TY  - THES
A1  - Milbrandt, Jens
T1  - Performance Evaluation of Efficient Resource Management Concepts for Next Generation IP Networks
T1  - Effiziente Konzepte und Leistungsbewertung zum Ressourcen Management in zukünftigen IP Netzen
N2  - Next generation networks (NGNs) must integrate the services of current circuit-switched telephone networks and packet-switched data networks. This convergence towards a unified communication infrastructure necessitates from the high capital expenditures (CAPEX) and operational expenditures (OPEX) due to the coexistence of separate networks for voice and data. In the end, NGNs must offer the same services as these legacy networks and, therefore, they must provide a low-cost packet-switched solution with real-time transport capabilities for telephony and multimedia applications. In addition, NGNs must be fault-tolerant to guarantee user satisfaction and to support business-critical processes also in case of network failures. A key technology for the operation of NGNs is the Internet Protocol (IP) which evolved to a common and well accepted standard for networking in the Internet during the last 25 years. There are two basically different approaches to achieve QoS in IP networks. With capacity overprovisioning (CO), an IP network is equipped with sufficient bandwidth such that network congestion becomes very unlikely and QoS is maintained most of the time. The second option to achieve QoS in IP networks is admission control (AC). AC represents a network-inherent intelligence that admits real-time traffic flows to a single link or an entire network only if enough resources are available such that the requirements on packet loss and delay can be met. Otherwise, the request of a new flow is blocked. This work focuses on resource management and control mechanisms for NGNs, in particular on AC and associated bandwidth allocation methods. The first contribution consists of a new link-oriented AC method called experience-based admission control (EBAC) which is a hybrid approach dealing with the problems inherent to conventional AC mechanisms like parameter-based or measurement-based AC (PBAC/MBAC). PBAC provides good QoS but suffers from poor resource utilization and, vice versa, MBAC uses resources efficiently but is susceptible to QoS violations. Hence, EBAC aims at increasing the resource efficiency while maintaining the QoS which increases the revenues of ISPs and postpones their CAPEX for infrastructure upgrades. To show the advantages of EBAC, we first review today’s AC approaches and then develop the concept of EBAC. EBAC is a simple mechanism that safely overbooks the capacity of a single link to increase its resource utilization. We evaluate the performance of EBAC by its simulation under various traffic conditions. The second contribution concerns dynamic resource allocation in transport networks which implement a specific network admission control (NAC) architecture. In general, the performance of different NAC systems may be evaluated by conventional methods such as call blocking analysis which has often been applied in the context of multi-service asynchronous transfer mode (ATM) networks. However, to yield more practical results than abstract blocking probabilities, we propose a new method to compare different AC approaches by their respective bandwidth requirements. To present our new method for comparing different AC systems, we first give an overview of network resource management (NRM) in general. Then we present the concept of adaptive bandwidth allocation (ABA) in capacity tunnels and illustrate the analytical performance evaluation framework to compare different AC systems by their capacity requirements. Different network characteristics influence the performance of ABA. Therefore, the impact of various traffic demand models and tunnel implementations, and the influence of resilience requirements is investigated. In conclusion, the resources in NGNs must be exclusively dedicated to admitted traffic to guarantee QoS. For that purpose, robust and efficient concepts for NRM are required to control the requested bandwidth with regard to the available transmission capacity. Sophisticated AC will be a key function for NRM in NGNs and, therefore, efficient resource management concepts like experience-based admission control and adaptive bandwidth allocation for admission-controlled capacity tunnels, as presented in this work are appealing for NGN solutions.
N2  - In meiner Dissertation zum Thema “Performance Evaluation of Efficient Resource Management Concepts for Next Generation IP Networks” werden im Wesentlichen zwei miteinander verwobene Konzepte zur effizienten Nutzung von Übertragungsressourcen in zukünftigen IP Netzen untersucht. Das Management solcher Ressourcen ist zur Unterstützung qualitativ hochwertiger Netzdiensten (z.B. IP Telephonie, IP TV, etc.) in Zukunft unabdingbar. Gegenwärtig werden diese Dienste durch den Einsatz hoher Übertragungskapazitäten (engl. capacity overprovisioning) in den IP Breitbandnetzen ermöglicht. Um in Spitzenlastzeiten die Qualität der Dienste aufrecht zu erhalten, sind die Bandbreiten derart hoch angesetzt, dass unter normalen Umständen die Ressourcen nur sehr schwach ausgelastet sind (im Bereich zwischen 10 und 30 Prozent). Diese Überdimensionierungslösung ist einfach zu realisieren aber auch sehr kostenintensiv, ineffizient und vor allem nicht (zukunfts-)sicher, da bei ständig steigendem Bandbreitenbedarf, die Netzkapazitäten häufig angepasst werden müssen. Eine Effizienzsteigerung bei der Ressourcennutzung in heutigen Kommunikationsnetzen ist daher ein wichtiges Kriterium für die Wirtschaftlichkeit zukünftiger IP Netze. Erreicht werden kann dies mit den Mitteln der Netzzugangskontrolle (engl. admission control, kurz AC), welche bereits in verschiedenen Formen entwickelt, untersucht und teilweise auch in heutigen IP Netzen realisiert ist. Die AC stellt eine vergleichsweise komplexe Lösung zur Aufrechterhaltung der Dienstgüte in IP Netzen dar. Daher sind einfache und effiziente Mechanismen/Automatismen zur Durchführung der AC gefordert, um deren Einsatz an Stelle der Überdimensionierung zu rechtfertigen. Den zuvor genannten Forderungen nach effizienter Ressourcennutzung entsprechend stellt der erste Hauptbeitrag der Dissertation einen neuen Ansatz zur AC dar, die so genannte erfahrungsbasierte Netzzugangskontrolle (engl. experience-based admission control, kurz EBAC). Gegenüber den existierenden alternativen, d.h. parameter- oder mess-basierten Verfahren der AC zeichnet sich die EBAC durch effiziente