Parallel Architectures for Planetary Exploration Requirements (PAPER)

The Parallel Architectures for Planetary Exploration Requirements (PAPER) project is essentially research oriented towards technology insertion issues for NASA's unmanned planetary probes. It was initiated to complement and augment the long-term efforts for space exploration with particular reference to NASA/LaRC's (NASA Langley Research Center) research needs for planetary exploration missions of the mid and late 1990s. The requirements for space missions as given in the somewhat dated Advanced Information Processing Systems (AIPS) requirements document are contrasted with the new requirements from JPL/Caltech involving sensor data capture and scene analysis. It is shown that more stringent requirements have arisen as a result of technological advancements. Two possible architectures, the AIPS Proof of Concept (POC) configuration and the MAX Fault-tolerant dataflow multiprocessor, were evaluated. The main observation was that the AIPS design is biased towards fault tolerance and may not be an ideal architecture for planetary and deep space probes due to high cost and complexity. The MAX concepts appears to be a promising candidate, except that more detailed information is required. The feasibility for adding neural computation capability to this architecture needs to be studied. Key impact issues for architectural design of computing systems meant for planetary missions were also identified

Adaptation-Aware Architecture Modeling and Analysis of Energy Efficiency for Software Systems

This thesis presents an approach for the design time analysis of energy efficiency for static and self-adaptive software systems. The quality characteristics of a software system, such as performance and operating costs, strongly depend upon its architecture. Software architecture is a high-level view on software artifacts that reflects essential quality characteristics of a system under design. Design decisions made on an architectural level have a decisive impact on the quality of a system. Revising architectural design decisions late into development requires significant effort. Architectural analyses allow software architects to reason about the impact of design decisions on quality, based on an architectural description of the system. An essential quality goal is the reduction of cost while maintaining other quality goals. Power consumption accounts for a significant part of the Total Cost of Ownership (TCO) of data centers. In 2010, data centers contributed 1.3% of the world-wide power consumption. However, reasoning on the energy efficiency of software systems is excluded from the systematic analysis of software architectures at design time. Energy efficiency can only be evaluated once the system is deployed and operational. One approach to reduce power consumption or cost is the introduction of self-adaptivity to a software system. Self-adaptive software systems execute adaptations to provision costly resources dependent on user load. The execution of reconfigurations can increase energy efficiency and reduce cost. If performed improperly, however, the additional resources required to execute a reconfiguration may exceed their positive effect. Existing architecture-level energy analysis approaches offer limited accuracy or only consider a limited set of system features, e.g., the used communication style. Predictive approaches from the embedded systems and Cloud Computing domain operate on an abstraction that is not suited for architectural analysis. The execution of adaptations can consume additional resources. The additional consumption can reduce performance and energy efficiency. Design time quality analyses for self-adaptive software systems ignore this transient effect of adaptations. This thesis makes the following contributions to enable the systematic consideration of energy efficiency in the architectural design of self-adaptive software systems: First, it presents a modeling language that captures power consumption characteristics on an architectural abstraction level. Second, it introduces an energy efficiency analysis approach that uses instances of our power consumption modeling language in combination with existing performance analyses for architecture models. The developed analysis supports reasoning on energy efficiency for static and self-adaptive software systems. Third, to ease the specification of power consumption characteristics, we provide a method for extracting power models for server environments. The method encompasses an automated profiling of servers based on a set of restrictions defined by the user. A model training framework extracts a set of power models specified in our modeling language from the resulting profile. The method ranks the trained power models based on their predicted accuracy. Lastly, this thesis introduces a systematic modeling and analysis approach for considering transient effects in design time quality analyses. The approach explicitly models inter-dependencies between reconfigurations, performance and power consumption. We provide a formalization of the execution semantics of the model. Additionally, we discuss how our approach can be integrated with existing quality analyses of self-adaptive software systems. We validated the accuracy, applicability, and appropriateness of our approach in a variety of case studies. The first two case studies investigated the accuracy and appropriateness of our modeling and analysis approach. The first study evaluated the impact of design decisions on the energy efficiency of a media hosting application. The energy consumption predictions achieved an absolute error lower than 5.5% across different user loads. Our approach predicted the relative impact of the design decision on energy efficiency with an error of less than 18.94%. The second case study used two variants of the Spring-based community case study system PetClinic. The case study complements the accuracy and appropriateness evaluation of our modeling and analysis approach. We were able to predict the energy consumption of both variants with an absolute error of no more than 2.38%. In contrast to the first case study, we derived all models automatically, using our power model extraction framework, as well as an extraction framework for performance models. The third case study applied our model-based prediction to evaluate the effect of different self-adaptation algorithms on energy efficiency. It involved scientific workloads executed in a virtualized environment. Our approach predicted the energy consumption with an error below 7.1%, even though we used coarse grained measurement data of low accuracy to train the input models. The fourth case study evaluated the appropriateness and accuracy of the automated model extraction method using a set of Big Data and enterprise workloads. Our method produced power models with prediction errors below 5.9%. A secondary study evaluated the accuracy of extracted power models for different Virtual Machine (VM) migration scenarios. The results of the fifth case study showed that our approach for modeling transient effects improved the prediction accuracy for a horizontally scaling application. Leveraging the improved accuracy, we were able to identify design deficiencies of the application that otherwise would have remained unnoticed

