Kein Folientitel

Verteilte Systeme
1. Paradigmenwechsel für Softwarelösungen durch Verteilung
1.1 Einführung durch Beispiele aus der Praxis
Sebastian Iwanowski
FH Wedel
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Verteilte Systeme
Inhaltliche Voraussetzungen:
Programmieren mit Java
Objektorientierte Programmierung, XML-Kenntnisse
Vorlesung Rechnernetze
Lernziele dieser Vorlesung:
Paradigmenwechsel:
Verständnis für verteilte Daten, Algorithmen und Softwarearchitekturen
(als Alternative zur zentralistischen Denkweise)
Softwaretechnik:
Nebenläufigkeit, Entfernte Aufrufe, Objektmigration
Serviceorientierte Softwarearchitektur:
Motivation, Grundlagen und Anwendung durch Web Services
Kennenlernen geeigneter Beispiele aus der Praxis
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Was ist ein verteiltes System ?
Eine Einführung durch Anwendungsbeispiele
als Anregung für Seminarvorträge
für Praktikumsarbeiten
für Diplom- und Masterarbeiten
für Geschäftsideen
für ...
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Folgende Beispiele werden vorgestellt:
1.
Personalisierte dynamische Fahrgastinformation
2.
Marktbasierte Verkehrsleitung
3.
Pheromonbasierte Verkehrsleitung
4.
Verteiltes Touristeninformationssystem
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Beispiel 1:
Personalisierte dynamische Fahrgastinformation
Masterarbeit von Michael Schiefenhövel (WS 2005/2006)
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Statische Fahrgastinformation
Aufgabe:
Finde zu zwei Punkten A und B
in einem gegebenen Verkehrsnetz
den kürzesten Weg von A nach B,
der ausschließlich Strecken
dieses Verkehrsnetzes benutzt.
Lösung:
Algorithmus von Dijkstra
(siehe Vorlesung Diskrete Mathematik: http://www.fh-wedel.de/~iw/Lehrveranstaltungen/SS2006/DM/DM6.pdf)
A*-Algorithmus
(siehe Vorlesung Wissensbasierte Systeme: http://www.fh-wedel.de/~iw/Lehrveranstaltungen/WS2005/WBS/WBS3.pdf)
Optimierungen durch weitere Heuristiken (z.B. Geofox für HVV)
Optimierungen durch preprocessing (z.B. Hafas für Deutsche Bahn)
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Statische Fahrgastinformation
Grundlage: Langzeitfahrplan
•
Änderung zyklisch (Deutsche Bahn ca. einmal im Jahr)
•
Anpassungen bei früh bekannten Störungen
Keine Information bei kurzfristigen Abweichungen
•
Fahrgast erfährt Abweichung durch Nicht-Eintreffen des
Fahrzeugs
•
Bestimmung des Ausmaßes durch Warten
Statische Fahrgastinformationsmedien
•
Fahrplan an Haltestellen
•
Linienverlaufsanzeiger
•
Routeninformation im Internet
•
...
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Dynamische Fahrgastinformation
Grundlage: Statische Fahrgastinformation
•
Erweitert um aktuelle Verbindungslage
Information bei kurzfristigen Abweichungen
•
Ursache für Abweichungen
•
Abweichungsumfang
•
Ersatzrouten
Dynamische Fahrgastinformationsmedien
•
Lautsprecherdurchsagen
•
Dynamische Anzeigegeräte
•
…
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Personalisierte dynamische Fahrgastinformation
(PDFIS)
Filterung von Informationen für den Fahrgast
• nur die Informationen, die er benötigt
• keine verwirrenden Mehrinformationen
• sowohl statische als auch dynamische FG-Informationen
Erstellung von Mehrwertdiensten
• Routenberechnung aktualisiert an konkrete Lage
• Touristeninformation
Personalisierte Fahrgastinformationsmedien
• Persönliche Auskunft (über Handy, etc.)
