Framework for middleware executed on mobile devices

Die ubiquitäre Datenverarbeitung ist ein attraktives Forschungsgebiet des vergangenen und aktuellen Jahrzehnts. Es handelt von unaufdringlicher Unterstützung von Menschen in ihren alltäglichen Aufgaben durch Rechner. Diese Unterstützung wird durch die Allgegenwärtigkeit von Rechnern ermöglicht die sich spontan zu verteilten Kommunikationsnetzwerken zusammen finden, um Informationen auszutauschen und zu verarbeiten. Umgebende Intelligenz ist eine Anwendung der ubiquitären Datenverarbeitung und eine strategische Forschungsrichtung der Information Society Technology der Europäischen Union. Das Ziel der umbebenden Intelligenz ist komfortableres und sichereres Leben. Verteilte Kommunikationsnetzwerke für die ubiquitäre Datenverarbeitung charakterisieren sich durch Heterogenität der verwendeten Rechner. Diese reichen von Kleinstrechnern, eingebettet in Gegenstände des täglichen Gebrauchs, bis hin zu leistungsfähigen Großrechnern. Die Rechner verbinden sich spontan über kabellose Netzwerktechnologien wie wireless local area networks (WLAN), Bluetooth, oder UMTS. Die Heterogenität verkompliziert die Entwicklung und den Aufbau von verteilten Kommunikationsnetzwerken. Middleware ist eine Software Technologie um Komplexität durch Abstraktion zu einer homogenen Schicht zu reduzieren. Middleware bietet eine einheitliche Sicht auf die durch sie abstrahierten Ressourcen, Funktionalitäten, und Rechner. Verteilte Kommunikationsnetzwerke für die ubiquitäre Datenverarbeitung sind durch die spontane Verbindung von Rechnern gekennzeichnet. Klassische Middleware geht davon aus, dass Rechner dauerhaft miteinander in Kommunikationsbeziehungen stehen. Das Konzept der dienstorienterten Architektur ermöglicht die Entwicklung von Middleware die auch spontane Verbindungen zwischen Rechnern erlaubt. Die Funktionalität von Middleware ist dabei durch Dienste realisiert, die unabhängige Software-Einheiten darstellen. Das Wireless World Research Forum beschreibt Dienste die zukünftige Middleware beinhalten sollte. Diese Dienste werden von einer Ausführungsumgebung beherbergt. Jedoch gibt es noch keine Definitionen wie sich eine solche Ausführungsumgebung ausprägen und welchen Funktionsumfang sie haben muss. Diese Arbeit trägt zu Aspekten der Middleware-Entwicklung für verteilte Kommunikationsnetzwerke in der ubiquitären Datenverarbeitung bei. Der Schwerpunkt liegt auf Middleware und Grundlagentechnologien. Die Beiträge liegen als Konzepte und Ideen für die Entwicklung von Middleware vor. Sie decken die Bereiche Dienstfindung, Dienstaktualisierung, sowie Verträge zwischen Diensten ab. Sie sind in einem Rahmenwerk bereit gestellt, welches auf die Entwicklung von Middleware optimiert ist. Dieses Rahmenwerk, Framework for Applications in Mobile Environments (FAME²) genannt, beinhaltet Richtlinien, eine Definition einer Ausführungsumgebung, sowie Unterstützung für verschiedene Zugriffskontrollmechanismen um Middleware vor unerlaubter Benutzung zu schützen. Das Leistungsspektrum der Ausführungsumgebung von FAME² umfasst: • minimale Ressourcenbenutzung, um auch auf Rechnern mit wenigen Ressourcen, wie z.B. Mobiltelefone und Kleinstrechnern, nutzbar zu sein • Unterstützung für die Anpassung von Middleware durch Änderung der enthaltenen Dienste während die Middleware ausgeführt wird • eine offene Schnittstelle um praktisch jede existierende Lösung für das Finden von Diensten zu verwenden • und eine Möglichkeit der Aktualisierung von Diensten zu deren Laufzeit um damit Fehlerbereinigende, optimierende, und anpassende Wartungsarbeiten an Diensten durchführen zu können Eine begleitende Arbeit ist das Extensible Constraint Framework (ECF), welches Design by Contract (DbC) im Rahmen von FAME² nutzbar macht. DbC ist eine Technologie um Verträge zwischen Diensten zu formulieren und damit die Qualität von Software zu erhöhen. ECF erlaubt das aushandeln sowie die Optimierung von solchen Verträgen.

