Verteilte Systeme. 1. Paradigmenwechsel für Softwarelösungen durch Verteilung. 1.1 Einführung durch Beispiele aus der Praxis

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1 VS11 Slide 1 Verteilte Systeme 1. Paradigmenwechsel für Softwarelösungen durch Verteilung 1.1 Einführung durch Beispiele aus der Praxis Sebastian Iwanowski FH Wedel

2 VS11 Slide 2 Inhaltliche Voraussetzungen: Programmieren mit Java Verteilte Systeme Objektorientierte Programmierung, XML-Kenntnisse Vorlesung Rechnernetze Lernziele dieser Vorlesung: Paradigmenwechsel: Verständnis für verteilte Daten, Algorithmen und Softwarearchitekturen (als Alternative zur zentralistischen Denkweise) Softwaretechnik: Nebenläufigkeit, Entfernte Aufrufe, Objektmigration Serviceorientierte Softwarearchitektur: Motivation, Grundlagen und Anwendung durch Web Services Kennenlernen geeigneter Beispiele aus der Praxis

3 VS11 Slide 3 Was ist ein verteiltes System? Eine Einführung durch Anwendungsbeispiele als Anregung für Seminarvorträge für Praktikumsarbeiten für Diplom- und Masterarbeiten für Geschäftsideen für...

4 VS11 Slide 4 Folgende Beispiele werden vorgestellt: 1. Personalisierte dynamische Fahrgastinformation 2. Marktbasierte Verkehrsleitung 3. Pheromonbasierte Verkehrsleitung 4. Verteiltes Touristeninformationssystem

5 VS11 Slide 5 Beispiel 1: Personalisierte dynamische Fahrgastinformation Masterarbeit von Michael Schiefenhövel (WS 2005/2006)

6 VS11 Slide 6 Statische Fahrgastinformation Aufgabe: Finde zu zwei Punkten A und B in einem gegebenen Verkehrsnetz den kürzesten Weg von A nach B, der ausschließlich Strecken dieses Verkehrsnetzes benutzt. Lösung: Algorithmus von Dijkstra (siehe Vorlesung Diskrete Mathematik: A*-Algorithmus (siehe Vorlesung Wissensbasierte Systeme: Optimierungen durch weitere Heuristiken (z.b. Geofox für HVV) Optimierungen durch preprocessing (z.b. Hafas für Deutsche Bahn)

7 VS11 Slide 7 Statische Fahrgastinformation Grundlage: Langzeitfahrplan Änderung zyklisch (Deutsche Bahn ca. einmal im Jahr) Anpassungen bei früh bekannten Störungen Keine Information bei kurzfristigen Abweichungen Fahrgast erfährt Abweichung durch Nicht-Eintreffen des Fahrzeugs Bestimmung des Ausmaßes durch Warten Statische Fahrgastinformationsmedien Fahrplan an Haltestellen Linienverlaufsanzeiger Routeninformation im Internet...

8 VS11 Slide 8 Dynamische Fahrgastinformation Grundlage: Statische Fahrgastinformation Erweitert um aktuelle Verbindungslage Information bei kurzfristigen Abweichungen Ursache für Abweichungen Abweichungsumfang Ersatzrouten Dynamische Fahrgastinformationsmedien Lautsprecherdurchsagen Dynamische Anzeigegeräte

9 VS11 Slide 9 Personalisierte dynamische Fahrgastinformation (PDFIS) Filterung von Informationen für den Fahrgast nur die Informationen, die er benötigt keine verwirrenden Mehrinformationen sowohl statische als auch dynamische FG-Informationen Erstellung von Mehrwertdiensten Routenberechnung aktualisiert an konkrete Lage Touristeninformation Personalisierte Fahrgastinformationsmedien Persönliche Auskunft (über Handy, etc.) Multimediaterminals

10 VS11 Slide 10 Personalisierte dynamische Fahrgastinformation (PDFIS) Einbindung in das Gesamtsystem Fahrgast Route Routenanfrage Routenänderung PDFIS Ortung Information Ticketzentrale Routenanfrage Routenauskunft Ticketinformation Fahrplanauskunft (FPA) Information RBL Störungen Verspätungen Fahrplanänderung Verbindung

11 VS11 Slide 11 Personalisierte dynamische Fahrgastinformation (PDFIS) Erweiterungsmöglichkeiten: Wechsel des Kommunikationsmediums Büro: auf Computer Unterwegs: SMS auf Handy Zeitungebundene Begleitung Erfordert flexiblere Auskunft des ÖPV-Anbieters Bewertung und Realisierung der Anschlusssicherung Warten bei vielen Anschlussfahrgästen Abfahrt bei wenig Anschlussfahrgästen Vision: Wechsel zwischen verschiedenen ÖPV Anbietern Wechsel zwischen ÖPV und Individualverkehr (intermodales Routen)

