Übersicht über den Sonderforschungsbereich Nexus

Ziel des Sonderforschungsbereichs 627 "Umgebungsmodelle für mobile kontextbezogene Systeme" ist die Erforschung von Methoden und Verfahren für die Definition, die Verwaltung und die Nutzung von umfangreichen und detaillierten räumlichen Modellen unserer physischen Umgebung. Diese generischen und erweiterbaren räumlichen Modelle können von einer Vielzahl von kontextbezogenen Anwendungen genutzt werden. Sie beinhalten sowohl stationäre Objekte wie Straßen, Gebäude oder Räume, als auch mobile Objekte wie Personen, Autos oder gar Werkzeuge einer "Smart Factory". Des weiteren können sie mit virtuellen Objekten erweitert werden, um so beispielsweise reale Objekte mit Webseiten zu verbinden.

Durch den Zusammenschluss mehrerer heterogener räumlicher Modelle entstehen föderierte räumliche Modelle. Für ein breites Spektrum von Anwendungen wird somit eine globale und konsistente Sicht auf die heterogene räumliche Information möglich. Typischerweise werden solche räumlichen Umgebungsmodelle in einer hochgradig verteilten Server-Infrastruktur verwaltet, ähnlich dem World Wide Web heute. Wir können jedoch davon ausgehen, dass durch die fortschreitenden Entwicklungen im Bereich "Ad Hoc-Netzwerke" Teile des globalen Umgebungsmodells auch nach dem peer-to-peer-Ansatz verwaltet werden können. Insbesondere die Klasse der ortsbezogenen Anwendungen und aktuelle Forschungsgebiete wie das Ubiquitous Computing können von solchen Umgebungsmodellen profitieren, oder werden durch sie erst ermöglicht.

Folgende Teilprojekte werden von der Abteilung "Verteilte Systeme" durchgeführt:

Teilprojekt A2: Kontextbezogene Kommunikation

Im Teilprojekt A2 stehen neuartige kontextbezogene Kommunikationsparadigmen im Vordergrund, die auf Grundlage eines detaillierten Umgebungsmodells realisiert werden können. Ziel des Teilprojekts ist es, diese Modelle zu nutzen, um Nachrichten selektiv an Benutzer mit einem bestimmten Kontext zu verteilen.

Die Arbeiten der ersten Förderperiode im Bereich der ortsbezogenen Kommunikation (Geocast) dienen hierbei als Ausgangspunkt. Geocast-Protokolle ermöglichen das Senden von Nachrichten an alle Empfänger an einem bestimmten Ort. In der ersten Förderperiode wurden Geocast-Protokolle für infrastrukturbasierte Netze betrachtet; in der zweiten Förderperiode sollen diese Betrachtungen auf infrastrukturlose und hybride Netze bestehend aus infrastrukturlosen und infrastrukturbasierten Teilen ausgedehnt werden. Die betrachteten infrastrukturlosen Netze bestehen dabei aus einer Menge von Knoten, die über drahtlose Kommunikationstechnologien direkt miteinander kommunizieren und die untereinander ein Ad-hoc-Netz für die Weiterleitung von Nachrichten an nicht direkt erreichbare Ziele bilden. Ein Beispiel für ein solches Ad-hoc-Netz sind drahtlose vermaschte Netze (engl. Wireless Mesh Networks), mit deren Hilfe große Gebiete bis hin zu ganzen Städten kostengünstig vernetzt werden können, wobei sowohl stationäre als auch mobile Knoten an der Nachrichtenweiterleitung beteiligt sein können. Für solche infrastrukturlosen Netze werden Geocast-Protokolle auf Grundlage geeigneter Umgebungsmodelle erforscht. Ferner wird untersucht, wie diese infrastrukturlosen Netze in die Geocast-Infrastruktur der ersten Förderperiode eingebunden werden können, um einen durchgängigen ortsbezogenen Kommunikationsdienst zu realisieren.

In einem zweiten Schwerpunkt soll neben der rein ortsbezogenen Kommunikation eine erweiterte Form der kontextbezogenen Kommunikation, bezeichnet als Contextcast, betrachtet werden. Die Contextcast-Kommunikation kann neben Ortsinformationen umfassenden Kontextinformationen des Nexus-Umgegebungsmodells zur Definition der Empfängermenge nutzen, beispielsweise den Empfängertyp, weitere Empfängerattribute, den aktuellen Zustand des Empfängers bis hin zur Situation, in der sich der Empfänger befindet. Die Anwendungsmöglichkeiten sind dabei vielfältig. So kann zum Beispiel eine Nachrichten gezielt an Arbeiter der "Smart Factory" (Teilprojekt D1) gesendet werden, die bestimmte Fähigkeiten besitzen und sich in der Nähe einer ausgefallenen Maschine aufhalten. Oder es können Ozonwarnmeldungen an alle älteren oder ozonempfindlichen Personen in einer bestimmten Region verteilt werden. Neben dem aktuellen Kontext können dabei auch Historien, die vom Nexus-System verwaltet werden, zum Zwecke der Adressierung genutzt werden. Um auf Grundlage dieser Informationen eine effiziente Nachrichtenverteilung auch in großen, potentiell globalen Systemen zu ermöglichen, sollen geeignete Verteilstrukturen in Form von Overlay-Netzen auf Basis der IP-Infrastrukur entworfen werden. Insbesondere ist zu untersuchen, wie Overlay-Netze anhand des Empfängerkontexts strukturiert und diese Strukturen effizient entsprechend des dynamischen Empfängerkontexts aktualisiert werden können. Neben der Effizienz sind dabei auch Sicherheitsaspekte wie der Schutz vor unerwünschten Nachrichten ("Spam") und der Schutz persönlicher Informationen zu beachten, die in enger Kooperation mit dem Teilprojekt A3 behandelt werden.

