Ein verteiltes System ist ein Paradigma, welches für die moderne, technologische Welt unverzichtbar ist, in der jede Sekunde unzählige Anfragen verarbeitet werden. Dafür braucht es in verteilten Systemen eine hohe Verfügbarkeit. In einer sich verändernden Umgebung sind durch die Komplexität und Skalierbarkeit der Ressourcen und Komponenten die Systeme häufig Fehlern ausgesetzt. Replikation spielt eine Rolle bei der Milderung solcher Fehler. Sie maskiert diese, um eine fehlertolerante Umgebung zu schaffen. In dieser Hinsicht fokussiert sich diese Forschung auf zielgerichtete Modellierung, maschinelles Lernen und insbesondere genetische Programmierung, um automatisch neue Datenreplikationsstrategien zu identifizieren und entwerfen. Diese Dissertation stellt einen Ansatz zur Abwägung und Optimierung der Ziele vor, welcher auf genetischer Programmierung basiert. Er bestimmt neue, auf das Problem zugeschnittene Replikationsstrategien, die mit etablierten Strategien konkurrieren.
A distributed system is a paradigm, which is indispensable to the current world due to countless requests with every passing second. Therefore, in distributed computing, high availability is very important. Since failures are often inevitable in a distributed paradigm, it greatly affects the availability of services. Replication plays a role in mitigating such failures by masking them to achieve a fault-tolerant distributed environment, thereby eliminating the hindrances in the availability of the data. In this regard, this research focuses on sophisticated modeling, analysis, and machine learning approaches, particularly, genetic programming to automatically identify and design new data replication strategies that are innovative. This dissertation proposes a genetic programming-based multi-objective optimization approach that offers competitive results w.r.t. the contemporary strategies as well as generating novel strategies even with a slight use of relevant genetic operators.
Hochverfügbare Dienste können mit Hilfe von sogenannten Quorum Protokollen realisiert werden. Leider gestaltet sich die Anwendung von Quorum-Protokollen in realen Netzwerken als schwierig, da effiziente Quorum-Protokolle oft von einer bestimmten Graphenstruktur abhängen, die den von ihnen verwalteten Replikaten auferlegt sind. In dieser Arbeit zeigen wir, dass die Kosten- und Verfügbarkeits\-vorhersagen von Quorum-Protokollen oft ungenau sind, wenn sie in einem realen Netzwerk eingesetzt werden. Wir stellen den Mapping-Ansatz vor. Der Mapping-Ansatz erhöht die Genauigkeit der der Kosten- und Verfügbarkeits\-vorhersagen der meisten Quorum-Protokolle in realen Netzwerken. Da der Mapping-Ansatz sehr rechenintensiv ist, wird das k-nearest neighbors Verfahren benutzt, um die Verfügbarkeit der durch die Quoren Protokolle erbrachten Dienste vorherzusagen. Da selbst diese Technik bei bestimmten Netzwerkgrößen nicht praktikabel ist, werden zwei neue Quorum-Protokoll, namentlich das Circle-Protokoll und das Crossing-Protokoll, vorgestellt. Diese beiden Protokolle arbeiten direkt auf einem realen Netzwerk. Alle diese verschiedenen Techniken werden ausführlich analysiert und verglichen. Abschließend wird ein Algorithmus vorgestellt, der alle diese Techniken verwendet um das beste Quorum-Protokoll für ein gegebenes reales Netzwerk zu finden.
Highly available services can be implemented by means of so-called quorum protocols. Unfortunately, applying quorum protocols in real-world physical networks turns out to be difficult since efficient quorum protocols often depend on a particular graph structure imposed on the replicas managed by it. In this work, we show that the cost and availability predictions of the operations provided by quorum protocols are often not accurate when they are executed in a real-world physical network. We present the mapping approach, the mapping approach increases the accuracy of the cost and availability predictions of most quorum protocols on real-world networks. The mapping approach is used to analyze multiple existing quorum protocols when applied on real-world networks. As the mapping approach is computational expensive, the k-nearest neighbors algorithm is novelly employed to predict availability of the services facilitated by the quorum protocols when used on a real-world network. As even this technique is infeasible at certain network sizes two new quorum protocol, namely the Circle Protocol and the Crossing Protocol, are presented that directly work on the real-world network of arbitrary size. All these different techniques are extensively analyzed and compared. Concluding, an algorithm is presented that uses all these techniques to find the best quorum protocol for a given real-world network.
Advances in Self-Organizing Maps, Learning Vector Quantization, Clustering and Data Visualization Cham : Springer, 2020 (2020), Seite 23-32 1 Online-Ressource (XII, 342 p. 161 illus., 113 illus. in color)
KI 2020: Advances in Artificial Intelligence 1st ed. 2020. Cham : Springer International Publishing, 2020 (2020), Seite 267-274 1 Online-Ressource(XIII, 360 p. 33 illus.)
Zum Erreichen einer hohen Zuverlässigkeit, hohen Aktualität und hohen Energieeffizienz, ist es äußerst schwierig, die Qualität von Diensten (QoS) in einem drahtlosen Multihop-Sensornetzwerk (WSN) mit geringem Stromverbrauch bereitzustellen. Diese Arbeit trägt hauptsächlich zur Verbesserung der Leistung bei, um die QoS-Anforderungen in Multihop-WSNs mit niedrigem Stromverbrauch zu erfüllen, was für die zunehmende Verbreitung von WSNs im Internet der Dinge, im Cyber-physischen System und in anderen missionskritischen Anwendungen von wesentlicher Bedeutung ist. Insbesondere kann es entsprechend dem WSN-Protokollstapel in vier Aspekte unterteilt werden: Verbesserung der Dienstgüte durch (i) Ausnutzung des opportunistischen Mehrkanal-Routings, um den rauen Bedingungen zu widerstehen, (ii) Einsatz von Techniken des maschinellen Lernens, um die Kommunikationsredundanz zu verringern, (iii) Anwendung der gleichzeitigen Übertragung für eine zuverlässige und rechtzeitige Datensammlung und (iv) Nutzung von Anpassungen auf Anwendungsebene zur Laufzeitdynamik zusammen mit Designzeit-Wissen.
It is extremely challenging to provide, to guarantee, and to optimize the quality of services (QoS) in a low-power multihop wireless sensor network (WSN) concerning achieving high reliability, high timeliness, and high energy efficiency. This thesis mainly contributes to improving performance to satisfy the QoS requirements in low-power multihop WSNs, which is essential for the increasing adoption of WSNs in the Internet of Things, Cyber-physical System, and other mission-critical applications. Particularly, it can be divided into four aspects according to the WSN protocol stack: improving QoS by (i) exploiting multichannel opportunistic routing to resist the harsh conditions, (ii) using machine learning techniques to mitigate communication redundancy, (iii) applying concurrent transmission for reliable and timely data collection, and (iv) utilizing application-level adaptations on run-time dynamics together with design-time knowledge.