Modul Mobile und Verteilte Systeme, Informatik (Master) (SPO 8)

In der Vorlesung „Mobile Systeme“ erwerben die Studierenden ein grundlegendes Verständnis der Herausforderungen und Technologien im Bereich mobiler Kommunikationssysteme. Nach Abschluss der Vorlesung können sie grundlegende Prinzipien drahtloser und mobiler Kommunikation erläutern und spezifische Technologien wie Mobilitätsmodelle, mobile Ad-hoc-Netze (MANETs), verzögerungstolerante Netze (DTNs) und mobiles TCP analysieren und bewerten. Darüber hinaus sind sie in der Lage, Problemstellungen im Bereich mobiler Systeme zu identifizieren und geeignete Lösungsansätze in praktischen Szenarien anzuwenden.

Die Vorlesung behandelt die folgenden Inhalte:

• Grundlagen mobiler Systeme: Herausforderungen durch Mobilität, drahtlose Kommunikation und Netzwerke.

• Mobilitätsmodelle: Simulation und Analyse individueller und gruppenbasierter Mobilität.

• Mobile Ad-Hoc-Netze (MANETs): Selbstorganisierende Netzwerke, Routing-Protokolle und Anwendungsfälle.

• Verzögerungstolerante Netze (DTNs): Kommunikation bei intermittierender Konnektivität und „Store-Carry-Forward“-Mechanismen.

• Mobiles TCP: Anpassung und Optimierung des Transmission Control Protocols für mobile und drahtlose Netzwerke.

Die Vorlesung wird im Flipped Classroom-Format unterrichtet. Die Studierenden bereiten sich eigenständig mithilfe von Vorlesungsfolien und Erklärvideos auf die Live-Termine vor. In den Präsenzveranstaltungen werden Inhalte durch Fallstudien und Übungen vertieft. Zur Selbstüberprüfung stehen Online-Tests zur Verfügung, die den Studierenden Feedback und die Möglichkeit zur Vertiefung des Gelernten bieten. Die Prüfungsleistung besteht aus einer 60-minütigen Klausur, die Teil der Modulklausur „Mobile und Verteilte Systeme“ ist. Der Arbeitsaufwand beträgt insgesamt 60 Stunden, die sich auf 20 Stunden Präsenzzeit in den Live-Terminen, 20 Stunden asynchrones Lernen mit Vorlesungsfolien und Videos sowie 20 Stunden für Prüfungsvorbereitung und Nachbereitung verteilen.

• Foliensammlung und Erklärvideos im ILIAS-System
• James Kurose, Keith Ross: Computer Networking - A Top-Down Approach, 8. Auflage, Pearson, 2021 (Kapitel 7)
• Martin Sauter, Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme, 8. Auflage, 2022 (als E-Book über die KIT-Bibliothek verfügbar)
• Weitere Hinweise in ILIAS und in der Vorlesung

Seminaristischer Unterricht, Übungsblätter

Aufbauend auf einem vorausgesetzten Verständnis grundlegender Prinzipien und Paradigmen verteilter Systeme behandelt die Master-Vorlesung Fallstudien aktueller Anwendungsgebiete. Die Auswahl behandelter Inhalte variiert. Es werden zum einen praktisch bedeutsame (industrierelevante) Bereiche berücksichtigt. Zum anderen werden aktuelle Trends aus Forschung und Entwicklung aufgegriffen. Die aktuelle Vorlesung fokussiert den Themenkomplex des Internet Computing. 

In der Vorlesung erlangen die Studierenden ein umfassendes Verständnis der Infrastruktur und der Technologien, die dem heutigen Internet-Computing zugrunde liegen. Sie entwickeln ein solides Verständnis für verteilte Systemarchitekturen und Webtechnologien, die für die Orientierung in der komplexen Landschaft globaler IT-Umgebungen unerlässlich sind. Durch die Betrachtung aktueller Paradigmen wie Cloud Computing und das Internet der Dinge (IoT) werden die Studierenden in die Lage versetzt, diese Technologien in verschiedenen fachlichen Kontexten zu bewerten und zu nutzen. Darüber hinaus werden die Studierenden durch die Behandlung neu aufkommender Technologien wie Distributed-Ledger-Technologien (DLT) und Fog Computing darauf vorbereitet, innovative Beiträge im Bereich des Internet-Computing zu entwickeln. Der Kurs zielt darauf ab, ihre analytischen Fähigkeiten zu verbessern und sie in die Lage zu versetzen, die Integration und das Potenzial internetbasierter Technologien bei der Gestaltung individueller, organisatorischer und gesellschaftlicher Praktiken kritisch zu bewerten. Darüber hinaus erweitern die Studierenden durch die Beschäftigung mit einer Vielzahl von Lernressourcen, einschließlich Beispielen, weiterführender Lektüre und Verständnisfragen im begleitenden Lehrbuch, ihre Forschungs- und Recherchefähigkeiten.

