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  • S E RV I C E - O R I E N T E D C O M P U T I N G withW I R E L E S S PA RT I C I PA N T S

    A D A P TAT I O N M E C H A N I S M S and D E C I S I O N S U P P O RT forL I G H T W E I G H T W E B S E RV I C E C O N S U M P T I O N

    Vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnikder Technischen Universitt Darmstadt

    zur Erlangung des akademischen Grades einesDoktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

    genehmigte Dissertation

    von

    dipl.-ing. apostolos papageorgiou

    Geboren am 4. Oktober 1983 in Athen, Griechenland

    Vorsitz: Prof. Dr.-Ing. Hans EvekingReferent: Prof. Dr.-Ing. Ralf Steinmetz

    Korreferent: Prof. Dr. rer. nat. Claudia Linnhoff-Popien

    Tag der Einreichung: 22. Mrz 2012Tag der Disputation: 24. Mai 2012

    Hochschulkennziffer D17Darmstadt 2012

  • bibliographic information

    Dieses Dokument wird bereitgestellt von tuprints, E-Publishing-Service der Technis-chen Universitt Darmstadt.http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de

    tuprints@ulb.tu-darmstadt.de

    Bitte zitieren Sie dieses Dokument als:URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30127URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3012

    Die Verffentlichung steht unter folgender Creative Commons Lizenz:Namensnennung Keine kommerzielle Nutzung Keine Bearbeitung 3.0 Deutschland

    http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/

    http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.detuprints@ulb.tu-darmstadt.deurn:nbn:de:tuda-tuprints-30127http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3012http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
  • A B S T R A C T

    At the crossroads of two hot trends of modern computer science, namely service-orientation and mobile computing, great potentials arise together with toughchallenges. The list of advantages of combining these technologies is long and com-pelling: Outsourcing of data- and processing-intensive software tasks from mobiledevices to more capable systems, quick mobile application development through theuse of existing software services that are otherwise difficult to implement on mobiledevices from scratch, and the list goes on. However, service-oriented messaging anddescription technologies are characterized by a verbose, self-descriptive nature, inorder to achieve interoperability and platform-independence. This renders them oftenheavyweight and thus not always a good match for the resource-constrained natureof mobile, wireless devices.

    In the face of the fact that very different devices will coexist in future service-oriented systems, researchers are diligently trying to tackle the aforementionedchallenges by developing adaptation mechanisms. These are meant to allow the sys-tems to dynamically and seamlessly switch to configurations that suit each particularparticipant. When it comes to one of the most important service-oriented technologies,namely Web services, adaptation for resource-constrained devices usually translatesto an attempt to use lightweight ways of communication that are dictated by thesystem context.

    The striving for enhancements in the field of Web service adaptation mechanismsfor wireless participants starts with three simple questions: Which specific adaptationmechanisms can be used and what are their characteristics? Can the developmentof new adaptation mechanisms contribute to the currently existing possibilities?Which adaptation mechanisms should be used under which wireless system con-texts? The systematic and scientific examination of these questions leads to the threecorresponding main contributions of this thesis.

    First, the conducted survey and comparison of Web service adaptation mechanismsis the first work examining the conditions of the wireless system context under whichthe adaptation mechanisms achieve significant benefits. Thus, the survey results canbe used as a basis for examining the two further issues. Second, a new, caching-basedWeb service adaptation mechanism is presented. The developed mechanism is thefirst to enable the use of cached responses of external, i.e., third-party, Web serviceswith guaranteed 100% freshness in an automated and generic manner. The freshnessof cached objects refers to their probability of being up-to-date. The evaluationproves that the approach can lead to performance enhancements of mobile Webservice invocations compared to other approaches that achieve absolute freshness.Third, provided that no single adaptation mechanism is the best-performing underall possible system contexts, the thesis offers insights with regard to the issue ofcorresponding decision support. Decision support algorithms that are based on theobtained survey results are developed and evaluated with focus on an important,yet uninvestigated aspect, namely the existence of missing system context data. The

  • respective work reveals which data imputation approaches are best suited to theexamined scenario.

    By discussing the above issues within a well-defined future scenario of mediatedWeb service usage, the thesis provides further contributions, such as architecturalsolutions, engineering approaches, and problem formulations. All in all, its findingsshould be interesting for any work in the research area of mobile services.

