TY  - THES
A1  - Ullmann, Tobias
T1  - Characterization of Arctic Environment by Means of Polarimetric Synthetic Aperture Radar (PolSAR) Data and Digital Elevation Models (DEM)
T1  - Charakterisierung der arktischen Landoberfläche mittels polarimetrischer Radardaten (PolSAR) und digitalen Höhenmodellen (DEM)
N2  - The ecosystem of the high northern latitudes is affected by the recently changing environmental conditions. The Arctic has undergone a significant climatic change over the last decades. The land coverage is changing and a phenological response to the warming is apparent. Remotely sensed data can assist the monitoring and quantification of these changes. The remote sensing of the Arctic was predominantly carried out by the usage of optical sensors but these encounter problems in the Arctic environment, e.g. the frequent cloud cover or the solar geometry. In contrast, the imaging of Synthetic Aperture Radar is not affected by the cloud cover and the acquisition of radar imagery is independent of the solar illumination. The objective of this work was to explore how polarimetric Synthetic Aperture Radar (PolSAR) data of TerraSAR-X, TanDEM-X, Radarsat-2 and ALOS PALSAR and interferometric-derived digital elevation model data of the TanDEM-X Mission can contribute to collect meaningful information on the actual state of the Arctic Environment. The study was conducted for Canadian sites of the Mackenzie Delta Region and Banks Island and in situ reference data were available for the assessment. The up-to-date analysis of the PolSAR data made the application of the Non-Local Means filtering and of the decomposition of co-polarized data necessary. 

The Non-Local Means filter showed a high capability to preserve the image values, to keep the edges and to reduce the speckle. This supported not only the suitability for the interpretation but also for the classification. The classification accuracies of Non-Local Means filtered data were in average +10% higher compared to unfiltered images. The correlation of the co- and quad-polarized decomposition features was high for classes with distinct surface or double bounce scattering and a usage of the co-polarized data is beneficial for regions of natural land coverage and for low vegetation formations with little volume scattering. The evaluation further revealed that the X- and C-Band were most sensitive to the generalized land cover classes. It was found that the X-Band data were sensitive to low vegetation formations with low shrub density, the C-Band data were sensitive to the shrub density and the shrub dominated tundra. In contrast, the L-Band data were less sensitive to the land cover. Among the different dual-polarized data the HH/VV-polarized data were identified to be most meaningful for the characterization and classification, followed by the HH/HV-polarized and the VV/VH-polarized data. The quad-polarized data showed highest sensitivity to the land cover but differences to the co-polarized data were small. The accuracy assessment showed that spectral information was required for accurate land cover classification. The best results were obtained when spectral and radar information was combined. The benefit of including radar data in the classification was up to +15% accuracy and most significant for the classes wetland and sparse vegetated tundra. The best classifications were realized with quad-polarized C-Band and multispectral data and with co-polarized X-Band and multispectral data. The overall accuracy was up to 80% for unsupervised and up to 90% for supervised classifications. The results indicated that the shortwave co-polarized data show promise for the classification of tundra land cover since the polarimetric information is sensitive to low vegetation and the wetlands. Furthermore, co-polarized data provide a higher spatial resolution than the quad-polarized data. 

The analysis of the intermediate digital elevation model data of the TanDEM-X showed a high potential for the characterization of the surface morphology. The basic and relative topographic features were shown to be of high relevance for the quantification of the surface morphology and an area-wide application is feasible. In addition, these data were of value for the classification and delineation of landforms. Such classifications will assist the delineation of geomorphological units and have potential to identify locations of actual and future morphologic activity.
N2  - Die polaren Regionen der Erde zeigen eine hohe Sensitivität gegenüber dem aktuell stattfindenden klimatischen Wandel. Für den Raum der Arktis wurde eine signifikante Erwärmung der Landoberfläche beobachtet und zukünftige Prognosen zeigen einen positiven Trend der Temperaturentwicklung. Die Folgen für das System sind tiefgehend, zahlreich und zeigen sich bereits heute - beispielsweise in einer Zunahme der photosynthetischen Aktivität und einer Verstärkung der geomorphologischen Dynamik. Durch satellitengestützte Fernerkundungssysteme steht ein Instrumentarium bereit, welches in der Lage ist, solch großflächigen und aktuellen Änderungen der Landoberfläche nachzuzeichnen und zu quantifizieren. Insbesondere optische Systeme haben in den vergangen Jahren ihre hohe Anwendbarkeit für die kontinuierliche Beobachtung und Quantifizierung von Änderungen bewiesen, bzw. durch sie ist ein Erkennen der Änderungen erst ermöglicht worden. Der Nutzen von optischen Systemen für die Beobachtung der arktischen Landoberfläche wird dabei aber durch die häufige Beschattung durch Wolken und die Beleuchtungsgeometrie erschwert, bzw. unmöglich gemacht. Demgegenüber eröffnen bildgebende Radarsystem durch die aktive Sendung von elektromagnetischen Signalen die Möglichkeit kontinuierlich Daten über den Zustand der Oberfläche aufzuzeichnen, ohne von den atmosphärischen oder orbitalen Bedingungen abhängig zu sein. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es den Nutzen und Mehrwert von polarimetrischen Synthetic Aperture Radar (PolSAR) Daten der Satelliten TerraSAR-X, TanDEM-X, Radarsat-2 und ALOS PALSAR für die Charakterisierung und Klassifikation der arktischen Landoberfläche zu identifizieren. Darüber hinaus war es ein Ziel das vorläufige interferometrische digitale Höhenmodel der TanDEM-X Mission für die Charakterisierung der Landoberflächen-Morphologie zu verwenden. Die Arbeiten erfolgten hauptsächlich an ausgewählten Testgebieten im Bereich des kanadischen Mackenzie Deltas und im Norden von Banks Islanld. Für diese Regionen standen in situ erhobene Referenzdaten zur Landbedeckung zur Verfügung. Mit Blick auf den aktuellen Stand der Forschung wurden die Radardaten mit einem entwickelten Non-Local-Means Verfahren gefiltert. Die co-polarisierten Daten wurde zudem mit einer neu entwickelten zwei Komponenten Dekomposition verarbeitet. 

