Untersuchung des Einsatzes von Web Service-Technologien in Automationsnetzwerken

In letzter Zeit wurden viele spezifische Protokolle entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit es möglich ist, existierende proprietäre Protokolle auf Web Services abzubilden. Es wurde des Weiteren die Skalierbarkeit von Web Services untersucht. Es wurde gezeigt, dass Web Services in Netzwerken beliebiger Größen eingesetzt werden können. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Untersuchung der Web Services im Hinblick auf die Echtzeitfähigkeit. Es konnte gezeigt werden, dass die Verarbeitung der Nachrichten in die Hardware verlagert werden kann

Web Services in stark ressourcenlimitierten Umgebungen

In dieser Arbeit wird eine Vernetzungslösung für 6LoWPANs auf Grundlage von W3C SOAP Web Services vorgestellt. Zum einen werden erweiterte, generelle Schnittstellenmechanismen und Funktionen wie beispielsweise effizientes Discovery (Suchen und Finden von Geräten) und feingranulares Eventing (asynchrones Push) definiert. Zum Zweiten wird die Nachrichtengröße durch Nutzung spezifischer Datenkodierungen auf Basis von EXI minimiert. Zum Dritten wird ein Ansatz vorgestellt, mit dem die größenoptimierten Nachrichten effizient mittels CoAP im 6LoWPAN übermittelt werden können

Hardware-basierte Sicherheitskonzepte für Teilnehmerzugangsnetzwerke

Primäres Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Sicherheitssystem zu konzipieren und prototypisch zu entwickeln, welches durchschnittliche Internet-Nutzer netzwerkseitig schützt, ohne dass deren Eingreifen erforderlich ist. Dabei muss das Sicherheitssystem eine niedrige Latenz aufweisen, damit die QoE bzgl. des Internet-Verhaltens für die Nutzer hoch bleibt. Dieser Fakt wiegt um so schwerer, weil auch in Zukunft die Datenraten weiter steigen werden.The primary goal of this thesis is to design and prototypically develop a security system that protects average Internet users on the network side without requiring their intervention. The security system has to have a low latency so that the QoE regarding the Internet behavior remains high for the users. This fact is all the more important because data rates will continue to rise in the future

Flexible und leistungsfähige Nutzung Dienst-spezifischer Netze auf Endsystemen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Lösungen für eine flexible und leistungsfähige Nutzung Dienst-spezifischer Netze auf Endsystemen entwickelt. Dabei wurde ein flexibles Zugriffsverfahren für Dienst-spezifische Netze, ein Hierarchisches Knoten-Management für die Verwaltung der auf Endsystemen für Dienst-spezifische Netze benötigten Netz-, Speicher-, und CPU-Ressourcen und ein leistungsfähiges Rahmenwerk, das Flexibilität mit dem Erreichen hoher Datenraten kombiniert, entworfen

Middleware für Ubiquitäre Systeme: Ein Modellgetriebener Ansatz

Dieser Dissertation liegt die Hypothese zugrunde, dass modell-getriebene Softwareentwicklung (MDSD) den Widerspruch zwischen "top-down"- und "bottom-up"- Entwicklung durch einen "middle-out" Ansatz auflöst, welcher zwischen Technologie und Abstraktion vermittelt. MDSD wird als Mittel verwendet, um Middleware für Ubiquitäre Systeme auf dem einen Turm von Modellen zu bauen, ohne den Bezug zur konkreten Technologie zu verlieren

