Basissoftware für selbstorganisierende Infrastrukturen für vernetzte mobile Systeme.

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Basissoftware für selbstorganisierende Infrastrukturen für
vernetzte mobile Systeme
Martina Zitterbart*, Stefan Fischer#
*Institut für Telematik
Universität Karlsruhe
Zirkel 2
76128 Karlsruhe
zit@tm.uka.de
#Institut für Betriebssysteme und Rechnerverbund
TU Braunschweig
Mühlenpfordtstraße 23
38106 Braunschweig
fischer@ibr.cs.tu-bs.de
Abstract: In der Informationstechnologie haben zwei große Trends in den letzten
Jahren für massive Veränderungen gesorgt, nämlich die zunehmende Mobilität von
Rechnern bzw. Geräten mit grundlegender IT-Ausstattung sowie die weiträumig
verfügbaren drahtlosen Kommunikationsmöglichkeiten. Auf der Basis dieser
Technologien ergeben sich ganz neue Anwendungsmöglichkeiten, die vor allem
die Tatsache nutzen, dass sich Netze spontan bilden und sehr dynamisch bzgl. ihrer
Topologie und den angebotenen Diensten verhalten können. Entscheidend für die
Funktion solcher Netze ist das Prinhzip der Selbstorgansiation. Das DFG-
Schwerpunktprogramm 1140 „Basissoftware für selbstorganisierende Infra-
strukturen für vernetzte mobile Systeme“ beschäftigt sich mit Softwareunter-
stützung für solche selbstorganisierenden Netze. In diesem Beitrag wird das SPP
vorgestellt, indem zunächst ausführlich auf die neuen Szenarien eingegangen wird.
Anschließend wird die inhaltliche Struktur des SPP erläutert, bevor die einzelnen
Projekte jeweils kurz dargestellt und in den Kontext des SPP eingepasst werden.
1 Motivation und Herausforderungen
Computer sind schon seit geraumer Zeit in unterschiedlichsten Geräten vorhanden und
im Alltagsleben im Einsatz, ohne dass dies dem Benutzer wirklich bewusst ist. Beispiele
sind eigenständige Prozessoren zur Regelung des Ablaufs von Waschmaschinen, ver-
netzte Prozessoren für unterschiedlichste Steuerungsaufgaben in PKWs (hier befinden
sich heute einige Dutzend Prozessoren im Einsatz) oder komplexe HW- und SW-
Systeme im Handy. Weit darüber hinaus gehende Einsatzmöglichkeiten werden durch
die erheblichen Fortschritte im Bereich der drahtlosen Kommunikation und der Sensorik
absehbar, insbesondere durch spontane hochdynamisch etablierte Kommunikationsbe-
ziehungen zwischen verschiedenartigsten Kommunikationspartnern (z.B. Notebook,
Handy, Sensor, Aktor). Selbstorganisierende Infrastrukturen gewinnen in diesem Zu-
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sammenhang einen immer höheren Stellenwert, befinden sich aber heute noch in vielen
entscheidenden Aspekten in den Kinderschuhen. Zu diesen gehört insbesondere die
softwaretechnische Unterstützung und Bereitstellung von höherwertigen Diensten und
verteilten Anwendungen.
Ganz wesentlich ist der Aspekt, dass bei selbstorganisierenden Netzen keine feste Infra-
struktur erforderlich ist – dies gilt sowohl für die Vernetzung selbst als auch für die
Bereitstellung höherwertiger Dienste bzw. für die Bereitstellung von anpassbaren verteil-
ten Anwendungen und Anwendungskomponenten.
Darüber hinaus ist die steigende Vielfalt mobiler Geräte zu beachten. Es handelt sich
dabei nicht mehr nur um Notebooks, sondern zu ganz wesentlichen Teilen auch um
kleinere Geräte wie beispielsweise PDAs, Handys oder Prozessoren und Sensoren, die
etwa in die Kleidung eingebettet sein können oder die sich in Fahrzeugen und Gebäuden
befinden. Damit steigt auch die Anzahl solcher mobiler Geräte, und ein Aufbau einer
drahtlosen Infrastruktur mit Bereitstellung von Diensten ohne direkten Anschluss an ein
Festnetz wird zunehmend möglich und wünschenswert. Darüber hinaus werden in Zu-
kunft nicht nur die Geräte selbst mobil sein, sondern auch die im Netz bereitgestellten
Dienste. Der Zugang über das Festnetz ist nur noch eine Alternative unter vielen, um
einen Dienst in Anspruch zu nehmen. Dienste können vielmehr auch direkt über mehrere
Teilstrecken eines drahtlosen Netzes genutzt werden, beispielsweise ein Web-Proxy in
einem Notebook, das gerade in einem an der Ecke parkenden PKW liegt und über einige
drahtlose Teilstrecken von einem PDA (Personal Digital Assistant) aus in Anspruch
genommen wird. Beide Geräte benötigen hierzu keinerlei Zugang zum Festnetz.
Im Kontext selbstorganisierter vernetzter mobiler Systeme werden sich neuartige Netz-
strukturen entwickeln, die mit teilweise erheblicher Dynamik ihre grundlegende Struktur
(z.B. Topologie, Lokation von Diensten) verändern, was komplett im Gegensatz zu den
heute meist sehr statischen Festnetzen steht, die auch die Kernkomponente von Netzen
mit drahtlosem Zugang wie GSM und UMTS bilden. Eine höhere Dynamik wird insbe-
sondere in multihop ad-hoc Netzen erwartet, aber auch in Body-Area-Netzen, Gebäude-
netzen und Sensornetzen im allgemeinen, zumindest dann, wenn sie mit weiteren Kom-
ponenten aus der Umwelt interagieren, die mobil sind, also etwa mit Besuchern inner-
halb eines vernetzten Gebäudes.
