Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  Vol.  3, No. 6, Decem ber  2013, pp. 779~ 783  I S SN : 208 8-8 7 0 8           7 79     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Architectural Ap proach es  for S e lf- H ealing System s Bas e d on  Multi Agent Technologies      Hamid  Baghe r i 1 , M o h a mm ad  Al i  T o r k a m ani 2 , Z h al eh  Gh af fari 1    1 Universit y  of  K u rdistan,  Iran   2 Iranian  Teleco mmunication M a nufacturing  Co mpan y ,  Iran       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Aug 2, 2013  R e vi sed Oct  3,   2 0 1 3   Accepted Oct 25, 2013      Self-healing s y stems are able to adapt  themselves at  run time time in response  to changing  en vironmental or  opera tional  circumstances, sh ifting user   requirements,  and unan ticipated f a ults without human interven tion.  Conceptu all y ,  a  s e lf-m anaging s y s t em  is  com pos ed of four ke y   capab ili ties ;   Monitoring, per f orming Analy s is, Planning an d Executing th e plan. Th preferred  wa y to  enabl e  r e pair  in  a s e lf-h ea ling s y s t em  is   to us extern ali z e d   repair /adap t a tion  archit ec ture .  Adaptabil i t y ,  d y nam i c i t y ,  awarenes s ,   observabil i t y autonom y ,  rob u stness, distri butabil it y ,  m obilit y   and   trac eabi lit ar e r e quirem e nts   that  an  archi t e c ture   s t y l e for  s e lf-h ea ling s y s t em   should satisf y . I n  this pap e r we  discu ss Multi ag ent based  self-h ealing s y stem   has a ch ara c ter i stics tha t  c a n s a tisf y  mention e d requir e ment.  We define  as s o ciat ions  bet w een arch ite ctur e s t yle requ irem ents  for s e lf-he a ling s y s t em   a nd MAS c h a r ac te ristic s. As a  ca se  stud y  in  a r e al project we h a ve design ed   Autom a ted Tel l e r  Machine (AT M ) com b in ation with biometric s e nsors based  on m u lti-ag ent  a r chit ectur e. Keyword:  ATM   B i om et ri c sens or   Mu lti Ag en t   Self h ealin Soft ware  A r c h itecture   Copyright ©  201 3 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Ham i d B a gheri   In fo rm ation Te chn o lo gy ,   Kurd istan  Un i v ersity,  Ira n, Kurdistan,  Sa nanda j , Pas d ara n   st reet  Em a il: b a g h e ri.h am id @g m a il .co m       1.   INTRODUCTION                     Soft ware c h an ge at  t h e l e vel   of i t s  archi t ect ure - t h at  i s , i n  t e rm s of i t s  com ponent s an d con n ect o r s, i s   th e app r o a ch  th at offers th m o st flex ib ility in  th typ e s o f   rep a irs that can  b e   p e rfo r m e d  in  a sy ste m C o m pone nt  b o u n d a r i e s are, i d eal l y , t h e m o st  l oosel y  co upl ed co n n ect i on  poi nt s i n  a s o ft ware sy st em , m a ki ng  th em  th m o st flex ib le  po in ts  o f  reco nfigu r at io n   [1 -5 ].  Soft ware  arc h i t ect ures  pr o v i d e hi g h -l e v el  a b st ract i ons  f o r e prese n t i n g t h e st ruct ure ,  be havi or , a n d   k e y pr op er ties  o f  a so f t w a r e   syste m  [ 3 ]. Th ese ab straction s  in vo lv d e scri p tio ns of th e el e m en ts fro m  wh ich   system s are built, interactions  am ong  those elem ents, patterns that guide  their com position, and constraints  o n  t h o s p a ttern s [4 ]. Self-h ealin g  system are an  em erg i ng  class of soft ware system s t h at exh i b it th ab ilit y   to  ad ap t th em selv es at run  time to  h a n d l situ atio n s  su ch   as resou r ce  v a riab ility, ch ang i ng   u s er n e eds, and  syste m  f a u lts [ 6 -7 ].  