Semantic Self-Management and Mediation for Home Service ... · 23.09.2014 Jan Schäfer 8 Hochschule...

Semantic Self-Management and MediationSemantic Self-Management and Mediationfor Home Service Platformsfor Home Service Platforms

Jan Schä[email protected]

Labor für Verteilte Systeme, Fachbereich Design Informatik MedienHochschule RheinMain, http://wwwvs.cs.hs-rm.de

Management komplexer IT-Systeme und Anwendungen (MITA),Workshop im Rahmen der 44. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik,

Universität Stuttgart, 23. September 2014

mailto:[email protected]

http://wwwvs.cs.hs-rm.de/

23.09.201423.09.2014 Jan SchäferJan Schäfer 22 Hochschule RheinMainHochschule RheinMainLabor für Verteilte SystemeLabor für Verteilte Systeme

Inhalt

● Motivation● Zielsetzung● Grundlagen● Entwurf● Evaluation● Fazit


Motivation

● Zunehmende Abhängigkeit von IT-Diensten● Unternehmensumfeld

● „Klassische“ Infrastruktur-Dienste (z.B. E-Mail, Datei, SAP)● Cloud-Dienste („Everything as a Service“/XaaS)● Administration, Dienstgütemanagement und Hochverfügbarkeit

● Privates Lebensumfeld: Ambient Assisted Living (AAL)● EU-Forschungsschwerpunkt mit dem Ziel, ein möglichst langes,

selbstbestimmtes Leben Zuhause zu ermöglichen● Kernthemen Komfort, Sicherheit und Gesundheit● AAL-Systeme sehen i.d.R. zentrale Dienstplattform vor

● Integration externer und interner Dienste● Integration von/mit Sensoren und Aktoren● Zunehmende Heterogenität der Komponenten

➔ Im privaten Lebensumfeld fehlen Administration, Dienstgütemanagement und Hochverfügbarkeit!


Zielsetzung

● Ansatz für semantisches autonomes Management von Diensten und Plattformen im privaten Lebensumfeld

● Schwerpunkte● Autonomes Dienstgütemanagement● Semantische Modellierung

● Dienste● Dienstgütemanagement● Managementregeln

● Dynamische semantische Dienstvermittlung● Eskalation nicht selbständig behebbarer Probleme● Hochverfügbarkeit auf Dienstebene


Semantische Modellierung

Home Server

Implementierungsebene

Smart-TV Smart Home / Automation

Semantische Dienstebene

Zielsetzung

● Höhere Interoperabilität durch semantische Modellierung● Modellierung in Form von OWL-Ontologien● Zusätzlich semantisches Dienstgütemanagement

(z.B. für Antwortzeit, Durchsatz, Verfügbarkeit)

QoSQoS

QoS

QoSQoS


Selbstmanagement

● Autonomic Computing (AC) [Hor01]● Managementansatz initiiert von IBM Research● Automatisierung des IT-Managements

● Angelehnt an das autonome zentrale Nervensystem● Automatische Anpassung an geänderte Gegebenheiten

● Grundlage des Organic Computing (OC) [GI03]● Selbst-X-Eigenschaften

● Selbstkonfigurierend● Selbstheilend● Selbstoptimierend● Selbstschützend● Selbstbewusst (OC)● Selbsterklärend (OC)

Grundlagen

Kontrollierte Ressource

Autonomer Manager

Monitor(Überwachung)

Analyze(Analyse)

Execute(Ausführung)

Plan(Planung)

Knowledge(Wissen)

Sensor Aktor


ModellbildungEntwurf

● MDA-orientierte [OMG01] semantische Modellierung● Dienste

Semantic Markup for Web Services (OWL-S) [Mar+04]● Dienstgüte

Quality of Service Modeling Ontology (QoS-MO) [TS08]● Selbstmanagement

Eigene Ontologie und Managementregeln● Abstraktion von Überwachungsdaten zur Laufzeit

● Management auf Modellebene● Abbildungen für konkrete Technologien

● Fundamente für jede zu unterstützende Technologie● Dienste (OSGi) [OSA12]● Management (Java Management Extensions, JMX) [JMX06]


