Institut für Informatik
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Die Aufmerksamkeit politischer Entscheidungsträger weltweit richtet sich in den letzten 10 Jahren verstärkt auf die Kreativwirtschaft als signifikanter Wachstums- und Beschäftigungsmotor in Städten. Die Literatur zeigt jedoch, dass Kreativschaffende zu den gefährdetsten Arbeitskräften in der heutigen Wirtschaft gehören. Aufgrund des enorm deregulierten und stark individualisierten Umfelds werden Misserfolg oder Erfolg eher individuellen Fähigkeiten und Engagement zugeschrieben und strukturelle oder kollektive Aspekte vernachlässigt. Diese Arbeit widmet sich zeitlichen, räumlichen und sozialen Aspekten digitaler behavioraler Daten, um zu zeigen, dass es tatsächlich strukturelle und historische Faktoren gibt, die sich auf die Karrieren von Individuen und Gruppen auswirken. Zu diesem Zweck bietet die Arbeit einen computergestützten, sozialwissenschaftlichen Forschungsrahmen, der das theoretische und empirisches Wissen aus jahrelanger Forschung zu Ungleichheit mit computergestützten Methoden zum Umgang mit komplexen und umfangreichen digitalen Daten verbindet. Die Arbeit beginnt mit der Darlegung einer neuartigen Methode zur Geschlechtererkennung, welche sich Image Search und Gesichtserkennungsmethoden bedient. Die Analyse der kollaborativen Verhaltensweisen sowie der Zitationsnetzwerke männlicher und weiblicher Computerwissenschaftler*innen verdeutlicht einige der historischen Bias und Nachteile, welchen Frauen in ihren wissenschaftlichen Karrieren begegnen. Zur weiterfuhrenden Elaboration der zeitlichen Aspekte von Ungleichheit, wird der Anteil vertikaler und horizontaler Ungleichheit in unterschiedlichen Kohorten von Wissenschaftler*innen untersucht, die ihre Karriere zu unterschiedlichen Zeitpunkten begonnen haben. Im Weiteren werden einige der zugrunde liegenden Mechanismen und Prozesse von Ungleichheit in kreativen Berufen analysiert, wie der Matthew-Effekt und das Hipster-Paradoxon. Schließlich zeigt diese Arbeit auf, dass Online-Plattformen wie Wikipedia bestehenden Bias reflektieren sowie verstärken können.
Diese Arbeit bewegt sich im Spannungsfeld dreier Gebiete: Virtualisierung, Echtzeitverarbeitung und Parallelverarbeitung. Jedes dieser Gebiete gilt für sich genommen als weitgehend erforscht, doch ergeben sich bei ihrer gemeinsamen Betrachtung zahlreiche neue Fragestellungen und Möglichkeiten. In dieser Arbeit werden dazu Modelle zur Beschreibung von Echtzeitanwendungen innerhalb der Prozesshierarchie einer Virtualisierungsumgebung entwickelt. Bestehende Schnittstellen zur Virtualisierung werden auf ihre Möglichkeiten zur Echtzeitverarbeitung untersucht, und es werden neue Schnittstellen zur Virtualisierung auf Mehrprozessormaschinen geschaffen und erprobt, die die spezifischen Anforderungen eingebetteter Systeme "insbesondere die Echtzeitfähigkeit" berücksichtigen. Damit wird eine sichere und effiziente Koexistenz von Programmen mit unterschiedlich harten Zeitanforderungen in getrennten virtuellen Maschinen auf einem gemeinsamen Mehrprozessorrechner ermöglicht.
Confidentiality, integrity, and availability are often listed as the three major requirements for achieving data security and are collectively referred to as the C-I-A triad. Confidentiality of data restricts the data access to authorized parties only, integrity means that the data can only be modified by authorized parties, and availability states that the data must always be accessible when requested. Although these requirements are relevant for any computer system, they are especially important in open and distributed networks. Such networks are able to store large amounts of data without having a single entity in control of ensuring the data's security. The Semantic Web applies to these characteristics as well as it aims at creating a global and decentralized network of machine-readable data. Ensuring the confidentiality, integrity, and availability of this data is therefore also important and must be achieved by corresponding security mechanisms. However, the current reference architecture of the Semantic Web does not define any particular security mechanism yet which implements these requirements. Instead, it only contains a rather abstract representation of security.
