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Technische Universität Dresden » Fakultät Informatik » Institut für Angewandte Informatik<br />
Die ressourceneffiziente Agentenplattform AMES<br />
und der Einsatz von<br />
Agenten zum Monitoring von Automationssystemen<br />
Expertenforum Agenten in der Automatisierungstechnik<br />
Stuttgart, 29. September 2008<br />
Dipl.-Ing. Vladimir Vasyutynskyy<br />
Dipl.-Inf. Sebastian Theiss<br />
Prof. Dr. Klaus Kabitzsch
Agenda<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
1. Motivation<br />
2. Kern der AMES-Agentenplattform<br />
– Klassenmodell und Programmierbeispiele<br />
– Charakteristika<br />
3. Erweiterungsmöglichkeiten<br />
– Management-Funktionen<br />
– Mobile Agenten<br />
– Sicherheit (Security)<br />
4. Performancebetrachtungen<br />
5. Konfiguration der Plattform<br />
6. Anwendungsbeispiele<br />
7. Zusammenfassung<br />
Vladimir Vasyutynskyy Agentenplattform AMES <strong>Folie</strong> 2 von 46
Agenda<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
1. Motivation<br />
2. Kern der AMES-Agentenplattform<br />
– Klassenmodell und Programmierbeispiele<br />
– Charakteristika<br />
3. Erweiterungsmöglichkeiten<br />
– Management-Funktionen<br />
– Mobile Agenten<br />
– Sicherheit (Security)<br />
4. Performancebetrachtungen<br />
5. Konfiguration der Plattform<br />
6. Anwendungsbeispiele<br />
7. Zusammenfassung<br />
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Motivation<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Monitoring und Teleservice werden immer wichtiger<br />
• Softwareagenten sind geeignetes Werkzeug:<br />
• Aber:<br />
– Verteiltes Monitoring, Vorverarbeitung ( reduzierter<br />
Bandbreitenbedarf, asynchrone Kommunikation möglich)<br />
– Abstraktionsebene bei Zugriff auf proprietäre Geräte<br />
– Hohe Flexibilität und Skalierbarkeit<br />
– Intelligenz und Reaktionsvermögen vor Ort ( Fernsteuerung)<br />
– Effizienz ( kein XML-Marshalling wie bei Web Services)<br />
– Performance von bestehenden Agentenplattformen wie JADE<br />
in Echtzeitanwendungen nicht ausreichend<br />
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Anwendungsbeispiele<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Monitoring in:<br />
– Gebäudeautomation<br />
– speicherprogrammierbaren Steuerungen<br />
– eingebetteten Systemen<br />
• Kommunikation zwischen Komponenten<br />
– Simulationen (HIL, SIL)<br />
– Testsysteme<br />
• Steuerung<br />
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Motivation<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
Existierende Agentenframeworks nur begrenzt geeignet:<br />
Anforderungen<br />
- C++, Java, etc.<br />
-SPSen,<br />
Embedded Controller<br />
- Beschränkte Ressourcen<br />
- Straffe Projektzeitpläne<br />
-Existierender Code<br />
- Hohe Sicherheitsanforderungen<br />
Gebotene Möglichkeiten<br />
- Meist Java-basierte<br />
Frameworks mit<br />
wissenschaftlichem Fokus<br />
- Hohe Komplexität, hoher<br />
Einarbeitungsaufwand<br />
- Nicht zufriedenstellende<br />
Performance<br />
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Agenda<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
1. Motivation<br />
2. Kern der AMES-Agentenplattform<br />
– Klassenmodell und Programmierbeispiele<br />
– Charakteristika<br />
3. Erweiterungsmöglichkeiten<br />
– Management-Funktionen<br />
– Mobile Agenten<br />
– Sicherheit (Security)<br />
4. Performancebetrachtungen<br />
5. Konfiguration der Plattform<br />
6. Anwendungsbeispiele<br />
7. Zusammenfassung<br />
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Entwurfsprinzipien von AMES<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Agentenplattform ist an Agenten-Standards (FIPA) und<br />
etablierten Implementationen (JADE) angelehnt<br />
• Flexibel und anpassbar:<br />
– Tradeoff: Performance vs. Flexibilität<br />
– Verschiedene Hardware und Sprachen (Java, C++)<br />
– Erweiterungen<br />
• Gleiche Klassenstruktur in allen Varianten<br />
• Einfache Nutzung, (halb) automatische Codegenerierung<br />
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Framework<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Framework: Agenten & Behaviours<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Jeder Agent besitzt eigenen Thread<br />
