Abstract

In den letzten Jahren haben verschiedene Programme zur Systemüberwachung Einzug in Unternehmen und Verwaltungen gehalten. Die Sichtweise solcher Überwachungen ist jedoch hardwareorientiert und beschränkt sich auf die Erfassung und Auswertung technischer Ereignisse. Für Anwendungsbetreuer die Fachanwendungen betreuen bedeutet dies, dass eine Sicht vorherrscht die die Diagnose von Anwendungsstörungen erschwert. Es fehlt eine zentrale Sicht auf das Betriebsverhalten von Softwareanwendungen. Zudem sind die Auswertungsfunktionen einer Systemüberwachung nur eingeschränkt zur Diagnose von Anwendungen geeignet.

Ziel dieser Diplomarbeit ist deshalb eine ganzheitliche maschinelle Anwendungsüberwachung, die Störungsursachen feststellen und bewerten kann. Für die plausibelste Ursache soll ein Therapievorschlag angezeigt werden, der dem Anwendungsbetreuer erklärt welche Maßnahmen notwendig sind. In der Diplomarbeit werden zunächst eine komplexe Workflow-Anwendung und deren Überwachung analysiert. Die resultierenden Problembereiche werden durch Konzeption und Entwurf eines Expertensystems gelöst. Bei der theoretischen Lösung werden wissensbasierte Methoden und neuronale, sowie mathematische Ansätze verwendet.

Die praktische Umsetzbarkeit der theoretischen Lösung wird durch einen Prototypen validiert. Um Entwicklungszeit einzusparen wird der Systemkern in eine Datenbank implementiert. In der Programmiersprache Java wird ein vom Systemkern getrennter Regeleditor entwickelt.

Der Prototyp wird bewertet. Weiterführende Verbesserungsmöglichkeiten werden aufgezeigt.

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   

Abstract   I

1  Einführung.  3

1.1  Motivation  5

1.2  Aufbau der Diplomarbeit  6

2  Analyse.  7

2.1  Workflow-Anwendung.  7

2.1.1  Workflow  7

2.1.2  Architektur  9

2.2  Systemüberwachung.  10

2.2.1  Überwachungsablauf  10

2.2.2  Architektur  12

3  Konzeption und Entwurf des Expertensystems.  14

3.1  Abstrakte Architektur.  15

3.2  Basisschnittstelle  19

3.3  Systemkern  20

3.3.1  Wissensbasis.  21

3.3.2  Steuerungssystem  25

3.3.2.1  Inferenzkomponente.  26

3.3.2.2  Erklärungskomponente.  27

3.3.3  Diagnostische Auswertung.  27

3.4  Regeleditor  30

3.5  Ansätze zur Optimierung  31

3.5.1  Temporale Inferenz  31

3.5.2  Automatische Schwellwertbestimmung.  35

4  Prototypisierung  40

4.1  Wissensbasis.  41

4.2  Inferenzkomponente.  42

4.2.1  Kontrollsystem  42

4.2.2  Regelinterpreter.  43

4.3  Diagnostische Auswertung.  45

4.4  Regeleditor  45

4.4.1  Regeleingabe  46

4.4.2  Transfer zur Datenbank.  46

4.4.3  Auslesen der Faktentabelle.  47

4.4.4  Eingabe potentieller Diagnosen  47

5  Bewertung  48

6  Zusammenfassung und Ausblick  51

Literaturverzeichnis.   III

Abk  ürzungsverzeichnis  VIII

Abbildungsverzeichnis   IX

Daniel  Krüger Seite  II

Einführung

1 Einführung

Das „Robotermärchen“ des polnischen Philosphen Stanislaw Lem befasst sich mit den Themen Wissen und Information. Der Autor erzählt die Geschichte der Raumfahrer Klapaucius und Trurl, die von einem Räuber gefangen genommen werden. Dem Räuber steht der Sinn nicht nach Gold und Silber, sondern nach den Schätzen des Wissens. Die Astronauten konstruieren für ihn eine Maschine, die am laufenden Band Informationen generiert und auswirft. Schließlich lässt der Räuber die Beiden laufen und beginnt, die generierten Informationen zu lesen. So erfährt er zum Beispiel, dass die Tochter des Königs Petricius aus Laubaudien Garbunda hieß, und er erfährt die Anzahl der Elektronenhüllen eines Termionoliumatoms. Schließlich stellt der Räuber jedoch fest, dass ihm die Informationen nichts nützen. Er kann für sich aus den Informationen keinen positiven Vorteil ableiten. 1