• Multimediaterminals
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Personalisierte dynamische Fahrgastinformation
(PDFIS)
Einbindung in das Gesamtsystem
Route
Ortung
Fahrgast
PDFIS
Routenanfrage
Routenänderung
Ticketzentrale
Information
Routenanfrage
Ticketinformation
Routenauskunft
Information
RBL
Fahrplanauskunft (FPA)
Störungen
Verspätungen
Fahrplanänderung
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Verbindung
Personalisierte dynamische Fahrgastinformation
(PDFIS)
Erweiterungsmöglichkeiten:
Wechsel des Kommunikationsmediums
•
Büro: e-mail auf Computer
•
Unterwegs: SMS auf Handy
Zeitungebundene Begleitung
•
Erfordert flexiblere Auskunft des ÖPV-Anbieters
Bewertung und Realisierung der Anschlusssicherung
•
Warten bei vielen Anschlussfahrgästen
•
Abfahrt bei wenig Anschlussfahrgästen
Vision:
•
Wechsel zwischen verschiedenen ÖPV Anbietern
•
Wechsel zwischen ÖPV und Individualverkehr (intermodales Routen)
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Beispiel 2:
Marktbasierte Verkehrsleitung
Forschungsprojekte bei DaimlerChrysler (1996-2002)
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Schienenverkehr: Problemstellung
Kommunikations-Infrastruktur im modernen Schienenverkehr:
Fahrplanung
Infrastruktur-DB
Basisfahrplan
Störfall-DB
Fahrzeug-DB
Feste + veränderl.
Infrastrukturdaten
Statistik-DB
Fahrzeugdaten
Funkuhr (DCF 77)
Dispo-E/A
Ein-/Ausgaben
BAP
Fahrgast-/Kundeninformation
Betriebszentrale
Schnittstelle zu
anderen BZ
DFÜ über WAN
Zustandsmeldungen,
Steuerungs- und Sicherungsbefehle
(Trassen) für Fahrzeuge 1.... N
Leit- und Betriebsführungsschicht:
Prozessschicht:
Fahrwegelemente
im Bereich der BZ
Zustandsmeldungen,
Steuerungs- u.
Sicherungsbefehle
Fahrzeug 1
Ggf. zusätzl. Kommunikation
zwischen den Fahrzeugen
(Zustandsmeldungen)
Fahrzeug 2
Fahrzeuge im Bereich der Betriebszentrale
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Fahrzeug N
Schienenverkehr: Problemstellung
Welcher Zug darf wann auf welchem Streckenelement fahren ?
Graphische Fahrplankonstruktion
Station A
0
10
20
30
40
50
0
10
20
30
IC
Dispositionsebene:
IR
R/S
Station B
Koordinierung aller Züge
über alle Streckenelemente
Cargo
Station C
Station D
Zeitachse
Sicherungssebene:
Absicherung eines Streckenelements:
Nur 1 Zug zur gleichen Zeit
wird hier nicht verändert
Blockungsprinzip
ortsfeste Signalisierung
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Zugbeeinflussungssysteme
Schienenverkehr: Problemstellung
Welcher Zug darf wann auf welchem Streckenelement fahren ?
Graphische Fahrplankonstruktion
Station A
0
10
20
30
40
50
0
10
20
30
IC
Dispositionsebene:
IR
R/S
Station B
Koordinierung aller Züge
über alle Streckenelemente
Cargo
Station C
Station D
Zeitachse
Stand der Technik:
Fahrpläne und Routenführungen werden in Zentrale vorausgeplant
Weichen werden zentral gestellt
Problem:
unflexibel gegenüber
•
unvorhersehbaren spontanen Änderungen (“Störungen”)
•
spontane Bedarfsänderung
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Schienenverkehr: Lösung
Weg von der zentralen Steuerung !
Alternative:
Züge stellen sich selbst alle Weichen
Züge handeln sich untereinander freie Belegungen aus
bereits realisiert:
Straßenbahnen
durch Menschen
(mit elektronischer Unterstützung)
neues Konzept für:
Fernverkehr
durch autonome Softwareeinheiten
Züge mit Fahrplan
hauptsächlich Personenverkehr
Züge ohne Fahrplan hauptsächlich Güterverkehr
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Schienenverkehr: Lösung
Verhandlungsmethode:
Beispiel:
Elektronische Auktion
Hauptbahnhof Zürich
Angebot für SE
Streckenelement
[SE]
benötige SE als optimale Route
Erhöhe Angebot für SE
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Schienenverkehr: Lösung
Verhandlungsmethode:
Beispiel:
Elektronische Auktion
Erhöhe Angebot erneut
Hauptbahnhof Zürich
habe ohnehin Verspätung
Streckenelement
[SE]
Anderer Fahrweg ist akzeptabel
Steige aus !
