Basiskomponenten von XML Datenbanksystemen

Für die Entwicklung von vielen kleinen und großen Softwaresystemen reichen herkömmliche (objekt-)relationale Datenbanksysteme nicht mehr aus. Viele interessante Daten sind in der Praxis nicht voll strukturiert und somit nicht effektiv mit einem Standarddatenbanksystem zu verwalten. Es werden deshalb neuartige standardisierte Systeme für unstrukturierte bzw. semi-strukturierte Daten benötigt. Diese Lücke wird nun von nativen XML Datenbanksystemen geschlossen, die als Datenformat das vom W3C standardisierte XML verwenden. XML Datenbanksysteme unterstützen außerdem viele weitere XML Standards, wie beispielsweise XSchema für Grammatiken, XPath und XQuery für die Anfrageverarbeitung, XSLT für Transformationen und DOM und SAX für die Applikationsanbindung. In dieser Arbeit werden Grundlagen von nativen XML Datenbanksystemen betrachtet, sowie neue Strukturen vorgeschlagen und alte Strukturen optimiert. Es wird auf eine solide Basis zum Testen von Algorithmen Wert gelegt. Hierzu wurde ein Testframework innerhalb der Java-Bibliothek XXL implementiert und anschließend verwendet. Die XXL Bibliothek enthielt bereits vor dieser Arbeit einige Komponenten, die für die Implementierung von Datenbanksystemen eingesetzt werden konnten, beispielsweise eine generische Anfrageverarbeitung und Indexstrukturen. Zusätzlich zu den vorhandenen Komponenten wurden nun neue hinzugefügt, so z.B. eine Komponente für den direkten Festplattenzugriff, ein frei konfigurierbarer Recordmanager, sowie ein Datenbank-Framework. Das zentrale Anliegen der Arbeit ist die Optimierung der Speicherungsebene von nativen XML Datenbanksystemen. Wichtig ist, dass bei der Abbildung von XML Dokumenten auf den Externspeicher die Baumstruktur erhalten bleibt und somit eine performante Anfragenverarbeitung mit wenigen Externspeicherzugriffen möglich wird. Ähnlich wie bei R-Bäumen, können für XML Speicherungsstrukturen verschiedene Splitalgorithmen angegeben werden, die gewisse Heuristiken verfolgen. Hier zeigte sich der neu entwickelte, so genannte OneCutSplit mit Scaffold als klar überlegen gegenüber den bisher bekannten Splitalgorithmen aus der Literatur. Für das Einfügen von Dokumenten wurde weiterhin ein Bulkloading Mechanismus implementiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Speicherstruktur für die hiermit erzeugten Dokumente deutlich besser war als bei der Benutzung von Splitalgorithmen. Dies macht sich erheblich in den Antwortzeiten von Anfragen bemerkbar. Zur Beschleunigung der Anfrageverarbeitung sind in nativen XML Datenbanksystemen Indexstrukturen unverzichtbar. Zu diesem Zweck wurde ein neuartiger Signaturindex entwickelt und in die XML Speicherungsstruktur unter Verwendung von Aggregaten integriert. Die Evaluierung des Indexes zeigte einen deutlichen Vorteil bei der Auswertung von XPath-Ausdrücken. Weiterhin konnten erstmals durch die Benutzung des Datenbank-Frameworks von XXL native Speicherungsverfahren für XML mit solchen verglichen werden, die auf relationalen Datenbanksystemen aufsetzen. Hierbei zeigte sich, dass nativer XML Speicher auch bei einfachen XPath-Anfragen gute Leistungswerte besitzt. Bei Navigations- und Änderungsoperationen ist der native XML Speicher den relationalen Verfahren deutlich überlegen. In der Anfrageverarbeitung auf XML Daten spielen allerdings nicht nur XPath und XQuery eine Rolle. Für die Bearbeitung von großen Mengen von XML Dokumenten sind Operatoren sinnvoll, welche eine Verarbeitung durch Abbildung von XML Dokumenten auf neue XML Dokumente realisieren. Dies ist analog zur relationalen Algebra, in der allerdings der Grunddatentyp Tupel Verwendung findet. Im Vergleich zum relationalen Modell werden für XML jedoch viele verschiedene Operatoren benötigt, die nicht auf wenige Grundoperationen zurückgeführt werden können. In dieser Arbeit werden einige neue Operatoren vorgestellt, die nicht nur für die Anfrageverarbeitung innerhalb von XML Datenbanksystemen, sondern auch für Anfragen im Internet geeignet sind. Durch das entwickelte Framework soll es Anwendern in Zukunft auf einfache Art und Weise möglich sein, Internetquellen in eigene Anfragen einzubauen