In  [1 ] r e q u i r e m e n t s th at an  ar ch it ectural style for se lf-healing syst e m s should sat i sfy is   d i scu s sed :  adap tab ility, d y n a m i c ity, awaren ess, ob serv ab ility, au ton o m y, rob u s t n ess,  d i stribu t a b ility,   m obili ty, and traceability.  The pa per i s  o r ga ni zed as f o l l ows. Sect i on I I  co vers sel f -h eal i ng sy st em s req u i r em ent s . Sect i on I I I   d e scri b e s th Mu lti Ag en ts syste m s ch aracteristics. In   sect io n  IV we co rrelate req u i rem e n t s on  Self-healin g   Syste m s with  t h e prop erties of Mu lti Ag en ts Syste m s. Ne xt, in  sectio n   V we presen o u r so l u tio n  in  a real  project as a  cas e study. In  secti on  V I  w e   pres ent  o u r  c oncl u s i ons .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     Arch itectu r a l   App r oa ch es f o r S e lf-Hea ling   S y stems  ba sed   o n  Mu lti Ag en t Techno log i es  (Ha m i d  Bag h e ri 78 0 2.   SELF-HE A LING SYSTEMS  REQUIRE M ENTS  Self-h ealin g sy ste m s h a v e  t h e ab ility to  m o d i fy th eir  o w n   b e h a v i or i n  resp on se t o  ch ang e s in th eir  en v i ron m en t, su ch  as resou r ce v a riab ility, c h ang i ng   u s er  need s, m o b ility, an d   syste m  fau lts. Th e t r ad it io n a l   approach to  pe rform i ng re pairs on a  system  is to stop the s y ste m make  the neces sary updates a nd  rest art the   m odi fi ed sy st em . Howe ver,  b a sed  on   the c o ncept u al arc h itecture  for a sel f-m an ag ing  syste m  in tro d u c ed in  [8 ]   we ex pect  a sel f-heal i n g sy st em  t o  be abl e   t o  per f o r m  a repai r  o f  i t s  com ponent s as p a rt  of a pr oact i v e [2] ,   p r ev en tativ e or reactiv resp on se t o  its  op eratin g  en v i ron m e n t wh ile it ex ecu t es.  Th e lifecycle  of self-h ealing   syste m s as co n s istin g   o f   fo ur  maj o r activ ities:   1.   Mo n itoring  th e syste m  at run time   2.   Pl anni ng  t h c h an ges   3.   Depl oy i n g   t h e chan ge desc ri p t i ons,   an d   4.   En acting  th e ch ang e s.  Requirem e nts that an arc h itectural style for  s e lf-heali n g syste m s should sat i sfy is [1]:    Ad ap tab ility: Th e style sho u ld  en ab le m o d i ficatio n   o f  a syste m ’s static  (i.e., st ru ct u r al  an d  t o po log i cal)  and  dy nam i c (i.e.,  be havi oral   and interaction) as pects.    Dyn a m i ci ty: E n capsu lates sy ste m  ad ap tab i l ity co n cern s   du ri n g   ru n-ti m e  (e.g .,  co mm u n i catio n  i n tegrit y   and internal sta t e consistency).    Awa re ness: T h e style shoul d   support  reflect ion i.e . m oni t o ri ng  o f  a  sy st em ’s o w n  pe rf orm a nce (st a t e b e h a v i or, correctn e ss, reliab i lity, an d   so forth )  an recogn itio n of ano m alies in  th at  perfo r m a n ce. Th style sh ou ld  al so  sup p o r t  ob serv ab ility i.e.,  m o n ito rin g  of t h e system ’s execu tio n env i ron m en t.    Ob serv ab ility: Th e style sh ou ld  also   supp ort o b serv ab ility i.e., m o n ito rin g   o f  th e syste m ’s ex ecu ti on  envi ro nm ent .      