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We are living in a connected world, surrounded by interwoven technical systems. Since they pervade more and more aspects of our everyday lives, a thorough understanding of the structure and dynamics of these systems is becoming increasingly important. However - rather than being blueprinted and constructed at the drawing board - many technical infrastructures like for example the Internet's global router network, the World Wide Web, large scale Peer-to-Peer systems or the power grid - evolve in a distributed fashion, beyond the control of a central instance and influenced by various surrounding conditions and interdependencies. Hence, due to this increase in complexity, making statements about the structure and behavior of tomorrow's networked systems is becoming increasingly complicated. A number of failures has shown that complex structures can emerge unintentionally that resemble those which can be observed in biological, physical and social systems. In this dissertation, we investigate how such complex phenomena can be controlled and actively used. For this, we review methodologies stemming from the field of random and complex networks, which are being used for the study of natural, social and technical systems, thus delivering insights into their structure and dynamics. A particularly interesting finding is the fact that the efficiency, dependability and adaptivity of natural systems can be related to rather simple local interactions between a large number of elements. We review a number of interesting findings about the formation of complex structures and collective dynamics and investigate how these are applicable in the design and operation of large scale networked computing systems. A particular focus of this dissertation are applications of principles and methods stemming from the study of complex networks in distributed computing systems that are based on overlay networks. Here we argue how the fact that the (virtual) connectivity in such systems is alterable and widely independent from physical limitations facilitates a design that is based on analogies between complex network structures and phenomena studied in statistical physics. Based on results about the properties of scale-free networks, we present a simple membership protocol by which scale-free overlay networks with adjustable degree distribution exponent can be created in a distributed fashion. With this protocol we further exemplify how phase transition phenomena - as occurring frequently in the domain of statistical physics - can actively be used to quickly adapt macroscopic statistical network parameters which are known to massively influence the stability and performance of networked systems. In the case considered in this dissertation, the adaptation of the degree distribution exponent of a random, scale-free overlay allows - within critical regions - a change of relevant structural and dynamical properties. As such, the proposed scheme allows to make sound statements about the relation between the local behavior of individual nodes and large scale properties of the resulting complex network structures. For systems in which the degree distribution exponent cannot easily be derived for example from local protocol parameters, we further present a distributed, probabilistic mechanism which can be used to monitor a network's degree distribution exponent and thus to reason about important structural qualities. Finally, the dissertation shifts its focus towards the study of complex, non-linear dynamics in networked systems. We consider a message-based protocol which - based on the Kuramoto model for coupled oscillators - achieves a stable, global synchronization of periodic heartbeat events. The protocol's performance and stability is evaluated in different network topologies. We further argue that - based on existing findings about the interrelation between spectral network properties and the dynamics of coupled oscillators - the proposed protocol allows to monitor structural properties of networked computing systems. An important aspect of this dissertation is its interdisciplinary approach towards a sensible and constructive handling of complex structures and collective dynamics in networked systems. The associated investigation of distributed systems from the perspective of non-linear dynamics and statistical physics highlights interesting parallels both to biological and physical systems. This foreshadows systems whose structures and dynamics can be analyzed and understood in the conceptual frameworks of statistical physics and complex systems.
This thesis centers on formal tree languages and on their learnability by algorithmic methods in abstractions of several learning settings. After a general introduction, we present a survey of relevant definitions for the formal tree concept as well as special cases (strings) and refinements (multi-dimensional trees) thereof. In Chapter 3 we discuss the theoretical foundations of algorithmic learning in a specific type of setting of particular interest in the area of Grammatical Inference where the task consists in deriving a correct formal description for an unknown target language from various information sources (queries and/or finite samples) in a polynomial number of steps. We develop a parameterized meta-algorithm that incorporates several prominent learning algorithms from the literature in order to highlight the basic routines which regardless of the nature of the information sources have to be run through by all those algorithms alike. In this framework, the intended target descriptions are deterministic finite-state tree automata. We discuss the limited transferability of this approach to another class of descriptions, residual finite-state tree automata, for which we propose several learning algorithms as well. The learnable class by these techniques corresponds to the class of regular tree languages. In Chapter 4we outline a recent range of attempts in Grammatical Inference to extend the learnable language classes beyond regularity and even beyond context-freeness by techniques based on syntactic observations which can be subsumed under the term 'distributional learning', and we describe learning algorithms in several settings for the tree case taking this approach. We conclude with some general reflections on the notion of learning from structural information.