  • K U R Z FA S S U N G

    An der Schnittstelle zweier aktueller Trends in der Informationstechnik Ser-viceorientierung und mobilem Computing ergeben sich sowohl groe Po-tentiale als auch Herausforderungen. Die Kombination dieser beiden Technologienbietet sowohl funktionale als auch nicht-funktionale Vorteile. Sie ermglicht u. a. dieUmschichtung daten- und verarbeitungsintensiver Software von mobilen auf perfor-mantere Hardware und die schnelle Entwicklung von Mobilanwendungen durch dieNutzung existierender Software Services, die nur schwer auf den mobilen Endgertenimplementiert werden knnen. Allerdings verwenden serviceorientierte Systeme zurErreichung ihrer Ziele, darunter Interoperabilitt und Plattformunabhngigkeit, inder Regel selbstbeschreibende und somit schwergewichtige Nachrichten- und Be-schreibungsformate. Die Verwendung dieser Technologien auf mobilen, drahtlosen,in ihrer Leistung beschrnkten Endgerten, stellt sich somit als schwierig dar.

    Zuknftig wird eine groe Zahl heterogener Endgerte in serviceorientierten Sys-temen Anwendung finden. Daher wird in der Forschung verstrkt die Entwicklungpassender Adaptionsmechanismen betrachtet. Diese Mechanismen sollen es einemSystem erlauben, dynamisch und nahtlos zwischen verschiedenen Konfigurationenumzuschalten, welche auf die Anforderungen der jeweiligen Endgerte zugeschnit-ten sind. Im Hinblick auf den wichtigsten Standard im Umfeld serviceorientierterSysteme, d. h. Web Services, besteht eine solche Adaption hufig in der Erreichungeiner leichtgewichtigeren Kommunikation, die sich an den Vorgaben des aktuellenSystemkontexts orientiert.

    Ausgangspunkt der Forschung zu Verbesserungen im Hinblick auf Web-Service-Adaptionsmechanismen fr drahtlose Endgerte sind drei grundlegende Fragen:Welche spezifischen Adaptionsmechanismen knnen verwendet werden und welcheCharateristika besitzen diese? Kann die Entwicklung neuer Mechanismen weitereprinzipielle Mglichkeiten der Adaption erffnen? Welcher Adaptionsmechanismussollte in welchem mobilen/drahtlosen Systemkontext verwendet werden? Die syste-matische, wissenschaftliche Untersuchung dieser drei Fragestellungen fhrt zu dendrei wesentlichen Beitrgen dieser Arbeit.

    Erstens enthlt diese Arbeit eine Erhebung und einen Vergleich verschiedenerAdaptionsmechanismen. Erstmalig wird in diesem Zusammenhang der Nutzen allerMechanismen unter gegebenen Kontexten mobiler und drahtloser Systeme untersucht.Diese Untersuchung bildet die Grundlage zur Betrachtung der weiteren Fragestel-lungen. Zweitens wird ein neuer, Caching-basierter Adaptionsmechanismus fr WebServices vorgestellt. Der Mechanismus ermglicht erstmals die Verwendung von imCache zwischengespeicherten Antwortnachrichten fr externe d. h., durch Drittebereitgestellte Web Services bei gleichzeitiger Sicherstellung von 100% Freshnessin einer automatisierten und generischen Weise. Die Freshness von zwischengespei-cherten Objekten bezieht sich auf die Wahrscheinlichkeit, dass ihre Inhalte aktuellsind. Im Rahmen einer Evaluation wird die Mglichkeit von Performanzverbesse-rungen beim mobilen Aufruf von Web Services im Vergleich zu anderen Anstzen,die die Freshness garantieren knnen, nachgewiesen. Drittens wird beruhend auf

  • der Feststellung, dass kein Adaptionsmechanismus ber alle Systemkontexte hinweggrundstzlich die beste Performanz liefert die Mglichkeit der Untersttzung beider Auswahl von Adaptionsmechanismen untersucht. Entsprechende Entscheidungs-algorithmen werden auf der Grundlage einer vorhergehenden Erhebung entwickelt.In der hierauf aufbauenden Evaluation wird schwerpunktmig der bedeutsame,aber bislang unzureichend betrachtete Aspekt der Unvollstndigkeit der den Sys-temkontext beschreibenden Daten untersucht. Aus den Ergebnissen ergeben sichEmpfehlungen hinsichtlich der Wahl einer geeigneten Imputationsstrategie fr dasuntersuchte Szenario.

    Die Arbeit betrachtet ein wohldefiniertes, knftiges Szenario der Web Service-Nutzung ber eine Vermittlungsschicht. In diesem Rahmen enthlt die Arbeit weitereBeitrge, darunter Architektur- und Entwicklungsanstze sowie Problemformalisie-rungen. Die vorliegende Dissertation stellt somit einen wichtigen Beitrag fr knftigeArbeiten im Umfeld der Forschung von mobilen Services dar.

  • A C K N O W L E D G M E N T S

    First of all, I would like to thank Prof. Dr. Ralf Steinmetz for his supervision andfor creating and leading KOM (Multimedia Communications Lab), an inspiringand perfectly organized lab, at which I had the opportunity to work and write myPhD thesis. I would also like to the thank Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien for thesecond assessment of my thesis.

    My special thanks goes to my colleagues of the