Insgesamt ist dabei zu beachten, dass nicht nur die Geräte selbst mobil sind, sondern
auch die sich darauf befindlichen Dienste sowie die verteilten Anwendungen. Selbstor-
ganisation findet hier also auch auf unterschiedlichen Ebenen statt und es ist zu erwarten,
dass übergreifende Interaktionen wesentlich zur Beherrschbarkeit solcher hochdynami-
scher Systeme beitragen. Damit höherwertige Dienste und Anwendungen rasch und
unkompliziert bereitgestellt werden können, bedarf es einer höherwertigen technischen
Infrastruktur, die heute unter Schlagworten wie Basissoftware oder Middleware laufen.
Zwar existieren mannigfaltige Lösungen für derartige Infrastrukturen, allerdings sind sie
auf die besonderen Herausforderungen in selbstorganisierenden vernetzten mobilen
Systemen keineswegs vorbereitet. Das DFG-Schwerpunktprogramm 1140 befasst sich
deshalb mit neuen Methoden und Verfahren für deren softwaretechnische Beherrschung.
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Besondere Herausforderungen hierbei ergeben sich zum einen durch die schon mehrfach
strapazierte potenziell hohe Dynamik der Mobilität der Geräte, Dienste und Anwendun-
gen. Weiterhin stehen für die Kommunikation zwischen den mobilen Geräten drahtlose
Kommunikationstechniken mit typischerweise limitierten Übertragungsressourcen zur
Verfügung. Hier muss demnach auch im Bereich der Middleware möglichst darauf ge-
achtet werden, dass diese Ressourcen nicht unnötig beansprucht werden. Dies ist auch
im Rahmen des Energiemanagements wesentlich, denn gerade das Senden von Daten
beansprucht die Batteriekapazität der mobilen Geräte unter Umständen recht stark. Eine
ebenso große Herausforderung stellt die unter Umständen hohe Unzuverlässigkeit der
beteiligten Kommunikationspartner dar. Unter anderem bedingt durch die Mobilität, die
Nutzungsart (z.B. situationsbedingtes komplettes Ausschalten von Geräten) bzw. durch
Umwelteinflüsse kann die Zuverlässigkeit der Kommunikationspartner, die ja auch Teil
der Infrastruktur selbst sind (d.h. oftmals auch als Router fungieren) erheblich beein-
trächtigt werden. Gefordert sind also Lösungen im Bereich der Middleware, die den
durch die oben geschilderten Randbedingungen und Unwägbarkeiten resultierenden
Herausforderungen gerecht werden können.
Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über die im Rahmen des SPP 1140
(http://www.tm.uka.de/forschung/SPP1140/) durchgeführten Forschungsarbeiten. Die
einzelnen Projekte werden zunächst in einen gemeinsamen Kontext eingebracht und
anschließend kurz separat in ihren wesentlichen Zielen und bisherigen Ergebnissen ge-
schildert. Für eine ausführlichere Darstellung der Ergebnisse sei auf die individuellen
Veröffentlichungen der einzelnen Projekte verwiesen. Es sei weiterhin darauf hingewie-
sen, dass die meisten Projekte im Spätsommer 2002 begonnen haben und bei Erstellung
dieses Beitrags noch nicht einmal ein Jahr Bearbeitungszeit aufweisen.
2 Das Schwerpunktprogramm im Überblick
Eine grundlegende Annahme bei allen involvierten Projekten besteht darin, dass eine
Vielzahl potenziell mobiler Knoten mit evtl. sehr unterschiedlichen Charakteristika
kommunizieren und kooperieren möchte. Mobile Geräte können dabei Notebooks, Han-
dys, Sensoren, RFIDs, Kameras etc. sein. Bedingt durch die Heterogenität kann bei-
spielsweise die Adaption des Datenstroms bei der Übertragung erforderlich sein. Hin-
sichtlich der Kommunikation wird angenommen, dass eine Verbindung zum Festnetz
durchaus vorhanden sein kann, aber keinesfalls zwingend zur Verfügung steht. Das Pa-
radigma der Selbstorganisation spielt eine außerordentlich wichtige Rolle. Die Kommu-
nikations- und Kooperationspartner müssen ihre Infrastruktur dezentral organisieren –
ein Systemadministrator steht nicht zur Verfügung. Darüber hinaus muss gegebenenfalls
mit einer hohen Dynamik und damit häufigen Änderungen der Netztopologie gerechnet
werden. Die verwendeten Protokolle sowie die bereitgestellten Dienste und Anwendun-
gen müssen in der Lage sein, sich an diese Veränderungen anzupassen, weshalb über-
greifende Aktionen zwischen den involvierten Ebenen eines verteilten Systems eine
wichtige Rolle spielen. Die im Rahmen des Schwerpunktprogramms durchgeführten
Projekte lassen sich drei unterschiedlichen Ebenen zuordnen (s. Abb. 1):
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• Selbstorganisierende mobile ad-hoc Netze,
• Middleware und
• Anwendungen bzw. Anwendungsengineering,
wobei der Schwerpunkt der Arbeiten im Bereich der Middleware zu sehen ist. Die Integ-
ration von Projekten aus den Bereichen der selbstorganisierenden mobilen ad-hoc Netze
sowie der Anwendungen selbst wird als außerordentlich wichtig angesehen, um ebenen-
übergreifende Aspekte gezielt einzubringen.
Self-organizing
mobile ad-hoc
network
Middleware
Sensor
SensorSensor
eLearning
Disaster
Protection and
recovery
Collaboration Application
(-Engineering)
Self-organizing
mobile ad-hoc
network
Middleware
Sensor
SensorSensor
eLearning
Disaster
Protection and
recovery
Collaboration
Sensor
SensorSensor
eLearning
Disaster
Protection and
recovery
Collaboration Application
(-Engineering)
Abbildung 1: Drei Ebenen des SPP 1140
2.1 Beispielanwendungen
Derzeit werden im SPP 1140 drei verschiedene Anwendungsbereiche näher betrachtet:
Katastrophenschutz, eLearning und Kollaboration. Die grundsätzliche Relevanz und
Anwendbarkeit der entwickelten Konzepte im Bereich der selbstorganisierenden mobi-
len ad-hoc Netze sowie der darüber angesiedelten Middleware (s. Abb. 3) sind bei wei-
tem nicht auf diese Szenarien beschränkt.
