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Consistent data replication in mobile ad hoc networks
(2007) Hähner, Jörg; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)
Mobile ad-hoc networks (MANETs) are used in situations where networks need to be deployed immediately but no network infrastructure is available. If MANET nodes have sensing capabilities, they can capture and communicate the state of their surroundings, including environmental conditions or objects in their proximity. If the sensed state information is propagated to a database to build a consistent model of the real world, a variety of promising context aware applications becomes possible. The models and concepts proposed in this dissertation can be applied to cooperatively maintain a model of the state of physical world objects on devices in MANETs. State information may be updated by independent observers either sequentially or concurrently. Applications that read the state of any object from the model multiple times can rely on the guarantee that every successive read operation will read either the same state information or newer state information that has been reported by an observer after the previously read information. The first contribution of this dissertation formalizes these requirements and defines a novel consistency model called update-linearizability. Secondly, it introduces a new class of data replication algorithms that provably guarantees update-linearizability in MANETs without using synchronized clocks on any pair of nodes in the system. The presented algorithms allow executing read and write operations at any time, which provides high availability of data. These properties are even maintained in networks that are temporarily partitioned and where nodes are highly mobile. Finally the dissertation provides a proof that all replicas held in the system eventually converge towards the most recent state information of the physical world objects which they represent.
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A cross-layer framework for sensor networks
(2008) Lachenmann, Andreas; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)
Cross-layer interactions are often used in wireless sensor networks. They help to optimize energy consumption, deal with memory limitations, and consider the special properties of wireless communication. However, cross-layer interactions have the disadvantage of negatively affecting desirable properties of the software design like modularity and reusability. In the extreme, applications consist of a monolithic piece of code that is hard to develop and impossible to maintain. Therefore, this thesis investigates different approaches to address the negative side-effects of cross-layer interactions. In particular, it develops a framework that pursues three different strategies. First, it tries to preserve modularity and increase reusability by decoupling components that exchange data. This strategy is realized by TinyXXL, a programming abstraction for cross-layer data exchange. This part of the framework has been created based on an analysis of cross-layer interactions in existing applications. With some compile-time optimizations TinyXXL can reduce both energy and memory consumption compared to an application built from reusable components. Using Neidas, a novel neighborhood data sharing algorithm, it offers a comprehensive system for data exchange among the layers of a single node and with neighboring nodes. Second, the framework relaxes one of the constraints that often lead to cross-layer interactions and, thus, reduces the need to apply them. Specifically, it includes ViMem, a flash-based virtual memory system that helps to reduce memory limitations and tries to optimize the memory layout. Finally, the third strategy is to partially move energy concerns into the system software. For this purpose the framework includes Levels, an abstraction to specify optional functionality which allows to accurately meet a user-defined lifetime goal. If necessary, Levels deactivates functionality in order to reach that target lifetime. Furthermore, it includes a distributed algorithm that helps to provide a constant application quality over the total network lifetime.
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Efficient query distribution and positioning in public sensing systems
(2015) Baier, Patrick; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)
Within the last few years mobile phones have evolved from traditional communication devices to powerful computational platforms that are equipped with a variety of sensors. For instance, a modern phone comes with a barometer, a light sensor, a magnetic field sensor and a microphone. These sensors turn mobile phones into powerful networked sensor platforms that can be used for capturing sensor data. The captured data can be aggregated and analyzed to monitor environmental phenomena such as noise pollution, for instance. Using mobile phones for sensing is termed in the literature as Public Sensing (PS) and has recently attracted increasing interest in the research community. One big challenge of PS is the high energy consumption that it imposes on mobile devices. Running a PS system can quickly drain the battery of a device, which is a major concern that prevents people from participating in PS. To tackle this issue, this thesis provides energy efficiency algorithms for two of the most energy-intensive operations in PS. First, it introduces a novel query distribution approach that significantly reduces the communication energy of a device when receiving queries for sensor data from the infrastructure. This approach limits the set of devices that receive a sensing query, in contrast to existing approaches, which distribute queries to all available devices. As part of this contribution, a novel position update protocol is presented that increases the efficiency of existing protocols by sending updates opportunistically together with other messages. Secondly, this thesis presents an efficient position sensing approach that controls the positioning system of a mobile device such that the energy for positioning is minimized. While existing PS systems assume that a device’s positioning system is always-on, this approach temporarily disables the positioning system of a device without reducing its sensing effectiveness.
