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A Model Driven Architecture for Adaptable Overlay Networks

Behnel, Stefan :
A Model Driven Architecture for Adaptable Overlay Networks.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: A Model Driven Architecture for Adaptable Overlay Networks
Language: English
Abstract:

Recent years have witnessed a remarkable spread of interest in decentralised infrastructures for Internet services. Peer-to-Peer systems and overlay networks have given rise to a major paradigm shift and to novel challenges in distributed systems research. Numerous projects from several research communities and commercial organisations have started building and deploying their own systems. Adoption, however, has been restricted to sparsely selected areas, dominated by few applications. Among the technical reasons for the limited availability of deployable systems is the complexity of their design and the incompatibility of systems and frameworks. Applications are tightly coupled to a specific overlay implementation and the framework it uses. This leaves developers with two choices: implementing their application based on the fixed combination of overlay, networking framework and programming language, or reimplementing the overlay based on the desired application framework. Both approaches have their obvious draw-backs. Implementing an overlay, even as a reimplementation, is a task that exhibits considerable challenges. Protocols have to be adapted, completed and partially reverse engineered from the original system to implement them correctly. Message serializations and interfaces have to be rewritten for the new framework. State maintenance and event handling are programmed in very different ways in different environments, which typically requires their redesign. Reimplementing an overlay for a new environment is therefore not necessarily less work than designing a new one. As for the alternative, being tied to a specific environment prevents the application designer from freely choosing the best suited framework for the specific application. Deploying different overlays in one application is only possible if they were written for the same framework, and even then, running multiple non-integrated overlays at the same time can become prohibitively resource extensive. Testing with different overlay topologies and adapting to different deployment environments is similarly hard in this scenario. The current techniques used for overlay implementation turn out to become limiting factors in the design of overlay applications. The approach taken by this thesis tackles these issues at design time, at a point long before integration problems arise. It presents a modelling framework that allows to express overlay specific semantics in a platform-independent, domain specific language called the Overlay Modelling Language, OverML. A Model Driven Architecture maps these abstract overlay specifications to concrete, framework specific implementations. Applications based on OverML benefit from state sharing between different overlays and from short topology implementations in the SQL-Like Overlay Specification Language SLOSL. Their conciseness allows an easy adaptation of SLOSL statements to specific quality-of-service requirements. The architecture provides a clean separation between the generated implementation and hand-written components through generic, event-driven interfaces. To evaluate the approach, a series of topologies is exemplarily specified in OverML and/or SLOSL. A complete walk-through from the specification to the deployment of an OverML implemented overlay is additionally presented. The major contribution of this thesis is the first complete design methodology for the integrative, high-level development of portable, adaptable overlay networks.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Seit einigen Jahren zeigt sich ein stark zunehmendes Interesse an dezentralen Infrastrukturen für internetweite Dienste. Ausgelöst durch den massiven Erfolg von Peer-to-Peer Systemen und Overlay-Netzwerken hat vor allem in der Forschung ein Umdenken eingesetzt. Wie sehr diese Netzwerke als ernsthafte Alternative zu Client-Server Systemen wahrgenommen werden, belegt die große Menge an Systemen, die Forschungsgruppen und Firmen weltweit entworfen haben. Bemerkenswert ist jedoch auch, wie wenige dieser Systeme den Weg in reale Anwendungen gefunden haben. Abgesehen von Programmen zur Distribution großer Datenmengen (E-Donkey oder BitTorrent) gibt es nur wenige Systeme mit nennenswerter Verbreitung. Für diesen Mangel an Anwendungen gibt es durchaus auch technische Gründe. Zu nennen sind