Umgangssprachlich werden die Begriffe „Wissen“ und „Information“ oftmals gleichwertig behandelt. Doch die philosophische Geschichte zeigt, dass zwischen den Begriffen „Wissen“ und „Information“ durchaus ein Unterschied besteht. In der Ausdrucksweise der mathematischen Informationstheorie wird der Begriff „Information“ als das Neue an einer Nachricht definiert. Der Begriff „Wissen“ hingegen kennzeichnet die praktische Anwendbarkeit bzw. den Nutzen der Information. 2

Der philosophischen Geschichte kann auch entnommen werden, dass es in einer bestimmten Situation nicht einfach ist, an die Informationen zu gelangen, die gerade von Bedeutung sind. Der Zugriff auf Informationen erscheint manchmal weniger problematisch, als die Abgrenzung des Relevanten. Solch eine Abgrenzung kann ggf. lange dauern und teuer sein.

Die Filterung von Informationen ist historisch betrachtet ein relativ zeitloses Gebiet. Zudem existiert ein breiter industrieller Hintergrund. Beispielsweise wurde in den ersten Automobilen der Fahrer noch eher als Maschinist betrachtet. Moderne Fahrzeuge hingegen teilen dem Fahrer genau mit, wo sich eine Störung befindet und was zu tun ist, um den Normalbetrieb wieder herzustellen. Inzwischen verfügen sogar Kaffeemaschinen über Anzeigen, die vom Anwender bestimmte Maßnahmen fordern, um den Betrieb aufrecht zu erhalten.

¹ Vgl. [Le82] und Vgl. [BHS07] S.1,2

² Vgl. [BK00] S.419

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Einführung

In vielen technischen Geräten befinden sich heute „Expertensysteme“. Solche Expertensysteme verfügen über genügend Wissen, um die für den Anwender relevanten Informationen herauszufiltern und aufzubereiten. Dem Anwender wird eine definierte Schnittstelle nach außen angeboten, sodass er sich um Interna nicht mehr kümmern muss. ³ Das Ziel solcher Systeme ist die Vereinfachung von Bedienung und Wartung - gerade bei sehr komplexen Vorgängen.

Neben technischen bzw. medizinischen Einsatzmöglichkeiten ist der Einsatz von Expertensystemen auch in der Informationstechnologie möglich, denn bei

Anwendungsstörungen kann das Ableiten von Ursachen und Therapievorschlägen ebenfalls durch ein Expertensystem erfolgen.

Infrastruktur- und Anwendungsmanagement haben unterschiedliche Sichtweisen auf den Support. Die Administratoren betreuen Systemsoftware wie Betriebs-, Speicher- und Rechnersysteme. Anwendungsbetreuer pflegen die Fachanwendungen. Ihre Arbeit setzt funktionsfähige Systemsoftware und Hardware voraus, jedoch sind Hardwarezustände für einen Anwendungsbetreuer von sekundärer Bedeutung. Hier stehen die Konfigurationen und Funktionen von Fachanwendungen im Mittelpunkt. Folglich ist ein anderer Blickwinkel bzw. ein Wissen über die betreffenden Anwendungen notwendig.

Doch dieses Wissen allein genügt nicht. Die Reaktionszeiten, die Fehlerbehebungszeiten und die Verfügbarkeiten von Anwendungen werden zunehmend vertraglich durch Service Level Agreements (SLAs) fixiert. ⁴ Bei Nichteinhaltung drohen Vertragsstrafen. Dies erfordert, dass das benötigte Wissen auch zugänglich, verständlich und nachvollziehbar hinterlegt wird. Eine möglichst kurze Auswertungszeit und eine kostengünstige Automatisierung sind erwünscht.

Der Einsatz eines Expertensystems zur Anwendungsdiagnose lässt sich somit begründen.

