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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: We present Undercover, a primal heuristic for mixed-integer nonlinear programming (MINLP). The heuristic constructs a mixed-integer linear subproblem (sub-MIP) of a given MINLP by fixing a subset of the variables. We solve a set covering problem to identify a minimal set of variables which need to be fixed in order to linearise each constraint. Subsequently, these variables are fixed to approximate values, e.g. obtained from a linear outer approximation. The resulting sub-MIP is solved by a mixed-integer linear programming solver. Each feasible solution of the sub-MIP corresponds to a feasible solution of the original problem. Although general in nature, the heuristic seems most promising for mixed-integer quadratically constrained programmes (MIQCPs). We present computational results on a general test set of MIQCPs selected from the MINLPLib.

Description: In this paper we investigate the performance of several out-of-the box solvers for mixed-integer quadratically constrained programmes (MIQCPs) on an open pit mine production scheduling problem with mixing constraints. We compare the solvers BARON, Couenne, SBB, and SCIP to a problem-specific algorithm on two different MIQCP formulations. The computational results presented show that general-purpose solvers with no particular knowledge of problem structure are able to nearly match the performance of a hand-crafted algorithm.

Description: Eines der Hauptanliegen bei der Initiierung des Kooperativen Bibliotheksverbundes Berlin-Brandenburg (KOBV) war die Schaffung einer modernen, leistungsfähigen Informationsinfrastruktur unter Einbeziehung möglichst aller Bibliotheken der in ihrer Dichte und Vielfalt in Deutschland einmaligen Bibliothekslandschaft. Sie wurde beim Aufbau des KOBV durch die Wahl des Verbundmodelles mit seinen offenen, integrativen Strukturen befördert. Die Ziele und Strategien des KOBV leiten sich aus dem Grundauftrag der Bibliotheken her, ihre NutzerInnen optimal mit Medien und Informationen zu versorgen. Mit dem KOBV haben die Bibliotheken eine gemeinsame Plattform und ein regionales Netzwerk geschaffen, mit deren Hilfe sie die Informationsinfrastruktur in Berlin und Brandenburg zusammen aufgebaut und grundlegend verbessert haben. Nach rund elf Jahren ist der KOBV in eine neue Phase eingetreten, indem er – unter Wahrung seiner institutionellen Eigenständigkeit – eine Strategische Allianz mit dem Bibliotheksverbund Bayern (BVB) eingegangen ist und die bislang auf die Region bezogene Kooperation der Bibliotheken überregional ausgeweitet hat. Wenn auch die Universalbibliotheken des KOBV in dieser Zusammenarbeit einen Kurswechsel zur zentralen Katalogisierung vollziehen, bedeutet dies für den KOBV insgesamt keinen Paradigmenwechsel: Er bleibt ein dezentraler Verbund und wird sein flexibles technisches Mischkonzept von verteilter und zentraler Datenhaltung fortführen. Dieses lässt den Bibliotheken die Freiheit zu entscheiden, ob sie zentral oder dezentral katalogisieren möchten. Die KOBV-Zentrale, die im KOBV keine Aufgaben in der Katalogisierung wahrnimmt, wird wie bislang allen Mitgliedsbibliotheken die ASP-Dienste und weiteren Angebote gleichermaßen zur Verfügung stellen und die Dienstleistungen für NutzerInnen und Bibliotheken weiter ausbauen. Mit dem vorhandenen Know How, der eingesetzten modernen Technologie und der strategischen Entscheidung, Ressourcen und Kompetenzen mit dem BVB zu bündeln und durch verbundübergreifende arbeitsteilige Verfahren Synergien zu gewinnen, ist der KOBV gut aufgestellt, um die Herausforderungen der kommenden Jahre anzugehen und das Leistungsspektrum der KOBV-Bibliotheken durch die Entwicklung neuer Dienste auszuweiten.