Das entwickelte Filterverfahren zeigt eine hohe Anwendbarkeit für alle Radardaten. Der Ansatz war in der Lage die Kanten und Grauwerte im Bild zu erhalten, bei einer gleichzeitigen Reduktion der Varianz und des Speckle-Effekts. Dies verbesserte nicht nur die Bildinterpretation, sondern auch die Bildklassifikation und eine Erhöhung der Klassifikationsgüte von ca. +10% konnte durch die Filterung erreicht werden. Die Merkmale der Dekomposition von co-polarisierten Daten zeigten eine hohe Korrelation zu den entsprechenden Merkmalen der Dekomposition von voll-polarisierten Daten. Die Korrelation war besonders hoch für Landbedeckungstypen, welche eine double oder single bounce Rückstreuung hervorrufen. Eine Anwendung von co-polarisierten Daten ist somit besonders sinnvoll und aussagekräftig für Landbedeckungstypen, welche nur einen geringen Teil an Volumenstreuung bedingen. Die vergleichende Auswertung der PolSAR Daten zeigte, dass sowohl X- als auch C-Band Daten besonders sensitiv für die untersuchten Landbedeckungsklassen waren. Die X-Band Daten zeigten die höchste Sensitivität für niedrige Tundrengesellschaften. Die C-Band Daten zeigten eine höhere Sensitivität für mittelhohe Tundrengesellschaften und Gebüsch (shrub). Die L-Band Daten wiesen im Vergleich dazu die geringste Sensitivität für die Oberflächenbedeckung auf. Ein Vergleich von verschiedenen dual-polarisierten Daten zeigte, dass die Kanalkombination HH/VV die beste Differenzierung der Landbedeckungsklassen lieferte. Weniger deutlich war die Differenzierung mit den Kombinationen HH/HV und VV/VH. Insgesamt am besten waren jedoch die voll-polarisierten Daten geeignet, auch wenn die Verbesserung im Vergleich zu den co-polarisierten Daten nur gering war. Die Analyse der Klassifikationsgenauigkeiten bestätigte dieses Bild, machte jedoch deutlich, dass zu einer genauen Landbedeckungsklassifikation die Einbeziehung von multispektraler Information notwendig ist. Eine Nutzung von voll-polarisierten C-Band und multispektralen Daten erbrachte so eine mittlere Güte von ca. 80% für unüberwachte und von ca. 90% für überwachte Klassifikationsverfahren. Ähnlich hohe Werte wurden für die Kombination von co-polarisierten X-Band und multispektralen Daten erreicht. Im Vergleich zu Klassifikation die nur auf Grundlage von multispektralen Daten durchgeführt wurden, erbrachte die Einbeziehung der polarisierten Radardaten eine zusätzliche durchschnittliche Klassifikationsgüte von ca. +15%. Der Zugewinn und die Möglichkeit zur Differenzierung war vor allem für die Bedeckungstypen der Feuchtgebiete (wetlands) und der niedrigen Tundrengesellschaften festzustellen. 

