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Description: Im Mai 2009 wurde Wolfram|Alpha gestartet, ein Service, der seinen Namen von seinem Entwickler, dem britischen Mathematiker Stephen Wolfram, ableitet. Dem Benutzer soll nicht nur eine Liste von Webseiten als Ergebnis auf Anfragen geliefert werden, sondern Antworten auf konkrete Fragen geben. In diesem Report soll gezeigt werden, warum sichWolframjAlpha von Suchmaschinen abgrenzt und was die Berechnung von Antworten auf natürlichsprachliche Fragen möglich machen kann.

Description: Wolfram|Alpha was started in May 2009 and it's a service whose name derives from the british mathematician Stephen wolfram. As a result for a request the user is not just supported with a list of websites but with answers for concrete questions. In this report it will be shown why Wolfram|Alpha seperates from search engines and moreover what makes the computation of answers for natural language queries possible.

Description: Executing applications in the Grid often requires access to multiple geographically distributed resources. In a Grid environment, these resources belong to different administrative domains, each employing its own scheduling policy. That is, at which time an activity (e.g., compute job, data transfer) is started, is decided by the resource's local management system. In such an environment, the coordinated execution of distributed applications requires guarantees on the quality of service (QoS) of the needed resources. Reserving resources in advance is an accepted means to obtain QoS guarantees from a single provider. The challenge, however, is to coordinate advance reservations of multiple resources. This work presents a system architecture and mechanisms to coordinate multiple advance reservations -- called co-reservations -- for delivering QoS guarantees to complex applications. We formally define the co-reservation problem as an optimization problem. The presented model supports three dimensions of freedom: the start time, the duration and the service level of a reservation. Requests and resources are described in a simple language. After matching the static properties and requirements of either side in a mapping, the reservation mechanism probes information about the future status of the resources. The versatile design of the probing step allows the efficient processing of requests, but also lets the resources express their preferences among the myriads of reservation candidates. Next, the best mapping is found through an implementation of the formal co-reservation model. Then, the mapping has to be secured, i.e., resources need to be allocated to a co-reservation candidate with all-or-nothing semantics. We study several goal-driven sequential and concurrent allocation mechanisms and define schemes for handling allocation failures. Finally, we introduce the concept of virtual resources for seamlessly embedding co-reservations into Grid resource management.

Description: Die Ausführung von Anwendungen erfordert oft mehrere, geographisch verteilte Ressourcen. In Grid-Umgebungen gehören diese Ressourcen zu verschiedenen administrativen Organisationen, wobei jede ihre eigene Schedulingregeln verwendet. Das bedeutet, zu welcher Zeit eine Aktivität gestartet wird (z.B. ein Rechenjob), wird vom lokalen Ressourcenmanagementsystem entschieden. Die koordinierte Ausführung von verteilten Anwendungen erfordert Dienstgütegarantien für die benötigten Ressourcen. Das Reservieren von Ressourcen im Voraus ist ein Mittel, um Dienstgütegarantien von einem einzelnen Ressourcenanbieter zu erhalten. Die Herausforderung in dieser Arbeit ist, Vorausreservierungen von mehreren Ressourcen zu koordinieren. Es wird ein System für die Koordinierung mehrerer Vorausreservierungen -- Co-Reservierungen genannt -- für die Bereitstellung von Dienstgütegarantien vorgestellt. Wir definieren das Co-Reservierungsproblem als Optimierungsproblem. Das vorgestellte Modell unterstützt drei Freiheitsgrade: die Startzeit, die Dauer und die Dienstgüte einer Reservierung. Anfragen und Ressourcen werden in einer einfachen Sprache beschrieben. Nachdem statische Eigenschaften und Anforderungen beider Seiten überprüft wurden, ermittelt der Reservierungsmechanismus Informationen über den zukünftigen Zustand der Ressourcen. Dieser Schritt ist so allgemein gehalten, daß er sowohl ein effizientes Bearbeiten der Anfragen erlaubt als auch den Ressourcen ermöglicht ihre Präferenzen auszudrücken. Im Anschluss wird die optimale Zuweisung von Anfragen zu Ressourcen ermittelt. Im letzten Schritt muss diese Zuweisung umgesetzt werden, d.h., entweder alle oder keine Ressource wird allokiert. Es werden mehrere sequentielle und parallele Allokationsverfahren vorgestellt sowie deren Auswirkung auf verschiedene Metriken untersucht. Die Einbettung von Co-Reservierungen in das Grid-Ressourcenmanagement wird anhand des Konzeptes der virtuellen Ressource dargestellt.