Au t o no m y : T h e style shou ld   p r ov id e t h e ab ility to   add r ess th e anomalies in  th p e rform a n ce of a  resu lting  system  an d / o r  its ex ecu tion  env i ro n m en t. Au tono m y  is ach iev e d   b y  p l an n i ng d e p l o y ing ,   an enacting the  ne cessary c h ange s.    Ro bu stn e ss: Th e style sh ou l d  prov ide th e ab ility fo r a resu lting  syste m  to  effectively resp ond  to   u n fo reseen  op eratin g  co nd ition s . Su ch  co nd i tio n s  m a y  b e  i m p o s ed  b y  th e syste m ’s ex tern al en v i ron m e n (e. g ., m a l i c i ous at t acks, u n p r edi c t a bl e be ha vi o r  o f   th e syste m ’s ru n-tim e  su b s t r ate, uni n tended system  usa g e), as  wel l  as erro rs,  fa ults, an d failu res withi n  th e syste m   itself. No te th at th i s  d e fi n itio n   o f   ro b u st ness  su b s um es faul t  t o l e rance .     Distributability: The style shoul d su pport e ffective  performance of  re sulting system in the  face of  di ffe re nt  di st ri but i o n/ de pl oy m e nt  pr ofi l e s.       Mobility: The  style should  provi de th e ability to dynam i cally change th e (physical or logical) locations   o f  a system ’s co n s titu en t elemen ts.  Traceability: The style should clearly relate a  syste m ’s ar c h itectural elem en ts to the  system ’s execution-level  m odul es i n   or d e r t o  ena b l e  c h ange  enact m e nt  i n  s u p p o rt   of   t h e ab o v req u i rem e nt s.       3.   MAPPING SELF-HEALING  REQUIREMENT TO  MULTI  AGEN T CHARA CTER ISTICS  Age n ts are s o ftware  or  hardware elem ents that ope rate  within a n  envi ronm ent, act and se nse ,  and   comm unicate and colla borate with  ot her  ele m ents. Age n ts are  define by attributes speci fic to  thei fun c tion a l domain .  For ex am p l e, in tellig e n t agen ts i n clud e attribu t es t h at em u l ate h u m an  m e n t al p r o cesses.  Prop erties of  m u l ti ag en t syste m s in clu d e :     Distribution:  m u lti agent syste m s are  distribu ted which are s p read acr o ss netw or k. So cket  co mm u n i catio n   o r  m i d d l eware are  u s ed  to dev e lop  m u lti ag en syste m s [6 ].      Decent r alization: there is no c e ntra l node to  collect results or iss u commands. Age n ts act indepe ndent l an d attain  th eir p e rson al  g o a l.    Local   vi ews:   n o  a g ent  has  a  f u l l  gl obal   vi ew  o f  t h e  sy stem ,  or the  system   is to o com p lex for an age n t t o   make practical use  of such knowle dge   Self-o rg an izatio n  and  self-steering  Mu lti-agen t system s ca n  m a n i fest self-o rg an izatio n   as well as self- st eeri n g  an ot her  co nt r o l  pa r a di gm s and  rel a t e d com p l e beha vi o r s e v e n  w h en  t h e i ndi vi d u al  st rat e gi es  o f  all th eir ag en ts are sim p le.    So cial: in  m u lti-ag en t system   ev ery ag en t kno ws o t h e r ag ents and  th eir capab ilities an d  m a y ask  t h em  fo hel p .     In teracti o n :  agen ts in teract and  ex ch ang e  info rm atio n  to  coo p e rate.    Goal -oriented:   every a g e n t fol l ows  goals  whi c h a r e s p ecifie d   by system  or  user.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJECE Vol. 3, No. 6, D ecem ber 2013   779 – 783  7 81  4.   MAPPING SELF-HEALING  REQUIREMENT TO  MULTI  AGEN T CHARA CTER ISTICS  C h aract eri s t i c s  of M A S p r o v i de a nat u ral  f r am ework  fo devel opi ng a s e l f-heal i ng m e t h o dol ogy .   