Alexander Sinsel. Organic Computing als Konzept zur Steuerung interagierender Prozesse in verteilten Systemen

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1 Alexander Sinsel Organic Computing als Konzept zur Steuerung interagierender Prozesse in verteilten Systemen

2 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Erstgutachter: Prof. Dr. Dr. Thomas Ludwig Zweitgutachter: Prof. Dr. Gregor Schöner Tag der mündlichen Prüfung: Sinsel, Alexander: Organic Computing als Konzept zur Steuerung interagierender Prozesse in verteilten Systemen ISBN Alle Rechte vorbehalten 1. Auflage 2011 Optimus Verlag URL: Printed in Germany Papier ist FSC zertifiziert (chlorfrei, holzfrei und säurefrei sowie alterungsbeständig nach ANSI 3948 und ISO 9706) Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetztes in Deutschland ist ohne Zustimmung des Autors unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

3 Kurzfassung In der vorliegenden Arbeit wird eine methodische Grundlage zum zielorientierten Entwurf komplexer Systeme im Rahmen von Organic Computing vorgestellt. Von einem dynamischen Standpunkt aus wird auf semantische Aspekte organischer Informationsverarbeitung Bezug genommen, die anhand von topologischen Strukturen zwischen den Zustandsvariablen eines komplexen Systems zu erklären sind. Während der pragmatische Aspekt von Information durch die Veränderung von Zustandsvariablen formal beschrieben wird, kann eine bedeutungskonstituierende topologische Struktur aus den Wechselwirkungen zwischen den Zustandsvariablen induziert werden. Auf der Basis solcher topologischer Strukturen ist es möglich, Zielvorgaben durch einfache Muster zu beschreiben. Die theoretische Grundlegung wird anschließend auf das Problem des Scheduling mediumgranularer paralleler Applikationen übertragen. Um diese Applikationen in einem weltumspannenden Netzwerk mit zeitlich schwankenden Verbindungsqualitäten effizient auszuführen, sind interagierende Prozesse dynamisch auf Bereiche von wechselseitig gut konnektierten Knoten abzubilden, die untereinander mit geringen Latenzzeiten kommunizieren können. Zu diesem Zweck wurde ein selbstorganisiertes System entworfen, welches jedem Knoten eine Disposition zuweist und Cluster wechselseitig gut konnektierter Knoten als geschlossene Bereiche des verteilten Systems durch positive Dispositionswerte zu identifizieren gestattet. Darüber hinaus ist es möglich, auch die Rechenleistung einzelner Knoten in den Dispositionswerten zu berücksichtigen. Das beliebig skalierbare dynamische System demonstriert einige sogenannte Selbst-X-Eigenschaften und passt sich, wie Simulationen zeigen, selbständig der veränderlichen Konnektivität innerhalb eines Netzwerks an. Die Disposition kann insbesondere für selbst-erklärend erachtet werden, da ihre Dynamik den Eindruck erweckt, das System verstünde die Semantik der Konnektivität im Netzwerk. Eine technische Umsetzung des Scheduling mediumgranularer paralleler Applikationen auf der Grundlage der Dispositionswerte wird am Beispiel eines P2P Grid dargelegt. Solche parallelen Applikationen werden bisher von keinem P2P Grid unterstützt, da das Auffinden von Bereichen gut konnektierter Knoten in der heterogenen und dynamischen Umgebung geographisch verteilter Systeme eine äußerst komplexe Aufgabe darstellt. Auf der Verteilung der Disposition basierend kann das Scheduling als dynamische Zuweisung interagierender Prozesse auf die durch positive Dispositionswerte gekennzeichneten Bereiche realisiert werden, die sich selbstorganisiert den Veränderungen im Netzwerk anpassen. Abstract In this thesis a methodical approach is presented which is suitable for the goal-oriented design of complex systems within the framework of organic computing. The dynamical system approach pursued here is applied to semantic aspects of information processing that arise from a specific topological structure associated with the state variables of a complex system. While the pragmatic aspect of information is formalized as changes in state variables a meaning-constituting topological structure can be derived from the interactions between the state variables. Based on such topological structures design goals can easily be defined as simple patterns. It is exemplified how to apply this theoretical consideration of a system design to the problem of scheduling medium-grained parallel computations in large-scale distributed computing systems, i.e. the mapping of interacting processes to appropriate nodes. This kind of parallel applications requires the availability of nodes which are well connected to each other in terms of low latency. For this purpose, an arbitrarily scalable selforganized system has been constructed that maps a disposition value on each node and identifies clusters of well-connected nodes by positive disposition values. Disposition values can also take into account the performance of each node. The dynamical system of disposition values exhibits certain so-called self-x properties. Particularly it is self-adaptive to the network connectivity as demonstrated in simulations. Above all, the system can be considered self-explanatory for it behaves in such a way as if it would understand the semantics of connectivity. An implementation of the dynamical system is presented using the example of a P2P grid for the large-scale distributed execution of medium-grained parallel computations. Since it is difficult to find clusters of well-connected nodes in a dynamic and heterogeneous distributed computing environment such computations have not been performed in P2P grids up to now. Based on the dynamical system of disposition values a scheduling through dynamic mapping of communicating processes to peers which are clustered by positive disposition values enables the distributed execution of medium-grained parallel computations in a P2P grid and self-adaptivity to environmental changes concerning processor and network availability.