Description: Aktuelle Entwicklungen zeigen, dass Peer-to-Peer (P2P) Anwendungen wie Skype oder Bittorrent im Internet immer mehr an Bedeutung gewinnen. In den letzten Jahren hat es einen explosionsartigen Anstieg an Nutzern und Daten in solchen Netzen gegeben. Dabei stellt der eigentliche Dateitransfer zwischen zwei Rechnern kein großes Problem mehr dar und auch der Speicherbedarf für die große Menge an Daten kann durch die Weiterentwicklung der Hardware gut gedeckt werden. Das eigentliche Problem liegt vielmehr darin, den Rechner zu finden, der die gewünschten Daten hat. Client-Server Architekturen, wie zum Beispiel Napster, haben sich als ungünstig herausgestellt. Wenige Server, die eine große Anzahl an Clients bedienen müssen, sind einerseits sehr anfällig gegenüber Angriffen und Ausfällen (Single Point of Failure)und kommen auch nicht mit der ständig wachsenden Anzahl an Nutzern zurecht. Verteilte Hashtabellen (DHT) bieten hier einen guten Lösungsansatz, der mit einer großen Anzahl an Nutzern skaliert und ausfallsicher ist. Andere dezentrale Lösungen, wie zum Beispiel das P2P Netzwerk Gnutella haben zwar das Problem des Single Point of Failure gelöst, jedoch haben sie starke Nachteile bei der Suche nach Keys. Bei einer Suche wird ein Broadcast verwendet (jeder schickt die Anfrage an jeden weiter) und damit ein enormer Netzwerkverkehr erzeugt. In "Why Gnutella Can't Scale. No, Really" wird erklärt, dass eine Suchanfrage bei Standardeinstellungen in der Clientsoftware einen Netzwerkverkehr von 17MB erzeugt. Deswegen wird zusätzlich eine Lösung benötigt, die Keys und Values geordnet verteilt, damit sie gezielt gesucht werden können. Aus diesem Grund beschäftigt sich die folgende Arbeit mit einer völlig dezentralen Architektur, die außerdem eine sinnvolle Platzierung der Keys vornimmt. Die dezentrale Architektur hat den Vorteil, dass die Endgeräte den Hauptteil des Dienstes selbst erbringen und damit jeder zusätzliche Teilnehmer seine eigenen Ressourcen beisteuert. Diese Arbeit präsentiert Chord#, eine dezentrale, skalierbare und selbstorganisierende verteilte Hashtabelle. Chord# wurde ausgewählt, da in dieser Arbeit auch Wert auf Bereichsabfragen gelegt wurde. Diese sind zum Beispiel bei dem Chord Algorithmus nicht möglich, da dieser eine Hashfunktion für die Keys verwendet und somit die Daten zwar gleichmäßig aber unsortiert auf die Teilnehmer verteilt. Es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass mit Hilfe von Chord# auch ohne die Hashfunktion gute Ergebnisse erzielt werden. Außerdem können durch den Verzicht auf die Hashfunktion Bereichsabfragen ermöglicht werden. Dafür wird der Chord# Algorithmus in Java implementiert (ca. 1500 Zeilen Code) und in dem Forschungsnetz PlanetLab ausführlich auf Laufzeiten, Instandhaltungskosten und Skalierung getestet.

Description: Recent developments show that peer-to-peer (p2p) applications, such as Skype or Bittorrent have become increasingly important in the internet. Over the last years there has been a rapid growth of both users and data in such networks. However, the actual file transfer between two peers is not really an issue anymore. The same holds true for data storage, since the new hardware grants users enough space to store their data. The real problem is finding the peers that possess the desired data. Client-server architectures like Napster have proven to be ineffective addressing that problem. One or few servers being responsible for many peers are vulnerable to attacks or failures (single point of failure). Additionally, they are unable to cope with the rapidly growing number of peers. Distributed hashtables (DHT) are a good approach to solve these problems, since they scale nicely with large numbers of peers and provide a high tolerance for errors. Other decentralized solutions like the p2p network Gnutella solved the problem of Single Point of Failure but show considerable disadvantages when searching for keys. The peers in Gnutella use a broadcast (sending the message to all peers they know)resulting in massive traffic. According to "Why Gnutella Can't Scale. No, Really.", each search using standard client settings yields 17MB traffc. This calls for a different solution, distributing keys and values to peers quickly and efficiently so they can be found fast. For that reason this thesis focuses on a fully distributed architecture using organized key placement. One major advantage of distributed architecture is the fact, that the peers do most of the work themselves. This way, new peers joining the network add resources to it. This thesis presents Chord#, a scalable, self-organizing and completely decentralized DHT. It has been chosen due to its capability to allow range queries. The regular Chord algorithm does not support range queries, because of the hashfunction it uses to evenly distribute the keys among the peers. This results in similar or logical coherent keys most likely not being close together in the network. This thesis shows Chord# achieving same results as Chord - regarding performance costs - without the hashfunction. In dropping the hashfunction this algorithm allows the use of range queries. The Chord# algorithm is implemented in Java (about 1500 lines of code) and thoroughly tested in the research network PlanetLab. The results are evaluated regarding performance, maintenance and scalability.

Description: One of the biggest impacts on the performance of a Distributed Hash Table (DHT), once established, is its ability to balance load among its nodes. DHTs supporting range queries for example suffer from a potentially huge skew in the distribution of their items since techniques such as consistent hashing can not be applied. Thus explicit load balancing schemes need to be deployed. Several such schemes have been developed and are part of recent research, most of them using only information locally available in order to scale to arbitrary systems. Gossiping techniques however allow the retrieval of fairly good estimates of global information with low overhead. Such information can then be added to existing load balancing algorithms that can use the additional knowledge to improve their performance. Within this thesis several schemes are developed that use global information like the average load and the standard deviation of the load among the nodes to primarily reduce the number of items an algorithm moves to achieve a certain balance. Two novel load balancing algorithms have then been equipped with implementations of those schemes and have been simulated on several scenarios. Most of these variants show better balance results and move far less items than the algorithms they are based on. The best of the developed algorithms achieves a 15-30% better balance and moves only about 50-70% of the number of items its underlying algorithm moves. This variation is also very robust to erroneous estimates and scales linearly with the system size and system load. Further experiments with self-tuning algorithms that set an algorithm’s parameter according to the system’s state show that even more improvements can be gained if additionally applied. Such a variant based on the algorithm described by Karger and Ruhl shows the same balance improvements of 15-30% as the variant above but reduces the number of item movements further to 40-65%.