Domänenübergreifende Anwendungskommunikation im IP-basierten Fahrzeugbordnetz

In heutigen Premiumfahrzeugen kommunizieren bis zu 80 Steuergeräte über bis zu sechs verschiedene Vernetzungstechnologien. Dabei öffnet sich die Fahrzeugkommunikation nach außen: Das Fahrzeug kommuniziert auch mit dem Smartphone des Fahrers und dem Internet. Für die Kommunikation über verschiedene Anwendungsdomänen im Fahrzeug müssen heute Gateways eingesetzt werden, die zwischen den nicht-kompatiblen Protokollen übersetzen. Deswegen geht der Trend auch in der Fahrzeugkommunikation zum Internet Protocol (IP), das für technologie- und domänenübergreifende Kommunikation entwickelt wurde. Neben dem durchgängigen Protokoll auf der Vermittlungsschicht ist für die effiziente Entwicklung eines komplexen, verteilten Systems wie einem Fahrzeug auch eine entsprechende Kommunikationsmiddleware notwendig. Die Kommunikation in einem Fahrzeug stellt spezielle Anforderungen an die Kommunikationsmiddleware. Zum einen werden in Fahrzeugen unterschiedliche Kommunikationsparadigmen genutzt, beispielsweise signalbasierte und funktionsbasierte Kommunikation. Zum anderen können sich die Kommunikationspartner in einem Fahrzeug hinsichtlich ihrer Ressourcen und ihrer Komplexität erheblich unterscheiden. Keine existierende IP-basierte Kommunikationsmiddleware erfüllt die in der vorliegenden Arbeit identifizierten Anforderungen für den Einsatz im Fahrzeug. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine Kommunikationsmiddleware zu konzipieren, die für den Einsatz im Fahrzeug geeignet ist. Die vorgestellte Lösung sieht mehrere interoperable Ausprägungen der Middleware vor, die den Konflikt zwischen unterschiedlichen funktionalen Anforderungen einerseits und den sehr heterogenen Kommunikationspartnern andererseits auflösen. Ein weiterer elementarer Teil der Lösung ist die Umsetzung der im Fahrzeug erforderlichen Kommunikationsparadigmen. Das funktionsbasierte Paradigma wird durch einfache Remote Procedure Calls implementiert. Das signalbasierte Paradigma wird durch ein darauf aufbauendes Notification-Konzept implementiert. Somit wird eine stärker am aktuellen Informationsbedarf orientierte Umsetzung ermöglicht, als dies im heutigen Fahrzeugbordnetz durch das einfache Verteilen von Daten der Fall ist. Es wird gezeigt, dass sich prinzipiell beide Kommunikationsparadigmen durch einen einzigen Mechanismus abbilden lassen, der abhängig von den beteiligten Ausprägungen mit dynamischen oder nur statischen Daten operiert. Ein skalierbares Marshalling berücksichtigt darüber hinaus die unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungen und die unterschiedliche Leistungsfähigkeit der beteiligten Steuergeräte. Hiermit wird die Kommunikation zwischen allen Anwendungen im IP-basierten Fahrzeugbordnetz durchgängig ermöglicht. Auf dieser Basis wird die Lösung um wichtige Systemdienste erweitert. Diese Dienste implementieren Funktionen, die nur in der Kooperation mehrerer Komponenten erbracht werden können oder kapseln allgemeine Kommunikationsfunktionalität zur einfachen Wiederverwendung. Zwei für die Anwendung im Fahrzeug wichtige Systemdienste werden prototypisch dargestellt: Ein Service-Management ermöglicht die Verwaltung von Diensten in unterschiedlichen Zuständen, ein Security-Management bildet Security-Ziele auf die bestmögliche Kombination von implementierten Security-Protokollen der beteiligten Kommunikationspartner ab. Diese Systemdienste sind selbst skalierbar und lassen sich damit an das Konzept unterschiedlicher Ausprägungen der Kommunikationsmiddleware anpassen. Durch Leistungsmessungen an den im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Prototypen wird gezeigt, dass die konzipierte Kommunikationsmiddleware für den Einsatz auf eingebetteten Systemen im Fahrzeug geeignet ist. Der Versuchsaufbau orientiert sich an typischen Anwendungsfällen für die Fahrzeugkommunikation und verwendet Automotive-qualifizierte, eingebettete Rechenplattformen. Insbesondere wird nachgewiesen, dass mit dem beschriebenen Konzept auch leistungsschwache Steuergeräte ins System eingebunden werden können. Die IP-basierte Kommunikationsmiddleware ist damit auf allen relevanten Steuergeräten im Fahrzeug durchgängig einsetzbar.In today's premium cars, up to 80 electronic control units communicate over up to six networking technologies. Additionally, vehicle communication opens to off-board: the car connects to the driver's smartphone and the Internet. The communication between different application domains within the vehicle builds on additional hardware components as application layer gateways to translate between the incompatible protocols. Thus, also for in-car communication, the trend goes towards networking over the Internet Protocol (IP) that has been developed for being independent of technologies and application domains. Besides the universal protocol at the network layer, an efficient development of a complex distributed system requires communication middleware. In-car communication makes special demands on the communication middleware. On the one hand, a variety of communication paradigms are used for in-car communication, such as signal-based and function-based communication. On the other hand, the communication partners differ considerably in terms of computing resources and complexity of the hosted applications. No existing IP-based middleware fulfils the identified requirements for in-car communication. The objective of this research is to design a middleware that is suitable for IP-based in-car communication. The presented solution provides multiple interoperable specifications of the middleware which resolves the conflict between different functional requirements on the one hand and the very heterogeneous communication partners on the other hand. Another fundamental part of the solution is the implementation of required communication paradigms. The function-based paradigm is implemented by simple remote procedure calls. The signal-based paradigm is implemented by a notification concept that allows for a more demand-oriented communication compared to today's practice. It is shown, how both communication paradigms can be implemented through a single mechanism that operates on dynamic or static data -- depending on the involved middleware specifications. A scalable marshalling considers the different requirements and performance levels of the participating electronic control units. Scalable specifications of the communication middleware enable seamless operations on restricted embedded and more powerful platforms. On this basis, the solution is enhanced with important system services. Such services implement functionality that can only be provided in cooperation of multiple components or that encapsulate general communication functionality for easy reuse. Two essential services are prototyped: a service management allows the management of services in different operational states. A security management matches security objectives in the best possible combination of implemented security protocols that two given communication partners have in common. These system services are designed to be scalable and can therefore be adapted to the concept of different specifications of the communication middleware. Performance measurements using the implemented prototypes show that the designed communication middleware is suitable for the application on embedded systems in the vehicle. The experimental set-up is based on typical use cases for in-car communication and uses automotive-qualified, embedded computing platforms. In particular, the set-up practically demonstrates that the concept also incorporates low-performance electronic control units into the system. The IP-based communication middleware enables communication between all applications in the IP-based in-car communication system