Im Kontext des Katastrophenschutzes können vernetzte Sensoren zu vielfältigen Zwe-
cken eingesetzt werden, beispielsweise bei der Überwachung von Hochwasserdämmen
bei Flutkatastrophen (s. Abb. 2). Hierzu können z.B. eine Art smarte Sandsäcke einge-
setzt werden, die mit drahtlos kommunizierenden Sensoren bestückt sind. Sind die Sand-
säcke auf Hochwasserdämmen platziert, organisieren sich die Sensoren selbst zu einem
Sensornetz bzw. zu mehreren miteinander verbundenen Teilnetzen und kooperieren
miteinander, beispielsweise, um Lecks im Damm zu erkennen. Hierzu müssen Daten
über die aktuelle Feuchtigkeit erfasst, gesammelt und ausgewertet werden. Es ist klar
ersichtlich, dass sich die Sensoren selbst zu einem kooperierenden Netzwerk konfigurie-
ren müssen – Selbstorganisation ist hier eine Voraussetzung für die Realisierbarkeit. Die
Sensoren können weiterhin über eine gewisse Intelligenz verfügen, also gegebenenfalls
die erfassten Daten sammeln, zwischenspeichern und vorverarbeiten, um zu entscheiden,
ob diese überhaupt weiter kommuniziert werden müssen. Weiterhin sollten die Sensoren
in der Lage sein, eine Entscheidung darüber zu treffen, ob eine Gefahr für den Bruch des
Damms vorliegt oder nicht. Hierzu ist zum einen die Kooperation der Sensoren gefor-
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dert, zum anderen müssen einzelne fehlfunktionierende Sensoren erkannt werden, um
Fehlalarme zu vermeiden.
Abbildung 2: Hochwasserschutz mit (smarten) Sandsäcken (D. Timmermann, Rostock ©)
Darüber hinaus sind viele weitere Situationen im Katastrophenschutz denkbar, in denen
der Einsatz von Sensoren zu wesentlichen Fortschritten beitragen kann. Generell kann
hier davon profitiert werden, dass Menschen Sensoren mit sich tragen, dass Sensoren
sich in Fahrzeugen etc. befinden, also Teil der Umgebung sind, oder dass Sensoren von
Flugzeugen bzw. von Menschen abgeworfen und damit in die Umgebung eingebracht
werden. Insgesamt kann so der aktuelle Zustand auch dann erfasst werden, wenn Men-
schen das Gebiet, aus welchen Gründen auch immer, nicht betreten können. Hier ergibt
sich typischerweise eine Struktur aus Sensoren, die nach deren Installation nicht mehr
mobil sind (etwa solche in Sandsäcken) und solchen Sensoren, die mobil sind, etwa
durch Montage am Menschen oder an mobilen Robotern.
Weitere Anwendungsbeispiele, die im Rahmen des Schwerpunktprogramms untersucht
werden, liegen im Bereich des eLearnings und der Kollaboration. Mobilität, Spontanei-
tät und Selbstorganisation spielen auch hier eine wichtige Rolle. Es wird beispielsweise
angenommen, dass Lernende auf einem Campus mehr und mehr mit mobilen Geräten
(z.B. Notebook, Handy, PDA) ausgestattet sind und dass sie diese auch für das Lernen
selbst einsetzen. Das Auffinden und Austauschen von relevanten Lernmaterialien sowie
die spontane Bildung von Lerngruppen sind typische Szenarien die betrachtet werden.
Die Lernmaterialien befinden sich dabei auf den mobilen Geräten der Lernenden und
nicht unbedingt auf zentralen Servern. Dies ist beispielsweise typisch für die gerade
erstellten Lösungen zu einer Übungsaufgabe oder für das im Rahmen eines Praktikums
implementierte Programm. Hierbei kann sich ein Markt von Lernmaterialien etablieren.
Insbesondere betrachtet wird die Kollaboration zwischen den Lernenden, unabhängig
davon, ob sich diese auf dem Campus oder an einer anderen Lokation (z.B. Cafe, Wohn-
heim) befinden (vgl. Abb. 3). Weiterhin interessant ist die Fragestellung, wie die gesuch-
ten Lernmaterialien gefunden werden können. Hierzu sind geeignete Beschreibungen
erforderlich.
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On-the-move
GSM, UMTS, … Campus
Wireless LAN
At home
Internet
On-the-move
GSM, UMTS, …
On-the-move
GSM, UMTS, … CampusCampus
Wireless LAN
At home
Wireless LAN
At home
Wireless LAN
At home
InternetInternet
Abbildung 3: eLearning mit mobilen Lernenden
2.2 Aspekte der Middleware
Die derzeit im SPP 1140 geförderten Projekte decken die in Abbildung 4 dargestellten
Themen ab. Die Fokussierung der Projekte auf Middleware und nahe daran angesiedel-
ten Fragestellungen ist deutlich zu erkennen.