This thesis fills this gap by introducing three different security mechanisms for each of the identified security requirements confidentiality, integrity, and availability of Semantic Web data. The mechanisms are not restricted to the very basics of implementing each of the requirements and provide additional features as well. Confidentiality is usually achieved with data encryption. This thesis not only provides an approach for encrypting Semantic Web data, it also allows to search in the resulting ciphertext data without decrypting it first. Integrity of data is typically implemented with digital signatures. Instead of defining a single signature algorithm, this thesis defines a formal framework for signing arbitrary Semantic Web graphs which can be configured with various algorithms to achieve different features. Availability is generally supported by redundant data storage. This thesis expands the classical definition of availability to compliant availability which means that data must only be available as long as the access request complies with a set of predefined policies. This requirement is implemented with a modular and extensible policy language for regulating information flow control. This thesis presents each of these three security mechanisms in detail, evaluates them against a set of requirements, and compares them with the state of the art and related work.
Software is vital for modern society. The efficient development of correct and reliable software is of ever-growing importance. An important technique to achieve this goal is deductive program verification: the construction of logical proofs that programs are correct. In this thesis, we address three important challenges for deductive verification on its way to a wider deployment in the industry: 1. verification of thread-based concurrent programs 2. correctness management of verification systems 3. change management in the verification process. These are consistently brought up by practitioners when applying otherwise mature verification systems. The three challenges correspond to the three parts of this thesis (not counting the introductory first part, providing technical background on the KeY verification approach). In the first part, we define a novel program logic for specifying correctness properties of object-oriented programs with unbounded thread-based concurrency. We also present a calculus for the above logic, which allows verifying actual Java programs. The calculus is based on symbolic execution resulting in its good understandability for the user. We describe the implementation of the calculus in the KeY verification system and present a case study. In the second part, we provide a first systematic survey and appraisal of factors involved in reliability of formal reasoning. We elucidate the potential and limitations of self-application of formal methods in this area and give recommendations based on our experience in design and operation of verification systems. In the third part, we show how the technique of similarity-based proof reuse can be applied to the problems of industrial verification life cycle. We address issues (e.g., coping with changes in the proof system) that are important in verification practice, but have been neglected by research so far.
Die vorliegende Dissertation untersucht die Entstehung von Dialekten innerhalb des in dieser Arbeit entworfenen Modells einer Multi-Agenten-Simulation, basierend auf neuronalen Netzen. Zunächst werden die linguistischen Grundlagen detailliert dargestellt. Dazu gehört neben der Diskussion einiger Definitionen von Sprache ein Überblick über die sprachlichen Evolutionsstufen, eine Übersicht der Bestandteile menschlicher Hochsprachen mitsamt den bekannten Möglichkeiten ihrer Veränderung und eine Übersicht tierischer Sprachen mit kommunikativer Funktion und ihrer Dialektbildung.
Im Anschluss werden die Grundlagen der Informatik und Mathematik erläutert. Diese umfassen neben den Begriffen Modell und Simulation den Aufbau einer Multi-Agenten-Simulation und die Funktionsweise künstlicher neuronaler Netze. Aus den hier genannten Grundlagen wird daraufhin ausführlich das Simulationsmodell dieser Arbeit hergeleitet und beschrieben.
Die Ergebnisse vieler hundert verschiedener Simulationsdurchläufe werden im Anschluss erläutert. So werden die im Modell definierten Störfaktoren einzeln untersucht und in Werteintervalle mit unterschiedlichen Auswirkungen eingeteilt. Weiterhin werden vorhandene Wechselwirkungen der Faktoren aufgezeigt und der Prozess der Sprachwiedervereinigung nach einer vorherigen Dialektspaltung gezeigt.
