Verhaltensgarantien in selbst-organisierenden Systemen:
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Berlin
Logos-Verl.
2012
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IMAGE 1
INHALTSVERZEICHNIS
EXECUTIVE SUMMARY XV
I. D E R R E S T O R E - I N V A R I A N T - A N S A T Z : M O T I V A T
I O N U N D UEBERBLICK 3
1. EINLEITUNG 5
1.1. MOTIVATION 5
1.2. UEBERBLICK UE B E R DIE ARBEIT ' 6
1.3. ERREICHTE ERGEBNISSE 9
2. ORGANIC COMPUTING - ENTWICKLUNG ZUKUNFTSFAEHIGER SYSTEME 1 1
2.1. ORGANIC COMPUTING SYSTEME - "VON DER DESIGNZEIT ZUR LAUFZEIT" 11
2.2. HERAUSFORDERUNGEN BEI DER ENTWICKLUNG ZUKUENFTIGER SYSTEME 13
2.2.1. EINSCHRAENKUNG DES SYSTEMVERHALTENS 13
2.2.2. VERHALTENSGARANTIEN T R O T Z SELBST-ORGANISATION 14
2.2.3. VERIFIKATION VON KORREKTHEITSEIGENSCHAFTEN 14
2.3. DAS SAVE O R C A PROJEKT 15
3. DER RESTORE-INVARIANT-ANSATZ - EIN UEBERBLICK 17
3.1. IDEE U N D ZIEL DES RESTORE-INVARIANT-ANSATZES 17
3.2. KONTROLLE DER SELBST-ORGANISATION DURCH KORRIDORE KORREKTEN
VERHALTENS . 18 3.3. VERWENDETE SYSTEMARCHITEKTUR 21
3.4. SICHERE REKONFIGURATION DURCH QUIESCENT STATES 2 3
3.5. ABGABE VON VERHALTENSGARANTIEN: GRUNDIDEE DES VERIFIKATIONSANSATZES
. . 25 3.5.1. MODULARITAET DES GESAMTSYSTEMS 26
3.5.2. DEKOMPOSITION 27
3.5.3. SEPARATION OF CONCERNS 28
3.6. VON DER SYSTEMBESCHREIBUNG ZU VERHALTENSGARANTIEN 31
3.7. VERWANDTE ARBEITEN 32
4. SELBST-ORGANISIERENDE RESSOURCENFLUSSSYSTEME 35
4.1. MOTIVATION DER ANWENDUNGSDOMAENE 35
4.2. DAS ORGANIC DESIGN P A T T E R N 36
4.2.1. KORRIDOR SPEZIFIKATION M I T OCL-CONSTRAINTS 38
4.2.2. SELBST-ORGANISATION DURCH ROLLENAUSTAUSCH 40
4.2.3. ZUSAMMENHANG: ROLLEN U N D KORREKTER RESSOURCENFLUSS 41
IX
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IMAGE 2
INHALTSVERZEICHNIS
4.3. ANWENDUNGSBEISPIEL: ADAPTIVE PRODUKTIONSZELLE 42
4.3.1. BESCHREIBUNG DES SYSTEMS 4 3
4.3.2. VERHALTENSGARANTIEN 46
4.4. DEFINITION DER SELBST-X-EIGENSCHAFTEN 47
4.5. IMPLEMENTIERUNG DURCH DAS O D P R U N T I M E ENVIRONMENT 48
4.6. VERWANDTE ARBEITEN IM BEREICH DER SYSTEMKLASSE 48
II. F O R M A L E VERIFIKATION V O N V E R H A L T E N S G A R A N T I E
N IN S E L B S T - O R G A N I S I E R E N D E N S Y S T E M E N 5 1
5. VERIFIKATIONSTHEORIE DES RESTORE-INVARIANT-ANSATZES 5 3
5.1. UEBERBLICK UE B E R DAS VORGEHEN 53
5.2. DIE TEMPORALLOGIK I T L + 54