Each requirem ent  for  self-h ealin g  system s is d eco m p o s ed  i n to  MAS ch aracteristics:   1.   Ad ap tab ility: Ag en ts are  In tellig en 2.   Dy nam i cit y :  Agent s  ha ve  dy n a m i c beha vi or .   3.   Awa re ness:  M oni t o ri n g   A g en t  can m oni t o r  r e so urces , si ze  of  t h e l o g  fi l e gene rat e d  by  c o m pone nt s.   4.   Ob serv ab ility: Mo n itoring   Agen t can  m o n itor system ’s en v i ron m en t.  5.   Aut o nom y : Agents are  aut o nom ous  6.   R o b u st ne ss:  A g ent s  ha ve c o l l a bo rat i v be ha vi o r  a n d  aut o n o m ous   7.   Distribu tab ility:  m u lti ag en t syste m s are d i stribu ted   wh ich   are sp read  across n e t w ork. Sock et  co mm u n i catio n   o r  m i d d l eware are  u s ed  to dev e lop  m u lti ag en syste m s.  8.   Mo b ility: Ag en ts are m o b ile.  9.   Traceability Ag en ts can   operate with i n  an env i ro n m ent,  act and se nse,   and comm unicate and  co llab o rate with  o t h e ag en ts.  In   ne xt   sect i o n we pr esent   r eal   pr o j ect  wh i c h has desi g n e i n  Ira ni an  Tel ecom m uni cat i on  M a nu fac t uri n g   Com p any  (IT M C ).         5.   CASE ST UDY  Ira ni an Tel e c o m m uni cat i on  M a nu fact u r i n g  C o m p any   (IT MC) is a company  operating in Electrical  engi neeri ng a n d IC T areas .  ITM C  besi des s o m e  prod uc ts in electrical and comm unication area partici p ates  in soft ware a r eas. One of these projects whic are  d e sign ed  is Au t o m a ted  Te ller Mach in e (ATM com b i n at i on  w i t h  bi om et ri c sens ors.     Traditionally, access to secure areas  or sensitive inform at i on  has  been  c o ntrolled by possession  of  a   part i c ul a r  key   card  or  pass w o rd . N o wa day s ,  peo p l e  ha ve P I Ns a n d pas s w o r d s f o r a l a r g e num ber  of  d e vi ces,   fr om   t h e di ffe r e nt  soci al  net w or ks an d si t e s, t o  t h ei r ba nk i n f o rm at i on. Te chni que s whi c h l e vera ge bi o m et ric  sens ors m a y  ease so m a ny  pro b l e m s  rel a t e d to aut h ent i cat i o n an d a u t h ori z at i on i ssue s . B i om et ri c sensor s ca n   co nfirm  th at a p e rson  is act ually p r esen wi th ou t requ iring th u s er to   reme m b er  an ythin g  and  th er e i s  no   security threat.   We h a v e   d e sign ed  t h e proj ect s b a sed  on  m u lti ag en t arch it ectu r e. Fro m  s e lf-h eali n g   p o i n t  o f   v i ew,  functional re quirem ents for  an  AT M for instance obse rva b ility, traceability  and a w are n ess are satisfied  with  m u l ti-agent  arc h itecture. This proj ect levera ges age n ts for  reaching a w are n ess, t r aceability and  obse r va bility,  m o re det a i l s  ar e sh ow n i n  t a bl e 1.  T h i s  p r oje c t  was  de vel o p e base on  S Q L S e r v er  an Vi sual  C # .       