Description: Entwurf und Entwicklung eines eingebetteten Hauptspeicher-Datenbanksystems mit Snapshot-Reads.

Description: Design and implementation of an embedded main memory database with snapshot reads.

Description: Das Ziel dieser Arbeit ist die Schaffung einer Zugriffs-Komponente für das Grid-Datenmanagement-System ZIB-DMS, das dessen transparente Einbindung in den Verzeichnisbaum eines Linux-Systems erlaubt. Dazu wird unter Verwendung des FUSE-Rahmenwerkes ein Userspace-Dateisystem mit Anbindung an das ZIB-DMS konzipiert und implementiert. Im Fokus stehen dabei die Abbildung der erweiterten Verwaltungsmechanismen des Systems auf die limitierte Schnittstelle hierarchischer Dateisysteme und die dazu notwendigen Änderungen am ZIB-DMS.

Description: The goal of this work is to create an access component for the Grid data management system ZIB-DMS, that allows a transparent integration into the directory tree of a Linux system. For this purpose the FUSE framework is used to design and implement a userspace file system with connections to the ZIB-DMS. The focus is on the mapping of the extended management mechanisms of the system to the limited interface of hierarchical file systems and the therefore necessary changes to ZIB-DMS.

Description: We present a framework for transactional data access on data stored in a DHT. It allows to atomically read and write items and to run distributed transactions consisting of a sequence of read and write operations on the items. Items are symmetrically replicated in order to achieve durability of data stored in the SON. To provide availability of items despite the unavailability of some replicas, operations on items are quorum-based. They make progress as long as a majority of replicas can be accessed. Our framework processes transactions optimistically with an atomic commit protocol that is based on Paxos atomic commit. We present algorithms for the whole framework with an event based notation. Additionally we discuss the problem of lookup inconsistencies and its implications on the one-copy serializability property of the transaction processing in our framework.

Description: When planning teams for projects with specific goals, employees of a company have to group together so well, that all necessary knowledge for conquering the project’s challenges are met within the member’s skills. A tool that facilitates semantic web technologies can support the team recruiter, who is responsible for chosing the members of the team, in terms of finding the most efficient combinations of the company’s employees based on their expertises.

Description: Key/value stores which are built on structured overlay networks often lack support for atomic transactions and strong data consistency among replicas. This is unfortunate, because consistency guarantees and transactions would allow a wide range of additional application domains to benefit from the inherent scalability and fault-tolerance of DHTs. The Scalaris key/value store supports strong data consistency and atomic transactions. It uses an enhanced Paxos Commit protocol with only four communication steps rather than six. This improvement was possible by exploiting information from the replica distribution in the DHT. Scalaris enables implementation of more reliable and scalable infrastructure for collaborative Web services that require strong consistency and atomic changes across multiple items.

Description: Basierend auf einem vorhandenen Ansatz zur Einführung von anisotropen Tetraedern im Randbereich eines reinen Tetraedergitters wird ein Gittergenerator für hybride Gitter implementiert. Das hybride Gitter besteht in Randnähe primär aus anisotropen Prismen und im Inneren der Geometrie aus isotropen Tetraedern. Eine erhöhte Auflösung im Randbereich soll zu besseren Ergebnissen von numerischen Strömungssimulationen führen, für welche eine problemangepasste Diskretisierung des zu untersuchenden Gebietes benötigt wird. In dem zuvor genannten Ansatz wird eine Reihe von Übergangselementen vorgeschlagen, die an scharfen Kanten der Oberfläche platziert werden sollen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird die Idee der Übergangselemente aufgegriffen und bei hybriden Gittern eingesetzt, um auch komplexe Eingabegeometrien vergittern zu können. Der ursprüngliche Gittergenerierungprozess wird überarbeitet und erweitert. Eine neue Menge an Übergangselementen wird eingeführt, es werden gekrümmte Extrusionsvektoren verwendet und es wird die Auswertung der medialen Oberfläche vorgenommen, um Überschneidungen im hybriden Gitter zu vermeiden. Der Gittergenerator wird als Modul in das Visualisierungs- und Analyseprogramm Amira implementiert und die erstellten hybriden Gitter werden auf ihre Elementqualität und die Güte der Strömungssimulationsergebnisse hin überprüft.

Description: Based on an existing approach for the introduction of anisotropic tetrahedra near the surface boundary of a tetrahedral grid a grid generator for hybrid grids is implemented. The hybrid grid consists near the surface boundary primarily of anisotropic prisms and inside the geometry of isotropic tetrahedra. An increased resolution near the boundary should lead to better results of numerical flow simulations, which needs a problem specific discretization of the analyzed domain. In the aforementioned approach a set of transition elements is suggested, which should be placed at sharp surface corners. As a part of this diploma thesis the concept of using transition elements is applied for creating hybrid grids even for very complex input geometries. The initial grid generation process is revised and enhanced. A new set of transition elements is introduced, curved extrusion vectors are used and the medial surface is evaluated to avoid intersections in the hybrid grid. The grid generator is implemented as a module for the visualization and analysis tool Amira and the element quality of the generated hybrid grids and the quality of flow simulations performed on the grids are tested.