5.2.1. I T L + - O P E R A T O R E N 55
5.2.2. PARALLELITAET IN I T L + 56
5.2.3. SEQUENZENKALKUEL 57
5.3. KOMPOSITIONALES BEWEISEN M I T RELY-GUARANTEE 57
5.4. DER VERIFIKATIONSANSATZ 61
5.4.1. INTERAKTION DES OBSERVER/CONTROLLERS MIT D E N AGENTEN 6 3
5.4.2. DER QUIESCENT S T A T E EINES AGENTEN 64
5.4.3. ABSTRAKTES MODELL EINES SYSTEMS 65
5.4.4. AEG-SPEZIFIKATION D E R BEIDEN SYSTEMBESTANDTEILE 66
5.5. VORGEHEN FUER DIE VERIFIKATION EINES KONKRETEN SYSTEMS 69
5.6. VERWANDTE ARBEITEN ZUR VERIFIKATION VON SELBST-ORGANISIERENDEN
SYSTEMEN 70
6. FORMALES MODELL DES FUNKTIONALEN SYSTEMS 7 3
6.1. FORMALE SPEZIFIKATION DES ORGANIC DESIGN P A T T E R N S 73
6.1.1. VERWENDETER SPEZIFIKATIONSFORMALISMUS 74
6.1.2. MODELLIERUNG DER KONZEPTE DES ORGANIC DESIGN P A T T E R N S 75
6.1.3. MODELLIERUNG DER ASSOZIATIONEN 75
6.1.4. ALGEBRAISCHE SPEZIFIKATION DES ORGANIC DESIGN P A T T E R N S 76
6.2. ALLGEMEINE ASPEKTE DER DYNAMIK 81
6.2.1. EINHEITLICHE DYNAMIK FUER DIE GESAMTE SYSTEMKLASSE 81
6.2.2. VERWENDETES PARALLELITAETSMODELL 82
6.2.3. KOMMUNIKATION DURCH NACHRICHTEN 82
6.2.4. DEFINITION DES VERHALTENS DURCH TRANSITIONSREGELN 82
6.3. SEMANTIK DES AGENTENVERHALTENS 8 3
6.4. FORMALE SEMANTIK DURCH TRANSITIONSPRAEDIKATE 85
7. FORMALE SPEZIFIKATION DES KORRIDORS KORREKTEN VERHALTENS 9 3
7.1. SPEZIFIKATION DER RIA-INVARIANTE 9 3
7.2. SPEZIFIKATION DER INVARIANTE FUER RESSOURCENFLUSSSYSTEME 94
7.2.1. FORMALE SPEZIFIKATION DER INVARIANTE 94
X
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS
7.2.2. SPEZIFIKATION DES KORRIDORS 97
7.3. EIGENSCHAFTEN DES OBSERVER/CONTROLLER *97
7.4. VERWANDTE ARBEITEN -. 98
8. FORMALE VERIFIKATION DES SYSTEMVERHALTENS 101
8.1. ANWENDUNG DES VERIFIKATIONSANSATZES 101
8.2. VERIFIKATION A M BEISPIEL DER SELBST-ORGANISIERENDEN
RESSOURCENFLUSSSYSTEME 102 8.2.1. EIGENSCHAFTEN DES GESAMTSYSTEMS 102
8.2.2. GLOBALE UMGEBUNGSANNAHME: BEEINFLUSSUNG VON SYSTEMVARIABLEN . 103
8.2.3. INVARIANTE EIGENSCHAFTEN DES SYSTEMS 104
8.2.4. IJEZY-GUORANTEE-SPEZIFIKATION DES OBSERVER/CONTROLLERS 105
8.2.5. A N N A H M E N U N D GARANTIEN DES FUNKTIONALEN SYSTEMS 106
8.2.6. VERIFIKATION 107
8.2.7. FAZIT 109
9. OBSERVER/CONTROLLER-KORREKTHEIT DURCH VERIFIZIERTES RESULT CHECKING
111 9.1. VERIFIZIERTES RESULT CHECKING: EIN ANSATZ ZUR SICHERSTELLUNG
KORREKTER REKONFIGURATION 111
9.2. RESULT CHECKING IN DER LITERATUR 113