Table 1. ATM requirem ents  Archite c tural req uire m e nt   for  ATM  Solut i ons of  t h e s y st em  w i t h   m u lt agent    Data integrit & c onsistency in  ATM     L e ver a ge d y nam i agents  M onitor i ng AT M   bandwidth  and ano m al y dete c tion    M onitor i ng agent     Alar m  to the polic   Send log to the Bank   m a nager  M onitor i ng AT M s execution     M onitor i ng agents     Address the ano m a lies in the  per f orm a nce  of the sy ste m     Autono m y  of Agents    Planning skills of Agents  High secur ity  in  AT M   and  m onitoring atta cks to the AT M     collabor ative behavior  with  m onitor i ng and  security agents  Ef f ective perf or m a nce in  r e spondin g  to Bank custo m er s     Decentraliz ation in MAS  across the n e twork    Replication finger p r i nts da tabase in all regions  in countr y   M onitor i ng all com ponent of  the sy ste m     I n  cooper a tion with  m onitor i ng agent    DDOS attacks  m o nitoring      By lev e rag e  M A S ap pro a ch  av ailab ility an d   secu rity le v e o f  t h e ATM sy ste m  h a v e  b e en  in creased   resu lt in   st ock h o l d er sat i sfact ory .  A s  we sh owe d  i n   pre v i o us w o r k   [9 ], b a sed  on  resu lts o f  th is pap e r th eo retically we   can reac h the   availability about  99%.We developed an  a g ents  which  re sponsi bility was Heart b eat.  Besides  th at, system  was tested  in three m o n t h  and  we  h a d no   security th reat an u n a v a ilab ility.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     Arch itectu r a l   App r oa ch es f o r S e lf-Hea ling   S y stems  ba sed   o n  Mu lti Ag en t Techno log i es  (Ha m i d  Bag h e ri 78 2 6.   CO NCL USI O N   Self-h ealin g syste m s are an  e m erg i ng  class o f  soft ware syste m s th at  ex h i b it th e ab i lity  to  ad ap t   th em selv es  at  run   tim to   h a n d l situ ation s   su ch  as reso urce v a riab ility,  ch ang i ng  u s er n eed s, an d  sy ste m   fau lts. Req u i re m e n t s th at an  arch itectu r al  style fo self-h ealing  system s  sh ou ld  sat i sfy is: ad ap tab ility,   dynam i city, aware n ess ,  obse rva b ility, autonom y , robust n es s, distributability,  m ob ility, and tracea bility. Multi  agent   base d sel f - h eal i n g  sy st em  has charact e r i s t i c s t h at  can  su pp o r t  m e nt ione re qui rem e nt . I n  t h i s   pap e r w e   defi ned  associ ations  betwee n architecture st yle requi re m e nts for self-healing syst em  and MAS c h aracteristics  (Table  2). As a  case study i n   a real project  we ha ve   d e sign ed   Au to m a te d  Teller Mach i n e (ATM) co m b in ation   with   b i o m etric  sen s o r b a sed on  m u lti-ag ent arch itecture.   Th is  p r oj ect lev e rag e s ag en ts for satisfying self- healing systems re qui rem e nts suc h  as  observability, traceabilit y and  awa r e n ess.      Table 2. Support  Architectural  Re qu irem en t b y  Mas C h aracteristics  No  Archite c tural  req uire m e nt  for sel f - healing syste m s   MAS characteris t ic  1 Adaptability  Agents  Are  Independent and Intelligent  2 Dyna m i city  Dyna m i agents   3 Awar e ness   M onitor i ng  Agents   4 Observability  Monitoring  agents   5 Autono m y   Autono m y  of Agents  Planning skills of Agents  6 Robustnes s   Autono m y  of Agents  collabor ative behavior   7 Distributability  Distr i buted acr oss  networ Decentraliz ation in MAS   Mobility  Mobility in Agents   9 Trace ability  Reactiv ity in  Agents      FUTURE WORK  For t h e f u t u re  wo rk  we  wo ul d l i k e t h ere t o  be m o re di scu ssi on  of t h i s  m a ppi ng a n d t h e  i ssues t h at   arise.  On e of t h e m o st i m p o r t a n t  ch aracterist i cs in  AT M syste m s is av ailab ilit y; b a sed   on   MAS ch aracteristic s   we can  reach  t h e av ailab ility  ab ou 9 9 % We will d i sc uss m o re d e tails abo u t   h o we ach i ev e availab ilit y   base d on   M A S .       