Anwendungskontext Semantische Dienste Dienstgütemanagement Selbstmanagement

Plattformunabhängige Modelle

Dienstontologie(OWL-S)

Dienstgüteonto-logie (QoS-MO)

Kontextontologie(OWL)

Management-ontologie (OWL)

Regeln (SWRL,SPARQL)

Plattformspezifischer Code

Dienst-implementierung

Management-implementierung

Management-instruktionen

Modellbildung (2)

PSM-Nutzung

Plattformspezifische Modelle

Dienstfundament(OWL)

Management-fundament (OWL)

Entwurf

● Abbildungen in den Fundamenten● Vordefiniert (statisch) für Basiskonzepte● Generiert (dynamisch) für Laufzeitinformationen


Dienstplattform

Dienst(e)

MA

MA

Plat

tfor

msp

ezif

isch

eKo

mm

uni

kati

on

Ereignisse Aufrufe

MA: Managementagent

Autonomer Manager

Au

ton

omer

Man

ager

Execute(Ausführung)

Monitor(Überwachung)

Analyze(Analyse)

Plan(Planung)

Knowledge(Wissen)Aktualisierungen

Verletzungen

Aktionen

Aktionen

SemantischesDienstverzeichnis

Registrierungen Plat

tfor

mu

nab

häng

ige

Kom

mu

nika

tion

Entwurf

● AM nutzt MAPE-K-Regelkreis (Autonomic Computing)● Plattformunabhängiger Managementprozess

● Dynamisch um Modelle und Regeln erweiterbar● Analyse und Planung auf Modellebene● Bidirektionale Abbildung Code Modell durch ↔

Überwachungs- und Ausführungsmodule


ManagementregelnEntwurf

Analyse (Beispiel: Verfügbarkeit)

CONSTRUCT {?qosOffered itm:isInViolation true .

}WHERE {

# From semantic service definition?atomicProcess a proc:AtomicProcess .?qosRequired a qos:QoSRequired .?qosRequired qom:hasTarget ?atomicProcess .?reqAvailability a qos:Availability .?qosRequired qos:hasContext ?reqAvailability .?minAvailability a qos:MinAvailability .?reqAvailability qos:hasDimension ?minAvailability .?minAvailability qos:hasPrimitiveValue ?minAvailabilityValue .# From semantic service implementation?qosOffered a qos:QoSOffered .?qosOffered qom:hasTarget ?atomicProcess .?offAvailability a qos:Availability .?qosOffered qos:hasContext ?offAvailability .?qosDimension a qos:CurrentAvailability .?offAvailability qos:hasDimension ?qosDimension .?qosDimension qos:hasPrimitiveValue ?currAvailabilityValue .FILTER( ?currAvailabilityValue < ?minAvailabilityValue ) .

}

Plan (Beispiel: Neustart)

CONSTRUCT {?qosOffered itm:requiresAction itm:RestartAction .

}WHERE {

?qosOffered a qos:QoSOffered .?qosOffered itm:isInViolation true .?atomProcGrnd a grnd:AtomicProcessGrounding .?qosOffered qom:hasTarget ?atomProcGrnd .

}


Evaluation

● Qualitative Evaluation● Abdeckung der Anforderungen

● Autonomes Dienstgütemanagement● Semantische Modellierung● Dynamische semantische Dienstvermittlung● Eskalation nicht selbständig behebbarer Probleme● Hochverfügbarkeit auf Dienstebene

● Selbst-X-Eigenschaften● Selbsterklärung● Selbstheilung● Selbstkonfiguration

● Quantitative Evaluation● Prototypische Umsetzung für OSGi-Plattform● (Regelungs-)Verhalten bei dynamischen Dienstinstanzen● Synthetische Bestimmung der Ausführungszeiten des

Selbstmanagers


Selbstmanager

● 6 Testszenarien● 1-2 Dienstgütemerkmale

● Verfügbarkeit (Pavail) und Ausführungszeit (texec)● 1-2 Dienstinstanzen

● Bad-To-Good (BTG)● Startkonfiguration: Pavail=90% und texec=500ms● Streng monotone Verbesserung bis Pavail=100% und texec=100ms,

dann streng monotone Verschlechterung● Good-To-Bad (GTB)

● Startkonfiguration: Pavail=100% und texec=100ms● Streng monotone Verschlechterung