Einem Fazit und Ausblick folgen als Anhänge Anforderungsdefinition, Entwurf, Architektur, eine detaillierte Erläuterung der Implementierung und ein englischsprachiges Benutzerhandbuch des Werkzeugs DiaLex. DiaLex ist ein komplett in Java konzipiertes und implementiertes Programm und bietet dem Benutzer die Möglichkeit, den Einfluss verschiedener Störfaktoren auf die Dialektbildung innerhalb einer gemeinsam genutzten Sprache einer oder mehrerer Agentengemeinschaften zu simulieren und zu analysieren.
Die Arbeit entstand im Zeitraum Oktober 2007 bis Juni 2010 an der Universität Koblenz-Landau.
Virtual Reality ist ein ein Bereich wachsenden Interesses, da es eine besonders intuitive Art der Benutzerinteraktion darstellt. Noch immer wird nach Lösungen zu technischen Problemstellungen gesucht, wie etwa der Latenz zwischen der Nutzereingabe und der Reaktion der Darstellung oder dem Kompromiss zwischen der visuellen Qualität und der erreichten Framerate. Dies gilt insbesondere für visuelle Effekte auf spekularen und halbtransparenten Oberflächen und in Volumen. Eine Lösung stellt das in dieser Arbeit vorgestellte verteilte Rendersystem dar, in dem die Bildsynthese in einen präzisen, aber kostenaufwändigen physikbasierten Renderthread mit niedriger Bildwiederholrate und einen schnellen Reprojektionsthread mit hoher Bildwiederholrate aufgeteilt wird, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit und Interaktivität erhalten bleiben. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Reprojektionsverfahren vorgestellt, die einerseits Reflexionen und Refraktionen auf geraytracten Oberflächen und andererseits volumetrische Lichtausbreitung beim Raymarching abdecken. Das vorgestellte Setup kann in verschiedenen Gebieten zum Einsatz kommen um das VR Erlebnis zu verbessern. Im Zuge dieser Arbeit wurden drei innovative Trainingsanwendungen umgesetzt, um den Mehrwert von Virtual Reality im Bezug auf drei Stufen des Lernens zu untersuchen: Beobachtung, Interaktion und Zusammenarbeit. Für jede Stufe wurde ein interdisziplinäres Curriculum, das bislang mit traditionellen Medien unterrichtet wurde, in eine VR Umgebung übertragen, um zu untersuchen, wie gut sich virtuelle Realität als eine natürliche, flexible und effiziente Lernmethode eignet.
In Geschäftsbeziehungen, z. B. im internationalen Eisenbahnverkehr, können große Datenmengen zwischen den beteiligten Parteien ausgetauscht werden. Für den Austausch solcher Daten wird erwartet, dass das Risiko betrogen zu werden, z. B. durch den Erhalt gefälschter Daten, marginal ist, als auch angemessene Kosten sowie ein vorhersehbarer Gewinn. Da die ausgetauschten Daten für wichtige Geschäftsentscheidungen verwendet werden können, besteht für eine Partei ein hoher Anreiz, die Daten zu ihren Gunsten zu manipulieren. Um diese Art von Manipulation zu unterbinden existieren Mechanismen zur Sicherstellung der Integrität und Authentizität der Daten. In Kombination mit einem Protokoll für einen fairen Austausch kann sichergestellt werden, dass die Integrität und Authentizität dieser Daten auch über einen Austausch mit einer anderen Partei hinweg erhalten bleibt. Gleichzeitig stellt ein solches Protokoll sicher, dass der Austausch der Daten nur bei gleichzeitigem Austausch mit der vereinbarten Gegenleistung, z. B. einer Bezahlung erfolgt, aber auch, dass die Bezahlung nur erfolgt, wenn die Integrität und Authentizität der Daten wie vorher vereinbart, gegeben ist. Um jedoch Fairness garantieren zu können, muss ein Fair Exchange Protokoll eine vertrauenswürdige dritte Partei einbeziehen. Um Betrug durch eine einzelne zentralisierte Partei zu vermeiden, die als vertrauenswürdige dritte Partei agiert, schlägt die aktuelle Forschung vor, die vertrauenswürdige dritte Partei zu dezentralisieren, indem z. B. ein Distributed Ledger-basiertes Fair-Exchange Protokoll verwendet wird. Bei der Bewertung der Fairness eines solchen Austauschs vernachlässigen die aktuellen Ansätze jedoch die Kosten, die den Parteien entstehen, die den Fair Exchange durchführen. Dies kann zu einer Verletzung der skizzierten Erwartung angemessener Kosten führen, insbesondere wenn Distributed Ledger beteiligt sind, deren Benutzung in der Regel mit nicht-vernachlässigbaren Kosten verbunden ist. Darüber hinaus ist die Geschwindigkeit typischer Distributed-Ledger-basierter Fair Exchange-Protokolle begrenzt, was einer breiten Verwendung im Wege steht.