Echtzeitfähige Simulation steifer Modelle für Anwendungen in Fahrzeug-Steuergeräten

In vorliegender Arbeit wird die Echtzeitsimulation steifer Modelle für den Einsatz auf Fahrzeug- Steuergeräten untersucht. Am Beispiel eines steifen Modells einer Rohrströmung wird untersucht, wie durch den Einsatz geeigneter numerischer Verfahren eine echtzeitfähige Simulation des Modells auf einem Fahrzeug-Steuergerät erreicht werden kann. Im Rahmen der Lösung der zu Grunde liegenden Differentialgleichung mittels eines linear-impliziten Euler-Verfahrens werden für die Berechnung einer Approximation der Jacobi-Matrix anstelle eines Differenziationsverfahrens verschiedene auf das Rohrmodell zugeschnittene Arten der Approximation der Einträge eingesetzt, was eine Verallgemeinerung der von Schiela und Bornemann beschriebenen Sparsing Methode darstellt. Dies führt zu einer signifikanten Reduktion der für die Approximation der Jacobi-Matrix benötigten Rechenzeit sowie zu einer Vereinfachung des linearen Gleichungssystems des linear-impliziten Euler-Verfahrens. Insgesamt wird hierdurch ein echtzeitfähiger Einsatz des Rohrmodells erreicht. Darüber hinaus wird untersucht, wie der Rechenaufwand zur Lösung des dünn besetzten linearen Gleichungssystems des linear-impliziten Euler-Verfahrens reduziert werden kann, falls der Ansatz der maßgeschneiderten Approximationsweise für die Jacobi-Matrix des Rohrmodells nicht eingesetzt wird. Hierzu wird eine Block-Gauß Elimination eingesetzt, bei der die mit dem Schur-Komplement assoziierten Zustände beim Rohrmodell dahingehend bestimmt werden, dass sowohl das reduzierte System als auch das Restsystem eine günstige Struktur besitzen. Für den potentiellen Einsatz auf zukünftigen Fahrzeug-Steuergeräten wird das Parareal Verfahren untersucht, das eine Parallelisierung der Zeitintegration ermöglicht. Am Beispiel der Leitanwendung wird eine Wahl der Parameter des Verfahrens diskutiert. Desweiteren wird der Einsatz eines vereinfachten Modells für die grobe Stufe des Parareal Verfahrens beim Rohrmodell angewandt. Insgesamt wird durch die Arbeit aufgezeigt, dass die Eignung von Simulationen steifer Modelle für den Einsatz bei Echtzeitanwendungen auf Fahrzeug-Steuergeräten durch die untersuchten numerischen Verfahren signifikant erhöht werden kann

Beziehungen zwischen Rechenzeit, Speicherplatz und Speicherstruktur

Reischuk R. Beziehungen zwischen Rechenzeit, Speicherplatz und Speicherstruktur. Bielefeld; 1979

Simulation des Bruchverhaltens quasi-spröder Werkstoffe bei einachsiger Zugbelastung unter Verwendung eines lokalen statistischen Ansatzes und einfacher statistischer Modelle

