Lehrgebiet Informationssysteme

FB Informatik

Integriertes Seminar Datenbanken und Informationssysteme im Wintersemester 2005/2006

Thema: Verlässliche, adaptive Informationssysteme (Dependable Adaptive Information Systems, DAIS)

Voraussetzung: Vorlesung Datenbankanwendung

Ansprechpartner: Jürgen Göres

Aktuelles

Allgemeines

Organisation

• Verfügbare Plätze: 12
• Aktuelle Anmeldungen: 11
• Detaillierte Informationen zur Organisation und Durchführung finden sich in den allgemeinen Hinweisen für Bearbeiter.

Themenbeschreibung

Verlässliche, adaptive Informationssysteme (Dependable Adaptive Information Systems, DAIS)

Zahlreiche Bereiche einer modernen Gesellschaft wie Telekommunikation, das Bankenwesen, Verkehrsregelung und Verwaltung basieren auf datenbankgestützten Informationssystemen. Aufgrund ihrer großen Bedeutung für das Funktionieren von Gesellschaft und Wirtschaft müssen diese Systeme als Ganzes extremen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Flexibilität genügen. Die wünschenswerten Eigenschaften derartiger Systeme wurden von Jim Gray in drei zentralen Punkten zusammengefasst:

• störungsfrei (trouble-free): Die Systeme sollen permanent von einer großen Anzahl von Nutzern verwendet werden können und dabei nur minimalen Administrationsaufwand erfordern.
• sicher (secure): Nur autorisierte können die angebotenen Dienste nutzen. Nicht autorisierte Nutzer können weder den autorisierten Nutzern den Zugriff verwehren (denial of service) noch können sie Zugriff auf die Daten des Systems erhalten.
• unterbrechungsfreier Betrieb (always-up): Es ist sicherzustellen, dass die Systeme in hundert Jahren maximal für eine Sekunde nicht verfügbar sind. (Die berühmten "eight nines of availability", 99,999999% Systemverfügbarkeit).

Um diese Anforderungen an verlässliche, adaptive Systeme zu erfüllen, sind zahlreiche grundsätzliche Probleme zu lösen. Prägend ist dabei der prinzipielle Zielkonflikt zwischen Zuverlässigkeit auf der einen und der gewünschten Flexibilität auf der anderen Seite:

Recovery-oriented computing: Wesentlich bei der Entwicklung komplexer Softwaresysteme ist die Erkenntnis, dass Fehler als gegeben und nicht völlig vermeidbar zu akzeptieren sind. Zuverlässige Systeme müssen daher Methoden zum Umgang mit allen denkbaren Fehlersituationen vorsehen. Moderne Datenbanksysteme bieten mit dem Transaktionskonzept bereits heute entsprechende Ansätze, die nun auf das gesamte Informationssystem zu übertragen sind.

Adaptierung und self-tuning: Konzepte zur Adaptierung, also zur automatischen Anpassung eines Systems an veränderte Lastsituationen oder Änderungen in den verfügbaren Systemressourcen, sind bei heutigen DBMS und Informationssystemen kaum vorhanden. Informationssysteme können innerhalb eines Tages, aber auch kurzfristig innerhalb weniger Sekunden stark schwankenden Lastsituationen ausgesetzt sein. Aber nicht nur die Menge, sondern auch die Charakteristiken der Operationen können wechseln. Ein DAIS muss in der Lage sein, durch automatisches Anpassen von Systemparametern wie Cache-Größe oder Scheduling-Strategie auf die unterschiedlichsten Situationen flexibel zu reagieren. Dazu muss das System in der Lage sein, sich selbst zu überwachen (self-awareness), und lediglich basierend auf vom Systemverwalter definierten Zielvorgaben die jeweils optimalen Betriebsparameter zu wählen. Für diese Rückkopplung müssen auch bisher erfolgreiche Konzepte wie die Aufteilung von DBMS in klar getrennte Schichten teilweise aufgegeben werden, da für die Optimierung und Anpassung lokale Informationen nicht ausreichen, sondern eine auf das Leistungsverhalten des Gesamtsystems gerichtete Sicht erforderlich ist. Im Verbund mit Ansätzen zur dynamischen Bereitstellung von Rechnerressourcen z.B. mit Hilfe von Grid-Technologie, sind Informationssysteme zudem nicht mehr nur auf die bestmögliche Nutzung der vorhandenen Ressourcen beschränkt, sondern können in Spitzenlastzeiten die Menge an verfügbaren Ressourcen kurzfristig erhöhen. All dies erhöht jedoch die Komplexität der Systemkomponenten und folglich die Fehlerwahrscheinlichkeit, und steht somit in Widerspruch zur geforderten Zuverlässigkeit.

