Transition (Informatik)

Begriff, Ziel und Bedeutung

Eine Transition ist in der Informatik der kontextabhängige Übergang zwischen funktional vergleichbaren Mechanismen innerhalb eines Kommunikationssystems. Als Mechanismen gelten dabei konzeptuelle Elemente, die an bestimmte Funktionseinheiten gebunden sind, insbesondere Bestandteile von Diensten oder Protokollen. Im Extremfall kann auch ein vollständiges Protokoll einen Mechanismus darstellen.

Das Ziel einer Transition besteht darin, trotz veränderter Bedingungen eine möglichst gleichbleibende und hohe Qualität beziehungsweise Dienstgüte zu gewährleisten. Das Kommunikationssystem soll sich während des laufenden Betriebs anpassen können, ohne dass Nutzer den Übergang bewusst wahrnehmen. Die verwendeten Dienste sollen weiterhin reibungslos und flüssig funktionieren.

Mechanismen und typische Übergänge

Viele Kommunikationssysteme besitzen mehrere Mechanismen mit vergleichbarer Basisfunktion, die technisch unterschiedlich aufgebaut sind. Für lokale drahtlose Netze nennt der Artikel Wi-Fi, Bluetooth und ZigBee. Für breitbandige drahtlose Verbindungen werden UMTS und LTE als Beispiele angeführt. LTE und Wi-Fi besitzen ebenfalls eine äquivalente Basisfunktionalität, unterscheiden sich aber in ihrem technologischen Aufbau. Auf der Übertragungsebene kann LTE selbst als Mechanismus betrachtet werden.

Transitionen betreffen häufig mehrere Mechanismen auf unterschiedlichen technischen Ebenen einer Schichtenarchitektur. Eine Schichtenarchitektur gliedert ein Kommunikationssystem in Ebenen mit jeweils bestimmten Aufgaben. Ein Übergang kann daher nicht nur einen einzelnen Baustein, sondern mehrere aufeinander bezogene Bestandteile eines Dienstes oder Protokolls erfassen.

Ein typischer Anlass ist eine rasche Zunahme der Last auf einem Dienst, etwa wenn sich viele Menschen mit mobilen Endgeräten an einem Ort ansammeln. Das System soll dann geeignete Mechanismen auswählen und ineinander überführen, damit die benötigte Qualität möglichst erhalten bleibt.

Ein weiteres Beispiel ist die Übertragung von Videodaten: Abhängig von der verfügbaren Datenübertragungsrate können unterschiedliche Videodatenkodierungen verwendet werden. Transitionen steuern und verwirklichen den Wechsel zwischen diesen Kodierungen. Als Forschungsbeispiel wird ein kontextbewusster Videoanpassungsservice genannt, der mobile Videoapplikationen unterstützt.

Analyse und automatische Anpassung

Damit eine passende Transition ausgewählt werden kann, analysiert das System die aktuellen Vorgänge und Bedingungen. Auf dieser Grundlage wird bestimmt, welche Übergänge auf welcher technischen Ebene am besten geeignet sind, die gegenwärtigen Qualitätsanforderungen zu erfüllen. Die bereits vorhandene Vielfalt funktional ähnlicher Mechanismen bildet somit die Grundlage für die Anpassung.

Für die technische Umsetzung können Architekturansätze selbstorganisierender und adaptiver Systeme eingesetzt werden. Ein wichtiges Beispiel ist der MAPE-Zyklus aus dem Autonomic Computing. MAPE steht für Monitor, Analyze, Plan und Execute:

• Monitor: Der aktuelle Zustand des Kommunikationssystems und relevante Betriebsdaten werden erfasst.

• Analyze: Die Monitoring-Daten werden ausgewertet.

• Plan: Die erforderliche Transition wird geplant.

• Execute: Der geplante Übergang wird ausgeführt.

Dieser Ablauf soll eine automatische Anpassung im laufenden Betrieb ermöglichen. Entscheidend ist dabei nicht nur, dass ein anderer Mechanismus aktiviert wird, sondern dass der Übergang koordiniert erfolgt und die wahrgenommene Dienstqualität möglichst stabil bleibt.

Forschungsziele und formale Methoden

Die aktuelle Forschung entwickelt Konstruktionsmethoden, Modelle und Verfahren für automatisierte, koordinierte und schichtenübergreifende Transitionen zwischen funktional ähnlichen Mechanismen. Dies ist das Hauptziel des DFG-Sonderforschungsbereichs 1053 MAKI – Multi-Mechanismen-Adaption für das künftige Internet.

Die Forschung konzentriert sich auf drei Bereiche: erstens die methodischen Grundlagen von Transitionen, zweitens Verfahren zur Adaption transitionsfähiger Kommunikationssysteme anhand der angestrebten und tatsächlich erreichten Qualität und drittens konkrete Transitionen aus unterschiedlichen Sichten auf ein Kommunikationssystem.

Zur Formalisierung des Konzepts werden Merkmale und Beziehungen innerhalb eines Kommunikationssystems erfasst. Dadurch sollen die zugehörigen Entscheidungen dargestellt und optimiert werden. Drei wichtige Bausteine sind dynamische Software-Produktlinien, Markov-Entscheidungsprozesse und Utility Design.

Dynamische Software-Produktlinien dienen dazu, einen großen Raum möglicher Konfigurationen prägnant zu beschreiben und die Laufzeitvariabilität adaptiver Systeme anzugeben. Markov-Entscheidungsprozesse sind mathematische Werkzeuge, mit denen Transitionen zwischen verfügbaren Kommunikationsmechanismen definiert und geplant werden können. Utility-Funktionen quantifizieren die Leistung der einzelnen Systemkonfigurationen. Sie schaffen damit eine Grundlage, um die Leistung eines transitionsbasierten Kommunikationssystems zu optimieren.

Anwendungsfelder

Das Konzept der Transition wird in unterschiedlichen Bereichen von Kommunikations- und Computersystemen untersucht oder angewendet. Dazu gehören drahtlose Sensornetzwerke und mobile Netzwerke, verteilte reaktive Programmierung, Veränderungen an Wi-Fi-Firmware und die Planung autonomer Computersysteme.

Weitere Felder sind die Analyse von Content Delivery Networks (CDNs), flexible Erweiterungen des ISO-OSI-Stacks, 5G-Hochfrequenz-Fahrzeugkommunikation und die Analyse von MapReduce-ähnlichen Parallelsystemen. Hinzu kommen die Planung von Multipath TCP, die Anpassung des Beam Trainings in 802.11ad sowie das Operator Placement in dynamischen Benutzerumgebungen.

Im Bereich der Medien- und Datenverarbeitung werden außerdem DASH-Videoplayer, adaptives Bitrate-Streaming und Complex Event Processing auf mobilen Geräten behandelt. Gemeinsam ist diesen Anwendungen, dass unter wechselnden Bedingungen zwischen geeigneten Mechanismen oder Konfigurationen übergegangen werden soll, um die angestrebte Qualität des Systems zu erreichen oder möglichst stabil zu halten.