Ressourcennutzung und begünstigt gleichzeitig die Aufrechterhaltung der Dienstgüte. Die genaue Funktionsweise der EBAC und die simulative Leistungsuntersuchung sind in der Dissertation nachzulesen. Der zweite Themenschwerpunkt der Dissertation greift eine tunnel-basierte Netzarchitektur auf und präsentiert mit deren Hilfe eine neue Methode zur Bewertung verschiedener Bandbreitenallokationsstrategien in Kombination mit AC. Die neue Bewertungsmethode wird zwar anhand einer speziellen tunnel-basierten AC untersucht, lässt sich aber auf alle Arten so genannter budget-basierter AC anwenden. Bei der konventionellen Leistungsbewertung verschiedener AC-Systeme dienen abstrakte Blockierungswahrscheinlichkeiten als Leistungsmaß. Im Gegensatz hierzu, bewertet die neue Methode die Leistung eines AC-Systems anhand des zugehörigen Bandbreitenbedarfs in Abhängigkeit verschiedener Einflussfaktoren, z.B. der avisierten Blockierwahrscheinlichkeit des AC-Systems, der Verkehrszusammensetzung, des Verkehrsvolumens, der Verkehrsdynamik und vor allem der angewandten Bandbreitenallokationsstrategie. In zukünftigen IP Netzen müssen die Ressourcen zur Datenübertragung besser verwaltet und kontrolliert werden. Zugelassener Verkehr mit hohen Dienstgüteanforderungen muss exklusiv Bandbreite zugewiesen werden, um die geforderte Dienstgüte garantieren zu können. Um dieses Ziel zu erreichen werden robuste und effiziente Konzepte zum Management von Netzressourcen benötigt. Intelligenter Netzzugangskontrolle wird eine Schlüsselfunktion in zukünftigen IP Netzen zukommen. Die in dieser Dissertation vorgestellten, effizienten Ressourcenmanagementkonzepte „erfahrungsbasierte Netzzugangskontrolle“ und „adaptive Bandbreitenallokation in zugangskontrollierten Kapazitätstunnel“ tragen zum Erreichen dieses Ziels bei.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 01/07 
KW  - Ressourcenmanagement
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Rechnernetz
KW  - IP
KW  - Ressourcen Management
KW  - Leistungsbewertung
KW  - zukünftige Kommunikationsnetze
KW  - Resource Management
KW  - Performance Analysis
KW  - Next Generation Networks
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-23332
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lehrieder, Frank
T1  - Performance Evaluation and Optimization of Content Distribution using Overlay Networks
T1  - Leistungsbewertung und Optimierung von Overlay Netzwerken zum Verteilen großer Datenmengen
N2  - The work presents a performance evaluation and optimization of so-called overlay networks for content distribution in the Internet. Chapter 1 describes the importance which have such networks in today's Internet, for example, for the transmission of video content. The focus of this work is on overlay networks based on the peer-to-peer principle. These are characterized by the fact that users who download content, also contribute to the distribution process by sharing parts of the data to other users. This enables efficient content distribution because each user not only consumes resources in the system, but also provides its own resources. Chapter 2 of the monograph contains a detailed description of the functionality of today's most popular overlay network BitTorrent. It explains the various components and their interaction. This is followed by an illustration of why such overlay networks for Internet service providers (ISPs) are problematic. The reason lies in the large amount of inter-ISP traffic that is produced by these overlay networks. Since this inter-ISP traffic leads to high costs for ISPs, they try to reduce it by improved mechanisms for overlay networks. One optimization approach is the use of topology awareness within the overlay networks. It provides users of the overlay networks with information about the underlying physical network topology. This allows them to avoid inter-ISP traffic by exchanging data preferrentially with other users that are connected to the same ISP. Another approach to save inter-ISP traffic is caching. In this case the ISP provides additional computers in its network, called caches, which store copies of popular content. The users of this ISP can then obtain such content from the cache. This prevents that the content must be retrieved from locations outside of the ISP's network, and saves costly inter-ISP traffic in this way. In the third chapter of the thesis, the results of a comprehensive measurement study of overlay networks, which can be found in today's Internet, are presented. After a short description of the measurement methodology, the results of the measurements are described. These results contain data on a variety of characteristics of current P2P overlay networks in the Internet. These include the popularity of content, i.e., how many users are interested in specific content, the evolution of the popularity and the size of the files. The distribution of users within the Internet is investigated in detail. Special attention is given to the number of users that exchange a particular file within the same ISP. On the basis of these measurement results, an estimation of the traffic savings that can achieved by topology awareness is derived. This new estimation is of scientific and practical importance, since it is not limited to individual ISPs and files, but considers the whole Internet and the total amount of data exchanged in overlay networks. Finally, the characteristics of regional content are considered, in which the popularity is limited to certain parts of the Internet. This is for example the case of videos in German, Italian or French language. Chapter 4 of the thesis is devoted to the optimization of overlay networks for content distribution through caching. It presents a deterministic flow model that describes the influence of caches. On the basis of this model, it derives an estimate of the inter-ISP traffic that is generated by an overlay network, and which part can be saved by caches. The results show that the influence of the cache depends on the structure of the overlay networks, and that caches can also lead to an increase in inter-ISP traffic under certain circumstances. The described model is thus an important tool for ISPs to decide for which overlay networks caches are useful and to dimension them. Chapter 5 summarizes the content of the work and emphasizes the importance of the findings. In addition, it explains how the findings can be applied to the optimization of future overlay networks. Special attention is given to the growing importance of video-on-demand and real-time video transmissions.