Disaster
protection and
recovery
Position-based
multicast
Bluetooth
- routing, location,
scatternet -
Market places
Service
management
-protocols–
Service
Discovery and access
- semantics -
Context-based
routing
P2P-Multicast
ELearning –
Synchronous /
asynchronous Application-
engineering for
sensor networks
Publish/
Subscriber
with QoS
WLAN PCF
RGCP
Application-
triggered
routing
Disaster
protection and
recovery
Position-based
multicast
Bluetooth
- routing, location,
scatternet -
Market places
Service
management
-protocols–
Service
Discovery and access
- semantics -
Context-based
routing
P2P-Multicast
ELearning –
Synchronous /
asynchronous Application-
engineering for
sensor networks
Publish/
Subscriber
with QoS
WLAN PCF
RGCP
Application-
triggered
routing
Abbildung 4: Derzeit untersuchte Fragestellungen im SPP1140
An der Schnittstelle zwischen Anwendungen und Middleware ist ein Projekt angesiedelt,
welches sich mit dem Entwurf von Anwendungen für Sensornetze befasst und dabei
explizit zum einen eine große Anzahl von Sensoren berücksichtigt und zum anderen der
Tatsache Rechnung trägt, dass Sensoren unzuverlässig sind und damit während des Be-
triebs ausfallen und meistens nicht mehr ersetzt werden.
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Lokalisierung und Zugriff von Diensten stellen weitere wichtige Fragestellungen dar, die
im Kontext des SPP1140 untersucht werden. Beachtung finden dabei zum einen entspre-
chende Protokolle, zum anderen aber auch die Semantik, die erforderlich ist, um Dienste
zu beschreiben und zu finden. Beides sind Problemstellungen, die heute auch in Festnet-
zen noch nicht befriedigend gelöst sind, die aber gerade im Kontext selbstorga-
nisierender Systeme von außerordentlicher Wichtigkeit sind, und für deren Realisierung
die Berücksichtigung der Eigenschaften hochmobiler Systeme wesentlich ist.
Ebenso wichtig ist die Betrachtung unterschiedlicher Typen von Anwendungen mit
verschiedenen „Kommunikationsprofilen“, um zu vermeiden, dass die entwickelten
Lösungen zu stark auf eine bestimmte Anwendung hin zugeschnitten sind und evtl. dar-
über hinausgehende Fragestellungen keine Berücksichtigung finden. Im Schwerpunkt-
programm wird dies zum einen durch die Betrachtung stark unterschiedlicher Anwen-
dungen gewährleistet (s. oben), aber auch durch die Forschung hinsichtlich verschiede-
ner Interaktionsmuster. Explizit betrachtet werden Publisch/Subsribe-basierte Anwen-
dungen sowie so genannte Marktplätze, auf denen Waren (in diesem Fall Lern-
materialen und ähnliches) gehandelt werden. Gruppenkommunikation, die etwa beim
Lernen in Teams wichtig ist wird ebenfalls untersucht. Dedizierte Peer-to-Peer-Unter-
stützung hinsichtlich der Verwaltung von Gruppen wird hier unter anderem betrachtet.
Höherwertiges Routing stellt darüber hinaus eine wichtige Komponente der Middleware
dar. Hier wird Routing auf der Basis von Anwendungsentscheidungen durchgeführt bzw.
gesteuert durch den Kontext in dem sich eine Anwendung befindet. Diese Entscheidun-
gen überlagern die Routingentscheidungen der Basisinfrastruktur. Sie sollten im Sinne
eines möglichst reibungslosen Ablaufs mit geringem Overhead möglichst gut mit den in
der Basisinfrastruktur getroffenen Entscheidungen harmonisieren. Ebenen-übergreifende
Interaktionen stellen also dabei einen ganz wesentlichen Aspekt dar.
2.3 Basisinfrastruktur
Hinsichtlich der Basisinfrastruktur befassen sich die involvierten Projekte im Wesentli-
chen mit der Frage der Wegewahl in hochdynamischen selbstorganisierenden Systemen.
Es werden zum einen neuartige Formen des positionsbasierten Routings insbesondere für
die Realisierung von Multicast untersucht. Die Realisierung von größeren Bluetooth-
Netzen, so genannten Scatternetzen, ist ebenso Gegenstand der Untersuchungen wie die
Bereitstellung von Dienstgüte bei der Verwendung von drahtlosen mobilen Netzen am
Beispiel von WLAN.
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2.4 Ebenen-übergreifendes Routing
Trotz der erst recht kurzen Laufzeit der Projekte des Schwerpunktprogramms sind be-
reits wichtige Synergieeffekte zwischen den einzelnen Projekten zu erkennen. Im Rah-
men des vorliegenden Beitrags werden in dieser Hinsicht speziell die Synergien im Be-
reich des Routings dargestellt. Einen Überblick über die hinsichtlich des Routings so-
wohl in der Basisinfrastruktur als auch in der Middleware untersuchten Aspekte gibt
Abbildung 5. Es wurden bereits vielfache übergreifende Interaktionen identifiziert, die
im Rahmen der Projekte weiter verfolgt werden.
Position-based
Multicast
Context-based
Routing
Energy-efficient sensor networks
„Basic“ MANET
Routing
Application-triggered
Routing
QoS-Routing
with Clusters
Mobile ad hoc Networks (MANET)
WLAN (distributed coordination)
WLAN (point coordination)
Broadcast
Bluetooth
Unicast
Position-based
Unicast
Scatternet-
Routing
Topology-based
Unicast
Applications / Middleware
Interlayer Interaction
Enhanced
TORA
Position-based
Multicast
Context-based
Routing
Energy-efficient sensor networks
„Basic“ MANET
Routing
Application-triggered
Routing
QoS-Routing
with Clusters
Mobile ad hoc Networks (MANET)
WLAN (distributed coordination)
WLAN (point coordination)
Broadcast
Bluetooth
Unicast
Position-based
Unicast
Scatternet-
Routing
Topology-based
Unicast
Applications / Middleware
Interlayer Interaction
Enhanced
TORA
Abbildung 5: Ebenen-übergreifendes Routing im SPP1140
In Abbildung 5 sind unten zunächst mobile ad-hoc Netze mit den derzeit meistens disku-
tierten Technologien der drahtlosen lokalen Netze (WLANs) und Bluetooth dargestellt.
Es sei darauf hingewiesen, dass Forschung im Bereich der Technologien für mobile ad-
hoc Netze nicht Gegenstand von SPP 1140 ist. Entsprechende Arbeiten können etwa im
Schwerpunktprogramm 1102 gefunden werden.