12 VS11 Slide 12 Beispiel 2: Marktbasierte Verkehrsleitung Forschungsprojekte bei DaimlerChrysler ( )

13 VS11 Slide 13 Schienenverkehr: Problemstellung Kommunikations-Infrastruktur im modernen Schienenverkehr: Fahrplanung Infrastruktur-DB Fahrzeug-DB Störfall-DB Statistik-DB Dispo-E/A Schnittstelle zu anderen BZ Ein-/Ausgaben BAP Basisfahrplan DFÜ über WAN Feste + veränderl. Infrastrukturdaten Betriebszentrale Fahrgast-/Kundeninformation Fahrzeugdaten Funkuhr (DCF 77) Zustandsmeldungen, Steuerungs- und Sicherungsbefehle (Trassen) für Fahrzeuge 1... N Leit- und Betriebsführungsschicht: Prozessschicht: Zustandsmeldungen, Steuerungs- u. Sicherungsbefehle Ggf. zusätzl. Kommunikation zwischen den Fahrzeugen (Zustandsmeldungen) Fahrwegelemente im Bereich der BZ Fahrzeug 1 Fahrzeug 2 Fahrzeug N Fahrzeuge im Bereich der Betriebszentrale

14 VS11 Slide 14 Schienenverkehr: Problemstellung Welcher Zug darf wann auf welchem Streckenelement fahren? Dispositionsebene: Koordinierung aller Züge über alle Streckenelemente Graphische Fahrplankonstruktion Station A IC IR R / S Station B Cargo Station C Station D Zeitachse Sicherungssebene: Absicherung eines Streckenelements: Nur 1 Zug zur gleichen Zeit Blockungsprinzip wird hier nicht verändert ortsfeste Signalisierung Zugbeeinflussungssysteme

15 VS11 Slide 15 Schienenverkehr: Problemstellung Welcher Zug darf wann auf welchem Streckenelement fahren? Dispositionsebene: Koordinierung aller Züge über alle Streckenelemente Graphische Fahrplankonstruktion Station A IC IR R / S Station B Cargo Station C Station D Zeitachse Stand der Technik: Fahrpläne und Routenführungen werden in Zentrale vorausgeplant Weichen werden zentral gestellt Problem: unflexibel gegenüber unvorhersehbaren spontanen Änderungen ( Störungen ) spontane Bedarfsänderung

16 VS11 Slide 16 Schienenverkehr: Lösung Weg von der zentralen Steuerung! Alternative: Züge stellen sich selbst alle Weichen Züge handeln sich untereinander freie Belegungen aus bereits realisiert: Straßenbahnen durch Menschen (mit elektronischer Unterstützung) neues Konzept für: Fernverkehr durch autonome Softwareeinheiten Züge mit Fahrplan hauptsächlich Personenverkehr Züge ohne Fahrplan hauptsächlich Güterverkehr

17 VS11 Slide 17 Schienenverkehr: Lösung Verhandlungsmethode: Elektronische Auktion Beispiel: Hauptbahnhof Zürich Angebot für SE Streckenelement [SE] benötige SE als optimale Route Erhöhe Angebot für SE

18 VS11 Slide 18 Schienenverkehr: Lösung Verhandlungsmethode: Elektronische Auktion Beispiel: Hauptbahnhof Zürich Streckenelement [SE] Erhöhe Angebot erneut habe ohnehin Verspätung Anderer Fahrweg ist akzeptabel Steige aus! Alternative Strategie: Statt Ausweichen kann auch abgebremst oder beschleunigt werden

19 VS11 Slide 19 Schienenverkehr: Lösung Verhandlungsmethode: Elektronische Auktion Verhandlungsobjekte: Kombinationen von Zeitscheiben aufeinander folgender Streckenelemente Beteiligte Parteien: 7 Zeitachse Zugsteuerungs-Agenten, die direkt oder indirekt von einer Störung betroffen sind Agenten der Betriebszentralen als Auktionatoren Versteigerungsstrategie: Ersteigern einer Kombination von Zeitscheiben auf solchen Streckenelementen, die zusammen einen gültigen Fahrweg ergeben Versorgen möglichst vieler Bieter mit einem gültigen Fahrweg Details: Dissertation von Guido Matylis (DaimlerChrysler) an der TU Dresden