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: We consider a system with Poisson arrivals and i.i.d. service times. The requests are served according to the state-dependent processor sharing discipline, where each request receives a service capacity which depends on the actual number of requests in the system. The linear systems of PDEs describing the residual and attained sojourn times coincide for this system, which provides time reversibility including sojourn times for this system, and their minimal non negative solution gives the LST of the sojourn time $V(\tau)$ of a request with required service time $\tau$. For the case that the service time distribution is exponential in a neighborhood of zero, we derive a linear system of ODEs, whose minimal non negative solution gives the LST of $V(\tau)$, and which yields linear systems of ODEs for the moments of $V(\tau)$ in the considered neighborhood of zero. Numerical results are presented for the variance of $V(\tau)$. In case of an M/GI/2-PS system, the LST of $V(\tau)$ is given in terms of the solution of a convolution equation in the considered neighborhood of zero. For bounded from below service times, surprisingly simple expressions for the LST and variance of $V(\tau)$ in this neighborhood of zero are derived, which yield in particular the LST and variance of $V(\tau)$ in M/D/2-PS.

Description: Eigentlich war der erste Autor nur zu einem Grußwort zur Tagung „GML² 2009 - Grundfragen Multi¬medialen Lehrens und Lernens“ eingeladen. Daraus wurde ein E-Learning-bezogener Vortrag, der – basierend auf Erfahrungen im Fach Mathematik – einen kritischen Blick auf die E-Learning-Szene in Deutschland wirft und diese mit entsprechenden Aktivitäten weltweit vergleicht. Dies ist die in seinen mathematischen Teilen gekürzte, in den E-Learning-Anteilen ein wenig erweiterte schriftliche Fassung des Vortrags. Der Artikel stammt nicht von E-Learning-Spezialisten sondern von Personen, die sich seit fast zwanzig Jahren mit elektronischer Information und Kommunikation (kurz: IuK) – insbesondere in der Mathematik – beschäftigen. Nach einer Definition von Michael Kerres kennzeichnet der Begriff E-Learning (electronic learning – elektronisch unterstütztes Lernen) alle Formen von Lernen, bei denen digitale Medien für die Präsentation und Distribution von Lernmaterialien und/oder zur Unterstützung zwischenmenschlicher Kommunikation zum Einsatz kommen, siehe z.B. http://de.wikipedia.org/wiki/E-Learning. IuK und E-Learning haben nach dieser Begriffsbildung viele Berührungspunkte. Deswegen wagen wir es, unsere positiven und negativen Erfahrungen im Bereich IuK in diesem Eröffnungsvortrag zu berichten, einige Entwicklungslinien zu vergleichen und eine eigene Kurzversion der Definition von E-Learning (besser E-Teaching and -Learning) voranzustellen: „Lehren und Lernen mit Unterstützung elektronischer Hilfsmittel“.

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: Telecommunication transport networks consist of a stack of technologically different subnetworks, so-called layers, which are strongly interdependent. For example, one layer may correspond to an Internet (IP) backbone network whose links are realized by lightpath connections in an underlying optical fiber layer. To ensure that the network can fulfill its task of routing all communication requests, the inter-layer dependencies have to be taken into account already in the planning phase of the network. This is particularly important with survivability constraints, where connections in one layer have to be protected against cable cuts or equipment failures in another layer. The traditional sequential planning approach where one layer is optimized after the other cannot properly take care of the inter-layer dependencies; this can only be achieved with an integrated planning of several network layers at the same time. This thesis provides mathematical models and algorithmic techniques for the integrated optimization of two network layers with survivability constraints. We describe a multi-layer network design problem which occurs in various technologies, and model it mathematically using mixed-integer programming (MIP) formulations. The presented models cover many important practical side constraints from different technological contexts. In contrast to previous models from the literature, they can be used to design large two-layer networks with survivability requirements. We discuss modeling alternatives for various aspects of a multi-layer network and compare different routing formulations under multi-layer survivability constraints. We solve our models using a branch-and-cut-and-price approach with various problemspecific enhancements. This includes a presolving technique based on linear programming to reduce the problem size, combinatorial and sub-MIP-based primal heuristics to compute feasible network configurations, cutting planes which take the multi-layer survivability constraints into account to improve the lower bound on the optimal network cost, and column generation to generate flow variables dynamically during the algorithm. We develop techniques to speed up computations in a Benders decomposition approach and compare this approach to the standard formulation with a single MIP. We use the developed techniques to design large survivable two-layer networks by means of linear and integer programming methods. On realistic test instances with up to 67 network nodes and survivability constraints, we investigate the algorithmic impact of our techniques and show how to use them to compute good network configurations with quality guarantees. Most of the smaller test instances with up to 17 nodes can be solved to near-optimality. Moreover, we can compute feasible solutions and dual bounds even for large networks with survivability constraints, which has not been possible before.

