In dieser Dissertation zeigen wir auf, dass die Analyse, die Umsetzung und die Evaluation von Kommunikationssystemen durch i) fehlende Abstraktionen und die resultierende Implementierungskomplexität sowie ii) die benötigten umfassenden Evaluationen für die Vielzahl an Konfigurationsmöglichkeiten und Netzwerkumgebungen erschwert werden. Multipath TCP, das de facto Transportprotokoll zur Nutzung mehrerer Netzwerkpfade, stellt ein prominentes Beispiel dar. Innovationen im Bereich der Multipath TCP Paket Scheduler werden durch die Implementierungskomplexität innerhalb des Linux-Kernels und den benötigten umfassenden Analysen für die Vielzahl an Anwendungen und Netzwerkumgebungen erschwert.

Zur Überwindung des ersten Hindernisses schlagen wir ProgMP, das erste Programmiermodell für Multipath TCP Scheduler, als Abstraktion für den Entwurf und die Entwicklung von Multipath TCP Schedulern vor. ProgMP beinhaltet eine ausdrucksstarke Spezifikationssprache und eine einfache Programmierschnittstelle zur Spezifikation ausführbarer Multipath TCP Scheduler. Wir zeigen die Stärken von ProgMP am Beispiel von 13 neuen Schedulern mit unterschiedlichen Optimierungszielen auf. Als Teil dieser Scheduler schlagen wir den ersten redundanten Multipath TCP Scheduler vor und zeigen, dass dieser die Latenz für Anwendungen mit strikten Latenzanforderungen und moderaten Durchsatzanforderungen signifikant reduziert. Wir nutzen ProgMP für eine detaillierte Analyse von Entwurfsentscheidungen für die Verwendung von Redundanz zur Abwägung von Latenz und Durchsatz. Des Weiteren schlagen wir Scheduler vor, welche feingranulare Durchsatz- oder Latenzziele einhalten, sowie die Interaktion mit darüber liegenden Protokollen wie beispielsweise HTTP/2 optimieren und dabei Pfadpräferenzen einhalten. Unsere detaillierten Evaluationen mittels Netzwerkemulation sowie Echtweltmessungen zeigen, dass ProgMP effiziente Schedulingentscheidungen und eine Vielzahl neuer, ausführbarer Multipath TCP Scheduler ermöglicht. Neben ProgMP, unserem Hauptbeitrag zur Überwindung fehlender Abstraktionen, stellen wir des Weiteren Programmiermodelle als Abstraktionen für die Adaptionsentscheidung adaptiver Kommunikationssysteme vor. So schlagen wir vor, Adaptionsentscheidungen mittels event condition action Regeln (Ereignis, Bedingung, Aktion) zu spezifizieren und diese Regeln basierend auf genetischer Programmierung in umfassenden Netzwerkexperimenten automatisch für eine gegebene Nutzenfunktion zu lernen. Schließlich stellen wir ein Programmiermodell für die Spezifikation von Topologie-Adaptionen in Kommunikationssystemen mittels Graphmustern in der Topologie vor.

Zur Überwindung des zweiten identifizierten Hindernisses haben wir das MACI Framework zur Verwaltung, skalierbaren Ausführung und interaktiven Analyse von umfassenden Netzwerkexperimenten entwickelt. Im Kern ist MACI eine Kombination und Integration etablierter Werkzeuge zur Förderung gründlicher, nahtloser Evaluationen während des gesamten Forschungsprozesses. Wir diskutieren unsere Erfahrungen mit MACI während i) der Entwicklung und Evaluation unserer vorgeschlagenen ProgMP Scheduler, ii) der Analyse eines verteilten Protokolls zur Auffindung von Graphmustern in Topologien, sowie iii) eines systematischen Vergleichs von DASH Video Streaming Implementierungen. Unsere Erfahrungen bestätigen, dass MACI wiederkehrende Aufgaben in der Evaluation diverser Kommunikationssysteme unterstützt und dadurch die Forschungseffizienz signifikant erhöht. Die Experimente mit MACI für ProgMP, Topologiemustererkennung und DASH gehen über eine Evaluation von MACI hinaus und stellen signifikante Beiträge zum Verständnis der jeweiligen Gebiete dar.

Insgesamt beinhaltet diese Dissertation die folgenden Beiträge: i) drei Programmiermodelle für die Bereiche des Multipath TCP Schedulings, der adaptiven Kommunikationssysteme, sowie der Topologie-Adaption in Kommunikationssystemen, ii) 13 neue, ausführbare Multipath TCP Scheduler, sowie iii) ein wiederverwendbares Framework zur nahtlosen Ausführung und Analyse umfassender Netzwerkexperimente.