Um diese Herausforderungen zu überwinden, stellen wir in dieser Arbeit die Grundlage für eine Datenaustauschplattform vor, die einen vollständig dezentralisierten Fair Exchange mit angemessenen Kosten und Geschwindigkeit ermöglicht. Als theoretische Grundlage führen wir das Konzept der cost fairness ein, die die Kosten für die Fairnessbewertung berücksichtigt, indem verlangt wird, dass eine Partei, die dem Fair Exchange-Protokoll folgt, niemals einseitige Nachteile erleidet. Wir weisen nach, dass cost fairness nicht mit typischen öffentlichen Distributed Ledgers erreicht werden kann, sondern maßgeschneiderte Distributed Ledger-Instanzen erfordert, die in der Regel nicht vollständig dezentralisiert sind. Wir zeigen jedoch, dass die meisten einseitigen Kosten durch Angriffe einer unehrlichen Partei im Rahmen einer Grieving Attack verursacht werden können. Um einen Fair Exchange zu angemessenen Kosten und Geschwindigkeit zu ermöglichen, stellen wir FairSCE vor, ein Distributed Ledger-basiertes Fair Exchange-Protokoll, welches Distributed Ledger State Channels verwendet und einen Mechanismus zum Schutz vor Grieving Attacks enthält, wodurch die möglichen einseitigen Kosten auf ein Minimum reduziert werden. Auf der Grundlage unserer Evaluation von FairSCE sind die Worst Case-Kosten für den Datenaustausch selbst bei Vorhandensein von böswilligen Parteien bekannt, was eine Abschätzung des möglichen Nutzens und damit eine vorläufige Schätzung des wirtschaftlichen Nutzens ermöglicht. Um eine eindeutige Bewertung der korrekten übertragenen Daten zu ermöglichen und gleichzeitig sensible Teile der Daten zu maskieren, stellen wir außerdem einen Ansatz für das Hashing hierarchisch strukturierter Daten vor, mit dem die Integrität und Authentizität der übertragenen Daten sichergestellt werden kann.
The trends of industry 4.0 and the further enhancements toward an ever changing factory lead to more mobility and flexibility on the factory floor. With that higher need of mobility and flexibility the requirements on wireless communication rise. A key requirement in that setting is the demand for wireless Ultra-Reliability and Low Latency Communication (URLLC). Example use cases therefore are cooperative Automated Guided Vehicles (AGVs) and mobile robotics in general. Working along that setting this thesis provides insights regarding the whole network stack. Thereby, the focus is always on industrial applications. Starting on the physical layer, extensive measurements from 2 GHz to 6 GHz on the factory floor are performed. The raw data is published and analyzed. Based on that data an improved Saleh-Valenzuela (SV) model is provided. As ad-hoc networks are highly depended onnode mobility, the mobility of AGVs is modeled. Additionally, Nodal Encounter Patterns (NEPs) are recorded and analyzed. A method to record NEP is illustrated. The performance by means of latency and reliability are key parameters from an application perspective. Thus, measurements of those two parameters in factory environments are performed using Wireless Local Area Network (WLAN) (IEEE 802.11n), private Long Term Evolution (pLTE) and 5G. This showed auto-correlated latency values. Hence, a method to construct confidence intervals based on auto-correlated data containing rare events is developed. Subsequently, four performance improvements for wireless networks on the factory floor are proposed. Of those optimization three cover ad-hoc networks, two deal with safety relevant communication, one orchestrates the usage of two orthogonal networks and lastly one optimizes the usage of information within cellular networks.