N2  - Die Arbeit beschäftigt sich mit der Leistungsbewertung und Optimierung von sogenannten Overlay-Netzwerken zum Verteilen von großen Datenmengen im Internet. Im Kapitel 1 der Arbeit wird die große Bedeutung erläutert, die solche Netzwerke im heutigen Internet haben, beispielsweise für die Übertragung von Video-Inhalten. Im Fokus der Arbeit liegen Overlay-Netzwerke, die auf dem Peer-to-peer Prinzip basieren. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass Nutzer, die Inhalte herunterladen, auch gleichzeitig an dem Verteilprozess teilnehmen, indem sie Teile der Daten an andere Nutzer weitergeben. Dies ermöglicht eine effiziente Verteilung der Daten, weil jeder Nutzer nicht nur Ressourcen im System belegt, sondern auch eigene Ressourcen einbringt. Kapitel 2 der Arbeit enthält eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise des heute populärsten Overlay-Netzwerks BitTorrent. Es werden die einzelnen Komponenten erläutert und deren Zusammenspiel erklärt. Darauf folgt eine Darstellung, warum solche Overlay-Netzwerke für Internet-Anbieter (Internet service provider, ISP) problematisch sind. Der Grund dafür liegt in der großen Menge an Inter-ISP Verkehr, den diese Overlays erzeugen. Da solcher Inter-ISP Verkehr zu hohen Kosten für ISPs führt, versuchen diese den Inter-ISP Verkehr zu reduzieren, indem sie die Mechanismen der Overlay-Netzwerke optimieren. Ein Ansatz zur Optimierung ist die Verwendung von Topologiebewusstsein innerhalb der Overlay-Netzwerke. Dabei erhalten die Nutzer der Overlay-Netzwerke Informationen über die zugrunde liegende, physikalische Netzwerktopologie. Diese ermöglichen es ihnen, Inter-ISP Verkehr zu vermeiden, indem sie Daten bevorzugt mit anderen Nutzern austauschen, die mit dem gleichen ISP verbunden sind. Ein weiterer Ansatz, um Inter-ISP Verkehr einzusparen, ist Caching. Dabei stellt der ISP zusätzliche Rechner, sogenannte Caches, in seinem Netzwerk zur Verfügung, die Kopien populärer Inhalte zwischenspeichern. Die Nutzer dieses ISP können solche Inhalte nun von den Caches beziehen. Dies verhindert, dass populäre Inhalte mehrfach von außerhalb des betrachteten ISPs bezogen werden müssen, und spart so kostenintensiven Inter-ISP Verkehr ein. Im dritten Kapitel der Arbeit werden Ergebnisse einer umfassenden Messung von Overlay-Netzwerken vorgestellt, wie sie heute im Internet anzutreffen sind. Nach einer kurzen Darstellung der bei der Messung verwendeten Methodik werden die Resultate der Messungen beschrieben. Diese Ergebnisse enthalten Daten über eine Vielzahl von Eigenschaften von heutigen P2P-basierten Overlay-Netzwerken im Internet. Dazu zählen die Popularität von Inhalten, d.h., wie viele Nutzer an bestimmten Inhalten interessiert sind, die zeitliche Entwicklung der Popularität und die Größe der Daten. Im Detail wird auch die Verteilung der Nutzer über das Internet analysiert. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Anzahl der Nutzer, die gleichzeitig und im Netz desselben ISP eine bestimmte Datei tauschen. Auf der Basis dieser Messergebnisse wird eine Abschätzung durchgeführt, welches Einsparpotential die Optimierung von Overlay-Netzwerken durch Topologiebewusstsein bietet. Diese neuartige Abschätzung ist von wissenschaftlicher und praktischer Bedeutung, da sie sich nicht auf einzelne ISPs und Dateien beschränkt, sondern des gesamte Internet und die Menge aller in Overlay-Netzwerken verfügbaren Dateien umfasst. Schließlich werden die Besonderheiten von regionalen Inhalten betrachtet, bei denen sich die Popularität auf bestimmte Teile des Internets beschränkt. Dies ist beispielsweise bei Videos in deutscher, italienischer oder französischer Sprache der Fall. Kapitel 4 der Arbeit widmet sich der Optimierung von Overlay-Netzwerken zum Verteilen großer Datenmengen durch Caching. Es wird ein deterministisches Flussmodel entwickelt, das den Einfluss von Caches beschreibt. Auf der Basis dieses Modells leitet er eine Abschätzung des Inter-ISP Verkehrs ab, der von einem Overlay-Netzwerk erzeugt wird, und welcher Teil davon durch Caches eingespart werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss von Caches von der Struktur der Overlay-Netzwerke abhängt und dass Caches unter bestimmten Umständen auch zu einem erhöhten Inter-ISP Verkehr führen können. Das beschriebene Modell ist somit ein wichtiges Hilfsmittel für ISPs um zu entscheiden, für welche Overlay-Netzwerke Caches sinnvoll sind, und um diese anschließend richtig zu dimensionieren. Kapitel 5 fasst den Inhalt der Arbeit zusammen und stellt die Bedeutung der gewonnenen Erkenntnisse heraus. Abschließend wird erläutert, in welcher Weise die in der Arbeit beschriebenen Ergebnisse wichtige Grundlagen für die Optimierung von zukünftigen Overlay-Netzwerken darstellen werden. Dabei wird besonders auf die wachsende Bedeutung von Video-On-Demand und Echt-Zeit Video-Übertragungen eingegangen.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 01/13 
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Verteiltes System
KW  - Overlay-Netz
KW  - Overlay Netzwerke
KW  - Overlay networks
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-76018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Oechsner, Simon
T1  - Performance Challenges and Optimization Potential of Peer-to-Peer Overlay Technologies
T1  - Leistungsanforderungen und Optimierungspotential von Peer-to-Peer Overlay-Technologien
N2  - In today's Internet, building overlay structures to provide a service is becoming more and more common. This approach allows for the utilization of client resources, thus being more scalable than a client-server model in this respect. However, in these architectures the quality of the provided service depends on the clients and is therefore more complex to manage. Resource utilization, both at the clients themselves and in the underlying network, determine the efficiency of the overlay application. Here, a trade-off exists between the resource providers and the end users that can be tuned via overlay mechanisms. Thus, resource management and traffic management is always quality-of-service management as well. In this monograph, the three currently significant and most widely used overlay types in the Internet are considered. These overlays are implemented in popular applications which only recently have gained importance. Thus, these overlay networks still face real-world technical challenges which are of high practical relevance. We identify the specific issues for each of the considered overlays, and show how their optimization affects the trade-offs between resource efficiency and service quality. Thus, we supply new insights and system knowledge that is not provided by previous work.