Die Analyse der digitalen Höhenmodelle zeigte ein hohes Potential der TanDEM-X Daten für die Charakterisierung der topographischen Gegebenheiten. Die aus den Daten abgeleiteten absoluten und relativen topographischen Merkmale waren für eine morphometrische Quantifizierung der Landoberflächen-Morphologie geeignet. Zudem konnten diese Merkmale auch für eine initiale Klassifikation der Landformen genutzt werden. Die Daten zeigten somit ein hohes Potential für die Unterstützung der geomorphologischen Kartierung und für die Identifizierung der aktuellen und zukünftigen Dynamik der Landoberfläche.
KW  - Mackenzie-River-Delta
KW  - Banks Islands
KW  - Radarfernerkundung
KW  - Topografie
KW  - Formmessung
KW  - Klassifikation
KW  - Relief <Geografie>
KW  - PolSAR
KW  - Synthetic Aperture Radar
KW  - Land Cover Classification
KW  - Digital Elevation Model
KW  - Arctic
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115719
ER  - 
TY  - THES
A1  - Winkler, Marco
T1  - On the Role of Triadic Substructures in Complex Networks
T1  - Über die Bedeutung von Dreiecksstrukturen in komplexen Netzwerken
N2  - In the course of the growth of the Internet and due to increasing availability of data, over the last two decades, the field of network science has established itself as an own area of research. With quantitative scientists from computer science, mathematics, and physics working on datasets from biology, economics, sociology, political sciences, and many others, network science serves as a paradigm for interdisciplinary research.

One of the major goals in network science is to unravel the relationship between topological graph structure and a network’s function. As evidence suggests, systems from the same fields, i.e. with similar function, tend to exhibit similar structure. However, it is still vague whether a similar graph structure automatically implies likewise function. This dissertation aims at helping to bridge this gap, while particularly focusing on the role of triadic structures.

After a general introduction to the main concepts of network science, existing work devoted to the relevance of triadic substructures is reviewed. A major challenge in modeling triadic structure is the fact that not all three-node subgraphs can be specified independently
of each other, as pairs of nodes may participate in multiple of those triadic subgraphs.

In order to overcome this obstacle, we suggest a novel class of generative network models based on so called Steiner triple systems. The latter are partitions of a graph’s vertices into pair-disjoint triples (Steiner triples). Thus, the configurations on Steiner triples can be specified independently of each other without overdetermining the network’s link
structure.

Subsequently, we investigate the most basic realization of this new class of models. We call it the triadic random graph model (TRGM). The TRGM is parametrized by a probability  distribution over all possible triadic subgraph patterns. In order to generate a network instantiation of the model, for all Steiner triples in the system, a pattern is drawn from the distribution and adjusted randomly on the Steiner triple. We calculate the degree distribution of the TRGM analytically and find it to be similar to a Poissonian distribution. Furthermore, it is shown that TRGMs possess non-trivial triadic structure. We discover inevitable correlations in the abundance of certain triadic subgraph
patterns which should be taken into account when attributing functional relevance to particular motifs – patterns which occur significantly more frequently than expected at random. Beyond, the strong impact of the probability distributions on the Steiner triples on the occurrence of triadic subgraphs over the whole network is demonstrated. This interdependence allows us to design ensembles of networks with predefined triadic substructure. Hence, TRGMs help to overcome the lack of generative models needed for assessing the relevance of triadic structure.

We further investigate whether motifs occur homogeneously or heterogeneously distributed over a graph. Therefore, we study triadic subgraph structures in each node’s neighborhood individually. In order to quantitatively measure structure from an individual node’s perspective, we introduce an algorithm for node-specific pattern mining for both directed unsigned, and undirected signed networks. Analyzing real-world datasets, we find that there are networks in which motifs are distributed highly heterogeneously, bound to the proximity of only very few nodes. Moreover, we observe indication for the potential sensitivity of biological systems to a targeted removal of these critical vertices. In addition, we study whole graphs with respect to the homogeneity and homophily of their node-specific triadic structure. The former describes the similarity of subgraph distributions in the neighborhoods of individual vertices. The latter quantifies whether connected vertices
are structurally more similar than non-connected ones. We discover these features to be characteristic for the networks’ origins. Moreover, clustering the vertices of graphs regarding their triadic structure, we investigate structural groups in the neural network of C. elegans, the international airport-connection network, and the global network of diplomatic sentiments between countries. For the latter we find evidence for the instability of triangles considered socially unbalanced according to sociological theories.

Finally, we utilize our TRGM to explore ensembles of networks with similar triadic substructure in terms of the evolution of dynamical processes acting on their nodes. Focusing on oscillators, coupled along the graphs’ edges, we observe that certain triad motifs impose a clear signature on the systems’ dynamics, even when embedded in a larger
network structure.
N2  - Im Zuge des Wachstums des Internets und der Verfügbarkeit nie da gewesener Datenmengen, hat sich, während der letzten beiden Jahrzehnte, die Netzwerkwissenschaft zu einer eigenständigen Forschungsrichtung entwickelt. Mit Wissenschaftlern aus quantitativen Feldern
wie der Informatik, Mathematik und Physik, die Datensätze aus Biologie, den Wirtschaftswissenschaften, Soziologie, Politikwissenschaft und vielen weiteren Anwendungsgebieten untersuchen, stellt die Netzwerkwissenschaft ein Paradebeispiel interdisziplinärer Forschung dar.