Alternative Strategie:
• Statt Ausweichen kann auch abgebremst
oder beschleunigt werden
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Schienenverkehr: Lösung
Verhandlungsmethode:
Elektronische Auktion
Verhandlungsobjekte:
Kombinationen von Zeitscheiben
aufeinander folgender Streckenelemente
Beteiligte Parteien:
7’
Zeitachse
Zugsteuerungs-Agenten, die direkt oder indirekt von einer Störung betroffen sind
Agenten der Betriebszentralen als Auktionatoren
Versteigerungsstrategie:
Ersteigern einer Kombination von Zeitscheiben auf solchen Streckenelementen,
die zusammen einen gültigen Fahrweg ergeben
Versorgen möglichst vieler Bieter mit einem gültigen Fahrweg
Details: Dissertation von Guido Matylis (DaimlerChrysler) an der TU Dresden
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Vergleich Straßenverkehr - Schienenverkehr
Was ist anders bei Straßenfahrzeugen ?
• Fahrzeuge können nicht gezwungen werden,
auf ein Streckenelement zu verzichten
• strikte Trennung zwischen Netzbetreiber und Fahrzeugbetreiber
• mehrere Fahrzeuge zur gleichen Zeit pro Streckenelement zugelassen
• Vielzahl alternativer Routen möglich
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Straßenverkehr: Problemstellung
Dynamische
DynamischeZielführung
Zielführungim
imStraßenverkehr
Straßenverkehr
Auf
Aufdem
demMarkt
Marktbefindliche
befindlichedynamische
dynamischeZielführungssysteme
Zielführungssysteme
•
machen mehrere Routenvorschläge,
die die aktuelle Verkehrlage berücksichtigen
•
geben jedem Autofahrer mit gleichem Start und Ziel
zur selben Zeit die gleichen Vorschläge
Was passiert, wenn viele Autos solch ein
dynamisches Navigationssystem haben ?
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Straßenverkehr: Problemstellung
Problem
Problem
Störungen
Störungenverlagern
verlagernsich
sichvon
voneiner
einerStelle
Stellezur
zuranderen,
anderen,
weil
weilalle
alleAutofahrer
Autofahrerihr
ihrauf
aufdie
diegleiche
gleicheWeise
Weiseausweichen
ausweichen
Lösungsidee
Lösungsidee
Koordiniere
Koordinieredie
dieAutofahrer
Autofahrer
und
undmache
macheunterschiedliche
unterschiedlicheVorschläge
Vorschläge
Problem
Problem
Autofahrer
Autofahrerlassen
lassensich
sichungern
ungernbevormunden
bevormunden
Lösungsidee
Lösungsidee
Lass
Lassdie
dieAutofahrer
AutofahrerEinfluss
Einflussnehmen
nehmenauf
aufdie
dieVorschläge
Vorschläge
durch
Priorisierungen
und
unterschiedliche
Wichtungen
durch Priorisierungen und unterschiedliche Wichtungen
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Straßenverkehr: Lösungskonzept
Auktionsbasierte
AuktionsbasierteVerkehrssteuerung
Verkehrssteuerung
Straßennetz ist unterteilt in Streckensegmente mit vorgesehener
Höchstbelegung von Fahrzeugen zur selben Zeit
Die Benutzungsrechte für Steckensegmente für bestimmte Zeitintervalle
werden an die Fahrzeuge in periodischen Auktionsrunden versteigert.
Hierfür erhalten die Fahrzeuge periodisch ein virtuelles Budget („Spielgeld“).
Die Versteigerung wird auf Fahrzeugseite durch individualisierte
Softwarekomponenten vorgenommen. Die Kommunikation mit der
Versteigerungszentrale erfolgt automatisch ohne die Notwendigkeit einer
Fahrerinteraktion.