WLAN und Bluetooth werden von den Projekten verwendet und im Rahmen des SPP
1140 hinsichtlich höherwertiger Dienste weiterentwickelt. Hierzu gehört basierend auf
den so genannten Point-Coordination Functions von WLAN die Bereitstellung von
QoS-basiertem Routing sowie basierend auf der Bluetooth-Technologie die Realisierung
von Scatternetzen und die Integration von Positionsinformation.
Vielfach werden die in der IETF-Arbeitsgruppe MANET (mobile ad-hoc networks)
diskutierten Routingverfahren zugrunde gelegt. Allerdings werden auch projektspezifi-
sche Weiterentwicklungen vorangetrieben, beispielsweise hinsichtlich des Verfahrens
TORA.
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Bereits in die Middleware einzuordnen sind die Routing-Ansätze, die von der Anwen-
dung bzw. dem Kontext gesteuert werden. Auch hier ist die ebenenübergreifende Inter-
aktion wichtig, die im Rahmen des Schwerpunkprogramms dediziert untersucht werden.
Flankierend wird der Aspekt der Energieeffizienz gesehen. Dieser wird derzeit zwar im
Wesentlichen in einem einzigen Projekt dediziert untersucht, ist aber in seinen Auswir-
kungen auf allen Ebenen wichtig für ein energieeffizientes Gesamtsystem.
3 Kurzüberblick über die einzelnen Projekte
Im Folgenden werden die am SPP 1140 beteiligten Projekte jeweils kurz präsentiert. Für
detailliertere Darstellungen und Diskussionen der bisher erzielten Ergebnisse sei auf die
angegebene Literatur verwiesen. Die Reihenfolge orientiert sich dabei an der Gliederung
der Projekte in die in Abb. 1 und Abb. 4 dargestellten Ebenen.
3.1 Mobile spontan vernetzte Sensornetze (Timmermann, Rostock)
Ausgangspunkt des Projektes ist die Verwendung von Sensoren, die über eine Kommu-
nikationsmöglichkeit per Bluetooth verfügen [BHG03]. Anwendungsbeispiel ist etwa
das oben erwähnte Beispiel mit den smarten Sandsäcken. Die Ziele des Projektes sind
zum einen in der Realisierung von Scatternetzen zu sehen, um überhaupt auf der Basis
von Bluetooth größere Netze etablieren zu können. In solchen Scatternetzen sollen dann
geeignete Verfahren für das Routing bzw. für das Auffinden von Diensten entwickelt
werden. Die Optimierung der verwendeten Ressourcen ist hierbei ein übergreifendes
Designziel, bei dem auch die Position der Sensoren mit eingehen soll. In diesem Zu-
sammenhang nimmt das Projekt auch eine wichtige Stellung innerhalb des SPP 1140 ein
– Schnittstellen zu vielen anderen Projekten bestehen.
Die bisherigen Arbeiten befassten sich mit der Bereitstellung eines erweiterten Blue-
tooth-Kommunikationsstacks auf der Basis der Linux-basierten Bluetooth-Imple-
mentierung µBlueZ. Die wesentlichen neuen Fähigkeiten des Kommunikationsstacks
sind dabei im Routing sowie bei der Dienstefindung zu sehen. Die entsprechenden
Komponenten wurden oberhalb der L2CAP-Schicht in den Stack integriert. Weitere
Informationen: http://www-md.e-technik.uni-rostock.de/~bj74/basissoftware/.
3.2 Positions-basiertes Multicast-Routing (Effelsberg/Mauve, Mannheim)
Aufbauend auf früheren Arbeiten der Forschungsgruppe wird im Rahmen des Schwer-
punktprogramms ein Protokoll zum positionsbasierten Multicast-Routing konzipiert und
prototypisch implementiert. Es wird ein unzuverlässiger Dienst angeboten. Ausgangs-
punkt ist positionsbasiertes Unicast-Routing, das generalisiert werden soll. Eine Heraus-
forderung besteht dabei in der Bestimmung desjenigen Knotens im Netz, ab dem der
Multicastverkehr in verschiedene Richtungen aufgeteilt wird. Es soll, wie im Unicast-
Fall, eine Planarisierung durchgeführt werden und dann die Rechte-Hand-Regel für
planare Graphen eingesetzt werden.
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Darüber hinaus wird Wert auf eine skalierbare Gruppenverwaltung sowie auf eine ska-
lierbare Verteilung der Informationen über die Position der Empfänger der Gruppe. Eine
geeignete Lastverteilung soll ebenfalls berücksichtigt werden.
Eine erste prototypische Implementierung sowie erste Ergebnisse hinsichtlich der Evalu-
ation liegen vor [MFWL03]. Die Projektseite ist im Internet zu finden unter
http://www.informatik.uni-mannheim.de/informatik/pi4/projects/pbm/.
3.3 Publisher/Subscriber Kommunikationsmuster mit Dienstgütegarantien (Nett,
Magdeburg)
Ziel des Projektes ist es, eine Umgebung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist,
für Anwendungen nicht-funktionale Eigenschaften wie Rechtzeitigkeit und Fehler-toler-
anz in heterogenen Multihop-Funknetzwerken garantieren zu können. Eine wesentliche
Herausforderung besteht darin, dass durch die eingeschränkten Sendebereiche Teilnetze
entstehen, so dass sich einzelne Paare von Knoten ohne Routing nicht erreichen könnten.
