Efficient coordination with semantic shared data spaces

Abstract

Moderne IT Systeme entwickeln sich immer weiter weg von monolithischen Gesamtlösungen hin zu verteilten, hoch interaktiven Integrationslösungen. Parallel operierende Systeme müssen dabei auf unterschiedlichsten Ebenen koordiniert werden, beginnend bei der Aufteilung von Recheneinheiten in Multicore-Prozessor-Systemen, über die Steuerung von Arbeitsabläufen in Unternehmen, bis hin zu global vernetzten Software-Services im Internet. Die Entwicklung von Koordinationsmechanismen die den hier auftretenden Anforderungen gerecht werden gewinnt dadurch zunehmend an Bedeutung. Für die Entwicklung solcher Koordinationsmechanismen wurde im Zuge jüngster Forschungsprojekte untersucht, wie space-basierte Koordinationsmodelle mit Wissensrepräsentationstechnologien aus dem Semantic Web Bereich integriert werden können. Dabei wurde gezeigt, dass die Erweiterung des space-basierten Interaktionsparadigmas um die Möglichkeit der Darstellung komplexer Zusammenhänge und ihrer automatisierten Auswertung eine Reihe von Vorteilen für Entwicklung von komplexen Koordinationslösungen bringt. Da es sich bei den sogenannten "Semantic Spaces" um ein noch relativ junges Forschungsgebiet handelt, existieren allerdings kaum standardisierte Lösungen und verschiedene Implementierungen weisen oftmals essentielle Unterschiede in Funktionsumfang und Performance auf. Häufig ist somit auch nicht klar, wie Koordinationslösungen mithilfe von Semantic Spaces konzipiert werden und worin die Stärken und Schwächen solcher Lösungen liegen. Im Zuge dieser Dissertation wird untersucht, welche Eigenschaften Koordinationsapplikationen mit Semantic Spaces auszeichnen und welche Vor- und Nachteile sich durch die Integration mit Wissensrepräsentationstechnologien ergeben. Häufig auftretende Performanceprobleme werden analysiert und es wird ein Optimierungsansatz entwickelt, der es ermöglicht Änderungen des im Semantic Space repräsentierten Wissens effizient zu erkennen. Um sicherstellen zu können, dass die Verwendung solcher Optimierungsansätze nicht zu unvorhergesehenen Nebeneffekten im Verhalten von Semantic Spaces führt, wird außerdem eine Methode zur formalen Spezifikation solcher Systeme definiert. Mithilfe dieser Methode können sowohl Schnittstellensemantik wie auch Laufzeitverhalten von Semantic Spaces formal beschrieben werden.<br />Zur Evaluierung des entwickelten Optimierungsmechanismus wird weiters ein Benchmark-Framework für Semantic Spaces implementiert. Anhand der damit durchgeführten Tests wird gezeigt, in welchem Umfang Performanceverbesserungen in unterschiedlichen Anwendungsszenarien erreicht werden können.

Modern IT systems are evolving from monolithic software packages to distributed and highly interactive integration solutions. Concurrent systems and system components thereby need to be coordinated on many different levels, including the partitioning of processing units in multi-core processor systems, the coordination of workflows in enterprise systems, and the global mashup of software services in the Internet. As a direct consequence, the development of novel coordination mechanisms that can meet the strong requirements of such highly interactive systems is becoming a critical factor.<br />With the goal to develop such new coordination mechanisms, several research projects investigated how space-based coordination models can be integrated with knowledge representation technologies from the Semantic Web field. It was shown that extending the space-based interaction paradigm with mechanisms for the representation and automated evaluation of information and its relationships has various advantages for developing complex coordination solutions. However, as these so-called "semantic spaces" represent a comparably young research field, no standardized solutions have been established yet and the available implementations often differ in terms of performance and scope of functionality. Hence, it is often not clear how to conceive coordination solutions with semantic spaces and which are the strengths and weaknesses of such a solution.<br />In the course of this thesis, it is investigated what characterizes coordination solutions with semantic spaces and which advantages and disadvantages are entailed by the integration with knowledge representation technologies. The thesis further addresses frequently observed performance problems and presents an optimization mechanism that allows for the efficient detection of changes of the knowledge represented in a semantic space. To ensure that the employment of such optimization mechanisms does not lead to undesired side-effects, a formal method for the specification of such systems is developed. This method can be used to formally describe the interface semantics and the runtime behavior of semantic spaces.<br />For the evaluation of the developed optimization mechanism, a benchmark framework for semantic spaces is implemented. The concrete performance improvements of different types of application scenarios are quantified by means of a comprehensive benchmark setting and it is analyzed which scenarios are best suited for the developed optimization mechanisms.