Ein agentenbasierter evolutionärer Adaptions- und Optimierungsansatz für verteilte Systeme

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2009-12-07
Issue Year
2009
Authors
Otto, Stephan
Editor
Abstract

Distributed systems have become ubiquitous in recent decades due to the success of the World Wide Web. The Internet, peer-to-peer networks, grid computing and mobile devices together form a distributed, heterogeneous, dynamic and complex infrastructure as a base of distributed information systems to provide global services. Traditional top-down approaches have shown to be insufficient in controlling such complexity. The distribution of heterogeneous resources, information and dynamics are evidence of the similarity of modern distributed systems with complex adaptive systems (CAS), such as cells, organisms and ecosystems. These have a high degree of self-adaptation and self-optimization. In recent years the interest in CAS and the transfer of their self-organization mechanisms in technical systems increased. The contribution of this work is the investigation of an approach providing distributed self-adaptive and self-optimizing system functionality. Evolutionary Agents have been introduced as a combination of evolutionary, economic and agent-based approaches. The particular advantages of the approaches were combined. This includes implicit parallelism, robustness and optimization in complex search spaces and flexibility, autonomy and social skills of agents. Evolutionary agents are conceived as elementary components of information systems in two dimensions. Both the system functionality, as well as the distributed system management in terms of adaptation and optimization is performed simultaneously. Agents provide system services in a collaborative manner. In parallel, a decentralized evolutionary process establishes the system-wide optimization of services provided by agents. The economic dimension allows decentralized market-based coordination mechanisms between the agents. The modeling is bottom-up perspective of agents and thus supports the understanding and formalization of distributed implicit problems. On the basis of the formal optimization approach important adaptive characteristics were derived. To this end, the adjustment is part of the overall system, both in its dimension as well as in the functionality. Furthermore, the introduction of the Enhanced Takeover Time (ETT) has shown that dynamic network structures, like the Intenet, peer-to-peer systems and grid computing are suitable for the application of evolutionary agents. The introduction of a measurement of distribution allows the classification and comparison with existing parallel evolutionary processes. By means of prototypes derived properties have been validated on two problems in different domains. This highlights the advantages and scope of the combination of evolutionary, economic and agent-based methods. Similarly, the implementation of the reference architecture is designed as an extension of existing agent frameworks and can easily be integrated. This has also been shown in three different systems.

Abstract

Verteilte Systeme sind in den letzten Jahrzehnten durch den Erfolg des World Wide Web allgegenwärtig geworden. Das Internet, Peer-to-Peer Netzwerke, Grid Computing und mobile Endgeräte bilden zusammen eine verteilte, heterogene, dynamische und komplexe Infrastruktur auf deren Basis verteilte Informationssysteme globale Dienste zur Verfügung stellen. Die ständig steigende Komplexität lässt zentralisierte Top-Down Ansätze zur Steuerung zunehmend an ihre Grenzen stoßen. Die Verteilung von Ressourcen und Informationen, Heterogenität und Dynamik sind Belege für die Ähnlichkeit technischer Systeme mit natürlichen komplexen adaptiven Systemen (CAS), wie z.B. Zellen, Lebewesen und Ökosystemen. Diese weisen ein hohes Maß an Selbstadaptivität und -optimierung auf. In den letzten Jahren hat daher das Interesse an CAS und deren Untersuchung sowie die Übertragung ihrer Mechanismen zur Selbstorganisation auf technische Systeme stark zugenommen. Der Beitrag dieser Arbeit besteht in der Untersuchung eines Ansatzes zur Bereitstellung adaptiver und selbst optimierender Systemfunktionalität. Hierzu wurden evolutionäre Agenten als ein CAS Mechanismus aus der Kombination von evolutionären, ökonomischen und agentenbasierten Ansätzen eingeführt. Die jeweiligen Vorteile der Ansätze wurden vereinigt. Hierzu zählen einerseits implizite Parallelität, Robustheit und Optimierung in komplexen Suchräumen und andererseits Flexibilität, Autonomie und Interaktionsfähigkeit von Agenten. Evolutionäre Agenten sind als elementare Bestandteile von Informationssystemen in zweierlei Hinsicht konzipiert. Sowohl die eigentliche Systemfunktionalität als auch das verteilte Systemmanagement im Hinblick auf Adaptivität und Optimierung wird gleichzeitig durchgeführt. Damit stellen Agenten kollaborativ die Systemdienste bereit und ein dezentraler evolutionärer Prozess etabliert parallel die systemweite Optimierung der Dienste. Die ökonomische Dimension erlaubt dezentrale marktbasierte Koordinationsmechanismen zwischen den Agenten. Die Modellierung erfolgt Bottom-Up aus Agentensicht und unterstützt damit das Verständnis und die Formalisierung verteilter Probleme. Auf Basis des formalen Optimierungsansatzes wurden wichtige adaptive Eigenschaften abgeleitet. Hierzu gehört die Anpassung des Gesamtsystems sowohl in seiner Dimension als auch in der Funktionalität. Weiterhin wurde durch die Einführung der Erweiterten Takeover Time (ETT) gezeigt, dass dynamische Netzwerkstrukturen, wie das Internet, Peer-to-Peer Systeme und Grid Computing für den Einsatz evolutionärer Agenten geeignet sind. Die Einführung eines Dezentralitätsmaßes erlaubt die Einordnung und den Vergleich mit bestehenden parallelen evolutionären Verfahren. Mit Hilfe von Prototypen wurden die abgeleiteten Eigenschaften an zwei Problemstellungen in unterschiedlichen Domänen validiert. Dies unterstreicht die Vorteile und Tragweite der Kombination evolutionärer, ökonomischer und agentenbasierter Verfahren. Ebenso ist die Umsetzung der Referenzarchitektur als Erweiterung bestehender Agentenframeworks gedacht und kann integriert werden. Auch dies wurde an drei unterschiedlichen Systemen gezeigt.

DOI
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