Evolving Distributed Algorithms with Genetic Programming

Distributed systems are one of the most vital components of the economy. The most prominent example is probably the internet, a constituent element of our knowledge society. During the recent years, the number of novel network types has steadily increased. Amongst others, sensor networks, distributed systems composed of tiny computational devices with scarce resources, have emerged. The further development and heterogeneous connection of such systems imposes new requirements on the software development process. Mobile and wireless networks, for instance, have to organize themselves autonomously and must be able to react to changes in the environment and to failing nodes alike. Researching new approaches for the design of distributed algorithms may lead to methods with which these requirements can be met efficiently. In this thesis, one such method is developed, tested, and discussed in respect of its practical utility. Our new design approach for distributed algorithms is based on Genetic Programming, a member of the family of evolutionary algorithms. Evolutionary algorithms are metaheuristic optimization methods which copy principles from natural evolution. They use a population of solution candidates which they try to refine step by step in order to attain optimal values for predefined objective functions. The synthesis of an algorithm with our approach starts with an analysis step in which the wanted global behavior of the distributed system is specified. From this specification, objective functions are derived which steer a Genetic Programming process where the solution candidates are distributed programs. The objective functions rate how close these programs approximate the goal behavior in multiple randomized network simulations. The evolutionary process step by step selects the most promising solution candidates and modifies and combines them with mutation and crossover operators. This way, a description of the global behavior of a distributed system is translated automatically to programs which, if executed locally on the nodes of the system, exhibit this behavior. In our work, we test six different ways for representing distributed programs, comprising adaptations and extensions of well-known Genetic Programming methods (SGP, eSGP, and LGP), one bio-inspired approach (Fraglets), and two new program representations called Rule-based Genetic Programming (RBGP, eRBGP) designed by us. We breed programs in these representations for three well-known example problems in distributed systems: election algorithms, the distributed mutual exclusion at a critical section, and the distributed computation of the greatest common divisor of a set of numbers. Synthesizing distributed programs the evolutionary way does not necessarily lead to the envisaged results. In a detailed analysis, we discuss the problematic features which make this form of Genetic Programming particularly hard. The two Rule-based Genetic Programming approaches have been developed especially in order to mitigate these difficulties. In our experiments, at least one of them (eRBGP) turned out to be a very efficient approach and in most cases, was superior to the other representations.

Konzeption eines generischen Vorgehensmodells zur strategieorientierten und partizipativen Einführung komplexer Softwaresysteme unter Berücksichtigung organisatorischer Gestaltungsprozesse