Eines der grundlegenden Ziele der Netzwerkwissenschaft ist es, den Zusammenhang zwischen der topologischen Struktur und der Funktion von Netzwerken herauszufinden. Es gibt zahlreiche Hinweise, dass Netz-werke aus den gleichen Bereichen, d.h. Systeme mit ähnlicher Funktion, auch ähnliche Graphstrukturen aufweisen. Es ist allerdings nach wie vor unklar, ob eine ähnliche Graphstruktur generell zu gleicher Funktionsweise führt. Es ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, zur Klärung dieser Frage beizutragen. Das Hauptaugenmerk wird hierbei auf der Rolle von Dreiecksstrukturen liegen.

Nach einer allgemeinen Einführung der wichtigsten Grundlagen der Theorie komplexer Netzwerke, wird eine Übersicht über existierende Arbeiten zur Bedeutung von Dreiecksstrukturen gegeben. Eine der größten Herausforderungen bei der Modellierung triadischer Strukturen ist die Tatsache, dass nicht alle Dreiecksbeziehungen in einem Graphen unabhängig voneinander bestimmt werden können, da zwei Knoten an mehreren solcher Dreiecksbeziehungen beteiligt sein können.

Um dieses Problem zu lösen, führen wir, basierend auf sogenannten Steiner-Tripel-Systemen, eine neue Klasse generativer Netzwerkmodelle ein. Steiner-Tripel-Systeme sind Zerlegungen der Knoten eines Graphen in paarfremde Tripel (Steiner-Tripel). Daher können die Konfigurationen auf Steiner-Tripeln unabhängig voneinander gewählt werden, ohne dass dies zu einer Überbestimmung der Netzwerkstruktur führen würde.

Anschließend untersuchen wir die grundlegendste Realisierung dieser neuen Klasse von Netzwerkmodellen, die wir das triadische Zufallsgraph-Modell (engl. triadic random graph model, TRGM) nennen. TRGMs werden durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung über alle möglichen Dreiecksstrukturen parametrisiert. Um ein konkretes Netzwerk zu erzeugen wird für jedes Steiner-Tripel eine Dreiecksstruktur gemäß der Wahrscheinlichkeitsverteilung gezogen und zufällig auf dem Tripel orientiert. Wir berechnen die Knotengradverteilung des TRGM analytisch und finden heraus, dass diese einer Poissonverteilung ähnelt. Des Weiteren
wird gezeigt, dass TRGMs nichttriviale Dreiecksstrukturen aufweisen. Außerdem finden wir unvermeidliche Korrelationen im Auftreten bestimmter Subgraphen, derer man sich bewusst sein sollte. Insbesondere wenn es darum geht, die Bedeutung sogenannter Motive (Strukturen,
die signifikant häufiger als zufällig erwartet auftreten) zu beurteilen. Darüber hinaus wird der starke Einfluss der Wahrscheinlichkeitsverteilung auf den Steiner-Tripeln, auf die generelle Dreiecksstruktur der erzeugten Netzwerke gezeigt. Diese Abhängigkeit ermöglicht es, Netzwerkensembles mit vorgegebener Dreiecksstruktur zu konzipieren. Daher helfen TRGMs dabei, den bestehenden Mangel an generativen Netzwerkmodellen, zur Beurteilung der Bedeutung triadischer Strukturen in Graphen, zu beheben.

Es wird ferner untersucht, wie homogen Motive räumlich über Graphstrukturen verteilt sind. Zu diesem Zweck untersuchen wir das Auftreten von Dreiecksstrukturen in der Umgebung jedes Knotens separat. Um die Struktur individueller Knoten quantitativ erfassen zu können, führen wir einen Algorithmus zur knotenspezifischen Musterauswertung (node-specific pattern mining) ein, der sowohl auf gerichtete, als auch auf Graphen mit positiven und negativen Kanten angewendet werden kann. Bei der Analyse realer Datensätze beobachten wir, dass Motive
in einigen Netzen hochgradig heterogen verteilt, und auf die Umgebung einiger, weniger Knoten beschränkt sind. Darüber hinaus finden wir Hinweise auf die mögliche  Fehleranfälligkeit biologischer Systeme auf ein gezieltes Entfernen ebendieser Knoten. Des Weiteren studieren wir ganze Graphen bezüglich der Homogenität und Homophilie ihrer
knotenspezifischen Dreiecksmuster. Erstere beschreibt die Ähnlichkeit der lokalen Dreiecksstrukturen zwischen verschiedenen Knoten. Letztere gibt an, ob sich verbundene Knoten bezüglich ihrer Dreiecksstruktur ähnlicher sind, als nicht verbundene Knoten. Wir stellen fest, dass diese Eigenschaften charakteristisch für die Herkunft der jeweiligen
Netzwerke sind. Darüber hinaus gruppieren wir die Knoten verschiedener Systeme bezüglich der Ähnlichkeit ihrer lokalen Dreiecksstrukturen. Hierzu untersuchen wir das neuronale Netz von C. elegans, das internationale Flugverbindungsnetzwerk, sowie das Netzwerk internationaler
Beziehungen zwischen Staaten. In Letzterem finden wir Hinweise darauf, dass Dreieckskonfigurationen, die nach soziologischen Theorien als unbalanciert gelten, besonders instabil sind.