Description: We study performance and scaling of the Berlin Quantum Chromodynamics Program (BQCD) on the SGI Altix 4700 at Leibniz Supercomputing Centre (LRZ). We employ different communication methods (MPI, MPI with two OpenMP threads per process, as well as the shmem library) and run the MPI version on the two types of nodes of that machine. For comparison with other machines we made performance measurements on an IBM p690 cluster and a Cray XT4.

Description: In dieser Arbeit wird eine Serie von Remeshing-Verfahren um die Berücksichtigung von nicht-mannigfaltigen Dreiecksvernetzungen und Merkmalskantenzügen erweitert. Die betrachteten Verfahren arbeiten im Wesentlichen lokal. Daher können die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Erweiterungen, die nicht-mannigfaltige Kantenzüge und Merkmalskantenzüge betreffen, separat beschrieben werden. Dabei wird ein Ansatz verfolgt, beide Arten von besonderen Kantenzügen aufgrund ihrer Gemeinsamkeiten einheitlich zu behandeln. Dieser besteht zum einen darin, eine Korrespondenz zwischen Kantenzügen auf der Eingabe- und der Ausgabefläche zu erhalten, indem die Remeshing-Operationen auf den Kantenzügen in entsprechend eingeschränkter Weise verwendet werden. Zum anderen wird beschrieben, wie die Abtastdichte der Kantenzüge dynamisch an die Abtastdichte der Umgebung angepasst werden kann, um für weitgehende Isotropie in der Nähe von Merkmalskantenzügen zu sorgen.

Description: A unified approach for consistent remeshing of arbitrary non-manifold triangle meshes with additional user-defined feature lines is presented. The method is based on local operations only and produces meshes of high regularity and triangle quality while preserving the geometry as well as topology of the feature lines as well as the input mesh.

Description: This work introduces a novel streamline seeding technique based on dual streamlines that are orthogonal to the vector field, instead of tangential. The greedy algorithm presented here produces a net of orthogonal streamlines that is iteratively refined resulting in good domain coverage and a high degree of continuity and uniformity. The algorithm is easy to implement and efficient, and it naturally extends to curved surfaces.

Description: In dieser Arbeit wird eine neue Strategie zur Platzierung von Stromlinien vorgestellt. Hierzu werden zusätzliche duale Stromlinien verwendet, die --im Gegensatz zur üblichen Definition-- orthogonal zum Vektorfeld verlaufen. Der vorgestellte Greedy-Algorithmus berechnet ein Netz aus orthogonalen Stromlinien, welches iterativ verfeinert wird, was zu einer guten Abdeckung der Domäne und einer gleichmäßigen Verteilung der Stromlinien führt. Es handelt sich um einen einfach zu implementierenden und effizienten Algorithmus, der direkt auf gekrümmten Oberflächen anwendbar ist.

Description: In dieser Diplomarbeit wird untersucht, wie auf der Basis von Literaturreferenzen ein Zitationsgraph durch ein automatisches Verfahren aufgebaut werden kann. Zur Lösung des Problems werden Probabilistische Relationale Modelle herangezogen. Eine problemspezifische Erweiterung des Modells ermöglicht es, dass bestehende Unsicherheiten im Zitationsgraphen mit Hilfe eines Inferenzverfahrens aufgelöst werden können. Zur Evaluierung des Verfahren werden Experimente auf dem Cora-Datensatz durchgeführt.

Description: Die Diplomarbeit präsentiert ein Transaktionsverfahren für strukturierte Overlay-Netzwerke, das an die Erfordernisse verteilter Informationssysteme mit relationalem Datenmodell angepasst ist. Insbesondere wird der Einsatz von Transaktionen für verteilte Wikis betrachtet, die moderne Funktionalitäten, wie Metadaten und zusätzliche Indexe für die Navigation, unterstützen. Konsistenz und Dauerhaftigkeit der gespeicherten Daten erfordert die Behandlung von Knotenausfällen. Die Arbeit schlägt dafür das Zellenmodell vor: Das Overlay wird aus replizierten Zustandsmaschinen gebildet, um Verfügbarkeit zu gewährleisten. Das Transaktionsverfahren baut darauf auf und verwendet Two-Phase-Commit mit Fehlererkennung und Widerherstellung von ausgefallenen Transaktionsmanagern. Anwendungen wird eine Auswahl an pessimistischen und hybrid-optimistischen Nebenläufigkeitskontrollverfahren geboten, die die Minimierung von Latenzeffekten und die schnelle Ausführung von Nur-Lese-Transaktionen ermöglichen. Für die Beispielanwendung Wiki wird der erforderliche Pseudocode angegeben und die verschiedenen Nebenläufigkeitskontrollverfahren hinsichtlich ihrer Nachrichtenkomplexität verglichen.