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: Eines der Hauptanliegen bei der Initiierung des Kooperativen Bibliotheksverbundes Berlin-Brandenburg (KOBV) war die Schaffung einer modernen, leistungsfähigen Informationsinfrastruktur unter Einbeziehung möglichst aller Bibliotheken der in ihrer Dichte und Vielfalt in Deutschland einmaligen Bibliothekslandschaft. Sie wurde beim Aufbau des KOBV durch die Wahl des Verbundmodelles mit seinen offenen, integrativen Strukturen befördert. Die Ziele und Strategien des KOBV leiten sich aus dem Grundauftrag der Bibliotheken her, ihre NutzerInnen optimal mit Medien und Informationen zu versorgen. Mit dem KOBV haben die Bibliotheken eine gemeinsame Plattform und ein regionales Netzwerk geschaffen, mit deren Hilfe sie die Informationsinfrastruktur in Berlin und Brandenburg zusammen aufgebaut und grundlegend verbessert haben. Nach rund elf Jahren ist der KOBV in eine neue Phase eingetreten, indem er – unter Wahrung seiner institutionellen Eigenständigkeit – eine Strategische Allianz mit dem Bibliotheksverbund Bayern (BVB) eingegangen ist und die bislang auf die Region bezogene Kooperation der Bibliotheken überregional ausgeweitet hat. Wenn auch die Universalbibliotheken des KOBV in dieser Zusammenarbeit einen Kurswechsel zur zentralen Katalogisierung vollziehen, bedeutet dies für den KOBV insgesamt keinen Paradigmenwechsel: Er bleibt ein dezentraler Verbund und wird sein flexibles technisches Mischkonzept von verteilter und zentraler Datenhaltung fortführen. Dieses lässt den Bibliotheken die Freiheit zu entscheiden, ob sie zentral oder dezentral katalogisieren möchten. Die KOBV-Zentrale, die im KOBV keine Aufgaben in der Katalogisierung wahrnimmt, wird wie bislang allen Mitgliedsbibliotheken die ASP-Dienste und weiteren Angebote gleichermaßen zur Verfügung stellen und die Dienstleistungen für NutzerInnen und Bibliotheken weiter ausbauen. Mit dem vorhandenen Know How, der eingesetzten modernen Technologie und der strategischen Entscheidung, Ressourcen und Kompetenzen mit dem BVB zu bündeln und durch verbundübergreifende arbeitsteilige Verfahren Synergien zu gewinnen, ist der KOBV gut aufgestellt, um die Herausforderungen der kommenden Jahre anzugehen und das Leistungsspektrum der KOBV-Bibliotheken durch die Entwicklung neuer Dienste auszuweiten.

Description: Eigentlich war der erste Autor nur zu einem Grußwort zur Tagung „GML 2009 - Grundfragen Multimedialen Lehrens und Lernens“ eingeladen. Aber wie es bei der Vorbereitung zu solchen „Auftritten“ manchmal so kommt, wurde daraus ein E-Learning-bezogener Vortrag, der – basierend auf Erfahrungen im Fach Mathematik – einen kritischen Blick auf die E-Learning-Szene in Deutschland wirft und diese mit entsprechenden Aktivitäten weltweit vergleicht. Dies ist die in seinen mathematischen Teilen gekürzte, in den E-Learning-Anteilen ein wenig erweiterte schriftliche Fassung des Vortrags.

