Verarbeitung ortsbezogener Anfragen in lose gekoppelten, föderierten Systemen : Konzeption, Realisierung, Bewertung

Abstract

Ortsbezogene Anwendungen nutzen die geographische Position des Benutzers, um ihm darauf maßgeschneiderte Informationen anzuzeigen. Sie gelangen an diese Informationen mittels ortsbezogener Anfragen, die sie an einen Datenanbieter stellen. In dieser Arbeit tritt an die Stelle eines einzelnen Datenanbieters nun eine Integrationsmiddleware, welche die räumlichen Daten und die Kontextdaten vieler einzelner Datenanbieter föderiert, so dass daraus ein einziges umfassendes Modell der Umgebung des Benutzers entsteht. Die Verteilung der Daten auf viele Datenanbieter bleibt dabei für die Anwendungen transparent, so dass für die Anwendungen der Eindruck bestehen bleibt, als kämen die Daten von einem einzelnen Datenanbieter. Dadurch können flexibel und effizient verschiedenste ortsbezogene Anwendungen unterstützt werden. Ebenso können Anwendungen von neuen Datenanbietern profitieren ohne dass sie angepasst werden müssen. Die Datenanbieter sind dabei lose gekoppelt, das heißt, sie sind autonom und können sich nach Belieben in das Gesamtsystem ein- und ausklinken. Ein Datenanbieter geht keine Verpflichtung ein, Daten liefern zu müssen. Auch können Datenanbieter ihre eigenen Daten jederzeit aktualisieren oder ergänzen.

Diese Arbeit entstand im Rahmen der Forschergruppe Nexus und des Sonderforschungsbereichs 627 "Umgebungsmodelle für mobile, kontextbezogene Systeme", wobei sich die vorliegende Arbeit auf die Konzeption und Umsetzung der Integrationsmiddleware des Nexus-Systems konzentriert. Die wichtigste Charakteristik ist dabei die Offenheit des Systems für neue Daten und Datenanbieter.

Die Arbeit untersucht dabei zum einen, wie eine solche Integrationsmiddleware in einem solchen Umfeld prinzipiell funktioniert, und wie dabei die Besonderheiten der Anwendungsdomäne zu deren Vereinfachung ausgenutzt werden können. Zum anderen werden Techniken entwickelt, welche die Charakteristika der Anwendungsdomäne der ortsbezogenen Anwendungen ausnutzen, um die Effizienz der Integrationsmiddleware zu steigern.

Die Basisarchitektur der Integrationsmiddleware setzt sich aus einer Föderationskomponente und einem Verzeichnisdienst zusammen. Die Föderationskomponente hat dabei die selbe Schnittstelle wie die Datenanbieter, wodurch sich Gebietsanfragen recht einfach verarbeiten lassen. Die automatische Koordinatentransformation kann Geodaten, die in unterschiedlichen Koordinatensystemen vorliegen, beispielsweise weil sie von verschiedenen Datenanbietern stammen, automatisch in ein adäquates gemeinsames Koordinatensystem umrechnen, so dass diese gemeinsam verarbeitet und verglichen werden können. Die Verteilung der Daten auf mehrere Anbieter und deren Zusammenführung in der Integrationsmiddleware verursacht das Phänomen der Mehrfachrepräsentationen, weshalb das Datenmodell Mehrfachattribute unterstützen muss. Die dadurch herbeigeführte Komplexitätssteigerung muss entsprechend in der formalen Definition der Anfragesemantik berücksichtigt werden und führt zu vier paarweise dualen Semantikvarianten.

Des Weiteren werden einige Konzepte vorgestellt, um mittels der Charakteristika der Anwendungsdomäne die Effizienz der Anfrageverarbeitung zu steigern. Um die Vollständigkeit und Korrektheit von Anfrageergebnissen, die Mehrfachrepräsentationen enthalten, garantieren zu können, müssen diese zwingend mit speziellen Relationenobjekten verknüpft sein, damit der hierzu entworfene Algorithmus die Einzelteile bei der Behandlung von Mehrfachrepräsentationen zusammentragen kann. Gegenüber der Garantie freien Verarbeitung von Anfragen können hierbei zusätzliche Interaktionen mit den Datenanbietern notwendig werden.

Der Ortsbezug der Daten und Anfragen wird bei der Verarbeitung föderierter Nachbarschaftsanfragen ausgenutzt. Durch eine iterative Vorgehensweise und eine geschickte Wahl der parallel angefragten Datenanbieter können sowohl die Antwortzeit als auch der Aufwand optimiert werden.