Es soll hierzu eine Publisher/Subscriber-Middleware entwickelt werden, die, abhängig
von den Anforderungen bzgl. der nicht-funktionalen Parameter der Applikationen, mit-
tels geeigneter Ressourcenverwaltung, Lastkontrolle und Lastverteilung die geforderte
Dienstgüte effizient bereitstellt. Dabei müssen insbesondere auch die bei mobilen Sys-
temen auftretenden Lokationsänderungen, welche die Zugehörigkeit zu Teilnetzen dy-
namisch verändern, dermaßen berücksichtigt werden, dass es zu keiner Beeinträchtigung
des zur Verfügung gestellten Dienstes kommt. Hierzu muss man die Charakteristika der
unterliegenden WLANs genau kennen und ausnutzen, wo immer möglich und sinnvoll.
Um diese Ziele erreichen zu können, soll als Basisdienst eine Gruppenkommunikation
mit einem integrierten Routing-Protokoll entwickelt werden, welches in der hochdyna-
mischen Umgebung von Multihop-Netzwerken gut skaliert und möglichst die Gemein-
samkeiten der verschiedenen Funktechniken optimal ausnutzt, um die geforderten
Dienstgüte-Parameter garantieren zu können. Hierauf aufsetzend wird ein höherwertiger
Dienst spezifiziert, der eine plattformenunabhängige und inhaltsbezogen adressierte
Kommunikation zwischen den beteiligten Stationen ermöglicht.
Mehr Informationen zum Projekt finden sich unter http://ivs.cs.uni-
magdeburg.de/EuK/Forschung/Middleware.html.
3.4 Dienstabhängige Ressourcen- und Lastverteilung (Martini, Bonn)
Das Projekt geht von der Verwendung von Bluetooth als zugrunde liegender Kommuni-
kationstechnologie aus. Die Bildung größerer Scatternetze ist ein Ziel des Projektes
[BBFKMS03]. Eine grundlegende Annahme besteht darin, dass ein mobiles Gerät zu
einem Zeitpunkt genau über einen Kanal senden und empfangen kann. Wichtig ist des-
halb, ein Scheduling zwischen diesen Kanälen zu finden, so dass die Last im Netz balan-
ciert und eine Fairness zwischen den Kommunikationsteilnehmern hergestellt werden
kann. Ganz wichtig ist hier eine gute Zusammenarbeit derjenigen Protokolle, die eine
Netztopologie aufbauen und verwalten, mit denjenigen, die für die Wegewahl verant-
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wortlich sind.
Im Rahmen des Projektes wurde bereits ein Scheduler für so genannten Best-Effort Ver-
kehr realisiert, also für Daten, die keinerlei Anforderungen hinsichtlich der Dienstgüte
haben.
3.5 Skalierbares kontextabhängiges Routing (Freisleben, Marburg)
Dieses Teilprojekt entwickelt eine adaptive, kontextabhängige und skalierbare Routing-
schicht zur Unterstützung von mobilen Anwendungen und Diensten. Hierbei passt sich
der Routingalgorithmus den Umgebungsveränderungen bestmöglich an. Die Umgebung
wird dabei durch die Reichweiten, Nachbarschaftsbeziehungen, relativen Knotenge-
schwindigkeiten, Fehlerraten u.a. bestimmt.
Das Routing soll über definierte Schnittstellen Applikationen und Diensten Informatio-
nen übermitteln und Leistungen mit den Applikationen verhandeln. Informationen, die
für Applikationen bereitgestellt werden, sind z.B. der Status von Nachbarn bezüglich
Energie, Erreichbarkeit und Belastung, Relativgeschwindigkeit von Stationen sowie
Topologieinformationen. Mit der Applikation verhandelbare Elemente sind z.B. adapti-
ve Nachbarschaftserkennung, Übersicht erreichbarer Stationen (besondere Dienste),
Sonderrouten für Multipath oder Multicast und die Unterstützung von Ruhe- oder Akti-
vitätszeiten. Ferner soll eine Weiterentwicklung von Routingalgorithmen (bzw. der a-
daptiven Routingschicht) bezüglich Energieeffizienz, Festnetzanbindung und Skalier-
barkeit erfolgen.
Zur Validierung der adaptiven Funktionselemente der zu entwickelnden Routingschicht
wird derzeit ein Netzwerkemulator (MobiEmu) verwendet und erweitert. Es ist geplant,
die Ergebnisse der Forschungsarbeiten auf mobilen Geräten zu implementieren und zu
evaluieren.
3.6 Kollaborationsumgebung für E-Learning in mobilen ad-hoc Netzen (Drobnik,
Frankfurt)
Im Vordergrund des ELAN-Projekts (http://elan.wox.org/, [LMD03]) steht die Unter-
stützung von E-Learning Szenarien, wobei die Eigenschaften von Ad-hoc Netzen för-
dernd in Lernvorgänge integriert werden sollen. Es soll eine adaptive Infrastruktur ent-
wickelt werden, die sich den dynamischen Änderungen von Ad-hoc Netzen anpassen
kann und stets die bestmögliche interessenbezogene Lernunterstützung bereitstellt. Zur
Umsetzung dieses Vorhabens werden in diversen Bereichen Konzepte entwickelt und
prototypisch zur Evaluierung umgesetzt. Dies umfasst Arbeiten auf Routing-Ebene, im
Middleware-Bereich und im Anwendungsbereich. Ziel dieser Arbeiten ist ein kompo-
nentenbasiertes Rahmenwerk für die Entwicklung von Lernanwendungen in Ad-hoc
Netzen.
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Hinsichtlich des Routings soll ein anwendungsgesteuertes Routingverfahren entwickelt
werden, das auf der Basis von Anforderungen der ELAN-Anwendungen die Konfigu-
ration von MANET-Routingprotokollen kontrolliert. Ein effizienter Zugriff auf Ressour-
cen, Dienste und Kollaborationspartner im Ad-hoc Netz soll durch eine Awareness-
gesteuerte Middleware unterstützt werden, die aufgrund von eLearning-Profilen soge-
nannte „Clusters of Interests“ bildet.