Schließlich verwenden wir unser TRGM, um Netzwerkensembles mit ähnlicher Dreiecksstruktur bezüglich der Eigenschaften dynamischer Prozesse, die auf ihren Knoten ablaufen, zu untersuchen. Wir konzentrieren uns auf Oszillatoren, die entlang der Kanten der Graphen miteinander gekoppelt sind. Hierbei beobachten wir, dass bestimmte Dreiecksmotive
charakteristische Merkmale im dynamischen Verhalten der Systeme hinterlassen. Dies ist auch der Fall, wenn die Motive in eine größere Netzwerkstruktur eingebettet sind.
KW  - Netzwerk
KW  - Komplexes System
KW  - Substruktur
KW  - Dreieck
KW  - Networks
KW  - Complex Systems
KW  - Statistics
KW  - Machine Learning
KW  - Biological Networks
KW  - Statistische Physik
KW  - Statistische Mechanik
KW  - Data Mining
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Graphentheorie
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-116022
SN  - 978-3-7375-5654-5
PB  - epubli GmbH
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hartmann, Matthias
T1  - Optimization and Design of Network Architectures for Future Internet Routing
T1  - Optimierung und Design von Netzwerkarchitekturen für zukünftiges Internet Routing
N2  - At the center of the Internet’s protocol stack stands the Internet Protocol (IP) as a common denominator that enables all communication. To make routing efficient, resilient, and scalable, several aspects must be considered. Care must be taken that traffic is well balanced to make efficient use of the existing network resources, both in failure free operation and in failure scenarios. 

Finding the optimal routing in a network is an NP-complete problem. Therefore, routing optimization is usually performed using heuristics. This dissertation shows that a routing optimized with one objective function is often not good when looking at other objective functions. It can even be worse than unoptimized routing with respect to that objective function. After looking at failure-free routing and traffic distribution in different failure scenarios, the analysis is extended to include the loop-free alternate (LFA) IP fast reroute mechanism. Different application scenarios of LFAs are examined and a special focus is set on the fact that LFAs usually cannot protect all traffic in a network even against single link failures. Thus, the routing optimization for LFAs is targeted on both link utilization and failure coverage. Finally, the pre-congestion notification mechanism PCN for network admission control and overload protection is analyzed and optimized. Different design options for implementing the protocol are compared, before algorithms are developed for the calculation and optimization of protocol parameters and PCN-based routing. 

The second part of the thesis tackles a routing problem that can only be resolved on a global scale. The scalability of the Internet is at risk since a major and intensifying growth of the interdomain routing tables has been observed. Several protocols and architectures are analyzed that can be used to make interdomain routing more scalable. The most promising approach is the locator/identifier (Loc/ID) split architecture which separates routing from host identification. This way, changes in connectivity, mobility of end hosts, or traffic-engineering activities are hidden from the routing in the core of the Internet and the routing tables can be kept much smaller. All of the currently proposed Loc/ID split approaches have their downsides. In particular, the fact that most architectures use the ID for routing outside the Internet’s core is a poor design, which inhibits many of the possible features of a new routing architecture. To better understand the problems and to provide a solution for a scalable routing design that implements a true Loc/ID split, the new GLI-Split protocol is developed in this thesis, which provides separation of global and local routing and uses an ID that is independent from any routing decisions. 