Diese Arbeit stellt eine einheitliche Workbench zur Entwicklung von mobilen Anwendungen in multihop Ad-Hoc-Netzwerken vor. Die einheitliche Workbench besteht aus drei Bausteinen: einem Simulator für diese Netzwerke, einer hybriden Emulationsumgebung für mobile multihop Ad-Hoc-Netzwerke und einer Ausführungsplattform für Anwendungen auf mobilen Geräten. Anwendungen können bereits im Simulator vollständig implementiert und evaluiert werden. Der entstandene Code kann unverändert sowohl im Emulationsteil als auch auf der Ausführungsplattform für mobile Geräte eingesetzt werden. Im passenden dreistufigen Entwicklungsprozeß wird die Anwendung im Simulator implementiert und getestet, bevor sie -- zusammen mit einer graphischen Oberfläche -- in der hybriden Emulationsumgebung weiter evaluiert und optimiert wird. Zuletzt erfolgt die Erprobung auf mobilen Geräten im Feldversuch. Mehrere tausend bis zehntausend mobile Geräte können in der Workbench durch die Beschränkung auf die topologischen Aspekte des Ad-Hoc-Netzwerks und eine besondere Bewegungsmodellabstraktion, die die besonders effiziente Berechnung der Bewegungs- und Konnektivitätsdaten der Geräte ermöglicht, effizient simuliert werden. Die Vorausberechnung und Wiederverwendung dieser Daten ist möglich. Simulationen können in Echtzeit detailliert visualisiert werden, wobei die Art der Visualisierung und das Ausgabeformat vom Benutzer definiert werden können. Die Workbench und der Softwareentwicklungsprozeß für Anwendungen in mobilen multihop Ad-Hoc-Netzwerken werden anhand einer Fallstudie erprobt. Dabei werden die Erfahrungen bei der Implementierung einer Middleware für Ad-Hoc-Anwendungen sowie bei der Entwicklung einer selbstorganisierenden Auktionsanwendung aufgezeigt.
Since the end of the eighties a modern and high-quality medicine is not possible without use of data processing technology and communication technology. The physician manage the enormously big volume of medical data only with the help of computer-assisted information systems. In this regard the work deals with the concept and the construction of an intranet/internet-based radiology information system. The work examine the evaluation of the radiological systems already available on market. After the analysis of relevant qualities of these systems they are measured in demands and criteria, posed before. From discovered disadvantages as for example lacking internet ability, insufficient platform independence, the major tasks of this work will be described. In the first chapter a new concept is suggested for the construction of an intranet/internet-oriented, radiological information system for the transmission and archiving of data in clinics and local physicians implemented in modular structure, producer-independent DICOM-standardization, modern, independent of platform JAVA-technology and Intranet/Internet-technology. The second chapter treats the problems of the medical image compression. After an introducing description of the known compression procedures the difficulties of the compression of the medical images is described.In accordance with these requirements the known lossy and loss-less compression-algorithms are measured. The results of the comparative examinations will get in a representative random check of more than 500 DICOM-images. Two new adaptive compression algorithms are developed by methods suggested in the work of the classification and appreciation of the quality of medical images. The third chapter is dedicated to the implementation of the components of the developed intranet/internet-oriented radiology information system. First the different net communication scenarios for the data exchange between the components of the system on the basis of Java-technology are analyzed and than an own scenario is developed. The software is developed for the visualization and processing of DICOM-image projects. The last section considers the new internet/intranet-oriented radiology information system with whose draft the scientific and practical results of this doctoral thesis were applied.