Die Dissertation befasst sich mit der Einführung komplexer Softwaresysteme, die, bestehend aus einer Kombination aus parametrisierter Standardsoftware gepaart mit Wettbewerbsvorteil sichernden Individualsoftwarekomponenten, keine Software-Engineering-Projekte im klassischen Sinn mehr darstellen, sondern einer strategieorientierten Gestaltung von Geschäftsprozessen und deren Implementierung in Softwaresystemen bedürfen. Die Problemstellung einer adäquaten Abwägung zwischen TCO-optimierender Einführung und einer gleichzeitigen vollständigen Unterstützung der kritischen Erfolgsfaktoren des Unternehmens ist hierbei von besonderer Bedeutung. Der Einsatz integrierter betriebswirtschaftlicher Standardsoftware, mit den Möglichkeiten einer TCO-Senkung, jedoch ebenfalls der Gefahr eines Verlustes von Alleinstellungsmerkmalen am Markt durch Vereinheitlichungstendenzen, stellt ein in Einführungsprojekten wesentliches zu lösendes Problem dar, um Suboptima zu vermeiden. Die Verwendung von Vorgehensmodellen, die sich oftmals an klassischen Softwareentwicklungsprojekten orientieren oder vereinfachte Phasenmodelle für das Projektmanagement darstellen, bedingt eine fehlende Situationsadäquanz in den Detailsituationen der Teilprojekte eines komplexen Einführungsprojektes. Das in dieser Arbeit entwickelte generische Vorgehensmodell zur strategieorientierten und partizipativen Einführung komplexer Softwaresysteme im betriebswirtschaftlichen Anwendungsbereich macht - aufgrund der besonders herausgearbeiteten Ansätze zu einer strategieorientierten Einführung, respektive Entwicklung derartiger Systeme sowie aufgrund der situationsadäquaten Vorgehensstrategien im Rahmen der Teilprojektorganisation � ein Softwareeinführungsprojekt zu einem Wettbewerbsfaktor stärkenden, strategischen Element im Unternehmen. Die in der Dissertation diskutierten Überlegungen lassen eine Vorgehensweise präferieren, die eine enge Verschmelzung des Projektes zur Organisationsoptimierung mit dem Softwareimplementierungsprozess impliziert. Eine Priorisierung der Geschäftsprozesse mit dem Ziel, zum einen bei Prozessen mit hoher wettbewerbsseitiger Priorität ein organisatorisches Suboptimum zu vermeiden und zum anderen trotzdem den organisatorischen Gestaltungs- und den Systemimplementierungsprozess schnell und ressourcenschonend durchzuführen, ist ein wesentliches Ergebnis der Ausarbeitungen. Zusätzlich führt die Ausgrenzung weiterer Prozesse vom Einführungsvorgang zunächst zu einem Produktivsystem, welches das Unternehmen in den wesentlichen Punkten abdeckt, das aber ebenso in späteren Projektschritten zu einem System erweitert werden kann, welches eine umfassende Funktionalität besitzt. Hieraus ergeben sich Möglichkeiten, strategischen Anforderungen an ein modernes Informationssystem, das die kritischen Erfolgsfaktoren eines Unternehmens konsequent unterstützen muss, gerecht zu werden und gleichzeitig ein so weit als möglich ressourcenschonendes, weil die Kostenreduktionsaspekte einer Standardlösung nutzend, Projekt durchzuführen. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die situationsadäquate Modellinstanziierung, also die projektspezifische Anpassung des Vorgehensmodells sowie die situationsadäquate Wahl der Vorgehensweisen in Teilprojekten und dadurch Nutzung der Vorteile der verschiedenen Vorgehensstrategien beim konkreten Projektmanagement. Der Notwendigkeit der Entwicklung einer Projektorganisation für prototypingorientiertes Vorgehen wird in diesem Zusammenhang ebenfalls Rechnung getragen. Die Notwendigkeit der Unternehmen, sich einerseits mit starken Differenzierungspotenzialen am Markt hervorzuheben und andererseits bei ständig sinkenden Margen einer Kostenoptimierung nachzukommen, lässt auch in Zukunft das entwickelte Modell als erfolgreich erscheinen. Hinzu kommt die Tendenz zu Best-Of-Breed-Ansätzen und komponentenbasierten Systemen im Rahmen der Softwareauswahl, die eine ausgesprochen differenzierte Vorgehensweise in Projekten verstärkt notwendig machen wird. Durch die in das entwickelte Modell integrierten Prototyping-Ansätze wird der auch in Zukunft an Bedeutung gewinnenden Notwendigkeit der Anwenderintegration Rechnung getragen.

