Flexible semantic service execution

Zusammenfassung: Die vorliegende Arbeit widmet sich einer wichtigen Aufgabenstellung, die im Umfeld verteilter und dienstbasierter Architekturen auftritt: Die korrekte, zuverlässige und effiziente Ausführung softwarebasierter Dienste. Im Zentrum dieser Arbeit stehen dabei zwei Ansätze die jeweils die Flexibilität bei der Umsetzung dieser Aufgabe steigern. Erstens eine neuartige Methode zur automatisierten Vorwärtsbehandlung von Dienstfehlern zur Ausführungszeit, genannt Control Flow Intervention (CFI). Zweitens eine in sich geschlossene Ausführungstechnik die die Migration laufender Ausführungsinstanzen zwischen verfügbaren Ausführungsmaschinen gestattet. Beide tragen den spezifischen Anforderungen neuartiger internetbasierter und mobiler Anwendungsgebiete Rechnung. Wesentliche Merkmale dieser Anwendungen sind (i) Inhärenz entfernter Aufrufe, (ii) ad-hoc-Dienste um dynamisch sich verändernden Umgebungen und Benutzerpräferenzen gerecht zu werden und (iii) eine hohe Fehleranfälligkeit bedingt durch drahtlose Verbindungen und Volatilität angebotener Dienste.
Die zugrunde liegende Theorie für alle in dieser Arbeit angestellten Untersuchungen sind Semantische Dienste, insbesondere basierend auf deduktiven und entscheidbaren Beschreibungslogiken. In einem ersten Schritt greifen wir bisherige Arbeiten aus diesem Bereich auf und entwickeln diese weiter hin zu einem kohärenten formalen Systemmodell welches wesentliche Dimensionen in der Semantik von Diensten vereint.
Basierend auf diesem Systemmodell liegt anschliessend das Hauptaugenmerk auf CFI. Ziel dieser Methode ist es, Dienstfehler durch geeignete Ersetzungsstrategien nach vorn zu korrigieren, so dass das geplante Gesamtziel eines Dienstes in äquivalenter oder zumindest vergleichbarer Form trotzdem erreicht werden kann. Dies wird durch dynamisches Ausweichen auf semantisch äquivalente oder ähnliche Alternativen ermöglicht. Hierbei wird davon ausgegangen, dass konkrete Alternativen nicht Bestandteil der Dienstspezifikation sind. Es wird lediglich angenommen, dass sie in der Anwendungsdomäne vorhanden sind. Da Alternativen somit nicht vordefiniert sind, wird im Fehlerfall dynamisch nach ihnen gesucht.
Da das vorgestellte Systemmodell zwei Arten von Nebenläufigkeit bei der Dienstausführung zulässt, und da die Repräsentation des Zustandes verschiedener Ausführungsinstanzen in einer gemeinsamen Wissensbasis erfolgt, wird ausserdem der korrekte und inferenzvermeidende simultane Zugriff auf solche Wissensbasen untersucht. Diese Arbeit stellt dazu ein neuartiges Zugriffsmodell zur Koordination von nebenläufigen Transaktionen auf einer Web Ontology Language Wissensbasis vor. In diesem Zusammenhang werden dessen Leistungs- und Isolationseigenschaften diskutiert.
Um die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Methoden untersuchen zu können, wurden diese prototypisch in unserem verteilten und dezentralen Ausführungssystem OSIRIS Next implementiert. Wir beschreiben den grundlegenden Aufbau dieses Systems. In diesem Zusammenhang stellt diese Arbeit dann die verteilte Ausführungstechnik vor, die insbesondere für (semi-)automatisch zusammengefügte und nur wenige Male ausgeführte ad-hoc-Dienste optimiert ist.
Schliesslich wurden die vorgestellten Verfahren durch verschiedene Experimente hinsichtlich ihres Laufzeitverhaltens quantitativ evaluiert. Die dabei gemachten Erfahrungen und Resultate zeigen das Potential der Verfahren für deren Einsatz in der Praxis.
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Abstract: This thesis deals with an important task in the context of distributed and service-oriented architectures: the correct, reliable, and efficient execution of software-based services. In the center of this work are two approaches that increase the flexibility in this task. First, a novel method for automated forward recovery of service failures at execution time, called Control Flow Intervention (CFI). Second, a self-contained technique that allows for migration of running execution instances among available execution machines. Both address requirements specific to novel Internet-based and mobile applications. Characteristic for such applications are (i) inherent remote invocation, (ii) ad-hoc services to cope with dynamically changing environments and user preferences, and (iii) frequent errors due to wireless connections and volatility of offered services.
The underlying theory for all investigations made in this thesis are Semantic Services, based in particular on deductive and decidable Description Logics. In a first step, we take up prior work in this area and develop it further towards a coherent formal system model that combines essential dimensions of service semantics.
Based on this model, the focus is then on CFI. The goal of this method is to correct service failures by appropriate replacement strategies in a forward-oriented way, meaning that the overall goal of a service remains attainable, though in a semantically equivalent or at least comparable form. This is achieved by dynamically shifting to semantically equivalent or similar alternatives. Alternatives are however not pre-defined as part of the service specification. Rather, it is assumed that they exist in the application domain and that they are searched for on demand in the presence of a failure.
Since the system model allows for two types of concurrency in the service execution, and since the state of execution instances is represented in a shared knowledge base, we also investigate the problem of ensuring correct concurrent access to knowledge bases so that inferences are avoided. Specifically, we present a novel concurrency control model for transactions operating over a Web Ontology Language knowledge base. Efficiency and isolation properties of the presented approach are furthermore discussed.
In order to investigate the practical applicability of the presented methods, they were prototypically implemented in our distributed and decentralized execution system OSIRIS Next. We describe the architecture of this system. In this context, the distributed execution technique is presented that is particularly optimized for ad-hoc services that are usually (semi-)automatically composed and executed a few times only.
Finally, the presented methods were evaluated quantitatively by various experiments with respect to their runtime behavior. The results and the experiences gained show the potential of the methods for their application in practice.