Damit ist die Verkehrssteuerung primär ein Softwareproblem
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Demonstration mit einem vorhandenen Verkehrssimulator
Verkehrssimulator
(bereits vorhanden)
• Verkehrssimulation für verschiedene Fahrertypen und Verkehrssituationen
• Routenberechnung unter Berücksichtigung der aktuellen Verkehrssituation
Auktionsbasiertes Verfahren
für individuelle Routenempfehlungen (AVIR)
(noch zu
implementieren)
• Definition eines neuen Fahrertyps „auktionsbasiert“ für den Verkehrssimulator
• Eigenständige Steuerung der auktionsbasierten Fahrzeuge
• Durchführung der elektronischen Auktionen
• Einspeisung der Ergebnisse in den Verkehrssimulator
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Implementierungsdetails
Vorhandener Verkehrssimulator
TCP/IP-Schnittstelle
lief auf Einzelrechner unter Betriebssystem Unix
sollte auf verteilten Rechnern mit beliebigem Betriebssystem laufen
Java mit agentenorientierter Erweiterung (Eigenprodukt)
Softwareagent:
Multiagentensystem:
verteilt
Objekt
autonom
aktiv
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AVIR
Market-Based Traffic Coordination
Concept
Concept
Auction
AuctionBased
BasedTraffic
TrafficControl
Control(ABTC)
(ABTC)
Basic Concept
(AVIR)
for each vehicle:
Road Pricing
Toll-free Roads
Vehicle
Vehicle
Agent
Agent
•knows individual strategies of driver
•communicates automatically with traffic control center
•may get new instructions from driver at any time
Extended Concept
Summary
Practical issues
for traffic control center:
Segment
Segment
Auctioneer
Auctioneer
Route
Route
Planner
Planner
•knows current traffic conditions
•accepts queries for routes from start to end
and answers with several routes
•communicates impartial route properties
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•distributes rights for segment usage
via auctions
Market-Based Traffic Coordination
Concept
Concept
Auction
AuctionBased
BasedTraffic
TrafficControl
Control(ABTC)
(ABTC)
Basic Concept
Bidding
BiddingStrategy
Strategy
Road Pricing
Toll-free Roads
Vehicle
Vehicle
Agent
Agent
Extended Concept
represents
driver‘s interests
•determines when how much should be bid
•determines when new auction is wanted
Virtual
Virtual
Auction
AuctionBudget
Budget
Summary
represents
operator‘s interests
•prioritizes vehicles in a „soft“ manner
•is periodically renewed
Practical issues
Segment
Segment
Auctioneer
Auctioneer
Auction
AuctionMechanism
Mechanism
represents
operator‘s interests
•manages distribution
•determines start and end of auctions
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Market-Based Traffic Coordination
Prime
PrimeApplication
Application
Road
RoadPricing
Pricing
Basic Concept
Road Pricing
Toll-free Roads
Advantages
Advantagesof
ofABTC
ABTCfor
forRoad
RoadPricing:
Pricing:
••enables
enablestoll
tollcollection
collectionby
bysupply
supplyand
anddemand
demand
Extended Concept
Summary
Practical issues
••makes
makesaabetter
betterutilization
utilizationof
ofscarce
scarceroad
roadresources
resources
••considers
considersand
andenables
enablesindividual
individualneeds
needsof
ofusers
users
••supports
supportsnew
newtraffic
trafficconcepts
concepts
Ideal Application: Toll Lanes
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Market-Based Traffic Coordination
ABTC even works for toll-free roads !
Observation:
Observation:
Basic Concept
Bidding
Biddingwith
withvirtual
virtualbudgets
budgets
Road Pricing
Toll-free Roads
=
Giving
Givingpriorities
prioritiestotothe
theroads
roads
using
usingaauniform
uniformscale
scale
ABTC
ABTCmay
maybe
beused
usedfor
fortoll-free
toll-freeroads
roads
with
100
%
virtual
budgets
with 100 % virtual budgets
Extended Concept
Summary
Practical issues
ABTC
ABTCfor
fortoll
tollroads:
roads:
charge
chargefee
feeininrelation
relation
ABTC
ABTCfor
fortoll-free
toll-freeroads:
roads:
assign
assignusing
usingrights
rights
totobids
bidsofofagents
agents
ininrelation
relationtotobids
bidsofofagents
agents
do
donot
notcollect
collectfees
feesfor
foractual
actualusage
usage
Problem
Problem
Disobeying
Disobeyingthe
theassignments
assignments
has
hasno
noconsequences
consequencesfor
fordrivers
drivers
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Market-Based Traffic Coordination
ABTC even works for toll-free roads !
