Mobility-aware distributed computing in shared data spaces

Abstract

Mobile Computing kann als eine natürliche Weiterentwicklung verteilten Rechnens gesehen werden, die durch drahtlose Netzwerke, portable Geräte und Unterstützung von Personenmobilität, wie zum Beispiel Tracking Technologien, ermöglicht wird. Die Integration mobiler Komponenten in stationäre Systeme stellt jedoch aufgrund begrenzter Leistungsfähigkeit mobiler Geräte, sowie der sich häufig ändernden drahtlosen Netzwerkqualität, eine Herausforderung dar.<br />Software Adaptierbarkeit für mobile Rechnerarchitekturen, schnelles Auffinden verfügbarer Dienste, so wie die Unterstützung für asynchrone Kommunikationsprotokolle, wie sie von Data Space basierten Technologien angeboten werden, sind wesentliche Anforderungen. Oft werden mobile Geräte mittels Proxy Technologie oder leichtgewichtiger Protokolle integriert, wobei die wachsende Leistungsfähigkeit mobiler Geräte zunehmend die Integration als vollwertige Teilnehmer ermöglicht.<br />Der Beitrag dieser Dissertation zur Forschung im Bereich Mobile Computing liegt in der Einführung einer mobilitätsbasierten, fehlertoleranten Software Schicht aufbauend auf Data Space Technologie. Die Kenntnis über das Mobilitätsverhalten gründet sich auf Beobachtungen der Zustände und der Zustandswechsel im drahtlosen Netzwerk, sowie auf Vorhersage des nächsten Zustandes mittels Mobilitätsmodellen. Reaktive-, wie auch proaktive Fehlertoleranzmechanismen verwenden Kopien von gemeinsamen Daten. Die Anwendbarkeit des Konzepts wird mittels einer Referenzimplementierung aufbauend auf der Middleware CORSO demonstriert.<br />Die Vorhersage basiert auf zwei Modellen, einem Markov Modell zweiter Ordnung und einem personenbezogenen terminplan-basierten Modell, das zum Beispiel aus Kalendereinträgen extrahiert werden kann. Experimente in einem WLAN Hotspot Bereich zeigen die Auswirkungen bewegungsbasierter Koordinierungsfehler und evaluieren die Fehlertoleranzmechanismen. Die Vielfalt an Koordinationsszenarien wird mittels vier bezüglich zeitlicher und referentieller Kopplung der beteiligten Prozesse unterschiedlich zu klassifizierenden Koordinationsmuster reduziert. Die Resultate zeigen die von synchroner Kommunikation bedingten Grenzen und den Nutzen des Ansatzes.<br />

Mobile computing is a natural further development of distributed computing enabled by wireless networking technologies, portable devices, and means for supporting personal mobility. However, the integration of mobile technologies into stationary distributed systems causes several challenges due to mobile device limitations and changing wireless network connectivity. Mobile devices are commonly integrated by means of proxy technologies and lightweight protocols. As mobile computing devices become more and more powerful, integrating such devices as equivalent participants within distributed architectures becomes feasible. This thesis proposes a mobility-aware fault-tolerant coordination layer on top of data space-based middleware.<br />Mobility-awareness addresses observation of current wireless link states and prediction of future wireless link states and retention periods based on mobility models. Hence, both reactive and proactive mechanisms are proposed to tolerate weak network conditions and disconnections by means of local replication of the shared data space. An extensible reference implementation based on the shared object space middleware CORSO demonstrates the feasibility of the approach. For prediction purpose, a second order Markov model for modeling continuous movement in terms of direction and a schedule-centered model based on, for example, a person's calendar entries, are used as reference mobility models.<br />Experiments are carried out to investigate coordination failures caused by moving in a wireless LAN hotspot area and to analyze fault tolerance mechanisms. Four well known coordination patterns are used as representatives for a manifold of coordination scenarios classified according to the coupling characteristics of processes in terms of time and reference.