● 1-2 Dienstkonsumenten● Konsument 1 fordert texec≤250ms● Konsument 2 fordert Pavail≥94%

● Grenzen Selbstmanager: Pavail≥90% und texec≤500ms● Bei Verletzung Neustart der Dienstinstanz

Evaluation


Selbstmanager (2)Evaluation

1 DI / 1 DK / 1 DM

DynamischeVermittlung

(Innerhalb 1ms)

Vergangene Zeit:75ms



2 DI / 2 DK / 2 DM

Wechsel zwischenDienstinstanzen

Aktion Manager wg.Ausführungszeit



LegendeTS: TestszenarioM: Überwachungsmodul (Monitor)A: Analysemodul (Analyze)P: Planungsmodul (Plan)E: Ausführungsmodul (Execute)K: Wissensmodul (Knowledge)


Fazit

● Neuer Ansatz: Semantisches Selbstmanagement● „Der intelligente Administrator für das eigene Zuhause“● MDA-orientiertes Modellierungskonzept

● Trennung von Modellen und Technologien● Plattformunabhängiges Management

● Autonomer Manager● Unterstützt semantische Dienstvermittlung● Dynamische Änderung des Regelungsverhaltens möglich● Nachvollziehbare Managemententscheidungen● Modularität ermöglicht Einsatz in anderen Szenarien

● Weitere Konzepte (hier nicht vorgestellt)● Fehlertoleranzmanager● Vorverarbeitung hochfrequenter Ereignisse

Vielen Dank für dieAufmerksamkeit!

Jan Schä[email protected]

Labor für Verteilte SystemeFachbereich Design Informatik MedienHochschule RheinMainhttp://wwwvs.cs.hs-rm.de


REFERENZEN


Referenzen

[Gru93] T. Gruber. „Toward Principles for the Design of Ontologies Used for Knowledge Sharing“. In: International Journal Human-Computer Studies 43 (Aug. 1993), S. 907–928. URL: http://tomgruber.org/writing/onto-design.htm

[GI03] VDE/ITG/GI-Arbeitsgruppe Organic Computing. Organic Computing – Computer- und Systemarchitektur im Jahr 2010.2003.

[Hor01] P. Horn. Autonomic Computing: IBM’s Perspective on the State of Information Technology. IBM Corporation, 2001.URL: http://www.ibm.com/research/autonomic

[JMX06] Java Management Extensions (JMX) Specification Version 1.4. Sun Microsystems, Nov. 2006.URL: http://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/guides/jmx/JMX_1_4_specification.pdf

[Mar+04] D. Martin, M. Burstein, J. Hobbs et al. OWL-S: Semantic Markup for Web Services. 2004.URL: http://www.w3.org/submission/owl-s/

[OMG01] J. Miller und J. Mukerji, Hrsg. Model Driven Architecture (MDA). Object Management Group, Juli 2001. 31 S.URL: http://www.omg.org/cgi-bin/doc?ormsc/01-07-01.pdf

[OSA12] OSGi Service Platform Release 5 (Version 5.0) Core Specification. OSGi Alliance, März 2012. 396 S.URL: http://www.osgi.org/download/r5/osgi.core-5.0.0.pdf

[TS08] G. F. Tondello und F. Siqueira. „The QoS-MO Ontology for Semantic QoS Modeling“. In: Proceedings of the ACM Symposium on Applied Computing (SAC 2008). Fortaleza, Ceará, Brazil: ACM Press, 2008

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[W3C12] OWL 2 Web Ontology Language Document Overview (Second Edition) (W3C Recommendation). World Wide Web Consortium, Dez. 2012. URL: www.w3.org/tr/owl2-overview/

[W3C13] S. Harris und A. Seaborne, Hrsg. SPARQL 1.1 Query Language (W3C Recommendation). World Wide Web Consortium, März 2013. URL: http://www.w3.org/tr/sparql11-query/


Referenzen (2)

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[Tru+07] W. Trumler, A. Pietzowski, B. Satzger und T. Ungerer. „Adaptive Selfoptimization in Distributed Dynamic Environments“. In: First International Conference on Self-Adaptive and Self-Organizing Systems (SASO 2007)

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