Chancen und Risiken der Arbeit im E-Business

E-Business, verstanden als ganzheitliche Strategie zur Reorganisation von Geschäftsprozessen, Strukturen und Beziehungen in Unternehmen, bietet für die Arbeitsgestaltung in einer digital vernetzten Welt Chancen und Risiken in Hinblick auf die Humankriterien. Empirische Untersuchungen in 14 Unternehmen zeigen „good practice“-Ansätze im B2B-Feld (Business-to-Business). Untersucht wurden die Tätigkeiten der elektronisch vernetzten Auftragsbearbeitung, des Web-, Content-Managements, der digitalen Druckvorlagenherstellung sowie der CAD- Bauplanzeichnung. Die beobachteten Arbeitsplätze zeigen, dass Arbeitsinhalte eher ganzheitlich und komplex gestaltet sind. Planende, ausführende, kontrollierende und organisierende Anteile weisen auf eine vielfältige Aufgabengestaltung hin, die hohe Anforderungen beinhaltet. Während alle beobachteten Tätigkeiten mit Aufnahme-, Erarbeitungs-, Verarbeitungs-, Übertragungs- und Weitergabeprozessen von Informationen zu tun haben, gibt es Differenzen in Bezug auf den Arbeitsumfang, den Zeitdruck, Fristsetzungen, erwartete Arbeitsleistungen sowie die Planbarkeit der Aufgaben. Die vorgefundenen Aufgabentypen (wenig bis sehr anforderungsreich im Sinne von Denk- und Planungsanforderungen) sind gekennzeichnet durch eine unterschiedlich ausgeprägte Aufgabenkomplexität. Interessant ist, dass, je anforderungsreicher die Aufgabengestaltung, je höher die Aufgabenkomplexität, je größer die Wissensintensität und je niedriger die Planbarkeit ist, desto größer sind die Freiräume in der Aufgabenausführung. Das heißt wiederum, dass bei zunehmenden E-Business-Anteilen mehr Gestaltungsspielräume zur Verfügung stehen. Die bestehenden Chancen auf eine humane Aufgabengestaltung sind umso größer, je höher die E-Business-Anteile in der Arbeit sind. Diese Wirkung findet sich auch bei einem Vergleich der Aufgabenbestandteile wieder. Die negativen Seiten des E-Business zeigen sich in den vorgefundenen Belastungen, die auf die Beschäftigten einwirken. Diskutiert wird die Verschiebung von körperlichen hin zu psychischen und vorrangig informatorischen Belastungen. Letztere stellen ein neues Belastungsfeld dar. Ressourcen, auf welche die Mitarbeiter zurückgreifen können, sind an allen Arbeitsplätzen vorhanden, allerdings unterschiedlich stark ausgeprägt. Personale, organisationale, soziale, aufgabenbezogene und informatorische Ressourcen, die den Beschäftigten zur Verfügung stehen, werden angesprochen. In Bezug auf die Organisationsgestaltung sind positive Ansätze in den untersuchten E-Business-Unternehmen zu beobachten. Der Großteil der untersuchten Betriebe hat neue Arbeitsorganisationskonzepte realisiert, wie die vorgefundenen kooperativen Organisationselemente zeigen. Die kooperativen Organisationsformen gehen allerdings nicht mit einer belastungsärmeren Gestaltung einher. Das vorgefundene breite Spektrum, von hierarchisch organisierten Strukturen bis hin zu prozess- und mitarbeiterorientierten Organisationsstrukturen, zeigt, dass Organisationsmodelle im E-Business gestaltbar sind. Neuen Anforderungen kann insofern gestaltend begegnet und somit die Gesundheit und das Wohlbefinden der Mitarbeiter positiv beeinflusst werden. Insgesamt betrachtet, zeigt E-Business ein ambivalentes Gesicht, das auf der Basis des MTO-Modells (Mensch-Technik-Organisation) von Uhlich (1994) diskutiert wird, indem vernetzte Arbeitsprozesse auf personeller, technischer sowie organisationaler Ebene betrachtet werden. E-business, seen as more than only the transformation of usual business processes into digital ones, furthermore as an instrument of reorganisation of processes and organisation structures within companies, offers chances for a human oriented work organisation. Empirical data of 14 case studies provide good practice approaches in the field of B2B (Business-to-Business). The observed work contents show, that tasks (e.g. order processing, web-, contentmanagement, first print manufacturing and architectural drawing) are well arranged. Executive, organising, controlling and coordinating parts constitute a diversified work content, which can be organised with high demands. Interesting is the result, that the more e-business-parts are within the work contents, on the one hand the higher are the demands of the type of work and on the other hand the larger is the influence on workmanship. The observed enterprises have realised new elements of work organisation, e.g. flexible working time, cooperative leadership or team work. The direct participation of the employees can be strengthened, in particular within the transformation process. Those companies in which the employees were early and well informed about the changes coming up with e-business work, the acceptance for new technique and new processes is higher than in companies which did not involve the person concerned. Structured in an ergonomic way, there were found bad patterns of behaviour concerning ergonomic aspects, because of missing knowledge regarding work-related ergonomic expertise by the employees. E-business indicates new aspects concerning requirements – new in the field of informational demands, as a result of poorly conceived technical balance in the researched SME. Broken systems cause interruptions, which increase the pressure of time all the more. Because of the inadequate usability of software-systems there appear in addition to the informational strains also elements of psychological stress. All in all, work contents and work conditions can be shaped and as a result the health and well-being of e-business-employees can be influenced: Tasks can be structured and organised in a healthfulness way, physiological strain and psychological stress are capable of being influenced, resources are existent and developable, a human work design within e-business structures is possible. The ambivalent face of e-business work is discussed on the basis of the MTO- (Mensch-Technik-Organisation) model (Ulich 1994). Thereby new and interesting results of researches are found out, concerning the personal/human side, the technical side and the organisational side of e-business work.