20 VS11 Slide 20 Vergleich Straßenverkehr - Schienenverkehr Was ist anders bei Straßenfahrzeugen? Fahrzeuge können nicht gezwungen werden, auf ein Streckenelement zu verzichten strikte Trennung zwischen Netzbetreiber und Fahrzeugbetreiber mehrere Fahrzeuge zur gleichen Zeit pro Streckenelement zugelassen Vielzahl alternativer Routen möglich

21 VS11 Slide 21 Straßenverkehr: Problemstellung Dynamische Zielführung im im Straßenverkehr Auf Auf dem dem Markt Markt befindliche befindliche dynamische dynamische Zielführungssysteme machen mehrere Routenvorschläge, die die aktuelle Verkehrlage berücksichtigen geben jedem Autofahrer mit gleichem Start und Ziel zur selben Zeit die gleichen Vorschläge Was passiert, wenn viele Autos solch ein dynamisches Navigationssystem haben?

22 VS11 Slide 22 Problem Problem Straßenverkehr: Problemstellung Störungen Störungen verlagern verlagern sich sich von von einer einer Stelle Stelle zur zur anderen, anderen, weil weil alle alle Autofahrer Autofahrer ihr ihr auf auf die die gleiche gleiche Weise Weise ausweichen ausweichen Lösungsidee Lösungsidee Koordiniere Koordiniere die die Autofahrer Autofahrer und und mache mache unterschiedliche unterschiedliche Vorschläge Vorschläge Problem Problem Autofahrer Autofahrer lassen lassen sich sich ungern ungern bevormunden bevormunden Lösungsidee Lösungsidee Lass Lass die die Autofahrer Autofahrer Einfluss Einfluss nehmen nehmen auf auf die die Vorschläge Vorschläge durch durch Priorisierungen Priorisierungenund und unterschiedliche unterschiedliche Wichtungen Wichtungen

23 VS11 Slide 23 Straßenverkehr: Lösungskonzept Auktionsbasierte Verkehrssteuerung Straßennetz ist unterteilt in Streckensegmente mit vorgesehener Höchstbelegung von Fahrzeugen zur selben Zeit Die Benutzungsrechte für Steckensegmente für bestimmte Zeitintervalle werden an die Fahrzeuge in periodischen Auktionsrunden versteigert. Hierfür erhalten die Fahrzeuge periodisch ein virtuelles Budget ( Spielgeld ). Die Versteigerung wird auf Fahrzeugseite durch individualisierte Softwarekomponenten vorgenommen. Die Kommunikation mit der Versteigerungszentrale erfolgt automatisch ohne die Notwendigkeit einer Fahrerinteraktion. Damit ist die Verkehrssteuerung primär ein Softwareproblem

24 VS11 Slide 24 Demonstration mit einem vorhandenen Verkehrssimulator Verkehrssimulator (bereits vorhanden) Verkehrssimulation für verschiedene Fahrertypen und Verkehrssituationen Routenberechnung unter Berücksichtigung der aktuellen Verkehrssituation Auktionsbasiertes Verfahren für individuelle Routenempfehlungen (AVIR) (noch zu implementieren) Definition eines neuen Fahrertyps auktionsbasiert für den Verkehrssimulator Eigenständige Steuerung der auktionsbasierten Fahrzeuge Durchführung der elektronischen Auktionen Einspeisung der Ergebnisse in den Verkehrssimulator

25 VS11 Slide 25 Implementierungsdetails Vorhandener Verkehrssimulator lief auf Einzelrechner unter Betriebssystem Unix TCP/IP-Schnittstelle sollte auf verteilten Rechnern mit beliebigem Betriebssystem laufen Java mit agentenorientierter Erweiterung (Eigenprodukt) AVIR Multiagentensystem: Softwareagent: Objekt verteilt autonom aktiv

26 VS11 Slide 26 Market-Based Traffic Coordination Concept Auction Based BasedTraffic TrafficControl (ABTC) (AVIR) Basic Concept Road Pricing Toll-free Roads Extended Concept for each vehicle: Vehicle Agent knows individual strategies of driver communicates automatically with traffic control center may get new instructions from driver at any time Summary Practical issues for traffic control center: Route Planner knows current traffic conditions accepts queries for routes from start to end and answers with several routes communicates impartial route properties Segment Auctioneer distributes rights for segment usage via auctions