REFERE NC ES   [1]   Nikunj Mehta,  2002. Architectural St y l e Requ irements for Self-Healing  S y stems  WOSS ' 02,  Nov 18-19, 2002,  Charleston , SC,  USA.Copy r i ght  2002 ACM 1-58113-609-9/02/00 11 ...$5 . 00,(200 2).  [2]   Jeongm in Park, Giljong Yoo, and Eunseok  Lee. “ Proacti ve Sel f -Heal i ng  System based on Multi-Ag e n t   Technologies ”.  School of In for m ation and  Communication  Engineering  Sungk y u nkwan University . 2005 [3]   M Shaw and D  Garlan. Softwar e  Architecture: P e rspect ives on  an Emerging  Disc ipline. Pren tice- Hall. 1996.  [4]   David S .  W ile  and Alexand e Eg yed. “ A n Ext e rnal ized  Infras t ructure fo r S e lf- H ealing S y s t em s Teknowledg Corporation . 20 04.  [5]   Michael E Shin  and Jung Hoon An. “Sel f-Reco nfiguration in S e lf-Healing S y s t ems”. Department of Computer   Science,Texas Tech  Univ ersity . 2006.  [6]   Hong Mei, Gang  Huang, Wei-Tek Tsai.  Towards Self-Hea ling Sys t ems via  Depend able Arch itectur e and Reflective  Middleware . Pr oceed ings of th e 10th  IEE E  In t e rnat ional  W o rkshop on Objec t - O riented  Rea l -T im e Dependab l e   S y stems (WORDS’05)0-7695-2 347-1/05 $20.00  © 2005  IEEE. 2 005.  [7]   ACM SIGSOFT Workshop  on Self-Healing S y stem s (WOSS' 02) Call for P a pers. h ttp://w ww- 2.cs.cmu.edu/~g arlan / woss02/  [8]   JO Kephart  and  DM Chess. The  vision of  autono mic computing .   Computer Maga zine . 2003 [9]   Moham m a Ali Torkam ani, Ha m i d Bagheri an d Salam   Abdollah Shaltooki , Moham m a d Reza Taband ehd, Am in   Eghlidi Negad .   Archit ectural  So lution  for reach i ng high a v ai la bilit y . 3rdWorld Conferen ce on  Innovation and   Computer Scien ces,  Turkey . 201 3.                Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJECE Vol. 3, No. 6, D ecem ber 2013   779 – 783  7 83  BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS       Hamid Bagheri  was born in  san a nda j, Ir an, in 1 979. He receiv ed  the B.S. and   M.S. degr ees  in Software eng i neering  from the Shahid B e heshti University Teh r an,  in 2011 Since 2009, he  has been working in Informa tion Technolog y  in  Kurdistan University . His   res earch  in teres t s  includ e S e rv ic e Orien t ed  Arhci t ec tureand  Ultr large  S cal e S y s t em s .            Mohammad Ali Torkamani born  in Iran, Shir az  Ci ty , in  1975. H e  receiv ed the  M.S. degree  in software engineering from the ShahidBeheshti  University , in 2011. He is the author of 15  books (in Persian), more than 35  articles. His re search  interests in clude softwar e  architectur e,  Ultra  Larg e S c al e s y s t em s ,  cr yp t ograph y  and  Net w ork s ecurit y   ho lds  one p a t e nt.     He is working in R&D Depa rtment of Ir anian  Telecommunication Manufactur in g Compan y   now. He is currently   teaching  at the ITMC Univ ersity  of Applied Scie nce and Technolog y  in   S h iraz.            Zhaleh Ghaffari was born in  sa nandaj, Iran, in  1981. She rece ived the B.S. in  Software  engineering  fro m the AzadUniv ersity , Hamedan ,  in 2006 Since 2009, she has been working in Engineer ing Facuty   in Kurdistan University . Her   res earch  in teres t s  includ e W e b  S e rvic es  and  Dat a bas e         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.