Domänenübergreifende Anwendungskommunikation im IP-basierten Fahrzeugbordnetz

In heutigen Premiumfahrzeugen kommunizieren bis zu 80 Steuergeräte über bis zu sechs verschiedene Vernetzungstechnologien. Dabei öffnet sich die Fahrzeugkommunikation nach außen: Das Fahrzeug kommuniziert auch mit dem Smartphone des Fahrers und dem Internet. Für die Kommunikation über verschiedene Anwendungsdomänen im Fahrzeug müssen heute Gateways eingesetzt werden, die zwischen den nicht-kompatiblen Protokollen übersetzen. Deswegen geht der Trend auch in der Fahrzeugkommunikation zum Internet Protocol (IP), das für technologie- und domänenübergreifende Kommunikation entwickelt wurde. Neben dem durchgängigen Protokoll auf der Vermittlungsschicht ist für die effiziente Entwicklung eines komplexen, verteilten Systems wie einem Fahrzeug auch eine entsprechende Kommunikationsmiddleware notwendig. Die Kommunikation in einem Fahrzeug stellt spezielle Anforderungen an die Kommunikationsmiddleware. Zum einen werden in Fahrzeugen unterschiedliche Kommunikationsparadigmen genutzt, beispielsweise signalbasierte und funktionsbasierte Kommunikation. Zum anderen können sich die Kommunikationspartner in einem Fahrzeug hinsichtlich ihrer Ressourcen und ihrer Komplexität erheblich unterscheiden. Keine existierende IP-basierte Kommunikationsmiddleware erfüllt die in der vorliegenden Arbeit identifizierten Anforderungen für den Einsatz im Fahrzeug. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine Kommunikationsmiddleware zu konzipieren, die für den Einsatz im Fahrzeug geeignet ist. Die vorgestellte Lösung sieht mehrere interoperable Ausprägungen der Middleware vor, die den Konflikt zwischen unterschiedlichen funktionalen Anforderungen einerseits und den sehr heterogenen Kommunikationspartnern andererseits auflösen. Ein weiterer elementarer Teil der Lösung ist die Umsetzung der im Fahrzeug erforderlichen Kommunikationsparadigmen. Das funktionsbasierte Paradigma wird durch einfache Remote Procedure Calls implementiert. Das signalbasierte Paradigma wird durch ein darauf aufbauendes Notification-Konzept implementiert. Somit wird eine stärker am aktuellen Informationsbedarf orientierte Umsetzung ermöglicht, als dies im heutigen Fahrzeugbordnetz durch das einfache Verteilen von Daten der Fall ist. Es wird gezeigt, dass sich prinzipiell beide Kommunikationsparadigmen durch einen einzigen Mechanismus abbilden lassen, der abhängig von den beteiligten Ausprägungen mit dynamischen oder nur statischen Daten operiert. Ein skalierbares Marshalling berücksichtigt darüber hinaus die unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungen und die unterschiedliche Leistungsfähigkeit der beteiligten Steuergeräte. Hiermit wird die Kommunikation zwischen allen Anwendungen im IP-basierten Fahrzeugbordnetz durchgängig ermöglicht. Auf dieser Basis wird die Lösung um wichtige Systemdienste erweitert. Diese Dienste implementieren Funktionen, die nur in der Kooperation mehrerer Komponenten erbracht werden können oder kapseln allgemeine Kommunikationsfunktionalität zur einfachen Wiederverwendung. Zwei für die Anwendung im Fahrzeug wichtige Systemdienste werden prototypisch dargestellt: Ein Service-Management ermöglicht die Verwaltung von Diensten in unterschiedlichen Zuständen, ein Security-Management bildet Security-Ziele auf die bestmögliche Kombination von implementierten Security-Protokollen der beteiligten Kommunikationspartner ab. Diese Systemdienste sind selbst skalierbar und lassen sich damit an das Konzept unterschiedlicher Ausprägungen der Kommunikationsmiddleware anpassen. Durch Leistungsmessungen an den im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Prototypen wird gezeigt, dass die konzipierte Kommunikationsmiddleware für den Einsatz auf eingebetteten Systemen im Fahrzeug geeignet ist. Der Versuchsaufbau orientiert sich an typischen Anwendungsfällen für die Fahrzeugkommunikation und verwendet