004 Datenverarbeitung; Informatik
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- Middleware (3) (remove)
In dieser Arbeit wird ein Middlewaremodell für Anwendungen in mobilen ad-hoc Netzwerken vorgestellt. Der primäre Fokus liegt dabei auf Netzen, die auf Basis von mobilen Endbenutzergeräten wie PDAs, PocketPCs oder Smartphones gebildet werden und die über eine drahtlose Kommunikationstechnik wie WLAN oder Bluetooth verfügen. Zur Identifizierung der Ansprüche an eine Middleware in diesen Netzen wurden Anwendungen aus dem universitären Umfeld untersucht. Da die Kommunikation in drahtlosen Netzen nicht immer so transparent wie in drahtgebundenen Infrastrukturnetzen erfolgen kann, enthält die Middleware ein Kommunikationsframework, welches die Adaption und auch die Kombination von Kommunikationsmechanismen ermöglicht. Neben der direkten Auslieferung von Nachrichten werden auch Mechanismen zur sukzessiven Weitergabe von Nachrichten, die so genannte Store-and-Forward Kommunikation, angeboten. Hier steht insbesondere die Weitergabe von Informationen im Vorbeigehen (En-Passant) im Vordergrund. Die Komponenten der Middleware und darauf basierenden Applikationen werden als interagierende mobile Objekte modelliert. Die Interaktion dieser Objekte erfolgt aufgrund der Dynamik der mobilen ad-hoc Netze ereignisorientiert. Sowohl die Interaktion, als auch die Adaption und Wahl von Kommunikationsmechanismen erfolgt auf Basis von Informationen über das direkte Umfeld, Applikationswissen über das Netzwerk und Erfahrungen aus der Vergangenheit. Diese Informationen, die von Objekten verbreitet und gesammelt werden können, werden als Spuren bezeichnet. Da eine Aufhebung der Transparenz der Middlewarekomponenten einen höheren Entwicklungsaufwand bedeutet, wird eine Realisierung der Objektinteraktion in Objektrepräsentanten vorgeschlagen. Objektrepräsentanten ermöglichen die Kommunikation mit entfernten Objekten, das lokale Verwalten von Informationen über diese Objekte und schließlich die Repräsentierung von Objekten ohne reale Objektinstanz. Objekte ohne Objektinstanz werden verwendet, um Gerätegruppen mit bestimmten Eigenschaften zusammenzufassen, beispielsweise Objekte an einem bestimmten geographischen Ort. Somit ist auch das Wissen über geographische Orte und deren Identifizierung ein wichtiger Aspekt des Modells. Aufgrund der Anwendungsuntersuchungen ist sukzessive ein Middlewareprototyp entstanden, der in eine Simulationsumgebung für mobile ad-hoc Netze integriert ist. Die Umgebung erlaubt neben der reinen Simulation mobiler ad-hoc Netze und der zu untersuchenden Anwendung auch die Integration realer Geräte und die Ausführung der Anwendungen auf realen Geräten. Somit konnte, neben einer simulativen Untersuchung, auch eine praktische Evaluation der Anwendungen in Feldversuchen durchgeführt werden.
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.
Mobile computing poses different requirements on middleware than more traditional desktop systems interconnected by fixed networks. Not only the characteristics of mobile network technologies as for example lower bandwidth and unreliability demand for customized support. Moreover, the devices employed in mobile settings usually are less powerful than their desktop counterparts. Slow processors, a fairly limited amount of memory, and smaller displays are typical properties of mobile equipment, again requiring special treatment. Furthermore, user mobility results in additional requirements on appropriate middleware support. As opposed to the quite static environments dominating the world of desktop computing, dynamic aspects gain more importance. Suitable strategies and techniques for exploring the environment e.g. in order to discover services available locally are only one example. Managing resources in a fault-tolerant manner, reducing the impact ill-behaved clients have on system stability define yet another exemplary prerequisite. Most state of the art middleware has been designed for use in the realm of static, resource rich environments and hence is not immediately applicable in mobile settings as set forth above. The work described throughout this thesis aims at investigating the suitability of different middleware technologies with regard to application design, development, and deployment in the context of mobile networks. Mostly based upon prototypes, shortcomings of those technologies are identified and possible solutions are proposed and evaluated where appropriate. Besides tailoring middleware to specific communication and device characteristics, the cellular structure of current mobile networks may and shall be exploited in favor of more scalable and robust systems. Hence, an additional topic considered within this thesis is to point out and investigate suitable approaches permitting to benefit from such cellular infrastructures. In particular, a system architecture for the development of applications in the context of mobile networks will be proposed. An evaluation of this architecture employing mobile agents as flexible, network-side representatives for mobile terminals is performed, again based upon a prototype application. In summary, this thesis aims at providing several complementary approaches regarding middleware support tailored for mobile, cellular networks, a field considered to be of rising importance in a world where mobile communication and particularly data services emerge rapidly, augmenting the globally interconnecting, wired Internet.
