Die ressourceneffiziente Agentenplattform AMES und der Einsatz von Agenten zum Monitoring von Automationssystemen

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1 Technische Universität Dresden» Fakultät Informatik» Institut für Angewandte Informatik Die ressourceneffiziente Agentenplattform AMES und der Einsatz von Agenten zum Monitoring von Automationssystemen Expertenforum Agenten in der Automatisierungstechnik Stuttgart, 29. September 2008 Dipl.-Ing. Vladimir Vasyutynskyy Dipl.-Inf. Sebastian Theiss Prof. Dr. Klaus Kabitzsch

2 Agenda 1. Motivation 2. Kern der AMES-Agentenplattform Klassenmodell und Programmierbeispiele Charakteristika 3. Erweiterungsmöglichkeiten Management-Funktionen Mobile Agenten Sicherheit (Security) 4. Performancebetrachtungen 5. Konfiguration der Plattform 6. Anwendungsbeispiele 7. Zusammenfassung Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 2 von 46

3 Agenda 1. Motivation 2. Kern der AMES-Agentenplattform Klassenmodell und Programmierbeispiele Charakteristika 3. Erweiterungsmöglichkeiten Management-Funktionen Mobile Agenten Sicherheit (Security) 4. Performancebetrachtungen 5. Konfiguration der Plattform 6. Anwendungsbeispiele 7. Zusammenfassung Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 3 von 46

4 Motivation Monitoring und Teleservice werden immer wichtiger Softwareagenten sind geeignetes Werkzeug: Aber: Verteiltes Monitoring, Vorverarbeitung ( reduzierter Bandbreitenbedarf, asynchrone Kommunikation möglich) Abstraktionsebene bei Zugriff auf proprietäre Geräte Hohe Flexibilität und Skalierbarkeit Intelligenz und Reaktionsvermögen vor Ort ( Fernsteuerung) Effizienz ( kein XML-Marshalling wie bei Web Services) Performance von bestehenden Agentenplattformen wie JADE in Echtzeitanwendungen nicht ausreichend Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 4 von 46

5 Anwendungsbeispiele Monitoring in: Gebäudeautomation speicherprogrammierbaren Steuerungen eingebetteten Systemen Kommunikation zwischen Komponenten Simulationen (HIL, SIL) Testsysteme Steuerung Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 5 von 46

6 Motivation Existierende Agentenframeworks nur begrenzt geeignet: Anforderungen - C++, Java, etc. -SPSen, Embedded Controller - Beschränkte Ressourcen - Straffe Projektzeitpläne -Existierender Code - Hohe Sicherheitsanforderungen Gebotene Möglichkeiten - Meist Java-basierte Frameworks mit wissenschaftlichem Fokus - Hohe Komplexität, hoher Einarbeitungsaufwand - Nicht zufriedenstellende Performance Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 6 von 46

7 Agenda 1. Motivation 2. Kern der AMES-Agentenplattform Klassenmodell und Programmierbeispiele Charakteristika 3. Erweiterungsmöglichkeiten Management-Funktionen Mobile Agenten Sicherheit (Security) 4. Performancebetrachtungen 5. Konfiguration der Plattform 6. Anwendungsbeispiele 7. Zusammenfassung Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 7 von 46

8 Entwurfsprinzipien von AMES Agentenplattform ist an Agenten-Standards (FIPA) und etablierten Implementationen (JADE) angelehnt Flexibel und anpassbar: Tradeoff: Performance vs. Flexibilität Verschiedene Hardware und Sprachen (Java, C++) Erweiterungen Gleiche Klassenstruktur in allen Varianten Einfache Nutzung, (halb) automatische Codegenerierung Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 8 von 46

9 Framework Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 9 von 46

10 Framework: Agenten & Behaviours Jeder Agent besitzt eigenen Thread Aufgaben in Behaviours implementiert: OneShot (einmalige Ausführung) Cyclic, Timer, Message (wiederholt) Agent übernimmt Ausführung, Scheduling Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 10 von 46

11 Framework: Nachrichten Agenten kommunizieren über Nachrichten Adresse spezifiziert Host und Agent Kompression, Verschlüsselung möglich An Nachrichten können Nutzdaten (auch Objekte) angehängt werden Behaviours können als Nutzlast verschickt und beim Empfänger ausgeführt werden Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 11 von 46