Description: Beim Schreiben dieses Artikels, der auf Veränderungen der Kommunikations- und Publikationstechniken und ihre Bedeutung hinweist, ist uns mehr als je zuvor bewusst geworden, wie beschränkt das Medium Papier ist. Es gibt z. B. keine Hyperlinks, durch die man unmittelbar das Erwähnte erleben oder überprüfen kann. Ein schneller Wechsel vom Wort zum Bild, zum Ton oder Video ist nicht möglich. Wer will schon lange URLs abtippen und Medienbrüche erleiden? Wir haben uns daher entschlossen, eine textidentische Version dieses Artikels mit allen URLs – sie liegt Ihnen hier vor – elektronisch anzubieten und in der für die "Gegenworte" (BBAW) gekürzten Fassung nur durch [URL] anzudeuten, dass der Leser an dieser Stelle einfach in der elektronischen Version einen Klick ins Internet machen sollte. Und damit sind wir bereits mitten im Thema.

Description: Gemeinsame Web-Auftritte zu organisieren, die sich über mehrere Institutionen und Fachgebiete erstrecken, ist eine anspruchsvolle und faszinierende Aufgabe, die auf verschiedene Weise gelingen, aber auch scheitern kann. Wer sich daran versucht, tut gut daran, sich über bestimmte Prinzipien und technische Mittel zu informieren, die das fortgeschrittene Web ihm heute bietet. Das Internet, das World Wide Web und das moderne Web 2.0 sind in einer fast zwanzig Jahre dauernden Kollaboration einer globalen Gemeinschaft von Entwicklern und Anwendern entstanden. Es enthält heute eine Fülle sofort einsetzbarer Komponenten, von der „Benutzerdefinierten Google-Suche Beta“ mit Google‘s PageRanking auf ausgewählten Web-Seiten bis hin zum automatisierten Web-Server mit Content-Management für das „Mitmach-Web“. Der Artikel stellt nur eine kleine Auswahl solcher Lösungen vor und macht den Versuch, einige Prinzipien des Web 2.0 so herauszuarbeiten, dass die notwendige Kommunikation zwischen Managern, Technikern, Redakteuren und Organisatoren in der kleinen Kollaboration unterstützt wird. „Kleine Kollaboration“ bedeutet hier, dass es nicht um die globale Vernetzung von technischen Großgeräten der e-Science gehen soll, auch nicht um die Super-Suchmaschine in Europa, sondern um die Unterstützung der Zusammenarbeit und Kommunikation von Wissenschaftlern und Museumsfachleuten mit Ihren Nutzern.

Description: Nowadays most data networks use shortest path protocols such as OSPF or IS-IS to route traffic. Given administrative routing lengths for the links of a network, all data packets are sent along shortest paths with respect to these lengths from their source to their destination. One of the most fundamental problems in planning shortest path networks is to decide whether a given set of routing paths forms a valid routing and, if this is not the case, to find a small subset of the given paths that cannot be shortest paths simultaneously for any routing lengths. In this paper we show that it is NP-hard to approximate the size of the smallest shortest path conflict by a factor less than 7/6.

Description: In the simplex algorithm, solving linear systems with the basis matrix and its transpose accounts for a large part of the total computation time. We investigate various methods from modern numerical linear algebra to improve the computation speed of the basis updates arising in LPs. The experiments are executed on a large real-world test set. The most widely used solution technique is sparse LU factorization, paired with an updating scheme that allows to use the factors over several iterations. Clearly, small number of fill-in elements in the LU factors is critical for the overall performance. Using a wide range of LPs we show numerically that after a simple permutation the non-triangular part of the basis matrix is so small, that the whole matrix can be factorized with (relative) fill-in close to the optimum. This permutation has been exploited by simplex practitioners for many years. But to our knowledge no systematic numerical study has been published that demonstrates the effective reduction to a surprisingly small non-triangular problem, even for large scale LPs. For the factorization of the non-triangular part most existing simplex codes use some variant of dynamic Markowitz pivoting, which originated in the late 1950s. We also show numerically that, in terms of fill-in and in the simplex context, dynamic Markowitz is quite consistently superior to other, more recently developed techniques.