9.3. ENTWICKLUNG EINES VERIFIZIERTEN RESULT CHECKERS 116
9.4. E I N VERIFIZIERTER RESULT CHECKER FUER DIE SYSTEMKLASSE 117
9.4.1. FORMALE SPEZIFIKATION DES RESULT CHECKERS 118
9.4.2. VERIFIKATION DES RESULT CHECKERS 120
9.4.3. IMPLEMENTIERUNG U N D INTEGRATION DES RESULT CHECKERS 121
9.4.4. LAUFZEITBETRACHTUNG DES RESULT CHECKERS 123
9.5. VERWANDTE ARBEITEN 123
III. SPEZIFIKATION V O N V E R H A L T E N S K O R R I D O R E N ALS C O
N S T R A I N T S A T I S F A C T I O N P R O B L E M 1 2 5
10. REKONFIGURATION ALS CONSTRAINT SATISFACTION PROBLEM 127
10.1. CONSTRAINT SATISFACTION PROBLEME 127
10.2. DER RESTORE-INVARIANT-ANSATZ ALS CONSTRAINT SATISFACTION PROBLEM
130 10.3. DER CONSTRAINT SOLVER KODKOD 131
10.3.1. RELATIONALE LOGIK 132
10.3.2. MODELLIERUNGSBEISPIEL: SUDOKU IN KODKOD 134
10.3.3. ABLEITUNG EINES C S P S IN RELATIONALER LOGIK AUS EINEM
SYSTEMMODELL 135 10.4. REKONFIGURATION IN DER ANWENDUNGSKLASSE 137
10.4.1. KLASSIFIKATION DES CONSTRAINT SATISFACTION PROBLEMS 137
10.4.2. INTERNES SYSTEMMODELL EINES OBSERVER/CONTROLLERS 140
10.4.3. DAS ORGANIC DESIGN P A T T E R N IN RELATIONALER LOGIK 140
10.4.4. ANWENDUNG: ADAPTIVE PRODUKTIONSZELLE 144
10.5. REKONFIGURATION ALS CONSTRAINT SATISFACTION PROBLEM IN DER
LITERATUR . . . 147
XI
IMAGE 4
INHALTSVERZEICHNIS
11. VERTEILUNG DES CONSTRAINT SATISFACTION PROBLEMS ZUR LOKALEN
REKONFIGURATION 151 11.1. LOKALE REKONFIGURATION DURCH KOALITIONSBILDUNG
151
11.2. HERLEITUNG EINES CONSTRAINT SATISFACTION PROBLEMS ZUR LOKALEN
REKONFIGU RATION 155
11.2.1. PARTIAL SOLUTIONS 155
11.2.2. VERTEILUNG DES C S P S 156
11.2.3. BILDUNG DES CSPS FUER EINE KOALITION 158
11.3. KORREKTHEIT DER LOKALISIERUNG 161
11.4. DISKUSSION U N D VERWANDTE ARBEITEN 164
12. IMPLEMENTIERUNG DER REKONFIGURATION MIT EINEM CONSTRAINT SOLVER 167
12.1. E I N REKONFIGURATIONSSERVICE FUER RESSOURCENFLUSSSYSTEME 167
12.2. OPTIMIERUNGEN DES REKONFIGURATIONSPROBLEMS 169
12.3. UMSETZUNG U N D EVALUATION D E R IMPLEMENTIERUNG M I T CONSTRAINT
SOLVER . . 170 12.3.1. SKALIERBARKEIT 171
12.3.2. SKALIERBARKEIT VON SYSTEMVARIANTEN 172
12.3.3. EINFLUSS DER TASKGROESSE A U F DIE SKALIERBARKEIT 174
12.3.4. OPTIMIERUNG NACH KUERZESTEN WEGEN 175
12.3.5. FAZIT 175
13. SELBST-OPTIMIERUNG MIT GENETISCHEM ALGORITHMUS 177
13.1. CONSTRAINT SATISFACTION OPTIMIZATION PROBLEME 177
13.1.1. GENETISCHE ALGORITHMEN 179