12 Quellcodebeispiel: Nachrichten C++ Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 12 von 46

13 Quellcodebeispiel: Nachrichten Java Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 13 von 46

14 Framework: Container Container ist auch ein Agent Verantwortlich für Nachrichtentransport Verzeichnis laufender Agenten und dynamisch erstellbarer Objektklassen Führt Management-Behaviours aus ( RunAgent, KillAgent, etc.) Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 14 von 46

15 Charakteristika des Frameworks Framework integriert bekannte und gut untersuchte Konzepte ( FIPA, JADE, etc.), bietet aber zusätzliche Vorteile: Kompakt (dadurch effizient und einfach zu beherrschen) Sehr modular, flexibel konfigurierbar Interoperable Versionen für verschiedene Plattformen Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 15 von 46

16 Modularität des Frameworks Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 16 von 46

17 Erweiterungen im Klassenmodell Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 17 von 46

18 Security-Features des Frameworks Aufbau eines Kanals pro Container-Container-Verbindung Alle Nachrichten eines Kanals werden gleich behandelt Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 18 von 46

19 Agenda 1. Motivation 2. Kern der AMES-Agentenplattform Klassenmodell und Programmierbeispiele Charakteristika 3. Erweiterungsmöglichkeiten Management-Funktionen Mobile Agenten Sicherheit (Security) 4. Performancebetrachtungen 5. Konfiguration der Plattform 6. Anwendungsbeispiele 7. Zusammenfassung Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 19 von 46

20 Agent Startup Times Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 20 von 46

21 Burst Ping Reply Time Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 21 von 46

22 Leistungsvergleich mit JADE Speicherverbrauch einer Beispielanwendung: Nachrichtenumlaufzeit bei Bespielanwendung Ping : Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 22 von 46

23 Leistungsvergleich mit JADE Performance Parameter AMES C++ AMES Java JADE AMES IPC Single Ping RTT 33 µs 37 µs 789 µs 380 µs local / remote 229 µs 460 µs 845 µs 940 µs Burst Ping Reply Time (1000 agents) local / remote 23 ms 257 ms 42 ms 494 ms 681 ms 649 ms Agent Startup Time 246 µs 866 µs 2450 µs 756 µs local / remote 707 µs 1662 µs µs 1699 µs Allocated Memory per Agent 436 byte 650 byte 257 kbyte 436 byte Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 23 von 46

24 Agenda 1. Motivation 2. Kern der AMES-Agentenplattform Klassenmodell und Programmierbeispiele Charakteristika 3. Erweiterungsmöglichkeiten Management-Funktionen Mobile Agenten Sicherheit (Security) 4. Performancebetrachtungen 5. Konfiguration der Plattform 6. Anwendungsbeispiele 7. Zusammenfassung Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 24 von 46

25 Zur Erinnerung Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 25 von 46

26 Workflow beim Entwurf Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 26 von 46

27 GUI des Expertenwerktools Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 27 von 46

28 Workflow beim Entwurf Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 28 von 46

29 Agenda 1. Motivation 2. Kern der AMES-Agentenplattform Klassenmodell und Programmierbeispiele Charakteristika 3. Erweiterungsmöglichkeiten Management-Funktionen Mobile Agenten Sicherheit (Security) 4. Performancebetrachtungen 5. Konfiguration der Plattform 6. Anwendungsbeispiele 7. Zusammenfassung Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 29 von 46

30 Anwendungsbeispiele Eingebettete Systeme Gebäudeautomation Kopplung von Werkzeugen in einem Testsystem Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 30 von 46

31 Anwendungsbeispiele Eingebettete Systeme Gebäudeautomation Kopplung von Werkzeugen in einem Testsystem Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 31 von 46

32 Agententaugliche Hardware Anwendung: Beobachtung einer Biogasanlage Monitoring mit Zwischenpuffer vor Ort, Vorverarbeitung Auswertung, Alarmierung Fernzugriff Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 32 von 46

33 Anwendungsbeispiele Eingebettete Systeme Gebäudeautomation Kopplung von Werkzeugen in einem Testsystem Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 33 von 46

34 Agenten in Gebäudeautomation Remote expert Local expert Facility management DB Web HMI HMI Facility management server Internet Server Backbone Sniffer Gateway Management node Fieldbus Sensor Controller Actuator Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 34 von 46