hier vor allem die Komplexität dieser verteilten Systeme und die Inkompatibilität der existierenden Implementierungen. Anwendungen sind dabei sehr stark an die zu Grunde liegende Overlay-Software gekoppelt. Ihren Entwicklern bieten sich heute nur zwei Möglichkeiten. Sie können ihre Anwendungen für existierende Overlay-Implementierungen maßschneidern und sich auf die damit einhergehende Kombination aus Software-Umgebung und Programmiersprache festlegen. Oder sie wählen eine Sprache und Umgebung, die zu ihrer Anwendung passt und sind dann gezwungen, das benötigte Overlay in dieser Umgebung neu zu implementieren. Aus Entwicklersicht kann keiner dieser Ansätze zufriedenstellend sein. Ein bestehendes Overlay zu portieren ist nur selten weniger Aufwand als es neu zu schreiben. Das liegt einerseits an der zumeist unzureichenden Spezifikation, die eine Anpassung der Protokolle nach sich zieht. Teilweise muss dabei sogar auf Reverse-Engineering der ursprünglichen Implementierung zurückgegriffen werden. Zudem ist die Implementierung von Nachrichtenverwaltung und -serialisierung, Komponentenschnittstellen und Zustandsverwaltung sehr stark von der verwendeten Software-Umgebung abhängig, so dass diese Teile neu entwickelt werden müssen. Der hierfür benötigte Aufwand steht in keinem Verhältnis zu der Erleichterung, die der Einsatz von Overlays für Anwendungsentwickler bringen soll. Die Alternative ist die Übertragung der vom Overlay genutzten Software-Umgebung auf die Anwendung. Dies macht jedoch nur dann Sinn, wenn Umgebung und Programmiersprache auch angemessene Unterstützung für die Entwicklung der spezifischen Anwendung bieten. Selbst dann besteht jedoch weiterhin das Problem der Inkompatibilität zwischen Overlay-Implementierungen, so dass ein späterer Wechsel oder auch nur Tests mit anderen Overlays mit großem Aufwand verbunden sind. Eine gemeinsame Nutzung mehrerer Overlays zur Laufzeit verbietet sich schon durch die fehlende Integration der Systeme, da sich ihr Resourcenverbrauch zumeist summiert. Die vorliegende Arbeit verfolgt einen umfassenderen Ansatz, der die beschriebenen Integrationsprobleme von vornherein umgeht und sowohl die Entwicklung als auch den Umgang mit Overlay-Software vereinfacht. Er erlaubt erstmals die plattformunabhängige, abstrakte Modellierung von Overlay-Implementierungen. Die Beschreibung erfolgt in einer eigens zu diesem Zweck entwickelten domänenspezifischen Sprache namens OverML, der Overlay Modelling Language. Entsprechend dem Model-Driven-Architecture Ansatz erfolgt anschließend eine maschinelle Übersetzung der abstrakten Modelle in konkrete Implementierungen für spezifische Software-Umgebungen. Auch für Anwendungen bietet OverML Vorteile. So werden die Topologieeigenschaften von Overlay-Implementierungen durch die Verwendung der kompakten, SQL-ähnlichen Sprache SLOSL übersichtlich und konfigurierbar und lassen sich sehr leicht an spezielle Anforderungen anpassen. Zur Integration mehrerer Overlays wird ein gemeinsamer Zustandsspeicher verwendet, der eine Duplizierung des Verwaltungsaufwandes zu vermeiden hilft. Die Komponentenarchitektur wird durch generische, datengesteuerte Schnittstellen entkoppelt, was zu einer sauberen Trennung von generiertem und handgeschriebenem Code führt. Zur Evaluierung werden verschiedene Overlay-Topologien spezifiziert. Zudem erfolgt eine Beschreibung des vollständigen Entwicklungsablaufes von der Spezifikation einer Overlay-Implementierung bis hin zu ihrem Einsatz in wechselnden Anwendungsumgebungen. Somit stellt diese Arbeit eine neuartige Methodik zur Verfügung, die erstmals die integrative, abstrakte Entwicklung plattformunabhängiger, leicht adaptierbarer Overlay-Implementierungen erlaubt.German
Uncontrolled Keywords: Overlay-Design, Dienstgütegarantien, Topologieadaptation, Overlay-Middleware, generische Overlay-Komponenten, NALA, SLOSL, EDSL, HIMDEL, EDGAR
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Overlay-Design, Dienstgütegarantien, Topologieadaptation, Overlay-Middleware, generische Overlay-Komponenten, NALA, SLOSL, EDSL, HIMDEL, EDGARGerman
Overlay Design, Quality-of-Service, Topology Adaptation, Overlay-Middleware, Generic Overlay-Components, NALA, SLOSL, EDSL, HIMDEL, EDGAR-English
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Informatik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000864
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8647
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Coulson, Prof. Geoff and Steinmetz, Prof. Ralf
Advisors: Buchmann, Prof. Alejandro P.
Refereed: 5 February 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/864
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