Description: The diploma thesis presents a transaction processing scheme for structured overlay networks and uses it to develop a distributed Wiki application based on a relational data model. The Wiki supports rich metadata and additional indexes for navigation purposes. Ensuring consistency and durability requires handling of node failures. Such failures are masked by providing high availability of nodes. This in turn is achieved by constructing the overlay from replicated state machines (cell model). Atomicity is realized using two phase commit with additional support for failure detection and restoration of the transaction manager. The developed transaction processing scheme provides the application with a mixture of pessimistic, hybrid optimistic and multiversioning concurrency control techniques to minimize the impact of replication on latency and optimize for read operations. The pseudocode of the relevant Wiki functions is presented and the different concurrency control techniques are evaluated in terms of message complexity.

Description: Die Arbeit präsentiert ein Transaktionsverfahren für strukturierte Overlay-Netzwerke, das an die Erfordernisse verteilter Informationssysteme mit relationalem Datenmodell angepasst ist. Insbesondere wird der Einsatz von Transaktionen für verteilte Wikis betrachtet, die moderne Funktionalitäten, wie Metadaten und zusätzliche Indexe für die Navigation, unterstützen. Konsistenz und Dauerhaftigkeit der gespeicherten Daten erfordert die Behandlung von Knotenausfällen. Die Arbeit schlägt dafür das Zellenmodell vor: Das Overlay wird aus replizierten Zustandsmaschinen gebildet, um Verfügbarkeit zu gewährleisten. Das Transaktionsverfahren baut darauf auf und verwendet Two-Phase-Commit mit Fehlererkennung und Widerherstellung von ausgefallenen Transaktionsmanagern. Anwendungen wird eine Auswahl an pessimistischen und hybrid-optimistischen Nebenläufigkeitskontrollverfahren geboten, die die Minimierung von Latenzeffekten und die schnelle Ausführung von Nur-Lese-Transaktionen ermöglichen. Für die Beispielanwendung Wiki wird der erforderliche Pseudocode angegeben und die verschiedenen Nebenläufigkeitskontrollverfahren hinsichtlich ihrer Nachrichtenkomplexität verglichen.

Description: The report presents a transaction processing scheme for structured overlay networks and uses it to develop a distributed Wiki application based on a relational data model. The Wiki supports rich metadata and additional indexes for navigation purposes. Ensuring consistency and durability requires handling of node failures. Such failures are masked by providing high availability of nodes. This in turn is achieved by constructing the overlay from replicated state machines (cell model). Atomicity is realized using two phase commit with additional support for failure detection and restoration of the transaction manager. The developed transaction processing scheme provides the application with a mixture of pessimistic, hybrid optimistic and multiversioning concurrency control techniques to minimize the impact of replication on latency and optimize for read operations. The pseudocode of the relevant Wiki functions is presented and the different concurrency control techniques are evaluated in terms of message complexit

Description: Berlin als Stadtstaat ist Kommune und Land der Bundesrepublik zugleich und Standort vieler renommier-ter Wissenschafts- und Kultureinrichtungen. In enger Zusammenarbeit der Wissenschaftseinrichtungen mit dem IT-Dienstleistungszentrum Berlin (ITDZ, ehemals Landesbetrieb für Informationstechnik), der für die Behörden Berlins zuständigen Einrichtung, wurde seit 1993 ein landeseigenes Glasfasernetz mit einer derzeitigen Länge von 856 km Glasfaserkabel (je Kabel bis zu 144 Einzelfasern) zur gemeinsamen Nutzung von Wissenschaft und Verwaltung errichtet und weiter ausgebaut. 1994 erfolgte der offizielle Start des Berliner Wissenschaftsnetzes BRAIN (Berlin Research Area Information Network), als durch einen Beschluss des Senats von Berlin die Nutzung des landeseigenen Glasfasernetzes durch die Wissen-schaftseinrichtungen festgeschrieben wurde. Bereits 1995 wurden durch die Wissenschaftseinrichtungen auf diesem Glasfasernetz die ersten sieben Anschlüsse in ATM-Technik (Classical BRAIN-ATM) in Betrieb genommen, 1999 wurden anschließend auch erste Strecken in Ethernet-Technik (Classical BRAIN-GE) betrieben. Diese heterogenen Netze mit unterschiedlichen Netzgeräten wurden dezentral von den Netzadministratoren der beteiligten Einrichtungen nach globalen Absprachen betreut. Die dezentrale Administration erschwerte das Management und die Erweiterungen der Gesamtnetze. Basierend auf den vorliegenden Erfahrungen vereinbarten die Berliner Wissenschaftseinrichtungen, ein technisch neues Verbundnetz in Gigabit-Ethernet-Technik mit einheitlichen Geräten und einem zentralen Netzwerkmana-gement aufzubauen und zu betreiben. Seit November 2003 betreibt BRAIN auf dem landeseignen Glasfasernetz ein auf MPLS-Technik basie-rendes Gigabit-Ethernet-Netz, das „BRAIN-Verbundnetz“, mit den Diensten LAN-to-LAN-Kopplung der Einrichtungen, regionaler IP-Verkehr, Übergang zum Verwaltungsnetz und WiN-Backup. Das BRAIN-Verbundnetz löste die dezentral betreuten Vorläufernetze komplett ab. Von den derzeit 27 BRAIN-Teilnehmern nutzen 24 Einrichtungen an 53 in der Stadt verteilten Standorten die Dienste des BRAIN-Verbundnetzes, 18 Standorte sind mit 1000 Mbit/s und 35 Standorte mit 100 Mbit/s angeschlossen. Für verteilte Standorte einer Einrichtung besteht zudem die Möglichkeit, diese über dedizierte Fasern oder Bandbreiten miteinander zu vernetzen. Seit dem 2. Quartal 2007 wird im Rahmen eines Pilotprojekts der Nutzen eines zentral gemanagten Fibre Channel-Netzwerks "BRAIN-SAN" ermittelt, um Möglichkeiten einer verteilten Datenhaltung der Berliner Hochschulen und wissenschaftlichen Einrichtungen zu schaf-fen. Zusätzlich zu den vorgenannten Diensten nutzt der DFN-Verein die BRAIN-Struktur für die Verbindun-gen der X-WiN-Kernnetzknoten in Berlin und Potsdam untereinander und für Zugangsleitungen zu den Anwendern. Mit Stand 2007 nutzt das Berliner Wissenschaftsnetz BRAIN vom landeigenen Glasfasernetz 2100 km Einzelfasern und verbindet insgesamt 43 Einrichtungen (BRAIN-Teilnehmer und DFN-Anwender) aus Wissenschaft, Bildung und Kultur mit 129 Standorten. Der Betrieb von BRAIN wird im wesentlichen durch seine Nutzer finanziert. Das Land Berlin trägt aller-dings pauschal die überwiegenden Kosten für die Wartung des Glasfasernetzes, soweit es vom ITDZ be-reit gestellt wird. Zentrales Planungs- und Steuerungsorgan für BRAIN ist die von der Senatsverwaltung für Bildung, Wis-senschaft und Forschung eingerichtete BRAIN-Planungsgruppe. Sie besteht aus Mitarbeitern der Rechen-zentren der drei Berliner Universitäten und des ZIB. Nach außen wird BRAIN in rechtlicher und wirtschaftlicher Hinsicht treuhänderisch vom ZIB vertreten, die BRAIN-Geschäftsstelle befindet sich ebenfalls im ZIB.