Finally, this thesis is concluded by an outlook toward open research questions. This includes open questions remaining in the context of industry 4.0 and further the ones around 6G. Along the research topics of 6G the two most relevant topics concern the ideas of a network of networks and overcoming best-effort IP.
Die Beschreibung des Verhaltens eines Multi-Agenten-Systems (MAS) ist eine fordernde Aufgabe, besonders dann, wenn es in sicherheitskritischen Umgebungen eingesetzt werden soll. Denn in solchen Umgebungen muss die Beschreibung besonders sorgfältig ausgeführt werden um Seiteneffekte zu vermeiden, die ungewünschte oder sogar zerstörerische Folgen haben könnten. Deshalb sind formale Methoden nützlich, die auf mathematischen Modellen des zu entwerfenden Systems basieren. Sie erlauben es nicht nur das System formal auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu spezifizieren, sondern auch seine Konsistenz noch vor der Implementierung zu verifizieren. Das Ziel der formalen Spezifikation ist eine präzise und eindeutige Beschreibung des Verhaltens des Multi-Agenten-Systems, während die Verifikation darauf abzielt, geforderte Eigenschaften dieses Systems zu beweisen. Üblicherweise wird das Verhalten eines Agenten als diskrete Änderung seines Zustands im Bezug auf externe oder interne Aktionen aufgefasst. Jedes mal, wenn eine Aktion auftritt, ändert sich der Zustand des Agenten. Deshalb sind Zustandsübergangsdiagramme bzw. endliche Automaten ein naheliegender Ansatz das Verhalten zu modellieren. Ein weiterer Vorteil einer solchen Beschreibung ist, dass sie sich für das sogenannte Model Checking eignet. Dabei handelt es sich um eine automatische Analysetechnik, die bestimmt, ob das Modell des Systems spezifizierten Eigenschaften genügt. Allerdings muss in realistischen, physikalischen Umgebungen neben dem diskreten auch das kontinuierliche Verhalten des Multi-Agenten-Systems betrachtet werden. Dabei könnte es sich beispielsweise um die Schussbewegung eines Fußballspieler-Agenten, den Prozess des Löschens durch einen Feuerwehr-Agenten oder jedes andere Verhalten handeln, das auf zeitlichen physikalischen Gesetzen basiert. Die üblichen Zustandsübergangsdiagramme sind nicht ausreichend, um diese beiden Verhaltensarten zu kombinieren. Hybride Automaten stellen jedoch eine elegante Lösung dar. Im Wesentlichen erweitern sie die üblichen Zustandsübergangsdiagramme durch Methoden, die sich mit kontinuierlichen Aktionen befassen. Die Zustandsübergänge modellieren weiterhin die diskreten Verhaltenswechsel, während Differentialgleichungen verwendet werden um das kontinuierliche Verhalten zu beschreiben. Besonders geeignet erscheinen Hybride Automaten, weil ihre formale Semantik die Verifikation durch Model Checking erlaubt. Deshalb ist das Hauptziel dieser Arbeit, Hybride Automaten für die Modellierung und die Verifikation des Verhaltens von Multi-Agenten-Systemen einzusetzen. Jedoch bringt ihr Einsatz mehrere Probleme mit sich, die betrachtet werden sollten. Zu diesen Problemfeldern zählen Komplexität, Modularität und die Aussagestärke der Modelle. Diese Arbeit befasst sich mit diesen Problemen und liefert mögliche Lösungen.