Basic Concept
How
Howto
tomake
makeititattractive
attractivefor
fordrivers
drivers
to
tofollow
followcoordination
coordinationassignments
assignments??
Road Pricing
Toll-free Roads
Basic
Basicprinciple
principleof
ofthis
thisapproach
approach
Extended Concept
Drivers
Driverswho
whoget
getaamore
moreadvantageous
advantageousassignment
assignment
have
haveto
topay
payto
to
Summary
drivers
driverswho
whoget
getaa less
lessadvantageous
advantageousassignment
assignment
Practical issues
payment
paymentneed
neednot
notbe
bedirectly
directlyfrom
fromdriver
drivertotodriver
driver
payment
paymentneed
neednot
notinvolve
involvereal
realmoney
money
Æ ABTC for toll-free roads results in auction-based trading
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Market-Based Traffic Coordination
Coordination for toll-free roads: Trading
Basic Concept
Road Pricing
Toll-free Roads
Extended Concept
Alternative
Alternativetrading
tradingprinciples:
principles:
••Auction-Based
Auction-BasedTrading
Trading
most
mostmature
mature(already
(alreadytested
testedby
bysimulation)
simulation)
Summary
Practical issues
••Exchange-Based
Exchange-BasedTrading
Trading
enables
enablestraffic
trafficprediction
predictionon
onbase
baseof
offuture
futureintentions
intentions
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Market-Based Traffic Coordination
Coordination for toll-free roads: Trading
Questions:
Questions:
Basic Concept
Road Pricing
Toll-free Roads
Extended Concept
How
Howtotomake
makeititattractive
attractivetotoparticipate
participateininthe
thecoordination
coordinationsystem
system??
How
Howtotoprevent
preventnon-participators
non-participatorstotoobtain
obtainthe
thesame
samebenefits
benefits??
Answers:
Answers:
Summary
Practical issues
provide
providenew
newtraffic-specific
traffic-specificinformation
informationexclusively
exclusivelyfor
forparticipants
participants
E.g.:
E.g.:Use
Usequotations
quotationsininthe
theexchange-based
exchange-basedmethod
methodfor
fortraffic
trafficpredictions
predictions
Include
Includethird-party
third-partyoffers
offersinto
intosubscription
subscriptionsystem
system
E.g.:
E.g.:gas
gasstations,
stations,shops,
shops,local
localadvertisement
advertisement
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Market-Based Traffic Coordination
Concept Summary
Purpose
Purposeof
ofexisting
existingdynamic
dynamicnavigation
navigationsystems
systems
Guide
Guidedriver
driveron
onmost
mostconvenient
convenientroute
routetotohis
hisdestination
destination
Basic Concept
considering
consideringthe
thecurrent
currenttraffic
trafficconditions
conditions
Road Pricing
Toll-free Roads
Extended Concept
Problem
Problem
When
Whendynamic
dynamicnavigation
navigationsystems
systemsenter
entermass
massmarket
market
=>
=>congestions
congestionsshift
shiftfrom
fromone
oneroad
roadtotoanother
another
because
becauseall
alldrivers
driverstry
trytotoescape
escapethe
thesame
sameway
way
Summary
Practical issues
Conclusion
Conclusion
!
The
Thepenetration
penetrationof
ofany
anytraffic
trafficadvising
advisingsystem
system
into
intomass
massmarket
marketrequires
requiresaacoordination
coordinationof
of users
users
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!