35 Monitoring in Gebäudeautomation Eigenschaften der Gebäudeautomation Verteilte und heterogene Systeme verschiedene Protokolle, Datenschnittstellen und - formate Große Datenvolumen schwer zu analysieren, aber großes Optimierungspotenzial Kostenfaktor! begrenzte Ressourcen: CPU, Netwerkkapazität; wenig Zeit Anforderungen an Monitoring: Unabhängig vom Format der Datenquelle Lauffähig auf verschiedenen Plattformen Performance anpassbar an vorhandene Rechenressourcen Effektive Filterung und Verdichtung der Daten Konfiguration und Auswertung möglichst automatisch Neue Dienste können jederzeit hinzugefügt werden Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 35 von 46

36 Agentenplatzierung Remote expert Local expert Facility management DB Web HMI HMI Facility management server Internet Server Backbone Sniffer Gateway Management node Fieldbus Sensor Controller Actuator Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 36 von 46

37 Architektur Container services Analysis agents Analysis agents Analysis agents Configuration database Communication buffer Data buffer Agent management Communication Persistence Security Other containers Event Dispatching Agent Analysis agents Event Detection Agent Agent container Data Acquisition Agent Data sources (system events, database) Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 37 von 46

38 Beispiele von Monitoringfunktionen Netzwerkperformance Kanallast (Pakete/Sek.) Netzwerkfehler (Anzahl der Fehlerpakete) Alarmerkennung Fehlerknoten (z. B. durch Timeout einer Antwort) Regelgüte von Regelkreisen Ursachenanalyse (Fehler-Expertensystem) Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 38 von 46

39 Konfigurierung Agentenkonfigurationen in XML beschrieben Auf Basis der Systemstruktur aus Entwurfsdatenbanken (LNS) Konfigurierbare Einstellungen: Datenzugriff Funktionalität: Ereigniserkennung Trends, Statistiken Modelidentifikation und Fehlerdiagnose Performance Verteilung von Agentenfunktionen Kommunikationsmodi zwischen den Agenten (periodisch, gepuffert) Komprimierung und Verschlüsselung von Nachrichten Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 39 von 46

40 Konfigurierung - Benutzerinterface Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 40 von 46

41 Anwendungsbeispiele Eingebettete Systeme Gebäudeautomation Kopplung von Werkzeugen in einem Testsystem Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 41 von 46

42 Anwendung: Kopplung von Werkzeugen Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 42 von 46

43 Anwendung: Kopplung von Werkzeugen Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 43 von 46

44 Zusammenfassung Ressourceneffizientes Agentenplattform AMES Erweiterungsmöglichkeiten Management-Funktionen Mobile Agenten Security-Funktionen Sehr gute Performance im Vergleich mit JADE Interaktive Konfiguration des Frameworks Anwendungen: Monitoring in eingebetteten Systemen und Gebäudeautomation Kopplung von Simulatoren und Testsystemen weitere...? Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 44 von 46

45 Weitere Informationen Sebastian Theiss, Joern Ploennigs, Volodymyr Vasyutynskyy, Jens Naake, and Klaus Kabitzsch: Interactively Configurable Framework for Industrial Agents. In 12th IEEE International Conference on Emerging Technologies in Factory Automation (ETFA 2007), Patras, Greece, September 2007 Sebastian Theiss, Volodymyr Vasyutynskyy, and Klaus Kabitzsch: AMES A Resource-Efficient Plattform for Industrial Agents. 7th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems (WFCS 2008), Dresden, May 2008 Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 45 von 46

46 Technische Universität Dresden» Fakultät Informatik» Institut für Angewandte Informatik Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen?

47 Konfigurierung Anforderungsanalyse Wahl der Analysefunktionen GA Entwurfsdatenbank Konfigurierung von Analysefunktionen Konfigurierung von Datenquellen Konfigurierung des Containers Funktionenpool Containerfunktionenontology Verteilung von Agenten Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 47 von 46

48 Security-Features des Frameworks Umsetzung möglichst einfacher Richtlinien: Operationen auswählbar, Reihenfolge aber fest Komprimieren, Hashen & Verschlüsseln, Signieren bzw. umgekehrt Security Level prädikativ festlegbar, beeinflusst Schlüssellänge: (niedrig), mittel, hoch, sehr hoch Wenige unterschiedliche Algorithmen SHA zum Hashen (SHA-256, SHA-384, SHA-512) AES zum Verschlüsseln (Schlüssellänge 128, 192 oder 256 Bit) RSA zum Signieren (1024 Bit) DH zur Generierung symmetrischer Schlüssel (160 Bit) Keine Besonderheiten für Betriebssysteme oder Plattformen Verwendung von oder Anlehnung an Standards (SSL) weitgehend automatische (Re)Initialisierung Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES Folie 48 von 46