³ Siehe [BHS07] S.6

⁴ Vgl. [HK08] S.36

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Einführung

1.1 Motivation

Die Relevanz einer umfassenden Überwachung der Informationsinfrastruktur wird zunehmend erkannt. In den letzten Jahren haben verschiedene Überwachungsprogramme in Unternehmen und Verwaltungen Einzug gehalten. Kostenlose Open-Source-Programme, wie zum Beispiel „Nagios“ erlangen immer mehr Beliebtheit. Die kostgünstige Beschaffung der Software und eine modular erweiterbare Architektur begünstigen die Verbreitung. ⁵ Das Überwachungsprogramm Nagios ist besonders für öffentliche Einrichtungen interessant. Durch den Haushalt und die Budgetierung sind die finanziellen Mittel begrenzt. Bei notwendigen Anschaffungen muss hier besonders auf deren Wirtschaftlichkeit geachtet werden. Einer Fachzeitschrift lässt sich entnehmen, dass der Deutsche Bundestag und das Bundesverwaltungsamt bereits eine Nagios-Überwachung verwenden und damit sehr zufrieden sind. 6

Trotz der Zufriedenheit vieler Betreiber muss festgestellt werden, dass die Nagios-Software auf die Überwachung von Hardware und Betriebssystemen fixiert ist. Sie wurde speziell für eine Systemüberwachung (engl. system monitoring) entwickelt. Im Mittelpunkt der Überwachung und Ergebnisvisualisierung stehen die Hardware-Ereignisse von technischen Systemen. Diese Sichtweise ist deshalb nur bedingt zur Überwachung von Anwendungen geeignet. Bei der Betreuung von Anwendungen stehen die Konfigurationen und Funktionen der verteilten Anwendungskomponenten im Vordergrund. Informationen über Zustände von Rechnern und Netzwerkabschnitten sind bei der Anwendungsbetreuung nur von sekundärer Bedeutung.

Diese Erkenntnis motiviert zur Innovation. Ziel dieser Diplomarbeit ist es deshalb, eine ganzheitliche Konzeption für ein Expertensystem zur Anwendungsdiagnose zu erarbeiten. Sinn und Zweck ist die Entwicklung eines Systems zur automatisierten Ursachensuche mit anschließendem Therapievorschlag. Im Mittelpunkt steht dabei die Sicht auf die Anwendungen. Die bereits bestehende Systemüberwachung ist im Entwurf zu berücksichtigen und beizubehalten. Die Konkretisierung des Entwurfs erfolgt am Beispiel eines komplexen, verteilten Informationssystems. Dadurch wird sichergestellt, dass die erarbeitete Lösung einen ganzheitlichen Charakter aufweist. Letztlich soll die theoretische Lösung prototypisiert werden. Die praktische Umsetzbarkeit ist zu bewerten.

⁵ Vgl. [Pl07] S.37

⁶ Vgl. [HK08] S.34 und 35

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Einführung

1.2 Aufbau der Diplomarbeit

Zunächst wird das Umfeld analysiert. Die Erarbeitung des Expertensystems erfolgt am Beispiel einer ausgewählten, komplexen Workflow-Anwendung. Die Workflow-Anwendung befindet sich auf einer Hardware, welche an eine Nagios-Systemüberwachung angebunden ist. Die Anwendung und die Systemüberwachung werden systematisch in kleinere Bestandteile zerlegt. Während der Analyse wird das Problem in Problembereiche unterteilt, die später durch die Konzeption und den Entwurf des Expertensystems gelöst werden. Zunächst wird deshalb eine abstrakte Expertensystem-Architektur entworfen. Die Komponenten der Expertensystem-Architektur werden dann konkretisierend beschrieben. Auch weiterführende Ansätze zur Optimierung des Expertensystems werden aufgezeigt. Es wird auf wissensbasierte, neuronale und differenzialdiagnostische Methoden zurückgegriffen. Im Anschluss an die Erarbeitung der theoretischen Lösung erfolgt die praktische Prototypisierung. Ausgewählte Funktionen des Systemkerns werden in eine Datenbank implementiert. Dies reduziert die Entwicklungsdauer. In der Programmiersprache Java wird die graphische Oberfläche eines Regeleditors entwickelt. Nach der praktischen Umsetzung werden die realisierten Funktionen zwischen Anwendungsexperte, Anwendungsbetreuer und Entwickler diskutiert. Der Konsens wird in einer Bewertung schriftlich festgehalten. Die Ergebnisse werden zusammengefasst und ein Ausblick wird gegeben.

