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  • Publication
    Transactional support for cooperative applications
    (GMD Forschungszentrum Informationstechnik, 1999)
    Wäsch, J.
    Eine Vielzahl von Tätigkeiten, die in heutigen Unternehmen anfallen, werden nicht mehr von Einzelpersonen bearbeitet, sondern gemeinsam in der Gruppe gelöst. Beispiele sind das gemeinsame Erstellen von Dokumenten, Designprozesse, Softwareentwicklung und unternehmensweite Geschäftsprozesse. Allerdings werden kooperative Abläufe von heutigen Anwendungsprogrammen nicht bzw. nur unzureichend unterstützt, so daß die Anwender selbst für einen korrekten Arbeitsablauf und die Konsistenz gemeinsam benutzter Dokument- und Informationsbestände verantwortlich sind. Die Erhaltung der Konsistenz von Daten bei gleichzeitigem Zugriff mehrerer Benutzer ist die klassische Aufgabe des Transaktionsmanagements in Datenbankverwaltungssystemen. Das traditionelle Transaktionsmodell basiert dabei auf der Annahme einer hohen Zahl relativ kurzer Transaktionen, die atomar und isoliert voneinander ablaufen. Kooperative Anwendungen haben allerdings stark abweichende Anforderungen an Transaktionsunterstützung. Ein kooperatives Transaktionsmodell muß strukturierte Arbeitsprozesse von langer Dauer unterstützen und dabei eine flexible, interaktive und konsistenzerhaltende Kooperation der Gruppenmitglieder auf gemeinsam genutzten Datenbeständen ermöglichen. In dieser Dissertation beschreiben wir ein neuartiges Transaktionsmodell (COACT), das Kooperation zwischen mehreren Benutzern ermöglicht, gleichzeitig aber transaktionsartige Ausführungsgarantien sowohl für die Arbeit der Gruppe als auch für die Arbeit des einzelnen Benutzers gibt. Ausgangspunkt der Dissertation ist eine umfassende Anforderungsanalyse verschiedener kooperativer Anwendungen. Das Spektrum reicht dabei von routinemäßiger Vorgangsbearbeitung bis zu unstrukturierten, kreativen Aufgaben, die stark interaktiv und kooperativ durchgeführt werden. Alle untersuchten Anwendungen sind durch abwechselnde Phasen individueller und gemeinsamer Arbeit gekennzeichnet. Um unabhängige Arbeit zu ermöglichen, wird im COACT Modell jedem Benutzer ein privater Arbeitsbereich zugeordnet. Zusätzlich existiert ein gemeinsamer Arbeitsbereich für die gesamte kooperative Aktivität, der allen Kooperationsteilnehmern zugänglich ist. Die Kooperation der Benutzer untereinander, d.h. der kontrollierte Austausch von Informationen zwischen den verschiedenen Arbeitsbereichen, wird durch spezielle Austauschprimitive ermöglicht. Zentraler Aspekt dabei ist die nahtlose Integration der Arbeitsergebnisse einzelner Benutzer in einem Arbeitsbereich. Dazu wird ein neuer leistungsfähiger Integrationsmechanismus entwickelt, das sogenannte History Merging Verfahren. Dieses ist in der Lage scheinbar bestehende Integrationskonflikte auf einer semantisch höheren Ebene aufzulösen. Hierbei verfolgt COACT einen operationsbasierten Ansatz. Alle in einem Arbeitsbereich ausgeführten Operationen werden in einer Historie des Arbeitsbereichs protokolliert. Der Austausch von Informationen zwischen Arbeitsbereichen erfolgt nicht durch den Austausch von Datenobjekten, sondern durch die erneute Ausführung ausgewählter Operationen im Zielarbeitsbereich. Die Datenkonsistenz wird dabei durch das History Merging Verfahren unter Ausnutzung der Semantik von Operationen sichergestellt. Dazu verwenden wir sowohl Vorwärts als auch Rückwärtskommutativitiät