Lange Transaktionen: Während in bisherigen Informationslandschaften klassische, kurze Transaktionen oft ausreichend sind, erfordern neue Nutzungsweisen, wie als Workflows modellierte, langandauernde Geschäftsprozesse, eine Anpassung und Abschwächung der strikten ACID-Semantik und die Unterstützung von strukturierten Transaktionen (z.B. offen geschachtelte Transaktionen) und Kompensationsverfahren.

Verteilung, offene Architekturen, Umgang mit Heterogenität und Autonomie: Im Gegensatz zu heutigen Systemen werden künftige Informationssysteme nicht eine einzige zentralen Datenbank einsetzen, sondern auf zahlreiche, verteilte, teilweise autonome und wechselnde Datenquellen oder externe Dienste zugreifen. Der Umgang mit derartigen Systemen erfordert Mechanismen zur automatischen Anpassung an unterschiedliche Schemas und Schnittstellen. Zugleich bedeutet diese Flexibilität auch neue Fehlermöglichkeiten und gefährdet die gewünschte Zuverlässigkeit.

Verschärfte Sicherheitsanforderungen Die Offenheit und weite Verteilung derartiger Systeme bietet zugleich eine Vielzahl neuer Angriffspunkte auf die Verfügbarkeit und den Schutz sensibler Daten und stellt daher neue Herausforderungen an die Systemsicherheit, die weit über die von zentralisierten Systemen hinausgehen. Während konventionelle Systemlandschaften von einem klar definierten, begrenzten Benutzerkreis in Anspruch genommen werden, sind jetzt nicht nur die Nutzerzahlen größer und die einzelnen Nutzer oft weniger vertrauenswürdig, sondern auch die einzelnen Komponenten des Systems selbst nicht mehr vollständig innerhalb eines durch organisatorische Maßnahmen als sicher zu betrachtenden Bereichs, sondern autonom und daher prinzipiell weniger sicher und vertrauenswürdig. DAIS benötigen daher Mechanismen für die Verwaltung von Vertrauensbeziehungen (vgl. web of trust) und Vorkehrungen um die Robustheit gegenüber Angriffen auch auf vormals internen Schnittstellen zu erhöhen. Als problematisch erweist sich dabei die Modellierbarkeit der Sicherheitsanforderungen und damit der fundierte Beweis über das erzielte Sicherheitsniveau.

Neue Entwicklungsprinzipien Das erreichen all dieser Anforderungen, insbesondere in Anbetracht des Zielkonflikts Zuverlässigkeit vs. Flexibilität, erfordert neue Ansätze für die Entwicklung von verlässlichen, adaptiven Systemen, die zum Teil bisherigen Entwicklungsgrundsätzen zuwiderlaufen. Der verstärkte Einsatz feingranularer Komponenten mit möglichst einfachen Schnittstellen könnte helfen, die Komplexität der Komponenten und des Gesamtsystems zu reduzieren, sich aber zugleich nachteilig auf die erzielbare Performance auswirken. Auch hier ist eine geeignete Modellierung des Begriffs der Zuverlässigkeit erforderlich, insbesondere unter Berücksichtigung der Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Systemen, die mit bisherigen Single-failure-at-a-time-Paradigmen nicht hinreichend abgedeckt werden.

Im Rahmen des Seminars bearbeitet jede(r) Studierende eines Themengebiet. Die Ergebnisse der Arbeit werden in einer Ausarbeitung zusammengefasst und im Rahmen eines ca. 45-minütigen Vortrags präsentiert. Ausgewählte Ausarbeitungen werden nach Abschluss des Seminars an dieser Stelle veröffentlicht.

Themenliste

(Änderungen vorbehalten)

Literatur

Themenbezogene Literatur wird vom jeweiligen Betreuer bekannt gegeben.