Bei der orts- und typbezogenen Anfrageverarbeitung werden bekannte Indexverfahren geschickt konfiguriert, um eine kombinierte Indexstruktur in den räumlichen Dimensionen und der Typdimension zu erhalten, um so die typischen Anfragen noch effizienter verarbeiten zu können.

Schließlich werden Mechanismen entwickelt, um beliebige domänenspezifische Funktionalitäten in die Anfrageverarbeitung integrieren zu können. Die funktionalitäten können dort zum einen vom direkten Zugriff auf das Umgebungsmodell profitieren. Zum anderen schafft dies die Voraussetzungen, um deren Ergebnisse für andere Anwendungen oder Benutzer wiederverwenden zu können.

Insgesamt werden in dieser Arbeit die Grundprobleme gelöst, wie sich verteilte Umgebungsmodelle lose gekoppelter Datenanbieter föderieren lassen, wie ortsbezogene Anfragen in einem solchen Umfeld verarbeitet werden können, und wie sich der Kontextbezug und weitere Spezifika der Anwendungsdomäne zur Steigerung der Leistung und Effizienz ausnutzen lassen.

Location-based applications leverage the user's position in order to tailor the presented information to his current location. Those applications retrieve such information by issuing spatial queries to a data provider. In this thesis, we replace the single data provider by an integration middleware that federates the spatial data and the context data of many data providers leading to a single, extensive model of the user's environment. The distribution of the data across several data providers remains transparent for the applications, so that they still perceive the data to originate from a single data provider. The data providers are loosely coupled, meaning that they remain autonomous and that they may enter and leave the federation whenever they like. A data provider has no obligation to supply any data, but it has the opportunity to update or supplement its own data at any time. The core integration concept is a common, global data model, which targets the entire application domain and not just a single application. This allows to support very different location-based applications in a flexible and efficient way, and encourages data reuse by diverse applications. Also, applications may profit from new data providers without having to be modified.

The contents of this thesis has been developed in the context of the research group Nexus and the center of excellence 627 "context models for mobile, context-aware systems". This thesis focuses on the concepts and implementation of the Nexus systems's integration middleware. The system's most important characteristic is its openness for new data and new data providers.

In this thesis, we investigate the architectural basics of such an integration middleware for the above described scenario and stress the simplifications that arise by leveraging the specifics of the application domain. Furthermore, we develop techniques that increase the integration middleware's efficiency by considering the characteristics of the application domain of location-based applications.

The integration middleware's basic architecture comprises a federation component and a discovery service. The federation component features the same interface as the data providers. Hence, the query engine for processing spatial queries can be very simple and forward the queries to the relevant providers obtained from the discovery service. The integration of the returned results can be as simple as concatenating the individual results and merging the data corresponding to the same real world entity. The distribution of the data across several data providers and the merging of this data in the integration middleware leads to the phenomenon of multiple representations. Therefore, the data model needs to support multi attributes. At the same time, this increases the complexity of data processing, which has to be reflected in the formal definitions of the query semantics and which leads to four pairwise complementary variants of the query semantics.

Furthermore, we present concepts to make query processing more efficient by leveraging the characteristics of the application domain. In order to ensure the completeness and correctness of query results containing multiple representations, those multiple representations need to be linked by special relationship objects. This allows the proposed query processing algorithm to collect all distributed parts of a multiple representation. Compared to a best effort processing approach that does not guarantee anything, additional interactions with data providers may become necessary.

We exploit the location-awareness of data and queries when processing federated nearest neighbor queries. By using an iterative approach and by cleverly determining the set of data providers addressed in parallel in each iteration we optimize response time and effort at the same time.

We have developed a location and type-aware query processing engine that cleverly configures well known indexing approaches in order to obtain an index structure that combines the spatial and type dimension. This allows to process typical queries more efficiently.

Finally we have developed mechanisms that allow to integrate arbitrary domain-specific functionality into the query engine. Such functionality has the advantage of being able to directly access the context model. Additionally, the integration into the query engine is a prerequisite for reusing intermediate results for other users or applications.

To put it in a nutshell, this thesis addresses the basic problems of federating distributed context models of loosely coupled data providers, of processing location-based queries in such an environment, and of exploiting context information and other specifics of the application domain for increasing performance and efficiency.