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5 Inhaltsverzeichnis Danksagung Inhaltsverzeichnis III V 1. Einführung Motivation Ausgangslage und Problemstellung Zielsetzung der Arbeit Aufbau der Arbeit Organic Computing als Forschungsinitiative Das begriffliche Spektrum von Organic Computing Exemplarische Erläuterung der angestrebten Qualitätsmerkmale Ameisenstraßen Die Zellmembran und ihre neurophysiologische Funktion Retinotopie Das Routing beim Internetworking Informationtechnologische Umsetzung Organic Computing auf der Plattform digitaler Halbleitertechnologie Abkehr vom digitalen Determinismus Analoge Silizium-Technologie Selbst-konfigurierende Substrate Selbstorganisation Historischer Abriss Der dynamische Formalismus Lineare Systeme Das Anfangswertproblem Phasenraumcharakteristik Lineare Stabilitätsanalyse Bifurkation Ein globales Stabilitätskriterium Klassische Modelle der Selbstorganisationsforschung Konservative Selbstorganisation Dissipative Selbstorganisation Chaos Adiabatische Elimination der schnellen Moden Musterbildung Randbedingungen V

6 3.4. Selbstorganisation in den Neurowissenschaften Feuerratenmodelle neuronaler Netze Lernen und Mustererkennung im Hopfield-Netz Kortikale Dynamik Retinotope Abbildungen Grundlegung zum zielorientierten Systementwurf Stand der Wissenschaft Problemanalyse Die syntaktische Auffassung von Informationsverarbeitung Von dynamischen zu formalen Systemen Repräsentationale Semantik Strukturale Semantik Wahrnehmung, Anschauung und Begriff Eine Naturalisierung des Informationsbegriffs Argumente für einen topologischen Strukturalismus Struktur und Wechselwirkung Explanatorische Gesichtspunkte Semantik neuronaler Dynamik Fehleranfälligkeit des algorithmischen Schemas Der zielorientierte Systementwurf Die Zielvorgabe am Beispiel des Sortierproblems Hierarchische Strukturierung Definition von Subsystemen Entwurfsschritte Transfer auf das Problem der Steuerung interagierender Prozesse in verteilten Systemen Parallele Datenverarbeitung in verteilten Systemen Verwandte Arbeiten Anwendung der Entwurfsstrategie Die Disposition eines Knotens als Zustandsvariable Die Latenzzeit als Distanzmaß Formulierung der Wechselwirkung Kosten und Skalierbarkeit Dispositionsbasierte Lastverteilung Aspekte der Stabilität Simulationen und Parameteroptimierungen Modelle der Netzwerktopologie Berücksichtigung der Rechenleistung Fehlertoleranz Selbst-X-Eigenschaften Zusammenfassung der Simulationsergebnisse Darlegung einer technischen Umsetzung Entwurf eines P2P Grid Anforderungen an ein P2P Grid Grundentwurf VI

7 Verteilte Berechnung der Disposition Auffinden von Clustern in einem P2P System Scheduling mit dynamischer Lastverteilung Implementierung in Java Die Entwicklungsumgebung Anpassung der Parameter Systemüberblick Zusammenfassung, Fazit und Ausblick Zusammenfassung Fazit Ausblick Literaturverzeichnis 227 Abbildungsverzeichnis 245 Tabellenverzeichnis 247 A. Zusätzliche Erläuterungen 249 A.1. Logische Operationen und Schaltkreise A.2. Die allgemeine Lösung eines linearen Systems von Differentialgleichungen 252 A.3. Topologische Grundbegriffe A.4. Phasenportraits zweidimensionaler linearer Differentialgleichungssysteme. 257 A.5. Turing-Instabilität im Gierer-Meinhardt-Modell A.6. Wahrnehmungsphänomene A.7. Das semiotische Dreieck B. Stabilitätsanalyse der stationären Zustände im neuronalen Feld 269 C. Dynamik diskretisierter, inhomogener neuronaler Felder 272 D. Weitere Simulationen 275 Index 281 VII