Mobiles Lernen

In ihrer Arbeit "Mobiles Lernen. Analyse des Wissenschaftsprozesses der britischen und deutschsprachigen medienpädagogischen und erziehungswissenschaftlichen Mobile-Learning-Diskussion." zeichnet Judith Seipold die Phasen und Entwicklungslinien der bisherigen und naturwüchsigen Diskussion um das Mobile Lernen nach. Dabei eröffnet sie mit ihrer Analyse des vornehmlich britischen Wissenschaftsprozesses des Mobilen Lernens ab Beginn des 21. Jahrhunderts den Blick auf die Struktur der medienpädagogischen und erziehungswissenschaftlichen Mobile-Learning-Diskussion, auf deren Kontexte, Bezugspunkte, Perspektiven und theoretische Schwerpunkte, aber auch Erfolge und Problembereiche in der praktischen Umsetzung des Lernens mit Mobiltechnologien in formalisierten Lernkontexten wie dem des Schulunterrichts. Auf diese Weise liefert die Autorin eine Systematik, die nicht nur die britische Diskussion für die deutschsprachige Medienpädagogik verfügbar macht, sondern auch eine neue und systematisch begründete Reflexionsebene für eine aktuelle medienpädagogische Entwicklung – das Mobile Lernen – bildet. Zunächst widmet sich die Autorin der Analyse des Wissenschaftsprozesses der bisherigen britischen und teils auch der deutschsprachigen Mobile-Learning-Diskussion. Um diesen Prozess in seiner Struktur greifbar zu machen, skizziert sie die Bezugsdisziplinen, aus denen die medienpädagogische und erziehungswissenschaftliche Mobile-Learning-Forschung schöpft, arbeitet die Legitimationsbasis auf, auf die sich Mobiles Lernen stützt, zeichnet die historische Entwicklung der Diskussion nach, die sowohl Alltagsnutzung von Mobiltechnologien als auch den Fachdiskurs einschließt, und erläutert innerhalb ihres Modells der Phasen und Entwicklungslinien Mobilen Lernens Theorien, Konzepte und Modelle, die in der Mobile-Learning-Community als zentral für Analyse und Planung Mobilen Lernens erachtet werden. Konzepte und Modelle, die in der Mobile-Learning-Diskussion die Rolle der Lernenden in das Zentrum der Betrachtungen rücken und eine explizite Handlungsorientierung unterstützen, sind Kernbereich des theoriebasierten Teils der Arbeit. Überlegungen zu einer „Sozio-kulturellen Ökologie Mobilen Lernens“, zu „user-generated contexts“ und zu einer „kulturökologisch informierten Didaktik des Mobilen Lernens“ sind dabei sowohl reflektierende Einordnung aktueller Konzepte und Modelle als auch theoretische und konzeptionelle Basis für die praktische Umsetzung Mobilen Lernens. Um die Rolle der Handlungskompetenzen, kulturellen Praktiken und Strukturen der Lerner bei der Nutzung von Mobiltechnologien für Lernen analytisch zu fassen, finden im Praxis-Kapitel Planungs- und Analyseschemata unter Rückgriff auf Beispiele aus der Praxisforschung und der Implementierung mobilen Lernens in den Schulunterricht Anwendung. Ihre Erörterungen rahmt die Autorin abschließend kritisch und weist zum einen auf bildungspolitische, strukturelle und handlungspraktische Implikationen hin, die sich aus der Mobile-Learning-Diskussion ergeben; zum anderen lenkt sie das Augenmerk auf Gegensätze und Dialektiken des Mobilen Lernens, die sich im Spannungsfeld zwischen alltäglicher mobiler Mediennutzung und der teils theoretisch informierten schulischen Verwendung von Mobiltechnologien zum Lernen entfalten. Sie gilt es, im weiteren Verlauf der Diskussion zu hinterfragen und aufzulösen.