27 VS11 Slide 27 Market-Based Traffic Coordination Concept Auction Based BasedTraffic TrafficControl (ABTC) Basic Concept Road Pricing Toll-free Roads Extended Concept Summary Practical issues Vehicle Agent Bidding Strategy Virtual Auction Budget represents driver s interests determines when how much should be bid determines when new auction is wanted represents operator s interests prioritizes vehicles in a soft manner is periodically renewed Segment Auctioneer Auction Mechanism represents operator s interests manages distribution determines start and end of auctions

28 VS11 Slide 28 Market-Based Traffic Coordination Prime Prime Application Road Road Pricing Pricing Basic Concept Road Pricing Toll-free Roads Extended Concept Summary Practical issues Advantages of of ABTC for forroad Pricing: enables toll toll collection by bysupply and and demand makes a better utilization of of scarce road resources considers and and enables individual needs of of users supports new traffic concepts Ideal Application: Toll Lanes

29 VS11 Slide 29 Market-Based Traffic Coordination ABTC even works for toll-free roads! Basic Concept Road Pricing Toll-free Roads Observation: Observation: Bidding Biddingwith withvirtual virtualbudgets ABTC ABTC may maybe beused usedfor fortoll-free toll-freeroads roads with with100 % virtual virtualbudgets = Giving Givingpriorities prioritiesto to the theroads using usinga uniform uniform scale scale Extended Concept Summary Practical issues ABTC ABTC for fortoll toll roads: roads: charge chargefee feein in relation relation to to bids bidsof of agents agents ABTC ABTC for fortoll-free toll-freeroads: roads: assign assignusing usingrights in in relation relationto to bids bidsof of agents agents do do not not collect collectfees feesfor foractual actualusage usage Problem Problem Disobeying Disobeyingthe theassignments has has no no consequences consequencesfor fordrivers

30 Market-Based Traffic Coordination ABTC even works for toll-free roads! Basic Concept Road Pricing Toll-free Roads Extended Concept Summary Practical issues How Howto to make makeititattractive attractivefor fordrivers to to follow followcoordination coordinationassignments assignments? Basic Basic principle of of this thisapproach Drivers Drivers who whoget geta more moreadvantageous advantageousassignment assignment have haveto to pay paytoto drivers driverswho whoget geta less lessadvantageous advantageousassignment assignment payment paymentneed neednot not be bedirectly directlyfrom fromdriver driverto to driver driver payment paymentneed neednot not involve involvereal real money money ABTC for toll-free roads results in auction-based trading VS11 Slide 30

31 VS11 Slide 31 Market-Based Traffic Coordination Coordination for toll-free roads: Trading Basic Concept Road Pricing Toll-free Roads Extended Concept Summary Practical issues Alternative trading principles: Auction-Based Trading most most mature mature (already (already tested tested by by simulation) simulation) Exchange-Based Trading enables enables traffic traffic prediction prediction on on base base of of future future intentions intentions

32 VS11 Slide 32 Market-Based Traffic Coordination Coordination for toll-free roads: Trading Basic Concept Road Pricing Toll-free Roads Extended Concept Summary Practical issues Questions: How Howto to make makeititattractive attractiveto to participate participatein in the thecoordination coordinationsystem? How Howto to prevent preventnon-participators non-participatorsto to obtain obtainthe thesame samebenefits? Answers: provide providenew newtraffic-specific traffic-specificinformation informationexclusively exclusivelyfor forparticipants E.g.: E.g.: Use Use quotations quotations in in the the exchange-based exchange-based method method for for traffic traffic predictions predictions Include Includethird-party third-partyoffers offersinto intosubscription subscriptionsystem system E.g.: E.g.: gas gas stations, stations, shops, shops, local local advertisement advertisement

33 VS11 Slide 33 Market-Based Traffic Coordination Concept Summary Basic Concept Road Pricing Toll-free Roads Extended Concept Summary Practical issues Purpose Purposeof of existing existingdynamic dynamicnavigation navigationsystems Guide Guide driver driveron on most mostconvenient convenientroute to to his his destination destination considering consideringthe thecurrent currenttraffic trafficconditions conditions Problem Problem When Whendynamic dynamicnavigation navigationsystems systemsenter entermass massmarket market => => congestions congestionsshift shiftfrom fromone oneroad roadto to another another because becauseall all drivers driverstry tryto to escape escapethe thesame sameway way Conclusion Conclusion The Thepenetration of of any anytraffic trafficadvising system!! into intomass massmarket marketrequires a coordination of of users users

34 VS11 Slide 34 Market-Based Traffic Coordination Concept Summary Basic Concept Software architecture Road Pricing Toll-free Roads Extended Concept Summary Practical issues for each vehicle: VDU (Vehicle (Vehicle Driver Driver Unit) Unit) knows individual strategies of driver communicates automatically with Coordinator may get new instructions from driver at any time at a central platform: Coordinator accepts queries from VDUs distributes using rights to VDUs knows current traffic situation