13.1.2. GENETISCHE ALGORITHMEN ZUR LOESUNG VON CONSTRAINT SATISFACTION
PROBLEMEN 182
13.1.3. EIN ALGORITHMUS ZUR LOESUNG DES C S O P S 183
13.1.4. EVALUATION 186
13.1.5. DISKUSSION DES GENETISCHEN ALGORITHMUS 189
13.2. ERWEITERUNG U M QUANTITATIVE INVARIANTEN 190
14. ERGEBNISSE, ERFAHRUNGEN UND AUSBLICK 193
14.1. ERREICHTE ERGEBNISSE U N D ERFAHRUNGEN 193
14.2. AUSBLICK 195
ANHANG 196
A. IMPLEMENTIERUNG DER VERIFIKATIONSTHEORIE IN KIV 197
A . L . ALGEBRAISCHE SPEZIFIKATIONEN IN K I V 197
A.2. SPEZIFIKATIONSGRAPH 198
A.3. BESCHREIBUNG DER ALGEBRAISCHEN SPEZIFIKATIONEN -199
. A.3.1. SPEZIFIKATION DES SYSTEMZUSTANDS 199
A.3.2. SPEZIFIKATION DES AGENTEN 199
A.3.3. SPEZIFIKATION DER RIA-INVARIANTE U N D DES FUNKTIONALEN SYSTEMS .
. 200 A.3.4. IJG-EIGENSCHAFTEN DES OBSERVER/CONTROLLERS 200
XII
IMAGE 5
EXECUTIVE SUMMAIY
A.3.5. I?G-EIGENSCHAFTEN DES FUNKTIONALEN SYSTEMS 201
A.3.6. ANWENDUNG DES MODULARISIERUNGSTHEOREMS 202
B. IMPLEMENTIERUNG DES ORGANIC DESIGN PATTERNS UND DER DYNAMIK IN KIV
205 B . L . SPEZIFIKATIONSGRAPH FUER DAS ORGANIC DESIGN P A T T E R N 205
B.2. ALGEBRAISCHE SPEZIFIKATION DES ORGANIC DESIGN P A T T E R N S 205
B.2.1. SPEZIFIKATION DES GESAMTSYSTEMS 205
B.2.2. SPEZIFIKATION DES AGENTEN 208
B.2.3. SPEZIFIKATION DER FAEHIGKEITEN 209
B.2.4. SPEZIFIKATION DER ROLLE 209
B.2.5. SPEZIFIKATION DER RESSOURCEN 211
B.2.6. SPEZIFIKATION DER NACHRICHTEN U N D DER QUEUE 211
B.3. SPEZIFIKATION DER RIA-INVARIANTE 211
B.4. SPEZIFIKATION DER TRANSITIONSPRAEDIKATE 214
B.5. VOLLSTAENDIGKEIT U N D WOHLDEFINIERTHEIT DER TRANSITIONSREGELN 217
B.6. ALTERNATIVE MODELLIERUNG U N D AEQUIVALENZBEWEIS 218
C. VERIFIKATION DES RESULT CHECKERS MIT KIV 221
C . L . SPEZIFIKATION DES RESULT CHECKERS 221
C.2. SPEZIFIKATION DES CONSTRAINT CHECKERS FUER I/O-CONSISTENCY 222
C.3. SPEZIFIKATION DES CONSTRAINT CHECKERS FUER PRE/POST-CONSISTENCY 223
C.4. SPEZIFIKATION DES CONSTRAINT CHECKERS FUER ROLE-CONSISTENCY 224
C.5. SPEZIFIKATION DES CONSTRAINT CHECKERS FUER
PRODUCER/CONSUMER-ASSURANCE 225 C.6. SPEZIFIKATION DES CONSTRAINT
CHECKERS FUER ALLCAPABILITIES 225
D. OPTIMALES LOESEN DES CONSTRAINT SATISFACTION PROBLEMS MIT IBM ILOG
CPLEX227
E. KODKOD LOESUNG DES MODELLIERUNGSBEISPIELS 2 3 1
SYMBOLVERZEICHNIS 233
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS 235
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