Besides GLI-Split, several other new routing architectures implementing Loc/ID split have been proposed for the Internet. Most of them assume that a mapping system is queried for EID-to-RLOC mappings by an intermediate node at the border of an edge network. When the mapping system is queried by an intermediate node, packets are already on their way towards their destination, and therefore, the mapping system must be fast, scalable, secure, resilient, and should be able to relay packets without locators to nodes that can forward them to the correct destination. The dissertation develops a classification for all proposed mapping system architectures and shows their similarities and differences. Finally, the fast two-level mapping system FIRMS is developed. It includes security and resilience features as well as a relay service for initial packets of a flow when intermediate nodes encounter a cache miss for the EID-to-RLOC mapping.
N2  - Daten durch das Internet werden heutzutage mit dem paketbasierten Internet Protokoll (IP) übertragen. Dezentralisierte Routingprotokolle innerhalb der einzelnen Netze sorgen für eine zielgerichtete Weiterleitung der einzelnen Pakete. Diese verteilten Protokolle können auch im Fehlerfall weiterarbeiten, benötigen aber mitunter sehr lange bis Daten wieder zuverlässig am Ziel ankommen. Um im Betrieb des Internets eine hohe Leistungsfähigkeit auch bei auftretenden Problemfällen zu gewährleisten, müssen die eingesetzten Protokolle optimal eingestellt werden.

Zielfunktionen zur Optimierung paketbasierter Link-State Intradomain-Routingprotokolle:  Ein wichtiger Faktor für die Performanz eines Netzes ist die Auswahl der administrativen Linkkosten, anhand derer die Weiterleitungsentscheidungen im Netz getroffen werden. Mit Hilfe von Modellen für Verkehrsaufkommen und für die darunterliegende Netzarchitektur kann mit geeigneten Optimierungsmethoden das Netz für verschiedene Szenarien bestmöglich eingestellt werden. Von besonderer Wichtigkeit ist hierbei die Auswahl der betrachteten Szenarien und Zielfunktionen für die Optimierung. Eine Routingkonfiguration die optimal für ein bestimmtes Ziel ist, kann beliebig schlecht für ein anderes Ziel sein. Zum Beispiel kann eine Konfiguration, die eine besonders hohe Fehlerabdeckung erreicht, zu einer sehr schlechten Verkehrsverteilung führen. Im Rahmen der Dissertation werden heuristische Optimierungen des Routings für verschiedene Protokolle und Anwendungsszenarien durchgeführt. Darüber hinaus wird eine Pareto-Optimierung implementiert, die gleichzeitig mehrere Ziele optimieren kann. Die Analysen werden zuerst für normales Routing im fehlerfreien Fall und für Fehlerszenarien durchgeführt. Daraufhin werden verschiedenste Anwendungsfälle des IP Fast-Reroute Mechanismus Loop-Free Alternates (LFA) betrachtet. Hier wird insbesondere auf die Problematik eingegangen, dass LFAs in Abhängigkeit vom eingestellten Routing in bestimmten Fehlerfällen nicht angewendet werden können. Beim Optimieren des Routings muss hier zusätzlich zur Lastverteilung auch noch die Maximierung der Fehlerabdeckung berücksichtigt werden. Schließlich folgt eine Untersuchung und Optimierung des Pre-Congestion Notification (PCN) Verfahren zur Netzzugangskontrolle und Überlaststeuerung. Hier werden verschiedene Architekturvarianten des Protokolls miteinander verglichen und Algorithmen zur Berechnung und Optimierung wichtiger Parameter des Protokolls entwickelt. 

Das Wachstum der Routingtabellen im Kern des Internets droht zu einem Skalierbarkeitsproblem zu werden. Ein Grund für diese Problematik ist die duale Funktion der IP-Adresse. Sie wird einerseits zur Identifikation eines Geräts benutzt und andererseits zur Weiterleitung der Daten zu diesem Gerät. Neue Mechanismen und Protokolle die eine Trennung zwischen den beiden Funktionalitäten der IP-Adresse ermöglichen sind potentielle Kandidaten für eine bessere Skalierbarkeit des Internetroutings und damit für die Erhaltung der Funktionalität des Internets.