Teilprojekt B3: Hybride Modellverwaltung

In der zweiten Antragsphase nimmt die Betrachtung hybrider Systemstrukturen eine zentrale Stellung im Sonderforschungsbereich ein. Bei diesen Strukturen handelt es sich um Kommunikationsnetze, die aus einem Verbund leistungsfähiger Kontextserver und so genannten Ad-hoc-Netzen, also einer Vielzahl mobiler, ausschließlich drahtlos miteinander vernetzter mobiler Endgeräte (Personal Digital Assistants, Mobilfunktelefone), bestehen. In diesem Zusammenhang befasst sich Teilprojekt B3 einerseits mit der Erweiterung und der Optimierung der infrastrukturlosen Modellverwaltung auf der Grundlage der in der ersten Förderperiode erzielten Ergebnisse. Andererseits werden neuartige Strategien und Verfahren untersucht, mit deren Hilfe die Integration der infrastrukturlosen Modellverwaltung in ein effizientes und skalierbares Gesamtsystem vollzogen werden kann.

Bereitstellung von Modelldaten

In der ersten Förderperiode wurde untersucht, wie dynamische Modelldaten in einem mobilen Ad-hoc-Netz ausschließlich durch die Kooperation mobiler Endgeräte effizient verwaltet werden können. Aufbauend auf den bereits entwickelten Basisalgorithmen für die Bereitstellung von Teilmodellen auf einzelnen Speicherknoten, wird die Bereitstellung von Modelldaten nun um die Berücksichtigung von Qualitätseigenschaften erweitert. Dadurch soll ermöglicht werden, Teilmodelle mit definierten Qualitätsanforderungen, wie bspw. an die Aktualität oder Vollständigkeit von Teilmodellen, auf Speicherknoten zur Verfügung zu stellen. Die Verfügbarkeit möglichst aktueller, vollständiger und konsistenter Teilmodelle stellt eine wichtige Voraussetzung für jede Art des Zugriffs auf Modelldaten dar.

Verarbeitung räumlicher Anfragen

Wie auch in der ersten Förderperiode wird im Teilprojekt B3 die Verarbeitung räumlicher Anfragen auf der Grundlage der bereitgestellten Modelldaten untersucht. Im Gegensatz zu dem in der ersten Förderperiode betrachteten geometrischen Lokationsmodell werden die Betrachtungen in der zweiten Antragsphase auf symbolische Lokationsmodelle ausgedehnt. Dadurch ist es möglich, für räumliche Anfragen auch symbolische Bezeichner einzusetzen, die häufig im Innenbereich (z.B. „Hörsaal 2“) anstelle komplexer geometrischer Beschreibungen bevorzugt eingesetzt werden können. Auch hier muss die Qualität von Modelldaten, insbesondere die Unschärfe von Positionsinformationen im Zusammenspiel mit symbolischen Bezeichnern, berücksichtigt werden, da sich solche Qualitätseigenschaften maßgeblich auf die Qualität von Anfrageergebnissen auswirken können.

Hybride Systemstrukturen

Im Zuge der Erweiterung der Modellverwaltung auf hybride Systemstrukturen befasst sich Teilprojekt B3 mit Methoden, die eine Integration der infrastrukturlosen mit der infrastrukturbasierten Modellverwaltung in ein effizientes und skalierbares Gesamtsystem ermöglichen. Dazu wird in einem ersten Schritt betrachtet, wie eine möglichst hohe Leistungsfähigkeit der Modellverwaltung in Ad-hoc-Netzen selbst erzielt werden kann. Hier werden insbesondere Methoden der Adaption eingesetzt, sowie das Paradigma des Assisted Ad-hoc. Dabei handelt es sich um die Berücksichtigung von infrastrukturbasierten Komponenten, um etwa im Falle einer Netzpartitionierung weiterhin eine robuste Verwaltung der Modelldaten im Ad-hoc-Netz zu erreichen, indem kurzfristig Kommunikationspfade über die Infrastruktur in Anspruch genommen werden. Anhand der Verarbeitung räumlicher Anfragen wird schließlich untersucht, wie eine transparente Integration der Modellverwaltung vollzogen werden kann. Hier findet insbesondere eine Kopplung mit dem Kontext-Broker des Teilprojekts B5 statt, wodurch eine Vermittlung von Modelldaten auch über die hybriden Systemgrenzen hinweg erzielt werden soll.