N2  - Im heutigen Internet werden immer häufiger Overlay-Strukturen aufgebaut, um eine Dienstleistung zu erbringen. Dieser Ansatz ermöglicht die Nutzung von Client-Ressourcen, so dass er in dieser Hinsicht besser skaliert als das Client-Server-Modell. Die Qualität des zur Verfügung gestellten Dienstes hängt nun aber von den Clients ab und ist daher komplizierter zu steuern. Die Ressourcennutzung, sowohl auf den Clients selbst als auch in dem zugrunde liegenden Netzwerk, bestimmt die Effizienz der Overlay-Anwendung. Hier existiert ein Trade-off zwischen Ressourcen-Anbietern und Endkunden, der über Overlay-Mechanismen geregelt werden kann. Daher ist Ressourcenmanagement und Traffic-Management gleichzeitig immer auch Quality-of-Service-Management. In dieser Arbeit werden die drei derzeit am weitesten im Internet verbreiteten und signifikanten Overlay-Typen berücksichtigt. Diese Overlays sind in populären Anwendungen, die erst vor kurzem an Bedeutung gewonnen haben, implementiert. Daher sind diese Overlay-Netze nach wie vor realen technischen Herausforderungen ausgesetzt, die von hoher praktischer Relevanz sind. Die spezifischen Herausforderungen für jedes der betrachteten Overlays werden identifiziert und es wird gezeigt, wie deren Optimierung den Trade-off zwischen Ressourceneffizienz und Service-Qualität beeinflusst. So werden neue Einsichten und Erkenntnisse über diese Systeme gewonnen, die in früheren Arbeiten nicht existieren.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 02/10 
KW  - Overlay-Netz
KW  - Peer-to-Peer-Netz
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Overlays
KW  - Peer-to-Peer
KW  - Performance Evaluation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-50015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Binzenhöfer, Andreas
T1  - Performance Analysis of Structured Overlay Networks
T1  - Leistungsbewertung Strukturierter Overlay Netze
N2  - Overlay networks establish logical connections between users on top of the physical network. While randomly connected overlay networks provide only a best effort service, a new generation of structured overlay systems based on Distributed Hash Tables (DHTs) was proposed by the research community. However, there is still a lack of understanding the performance of such DHTs. Additionally, those architectures are highly distributed and therefore appear as a black box to the operator. Yet an operator does not want to lose control over his system and needs to be able to continuously observe and examine its current state at runtime. This work addresses both problems and shows how the solutions can be combined into a more self-organizing overlay concept. At first, we evaluate the performance of structured overlay networks under different aspects and thereby illuminate in how far such architectures are able to support carrier-grade applications. Secondly, to enable operators to monitor and understand their deployed system in more detail, we introduce both active as well as passive methods to gather information about the current state of the overlay network.
N2  - Unter einem Overlay Netz versteht man den Zusammenschluss mehrerer Komponenten zu einer logischen Topologie, die auf einer existierenden physikalischen Infrastruktur aufsetzt. Da zufällige Verbindungen zwischen den einzelnen Teilnehmern aber sehr ineffizient sind, wurden strukturierte Overlay Netze entworfen, bei denen die Beziehungen zwischen den einzelnen Teilnehmern fest vorgeschrieben sind. Solche strukturierten Mechanismen versprechen zwar ein großes Potential, dieses wurde aber noch nicht ausreichend untersucht bzw. wissenschaftlich nachgewiesen. In dieser Arbeit wird mit mathematischen Methoden und ereignisorientierter Simulation die Leistungsfähigkeit von strukturierten Overlay Netzen untersucht. Da diese stark von der aktuellen Situation im Overlay abhängt, entwickeln wir Methoden, mit denen sich sowohl passiv, als auch aktiv, wichtige Systemparameter zur Laufzeit abschätzen bzw. messen lassen. Zusammen führen die vorgeschlagenen Methoden zu selbstorganisierenden Mechanismen, die den aktuellen Zustand des Overlays überwachen, diesen bewerten und sich gegebenenfalls automatisch an die aktuellen Verhältnisse anpassen
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 01/08 
KW  - Overlay-Netz
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Peer-to-Peer-Netz
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Chord
KW  - Kademlia
KW  - DHT
KW  - Overlay
KW  - Chord
KW  - Kademlia
KW  - DHT
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26291
ER  - 
TY  - RPRT
A1  - Hasslinger, Gerhard
A1  - Ntougias, Konstantinos
A1  - Hasslinger, Frank
A1  - Hohlfeld, Oliver
T1  - Performance Analysis of Basic Web Caching Strategies (LFU, LRU, FIFO, ...) with Time-To-Live Data Validation
T2  - KuVS Fachgespräch - Würzburg Workshop on Modeling, Analysis and Simulation of Next-Generation Communication Networks 2023 (WueWoWAS’23)
N2  - Web caches often use a Time-to-live (TTL) limit to validate data consistency with web servers. We study the impact of TTL constraints on the hit ratio of basic strategies in caches of fixed size. We derive analytical results and confirm their accuracy in comparison to simulations. We propose a score-based caching method with awareness of the current TTL per data for improving the hit ratio close to the upper bound.
KW  - LRU
KW  - LFU
KW  - FIFO caching strategies
KW  - hit ratio analysis and simulation
KW  - TTL validation of data consistency
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322048
ER  - 
TY  - RPRT
A1  - Loh, Frank
A1  - Raffeck, Simon
A1  - Geißler, Stefan
A1  - Hoßfeld, Tobias
T1  - Paving the Way for an Energy Efficient and Sustainable Future Internet of Things
T2  - KuVS Fachgespräch - Würzburg Workshop on Modeling, Analysis and Simulation of Next-Generation Communication Networks 2023 (WueWoWAS’23)
N2  - In this work, we describe the network from data collection to data processing and storage as a system based on different layers. We outline the different layers and highlight major tasks and dependencies with regard to energy consumption and energy efficiency. With this view, we can outwork challenges and questions a future system architect must answer to provide a more sustainable, green, resource friendly, and energy efficient application or system. Therefore, all system layers must be considered individually but also altogether for future IoT solutions. This requires, in particular, novel sustainability metrics in addition to current Quality of Service and Quality of Experience metrics to provide a high power, user satisfying, and sustainable network.