Description: We compute expectation values for the solution of the nuclear Schrödinger equation. The proposed particle method consists of three steps: sampling of the initial Wigner function, classical transport of the sampling points, weighted phase space summation for the final computation of the expectation values. The Egorov theorem guarantees that the algorithm is second order accurate with respect to the semiclassical parameter. We present numerical experiments for a two-dimensional torsional potential with three different sets of initial data and for a six-dimensional Henon-Heiles potential. By construction, the computing times scale linearly with the number of initial sampling points and range between three seconds and one hour.

Description: This paper discusses how to build a solver for mixed integer quadratically constrained programs (MIQCPs) by extending a framework for constraint integer programming (CIP). The advantage of this approach is that we can utilize the full power of advanced MIP and CP technologies. In particular, this addresses the linear relaxation and the discrete components of the problem. For relaxation, we use an outer approximation generated by linearization of convex constraints and linear underestimation of nonconvex constraints. Further, we give an overview of the reformulation, separation, and propagation techniques that are used to handle the quadratic constraints efficiently. We implemented these methods in the branch-cut-and-price framework SCIP. Computational experiments indicates the potential of the approach.

Description: Recently the unsteady response of 1-D premixed flames to acoustic pressure waves for the range of frequencies below and above the inverse of the flame transit time was investigated experimentally by Wangher et al. using OH chemiluminescence. They compared the frequency dependence of the measured response to the prediction of an analytical model proposed by Clavin et al., derived from the standard flame model (one-step Arrhenius kinetics). Discrepancies between the experimental results and the model led to the conclusion that the standard model does not provide an adequate description of the unsteady response of real flames and that it is necessary to investigate more realistic chemical models. Here we follow exactly this suggestion and perform numerical studies of the reponse of lean methane flames using different reaction mechanisms. We find that the global flame response obtained with both detailed chemistry (GRI3.0) and a reduced multi-step model by Peters lies slightly above the predictions of the analytical model, but is close to experimental results. We additionally used an irreversible one-step reaction model which yields good results at least for frequencies close to the inverse flame transit time.

Description: Supercomputers can simulate complex molecular systems. However, there is a very large gap between the fastest oscillations of covalent bonds of a molecule and the time-scale of the dominant processes. In order to extract the dominant time-scales and to identify the dominant processes, a clustering of information is needed. This thesis shows that only the subspace-based Robust Perron Cluster Analysis (PCCA+) can solve this problem correctly by the construction of a Markov State Model. PCCA+ allows for time-extrapolation in molecular kinetics. This thesis shows the difference between molecular dynamics and molecular kinetics. Only in the molecular kinetics framework a definition of transition rates is possible. In this context, the existence of an infinitesimal generator of the dynamical processes is discussed. If the existence is assumed, the Theorem of Gauß can be applied in order to compute transition rates efficiently. Molecular dynamics, however, is not able to provide a suitable statistical basis for the determination of the transition pattern.

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: We consider a system with Poisson arrivals and general service times, where the requests are served according to the State-Dependent Processor Sharing (SDPS) discipline (Cohen's generalized processor sharing discipline), where each request receives a service capacity which depends on the actual number of requests in the system. For this system, denoted by $M/GI/SDPS$, we derive approximations for the squared coefficients of variation of the conditional sojourn time of a request given its service time and of the unconditional sojourn time by means of two-moment fittings of the service times. The approximations are given in terms of the squared coefficients of variation of the conditional and unconditional sojourn time in related $M/D/SDPS$ and $M/M/SDPS$ systems, respectively. The numerical results presented for $M/GI/m-PS$ systems illustrate that the proposed approximations work well.

