometrische Ausdehnungen zu, wobei auch die Approximierung symbolischer Lokationen durch unscharfe Lokationsangaben unterstützt wird. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich Ansätzen zur Vermittlung symbolisch adressierter Geocast-Nachrichten. Hier betrachtet die Arbeit zwei grundsätzliche Ansätze: Einen verzeichnisbasierten Ansatz und die Vermittlung von Nachrichten in einem der Internet-Infrastruktur überlagerten Overlay-Netz. Der verzeichnisbasierte Ansatz bildet zunächst die symbolische Geocast-Adresse auf eine Menge von IP-Adressen ab, welche in einem zweiten Schritt für die Vermittlung genutzt werden. Im zweiten Schritt können die Nachrichten sowohl per IP-Unicast als auch IP-Multicast zugestellt werden. Insbesondere bei größeren Empfängergruppen bietet sich IP-Multicast für die effiziente Vermittlung an. Allerdings stellt Geocast aufgrund der großen Anzahl an notwendigen Multicast-Gruppen für ein feingranulares globales Lokationsmodell entsprechende Anforderungen an die verwendeten Multicast-Protokolle. Es wird daher die Verwendung von explizitem Multicast (Xcast) vorgeschlagen, das sich insbesondere für eine große Anzahl von Gruppen kleiner bis mittlerer Größe eignet. Die vorgeschlagenen Geocast-Overlay-Netze bestehen aus einer Menge von Geocast-Routern, welche symbolische Adressen interpretieren und daraus die nächsten Router auf dem Weg ins Zielgebiet bestimmen können. Die Grundidee ist dabei die Abbildung des hierarchischen symbolischen Lokationsmodells auf eine entsprechende hierarchische Overlay-Netzstruktur. Entsprechend der vorgeschlagenen Lokationsmodelle wurde ein baumförmiges und eine verbandsbasiertes Geocast-Overlay-Netz entworfen, einschließlich der notwendigen Mechanismen zur Verwaltung (Hinzufügen/Entfernen von Geocast-Routern, Behandlung von Router-Fehlern) der Netze. Als Optimierung der grundsätzlich hierarchischen Netzstrukturen wurden verschiedene Strategien zur Ergänzung der hierarchischen Netze durch zusätzliche Direktverbindungen entworfen. In der Evaluierung wurde die Effizienz der vorgeschlagenen Ansätze z.B. hinsichtlich der erzielten Nachrichtenpfadlänge nachgewiesen.
Open Access
A network abstraction for control systems
(2014) Carabelli, Ben W.; Dürr, Frank; Koldehofe, Boris; Rothermel, Kurt
Networked control systems (NCS), such as the smart power grid, implement feedback control loops by connecting distributed sensors and actuators to a remote controller over a communication network. In order to avoid the costly and time-consuming installation of dedicated networks, NCS can benefit from utilizing readily available IP networks such as the Internet. However, as control systems are typically sensitive to delay and loss, the integration of such systems over best-effort networks becomes a challenge, which we address in this paper with two main contributions. First, we propose an end-to-end transport abstraction for NCS based on a novel probabilistic quality of service specification which (1) is compatible with existing control models and (2) provides the network with application-specific knowledge about the relation between system performance and network-relevant metrics. Second, we realize this abstraction at the network layer with an optimal routing algorithm, which fulfils the required QoS while minimizing the usage of network resources. We show that our approach lends itself to the implementation with state-of-the-art software-defined networking (SDN) technologies, and demonstrate its effectiveness in our evaluation.