KW  - Internet of Things
KW  - energy efficiency
KW  - sustainability
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322161
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sîrbu, Alina
A1  - Becker, Martin
A1  - Caminiti, Saverio
A1  - De Baets, Bernard
A1  - Elen, Bart
A1  - Francis, Louise
A1  - Gravino, Pietro
A1  - Hotho, Andreas
A1  - Ingarra, Stefano
A1  - Loreto, Vittorio
A1  - Molino, Andrea
A1  - Mueller, Juergen
A1  - Peters, Jan
A1  - Ricchiuti, Ferdinando
A1  - Saracino, Fabio
A1  - Servedio, Vito D.P.
A1  - Stumme, Gerd
A1  - Theunis, Jan
A1  - Tria, Francesca
A1  - Van den Bossche, Joris
T1  - Participatory Patterns in an International Air Quality Monitoring Initiative
JF  - PLoS ONE
N2  - The issue of sustainability is at the top of the political and societal agenda, being considered of extreme importance and urgency. Human individual action impacts the environment both locally (e.g., local air/water quality, noise disturbance) and globally (e.g., climate change, resource use). Urban environments represent a crucial example, with an increasing realization that the most effective way of producing a change is involving the citizens themselves in monitoring campaigns (a citizen science bottom-up approach). This is possible by developing novel technologies and IT infrastructures enabling large citizen participation. Here, in the wider framework of one of the first such projects, we show results from an international competition where citizens were involved in mobile air pollution monitoring using low cost sensing devices, combined with a web-based game to monitor perceived levels of pollution. Measures of shift in perceptions over the course of the campaign are provided, together with insights into participatory patterns emerging from this study. Interesting effects related to inertia and to direct involvement in measurement activities rather than indirect information exposure are also highlighted, indicating that direct involvement can enhance learning and environmental awareness. In the future, this could result in better adoption of policies towards decreasing pollution.
KW  - transport microenvironments
KW  - exposure
KW  - pollution
KW  - carbon
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-151379
VL  - 10
IS  - 8
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Seufert, Anika
A1  - Poignée, Fabian
A1  - Hoßfeld, Tobias
A1  - Seufert, Michael
T1  - Pandemic in the digital age: analyzing WhatsApp communication behavior before, during, and after the COVID-19 lockdown
JF  - Humanities and Social Sciences Communications
N2  - The strict restrictions introduced by the COVID-19 lockdowns, which started from March 2020, changed people’s daily lives and habits on many different levels. In this work, we investigate the impact of the lockdown on the communication behavior in the mobile instant messaging application WhatsApp. Our evaluations are based on a large dataset of 2577 private chat histories with 25,378,093 messages from 51,973 users. The analysis of the one-to-one and group conversations confirms that the lockdown severely altered the communication in WhatsApp chats compared to pre-pandemic time ranges. In particular, we observe short-term effects, which caused an increased message frequency in the first lockdown months and a shifted communication activity during the day in March and April 2020. Moreover, we also see long-term effects of the ongoing pandemic situation until February 2021, which indicate a change of communication behavior towards more regular messaging, as well as a persisting change in activity during the day. The results of our work show that even anonymized chat histories can tell us a lot about people’s behavior and especially behavioral changes during the COVID-19 pandemic and thus are of great relevance for behavioral researchers. Furthermore, looking at the pandemic from an Internet provider perspective, these insights can be used during the next pandemic, or if the current COVID-19 situation worsens, to adapt communication networks to the changed usage behavior early on and thus avoid network congestion.
KW  - cultural and media studies
KW  - information systems and information technology
KW  - science, technology and society
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-300261
VL  - 9
ER  - 
TY  - CHAP
A1  - Epplée, Rafael
A1  - Langbehn, Eike
T1  - Overlapping Architecture: Implementation of Impossible Spaces in Virtual Reality Games
N2  - Natural walking in virtual reality games is constrained by the physical boundaries defined by the size of the player’s tracking space. Impossible spaces, a redirected walking technique, enlarge the virtual environment by creating overlapping architecture and letting multiple locations occupy the same physical space. Within certain thresholds, this is subtle to the player. In this paper, we present our approach to implement such impossible spaces and describe how we handled challenges like objects with simulated physics or precomputed global illumination.
KW  - virtual reality
KW  - games
KW  - locomotion
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-246045
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  - Baier, Herbert
T1  - Operators of Higher Order
N2  - Motivated by results on interactive proof systems we investigate the computational power of quantifiers applied to well-known complexity classes.
In special, we are interested in existential, universal and probabilistic bounded error quantifiers ranging over words and sets of words, i.e. oracles if we think in a Turing machine model.
In addition to the standard oracle access mechanism, we also consider quantifiers ranging over oracles to which access is restricted in a certain way.
N2  - Angeregt durch die Resultate über interaktive Beweissysteme untersuchen wir Quantoren in Anwendung auf bereits bekannte Komplexitätsklassen hinsichtlich ihrer dadurch gegebenen Berechnungsmächtigkeit.
Von besonderem Interesse sind dabei existentielle und universelle Quantoren sowie Quantoren mit begrenzter Fehlerwahrscheinlichkeit, die alle über Wörter oder Wortmengen (Orakel im Kontext der Turingmaschinen) quantifizieren.
Außer in Bezug auf den Standardmechanismus eines Orakelzugriffs werden auch Quantifizierungen über Orakel, für deren Zugriff gewisse Beschränkungen bestehen, betrachtet.
KW  - Komplexitätstheorie
KW  - Quantor
KW  - Operator
KW  - Komplexitätsklasse
Y1  - 1998
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-140799
SN  - 3-8265-4008-5
PB  - Shaker Verlag
ER  - 
TY  - RPRT
A1  - Funda, Christoph
A1  - Marín García, Pablo
A1  - German, Reinhard
A1  - Hielscher, Kai-Steffen
T1  - Online Algorithm for Arrival & Service Curve Estimation
T2  - KuVS Fachgespräch - Würzburg Workshop on Modeling, Analysis and Simulation of Next-Generation Communication Networks 2023 (WueWoWAS’23)
N2  - This paper presents a novel concept to extend state-of-the-art buffer monitoring with additional measures to estimate service-curves. The online algorithm for service-curve estimation replaces the state-of-the-art timestamp logging, as we expect it to overcome the main disadvantages of generating a huge amount of data and using a lot of CPU resources to store the data to a file during operation. We prove the accuracy of the online-algorithm offline with timestamp data and compare the derived bounds to the measured delay and backlog. We also do a proof-of- concept of the online-algorithm, implement it in LabVIEW and compare its performance to the timestamp logging by CPU load and data-size of the log-file. However, the implementation is still work-in-progress.