35 VS11 Slide 35 Market-Based Traffic Coordination Distribution of of software on on the theexisting hardware Basic Concept Road Pricing Central platform Coordinator Central platform Coordinator Toll-free Roads VDU VDU VDU VDU VDU Extended Concept Summary VDU VDU VDU VDU Practical issues Alternative 1: VDUs on a central server Alternative 2: VDUs in the vehicles In any case: User interface for VDU in the vehicles

36 VS11 Slide 36 Market-Based Traffic Coordination Possible platform for implementation in real life: Basic Concept Road Pricing Toll-free Roads Extended Concept Summary Practical issues

37 VS11 Slide 37 Beispiel 3: Pheromonbasierte Verkehrsleitung Masterarbeit von Thomas Walther (WS 2005/2006)

38 VS11 Slide 38 Ameisen auf Futtersuche Pheromone

39 VS11 Slide 39 Analogon: Autos auf Routensuche Pheromone Start Ziel Hindernis Das Verfahren wird später noch im Detail erklärt

40 VS11 Slide 40 Mobile verteilte Datenhaltung Mobilfunkzone GELB Mobilfunkzone GRÜN Mobilfunkzone BLAU Pheromone = Verkehrsinfos Straßenzustand Fahrzeit Pheromonträger Wetter Straßenzustand Fahrzeit Wetter Pheromonträger speichern alle Informationen ihrer Zone Jedes Fahrzeug meldet Infos an die Pheromonträger seiner Zone Jedes Fahrzeug kann Infos der Pheromonträger einer beliebigen Zone lesen Pheromonträger Jedes Fahrzeug entscheidet autonom, wo es lang fährt

41 VS11 Slide 41 Beispiel 4: Verteiltes Touristeninformationssystem Forschungsprojekt bei DaimlerChrysler ( )

42 VS11 Slide 42 Verteiltes Touristeninformationsystem Szenario Tourist will eine Stadt besuchen und informiert sich über die Gelegenheiten, die er sinnvollerweise in dieser Stadt wahrnehmen sollte Tourist hat außerdem geschäftliche oder persönliche Randbedingungen (Termine) Tourist erstellt vor der Reise eine Tagesablaufsplanung am PC (über das Internet) Tourist bucht Veranstaltungen und reserviert Plätze Tourist wird bei seiner Reise von einem mobilen Gerät (PDA) unterstützt

43 VS11 Slide 43 Verteiltes Touristeninformationsystem Forderungen: Tourist hat die endgültige Kontrolle Dienstanbieter ist autonom und trägt die Verantwortung für die Informationen Unabhängiges Makeln zwischen verschiedenen Anbietern Flexibilität gegenüber Anforderungsänderungen, sogar während der Tour Fehlertoleranz gegenüber Ausfall von Dienstanbietern

44 Verteiltes Touristeninformationsystem Architektur des Tourenplaners: Prototyp einer SOA Content Content Server Server vermitteln vermitteln zwischen zwischen Dienstanbietern Dienstanbietern und und Tourenplaner Tourenplaner Dienstanbieter Dienstanbieter Dienstanbieter sind sind autonom, autonom, haben haben eigene eigene Begriffswelten Begriffswelten Content Server Ontology Server Ontology Ontology Server Server vermittelt vermittelt zwischen zwischen den den Begriffswelten Begriffswelten Recommendation Recommendation Server Server beantwortet beantwortet Kombinationsanfragen Kombinationsanfragen Trip Trip Server Server berechnet berechnet Wege Wege zwischen zwischen zwei zwei Orten Orten Trip Server Public Transport Router Recommendation Server Tour Scheduling Server Digitale Karte VS11 Slide 44 Tourist GUI Server Tour in XML GUI Schnittstelle zum PDA Tourist Tourist GUI GUI Server Server speichert speichert individuelle individuelle Präferenzen Präferenzen und und Touren Touren Tour Tour Scheduling Scheduling Server Server stellt stellt Touren Touren zusammen zusammen

45 VS11 Slide 45 Weitere Beispiele: World Wide Web Alle Daten für alle! Grid Computing Alle Rechner für alle! Bankkontenverwaltung Weltweiter Zugriff auf ein Konto Telekommunikationsanbieter Netz aus Vermittlungsstationen

46 VS11 Slide 46 Das perfekte verteilte System: Wie bauen wir das nach?