Description: Gemeinsame Web-Auftritte zu organisieren, die sich über mehrere Institutionen und Fachgebiete erstrecken, ist eine anspruchsvolle und faszinierende Aufgabe, die auf verschiedene Weise gelingen, aber auch scheitern kann. Wer sich daran versucht, tut gut daran, sich über bestimmte Prinzipien und technische Mittel zu informieren, die das fortgeschrittene Web ihm heute bietet. Das Internet, das World Wide Web und das moderne Web 2.0 sind in einer fast zwanzig Jahre dauernden Kollaboration einer globalen Gemeinschaft von Entwicklern und Anwendern entstanden. Es enthält heute eine Fülle sofort einsetzbarer Komponenten, von der „Benutzerdefinierten Google-Suche Beta“ mit Google‘s PageRanking auf ausgewählten Web-Seiten bis hin zum automatisierten Web-Server mit Content-Management für das „Mitmach-Web“. Der Artikel stellt nur eine kleine Auswahl solcher Lösungen vor und macht den Versuch, einige Prinzipien des Web 2.0 so herauszuarbeiten, dass die notwendige Kommunikation zwischen Managern, Technikern, Redakteuren und Organisatoren in der kleinen Kollaboration unterstützt wird. „Kleine Kollaboration“ bedeutet hier, dass es nicht um die globale Vernetzung von technischen Großgeräten der e-Science gehen soll, auch nicht um die Super-Suchmaschine in Europa, sondern um die Unterstützung der Zusammenarbeit und Kommunikation von Wissenschaftlern und Museumsfachleuten mit Ihren Nutzern.

Description: We consider a system with Poisson arrivals and i.i.d. service times and where the requests are served according to the state-dependent (Cohen's generalized) processor sharing discipline, where each request in the system receives a service capacity which depends on the actual number of requests in the system. For this system we derive asymptotically tight upper bounds for the moments of the conditional sojourn time of a request with given required service time. The bounds generalize corresponding results, recently given for the single-server processor sharing system by Cheung et al. and for the state-dependent processor sharing system with exponential service times by the authors. Analogous results hold for the waiting times.

Description: The Dynamic Multi-Period Routing Problem DMPRP introduced by Angelelli et al. gives a model for a two-stage online-offline routing problem. At the beginning of each time period a set of customers becomes known. The customers need to be served either in the current time period or in the following. Postponed customers have to be served in the next time period. The decision whether to postpone a customer has to be done online. At the end of each time period, an optimal tour for the customers assigned to this period has to be computed and this computation can be done offline. The objective of the problem is to minimize the distance traveled over all planning periods assuming optimal routes for the customers selected in each period. We provide the first randomized online algorithms for the DMPRP which beat the known lower bounds for deterministic algorithms. For the special case of two planning periods we provide lower bounds on the competitive ratio of any randomized online algorithm against the oblivious adversary. We identify a randomized algorithm that achieves the optimal competitive ratio of $\frac{1+\sqrt{2}}{2}$ for two time periods on the real line. For three time periods, we give a randomized algorithm that is strictly better than any deterministic algorithm.

Description: This thesis introduces the novel paradigm of "constraint integer programming" (CIP), which integrates constraint programming (CP) and mixed integer programming (MIP) modeling and solving techniques. It is supplemented by the software SCIP, which is a solver and framework for constraint integer programming that also features SAT solving techniques. SCIP is freely available in source code for academic and non-commercial purposes. Our constraint integer programming approach is a generalization of MIP that allows for the inclusion of arbitrary constraints, as long as they turn into linear constraints on the continuous variables after all integer variables have been fixed. The constraints, may they be linear or more complex, are treated by any combination of CP and MIP techniques: the propagation of the domains by constraint specific algorithms, the generation of a linear relaxation and its solving by LP methods, and the strengthening of the LP by cutting plane separation. The current version of SCIP comes with all of the necessary components to solve mixed integer programs. In the thesis, we cover most of these ingredients and present extensive computational results to compare different variants for the individual building blocks of a MIP solver. We focus on the algorithms and their impact on the overall performance of the solver. In addition to mixed integer programming, the thesis deals with chip design verification, which is an important topic of electronic design automation. Chip manufacturers have to make sure that the logic design of a circuit conforms to the specification of the chip. Otherwise, the chip would show an erroneous behavior that may cause failures in the device where it is employed. An important subproblem of chip design verification is the property checking problem, which is to verify whether a circuit satisfies a specified property. We show how this problem can be modeled as constraint integer program and provide a number of problem-specific algorithms that exploit the structure of the individual constraints and the circuit as a whole. Another set of extensive computational benchmarks compares our CIP approach to the current state-of-the-art SAT methodology and documents the success of our method.