Insbesondere im wissenschaftlichen Bereich ist es zur Selbstverständlichkeit geworden, zur Befriedigung eines Informationsbedürfnisses zunächst das World Wide Web (Web) zu benutzen. Der komplexe Aufbau des Webs und die dort herrschende Unordnung machen das Auffinden bestimmter Dokumente zu einem diffizilen Vorgang. Suchmaschinen und Web-Verzeichnisse unterstützen den Benutzer hierbei; ihre effektive Nutzung ist jedoch nicht einfach. Es ist daher hilfreich, Suchdienste zu entwickeln, welche Kontextwissen mitbringen. In der vorliegenden Arbeit wird das Verfahren der thematisch spezialisierten Suche präsentiert und anhand der Menge der persönlicher Home Pages von Informatikern exemplifiziert. Der Bibliographie-Server DBLP.uni-trier.de liefert u.a. zu über 4.000 Wissenschaftlern manuell gesammelte persönliche Home Pages. Durch verschiedene Analysen werden in dieser Menge häufig vorkommende, also relevante Eigenschaften ermittelt. Dies ist ein kreativer Prozess, in den sowohl Suchwissen -- Wissen über Techniken des Suchens im Web -- als auch Fachwissen -- Wissen über die Beschaffenheit persönlicher Home Pages -- einfließen. Nach der Überprüfung dieser Eigenschaften auf ihre Signifikanz in der Gesamtheit der Web-Dokumente ist ein thematisch spezialisiertes Wissen erschaffen worden. Zur Durchführung der Suche würde man idealerweise alle Web-Dokumente mit Hilfe des erarbeiteten Wissens und des Anfrageterms -- des vollständigen Namens eines Informatikers -- untersuchen. Da das Web aus mehreren Milliarden Dokumenten besteht, ist dies praktisch nicht durchführbar: Es ist notwendig, eine geeignete Vorauswahl zu treffen. Suchmaschinen haben Daten zu vielen Web-Dokumenten erfasst. Deshalb wird mit ihrer Hilfe unter Verwendung des Anfrageterms eine Vorauswahl getroffen. Um nun die Dokumente der Vorauswahlmenge gemäß der Anfrage zu bewerten wird das thematisch spezialisierte Wissen adäquat in einer Bewertungsfunktion repräsentiert, welche jedem Dokument einen Wert zuweist und somit eine Rangfolge erstellt. Das Design der Bewertungsfunktion ist eine schöpferische Tätigkeit: Die sachgerechte Gewichtung der verschiedenen Eigenschaften bestimmt maßgeblich das Gelingen des Verfahrens. Der vornehmlich in Java implementierte, vollautomatisierte Web-Dienst HomePageSearch (hpsearch.uni-trier.de) führt regelmäßig für über 100.000 Namen diesen Suchvorgang durch. Der Benutzer kann auf das in einer DB2-Datenbank gespeicherte Ergebnis zurückgreifen. Durch die periodische Neuberechnung des thematisch spezialisierten Wissens wird der Dynamik des Webs Rechnung getragen. Der modulare und stark parametrisierte Aufbau des Systems erleichtert die Portierung des Verfahrens auf andere Mengen von Web-Dokumenten. Nicht zuletzt aufgrund der starken Verlinkung mit DBLP und ResearchIndex wird HomePageSearch von vielen Wissenschaftlern intensiv genutzt.
Designing a Randomized Trial with an Age Simulation Suit—Representing People with Health Impairments
(2020)
Due to demographic change, there is an increasing demand for professional care services, whereby this demand cannot be met by available caregivers. To enable adequate care by relieving informal and formal care, the independence of people with chronic diseases has to be preserved for as long as possible. Assistance approaches can be used that support promoting physical activity, which is a main predictor of independence. One challenge is to design and test such approaches without affecting the people in focus. In this paper, we propose a design for a randomized trial to enable the use of an age simulation suit to generate reference data of people with health impairments with young and healthy participants. Therefore, we focus on situations of increased physical activity.