KW  - hardware-in-the-loop streaming system
KW  - network calculus
KW  - service-curve estimation
KW  - performance monitoring
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322112
ER  - 
TY  - RPRT
A1  - Herrmann, Martin
A1  - Rizk, Amr
T1  - On Data Plane Multipath Scheduling for Connected Mobility Applications
T2  - KuVS Fachgespräch - Würzburg Workshop on Modeling, Analysis and Simulation of Next-Generation Communication Networks 2023 (WueWoWAS’23)
N2  - Cooperative, connected and automated mobility (CCAM) systems depend on a reliable communication to provide their service and more crucially to ensure the safety of users. One way to ensure the reliability of a data transmission is to use multiple transmission technologies in combination with redundant flows. In this paper, we describe a system requiring multipath communication in the context of CCAM. To this end, we introduce a data plane-based scheduler that uses replication and integration modules to provide redundant and transparent multipath communication. We provide an analytical model for the full replication module of the system and give an overview of how and where the data-plane scheduler components can be realized.
KW  - multipath scheduling
KW  - connected mobility applications
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322033
N1  - Aktualisierte Version unter https://doi.org/10.25972/OPUS-35344
ER  - 
TY  - RPRT
A1  - Herrmann, Martin
A1  - Rizk, Amr
T1  - On Data Plane Multipath Scheduling for Connected Mobility Applications
T2  - KuVS Fachgespräch - Würzburg Workshop on Modeling, Analysis and Simulation of Next-Generation Communication Networks 2023 (WueWoWAS’23)
N2  - Cooperative, connected and automated mobility (CCAM) systems depend on a reliable communication to provide their service and more crucially to ensure the safety of users. One way to ensure the reliability of a data transmission is to use multiple transmission technologies in combination with redundant flows. In this paper, we describe a system requiring multipath communication in the context of CCAM. To this end, we introduce a data plane-based scheduler that uses replication and integration modules to provide redundant and transparent multipath communication. We provide an analytical model for the full replication module of the system and give an overview of how and where the data-plane scheduler components can be realized.
KW  - multipath scheduling
KW  - connected mobility applications
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-353444
N1  - Ursprüngliche Version unter https://doi.org/10.25972/OPUS-32203
ET  - aktualisierte Version
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kern, Florian
A1  - Kullmann, Peter
A1  - Ganal, Elisabeth
A1  - Korwisi, Kristof
A1  - Stingl, René
A1  - Niebling, Florian
A1  - Latoschik, Marc Erich
T1  - Off-The-Shelf Stylus: Using XR Devices for Handwriting and Sketching on Physically Aligned Virtual Surfaces
JF  - Frontiers in Virtual Reality
N2  - This article introduces the Off-The-Shelf Stylus (OTSS), a framework for 2D interaction (in 3D) as well as for handwriting and sketching with digital pen, ink, and paper on physically aligned virtual surfaces in Virtual, Augmented, and Mixed Reality (VR, AR, MR: XR for short). OTSS supports self-made XR styluses based on consumer-grade six-degrees-of-freedom XR controllers and commercially available styluses. The framework provides separate modules for three basic but vital features: 1) The stylus module provides stylus construction and calibration features. 2) The surface module provides surface calibration and visual feedback features for virtual-physical 2D surface alignment using our so-called 3ViSuAl procedure, and surface interaction features. 3) The evaluation suite provides a comprehensive test bed combining technical measurements for precision, accuracy, and latency with extensive usability evaluations including handwriting and sketching tasks based on established visuomotor, graphomotor, and handwriting research. The framework’s development is accompanied by an extensive open source reference implementation targeting the Unity game engine using an Oculus Rift S headset and Oculus Touch controllers. The development compares three low-cost and low-tech options to equip controllers with a tip and includes a web browser-based surface providing support for interacting, handwriting, and sketching. The evaluation of the reference implementation based on the OTSS framework identified an average stylus precision of 0.98 mm (SD = 0.54 mm) and an average surface accuracy of 0.60 mm (SD = 0.32 mm) in a seated VR environment. The time for displaying the stylus movement as digital ink on the web browser surface in VR was 79.40 ms on average (SD = 23.26 ms), including the physical controller’s motion-to-photon latency visualized by its virtual representation (M = 42.57 ms, SD = 15.70 ms). The usability evaluation (N = 10) revealed a low task load, high usability, and high user experience. Participants successfully reproduced given shapes and created legible handwriting, indicating that the OTSS and it’s reference implementation is ready for everyday use. We provide source code access to our implementation, including stylus and surface calibration and surface interaction features, making it easy to reuse, extend, adapt and/or replicate previous results (https://go.uniwue.de/hci-otss).
KW  - virtual reality
KW  - augmented reality
KW  - handwriting
KW  - sketching
KW  - stylus
KW  - user interaction
KW  - usability evaluation
KW  - passive haptic feedback
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260219
VL  - 2
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Obremski, David
A1  - Lugrin, Jean-Luc
A1  - Schaper, Philipp
A1  - Lugrin, Birgit
T1  - Non-native speaker perception of Intelligent Virtual Agents in two languages: the impact of amount and type of grammatical mistakes
JF  - Journal on Multimodal User Interfaces
N2  - Having a mixed-cultural membership becomes increasingly common in our modern society. It is thus beneficial in several ways to create Intelligent Virtual Agents (IVAs) that reflect a mixed-cultural background as well, e.g., for educational settings. For research with such IVAs, it is essential that they are classified as non-native by members of a target culture. In this paper, we focus on variations of IVAs’ speech to create the impression of non-native speakers that are identified as such by speakers of two different mother tongues. In particular, we investigate grammatical mistakes and identify thresholds beyond which the agents is clearly categorised as a non-native speaker. Therefore, we conducted two experiments: one for native speakers of German, and one for native speakers of English. Results of the German study indicate that beyond 10% of word order mistakes and 25% of infinitive mistakes German-speaking IVAs are perceived as non-native speakers. Results of the English study indicate that beyond 50% of omission mistakes and 50% of infinitive mistakes English-speaking IVAs are perceived as non-native speakers. We believe these thresholds constitute helpful guidelines for computational approaches of non-native speaker generation, simplifying research with IVAs in mixed-cultural settings.