• Aufgaben in Behaviours implementiert:<br />
– OneShot (einmalige Ausführung)<br />
– Cyclic, Timer, Message (wiederholt)<br />
• Agent übernimmt Ausführung, Scheduling<br />
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Framework: Nachrichten<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Agenten kommunizieren über<br />
Nachrichten<br />
• Adresse spezifiziert Host und Agent<br />
• Kompression, Verschlüsselung möglich<br />
• An Nachrichten können Nutzdaten<br />
(auch Objekte) angehängt werden<br />
• Behaviours können als Nutzlast<br />
verschickt und beim Empfänger<br />
ausgeführt werden<br />
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Quellcodebeispiel: Nachrichten<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
C++<br />
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Quellcodebeispiel: Nachrichten<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
Java<br />
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Framework: Container<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Container ist auch ein Agent<br />
• Verantwortlich für Nachrichtentransport<br />
• Verzeichnis laufender Agenten und<br />
dynamisch erstellbarer Objektklassen<br />
• Führt Management-Behaviours aus<br />
( RunAgent, KillAgent, etc.)<br />
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Charakteristika des Frameworks<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Framework integriert bekannte und gut untersuchte<br />
Konzepte ( FIPA, JADE, etc.), bietet aber zusätzliche<br />
Vorteile:<br />
– Kompakt (dadurch effizient und einfach zu beherrschen)<br />
– Sehr modular, flexibel konfigurierbar<br />
– Interoperable Versionen für verschiedene Plattformen<br />
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Modularität des Frameworks<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Erweiterungen im Klassenmodell<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Security-Features des Frameworks<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Aufbau eines Kanals pro Container-Container-Verbindung<br />
• Alle Nachrichten eines Kanals werden gleich behandelt<br />
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Agenda<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
1. Motivation<br />
2. Kern der AMES-Agentenplattform<br />
– Klassenmodell und Programmierbeispiele<br />
– Charakteristika<br />
3. Erweiterungsmöglichkeiten<br />
– Management-Funktionen<br />
– Mobile Agenten<br />
– Sicherheit (Security)<br />
4. Performancebetrachtungen<br />
5. Konfiguration der Plattform<br />
6. Anwendungsbeispiele<br />
7. Zusammenfassung<br />
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Agent Startup Times<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Burst Ping Reply Time<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Leistungsvergleich mit JADE<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Speicherverbrauch einer Beispielanwendung:<br />
• Nachrichtenumlaufzeit bei Bespielanwendung „Ping“:<br />
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Leistungsvergleich mit JADE<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
Performance<br />
Parameter<br />
AMES<br />
C++<br />
AMES<br />
Java<br />
JADE<br />
AMES<br />
IPC<br />
Single Ping RTT<br />
33 µs<br />
37 µs<br />
789 µs<br />
380 µs<br />
local / remote<br />
229 µs<br />
460 µs<br />
845 µs<br />
940 µs<br />
Burst Ping Reply<br />
Time (1000 agents)<br />
local / remote<br />
23 ms<br />
257 ms<br />
42 ms<br />
494 ms<br />
681 ms<br />
649 ms<br />
Agent Startup Time<br />
246 µs<br />
866 µs<br />
2450 µs<br />
756 µs<br />
local / remote<br />
707 µs<br />
1662 µs<br />
11800 µs<br />
1699 µs<br />
Allocated Memory<br />
per Agent<br />
436 byte<br />
650 byte<br />
257 kbyte<br />
436 byte<br />
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Agenda<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
1. Motivation<br />
2. Kern der AMES-Agentenplattform<br />
– Klassenmodell und Programmierbeispiele<br />
– Charakteristika<br />
3. Erweiterungsmöglichkeiten<br />
– Management-Funktionen<br />
– Mobile Agenten<br />
– Sicherheit (Security)<br />
4. Performancebetrachtungen<br />