Description: Berlin as a city state is both local authority and federal state of the Federal Republic, as well as a location of many renowned institutions of research and culture. In close cooperation of the institutions of research with the IT service centre Berlin (ITDZ, the former Landesbetrieb für Informationstechnik) - which is the appropriate facility for the authorities of Berlin - a glass fibre network of a total extension of 856 kilome-tres of fibre optics (144 fibres each cable optic) for the common use of research and administration has been established and advanced since 1993. In 1994, when a resolution of the Senate of Berlin laid down the use of the appropriate fibre networks by the research facilities, this was the official beginning of the Berlin Research Area Information Network (BRAIN). The first seven interfaces in this fibre network in ATM technology (Classical BRAIN-ATM) were already established by the research facilities in 1995. In 1999, first systems run in Ethernet technology (Classical BRAIN-GE). These heterogeneous networks with different interfaces have been supported locally by the network administrators of the research facili-ties following global agreements. Management and advancement of the overall networks were encum-bered by these local administrations. Based on the existing experience, Berlin's research facilities agreed on the building and advancement of a technically new integrated network in gigabit Ethernet technology with standardised facilities and a centrally managed network. Since November 2003 the Berlin Research Area Information Network established a Gigabit Ethernet - called “BRAIN Integrated Network” - based on MPLS technology, including LAN to LAN linking of the facilities, local IP traffic, interface to the administration's network and WIN back-up. This BRAIN Inte-grated Network has completely replaced the locally administered predecessor networks. 24 of 27 BRAIN participants use the services of the BRAIN Integrated Network on 53 locations spread all over the city. 18 locations are connected with 1000 Mbit/s and 35 locations with 100 Mbit/s. Moreover, spread locations of a single facility have the possibililty to communicate by dedicated fibres or bandwidths. From the 2nd quarter 2007 within the scope of a pilot scheme, the advantage of a centrally administered fibre channel network "BRAIN-SAN" will be determined in order to accomplish possibilities of a spread data manage-ment of Berlin's universities and research facilities. In addition to the aforementioned services the DFN association makes use of BRAIN's structure for the connection of the X-WiN-core network nodes in Berlin and Potsdam und for access pathways to the us-ers. As from 2007, Berlin's research network BRAIN uses 2100 kilometres of single fibres from the country's fibre glass network and connects a total of 43 facilities (BRAIN participants and DFN users) from re-search, education and culture with 129 locations. The operations of BRAIN are funded basically by its users. However, the country of Berlin bears most of the costs for the maintenance of the glass fibre network, as far as it is provided by ITDZ. Central planning and steering body for BRAIN is the BRAIN planning group, which has been arranged by the administration of the Senatsverwaltung für Bildung, Wissenschaft und Forschung. It consists of staff from the computing centres of Berlin's three universities and of ZIB. BRAIN is represented legally and economically on a trust basis by the ZIB, where the BRAIN office is located also.

Description: For medical diagnosis, visualization, and model-based therapy planning three-dimensional geometric reconstructions of individual anatomical structures are often indispensable. Computer-assisted, model-based planning procedures typically cover specific modifications of “virtual anatomy” as well as numeric simulations of associated phenomena, like e.g. mechanical loads, fluid dynamics, or diffusion processes, in order to evaluate a potential therapeutic outcome. Since internal anatomical structures cannot be measured optically or mechanically in vivo, three-dimensional reconstruction of tomographic image data remains the method of choice. In this work the process chain of individual anatomy reconstruction is described which consists of segmentation of medical image data, geometrical reconstruction of all relevant tissue interfaces, up to the generation of geometric approximations (boundary surfaces and volumetric meshes) of three-dimensional anatomy being suited for finite element analysis. All results presented herein are generated with amira ® – a highly interactive software system for 3D data analysis, visualization and geometry reconstruction.