KW  - mixed-cultural settings
KW  - Intelligent Virtual Agents
KW  - verbal behaviour
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269984
SN  - 1783-8738
VL  - 15
IS  - 2
ER  - 
TY  - RPRT
A1  - Deutschmann, Jörg
A1  - Hielscher, Kai-Steffen
A1  - German, Reinhard
T1  - Next-Generation Satellite Communication Networks
T2  - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22)
N2  - This paper gives an overview of our recent activities in the field of satellite communication networks, including an introduction to geostationary satellite systems and Low Earth Orbit megaconstellations. To mitigate the high latencies of geostationary satellite networks, TCP-splitting Performance Enhancing Proxies are deployed. However, these cannot be applied in the case of encrypted transport headers as it is the case for VPNs or QUIC. We summarize performance evaluation results from multiple measurement campaigns. In a recently concluded project, multipath communication was used to combine the advantages of very heterogeneous communication paths: low data rate, low latency (e.g., DSL light) and high data rate, high latency (e.g., geostationary satellite).
KW  - Datennetz
KW  - satellite communication
KW  - Performance Enhancing Proxies
KW  - transport protocols
KW  - VPN
KW  - QUIC
KW  - multipath communication
KW  - hybrid access
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280732
ER  - 
TY  - RPRT
A1  - Simon, Manuel
A1  - Gallenmüller, Sebastian
A1  - Carle, Georg
T1  - Never Miss Twice - Add-On-Miss Table Updates in Software Data Planes
T2  - KuVS Fachgespräch - Würzburg Workshop on Modeling, Analysis and Simulation of Next-Generation Communication Networks 2023 (WueWoWAS’23)
N2  - State Management at line rate is crucial for critical applications in next-generation networks. P4 is a language used in software-defined networking to program the data plane. The data plane can profit in many circumstances when it is allowed to manage its state without any detour over a controller. This work is based on a previous study by investigating the potential and performance of add-on-miss insertions of state by the data plane. The state keeping capabilities of P4 are limited regarding the amount of data and the update frequency. We follow the tentative specification of an upcoming portable-NIC-architecture and implement these changes into the software P4 target T4P4S. We show that insertions are possible with only a slight overhead compared to lookups and evaluate the influence of the rate of insertions on their latency.
KW  - SDN
KW  - state management
KW  - P4
KW  - Add-on-Miss
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322071
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fleszar, Krzysztof
T1  - Network-Design Problems in Graphs and on the Plane
T1  - Netzwerk-Design-Probleme in Graphen und auf der Ebene
N2  - A network design problem defines an infinite set whose elements, called instances, describe relationships and network constraints. It asks for an algorithm that, given an instance of this set, designs a network that respects the given constraints and at the same time optimizes some given criterion.

In my thesis, I develop algorithms whose solutions are optimum or close to an optimum value within some guaranteed bound. I also examine the computational complexity of these problems. Problems from two vast areas are considered: graphs and the Euclidean plane.

In the Maximum Edge Disjoint Paths problem, we are given a graph and a subset of vertex pairs that are called terminal pairs. We are asked for a set of paths where the endpoints of each path form a terminal pair. The constraint is that any two paths share at most one inner vertex. The optimization criterion is to maximize the cardinality of the set.

In the hard-capacitated k-Facility Location problem, we are given an integer k and a complete graph where the distances obey a given metric and where each node has two numerical values: a capacity and an opening cost. We are asked for a subset of k nodes, called facilities, and an assignment of all the nodes, called clients, to the facilities. The constraint is that the number of clients assigned to a facility cannot exceed the facility's capacity value. The optimization criterion is to minimize the total cost which consists of the total opening cost of the facilities and the total distance between the clients and the facilities they are assigned to.

In the Stabbing problem, we are given a set of axis-aligned rectangles in the plane.  We are asked for a set of horizontal line segments such that, for every rectangle, there is a line segment crossing its left and right edge. The optimization criterion is to minimize the total length of the line segments.

In the k-Colored Non-Crossing Euclidean Steiner Forest problem, we are given an integer k and a finite set of points in the plane where each point has one of k colors. For every color, we are asked for a drawing that connects all the points of the same color. The constraint is that drawings of different colors are not allowed to cross each other. The optimization criterion is to minimize the total length of the drawings.

In the Minimum Rectilinear Polygon for Given Angle Sequence problem, we are given an angle sequence of left (+90°) turns and right (-90°) turns. We are asked for an axis-parallel simple polygon where the angles of the vertices yield the given sequence when walking around the polygon in counter-clockwise manner. The optimization criteria considered are to minimize the perimeter, the area, and the size of the axis-parallel bounding box of the polygon.
N2  - Ein Netzwerk-Design-Problem definiert eine unendliche Menge, deren Elemente, als Instanzen bezeichnet, Beziehungen und Beschränkungen in einem Netzwerk beschreiben. Die Lösung eines solchen Problems besteht aus einem Algorithmus, der auf die Eingabe einer beliebigen Instanz dieser Menge ein Netzwerk entwirft, welches die gegebenen Beschränkungen einhält und gleichzeitig ein gegebenes Kriterium optimiert.

In meiner Dissertation habe ich Algorithmen entwickelt, deren Netzwerke stets optimal sind oder nachweisbar nahe am Optimum liegen. Zusätzlich habe ich die Berechnungskomplexität dieser Probleme untersucht. Dabei wurden Probleme aus zwei weiten Gebieten betrachtet: Graphen und der Euklidische Ebene.