Die Geschichte verteilter Systeme und Anwendungen hat die unterschiedlichsten Technologien hervorgebracht: Client-Server-Architekturen, Peer-To-Peer-Netzwerke und Komponentensysteme sind nur einige Vertreter. Die vorliegende Arbeit ist im Bereich der Middleware-Architekturen angesiedelt, einem zur Zeit sehr stark beachteten Zweig der verteilten Anwendungen. Als Mittler zwischen den Anwendungen auf der einen Seite sowie Datenbanken, eMail-Systemen oder weiterer Servern auf der anderen Seite, schlägt sie die Brücke zu heterogenen IT-Landschaften. Sie verbirgt Details und Änderungen dieser IT-Umgebungen und schafft gleichzeitig einen transparenten Zugriff auf sie. Die Forschung hat viele Technologien im Middleware-Umfeld hervorgebracht und setzt bei den Zielen unterschiedliche Schwerpunkte. Eine Sicht auf die Middleware hat den Entwickler im Fokus und soll ihn bei der Erstellung von Anwendungen und Lösungen unterstützen. Aus diesem Grund stehen hier die Schnittstellen zum Server und zur Server-Infrastruktur sowie die Einbettung der Dienste in die Middleware im Vordergrund. Der interne Aufbau sowie die inneren Datenflüsse der Middleware dienen nur der Erfüllung dieser Ziele. Eine andere Sichtweise stellt den inneren Aufbau in den Fokus der Forschung. Hier ist das Ziel die Schaffung von flexiblen und erweiterbaren Server-Strukturen sowie die Effizienz von internen Abläufen und Datenflüssen. Damit ist eine einfache Anpassung an verschiedene Einsatzumgebungen sowie die Fähigkeit, auf die Leistungsmerkmale von Clients individuell eingehen zu können, möglich. Die im Rahmen dieser Arbeit entstandene Middleware-Architektur "Smart Data Server (SDS)" setzt Konzepte um, die beide Sichtweisen miteinander kombiniert. Ein Schwerpunkt neben der Entwicklung neuer Konzepte, liegt in der praktischen Anwendbarkeit der entwickelten Middleware. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass der Smart Data Server die Praxistauglichkeit seiner Konzepte unter realen Bedingungen unter Beweis stellen kann und zeigt gleichzeitig, welche Konstrukte für den praktischen Einsatz tatsächlich notwendig sind. Ein zweiter Schwerpunkt liegt in der Entwicklung von Mechanismen zur Abarbeitung von streamingfähigen Anfragen. Üblicherweise folgt auf die Übermittlung von Anfragen an einen Server zunächst die Berechnung einer Antwort und anschließend deren Rücktransport. Bei Streaming-Anfragen ist neben der Übermittlung von Anfrageparametern ein kontinuierlicher und in seiner Dimension nicht beschränkter Datenstrom Bestandteil der Anfrage. Der Server startet seine Berechnungen wenn möglich schon vor dem Ende der Datenübermittlung und liefert schon bei Vorliegen von Teilergebnissen diese an den Client. Der benötigte Bedarf an Speicherplatz im Server kann so optimiert werden, da nur so viele Daten der Anfrage im Server vorgehalten werden müssen wie zur Berechnung tatsächlich notwendig sind und nicht etwa die gesamte Anfrage. Die Entwicklung eines Streaming-Mechanismuses muss entsprechende Möglichkeiten in der Anfragestruktur sowie in der Architektur der Middleware vorsehen. Der Smart Data Server schafft mit der Einführung einer streamingfähigen Anfragestruktur die Voraussetzung für die Verarbeitung solcher Anfragen. Zusätzlich muss eine Server-Architektur geschaffen werden, die das Abarbeiten von Streaming-basierten Anfragen unterstützt. Hier liegt der dritte Schwerpunkt der Arbeit: die Schaffung einer flexiblen und erweiterbaren Server-Struktur sowie die Effizienz von internen Abläufen und Datenflüssen unter Berücksichtigung der Anforderung einer streamingfähigen Anfragebearbeitung. Diese Anforderungen werden mit der neu entwickelten Technologie der inneren Workflow-Programme erfüllt. Innere Workflow-Programme repräsentieren Netzwerke von hochgradig unabhängigen Serverkomponenten. Durch die Umgestaltung dieser Netze sind neue Serverstrukturen möglich, um neuen Einsatzbedingungen angepasst werden zu können. Neben diesem statischen Netzwerk von Server-Komponenten kann zur Laufzeit eine Pipeline zur Abarbeitung von Datenströmen aufgebaut werden, mit der dann letztendlich die Streamingfähigkeit des Servers hergestellt wird.