Description: Diese Arbeit stellt einen integrierten Ansatz aus "Constraint Programming" (CP) und Gemischt-Ganzzahliger Programmierung ("Mixed Integer Programming", MIP) vor, den wir "Constraint Integer Programming" (CIP) nennen. Sowohl Modellierungs- als auch Lösungstechniken beider Felder fließen in den neuen integrierten Ansatz ein, um die unterschiedlichen Stärken der beiden Gebiete zu kombinieren. Als weiteren Beitrag stellen wir der wissenschaftlichen Gemeinschaft die Software SCIP zur Verfügung, die ein Framework für Constraint Integer Programming darstellt und zusätzlich Techniken des SAT-Lösens beinhaltet. SCIP ist im Source Code für akademische und nicht-kommerzielle Zwecke frei erhältlich. Unser Ansatz des Constraint Integer Programming ist eine Verallgemeinerung von MIP, die zusätzlich die Verwendung beliebiger Constraints erlaubt, solange sich diese durch lineare Bedingungen ausdrücken lassen falls alle ganzzahligen Variablen auf feste Werte eingestellt sind. Die Constraints werden von einer beliebigen Kombination aus CP- und MIP-Techniken behandelt. Dies beinhaltet insbesondere die "Domain Propagation", die Relaxierung der Constraints durch lineare Ungleichungen, sowie die Verstärkung der Relaxierung durch dynamisch generierte Schnittebenen. Die derzeitige Version von SCIP enthält alle Komponenten, die für das effiziente Lösen von Gemischt-Ganzzahligen Programmen benötigt werden. Die vorliegende Arbeit liefert eine ausführliche Beschreibung dieser Komponenten und bewertet verschiedene Varianten in Hinblick auf ihren Einfluß auf das Gesamt-Lösungsverhalten anhand von aufwendigen praktischen Experimenten. Dabei wird besonders auf die algorithmischen Aspekte eingegangen. Ein weiterer Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Chip-Design-Verifikation, die ein wichtiges Thema innerhalb des Fachgebiets der "Electronic Design Automation" darstellt. Chip-Hersteller müssen sicherstellen, dass der logische Entwurf einer Schaltung der gegebenen Spezifikation entspricht. Andernfalls würde der Chip fehlerhaftes Verhalten aufweisen, dass zu Fehlfunktionen innerhalb des Gerätes führen kann, in dem der Chip verwendet wird. Ein wichtiges Teilproblem in diesem Feld ist das Eigenschafts-Verifikations-Problem, bei dem geprüft wird, ob der gegebene Schaltkreisentwurf eine gewünschte Eigenschaft aufweist. Wir zeigen, wie dieses Problem als Constraint Integer Program modelliert werden kann und geben eine Reihe von problemspezifischen Algorithmen an, die die Struktur der einzelnen Constraints und der Gesamtschaltung ausnutzen. Testrechnungen auf Industrie-Beispielen vergleichen unseren Ansatz mit den bisher verwendeten SAT-Techniken und belegen den Erfolg unserer Methode.

Description: In this paper we investigate the fare planning model for public transport, which consists in designing a system of fares maximizing the revenue. We discuss a discrete choice model in which passengers choose between different travel alternatives to express the demand as a function of fares. Furthermore, we give a computational example for the city of Potsdam and discuss some theoretical aspects.

Description: This extended abstract is about algorithms for controlling elevator systems employing destination hall calls, i.e. the passenger provides his destination floor when calling an elevator. We present the first exact algorithm for controlling a group of elevators and report on simulation results indicating that destination hall call systems outperform conventional systems.

Description: The paper proposes goal-oriented error estimation and mesh refinement for optimal control problems with elliptic PDE constraints using the value of the reduced cost functional as quantity of interest. Error representation, hierarchical error estimators, and greedy-style error indicators are derived and compared to their counterparts when using the all-at-once cost functional as quantity of interest. Finally, the efficiency of the error estimator and generated meshes are demonstrated on numerical examples.