3.7 Selbstorganisiertes ubiquitäres Lernen (Sturm, Trier)
In einem selbstorganisierten universitären Übungsbetrieb suchen und bieten Studenten
Hilfe bei der Lösung vorlesungsbegleitender Aufgaben. Die traditionelle Funktion des
studentischen Übungsgruppenleiters wird auf eine intensivere Einzelbetreuung von Stu-
denten bzw. Kleingruppen verteilt. Durch ein selbstorganisiertes System mobiler und
drahtlos kommunizierender Kleincomputer (PDAs bzw. Notebooks) soll diese innovati-
ve Form des Übungsbetriebs unterstützt und effizient gestaltet werden. Das System soll
in seinem Endausbau eine sinnvolle Verteilung von Hilfeanfragen und -angeboten er-
möglichen, die Betreuungsqualität und „Reputation” aller Beteiligten kontinuierlich
dokumentieren sowie die Grundlage für eine fallbasierte Bezahlung der studentischen
Leistung bilden.
Die Anwendung setzt auf einer zu entwickelnden Middleware für selbstorganisierte
verteilte Systeme auf. Diese Middleware nutzt Dienste für die einfache Bestimmung des
Ortes und realisiert ein ressourcen-kontrolliertes Nachrichtentransportsystem für funkba-
sierte mobile Rechnernetze auf der Basis epidemischer Verteilungsalgorithmen. Dabei
ist ein aushandelbarer Anwendungsanteil an den notwendigen Broadcast-Nachrichten
bereits in der Discovery-Phase möglich (frühest möglicher Anycast). Weitere Dienste
sind Election- und Clustering-Verfahren zur Auflösung einer räumlichen Häufung von
Kommunikationspartnern (z.B. während einer Vorlesung) sowie verschiedene Reputati-
onsmechanismen für die Objektivierung von Information und Belegbarkeit von Vorgän-
gen und bestimmten Eigenschaften in verteilten Systemen ohne vertrauenswürdige Zent-
rale.
Es wurde im SOUL-Projekt (http://bowmore.uni-trier.de/soul/, [GFLS03].) ein so ge-
nannter Marktplatz als Kommunikationsmuster entwickelt. Die zentrale Idee dabei ist,
dass Geräte, die sich auf dem Marktplatz befinden, in Stellvertretung von Lernenden
agieren. Als typisches Bewegungsmuster in der physikalischen Realität wird ein solches
verwendet, bei dem sich die Interaktionspartner zu einem Marktplatz bewegen, dort
Informationen austauschen und sich dann wieder von diesem Platz entfernen.
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3.8 SWARMS – Software Architecture for Radio-Based Mobile Systems (Fischer,
Braunschweig, Luttenberger, Kiel)
Im SWARMS-Projekt liegt der Fokus auf der Erstellung einer Middleware und einer
Programmiermethodik für mobile Sensornetze. Eine Sammlung von Geräten, die ein
bestimmtes Problem lösen sollen, wird als ein Schwarm betrachtet, wobei die Analogie
zum Tierreich beabsichtigt ist. Der Schwarm versucht, ein gegebenes Problem unter den
Randbedingungen sehr beschränkter Ressourcen und Fähigkeiten der Einzelsysteme zu
lösen. Dabei soll in dieser ersten Stufe ein Anwendungsprogrammierer dem Schwarm im
Wesentlichen das Ziel vorgeben, während die tatsächliche Lösung durch Selbstorganisa-
tion erbracht wird. Die Middleware verbirgt diesen Prozess vor der Anwendung. Zentra-
les Element ist der sogenannte Virtual Shared Information Space (VSIS), der den Zu-
stand der Anwendung modelliert und von dem jeder Knoten des Netzes nur einen Aus-
schnitt kennt. Durch die Verwendung eines dezentralen Publish/Subscribe-ähnlichen
Mechanismus kann die Middleware sehr fehlertolerant agieren.
Zum jetzigen Zeitpunkt haben die Projektpartner die Architektur der Middleware entwi-
ckelt und damit begonnen, eine Implementierung zu erstellen. Mit der Verfügbarkeit von
ersten Demos wird gegen Ende des Jahres gerechnet. Weitere Informationen zu
SWARMS finden sich unter http://www.swarms.de, eine kurze Zusammenfassung liefert
[BFLR03].
3.9 Dienstsuche und -nutzung in Ad-hoc-Netzen (König-Ries, Karlsruhe)
Ziel des DIANE-Teilprojekts ist die Entwicklung und Evaluierung von Konzepten zur
integrierten, effizienten und effektiven Nutzung der in einem Ad-hoc-Netz in Form von
Diensten bereitgestellten Ressourcen. Von besonderem Interesse sind Informations-
dienste, Dienste also, die den möglichst integrierten Zugriff auf digital verfügbare In-
formation ermöglichen. Hierzu schlagen die Projektpartner Mechanismen zur Dienstbe-
schreibung, zum Auffinden und zur Auswahl von Diensten sowie zur effizienten Abar-
beitung von Anfragen vor. Als Anwendung wird der Austausch und die Nutzung von
eLearning-Dokumenten betrachtet.
Zurzeit werden vier größere Softwarepakete entwickelt. Thema von diane.jxta ist die
Bereitstellung einer Peer-to-Peer-basierten Kommunikationsplattform. Diane.gui stellt
dazu die geräteunabhängigen Benutzerschnittstellen zur Verfügung, während dia-
ne.routing ein eigenes ringförmiges Routingverfahren beisteuert, in dem sich die Knoten
mit gleichen Interessen zu so genannten Service Rings zusammenfinden. Da eine kom-
plette Evaluation durch Experimente schwierig ist, wird in diane.simulator ein entspre-
chender Simulator für alle Komponenten entwickelt.
Weitere Informationen zum Projekt finden sich auf der Web-Seite
http://www.ipd.uka.de/DIANE/ sowie in [KKO03].