Medienbildungschancen von Risikolernern

Die medienpädagogische Förderung junger Menschen aus problematischen Familien, sozio-kulturellen Problemlagen, der sogenannten neuen Unterschicht bzw. die Förderung von Hauptschülern, insbesondere Jungen, ist das zentrale Anliegen dieses Buches. Das sind diejenigen Lerner, die die Anforderungen für einen qualifizierten Schulabschluss, die Basiskompetenzen im Sinne der PISA-Studien, nicht oder kaum erfüllen, Distanz zur Schule haben bzw. aus schwierigen sozio-ökonomischen Bevölkerungsgruppen stammen. Diese Gruppe, meist Jungen, häufig mit Migrationshintergrund, versucht der Begriff Risikolerner zu fassen. Die Frage nach Risikolernern eröffnet die Perspektive auf Kompetenzen und kulturelle Ressourcen, mit denen es Risikolernern gelingt, Medien selbstbestimmt und reflexiv für die eigene Persönlichkeitsentwicklung sowie Lebens- und Alltagsbewältigung aktiv zu nutzen (Niesyto, 2010, S. 315). Zentrales Thema und Fragestellung dieses Buches ist, welche Bildungschancen in den Mediennutzungsmustern der Risikolerner stecken. Aus theoretischer Perspektive geht es um die Frage, wie und mit welchen Mustern sich Risikolerner Medien als Kulturgüter aneignen. Die pädagogische Leitfrage, die an den Gedanken der Bildung geknüpft ist, lautet, wie die Entwicklung und damit das Lernen der Risikolerner mit ihren Mediennutzungsmustern, also ihren Aneignungsmustern in Bezug auf Medien, verbunden ist. Die medienpädagogische Frage nach den Chancen für Medienbildung von Risikolernern fundiert auf der Theorie der Medienbildung und auf dem kulturtheoretischen Modell der Sozio-kulturellen Ökologie, wie sie von der London Mobile Learning Group (LMLG; www.londonmobilelearning.net) entwickelt wurde (Pachler, Bachmair, & Cook, 2010). Auf der Grundlage dieser Theorien verortet diese Arbeit die Gruppe der Risikolerner im Zusammenhang von Lebenswelt und Lebenslagen und ordnet diese spezifische Gruppe von Lernern mit Bezug auf individuelle, schulische und gesellschaftliche Risiken ein. Die Gender-Perspektive öffnet den Blick für bestimmte jungenspezifische Aneignungsmuster im Zusammenhang mit Medien und eröffnet im nächsten Schritt die Möglichkeit, Bildungschancen speziell für Jungen zu formulieren. Ein genderbezogener Entwicklungsprozess, der die Lebenswelt der Jungen betrifft, ist die Auflösung hegemonialer Männlichkeit und die Transformation hin zu multioptionalen und situierten Männlichkeiten, die es von Jungen auszubalancieren gilt. Die Sozialstrukturanalyse der Soziologie dient als methodischer Zugang, um Risikolerner systematisch zu identifizieren und um mithilfe der sozialen Segmentierung entsprechende Ergebnisse in Bezug auf Mediennutzung und Alltagsbewältigung zu formulieren. Diese medienpädagogische Forschung ist eine Rekonstruktion der Mediennutzung über die Spuren der Artikulation und Aneignung, wie sie in den Konsumdaten repräsentiert sind, mit dem Ziel, die Aneignungsprozesse und die darin inhärenten Bildungschancen sichtbar zu machen. Risikolerner sind in der Perspektive gesellschaftlicher und alltagsästhetischer Strukturen ein eher hedonistischer, widerständiger Lifestyle, geprägt von sozialer Benachteiligung und von aktivem Risikoverhalten sowie von einer Mediennutzung, die schulischen Aneignungsformen eher entgegengesetzt ist. Die zentralen Ergebnisse und damit Chancen für Medienbildung der Risikolerner entstehen in drei Bereichen der Mediennutzungsmuster: im Downloaden, Speichern und Tauschen vielfältiger Formate; im (mobilen) Gaming; sowie im vielfältigen Produzieren und Verarbeiten von auditivem und visuellem Material. Mit diesen Mustern sind drei bedeutsame Bildungschancen verknüpft: durch Risikolerner generierte alternative Räume der Medienbildung, die strukturell entgegen der Lernwelt Schule ausgerichtet sind; das kommunikative Organisieren des Alltags und der Mediennutzung; sowie das Generieren von digitalen Sammlungen und Archiven als persönlicher Besitz.