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Erweiterbarkeit multimedialer Dokumentensysteme zur dynamischen Anpassung an anwendungsspezifische Anforderungen
(2004) Hauser, Jürgen; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)
Multimedia-Präsentationen stellen hohe technische und programmiersprachliche Anforderungen an ihren Ersteller. Grundlage multimedialer Präsentationen sind so genannte Multimedia-Dokumente. Durch die Verwendung von Multimedia-Dokumenten kann der Erstellungsprozess definiert und strukturiert werden. Multimedia-Präsentationen sind durch ihre Zeitabhängigkeit und die Interaktionsmöglichkeiten, die den Verlauf der Präsentation beeinflussen, gekennzeichnet. Damit unterscheiden sie sich grundlegend von textuellen oder statischen Dokumenten. Die Weitergabe von statischen Dokumenten erfolgt nach einer Ausgabe über den Drucker im Allgemeinen in Papierform. Multimedia-Dokumente werden dem Benutzer immer auf einem Rechner präsentiert. Die Zeitabhängigkeit von Multimedia-Präsentationen wurde bereits in vielen wissenschaftlichen Publikationen behandelt. Die vorliegende Abhandlung widmet sich daher hauptsächlich den Interaktionsmöglichkeiten. Beim näheren Betrachten der Interaktion ist zu erkennen, dass sie vom jeweiligen Anwendungsgebiet, in dem das Multimedia-Dokument eingesetzt werden soll, abhängt. Neben der Interaktion selbst ist die Reaktion der Präsentation auf Interaktionen von Bedeutung. Letztendlich unterscheiden sich die Anwendungsgebiete in der Interaktionsform und den Reaktionen der Präsentation. Diese Unterschiede sollten in der Spezifikationssprache für Multimedia-Dokumente sichtbar sein. In der Literatur gibt es zwei unterschiedliche Ansätze für Spezifikationssprachen. Der erste Ansatz sind generische Sprachen. Sie führen zu einem hohen Aufwand bei der Erstellung, da sie anwendungsunabhängig sind und damit den Autor nicht unterstützen. Anwendungsspezifische Spezifikationssprachen legen sich auf ein Anwendungsgebiet fest. Neue Anwendungsgebiete erfordern eine Neuentwicklung und bedeuten eine neue Benutzungsschnittstelle für den Autor. Viele unterschiedliche Systeme und Speicherformate erhöhen den Verwaltungsaufwand und erschweren die Weiterverarbeitung der Dokumente, beispielsweise in bibliographischen Nachweissystemen. In dieser Abhandlung wird ein erweiterbarer Ansatz vorgestellt. Für den erweiterbaren Ansatz wird ein Meta-Dokumentenmodell entwickelt, das die Eigenschaften der Spezifikationssprachen zusammenfasst, die unabhängig vom Anwendungsgebiet sind. Für konkrete Anwendungsgebiete werden Spezifikationssprachen als Instanz dieses Meta-Dokumentenmodells zur Verfügung gestellt. Die Erweiterbarkeit des Ansatzes bedeutet, dass sowohl in einem Autorenwerkzeug als auch im zugehörigen Präsentationssystem die Unterstützung für ein neues Anwendungsgebiet nachträglich hinzugefügt werden kann. Die Implementierung einer Spezifikationssprache, als Erweiterung des Präsentationssystems, soll mit einem möglichst geringem Aufwand verbunden sein. Dazu wird eine modulare Architektur für ein erweiterbares Präsentationssystem vorgeschlagen. Für die Präsentation eines Dokuments müssen alle benötigten Erweiterungen dynamisch zur Laufzeit in die Architektur eingefügt werden. Idealerweise erfolgt dies ohne Zutun des Autors oder Benutzers automatisch durch das Präsentationssystem. Damit beschreibt das Transferformat für Dokumente, das ebenfalls die Erweiterbarkeit unterstützen muss, nicht nur die Struktur der Dokumente, sondern auch die Konfiguration des Präsentationssystems zur Präsentationszeit. Neben der Entwicklung des Meta-Dokumentenmodells und des erweiterbaren Präsentationssystems wird ein ebenfalls dynamisch erweiterbares Autorenwerkzeug konzipiert. Die Erweiterbarkeit des Ansatzes soll im Autorenwerkzeug minimale Auswirkungen auf die Benutzungsschnittstelle haben. Aus diesem Grund greift die Benutzungsschnittstelle zur Erstellung von Multimedia-Dokumenten nur auf Eigenschaften des Meta-Dokumentenmodells zurück. Neben der Erweiterbarkeit werden Konzepte zur Vereinfachung des Spezifikationsprozesses untersucht.