Im Maximum-Edge-Disjoint-Paths-Problem besteht die Eingabe aus einem Graphen und einer Teilmenge von Knotenpaaren, die wir mit Terminalpaare bezeichnen. Gesucht ist eine Menge von Pfaden, die Terminalpaare verbinden. Die Beschränkung ist, dass keine zwei Pfade einen gleichen inneren Knoten haben dürfen. Das Optimierungskriterium ist die Maximierung der Kardinalität dieser Menge.

Im Hard-Capacitated-k-Facility-Location-Problem besteht die Eingabe aus einer Ganzzahl k und einem vollständigen Graphen, in welchem die Distanzen einer gegebenen Metrik unterliegen und in welchem jedem Knoten sowohl eine numerische Kapazität als auch ein Eröffnungskostenwert zugeschrieben ist. Gesucht ist eine Teilmenge von k Knoten, Facilities genannt, und eine Zuweisung aller Knoten, Clients genannt, zu den Facilities. Die Beschränkung ist, dass die Anzahl der Clients, die einer Facility zugewiesen sind, nicht deren Kapazität überschreiten darf. Das Optimierungskriterium ist die Minimierung der Gesamtkosten bestehend aus den Gesamteröffnungskosten der Facilities sowie der Gesamtdistanz zwischen den Clients und den ihnen zugewiesenen Facilities.

Im Stabbing-Problem besteht die Eingabe aus einer Menge von achsenparallelen Rechtecken in der Ebene. Gesucht ist eine Menge von
horizontalen Geradenstücken mit der Randbedingung, dass die linke und rechte Seite eines jeden Rechtecks von einem Geradenstück verbunden ist. Das Optimierungskriterium ist die Minimierung der Gesamtlänge aller Geradenstücke.

Im k-Colored-Non-Crossing-Euclidean-Steiner-Forest-Problem besteht die Eingabe aus einer Ganzzahl k und einer endlichen Menge von Punkten in der Ebene, wobei jeder Punkt in einer von k Farben gefärbt ist. Gesucht ist für jede Farbe eine Zeichnung, in welcher alle Punkte der Farbe verbunden sind. Die Beschränkung ist, dass Zeichnungen verschiedener Farben sich nicht kreuzen dürfen. Das Optimierungskriterium ist die Minimierung des Gesamtintenverbrauchs, das heißt, der Gesamtlänge der Zeichnungen.

Im Minimum-Rectilinear-Polygon-for-Given-Angle-Sequence-Problem besteht die Eingabe aus einer Folge von Links- (+90°) und Rechtsabbiegungen (-90°). Gesucht ist ein achsenparalleles Polygon dessen Eckpunkte die gegebene Folge ergeben, wenn man das Polygon gegen den Uhrzeigersinn entlangläuft.
Die Optimierungskriterien sind die Minimierung des Umfangs und der inneren Fläche des Polygons sowie der Größe des notwendigen Zeichenblattes, d.h., des kleinsten Rechteckes, das das Polygon einschließt.
N2  - Given points in the plane, connect them using minimum ink. Though the task seems simple, it turns out to be very time consuming. In fact, scientists believe that computers cannot efficiently solve it. So, do we have to resign? This book examines such NP-hard network-design problems, from connectivity problems in graphs to polygonal drawing problems on the plane. First, we observe why it is so hard to optimally solve these problems. Then, we go over to attack them anyway. We develop fast algorithms that find approximate solutions that are very close to the optimal ones. Hence, connecting points with slightly more ink is not hard.
KW  - Euklidische Ebene
KW  - Algorithmus
KW  - Komplexität
KW  - NP-schweres Problem
KW  - Graph
KW  - approximation algorithm
KW  - hardness
KW  - optimization
KW  - graphs
KW  - network
KW  - Optimierungsproblem
KW  - Approximationsalgorithmus
KW  - complexity
KW  - Euclidean plane
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-154904
SN  - 978-3-95826-076-4 (Print)
SN  - 978-3-95826-077-1 (Online)
N1  - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, ISBN 978-3-95826-076-4, 28,90 EUR.
PB  - Würzburg University Press
CY  - Würzburg
ET  - 1. Auflage
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bencurova, Elena
A1  - Shityakov, Sergey
A1  - Schaack, Dominik
A1  - Kaltdorf, Martin
A1  - Sarukhanyan, Edita
A1  - Hilgarth, Alexander
A1  - Rath, Christin
A1  - Montenegro, Sergio
A1  - Roth, Günter
A1  - Lopez, Daniel
A1  - Dandekar, Thomas
T1  - Nanocellulose composites as smart devices with chassis, light-directed DNA Storage, engineered electronic properties, and chip integration
JF  - Frontiers in Bioengineering and Biotechnology
N2  - The rapid development of green and sustainable materials opens up new possibilities in the field of applied research. Such materials include nanocellulose composites that can integrate many components into composites and provide a good chassis for smart devices. In our study, we evaluate four approaches for turning a nanocellulose composite into an information storage or processing device: 1) nanocellulose can be a suitable carrier material and protect information stored in DNA. 2) Nucleotide-processing enzymes (polymerase and exonuclease) can be controlled by light after fusing them with light-gating domains; nucleotide substrate specificity can be changed by mutation or pH change (read-in and read-out of the information). 3) Semiconductors and electronic capabilities can be achieved: we show that nanocellulose is rendered electronic by iodine treatment replacing silicon including microstructures. Nanocellulose semiconductor properties are measured, and the resulting potential including single-electron transistors (SET) and their properties are modeled. Electric current can also be transported by DNA through G-quadruplex DNA molecules; these as well as classical silicon semiconductors can easily be integrated into the nanocellulose composite. 4) To elaborate upon miniaturization and integration for a smart nanocellulose chip device, we demonstrate pH-sensitive dyes in nanocellulose, nanopore creation, and kinase micropatterning on bacterial membranes as well as digital PCR micro-wells. Future application potential includes nano-3D printing and fast molecular processors (e.g., SETs) integrated with DNA storage and conventional electronics. This would also lead to environment-friendly nanocellulose chips for information processing as well as smart nanocellulose composites for biomedical applications and nano-factories.
KW  - nanocellulose
KW  - DNA storage
KW  - light-gated proteins
KW  - single-electron transistors
KW  - protein chip
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-283033
SN  - 2296-4185
VL  - 10
ER  -