5. Konfiguration der Plattform<br />
6. Anwendungsbeispiele<br />
7. Zusammenfassung<br />
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Zur Erinnerung…<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Workflow beim Entwurf<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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GUI des Expertenwerktools<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Workflow beim Entwurf<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Agenda<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
1. Motivation<br />
2. Kern der AMES-Agentenplattform<br />
– Klassenmodell und Programmierbeispiele<br />
– Charakteristika<br />
3. Erweiterungsmöglichkeiten<br />
– Management-Funktionen<br />
– Mobile Agenten<br />
– Sicherheit (Security)<br />
4. Performancebetrachtungen<br />
5. Konfiguration der Plattform<br />
6. Anwendungsbeispiele<br />
7. Zusammenfassung<br />
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Anwendungsbeispiele<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Eingebettete Systeme<br />
• Gebäudeautomation<br />
• Kopplung von Werkzeugen in einem Testsystem<br />
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Anwendungsbeispiele<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Eingebettete Systeme<br />
• Gebäudeautomation<br />
• Kopplung von Werkzeugen in einem Testsystem<br />
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Agententaugliche Hardware<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Anwendung: Beobachtung einer Biogasanlage<br />
– Monitoring mit Zwischenpuffer vor Ort, Vorverarbeitung<br />
– Auswertung, Alarmierung<br />
– Fernzugriff<br />
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Anwendungsbeispiele<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Eingebettete Systeme<br />
• Gebäudeautomation<br />
• Kopplung von Werkzeugen in einem Testsystem<br />
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Agenten in Gebäudeautomation<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
Remote expert<br />
Local expert<br />
Facility management DB<br />
Web<br />
HMI<br />
HMI<br />
Facility<br />
management server<br />
Internet Server<br />
Backbone<br />
Sniffer<br />
Gateway<br />
Management<br />
node<br />
Fieldbus<br />
Sensor Controller Actuator<br />
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Monitoring in Gebäudeautomation<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
Eigenschaften der Gebäudeautomation<br />
• Verteilte und heterogene Systeme<br />
verschiedene Protokolle, Datenschnittstellen und - formate<br />
• Große Datenvolumen<br />
schwer zu analysieren, aber großes Optimierungspotenzial<br />
• Kostenfaktor!<br />
begrenzte Ressourcen: CPU, Netwerkkapazität; wenig Zeit<br />
Anforderungen an Monitoring:<br />
• Unabhängig vom Format der Datenquelle<br />
• Lauffähig auf verschiedenen Plattformen<br />
• Performance anpassbar an vorhandene Rechenressourcen<br />
• Effektive Filterung und Verdichtung der Daten<br />
• Konfiguration und Auswertung möglichst automatisch<br />
• Neue Dienste können jederzeit hinzugefügt werden<br />
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Agentenplatzierung<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
Remote expert<br />
Local expert<br />
Facility management DB<br />
Web<br />
HMI<br />
HMI<br />
Facility<br />
management server<br />
Internet Server<br />
Backbone<br />
Sniffer<br />
Gateway<br />
Management<br />
node<br />
Fieldbus<br />
Sensor Controller Actuator<br />
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Architektur<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
Container services<br />
Analysis agents<br />
Analysis agents<br />
Analysis agents<br />
Configuration database<br />
Communication buffer<br />
Data buffer<br />
Agent management<br />
Communication<br />
Persistence<br />
Security<br />
Other<br />
containers<br />
Event Dispatching Agent<br />
Analysis agents<br />
Event Detection Agent<br />
Agent<br />
container<br />
Data Acquisition Agent<br />
Data sources<br />
(system events, database)<br />
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Beispiele von Monitoringfunktionen<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Netzwerkperformance<br />