In dieser Arbeit wird das kollektive Versagensverhalten quasi-spröd brechender Werkstoffe unter statistischen Gesichtspunkten modellhaft untersucht. Dabei wird von der Annahme ausgegangen, daß auf der Skala von Korngrößen mikrostrukturell bedingte lokale Festigkeiten statistisch verteilt sind. Bei Zugbelastung brechen zuerst schwache Gefügebestandteile. Dies führt zu diffus verteilten Mikrorissen und lokalen Spannungskonzentrationen, durch welche angrenzende Gefügebestandteile ebenfalls brechen können. Zuletzt bricht der Querschnitt kaskadenartig durch, ohne daß dafür die äußere Last weiter erhöht zu werden braucht. Für die Bestimmung der makroskopischen Probenantworten wird einem Modellansatz auf der Grundlage des in der Literatur vielfach verwendeten Bündelkettenmodells ein zweiter Ansatz auf Grundlage einer Finite-Elemente-Modellierung gegenübergestellt. Dabei zeigt sich, daß sich mit dem Bündelkettenmodell in seinen traditionellen Modellformen weder das individuelle noch das statistische Probenverhalten hinreichend gut wiedergeben läßt. Durch die grundsätzliche Berücksichtigung eines mehrachsigen Spannungszustands bei der Umverteilung von freiwerdenden Lasten gebrochener Gefügebestandteile ergeben sich im FE-Modell realitätsnähere Verhaltensweisen für einzelne Proben wodurch auch das statistische Verhalten dieser Modellproben einem Vergleich mit Experimenten besser gerecht wird. Überraschenderweise läßt sich der Probengrößeneffekt im FE-Modell oberhalb einer von der Heterogenität des Materials abhängigen Probengröße mit Hilfe einer weakest-link-Skalierung bezüglich der Gesamtzahl der Elemente abschätzen

Realisierungsmethodik von applikationsspezifischen Softcore FPGA-Lösungen: in Abhänigkeit von algorithmischen Anforderungen im Einsatzgebiet eingebetteter Systeme

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Prinzipien, Methodiken, Techniken und Realisierungen zur systematischen Entwicklung von komplexen eingebetteten Systemen unter Verwendung von Softcore Prozessoren. Die adressierte Aufgabendomäne ist vor allem die echtzeitkritische Daten- und Bildverarbeitung. Notwendig sind neue Lösungen aufgrund immer leistungsfähigerer eingebetteter Systeme, mit deren Hilfe Aufgabenfelder bedient werden können, die bisher mit diesen Systemen nicht umsetzbar waren. Aufbauend auf den Darstellungen bereits existierender Modelle und Verfahren, wie z. B. dem V-Modell oder dem Hardware-Software Co-Design, wird eine spezielle Realisierungsmethodik für applikationsspezifische Softcore FPGA-Lösungen in Abhängigkeit von algorithmischen Anforderungen in der Aufgabendomäne erarbeitet. In diesem Zusammenhang wird eine Softcore-Bibliothek mit an diese Domäne angepassten Eigenschaften konzipiert und umgesetzt. Das dabei verwendete modellbasierte Vorgehen ermöglicht durch eine hierarchische Beschreibung und Validierung eine zeit- und kosteneffiziente Entwicklung komplexer Systeme. Für jede Abstraktionsebene werden Modelle vorgestellt, die jeweils auf dieser alle notwendigen Anforderungen zur frühzeitigen Fehlererkennung und Fehlervermeidung sowie eine automatisierte Codegenerierung und Optimierungen sinnvoll umsetzen. Durch gezielte Festlegung einzuhaltender Kriterien und Entwicklungsschritte wird dabei in jeder Komponente der Toolchain eine bestmögliche Kombination von zeit- und kosteneffizienter Entwicklung mit der Sicherstellung der Einhaltung harter Echtzeiteigenschaften sowie einer Maximierung der Wiederverwendbarkeit, erreicht. Dabei spielt die Anpassbarkeit der eingebetteten Systeme mit Hilfe von partieller Rekonfiguration, mit der das dynamische Austauschen von Teilen des Softcores oder sogar ganzer Softcore Prozessoren zur Laufzeit ermöglicht wird, eine wichtige Rolle. Es erfolgen ein praktischer Nachweis der Funktionalität der erarbeiteten Modelle sowie ausführliche Experimente über die zeitlichen Anforderungen bei der partiellen Rekonfiguration von Softcore Prozessoren. Die praktischen Ergebnisse der Arbeit zeigen deutlich die Effizienz der Entwicklung von Lösungen mit der konzipierten und umgesetzten Toolchain sowie die Relevanz und Einsetzbarkeit der partiellen Rekonfiguration in diesem Gebiet.This dissertation focuses on principles, methods, techniques and realizations for the systematic development of complex embedded systems using softcore processors. The addressed domain is primarily real-time-critical data and image processing. New solutions are needed due to the increasing performance of embedded systems, allowing for a range of applications that were previously not solvable with these systems. Building on the concepts of already existing models and methods, e.g. the V-model or hardware-software-co-design, a special realization methodology for application-specific softcore FPGA solutions is developed, in conjunction with algorithmic requirements in the addressed domain. In this context, a softcore library with characteristics tailored to this domain is designed and implemented. Through a hierarchical description and validation, the model-based approach used in this thesis enables the time- and cost-efficient development of complex systems. For each abstraction level, models are presented that provide all necessary requisites for early error detection and prevention, as well as mostly automated code generation and code optimization. By defining relevant criteria and development steps, a parsimonious development with respect to time and cost is achieved in each component of the toolchain. This ensures strict adherence to the hard real-time properties and maximizes the reusability of the modules implemented for a specific project. The adaptability of the embedded systems through using partial reconfiguration plays an important role. Partial reconfiguration enables dynamic replacement of parts of the softcore or even entire softcore processors at runtime. A practical evaluation of the functionality of the developed models as well an extensive array of experiments concerning the time requirements for the partial reconfiguration of softcore processors are presented. The practical results of this thesis clearly demonstrate the efficiency of developing solutions with the designed and realized toolchain, as well as the relevance and applicability of partial reconfiguration in the addressed domain