Das Web 2.0 stellt online Technologien zur Verfügung, die es Nutzern erlaubt gemeinsam Inhalte zu erstellen, zu publizieren und zu teilen. Dienste wie Twitter, CNet, CiteSeerX etc. sind Beispiele für Web 2.0 Plattformen, die zum einen Benutzern bei den oben beschriebenen Aktivitäten unterstützen und zum anderen als Quellen reichhaltiger Information angesehen werden können. Diese Plattformen ermöglichen es Nutzern an Diskussionen teilzunehmen, Inhalte anderer Nutzer zu kommentieren, generell Feedback zu geben (z.B. zu einem Produkt) und Inhalte zu publizieren, sei es im Rahmen eines Blogs oder eines wissenschaftlichen Artikels. Alle diese Aktivitäten führen zu einer großen Menge an unstrukturierten Daten. In diesem Überfluss an Informationen kann auf den persönlichen Informationsbedarf einzelner Benutzer nicht mehr individuell genug eingegangen werden kann. Methoden zur automatischen Analyse und Aggregation unstrukturierter Daten die von einzelnen Plattformen zur Verfügung gestellt werden, können dabei helfen den sich aus dem unterschiedlichen Kontext der Plattformen ergebenden Informationsbedarf zu beantworten. In dieser Arbeit stellen wir drei Methoden vor, die helfen den Informationsüberfluss zu verringern und es somit ermöglichen den Informationsbedarf einzelner Nutzer besser zu beantworten.
Der erste Beitrag dieser Arbeit betrachtet die zwei Hauptprobleme des Dienstes Twitter: die Kürze und die Qualität der Einträge und wie sich diese auf die Ergebnisse von Suchverfahren auswirken. Wir analysieren und identifizieren Merkmale für einzelne Kurznachrichten auch Twitter (sog. Tweets), die es ermöglichen die Qualität eines Tweets zu bestimmen. Basierend auf dieser Analyse führen wir den Begriff "Interestingness" ein, der als statisches Qualitätsmaß für Tweets dient. In einer empirischen Analyse zeigen wir, dass die vorgeschlagenen Maße dabei helfen qualitativ hochwertigere Information in Twitter zu finden und zu filtern. Der zweite Beitrag beschäftigt sich mit dem Problem der Inhaltsdiversifikation in einem kollaborativen sozialen System, z.B. einer online Diskussion die aus der sozialen Kollaboration der Nutzer einer Plattform entstanden ist. Ein Leser einer solchen Diskussion möchte sich einen schnellen und umfassenden Überblick über die Pro und Contra Argumente in der Diskussion verschaffen. Zu diesem Zweck wurde FREuD entwickelt, ein Ansatz der hilft das Diversifikationsproblem von Inhalten in den Griff zu bekommen. FREuD kombiniert Latent Semantic Analysis mit Sentiment Analyse. Die Evaluation von FREuD hat gezeigt, dass es mit diesem Ansatz möglich ist, einen umfassenden Überblick über die Unterthemen und die Aspekte einer Diskussion, sowie über die Meinungen der Diskussionteilnehmer zu liefern. Der dritte Beitrag dieser Arbeit ist eine neues Autoren-Thema-Zeit Modell, dass es ermöglicht Trendthemen und Benutzerinteressen in sozialen Medien zu erfassen. Der Ansatz löst dieses Problem indem er die Relationen zwischen Autoren, latenter Themen und zeitlicher Information mittels Bayes'schen Netzen modelliert. Unsere Evaluation zeigt einen verbesserte Erkennung von semantisch zusammenhaängenden Themen und liefert im weiteren Informationen darüber in wie weit die Veränderung im Interesse einzelner Autoren mit der Entwicklung einzelner Themengebiete zusammenhängt.