Market-Based Traffic Coordination
Concept Summary
Basic Concept
Software
Softwarearchitecture
architecture
Road Pricing
Toll-free Roads
for each vehicle:
at a central platform:
Extended Concept
Summary
VDU
VDU
(Vehicle
(VehicleDriver
DriverUnit)
Unit)
Coordinator
Coordinator
Practical issues
•knows individual strategies of driver
•communicates automatically with Coordinator
•may get new instructions from driver at any time
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•accepts queries from VDUs
•distributes using rights to VDUs
•knows current traffic situation
Market-Based Traffic Coordination
Distribution
Distributionof
ofsoftware
softwareon
onthe
theexisting
existinghardware
hardware
Basic Concept
Coordinator
Central platform
C entral platform
C oordinator
Road Pricing
Toll-free Roads
VDU
VDU
VDU
VDU
VDU
Extended Concept
Summary
Practical issues
VD U
VDU
Alternative 1:
VDU
Alternative 2:
VDUs on a central server
VDUs in the vehicles
In any case:
User interface for VDU in the vehicles
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VDU
Market-Based Traffic Coordination
Possible platform for implementation in real life:
Basic Concept
Road Pricing
Toll-free Roads
Extended Concept
Summary
Practical issues
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Beispiel 3:
Pheromonbasierte Verkehrsleitung
Masterarbeit von Thomas Walther (WS 2005/2006)
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Ameisen auf Futtersuche
Pheromone
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Analogon:
Autos auf Routensuche
Pheromone
Start
Ziel
Hindernis
Das Verfahren wird später noch im Detail erklärt
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Mobile verteilte Datenhaltung
Pheromone =
Verkehrsinfos
Mobilfunkzone GELB
Mobilfunkzone GRÜN
Mobilfunkzone BLAU
Wetter
Fahrzeit
Straßenzustand
Wetter
Fahrzeit
Straßenzustand
Pheromonträger
Pheromonträger
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•
Pheromonträger speichern alle
Informationen ihrer Zone
•
Jedes Fahrzeug meldet Infos an die
Pheromonträger seiner Zone
•
Jedes Fahrzeug kann Infos der
Pheromonträger einer beliebigen
Zone lesen
•
Jedes Fahrzeug entscheidet
autonom, wo es lang fährt
Beispiel 4:
Verteiltes Touristeninformationssystem
Forschungsprojekt bei DaimlerChrysler (2000-2002)
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Verteiltes Touristeninformationsystem
Szenario
•
Tourist will eine Stadt besuchen und informiert sich über die Gelegenheiten, die er
sinnvollerweise in dieser Stadt wahrnehmen sollte
•
Tourist hat außerdem geschäftliche oder persönliche Randbedingungen (Termine)
•
Tourist erstellt vor der Reise eine Tagesablaufsplanung am PC (über das Internet)
•
Tourist bucht Veranstaltungen und reserviert Plätze
•
Tourist wird bei seiner Reise von einem mobilen Gerät (PDA) unterstützt
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Verteiltes Touristeninformationsystem
Forderungen:
•
Tourist hat die endgültige Kontrolle
•
Dienstanbieter ist autonom und trägt die Verantwortung für die Informationen
•
Unabhängiges Makeln zwischen verschiedenen Anbietern
•
Flexibilität gegenüber Anforderungsänderungen, sogar während der Tour
•
Fehlertoleranz gegenüber Ausfall von Dienstanbietern
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Verteiltes Touristeninformationsystem
Architektur des Tourenplaners: Prototyp einer SOA
Dienstanbieter
Content
ContentServer
Server
vermitteln
vermittelnzwischen
zwischen
Dienstanbietern
Dienstanbieternund
und
Tourenplaner
Tourenplaner
Dienstanbieter
Dienstanbietersind
sindautonom,
autonom,
haben
eigene
Begriffswelten
haben eigene Begriffswelten
Content
Server
Recommendation
RecommendationServer
Server
beantwortet
Kombinationsanfragen
beantwortet Kombinationsanfragen
Trip
TripServer
Server
berechnet
berechnet
Wege
Wege
zwischen
zwischen
zwei
zweiOrten
Orten
Recommendation
Server
Tourist
GUI
Server
Trip
Server
Ontology
OntologyServer
Serververmittelt
vermittelt
zwischen
den
Begriffswelten
zwischen den Begriffswelten
Ontology
Server
Tour
Scheduling
Server
GUI
Tourist
TouristGUI
GUIServer
Server
speichert
individuelle
speichert individuelle
Präferenzen
Präferenzenund
undTouren
Touren
Tour
TourScheduling
SchedulingServer
Server
stellt
Touren
zusammen
stellt Touren zusammen
Tour
in XML
Public Transport Router
Digitale Karte
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Schnittstelle zum PDA
Weitere Beispiele:
• World Wide Web
Alle Daten für alle !
• Grid Computing
Alle Rechner für alle !
• Bankkontenverwaltung
Weltweiter Zugriff auf ein Konto
• Telekommunikationsanbieter
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Netz aus Vermittlungsstationen
Das perfekte verteilte System:
Wie bauen wir das nach ?
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