2.5D-GIS und Geobasisdaten : Integration von Höheninformation und digitalen Situationsmodellen

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Paketverarbeitende Systeme – Algorithmen und Architekturen für hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten

Paketverarbeitende Systeme basieren auf zwei wichtigen Bereichen: der eigentlichen Paketverarbeitung und der Paketklassifizierung. Zur Optimierung der Paketverarbeitung wurde eine FPGA-basierte Architektur für funktionale Module entwickelt, auf deren Basis verschiedene Funktionen für den Einsatz im Teilnehmerzugangsnetzwerk realisiert wurden. Hash-basierte Klassifizierungsalgorithmen und –architekturen sind grundsätzlich für die Paketklassifizierung geeignet. Zur Optimierung dieser Klasse von Algorithmen wurde eine evolvierbare Hashfunktionsarchitektur entwickelt.Packet processing systems base on two important areas: ultimate packet and packet classification. For optimization of packet processing an FPGA-based architecture for functional modules has been developed. For application in Access Network, different functional modules have been developed. Hash-based classification algorithms and architectures are appropriate for fast packet classification. For optimization of this class of algorithms, an evolvable architecture for hash functions has been developed

Gewinnung, Verwaltung und Anwendung von Performance-Daten zur Unterstützung des autonomen Datenbank-Tuning

In den letzten Jahrzehnten ist die Komplexität und Heterogenität von Informationssystemen rapide gestiegen. Die Folge ist, dass viele moderne IT-Systeme aufgrund ihrer heterogenen Architektur- und Applikationsvielfalt sehr kostenintensiv in der Entwicklung, fehleranfällig in der Nutzung und schwierig durch Administratoren kontrollier- bzw. konfigurierbar sind. Initiativen wie das Autonomic Computing helfen, der steigenden Komplexität Herr zu werden, indem sie den „Problemfaktor Mensch“ entlasten und Technik nutzen, um Technik zu verwalten. Durch die Anpassung bzw. Erweiterung der System-Umgebung versuchen derartige Ansätze neben derzeitiger manueller, reaktiver Performance-Optimierung, eine automatisierte reaktive und proaktive Performance-Kontrolle zu gewährleisten. Zentrale Grundvoraussetzung für eine autonome Infrastruktur ist eine verlässliche, globale Daten- bzw. Wissensbasis. Wir erarbeiten, wie Performance-Daten über das Verhalten und den Zustand des Systems mit aus dem Data-Warehousing bekannten Techniken gesammelt, konsolidiert, verwaltet und zur Laufzeit ausgewertet werden können. Neben der Architektur und den funktionalen Komponenten eines solchen Performance Data Warehouse wird zudem dessen Datenmodell erläutert und die Anbindung an das vorausgehende Monitoring sowie die nachfolgende Analyse spezifiziert. Mit dem Ziel, die menschliche Vorgehensweise „nachzuahmen“ und somit die Administratoren bei ihren Routine-Tätigkeiten zu entlasten, widmen wir uns der Konzipierung und Beschreibung einer möglichen Infrastruktur zur Automatisierung typischer Tuning-Aufgaben. Wir erarbeiten allgemein und anhand von Beispielen, wie Tuning-Wissen und bewährte Praktiken von DBAs abgebildet, in Form von Workflows formalisiert und zur Laufzeit für die Problemlösung angewendet werden können