Many real-life phenomena, such as computer systems, communication networks, manufacturing systems, supermarket checkout lines as well as structural military systems can be represented by means of queueing models. Looking at queueing models, a controller may considerably improve the system's performance by reducing queue lengths, or increasing the throughput, or diminishing the overhead, whereas in the absence of a controller the system behavior may get quite erratic, exhibiting periods of high load and long queues followed by periods, during which the servers remain idle. The theoretical foundations of controlled queueing systems are led in the theory of Markov, semi-Markov and semi-regenerative decision processes. In this thesis, the essential work consists in designing controlled queueing models and investigation of their optimal control properties for the application in the area of the modern telecommunication systems, which should satisfy the growing demands for quality of service (QoS). For two types of optimization criterion (the model without penalties and with set-up costs), a class of controlled queueing systems is defined. The general case of the queue that forms this class is characterized by a Markov Additive Arrival Process and heterogeneous Phase-Type service time distributions. We show that for these queueing systems the structural properties of optimal control policies, e.g. monotonicity properties and threshold structure, are preserved. Moreover, we show that these systems possess specific properties, e.g. the dependence of optimal policies on the arrival and service statistics. In order to practically use controlled stochastic models, it is necessary to obtain a quick and an effective method to find optimal policies. We present the iteration algorithm which can be successfully used to find an optimal solution in case of a large state space.
Virtuelle Umgebungen erfreuen sich in den letzten Jahren einer großen Beliebtheit und können kontinuierlich wachsende Nutzerzahlen vorweisen. Deshalb wird erwartet, dass die ohnehin große Nutzergemeinde weiterhin wächst. Dieses Wachstum stellt jedoch die Entwickler und die Betreiber von virtuellen Umgebungen vor eine Herausforderung. Die meisten heutzutage erfolgreichen virtuellen Umgebungen basieren auf einer Client-Server-Infrastruktur, in der der Server für die Verwaltung der gesamten Umgebung zuständig ist. Bei einer gleichzeitigen Inanspruchnahme durch viele Nutzer werden die serverbasierten Umgebungen jedoch massiven Skalierbarkeits- und Lastverteilungsproblemen ausgesetzt. Diese Probleme führen beispielsweise dazu, dass Nutzer Wartezeiten beim Einloggen in Kauf nehmen müssen bzw. selbst im Falle eines erfolgreichen Logins die "überfüllten" virtuellen Regionen nicht betreten dürfen. Deshalb wird in dieser Arbeit untersucht, ob eine Verbesserung der Skalierbarkeit und der Lastverteilung in virtuellen Umgebungen durch die Verwendung alternativer Infrastrukturansätze erreicht werden kann. Außerdem werden Maßnahmen zur weiteren Entlastung der Basis-Infrastruktur entwickelt. Diese Verbesserung soll zum einen dadurch erzielt werden, dass anstelle eines Servers ein Server-Verbund (Peer-to-Peer-System) als eine Art Management-Schicht agieren soll, in der jeder Knoten nur einen bestimmten Teil der virtuellen Umgebung verwaltet. Dabei wird die gewünschte Lastverteilung durch die Aufteilung der Verantwortungsbereiche auf die Knoten der Management-Schicht erreicht. Gleichzeitig entsteht aber ein Mehraufwand für die Konstruktion bzw. Erhaltung einer solchen Management-Schicht. Deshalb werden in dieser Arbeit die Vor- und Nachteile eines Infrastrukturwechsels hin zu dezentralisierten Infrastruktur-Ansätzen untersucht. Zum anderen wird eine spürbare Entlastung der Management-Schicht und somit eine Verbesserung der Skalierbarkeit und der Lastverteilung durch die Übertragung einiger Verwaltungsaufgaben an die Clients angestrebt. Zu diesen Verwaltungsaufgaben zählen die Gruppenkommunikation