von Operationen in den Historien. Die Flexibilität unseres Ansatzes ergibt sich dabei aus der Berücksichtigung von Kommutativitätsrelationen zur dynamischen Bestimmung konsistenter Arbeitseinheiten, zur Erkennung und Auflösung von relevanten Konflikten bei der Integration von Arbeitsergebnissen und zur selektiven Kompensation von Operationen in Arbeitsbereichen. Formal betrachtet garantiert das History Merging Verfahren die Legalität von Operationen in den Historien der einzelnen Arbeitsbereiche. Eine Operation ist legal, falls ihr beobachtbares Verhalten ihrer funktionalen Spezifikation genügt. Das Korrektheitskriterium der Legalität garantiert die Konsistenz der Daten in den einzelnen Arbeitsbereichen, während die Isolations- und Atomaritätseigenschaft des traditionellen Transaktionsmodells gezielt abgeschwächt werden. Somit wird Kooperation zwischen parallel arbeitenden Kooperationspartnern ermöglicht. Neben der Unterstützung kooperativer Anwendungen ist das COACT Modell auch zur Datenverwaltung und Kooperationsunterstützung in mobilen Umgebungen geeignet. Die privaten Arbeitsbereiche ermöglichen es mobilen Benutzern, trotz Verbindungsunterbrechung zum stationären System weiterzuarbeiten. Zur korrekten Integration der während dieser Zeit erstellten Arbeitsergebnisse können wiederum auf dem History Merging Verfahren basierende Synchronisationsprimitive verwendet werden. Um die Anwendbarkeit der entwickelten Konzepte zu demonstrieren wurde das COACT Modell als Erweiterung des objektorientierten Datenbanksystems VODAK implementiert. Das auf VODAK aufbauenende Hypermedia-Autorensystem SEPIA wurde um die von COACT angebotenen Kooperationsmechanismen erweitert und mit zusätzlichen Koordinationsmechanismen integriert. Wir glauben, daß die Integration des kooperativen Transaktionsmodells COACT mit moderner Datenbanktechnologie die Konzeption und Realisierung kooperativer Anwendungen erheblich vereinfacht. Dabei reicht das Anwendungsgebiet der in dieser Arbeit entwickelten Konzepte über die untersuchten kooperativen Anwendungen hinaus. Mögliche Einsatzbereiche sind etwa die teilautomatisierte Kombination von Versionen in Repositorysystemen und die semantische Re-integration von Replikaten in mobilen und asynchron replizierten Umgebungen.
  • Publication
    Optimal quality of service under dynamic resource constraints in distributed multimedia database systems
    (GMD Forschungszentrum Informationstechnik, 1998)
    Thimm, H.
    Zukünftige Multimedia-Datenbankverwaltungssysteme (MM-DBVS) müssen neue, multimedia-spezifische Dienste bereitstellen. Da multimediale Anwendungen im allgemeinen präsentationsintensiv sind, ist insbesondere ein Dienst zur Verwaltung und Ausführung multimedialer Präsentationen erforderlich. Wir nennen diesen Dienst im folgenden Playout Management Dienst. In einem MM-DBVS übernimmt der Playout Management Dienst die Aufgabe, Medienobjekte wie z.B. Texte, Bilder, Audios, Videos und digitale Animationen, sowie deren Kombination zu komplexen Präsentationen dem Benutzer zu präsentieren. Dabei sind die vom Benutzer spezifizierten Präsentationsparameter einzuhalten, die auch als benutzerspezifische Dienstgüte bzw. Quality of Service (QoS) Parameter bezeichnet werden. Beispiele für QoS Parameter sind Größe und Farbtiefe von Rasterbildern oder Bildwiederholrate und Gleichlaufschwankung von Videopräsentationen. Da in verteilten Umgebungen die Verfügbarkeit von Betriebsmitteln nicht kontinuierlich