Automotive-qualifizierte, eingebettete Rechenplattformen. Insbesondere wird nachgewiesen, dass mit dem beschriebenen Konzept auch leistungsschwache Steuergeräte ins System eingebunden werden können. Die IP-basierte Kommunikationsmiddleware ist damit auf allen relevanten Steuergeräten im Fahrzeug durchgängig einsetzbar.In today's premium cars, up to 80 electronic control units communicate over up to six networking technologies. Additionally, vehicle communication opens to off-board: the car connects to the driver's smartphone and the Internet. The communication between different application domains within the vehicle builds on additional hardware components as application layer gateways to translate between the incompatible protocols. Thus, also for in-car communication, the trend goes towards networking over the Internet Protocol (IP) that has been developed for being independent of technologies and application domains. Besides the universal protocol at the network layer, an efficient development of a complex distributed system requires communication middleware. In-car communication makes special demands on the communication middleware. On the one hand, a variety of communication paradigms are used for in-car communication, such as signal-based and function-based communication. On the other hand, the communication partners differ considerably in terms of computing resources and complexity of the hosted applications. No existing IP-based middleware fulfils the identified requirements for in-car communication. The objective of this research is to design a middleware that is suitable for IP-based in-car communication. The presented solution provides multiple interoperable specifications of the middleware which resolves the conflict between different functional requirements on the one hand and the very heterogeneous communication partners on the other hand. Another fundamental part of the solution is the implementation of required communication paradigms. The function-based paradigm is implemented by simple remote procedure calls. The signal-based paradigm is implemented by a notification concept that allows for a more demand-oriented communication compared to today's practice. It is shown, how both communication paradigms can be implemented through a single mechanism that operates on dynamic or static data -- depending on the involved middleware specifications. A scalable marshalling considers the different requirements and performance levels of the participating electronic control units. Scalable specifications of the communication middleware enable seamless operations on restricted embedded and more powerful platforms. On this basis, the solution is enhanced with important system services. Such services implement functionality that can only be provided in cooperation of multiple components or that encapsulate general communication functionality for easy reuse. Two essential services are prototyped: a service management allows the management of services in different operational states. A security management matches security objectives in the best possible combination of implemented security protocols that two given communication partners have in common. These system services are designed to be scalable and can therefore be adapted to the concept of different specifications of the communication middleware. Performance measurements using the implemented prototypes show that the designed communication middleware is suitable for the application on embedded systems in the vehicle. The experimental set-up is based on typical use cases for in-car communication and uses automotive-qualified, embedded computing platforms. In particular, the set-up practically demonstrates that the concept also incorporates low-performance electronic control units into the system. The IP-based communication middleware enables communication between all applications in the IP-based in-car communication system

