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Runtime Support for Quality of Information Requirements in Event-based Systems

Frischbier, Sebastian :
Runtime Support for Quality of Information Requirements in Event-based Systems.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Runtime Support for Quality of Information Requirements in Event-based Systems
Language: English
Abstract:

Modern reactive software systems turn fine-granular real-time notifications about processes in the physical world into information and knowledge to react in time. Push-based Event-based Systems (EBSs) complement pull-based architectures, such as Service-oriented Architectures (SOAs), and enable enterprises to react to meaningful events in a timely manner. Applications for algorithmic trading, energy-aware reactive data center management, or smart supply chain management are just three examples of reactive systems where information provided by heterogeneous data sources has to be interpreted and where false alarms, missed events or otherwise data of inadequate Quality of Information (QoI) carries a cost.

Whether the QoI of notifications is adequate depends on the purpose, the information is intended to be used for by each receiver. This purpose is application-specific and changes at runtime. Thus, the notion of QoI combines objectively measurable properties of a notification and their application-specific assessment that determines the Value of Information (VoI) for a receiver. Receiving only data that conforms to their QoI requirements is crucial for reactive applications. Current support for QoI, however, is limited in terms of expressiveness and effectiveness.

In this dissertation, we introduce the concept of expectations, capabilities and feedback as a holistic concept to express, negotiate and enforce QoI requirements at runtime in push-based systems. Participants express requirements and define individual trade-offs between them as expectations; the ability of the system to support properties by adapting itself is captured by capabilities that include the individual costs of participants. Feedback to participants is a central component of our approach and is used to coordinate the adaptation of participants at runtime. We show that our approach is more expressive and supports a wider range of properties than current approaches; our approach actively enforces complex requirements about QoI in an effective way without deteriorating the system’s performance. The work presented in this dissertation contributes to the challenge of runtime QoI support in push-based architectures on a conceptual and practical level.

On the conceptual level, we contribute a generic and extensible model to express and manage requirements about arbitrary QoI properties, algorithms for negotiation and enforcing these requirements at runtime as well as a concept for effective runtime monitoring in a distributed and decentralized EBS. The conceptual part of this dissertation synthesizes and expands approaches devised in pull- and push-based systems as well as in economics into a novel concept to support QoI at runtime in reactive software systems.

On the practical level, we contribute a reference architecture for runtime support of QoI requirements, two prototypes built on a centralized and a decentralized Message-oriented Middleware (MOM), examples for existing applications enhanced with our approach as well as an extensive evaluation of our prototypes built on the industry-strength Apache ActiveMQ platform and the academic REconfigurable Dispatching System (REDS). The evaluation uses industry-strength benchmarks and systems to quantify the benefits and execution costs for participants. The practical part of this dissertation shows the practicability of our approach and quantifies the benefits of actively enforcing QoI requirements using feedback.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Reaktive Softwaresysteme verdichten und interpretieren feingranulare Echtzeitinformationen über Realweltprozesse zu Informationen, die zur Analyse und automatisierten Reaktion genutzt werden. Push-basierte Ereignis-basierte Systeme (EBS) ergänzen sich mit pull-basierten Ansät- zen, wie beispielsweise Service-orientierten Architekturen (SOA), und ermöglichen es so Unternehmen, auf relevante Ereignisse zeitnah reagieren zu können. Anwendungen aus den Bereichen Algorithmic Trading, energieeffizientes Rechenzentrumsmanagement oder Smart Supply-Chain- Management sind nur drei Beispiele für reaktive Softwaresysteme, in denen Informationen aus heterogenen Datenquellen in Form von Notifikationen zeitnah interpretiert werden müssen, denn Fehlalarme, nicht detektierte Ereignisse oder sonstige Daten mit ungenügender Informationsqualität (QoI) verursachen massive Kosten. Ob die Informationsqualität von Daten ausreichend ist, hängt vom jeweiligen Verwendungszweck ab, welcher anwendungsspezifisch und für jeden einzelnen Empfänger verschieden ist; zudem verändert er sich zur Laufzeit. Der Begriff der Informationsqualität umfasst daher sowohl objektiv messbare Eigenschaften einer Notifikation wie auch subjektive Bewertungen derselben, um den Informationswert (VoI) für einen Empfänger zu quantifizieren. Für reaktive Softwaresysteme ist es essentiell, nur Daten zu empfangen, die ihren Qualitätsanforderungen entsprechen. In derzeitigen Systemen werden solche Anforderungen jedoch nur unzureichend unterstützt. In dieser Dissertation wird das Konzept von Expectations, Capabilities und Feedback vorgestellt. Es handelt sich um ein neuartiges und ganzheitliches Konzept, welches es ermöglicht, Anforderungen hinsichtlich Datenqualität zur Laufzeit formulieren, automatisiert verhandeln und durchsetzen zu können. Teilsysteme und Anwendungen beschreiben ihre Anforderungen und mögliche Trade-offs als Expectations. Die Fähigkeit des Systems, bestimmte Qualitätsanforderungen mittels Selbstadaption erfüllen zu können, wird mittels Capabilities beschrieben. Diese beinhalten auch die individuellen Kosten für die Bereitstellung von Daten mit bestimmten Eigenschaften. Feedback ist eine zentrale Komponente dieses Ansatzes und wird genutzt, um die Adaption von Teilsystemen zur Laufzeit zu koordinieren. Der hier beschriebene Ansatz hat eine höhere Ausdrucksfähigkeit und unterstützt ein breiteres Spektrum an Qualitätseigenschaften als bisherige Ansätze. Anforderungen hinsichtlich Informationsqualität werden effektiv erfüllt, ohne die Performanz des EBS nachhaltig zu mindern. Diese Dissertation leistet konzeptuelle wie praktische Beiträge zur Unterstützung von Anforderungen über Informationsqualität in reaktiven Softwaresystemen. Auf der konzeptuellen Ebene sind dies: ein generisches und erweiterbares Modell zur Formulierung und Verwaltung von komplexen Qualitätsanforderungen, Algorithmen zur automatisierten Verhandlung und Durchsetzung dieser Anforderungen zur Laufzeit sowie ein Konzept zur effizienten Laufzeitüberwachung von verteilten dezentralen EBS. Der konzeptuelle Teil dieser Dissertation synthetisiert und erweitert Ansätze aus pull- wie push-basierten Systemen sowie den Wirtschaftswissenschaften. Auf der praktischen Ebene sind die Beiträge: eine Referenzarchitektur, Prototypen auf einer zentralisierten sowie einer verteilten Middleware Plattform, Beispiele für die Umsetzung des Konzepts in existierenden Anwendungen sowie eine umfassende Evaluation der Prototypen auf Basis von Apache ActiveMQ und REDS mittels industrie-erprobter Benchmarks und Werkzeuge. Der praktische Teil dieser Dissertation zeigt die Verwendbarkeit des vorgestellten Ansatzes.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Quality of Information, QoI, Quality of Service, QoS, Event-based Systems, EBS, DEBS, Architecture, Runtime, Negotiation, Software, ActiveMQ, REDS, Expectations, Capabilities, Adaptation, Feedback
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Datenqualität, Informationsqualität, Laufzeitunterstützung, VerhandlungGerman
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 000 Allgemeines, Wissenschaft
000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Databases and Distributed Systems
Date Deposited: 15 Apr 2016 09:00
Last Modified: 15 Apr 2016 09:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53663
Referees: Buchmann, Prof. Alejandro and Pietzuch, Prof. Peter
Refereed: 17 March 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5366
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