garantiert ist, kann es während multimedialer Präsentationen häufig zu Ressourcenmangel kommen. Dieser Mangel an Ressourcen erschwert die Einhaltung aller QoS Parameter, so daß im Extremfall die Präsentation unkontrolliert terminiert. Eine triviale Interventionsstrategie ist das Pausieren der Präsentation so lange bis die Ressourcen wieder ausreichend verfügbar sind. Eine Alternativstrategie ist die Anpassung der QoS Parameter an die verfügbaren Ressourcen unter Berücksichtigung der vom Benutzer spezifizierten Ober- und Unterschranken. Dieser zweite Ansatz wird auch als Adaptive QoS Management bezeichnet. Bei Ressourcenmangel werden dabei die Werte der QoS Parameter verschlechtert, während sie bei Überfluß verbessert werden. Die Reduzierung der Bildwiederholrate bei Videopräsentationen, z.B. von 30 auf 20 Bilder pro Sekunde, kann zur Anpassung bei Ressourcenmangel vorgenommen werden. Die Auswahl der zu adaptierenden QoS Parameter kann entweder explizit durch den Benutzer oder vollautomatisch durch das MM-DBVS erfolgen. Übernimmt diese Aufgabe das MM-DBVS, ist der Benutzer von dem schwierigen Problem befreit, geeignete Parameteranpassungen aus einer Vielzahl möglicher Alternativen auszuwählen (insbesondere bei komplexen, multimedialen Präsentationen). Darüber hinaus kann eine vollautomatische Auswahl bestmögliche QoS Parameter und minimale Anzahl an Präsentationsunterbrechungen garantieren. Die Vorteile des vollautomatischen Ansatzes motivieren daher eine Erweiterung des Playout Management Dienstes zu einem Reactive Playout Management Dienst für adaptive, multimediale Präsentationen. Um diesen Dienst erweiterte MM-DBVS ermöglichen nun erstmals multimediale Präsentationen in verteilten Umgebungen mit stark schwankender Verfügbarkeit an Ressourcen wie z.B. in Intranets. Trotz unvorhersehbarer Schwankungen wird die Präsentation bestmöglich durchgeführt. Diese Dissertation stellt einen Ansatz für einen Reactive Playout Management Dienst vor, der integriert in ein MM-DBVS mehrere Präsentationen gleichzeitig, unter bestmöglicher Anpassung an die verfügbaren Ressourcen präsentieren kann. Kernaussage dieser Dissertation ist, daß die bestmögliche Anpassung an die verfügbaren Ressourcen, eine globale Optimierung der QoS Parameter aller gleichzeitig ablaufender Präsentationen erfordert. Ziel der globalen Optimierung ist, die QoS Parameter der einzelnen Präsentationen so zu optimieren, daß die durchschnittliche Qualität bzw. Dienstgüte aller Präsentationen optimal wird. Es werden Konzepte zur Berechnung der Dienstgüte multimedialer Präsentationen eingeführt und ein Steuerungssystem zur globalen Optimierung der einzelnen Dienstgüten spezifiziert. Wir nennen dieses Steuerungssystem im folgenden Embedded Presentation QoS Control System (PQCS). Kern des PQCS bildet ein Algorithmus zur Auswahl und Ausführung sogenannter Corrective Actions Sets, die die QoS Parameter der einzelnen Präsentationen optimal an die verfügbaren Ressourcen anpassen. Die Auswahl der Corrective Actions Sets basiert auf einer zweidimensionalen Metrik zu deren qualitativen Bewertung. Untersucht werden zwei verschiedene Ansätze zur Realisierung des beschriebenen PQCS Algorithmus. Der eine Ansatz basiert auf Linearer Programmierung, der andere auf eigenen Heuristiken. In einer Simulationsstudie werden konkrete Implementierungen beider Alternativen empirisch evaluiert. Die Integration des PQCS Systems in ein MM-DBVS erfolgt im Rahmen des MM-DBVS AMOS.