Description: This work introduces novel internal and external memory algorithms for computing voxel skeletons of massive voxel objects with complex network-like architecture and for converting these voxel skeletons to piecewise linear geometry, that is triangle meshes and piecewise straight lines. The presented techniques help to tackle the challenge of visualizing and analyzing 3d images of increasing size and complexity, which are becoming more and more important in, for example, biological and medical research. Section 2.3.1 contributes to the theoretical foundations of thinning algorithms with a discussion of homotopic thinning in the grid cell model. The grid cell model explicitly represents a cell complex built of faces, edges, and vertices shared between voxels. A characterization of pairs of cells to be deleted is much simpler than characterizations of simple voxels were before. The grid cell model resolves topologically unclear voxel configurations at junctions and locked voxel configurations causing, for example, interior voxels in sets of non-simple voxels. A general conclusion is that the grid cell model is superior to indecomposable voxels for algorithms that need detailed control of topology. Section 2.3.2 introduces a noise-insensitive measure based on the geodesic distance along the boundary to compute two-dimensional skeletons. The measure is able to retain thin object structures if they are geometrically important while ignoring noise on the object's boundary. This combination of properties is not known of other measures. The measure is also used to guide erosion in a thinning process from the boundary towards lines centered within plate-like structures. Geodesic distance based quantities seem to be well suited to robustly identify one- and two-dimensional skeletons. Chapter 6 applies the method to visualization of bone micro-architecture. Chapter 3 describes a novel geometry generation scheme for representing voxel skeletons, which retracts voxel skeletons to piecewise linear geometry per dual cube. The generated triangle meshes and graphs provide a link to geometry processing and efficient rendering of voxel skeletons. The scheme creates non-closed surfaces with boundaries, which contain fewer triangles than a representation of voxel skeletons using closed surfaces like small cubes or iso-surfaces. A conclusion is that thinking specifically about voxel skeleton configurations instead of generic voxel configurations helps to deal with the topological implications. The geometry generation is one foundation of the applications presented in Chapter 6. Chapter 5 presents a novel external memory algorithm for distance ordered homotopic thinning. The presented method extends known algorithms for computing chamfer distance transformations and thinning to execute I/O-efficiently when input is larger than the available main memory. The applied block-wise decomposition schemes are quite simple. Yet it was necessary to carefully analyze effects of block boundaries to devise globally correct external memory variants of known algorithms. In general, doing so is superior to naive block-wise processing ignoring boundary effects. Chapter 6 applies the algorithms in a novel method based on confocal microscopy for quantitative study of micro-vascular networks in the field of microcirculation.

Description: Die vorliegende Arbeit führt I/O-effiziente Algorithmen und Standard-Algorithmen zur Berechnung von Voxel-Skeletten aus großen Voxel-Objekten mit komplexer, netzwerkartiger Struktur und zur Umwandlung solcher Voxel-Skelette in stückweise-lineare Geometrie ein. Die vorgestellten Techniken werden zur Visualisierung und Analyse komplexer drei-dimensionaler Bilddaten, beispielsweise aus Biologie und Medizin, eingesetzt. Abschnitt 2.3.1 leistet mit der Diskussion von topologischem Thinning im Grid-Cell-Modell einen Beitrag zu den theoretischen Grundlagen von Thinning-Algorithmen. Im Grid-Cell-Modell wird ein Voxel-Objekt als Zellkomplex dargestellt, der aus den Ecken, Kanten, Flächen und den eingeschlossenen Volumina der Voxel gebildet wird. Topologisch unklare Situationen an Verzweigungen und blockierte Voxel-Kombinationen werden aufgelöst. Die Charakterisierung von Zellpaaren, die im Thinning-Prozess entfernt werden dürfen, ist einfacher als bekannte Charakterisierungen von so genannten "Simple Voxels". Eine wesentliche Schlussfolgerung ist, dass das Grid-Cell-Modell atomaren Voxeln überlegen ist, wenn Algorithmen detaillierte Kontrolle über Topologie benötigen. Abschnitt 2.3.2 präsentiert ein rauschunempfindliches Maß, das den geodätischen Abstand entlang der Oberfläche verwendet, um zweidimensionale Skelette zu berechnen, welche dünne, aber geometrisch bedeutsame, Strukturen des Objekts rauschunempfindlich abbilden. Das Maß wird im weiteren mit Thinning kombiniert, um die Erosion von Voxeln auf Linien zuzusteuern, die zentriert in plattenförmigen Strukturen liegen. Maße, die auf dem geodätischen Abstand aufbauen, scheinen sehr geeignet zu sein, um ein- und zwei-dimensionale Skelette bei vorhandenem Rauschen zu identifizieren. Eine theoretische Begründung für diese Beobachtung steht noch aus. In Abschnitt 6 werden die diskutierten Methoden zur Visualisierung von Knochenfeinstruktur eingesetzt. Abschnitt 3 beschreibt eine Methode, um Voxel-Skelette durch kontrollierte Retraktion in eine stückweise-lineare geometrische Darstellung umzuwandeln, die als Eingabe für Geometrieverarbeitung und effizientes Rendering von Voxel-Skeletten dient. Es zeigt sich, dass eine detaillierte Betrachtung der topologischen Eigenschaften eines Voxel-Skeletts einer Betrachtung von allgemeinen Voxel-Konfigurationen für die Umwandlung zu einer geometrischen Darstellung überlegen ist. Die diskutierte Methode bildet die Grundlage für die Anwendungen, die in Abschnitt 6 diskutiert werden. Abschnitt 5 führt einen I/O-effizienten Algorithmus für Thinning ein. Die vorgestellte Methode erweitert bekannte Algorithmen zur Berechung von Chamfer-Distanztransformationen und Thinning so, dass diese effizient ausführbar sind, wenn die Eingabedaten den verfügbaren Hauptspeicher übersteigen. Der Einfluss der Blockgrenzen auf die Algorithmen wurde analysiert, um global korrekte Ergebnisse sicherzustellen. Eine detaillierte Analyse ist einer naiven Zerlegung, die die Einflüsse von Blockgrenzen vernachlässigt, überlegen. In Abschnitt 6 wird, aufbauend auf den I/O-effizienten Algorithmen, ein Verfahren zur quantitativen Analyse von Mikrogefäßnetzwerken diskutiert.