Description: The paper considers the time integration of frictionless dynamical contact problems between viscoelastic bodies in the frame of the Signorini condition. Among the numerical integrators, interest focuses on the contact-stabilized Newmark method recently suggested by Deuflhard et al., which is compared to the classical Newmark method and an improved energy dissipative version due to Kane et al. In the absence of contact, any such variant is equivalent to the Störmer-Verlet scheme, which is well-known to have consistency order 2. In the presence of contact, however, the classical approach to discretization errors would not show consistency at all because of the discontinuity at the contact. Surprisingly, the question of consistency in the constrained situation has not been solved yet. The present paper fills this gap by means of a novel proof technique using specific norms based on earlier perturbation results due to the authors. The corresponding estimation of the local discretization error requires the bounded total variation of the solution. The results have consequences for the construction of an adaptive timestep control, which will be worked out subsequently in a forthcoming paper.

Description: The mathematical treatment of planning problems in public transit has made significant advances in the last decade. Among others, the classical problems of vehicle and crew scheduling can nowadays be solved on a routine basis using combinatorial optimization methods. This is not yet the case for problems that pertain to the design of public transit networks, and for the problems of operations control that address the implementation of a schedule in the presence of disturbances. The article gives a sketch of the state and important developments in these areas, and it addresses important challenges. The vision is that mathematical tools of computer aided scheduling (CAS) will soon play a similar role in the design and operation of public transport systems as CAD systems in manufacturing.

Description: Die mathematische Behandlung von Planungsproblemen im öffentlichen Verkehr hat im letzten Jahrzehnt große Fortschritte gemacht. Klassische Probleme wie die Umlauf- und die Dienstplanung können heutzutage routinemäßig mit kombinatorischen Optimierungsmethoden gelöst werden. Die Behandlung von Problemen der Angebotsplanung und der Betriebssteuerung sind dagegen noch nicht ganz auf diesem Stand. Dieser Artikel gibt einen Überblick über den Stand der Forschung, über wichtige Entwicklungen und einige Herausforderungen in diesem Gebiet. Die Vision ist, dass mathematische Planungswerkzeuge im öffentlichen Verkehr (Computer Aided Scheduling, CAS) in Zukunft eine ähnliche Rolle spielen werden wie CAD-Systeme in der industriellen Fertigung.

Description: The reconstruction of geometric shapes plays an important role in many biomedical applications. One example is the patient-specific, computer-aided planning of complex interventions, which requires the generation of explicitly represented geometric models of anatomical structures from medical image data. Only solutions that require minimal interaction by medical personnel are likely to enter clinical routine. Another example is the planning of surgical corrections of deformities where the target shape is unknown. Surgeons are often forced to resort to subjective criteria. These applications still pose highly challenging reconstruction problems, which are addressed in this thesis. The fundamental hypothesis, pursued in this thesis, is that the problems can be solved by incorporating a-priori knowledge about shape and other application-specific characteristics. Here, we focus mainly on the aspect of geometric shape analysis. The basic idea is to capture the most essential variations of a certain class of geometric objects via statistical shape models, which model typical features contained in a given population, and restrict the outcome of a reconstruction algorithm (more or less) to the space spanned by such models. A fundamental prerequisite for performing statistical shape analysis on a set of different objects is the identification of corresponding points on their associated surfaces. This problem is particularly difficult to solve if the shapes stem from different individuals. The reason lies in the basic difficulty of defining suitable measures of similarity. In this thesis, we divide the correspondence problem into feature and non-feature matching. The feature part depends on the application, while the non-feature part can be characterized by a purely geometric description. We propose two different approaches. The first approach has proved useful in many applications. Yet, it suffers from some practical limitations and does not yield a measure of similarity. Our second, variational, approach is designed to overcome these limitations. In it, we propose to minimize an invariant stretching measure, constrained by previously computed features. An important property, which sets our method apart from previous work, is that it does not require the computation of a global surface parameterization.

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.