A SURVEY ON AVAILABILITY CALCULATION AND DEFINITION FOR INFORMATION TECHNOLOGY SERVICES

Nowadays companies outsource a lot of their IT resources and capabilities by contracting them with external IT providers. The agreements between providers and customers concerning different quality aspects of the contracted services such as availability, maintainability, security and continuity are formalized through Server Level Agreements (SLAs). One of the most important quality aspects and, at the same time, most difficult to agree is the availability level to be reached. Indeed, the process, methods and types of inputs used by providers and customers to calculate this level are still very informal and in many cases the resulting availability target is not suited to the customer requirements and the provider capabilities. In this boarder, this work presents a survey aimed at identifying and analysing the research literature to analyse what are the most used inputs and methods for availability calculation and prediction as wells as to analyse their applicability in the industry

Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

Although tremendous progress has been made in Artificial Intelligence (AI), it entails new challenges. The growing complexity of learning tasks requires more complex AI components, which increasingly exhibit unreliable behaviour. In this book, we present a model-driven approach to model architectural safeguards for AI components and analyse their effect on the overall system reliability

Fault-tolerant computer study

A set of building block circuits is described which can be used with commercially available microprocessors and memories to implement fault tolerant distributed computer systems. Each building block circuit is intended for VLSI implementation as a single chip. Several building blocks and associated processor and memory chips form a self checking computer module with self contained input output and interfaces to redundant communications buses. Fault tolerance is achieved by connecting self checking computer modules into a redundant network in which backup buses and computer modules are provided to circumvent failures. The requirements and design methodology which led to the definition of the building block circuits are discussed

Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

Künstliche Intelligenz (KI) hat in den vergangenen Jahren große Erfolge erzielt und ist immer stärker in den Fokus geraten. Insbesondere Methoden des Deep Learning (ein Teilgebiet der KI), in dem Tiefe Neuronale Netze (TNN) zum Einsatz kommen, haben beeindruckende Ergebnisse erzielt, z.B. im autonomen Fahren oder der Mensch-Roboter-Interaktion. Die immense Datenabhängigkeit und Komplexität von TNN haben jedoch gravierende Schwachstellen offenbart. So reagieren TNN sensitiv auf bestimmte Einflussfaktoren der Umwelt (z.B. Helligkeits- oder Kontraständerungen in Bildern) und führen zu falschen Vorhersagen. Da KI (und insbesondere TNN) in sicherheitskritischen Systemen eingesetzt werden, kann solch ein Verhalten zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Folglich haben sich neue Forschungspotenziale entwickelt, die sich explizit der Absicherung von KI-Verfahren widmen. Ein wesentliches Problem bei vielen KI-Verfahren besteht darin, dass ihr Verhalten oder Vorhersagen auf Grund ihrer hohen Komplexität nicht erklärt bzw. nachvollzogen werden können. Solche KI-Modelle werden auch als Black-Box bezeichnet. Bestehende Arbeiten adressieren dieses Problem, in dem zur Laufzeit “bösartige” Eingabedaten identifiziert oder auf Basis von Ein- und Ausgaben potenziell falsche Vorhersagen erkannt werden. Arbeiten in diesem Bereich erlauben es zwar potenziell unsichere Zustände zu erkennen, machen allerdings keine Aussagen, inwiefern mit solchen Situationen umzugehen ist. Somit haben sich eine Reihe von Ansätzen auf Architektur- bzw. Systemebene etabliert, um mit KI-induzierten Unsicherheiten umzugehen (z.B. N-Version-Programming-Muster oder Simplex Architekturen). Darüber hinaus wächst die Anforderung an KI-basierte Systeme sich zur Laufzeit anzupassen, um mit sich verändernden Bedingungen der Umwelt umgehen zu können. Systeme mit solchen Fähigkeiten sind bekannt als Selbst-Adaptive Systeme. Software-Ingenieure stehen nun vor der Herausforderung, aus einer Menge von Architekturellen Sicherheitsmechanismen, den Ansatz zu identifizieren, der die nicht-funktionalen Anforderungen bestmöglich erfüllt. Jeder Ansatz hat jedoch unterschiedliche Auswirkungen auf die Qualitätsattribute des Systems. Architekturelle Entwurfsentscheidungen gilt es so früh wie möglich (d.h. zur Entwurfszeit) aufzulösen, um nach der Implementierung des Systems Änderungen zu vermeiden, die mit hohen Kosten verbunden sind. Darüber hinaus müssen insbesondere sicherheitskritische Systeme den strengen (Qualitäts-) Anforderungen gerecht werden, die bereits auf Architektur-Ebene des Software-Systems adressiert werden müssen. Diese Arbeit befasst sich mit einem modellbasierten Ansatz, der Software-Ingenieure bei der Entwicklung von KI-basierten System unterstützt, um architekturelle Entwurfsentscheidungen (bzw. architekturellen Sicherheitsmechanismen) zum Umgang mit KI-induzierten Unsicherheiten zu bewerten. Insbesondere wird eine Methode zur Zuverlässigkeitsvorhersage von KI-basierten Systemen auf Basis von etablierten modellbasierten Techniken erforscht. In einem weiteren Schritt wird die Erweiterbarkeit/Verallgemeinerbarkeit der Zuverlässigkeitsvorhersage für Selbst-Adaptive Systeme betrachtet. Der Kern beider Ansätze ist ein Umweltmodell zur Modellierung () von KI-spezifischen Unsicherheiten und () der operativen Umwelt des Selbst-Adaptiven Systems. Zuletzt wird eine Klassifikationsstruktur bzw. Taxonomie vorgestellt, welche, auf Basis von verschiedenen Dimensionen, KI-basierte Systeme in unterschiedliche Klassen einteilt. Jede Klasse ist mit einem bestimmten Grad an Verlässlichkeitszusicherungen assoziiert, die für das gegebene System gemacht werden können. Die Dissertation umfasst vier zentrale Beiträge. 1. Domänenunabhängige Modellierung von KI-spezifischen Umwelten: In diesem Beitrag wurde ein Metamodell zur Modellierung von KI-spezifischen Unsicherheiten und ihrer zeitlichen Ausdehnung entwickelt, welche die operative Umgebung eines selbstadaptiven Systems bilden. 2. Zuverlässigkeitsvorhersage von KI-basierten Systemen: Der vorgestellte Ansatz erweitert eine existierende Architekturbeschreibungssprache (genauer: Palladio Component Model) zur Modellierung von Komponenten-basierten Software-Architekturen sowie einem dazugehörigenWerkzeug zur Zuverlässigkeitsvorhersage (für klassische Software-Systeme). Das Problem der Black-Box-Eigenschaft einer KI-Komponente wird durch ein Sensitivitätsmodell adressiert, das, in Abhängigkeit zu verschiedenen Unsicherheitsfaktoren, die Prädektive Unsicherheit einer KI-Komponente modelliert. 3. Evaluation von Selbst-Adaptiven Systemen: Dieser Beitrag befasst sich mit einem Rahmenwerk für die Evaluation von Selbst-Adaptiven Systemen, welche für die Absicherung von KI-Komponenten vorgesehen sind. Die Arbeiten zu diesem Beitrag verallgemeinern/erweitern die Konzepte von Beitrag 2 für Selbst-Adaptive Systeme. 4. Klassen der Verlässlichkeitszusicherungen: Der Beitrag beschreibt eine Klassifikationsstruktur, die den Grad der Zusicherung (in Bezug auf bestimmte Systemeigenschaften) eines KI-basierten Systems bewertet. Der zweite Beitrag wurde im Rahmen einer Fallstudie aus dem Bereich des Autonomen Fahrens validiert. Es wurde geprüft, ob Plausibilitätseigenschaften bei der Zuverlässigkeitsvorhersage erhalten bleiben. Hierbei konnte nicht nur die Plausibilität des Ansatzes nachgewiesen werden, sondern auch die generelle Möglichkeit Entwurfsentscheidungen zur Entwurfszeit zu bewerten. Für die Validierung des dritten Beitrags wurden ebenfalls Plausibilitätseigenschaften geprüft (im Rahmen der eben genannten Fallstudie und einer Fallstudie aus dem Bereich der Mensch-Roboter-Interaktion). Darüber hinaus wurden zwei weitere Community-Fallstudien betrachtet, bei denen (auf Basis von Simulatoren) Selbst-Adaptive Systeme bewertet und mit den Ergebnissen unseres Ansatzes verglichen wurden. In beiden Fällen konnte gezeigt werden, dass zum einen alle Plausibilitätseigenschaft erhalten werden und zum anderen, der Ansatz dieselben Ergebnisse erzeugt, wie die Domänen-spezifischen Simulatoren. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass unser Ansatz Software-Ingenieure bzgl. der Bewertung von Entwurfsentscheidungen, die für die Entwicklung von Selbst-Adaptiven Systemen relevant sind, unterstützt. Der erste Beitrag wurde implizit mit Beitrag 2 und mit 3 validiert. Für den vierten Beitrag wurde die Klassifikationsstruktur auf bekannte und repräsentative KI-Systeme angewandt und diskutiert. Es konnte jedes KI-System in eine der Klassen eingeordnet werden, so dass die generelle Anwendbarkeit der Klassifikationsstruktur gezeigt wurde

Tools Integration for Supporting Software Measurement: A Systematic Literature Review

Software measurement (SM) is a key area to support process quality improvement and project management. Due to the nature of the measurement activities, tool support is essential. Tools can be combined to support the SM process and provide necessary information for decision making. However, tools are usually developed without concern for integration. As a result, organizations have to deal with integration issues to enable communication between tools. Aiming at investigating studies in the literature that report initiatives involving tool integration for supporting SM, we performed a systematic literature review. Twelve initiatives were found. This paper presents the results of the systematic review and discusses the main findings