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3.10 Ad-hoc Service Management (Spaniol, Aachen)
Das Ziel dieses Teilprojekts besteht darin, eine Middleware zu schaffen, die es Benut-
zern und Anwendungen gestattet, auf einfache Weise Dienste zu finden und zu nutzen,
die von anderen Geräten in einem Ad-Hoc-Netzwerk angeboten werden. Beispiele um-
fassen Drucker-, Internetverbindungs- oder Datenbankzugangsdienste.
Das zugehörige Dienstmanagement muss dazu einen effizienten und leicht zu benutzen-
den Dienstfindungsmechanismus anbieten, der es Benutzern gestattet, passende Anbieter
für einen gesuchten Dienst zu finden. Offensichtlich führt die Mobilität der Netzknoten
zu einer hoch-dynamischen Umgebung, in der Knoten und damit Dienste häufig hinzu-
kommen oder den Einzugsbereich verlassen. Deshalb sollte das Servicemanagement
beispielsweise einen transparenten Provider-Wechsel gestatten.
Die typischerweise sehr beschränkten Ressourcen eines Ad-Hoc-Netzes zum Beispiel
bzgl. verfügbarer Bandbreite implizieren Protokolle, die möglichst wenig Overhead
produzieren. Auf der anderen Seite führt die Mobilität zu häufig wechselnden Topolo-
gien, so dass Update-Nachrichten ausgetauscht werden müssen. Ein wichtiges Ziel die-
ses Projekts ist es daher, den richtigen Kompromiss zwischen Netzwerkbelastung und
Relevanz von Service-Informationen zu finden.
Weitere Informationen zum Projekt liefert http://www-i4.informatik.rwth-
aachen.de/content/research/projects/.
3.11 Mobilitätsbewusster Multicast (Zitterbart, Karlsruhe)
Dieses Teilprojekt befasst sich mit der Bereitstellung von adaptiven und mobilitätsbe-
wussten Gruppendiensten über hochdynamischen selbstorganisierenden Kommunikati-
onsumgebungen auf der Basis von mobilen ad-hoc Netzen. Dabei wird besonders auf
eine effiziente Bereitstellung von zuverlässigem Multicast Wert gelegt, wie er eventuell
für den Austausch von Lernmaterialien in sich spontan bildenden Lerngruppen benötigt
wird. Adaptivität bei der Bereitstellung eines solchen Dienstes ist aufgrund der dynami-
schen Änderungen in der Infrastruktur unumgänglich. Hier wird besonderer Wert auf
enge Interaktionen zwischen den Ebenen der Infrastruktur und der Middleware gelegt.
Hinsichtlich der Gruppenverwaltung sollen Konzepte aus dem Peer-to-Peer Networking
analysiert und gegebenenfalls geeignet angepasst werden. Erste Untersuchungen ver-
schiedener Verfahren haben deutlich die Abhängigkeit von Overlay-Netzen für die
Gruppenverwaltung vom Routing und den Qualitäten der Infrastruktur gezeigt. Erste
Konzepte zur Verbesserung von Overlay-Netzen für den Einsatz in mobilen ad-hoc Net-
zen liegen vor. Eine besondere Herausforderung ist hierbei in der ebenenübergreifenden
Interaktion mit dem Routing im ad-hoc Netz und damit dem Zusammenarbeiten von
Prozessen zur Selbstorganistation auf zwei Ebenen zu sehen.
Die Projekt-Webseite findet sich unter http://www.tm.uka.de/projects/mamas/.
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3.12 CoCo/Mo und CoCo/Da (Schiller, Schweppe, Berlin)
Die beiden Projekte an der FU Berlin gehen ebenfalls von einer Situation mit sehr knap-
pen Ressourcen aus und analysieren Möglichkeiten zur Erbringung von Dienstgüte
(QoS).
Das CoCo/Mo-Projekt (Cooperation-Communication/Mobility, http://www.inf.fu-
berlin.de/inst/ag-tech/SPP1140/) konzentriert sich dabei auf die Formulierung und Über-
setzung von QoS-Parametern von höheren Ebenen, wo sie in Form von Kooperations-
mustern beschrieben werden, auf tiefere Ebenen, wo Kommunikationsmuster entschei-
dend sind. Dabei sollen die knappen Ressourcen optimal genutzt werden, was unter
anderem durch eine Feedback-Komponente realisiert werden soll, die der Anwendung
Hinweise bzgl. möglicher Adaption an die aktuelle Netzwerklast geben soll.
Im CoCo/Da-Projekt (Cooperation Communication/Data, http://www.inf.fu-
berlin.de/inst/ag-db/projects/project_CoCoDa.html) sollen Techniken zum gezielten
Austausch von Information in einem sich verändernden Netz von Partnern entwickelt
werden. Das Spektrum der Operationen reicht von einfachen Retrieval-Aufgaben bis hin
zu komplexen Änderungstransaktionen zwischen autonomen Partnern. Es ist geradezu
ein Merkmal selbst organisierender Systeme, dass schwerwiegende Fehlerzustände, etwa
Inkonsistenzen, auftreten können. Charakteristisch für natürliche Selbstorganisation ist
die Fähigkeit, solche Zustände durch geeignete Reaktionen zu heilen und ferner neue
Knoten zu integrieren. Techniken und Verfahren, die diese Fähigkeit im Hinblick auf
unvollständige, fehlerhafte, vorübergehend nicht verfügbare Information unterstützen,
stehen im Mittelpunkt Teilprojekts.
Dank
geht an die DFG für die Förderung dieses zukunftsweisenden Themenbereichs im Rah-
men eines Schwerpunktprogramms. Darüber hinaus sei den Kollegen Drobnik, Jobmann,
Lockemann, Rothermel und Spaniol gedankt, die tatkräftig in die Initiierung dieses SPPs
involviert waren.
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men“ (KiVS’03), Leipzig, VDE-Verlag, Februar 2003.
[MFWL03] Mauve, M.; Füßler, J., Widmer, J.; Lang, T.; Poster: Position-Based Multicast Routing
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