Description: One crucial step in virtual drug design is the identification of new lead structures with respect to a pharmacological target molecule. The search for new lead structures is often done with the help of a pharmacophore, which carries the essential structural as well as physico-chemical properties that a molecule needs to have in order to bind to the target molecule. In the absence of the target molecule, such a pharmacophore can be established by comparison of a set of active compounds. In order to identify their common features,a multiple alignment of all or most of the active compounds is necessary. Moreover, since the “outer shape” of the molecules plays a major role in the interaction between drug and target, an alignment algorithm aiming at the identification of common binding properties needs to consider the molecule’s “outer shape”, which can be approximated by the solvent excluded surface. In this thesis, we present a new approach to molecular surface alignment based on a discrete representation of shape as well as physico-chemical properties by points distributed on the solvent excluded surface. We propose a new method to distribute points regularly on a surface w.r.t. a smoothly varying point density given on that surface. Since the point distribution algorithm is not restricted to molecular surfaces, it might also be of interest for other applications. For the computation of pairwise surface alignments, we extend an existing point matching scheme to surface points, and we develop an efficient data structure speeding up the computation by a factor of three. Moreover, we present an approach to compute multiple alignments from pairwise alignments, which is able to handle a large number of surface points. All algorithms are evaluated on two sets of molecules: eight thermolysin inhibitors and seven HIV-1 protease inhibitors. Finally, we compare the results obtained from surface alignment with the results obtained by applying an atom alignment approach.

Description: Die Identifizierung neuer Leitstrukturen (lead structures) zur Entwicklung optimierter Wirkstoffe ist ein äußerst wichtiger Schritt in der virtuellen Wirkstoffentwicklung (virtual drug design). Die Suche nach neuen Leitstrukturen wird oft mit Hilfe eines Pharmakophor-Modells durchgeführt, welches die wichtigsten strukturellen wie auch physiko-chemischen Eigenschaften eines bindenden Moleküls in sich vereint. Ist das Zielmolekül (target) nicht bekannt, kann das Pharmakophor-Modell mit Hilfe des Vergleiches aktiver Moleküle erstellt werden. Hier ist insbesondere die gleichzeitige Überlagerung (multiple alignment) aller oder nahezu aller Moleküle notwendig. Da bei der Interaktion zweier Moleküle die "äußere Form" der Moleküle eine besondere Rolle spielt, sollte diese von jedem Überlagerungsalgorithmus, der sich mit der Identifizierung von Bindungseigenschaften befasst, berücksichtigt werden. Dabei kann die "äußere Form" durch eine bestimmte Art von molekularer Oberfläche approximiert werden, die man als solvent excluded surface bezeichnet. In dieser Arbeit stellen wir einen neuen Ansatz zur Überlagerung molekularer Oberflächen dar, der auf einer diskreten Repräsentation sowohl der Form als auch der molekularen Eigenschaften mittels Punkten beruht. Um die Punkte auf der molekularen Oberfläche möglichst regulär entsprechend einer gegebenen Punktdichte zu verteilen, entwickeln wir eine neue Methode. Diese Methode ist nicht auf Moleküloberflächen beschränkt und könnte daher auch für andere Anwendungen von Interesse sein. Basierend auf einem bekannten Point-Matching Verfahren entwickeln wir einen Point-Matching Algorithmus für Oberflächenpunkte. Dazu erarbeiten wir u.a. eine effiziente Datenstruktur, die den Algorithmus um einen Faktor von drei beschleunigt. Darüberhinaus stellen wir einen Ansatz vor, der Mehrfachüberlagerungen (multiple alignments) aus paarweisen Überlagerungen berechnet. Die Herausforderung besteht hierbei vor allem in der großen Anzahl von Punkten, die berücksichtigt werden muss. Die vorgestellten Algorithmen werden an zwei Gruppen von Molekülen evaluiert, wobei die erste Gruppe aus acht Thermolysin Inhibitoren besteht, die zweite aus sieben HIV-1 Protease Inhibitoren. Darüberhinaus vergleichen wir die Ergebnisse der Oberflächenüberlagerung mit denen einer Atommittelpunktüberlagerung.