Design eines neuen Namens- und Routingprotokolls für skalierbares Interdomain-Routing: In der Dissertation werden grundlegende Eigenschaften die zu diesem Problem führen erörtert. Daraufhin werden vorhandene Ansätze zur Verbesserung der Skalierbarkeit des Internetroutings analysiert, und es werden Gemeinsamkeiten wie auch Schwachstellen identifiziert. Auf dieser Basis wird dann ein Protokoll entwickelt, das eine strikte Trennung zwischen Identifikationsadressen (IDs) und routebaren Locator-Adressen einhält. Das GLI-Split genannte Protokoll geht dabei über den einfachen Split von vorhandenen Architekturvorschlägen hinaus und führt eine weitere Adresse ein die nur für das lokale Routing innerhalb eines Endkunden-Netzes benutzt wird. Hierdurch wird die ID eines Endgeräts vollständig unabhängig vom Routing. Durch das GLI-Split Protokoll kann das globale Routing wieder skalierbar gemacht werden. Zusätzlich bietet es viele Vorteile für Netze die das Protokoll einführen, was als Anreiz nötig ist um den Einsatz eines neuen Protokolls zu motivieren. Solch ein Identifier/Locator Split Protokoll benötigt ein Mappingsystem um die Identifier der Endgeräte in routebare Locator-Adressen zu übersetzen. Im letzten Teil der Dissertation wird eine mehrstufige Mapping-Architektur namens FIRMS entwickelt. Über ein hierarchisches Verteilungssystem, das die Adressvergabestruktur der fünf Regionalen Internet Registrare (RIRs) und der darunterliegenden Lokalen Internet Registrare (LIRs) abbildet, werden die erforderlichen Zuordnungstabellen so verteilt, dass jederzeit schnell auf die benötigten Informationen zugegriffen werden kann. Hierbei wird auch besonders auf Sicherheitsaspekte geachtet.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 02/15 
KW  - Netzwerk
KW  - Routing
KW  - Optimierung
KW  - Netzwerkmanagement
KW  - Optimization
KW  - Future Internet
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-114165
SN  - 1432-8801
ER  - 
TY  - THES
A1  - Freiberg, Martina
T1  - UI-, User-, & Usability-Oriented Engineering of Participative Knowledge-Based Systems
T1  - UI-, Benutzer-, & Usability-orientierte Entwicklung partizipativer Wissensbasierter Systeme
N2  - Knowledge-based systems (KBS) face an ever-increasing interest in various disciplines and contexts. Yet, the former aim to construct the ’perfect intelligent software’ continuously shifts to user-centered, participative solutions. Such systems enable users to contribute their personal knowledge to the problem solving process for increased efficiency and an ameliorated user experience. More precisely, we define non-functional key requirements of participative KBS as: Transparency (encompassing KBS status mediation), configurability (user adaptability, degree of user control/exploration), quality of the KB and UI, and evolvability (enabling the KBS to grow mature with their users). Many of those requirements depend on the respective target users, thus calling for a more user-centered development. Often, also highly expertise domains are targeted — inducing highly complex KBs — which requires a more careful and considerate UI/interaction design. Still, current KBS engineering (KBSE) approaches mostly focus on knowledge acquisition (KA) This often leads to non-optimal, little reusable, and non/little evaluated KBS front-end solutions.
In this thesis we propose a more encompassing KBSE approach. Due to the strong mutual influences between KB and UI, we suggest a novel form of intertwined UI and KB development. We base the approach on three core components for encompassing KBSE:
(1) Extensible prototyping, a tailored form of evolutionary prototyping; this builds on mature UI prototypes and offers two extension steps for the anytime creation of core KBS prototypes (KB + core UI) and fully productive KBS (core KBS prototype + common framing functionality). (2) KBS UI patterns, that define reusable solutions for the core KBS UI/interaction; we provide a basic collection of such patterns in this work. (3) Suitable usability instruments for the assessment of the KBS artifacts. Therewith, we do not strive for ’yet another’ self-contained KBS engineering methodology. Rather, we motivate to extend existing approaches by the proposed key components. We demonstrate this based on an agile KBSE model.
For practical support, we introduce the tailored KBSE tool ProKEt. ProKEt offers a basic selection of KBS core UI patterns and corresponding configuration options out of the box; their further adaption/extension is possible on various levels of expertise. For practical usability support, ProKEt offers facilities for quantitative and qualitative data collection. ProKEt explicitly fosters the suggested, intertwined development of UI and KB. For seamlessly integrating KA activities, it provides extension points for two selected external KA tools: For KnowOF, a standard office based KA environment. And for KnowWE, a semantic wiki for collaborative KA. Therewith, ProKEt offers powerful support for encompassing, user-centered KBSE.