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Analyse

2 Analyse

Im Folgenden wird ein Informationssystem ausgewählt, das ein Ordnungswidrigkeitsverfahren unterstützt (siehe 2.1). Stellvertretend für andere kommunale Informationssysteme wird eine komplexe Workflow-Anwendung (1. Untersuchungsobjekt) untersucht. Dadurch wird sichergestellt, dass die erarbeitete Lösung einen ganzheitlichen Charakter aufweist. Die hardwareorientierte Systemüberwachung (2. Untersuchungsobjekt) der Anwendung ist ebenfalls von Bedeutung. Die Architektur und der Überwachungsablauf von Nagios (bereits unter 1.1 erwähnt) werden deshalb eingehend beschrieben (siehe 2.2). Die nun folgende Analyse bildet die Grundlage für Konzeption und Entwurf des Expertensystems (siehe 3). Zunächst wird die Workflow-Anwendung untersucht.

2.1 Workflow-Anwendung

Bei dem ausgewählten Informationssystem handelt es sich um eine „Workflow-Anwendung“. Eine Workflow-Anwendung „steuert den Arbeitsfluss (Workflow) zwischen beteiligten Stellen nach den Vorgaben einer Ablaufspezifikation (Workflow-Schema).“ ⁷ Die kommerzielle Anwendung „Public Marius OWI“ (PMOWI) ist eine solche Anwendung. Sie ist Kernbestandteil eines komplexen, räumlich verteilten und weitgehend automatisiert ablaufenden Prozesses. Im Folgenden wird ein Überblick über den Workflow (siehe 2.1.1) gegeben und die komplexe, räumlich verteilte Architektur (siehe 2.1.2) aufgezeigt.

2.1.1 Workflow

Ein Workflow (Arbeitsfluss) ist „eine zum Teil automatisierte, gesteuert ablaufende Gesamtheit von Aktivitäten, die sich auf Teile eines Geschäftsprozesses beziehen.“ ⁸ Ausgehend vom gesetzlichen Rahmen wird nun der Workflow für Verkehrsdelikte beschrieben:

⁷ Siehe [BJS97] S. 491

⁸ Siehe [BJS97] S. 490

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Die Straßenverkehrsordnung (StVO) ist eine Rechtsnorm, die vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung verfasst wird. Innerhalb der StVO werden grundlegende Verhaltensregeln für die Teilnahme am Straßenverkehr festgelegt. Die Umsetzung der Rechtsnorm wird durch eine Verwaltungsvorschrift geregelt. Bei der Kommune Mannheim erfolgt deren Umsetzung im Fachbereich „Sicherheit und Ordnung“. Die PMOWI-Anwendung steuert den Workflow.

Die Polizeihostessen stehen am Anfang des Arbeitsflusses. Sie weisen den Verkehrsteilnehmern Verwarnungen zu, wenn gesetzliche Halte- und Parkverbote nicht beachtet werden. Durch die Ausstellung einer Verwarnung wird ein komplexer Verarbeitungsprozess (Verfahren) angeregt. Das Verfahren bearbeitet auch

Geschwindigkeitsüberschreitungen die durch Radargeräte erfasst werden. Die folgende Abbildung zeigt das Verfahren für Verkehrsdelikte:

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Analyse

In einem Vorverfahren werden Informationen über potentielle Delikte durch mobile Datenerfassungsgeräte (MDEs) bzw. Laptops in die Anwendung importiert. Die Schwerpunkte des Vorverfahrens sind die Datensammlung und Datenaufbereitung. Die Schnittstelle zwischen Vorverfahren und Hauptverfahren sind Dateien. Diese werden zu fixen Zeiten ins Hauptverfahren importiert. Im Hauptverfahren übernimmt die automatische, ereignis- und zeitgebundene Ablaufsteuerung der PMOWI-Anwendung die Kontrolle über die Unterprozesse. Beispielsweise druckt die Anwendung selbsttätig Briefe, beschafft Halter-Informationen und kommuniziert mit der Kassenstelle.