Primäre Begleitliteratur:

• Sunyaev, Ali. 2020. Internet Computing: Principles of Distributed Systems and Emerging Internet-Based Technologies. Cham: Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-34957-8.

Während des Kurses werden eine umfangreiche Bibliographie und spezifische Empfehlungen für weiterführende Literatur vorgestellt. 

Eigenständige Arbeitsanteile betreffen Vor- und Nacharbeit der Vorlesungsinhalte und Klausurvorbereitung.

Das Labor vermittelt praktische Einblicke in den Aufbau verteilter Informationssysteme. Es werden aktuelle Paradigmen aufgegriffen und erweiterte Prinzipien im Kontext realistischer Anwendungsfälle behandelt. Die konkreten Aufgabenstellungen orientieren sich an aktuellen Themen der industriellen Forschung und Entwicklung. Sie variieren daher von Semester zu Semester. Die praktische Umsetzung erfolgt mit modernen industrierelevanten Plattformen und Frameworks.

Aktuell umfasst das Labor ein Projekt zur Migration eines monolithischen Informationssystems nach dem Microservice-Architekturstil. Dabei werden Technologien wie UML und Domain Driven Design, REST-basierte Microservices mit Spring/Spring-Boot, eine Microservice-Plattform mit Docker und Kubernetes sowie Service Meshes auf Basis von Istio eingesetzt.

Durch Teilnahme an dem Labor werden die Studenten praktische Erfahrungen im Design, der Entwicklung und dem Einsatz von verteilten Informationssystemen sammeln, insbesondere durch die Umwandlung von monolithischen Architekturen in Microservices. Sie werden mit einer Reihe von modernen, branchenüblichen Tools und Technologien vertraut gemacht, darunter UML für die Modellierung, Domain-Driven Design für die Strukturierung von Systemen, Spring und Spring Boot für die Erstellung REST-basierter Microservices sowie Docker und Kubernetes für die Containerisierung und Orchestrierung. Durch den Einsatz von Istio zur Verwaltung von Service-Meshes werden die Studierenden zudem in die Lage versetzt, die Kommunikation und den Betrieb von Microservices in komplexen Systemen zu optimieren. Diese praktischen Erfahrungen bereiten die Studierenden auf aktuelle und zukünftige Herausforderungen in der industriellen Forschung und Entwicklung vor.

• S. Newman, "Microservices - Konzeption und Design", mitp, 2015
• E. Wolf, Das Microservices-Praxisbuch: Grundlagen, Konzepte und Rezepte, dpunkt, 2018, 
• B. Rumpe , Modellierung mit UML, Xpert.press, 2011
• V. Vernon, Domain-Driven Design kompakt, dpunkt, 2017
• E. Wolf, 2016, Microservices - Grundlagen flexibler Softwarearchitekturen, dpunkt, 2016
• E. Wolf, H. Prinz, Service Mesh – The New Infrastructure for Microservices, innoQ, 2020, http://leanpub.com/service-mesh-primer

Weitere Literatur wird in jedem Semester passend zur Aufgabenstellung vorgestellt. Hierzu zählen auch Online Tutorials basierend auf einer Auswahl aktueller Frameworks und Bibliotheken.

Es werden Grundkenntnisse in den Bereichen web- und komponentenbasierter verteilter Systeme sowie Web- und Datenbankprogrammierung in Java vorausgesetzt. Die Veranstaltung beinhaltet 50 % betreute Präsenszeit (2 SWS) sowie 50% selbständige Arbeit. Der Leistungsnachweis erfolgt durch Präsentation und Verteidigung der Lösung.