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Die geregelte logische Uhr, eine globale Uhr für die tracebasierte Überwachung paralleler Anwendungen
(2000) Rabenseifner, Rolf; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)
Das Aufzeichnen und Darstellen des Programmflusses sowie des Nachrichtenaustauschs paralleler Anwendungen ist schwierig, wenn jeder Prozessor eine eigene Uhr besitzt, und diese Uhren nicht synchronisiert sind. Mehrere Strategien zur Bildung einer globalen Uhrzeit werden in einem Überblick dargestellt, und die Grenzen werden aufgezeigt. Die geregelte logische Uhr, eine neue Methode auf der Basis von Lamports logischer Uhr, wird vorgestellt. Ungenaue Zeitstempel aus Tracefiles werden derart modifiziert, daß sie die Uhrenbedingung erfüllen, d.h. daß der Empfang einer Nachricht einen späteren Zeitstempel als das zugehörige Sendeereignis besitzt. Mit dem Regler wird das Maximum aller lokalen Prozessoruhren als Basis für eine globale Zeit angenähert. Die korrigierten Zeitstempel ermöglichen Leistungsmessungen, bei denen die Ereignisse in verschiedenen Prozessen liegen. Eine stückweise lineare rückwärtige Amortisation der Uhrenkorrekturen garantiert, daß die Fehler bei Messungen von Zeitintervallen zwischen Ereignissen im selben Prozeß minimal sind. Bei der Erstellung eines Tracefiles ist kein zusätzlicher Protokollaufwand nötig. Die geregelte logische Uhr kann als Filter für Tracefiles implementiert werden. Sie kann aber auch in Monitor- und Debuggingwerkzeuge integriert werden.
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Reducing context uncertainty for robust pervasive workflows
(2015) Wolf, Hannes; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)
Mobile computing devices equipped with sensors are ubiquitously available, today. These platforms provide readings of a multitude of different sensor modalities with fairly high accuracy. But the lack of associated application knowledge restrains the possibility to combine this sensor information to accurate high-level context information. This information is required to drive the execution of applications, without the need for obtrusive explicit human interaction. A modeled workflow as formal representation of a (business) process can provide structural information on the application. This is especially the case for processes that cover applications with rich human interaction. Processes in the health-care domain are characterized by coarsely predefined recurring procedures that are adapted flexibly by the personnel to suite specific situations and rich human interaction. In this setting, a workflow managment system that gives guidance and documents staff actions can lead to a higher quality of care, fewer mistakes, and a higher efficiency. However, most existing workflow managment systems enforce rigid inflexible workflows and rely on direct manual input. Both is inadequate for health-care processes. The solution could be activity recognition systems that use sensor data (e. g. from smart phones) to infer the current activities by the personnel and provide input to a workflow (e.g. informing it that a certain activity is finished now). However, state of the art activity recognition technologies have difficulties in providing reliable information. In this thesis we show that a workflow can aid as source of structural application knowledge for activity recognition and that the other way around, a workflow can be driven by context information in a way reducing the need for explicit interaction. We describe a comprehensive framework - FlowPal - tailored for flexible human-centric processes, that improves the reliability of activity recognition data. FlowPals set of mechanisms exploits the application knowledge encoded in workflows in two ways. StarConincreases the accuracy of high-level context events using information from an associated workflow. Fuzzy Event Assignment (FEvA) mitigates errors in sequences of recognized context. This way FlowPal enables unobtrusive robust workflows. We evaluate our work based on a real-world case study situated in the health-care domain and show that the robustness of unobtrusive health-care workflows can be increased. With StarCon we can improve the accuracy of recognized context events up to 56%. Further we enable the successful execution of flows for a uncertain context events large range of uncertain context events, where a reference system fails. Overall, we achieve an absolute flow completion rate of about 91% (compared to only 12% with a classical workflow system). Our experiments also show that FEvA achieves an event assignment accuracy of 78% to 97% and improves the performance of dealing with false positive, out-of-order events and missed context events.