2.1.2 Architektur

Die Anwendung ist in der Stadt Mannheim verteilt angeordnet. Die Verteilung der Anwendung resultiert aus den örtlichen Gegebenheiten und kostenrechnerischen Überlegungen. Die räumlich verteilten Anwendungsteile sind funktional miteinander verbunden.

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Analyse

Die Bestandteile der Anwendung haben unterschiedliche Aufgaben: Auf den File-Servern (1 und 2) befinden sich Fotos und Dokumente, die in dem beschriebenen Verfahren erzeugt werden. Die Daten auf „SV1“ werden regelmäßig mit den Daten von „SV2“ abgeglichen (Redundanz). Auf einem anderen Server (3) befindet sich eine Datenbank. Die Verbindung der verschiedenen Anwendungsteile wird durch Router (4) realisiert. Die Anzahl der aktiven Clients (5) ist variabel und abhängig von der personellen Besetzung im Fachbereich. Gelegentlich werden Drucker (6) aufgrund der Wartung vom Netzwerk getrennt. Auf die soeben erwähnten Bestandteile wird später, bei der Konzeption der Wissensbasis (siehe 3) näher eingegangen.

Die Verbindungsgrundlage für die einzelnen Anwendungsteile ist das Metropolitan Area Network (MAN) der Kommune Mannheim. Die räumliche Trennung beeinflusst das Anwendungsverhalten nicht und wird deshalb nicht explizit betrachtet. Sie hat jedoch Auswirkungen auf die Anwendungsüberwachung (siehe 3).

2.2 Systemüberwachung

Aufgrund von rechtlichen Konsequenzen ist es wichtig, dass Verfahrensfehler festgestellt bzw. vermieden werden. Ein Verfahrensfehler entsteht durch menschliches oder technisches Versagen. Damit ein technisches Versagen der PMOWI-Anwendung festgestellt werden kann, wird die beteiligte Hardware durch Nagios überwacht. Zunächst werden deshalb der Überwachungsablauf (siehe 2.2.1) und die Architektur (siehe 2.2.2) von Nagios eingehender betrachtet.

Die Diskrepanz zwischen dem Ist-Zustand der bestehenden Systemüberwachung und der Soll-Vorstellung wird „Problem“ genannt. Das Problem besteht aus verschiedenen „Problembereichen“ ⁹ . Im Folgenden werden die Problembereiche definiert.

2.2.1 Überwachungsablauf

Durch Nagios können Informationen über technische Systeme gesammelt werden. Bisher erfolgt auch die Überwachung der Workflow-Anwendung durch das Produkt Nagios. Die Abhängigkeit von den Auswertungsfunktionen des Produktes ist hier jedoch nicht erwünscht (1. Problembereich).

⁹ Vgl. [BK00] S.10

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Analyse

Der komplette Überwachungsablauf wird in Abbildung 4 dargestellt und in Ebenen unterteilt:

Auf der 1. Ebene erfolgt die Sammlung von Informationen aus einem oder mehreren Systemen. Unter dem Begriff „System“ wird „eine in sich strukturierte, organisierte und geordnete Menge eng miteinander wechselwirkender Elemente“ ¹⁰ verstanden. Die Menge „erweist sich aufgrund einer gegebenen Funktion und aufgrund einer spezifischen Struktur objektiv als ein einheitliches, ganzheitliches Gebilde.“ ¹¹ Diese Definition ist sehr weit gefasst - ebenso wie die Erfassungsmöglichkeiten von Nagios. Die Stärke von Nagios ist die umfangreiche Informationssammlung. Hierzu greift Nagios auf ein sehr großes und dem aktuellen Stand der Technik entsprechendes Repertoire von Methoden zurück. ¹² In der 2. Ebene werden die einkommenden Informationen gefiltert. Nur ausgewählte (selektierte) Informationen werden im weiteren Ablauf berücksichtigt.

¹⁰ Siehe [GS84] S.23

¹¹ Siehe [GS84] S.23

¹² Vgl. [Kr08] S.7-10

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