Flexible semantic service execution

Zusammenfassung: Die vorliegende Arbeit widmet sich einer wichtigen Aufgabenstellung, die im
Umfeld verteilter und dienstbasierter Architekturen auftritt: Die korrekte,
zuverlässige und effiziente Ausführung softwarebasierter Dienste. Im Zentrum
dieser Arbeit stehen dabei zwei Ansätze die jeweils die Flexibilität bei der
Umsetzung dieser Aufgabe steigern. Erstens eine neuartige
Methode zur automatisierten Vorwärtsbehandlung von Dienstfehlern zur
Ausführungszeit, genannt Control Flow Intervention (CFI). Zweitens eine
in sich geschlossene Ausführungstechnik die die Migration laufender
Ausführungsinstanzen zwischen verfügbaren Ausführungsmaschinen gestattet.
Beide tragen den spezifischen Anforderungen neuartiger internetbasierter und
mobiler Anwendungsgebiete Rechnung. Wesentliche Merkmale dieser
Anwendungen sind (i) Inhärenz entfernter Aufrufe, (ii) ad-hoc-Dienste um
dynamisch sich verändernden Umgebungen und Benutzerpräferenzen gerecht zu werden
und (iii) eine hohe Fehleranfälligkeit bedingt durch drahtlose Verbindungen und
Volatilität angebotener Dienste.
Die zugrunde liegende Theorie für alle in dieser Arbeit angestellten
Untersuchungen sind Semantische Dienste, insbesondere basierend auf
deduktiven und entscheidbaren Beschreibungslogiken. In einem ersten Schritt
greifen wir bisherige Arbeiten aus diesem Bereich auf und entwickeln diese
weiter hin zu einem kohärenten formalen Systemmodell welches wesentliche
Dimensionen in der Semantik von Diensten vereint.
Basierend auf diesem Systemmodell liegt anschliessend das Hauptaugenmerk auf
CFI. Ziel dieser Methode ist es, Dienstfehler durch geeignete
Ersetzungsstrategien nach vorn zu korrigieren, so dass das geplante Gesamtziel
eines Dienstes in äquivalenter oder zumindest vergleichbarer Form trotzdem
erreicht werden kann. Dies wird durch dynamisches Ausweichen auf semantisch
äquivalente oder ähnliche Alternativen ermöglicht. Hierbei wird davon
ausgegangen, dass konkrete Alternativen nicht Bestandteil der
Dienstspezifikation sind. Es wird lediglich angenommen, dass sie in der
Anwendungsdomäne vorhanden sind. Da Alternativen somit nicht vordefiniert sind,
wird im Fehlerfall dynamisch nach ihnen gesucht.
Da das vorgestellte Systemmodell zwei Arten von Nebenläufigkeit bei der
Dienstausführung zulässt, und da die Repräsentation des Zustandes verschiedener
Ausführungsinstanzen in einer gemeinsamen Wissensbasis erfolgt, wird ausserdem
der korrekte und inferenzvermeidende simultane Zugriff auf solche Wissensbasen
untersucht. Diese Arbeit stellt dazu ein neuartiges Zugriffsmodell zur
Koordination von nebenläufigen Transaktionen auf einer Web Ontology Language
Wissensbasis vor. In diesem Zusammenhang werden dessen Leistungs- und
Isolationseigenschaften diskutiert.
Um die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Methoden untersuchen zu können,
wurden diese prototypisch in unserem verteilten und dezentralen
Ausführungssystem OSIRIS Next implementiert. Wir beschreiben den
grundlegenden Aufbau dieses Systems. In diesem Zusammenhang stellt diese Arbeit
dann die verteilte Ausführungstechnik vor, die insbesondere für
(semi-)automatisch zusammengefügte und nur wenige Male ausgeführte
ad-hoc-Dienste optimiert ist.
Schliesslich wurden die vorgestellten Verfahren durch verschiedene Experimente
hinsichtlich ihres Laufzeitverhaltens quantitativ evaluiert. Die dabei gemachten
Erfahrungen und Resultate zeigen das Potential der Verfahren für deren Einsatz
in der Praxis. ----------Abstract: This thesis deals with an important task in the context of distributed and
service-oriented architectures: the correct, reliable, and efficient execution
of software-based services. In the center of this work are two approaches that
increase the flexibility in this task. First, a novel method for automated
forward recovery of service failures at execution time, called Control Flow
Intervention (CFI). Second, a self-contained technique that allows for migration
of running execution instances among available execution machines. Both address
requirements specific to novel Internet-based and mobile applications.
Characteristic for such applications are (i) inherent remote invocation,
(ii) ad-hoc services to cope with dynamically changing environments and user
preferences, and (iii) frequent errors due to wireless connections and
volatility of offered services.
The underlying theory for all investigations made in this thesis are Semantic
Services, based in particular on deductive and decidable Description
Logics. In a first step, we take up prior work in this area and develop it
further towards a coherent formal system model that combines essential
dimensions of service semantics.
Based on this model, the focus is then on CFI. The goal of this method is
to correct service failures by appropriate replacement strategies in a
forward-oriented way, meaning that the overall goal of a service remains
attainable, though in a semantically equivalent or at least comparable form.
This is achieved by dynamically shifting to semantically equivalent or similar
alternatives. Alternatives are however not pre-defined as part of the
service specification. Rather, it is assumed that they exist in the application
domain and that they are searched for on demand in the presence of a failure.
Since the system model allows for two types of concurrency in the service
execution, and since the state of execution instances is represented in
a shared knowledge base, we also investigate the problem of ensuring correct
concurrent access to knowledge bases so that inferences are avoided.
Specifically, we present a novel concurrency control model for transactions
operating over a Web Ontology Language knowledge base. Efficiency and isolation
properties of the presented approach are furthermore discussed.
In order to investigate the practical applicability of the presented methods,
they were prototypically implemented in our distributed and decentralized
execution system OSIRIS Next. We describe the architecture of this system. In
this context, the distributed execution technique is presented that is
particularly optimized for ad-hoc services that are usually (semi-)automatically
composed and executed a few times only.
Finally, the presented methods were evaluated quantitatively by various
experiments with respect to their runtime behavior. The results and the
experiences gained show the potential of the methods for their application in
practice.