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Reduktion von Verzögerungsunterschieden bei der Gruppenkommunikation im Internet
(2007) Klöcking, Jens-Uwe; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)
Eine Vielzahl neuer Anwendungsgebiete des Internets basiert auf der effizienten Übertragung einer Nachricht an eine Gruppe von Empfängern, der so genannten Gruppenkommunikation. Beispiele für derartige Anwendungen sind Nachrichten- und Softwareverteilung, verteilte Berechnungen, Videokonferenzen, Fernunterricht sowie Spiele. Die Netzwerkressourcen werden durch Gruppenkommunikation sehr effizient genutzt, denn das einmalige Senden einer Nachricht reicht aus, um von allen Teilnehmern einer Gruppe empfangen zu werden. Einige Einschränkungen der Dienstqualität derzeitiger Gruppenkommunikationslösungen im Internet behindern jedoch ihre generelle Nutzung. Hiervon betroffen ist unter anderem die Fairness bezüglich der Verzögerung der Nachrichtenauslieferung. Dieser spezielle Parameter der Gruppenkommunikation bezeichnet die Zeitspanne zwischen dem ersten und letzten Eintreffen einer Nachricht bei einer Gruppe von Empfängern. Messungen mittels eines dafür entwickelten passiven Verfahrens zeigen für einige Anwendungen nicht tolerierbare Verzögerungsunterschiede auf. Das Ziel der Arbeit besteht darin, die Verzögerungsunterschiede zu minimieren, um einen fairen Dienst für nicht kooperative Anwendungen der Gruppenkommunikation im Internet, wie z. B. Informationsdienste und elektronische Märkte bereitzustellen. Zur Lösung des Problems wurden drei Ansätze erarbeitet. Durch den Einsatz von Servern konnten Verzögerungsunterschiede der Nachrichten ausgeglichen werden. Die in der Anwendungsschicht angesiedelten Ansätze stellen keine besonderen Anforderungen an die Netzkomponenten und können daher schrittweise eingeführt werden. Darüber hinaus berücksichtigen sie die aktuelle Netzwerklast und sind so in der Lage, die Gesamtverzögerung der Nachrichtenauslieferung gering zu halten. In einem der Ansätze überwacht sichere Hardware in Form von Smart Cards direkt bei den Empfängern den Auslieferungszeitpunkt der Nachrichten. Hierfür wurden drei Protokolle entwickelt, die die Synchronisation der Smart-Card-Uhren, die Auslieferung der Daten und eine Rückmeldung der tatsächlichen Verzögerung ermöglichen. Mittels Analyse und Simulationen wurde eine signifikante Reduktion der Verzögerungsunterschiede der Nachrichten zwischen den Empfängern nachgewiesen. Ein Prototyp wurde implementiert, um die mit gegenwärtiger Smart-Card-Hardware erreichbare Reduktion von Verzögerungsunterschieden zu ermitteln und die Tragfähigkeit des Ansatzes zu demonstrieren.
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Ressourcenreservierung und Task-Plazierung in verteilten Multimedia-Systemen
(1999) Dermler, Gabriel; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)
In dieser Arbeit werden grundlegende Aspekte der Dienstgüteerbringung für verteilte Multimedia-Anwendungen untersucht. Aufbauend auf einer Anwendungsmodellierung in Form von Flußgraphen, die aus Verarbeitungskomponenten zusammengesetzt werden, sowie einer Dienstgütearchitektur, die Dienstgütebegriffe auf der Anwendungs- und der Systemebene unterscheidet, werden Konzepte und Lösungen erarbeitet, die eine garantierte und optimierte Bereitstellung von Dienstgüte ermöglichen. Einen Schwerpunkt bilden Protokolle zur Reservierung von Ressourcen, die auf komplexe Flußgraphen anwendbar sind. Die Protokolle erlauben individuelle Dienstgütevorgaben an den Senken eines Flußgraphen und berücksichtigen die Verfügbarkeit von Rechner- und Netzwerkressourcen sowie funktionale Einschränkungen, die durch das Design der Komponenten definiert sind. Ferner sind sie unabhängig von der Verteilung der Komponenten auf Rechnern eines verteilten Systems anwendbar und in der Lage Dienstgütegarantien sicherzustellen. Als ein zweiter Schwerpunkt werden Mechanismen zur Plazierung von Anwendungskomponenten vorgestellt, die eine optimale Ausnutzung von Ressourcen in einem verteilten System sicherstellen. Hierzu werden Algorithmen zur Berechnung günstiger Plazierungen entwickelt und bewertet. Ferner wird ein Protokoll vorgestellt, welches zur Instanziierung eines Flußgraphen verwendet werden kann. Auf der Grundlage der vorgestellten Konzepte wird die Beziehung zwischen der Plazierung eines Flußgraphen sowie der erforderlichen Ressourcenreservierung dargestellt.