Model-driven development of sensor network applications with optimization of non-functional constraints

Wireless sensor networks (WSNs) differ from conventional distributed systems in many aspects. The resource limitation of sensor nodes, the ad-hoc communication and topology of the network, coupled with an unpredictable deployment environment are difficult non-functional constraints that must be carefully taken into account when developing software systems for a WSN. Thus, more research needs to be done on designing, implementing and maintaining software for WSNs. This thesis aims to contribute to research being done in this area by presenting an approach to WSN application development that will improve the reusability, flexibility, and maintainability of the software. Firstly, we present a programming model and software architecture aimed at describing WSN applications, independently of the underlying operating system and hardware. The proposed architecture is described and realized using the Model-Driven Architecture (MDA) standard in order to achieve satisfactory levels of encapsulation and abstraction when programming sensor nodes. Besides, we study different non-functional constrains of WSN application and propose two approaches to optimize the application to satisfy these constrains. A real prototype framework was built to demonstrate the developed solutions in the thesis. The framework implemented the programming model and the multi-layered software architecture as components. A graphical interface, code generation components and supporting tools were also included to help developers design, implement, optimize, and test the WSN software. Finally, we evaluate and critically assess the proposed concepts. Two case studies are provided to support the evaluation. The first case study, a framework evaluation, is designed to assess the ease at which novice and intermediate users can develop correct and power efficient WSN applications, the portability level achieved by developing applications at a high-level of abstraction, and the estimated overhead due to usage of the framework in terms of the footprint and executable code size of the application. In the second case study, we discuss the design, implementation and optimization of a real-world application named TempSense, where a sensor network is used to monitor the temperature within an area.

Adaptive Real-time Anomaly-based Intrusion Detection using Data Mining and Machine Learning Techniques