Requirement-oriented information distribution in connected mobility scenarios

Die Zahl vernetzter Fahrzeuge wächst stetig. Während derzeit die meisten mobilen Onlinedienste in den Bereichen Infotainment und Navigation angesiedelt sind, ist zukünftig mit einer Ausdehnung in die Domäne der Fahrerassistenz zu rechnen. Da Fahrerassistenzsysteme mitunter aktiv in die Fahrzeugführung eingreifen, gelten hohe Anforderungen bezüglich der Qualität und Aktualität der Daten. Zu spät zugestellte bzw. fehlende Daten können zu Fehlfunktionen führen, die ein Sicherheitsrisiko für die Fahrzeuginsassen sowie andere Verkehrsteilnehmer darstellen. Die Vernetzung der Fahrzeuge über das Internet erfolgt derzeit ausschließlich über Mobilfunknetze. Mobilfunknetze zeichnen sich durch eine hohe geografische Abdeckung aus, allerdings unterliegt die Qualität des Datenkanals örtlichen Schwankungen, die sich negativ auf die Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit der mobilen Dienste auswirken können. Ein Weg zur Steigerung der Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit ist die Verwendung sogenannter Connectivity-Maps. Connectivity-Maps enthalten georeferenzierte Daten zu Eigenschaften des Mobilfunknetzes, die im Rahmen von Messfahrten gesammelt wurden. Dieses a priori Wissen kann verwendet werden, um die Übertragung von Daten proaktiv zu planen. Die Übertragungszeitpunkte können so gewählt werden, dass eine möglichst hohe Qualität des Mobilfunkkanals vorliegt. In diesem Fall ist die spektrale Effizienz hoch, so dass weniger wertvolle Ressourcen der Luftschnittstelle für die Datenübertragung benötigt werden. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das die Datenverteilung von einem zentralen Server zu den Fahrzeugen optimiert. Ziel der Optimierung ist es, die Sendereihenfolge der Datenobjekte so zu wählen, dass unter Berücksichtigung individueller spätester Zustellzeitpunkte eine möglichst hohe Ausnutzung der Luftschnittstelle erreicht wird. Die Arbeit fokussiert sich auf High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) und verwendet als Maß für die Kanalqualität den sogenannten Channel Quality Indicator (CQI). Aus gemessenen CQI-Werten wird zunächst die CQI-Karte erstellt, die den ortsbezogenen Zugriff auf historische CQI-Daten erlaubt. Auf Basis dieser Daten werden Übertragungsdauer und Kanalausnutzung der Datenobjekte prädiziert. Anhand dieser Prädiktion kann eine optimale Sendereihenfolge ermittelt werden. Die umfangreiche Evaluation des Verfahrens erfolgt unter Verwendung einer im Kontext dieser Arbeit entwickelten Simulationsumgebung.The number of connected cars is growing continuously. While currently most mobile services reside in the areas of infotainment and navigation, an extension to the domain of driver assistance systems is to be expected. Systems such as hazard or construction site assists are supplied with new data in real time, map based assistance functions receive updates of the map data on a daily basis. As these systems may actively intervene in the driving process, high requirements concerning the quality and timeliness of the data have to be met. Delayed or missing data may cause malfunctions posing a safety risk to vehicles' passengers and other road users. At the moment cellular networks are used to connect vehicles to the internet. Cellular networks are characterized by a large geographical coverage, but the quality of the wireless data channel suffers from local fluctuations. These fluctuations of channel quality may have a bad impact on the functionality and reliability of the mobile services. A way to improve the functionality and reliability is to use so called connectivity maps. Connectivity maps offer georeferenced characteristics of the cellular network, which have been collected within measurement drives. This a priori knowledge can be used to plan the transmission of data from the internet to the vehicles proactively. The transmission times can be chosen to ensure a maximum channel quality resulting in a high spectral efficiency. With high spectral efficiency, less precious resources of the air interface are required to transmit a data object. This thesis offers a new concept to optimize the data distribution from a central server to vehicles. The objective of the optimization is to find a data objects' order, which maximizes the utilization of the air interface but considers individual deadlines. The work focusses on High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) and uses the Channel Quality Indicator (CQI) to measure the channel quality. Initially a CQI-map is created using in field CQI measurements. This map provides location based access to historical CQI values. These values are used to predict transmission duration and channel utilization. Based on the predictions the optimal transmission order is calculated. An extensive evaluation is carried out using a simulation environment, which has been developed within this thesis