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Sicherheit in Mobile-Agenten-Systemen
(2001) Hohl, Fritz; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)
Mobile Agenten sind Programminstanzen, die in der Lage sind, sich selbstständig zwischen verschiedenen, eventuell fremden, Ausführungsumgebungen zu bewegen und, unter Ausnutzung lokaler Ressourcen, Aufgaben zu erfüllen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage der Sicherheit zwischen mobilen Agenten und deren Ausführungsumgebungen. Die Aufgabenstellung umfasst zwei Teilbereiche. Im Bereich des Schutzes der Ausführungsumgebung vor Angriffen durch mobile Agenten werden die möglichen Angriffe und die existierenden Lösungsansätze vorgestellt. Der zweite Teilbereich umfasst den Schutz mobiler Agenten vor Angriffen durch ihre Ausführungsumgebung. Hier werden ebenfalls zunächst die möglichen Angriffe geschildert. Weiter wird ein Modell der Wirtsmaschine und des Angreifers erarbeitet, das es erlaubt, die möglichen Angriffe zu illustrieren. Unter Benutzung einer neuen Kategorisierung werden dann verwandte Arbeiten erläutert. Im Bereich des Schutzes vor einzelnen Angriffen werden existierende Verfahren untersucht, die bestimmte Angriffe gegen einen mobilen Agenten durch Vergleich mit Referenzzuständen entdecken können. Durch eine Kombination dieser Verfahren wird dann ein neues Verfahren entwickelt sowie diskutiert. Um mobile Agenten vor allen Angriffen zu schützen, wird danach das Gesamtproblem des Schutzes mobiler Agenten auf ein kleineres Problem reduziert indem die sog. Blackbox-Eigenschaft mobiler Agenten angenommen wird. Darauf folgend werden zwei Verfahrensklassen beschrieben, die diese Eigenschaft gewährleisten sollen. Für die Klasse der nicht-interaktiven Auswertung von verschlüsselten Funktionen werden drei existierende Mechanismen beschrieben. Um einen Nachteil der existierenden Verfahrensklasse zu überwinden, wird dann eine neue Verfahrensklasse vorgestellt, die aber eine Zeitbeschränkung des erzielten Schutzes aufweist. Abschließend wird ein neues Protokoll beschrieben, das den sog. Blackbox-Test verhindert.
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Utilizing networked mobile devices for scientific simulations
(2020) Dibak, Christoph; Rothermel, Kurt (Prof. Dr.)
Numerical simulations on mobile devices create new applications supporting engineers and scientists in the field. Boosted by novel augmented reality devices, in-field analysis of complex systems allow engineers to make better decisions and predict the behavior of such systems by assuming different parameters before making risky and costly decisions. Mobile simulations are challenging as battery-powered mobile devices are only equipped with slow processors and are limited in energy resources. At the same time, mobile devices are only connected via wireless communication subjected to environmental conditions that might cause slow bandwidths or even disconnections to remote computing resources. Nevertheless, concepts presented in this thesis assume a distributed computation between mobile device and a powerful remote server. This thesis covers three major areas of the research field of mobile simulations. First, it provides concepts for distributed execution between server and mobile device in case of frequent disconnections. Second, it provides concepts using computationally less complex surrogate models for faster computation on the mobile device while still utilizing remote resources. Third, it provides concepts utilizing model order reduction for fast execution on mobile devices by pre-computing and adaptation of reduced models on a connected server. Evaluations show that concepts presented in this thesis significantly increase the performance of mobile simulations. In the case of disconnections, the number of deadline misses is reduced by 61 % while reducing the energy consumption by more than 74 % compared to a simplified approach. Concepts utilizing surrogate models speed-up the computation of the simulation by a factor of 6.5. Lastly, concepts utilizing model order reduction reduce the time for the computation of simulation results by a factor of 131 while using 73 times less energy for the specific test application.