Die zunehmende Vernetzung der Informations- und Kommunikationssysteme führt zu einer weiteren Erhöhung der Komplexität und damit auch zu einer weiteren Zunahme von Sicherheitslücken. Klassische Schutzmechanismen wie Firewall-Systeme und Anti-Malware-Lösungen bieten schon lange keinen Schutz mehr vor Eindringversuchen in IT-Infrastrukturen. Als ein sehr wirkungsvolles Instrument zum Schutz gegenüber Cyber-Attacken haben sich hierbei die Intrusion Detection Systeme (IDS) etabliert. Solche Systeme sammeln und analysieren Informationen von Netzwerkkomponenten und Rechnern, um ungewöhnliches Verhalten und Sicherheitsverletzungen automatisiert festzustellen. Während signatur-basierte Ansätze nur bereits bekannte Angriffsmuster detektieren können, sind anomalie-basierte IDS auch in der Lage, neue bisher unbekannte Angriffe (Zero-Day-Attacks) frühzeitig zu erkennen. Das Kernproblem von Intrusion Detection Systeme besteht jedoch in der optimalen Verarbeitung der gewaltigen Netzdaten und der Entwicklung eines in Echtzeit arbeitenden adaptiven Erkennungsmodells. Um diese Herausforderungen lösen zu können, stellt diese Dissertation ein Framework bereit, das aus zwei Hauptteilen besteht. Der erste Teil, OptiFilter genannt, verwendet ein dynamisches "Queuing Concept", um die zahlreich anfallenden Netzdaten weiter zu verarbeiten, baut fortlaufend Netzverbindungen auf, und exportiert strukturierte Input-Daten für das IDS. Den zweiten Teil stellt ein adaptiver Klassifikator dar, der ein Klassifikator-Modell basierend auf "Enhanced Growing Hierarchical Self Organizing Map" (EGHSOM), ein Modell für Netzwerk Normalzustand (NNB) und ein "Update Model" umfasst. In dem OptiFilter werden Tcpdump und SNMP traps benutzt, um die Netzwerkpakete und Hostereignisse fortlaufend zu aggregieren. Diese aggregierten Netzwerkpackete und Hostereignisse werden weiter analysiert und in Verbindungsvektoren umgewandelt. Zur Verbesserung der Erkennungsrate des adaptiven Klassifikators wird das künstliche neuronale Netz GHSOM intensiv untersucht und wesentlich weiterentwickelt. In dieser Dissertation werden unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen und diskutiert. So wird eine classification-confidence margin threshold definiert, um die unbekannten bösartigen Verbindungen aufzudecken, die Stabilität der Wachstumstopologie durch neuartige Ansätze für die Initialisierung der Gewichtvektoren und durch die Stärkung der Winner Neuronen erhöht, und ein selbst-adaptives Verfahren eingeführt, um das Modell ständig aktualisieren zu können. Darüber hinaus besteht die Hauptaufgabe des NNB-Modells in der weiteren Untersuchung der erkannten unbekannten Verbindungen von der EGHSOM und der Überprüfung, ob sie normal sind. Jedoch, ändern sich die Netzverkehrsdaten wegen des Concept drif Phänomens ständig, was in Echtzeit zur Erzeugung nicht stationärer Netzdaten führt. Dieses Phänomen wird von dem Update-Modell besser kontrolliert. Das EGHSOM-Modell kann die neuen Anomalien effektiv erkennen und das NNB-Model passt die Änderungen in Netzdaten optimal an. Bei den experimentellen Untersuchungen hat das Framework erfolgversprechende Ergebnisse gezeigt. Im ersten Experiment wurde das Framework in Offline-Betriebsmodus evaluiert. Der OptiFilter wurde mit offline-, synthetischen- und realistischen Daten ausgewertet. Der adaptive Klassifikator wurde mit dem 10-Fold Cross Validation Verfahren evaluiert, um dessen Genauigkeit abzuschätzen. Im zweiten Experiment wurde das Framework auf einer 1 bis 10 GB Netzwerkstrecke installiert und im Online-Betriebsmodus in Echtzeit ausgewertet. Der OptiFilter hat erfolgreich die gewaltige Menge von Netzdaten in die strukturierten Verbindungsvektoren umgewandelt und der adaptive Klassifikator hat sie präzise klassifiziert. Die Vergleichsstudie zwischen dem entwickelten Framework und anderen bekannten IDS-Ansätzen zeigt, dass der vorgeschlagene IDSFramework alle anderen Ansätze übertrifft. Dies lässt sich auf folgende Kernpunkte zurückführen: Bearbeitung der gesammelten Netzdaten, Erreichung der besten Performanz (wie die Gesamtgenauigkeit), Detektieren unbekannter Verbindungen und Entwicklung des in Echtzeit arbeitenden Erkennungsmodells von Eindringversuchen.