– Kanallast (Pakete/Sek.)<br />
– Netzwerkfehler (Anzahl der Fehlerpakete)<br />
• Alarmerkennung<br />
– Fehlerknoten (z. B. durch Timeout einer Antwort)<br />
• Regelgüte von Regelkreisen<br />
• Ursachenanalyse (Fehler-Expertensystem)<br />
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Konfigurierung<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Agentenkonfigurationen in XML beschrieben<br />
• Auf Basis der Systemstruktur aus Entwurfsdatenbanken (LNS)<br />
• Konfigurierbare Einstellungen:<br />
– Datenzugriff<br />
– Funktionalität:<br />
• Ereigniserkennung<br />
• Trends, Statistiken<br />
• Modelidentifikation und Fehlerdiagnose<br />
– Performance<br />
• Verteilung von Agentenfunktionen<br />
• Kommunikationsmodi zwischen den Agenten (periodisch,<br />
gepuffert)<br />
• Komprimierung und Verschlüsselung von Nachrichten<br />
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Konfigurierung - Benutzerinterface<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Anwendungsbeispiele<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Eingebettete Systeme<br />
• Gebäudeautomation<br />
• Kopplung von Werkzeugen in einem Testsystem<br />
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Anwendung: Kopplung von Werkzeugen<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Anwendung: Kopplung von Werkzeugen<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
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Zusammenfassung<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Ressourceneffizientes Agentenplattform AMES<br />
• Erweiterungsmöglichkeiten<br />
– Management-Funktionen<br />
– Mobile Agenten<br />
– Security-Funktionen<br />
• Sehr gute Performance im Vergleich mit JADE<br />
• Interaktive Konfiguration des Frameworks<br />
• Anwendungen:<br />
– Monitoring in eingebetteten Systemen und Gebäudeautomation<br />
– Kopplung von Simulatoren und Testsystemen<br />
– weitere...?<br />
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Weitere Informationen<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
http://iis807.inf.tu-dresden.de/~ames<br />
Sebastian Theiss, Joern Ploennigs, Volodymyr Vasyutynskyy, Jens<br />
Naake, and Klaus Kabitzsch: Interactively Configurable<br />
Framework for Industrial Agents. In 12th IEEE International<br />
Conference on Emerging Technologies in Factory Automation<br />
(ETFA 2007), Patras, Greece, September 2007<br />
Sebastian Theiss, Volodymyr Vasyutynskyy, and Klaus Kabitzsch:<br />
AMES – A Resource-Efficient Plattform for Industrial<br />
Agents. 7th IEEE International Workshop on Factory<br />
Communication Systems (WFCS 2008), Dresden, May 2008<br />
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Technische Universität Dresden » Fakultät Informatik » Institut für Angewandte Informatik<br />
Vielen Dank für Ihre<br />
Aufmerksamkeit<br />
Fragen?
Konfigurierung<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
Anforderungsanalyse<br />
Wahl der Analysefunktionen<br />
GA Entwurfsdatenbank<br />
Konfigurierung von Analysefunktionen<br />
Konfigurierung von Datenquellen<br />
Konfigurierung des Containers<br />
Funktionenpool<br />
Containerfunktionenontology<br />
Verteilung von Agenten<br />
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Security-Features des Frameworks<br />
Motivation » Agentenplattform » Erweiterungsmöglichkeiten » Performance » Konfiguration » Anwendungsbeispiele » Zusammenfassung<br />
• Umsetzung möglichst einfacher Richtlinien:<br />
– Operationen auswählbar, Reihenfolge aber fest<br />
Komprimieren, Hashen & Verschlüsseln, Signieren bzw. umgekehrt<br />
– Security Level prädikativ festlegbar, beeinflusst<br />
Schlüssellänge: (niedrig), mittel, hoch, sehr hoch<br />
– Wenige unterschiedliche Algorithmen<br />
• SHA zum Hashen (SHA-256, SHA-384, SHA-512)<br />
• AES zum Verschlüsseln (Schlüssellänge 128, 192 oder 256 Bit)<br />
• RSA zum Signieren (1024 Bit)<br />
• DH zur Generierung symmetrischer Schlüssel (160 Bit)<br />
• Keine Besonderheiten für Betriebssysteme oder Plattformen<br />
• Verwendung von oder Anlehnung an Standards (SSL)<br />
• weitgehend automatische (Re)Initialisierung<br />
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