Finally, based on the approach and the tool, we also developed a novel KBS type: Clarification KBS as a mashup of consultation and justification KBS modules. Those denote a specifically suitable realization for participative KBS in highly expertise contexts and consequently require a specific design. In this thesis, apart from more common UI solutions, we particularly also introduce KBS UI patterns especially tailored towards Clarification KBS.
N2  - Das Interesse an wissensbasierten Systemen (WBS) in verschiedensten Fachdisziplinen und Anwendungskontexten wächst nach wie vor stetig. Das frühere Ziel — intelligente Software als Expertenersatz — verschiebt sich dabei allerdings kontinuierlich in Richtung partizipativer, nutzerzentrierter Anwendungen. Solche Systeme erlauben dem Benutzer, das vorhandene persönliche Hintergrundwissen in den Problemlösungsprozess mit einzubringen um die Effizienz des Systems zu steigern und die User Experience zu verbessern. Konkret definieren wir für partizipative WBS die folgenden, nichtfunktionalen Anforderungen: Transparenz (umfassende Vermittlung des Systemstatus), Konfigurierbarkeit (Anpassbarkeit an verschiedene Benutzer und Grad der Benutzerkontrolle und Explorationsmöglichkeit), Qualität sowohl der Wissensbasis als auch der Benutzeroberfläche und Fortentwickelbarkeit (Fähigkeit des WBS analog zu den Kenntnissen seiner Nutzer zu reifen). Viele dieser Anforderungen hängen stark von den jeweiligen Nutzern ab. Im Umkehrschluss erfordert dies eine nutzerzentriertere Entwicklung solcher Systeme. Die häufig sehr fachspezifischen Zieldomänen haben meist entsprechend komplexe Wissensbasen zur Folge. Dies verlangt erst Recht nach einem wohlüberlegten, durchdachten UI- und Inkteraktionsdesign. Dem zum Trotz fokussieren aktuelle WBS Entwicklungsansätze jedoch nach wie vor auf der Wissensformalisierung. Mit der Folge, dass oft keine optimalen, schlecht wiederverwendbare und nur teilweise (oder gar nicht) evaluierte WBS UI/Interaktionslösungen entstehen. Die vorliegende Dissertation schlägt einen allumfassenderen WBS Entwicklungsansatz vor. Unter Berücksichtigung der starken, wechselseitigen Beeinflussung von Wissensbasis und UI ist dieser geprägt durch eine starke Verzahnung von Wissensbasis- und UI-Entwicklung. Der Ansatz stützt sich auf drei Kernkomponenten für allumfassende Entwicklung wissensbasierter Systeme:
(1) Extensible Prototyping, eine adaptierte Form des evolutionären Prototyping. Extensible Prototyping basiert auf hochentwickelten UI Prototypen und definiert zwei Erweiterungsschritte um jederzeit WBS-Kernprototypen (Wissensbasis und Kern-UI) beziehungsweise voll funktionale wissensbasierte Anwendungen (WBS Kernprototyp und Rahmenfunktionalität) zu erstellen. (2) WBS UI Patterns. Diese Patterns, oder Muster, definieren wiederverwendbare Lösungen für die Kern-UI und -Inkteraktion. In dieser Arbeit stellen wir eine Sammlung grundlegender WBS UI Patterns vor. (3) Passende Usability Techniken die sich speziell für die Evaluation von WBS Software eignen. Insgesamt streben wir keine weitere, in sich geschlossene WBS Entwicklungsmethodologie an. Vielmehr motivieren wir, existierende, Wissensformalisierungs-lastige Ansätze um die vorgeschlagenen Kernkomponenten zu erweitern. Wir demonstrieren das am agilen Prozessmodell für wissensbasierte Systeme. Für die praktische Umsetzung des vorgestellten Ansatzes stellen wir außerdem das spezialisierte WBS Prototyping- und Softwareentwicklungswerkzeug ProKEt vor. ProKEt unterstützt eine Auswahl der interessantesten WBS UI Patterns sowie zugehöriger Konfigurationsoptionen. Deren weitere Anpassung beziehungsweise Erweiterung ist auf verschiedenen Expertise-Leveln möglich. Um ebenso die Anwendung von Usability Techniken zu unterstützen, bietet ProKEt weiterhin Funktionalität für die quantitative und qualitative Datensammlung. Auch baut ProKEt bewusst auf die strikt verzahnte Entwicklung von UI- und Wissensbasis.
Für die einfache und nahtlose Integration von Wissensformalisierung in den Gesamtprozess unterstützt ProKEt zwei externe Wissensformalisierungs-Werkzeuge:
KnowOF, eine Wissensformalisierungsumgebung welche standartisierte Office Dokumente nutzt. Und KnowWE, ein semantisches Wiki für die kollaborative Wissensformalisierung im Web. Damit ist ProKEt ein mächtiges Werkzeug für umfassende, nutzerzentrierte WBS Entwicklung. Mithilfe des Entwicklungsansatzes und des Werkzeugs ProKEt haben wir weiterhin einen neuartigen WBS Typ entwickelt: Wissensbasierte Klärungssysteme, im Wesentlichen ein Mashup aus Beratungs-, Erklärungs- und Rechtfertigungskomponente.
Diese Systeme stellen eine angepasste Realisierung von partizipativen WBS für höchst fachliche Kontexte dar und verlangten entsprechend nach einem sehr speziellen Design. In der vorliegenden Arbeit stellen wir daher neben allgemeinen WBS UI Patterns auch einige spezialisierte Varianten für wissensbasierte Klärungssysteme vor.
KW  - Wissensbasiertes System
KW  - Knowledge-based Systems Engineering
KW  - Expert System
KW  - Usability
KW  - UI and Interaction Design
KW  - User Participation
KW  - Expertensystem
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-106072
SN  - 978-3-95826-012-2 (print)
SN  - 978-3-95826-013-9 (online)
PB  - Würzburg University Press
ER  -