und das Konsistenz-Handling. Dazu wird in dieser Arbeit erforscht, inwiefern die Clients, die sich innerhalb derselben virtuellen Region befinden, selbst die Gruppenkommunikation über eine Multicast-Infrastruktur regeln können bzw. in die Wahrung der Konsistenz eines gemeinsamen Zustandes und der gemeinsam genutzten Objekte involviert werden können. Bei dem clientbasierten Konsistenz-Handling sollte vor allem auf die besonderen Interaktivitäts- und Konsistenzanforderungen, die Nutzer an die virtuellen Umgebungen stellen, geachtet werden. Dazu wird ein neues Konsistenzmodell definiert, welches die Einhaltung der strengen Interaktivitätsanforderungen erzwingt und die Konsistenz mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit garantieren kann.
This work addresses the algorithmic tractability of hard combinatorial problems. Basically, we are considering \NP-hard problems. For those problems we can not find a polynomial time algorithm. Several algorithmic approaches already exist which deal with this dilemma. Among them we find (randomized) approximation algorithms and heuristics. Even though in practice they often work in reasonable time they usually do not return an optimal solution. If we constrain optimality then there are only two methods which suffice for this purpose: exponential time algorithms and parameterized algorithms. In the first approach we seek to design algorithms consuming exponentially many steps who are more clever than some trivial algorithm (who simply enumerates all solution candidates). Typically, the naive enumerative approach yields an algorithm with run time $\Oh^*(2^n)$. So, the general task is to construct algorithms obeying a run time of the form $\Oh^*(c^n)$ where $c<2$. The second approach considers an additional parameter $k$ besides the input size $n$. This parameter should provide more information about the problem and cover a typical characteristic. The standard parameterization is to see $k$ as an upper (lower, resp.) bound on the solution size in case of a minimization (maximization, resp.) problem. Then a parameterized algorithm should solve the problem in time $f(k)\cdot n^\beta$ where $\beta$ is a constant and $f$ is independent of $n$. In principle this method aims to restrict the combinatorial difficulty of the problem to the parameter $k$ (if possible). The basic hypothesis is that $k$ is small with respect to the overall input size. In both fields a frequent standard technique is the design of branching algorithms. These algorithms solve the problem by traversing the solution space in a clever way. They frequently select an entity of the input and create two new subproblems, one where this entity is considered as part of the future solution and another one where it is excluded from it. Then in both cases by fixing this entity possibly other entities will be fixed. If so then the traversed number of possible solution is smaller than the whole solution space. The visited solutions can be arranged like a search tree. To estimate the run time of such algorithms there is need for a method to obtain tight upper bounds on the size of the search trees. In the field of exponential time algorithms a powerful technique called Measure&Conquer has been developed for this purpose. It has been applied successfully to many problems, especially to problems where other algorithmic attacks could not break the trivial run time upper bound. On the other hand in the field of parameterized algorithms Measure&Conquer is almost not known. This piece of work will present examples where this technique can be used in this field. It also will point out what differences have to be made in order to successfully apply the technique. Further, exponential time algorithms for hard problems where Measure&Conquer is applied are presented. Another aspect is that a formalization (and generalization) of the notion of a search tree is given. It is shown that for certain problems such a formalization is extremely useful.