Teilprojekt B5: Dynamische, zeitbezogene Modelldaten

In diesem Teilprojekt sollen Konzepte entwickelt werden, um der hohen Dynamik föderierter Umgebungsmodelle Rechnung zu tragen. Dies beinhaltet sowohl die Aufbereitung und Verwaltung dynamischer und zeitbezogener Modelldaten als auch den effizienten Zugriff auf solche Kontextinformationen.

Historienserver und Historien-Warehouse

Datenströme wie etwa Positionsinformationen mobiler Objekte oder Sensormesswerte sind eine wichtige Klasse von dynamischen Kontextinformationen. Für die Verarbeitung und Verwaltung dieser Daten sollen in diesem Teilprojekt Lösungen erarbeitet werden. Historienserver sollen Historien von Daten aus Datenströmen persistent speichern und dem Gesamtsystem als spezialisierte Kontextserver für zeitbezogene Umgebungsmodelle zur Verfügung stehen. Domänenspezifische Aufbereitungsfunktionen sollen dabei das zu speichernde Datenvolumen verringern. Ein sogenanntes Historien-Warehouse soll Daten aus dem Umgebungsmodell in einem Extraktionsprozess aufbereiten und spezielle Analyse-Operatoren für räuml;iche Datenhistorien zur Verfügung stellen. Weiterhin soll untersucht werden, inwiefern ein solches Historien-Warehouse mit den Methoden aus Teilprojekt B1 (Operatorgraph) virtualisiert und trotzdem skalierbar bereitgestellt werden kann.

Effizienter Zugriff auf dynamische Kontextinformationen mobiler Knoten

Der Kontext-Broker soll das effiziente Auffinden relevanter Kontextinformationen in einem global föderierten System ermöglichen. Um die Suche nach relevanten Daten zu optimieren, muss insbesondere die Anzahl abzufragender Datenquellen (Kontextserver) so weit wie möglich reduziert werden. Deshalb werden in diesem Teilprojekt geeignete Konzepte entwickelt, um flächendeckende Indexstrukturen in einem offenen, weit verteilten System skalierbar bereit zu stellen. Aufgrund der Komplexität räuml;icher Umgebungsmodelle muss der Kontext-Broker dabei nicht nur die Selektion nach räuml;ichen Gebieten und Objekttypen unterstützen, sondern darüber hinaus auch temporale Aspekte und zusätzliche dynamische Kontextinformationen berücksichtigen.

Kontext-Broker

Auch mobile Endgeräte können durch lokale Sensorik dynamische Kontextinformationen erfassen und als Teil des Umgebungsmodells tellen. Diese kleinen Endgeräte verfügen häufig über sehr begrenzte Ressourcen und eine schwache, drahtlose Netzanbindung. Aufgrund der vergleichsweise hohen Kommunikationskosten soll daher speziell der Zugriff auf dynamische Kontextinformationen mobiler Knoten zusätzlich optimiert werden. Ein wichtiges Optimierungspotential bietet hierbei die Qualität, in der die Kontextinformationen übermittelt werden. Deshalb sollen flexible Zugriffsverfahren entwickelt werden, die in Abhängigkeit von Kommunikationssystem, Eigenschaften der Kontextinformationen und Qualitätsanforderungen der anfragenden Anwendungen, kostspielige Übermittlungen durch eine dynamische Anpassung der Datenqualität minimieren.

Teilprojekt E3: Verteilte Bestimmung von Situationen

Kontextinformation kann in zwei verschiedene Klassen unterteilt werden: beobachtbarer Kontext kann direkt durch Sensoren in der realen Welt erfasst werden; höherwertiger Kontext (auch als Situation bezeichnet) kann dagegen nur mithilfe von externem Wissen aus direkten Kontextinformationen abgeleitet werden. Beispielsweise könnte aus dem beobachtbaren Zustand eines Raumes (wie der Anzahl anwesender Personen, dem aktuellen Geräuschpegel, dem Zustand des Beamers, usw.) geschlussfolgert werden, ob in dem Raum gerade eine Besprechung statt findet. Die Bestimmung einer Situation ist dabei oftmals von einer individuellen Interpretation abhängig und mit einer gewissen Unsicherheit behaftet.

Der Informationsbedarf von kontextbasierten Anwendungen ist häufig sehr anwendungsspezifisch und geht weit über direkt beobachtbare Kontextinformationen hinaus. Deshalb werden in diesem Teilprojekt allgemeine Konzepte entwickelt, um anwendungsspezifische Situationen (höherwertigen Kontext) auf Basis eines verteilt vorliegenden Umgebungsmodells zu bestimmen. Dies soll es zukünftig ermöglichen, dass eine kontextbasierte Anwendung eine beliebige, für sie relevante Situation abfragen kann. Anhand ihrer Spezifikation, soll dann automatisch ein geeignetes Verfahren zur Situationsbestimmung ausgewählt und auf den Komponenten des verteilten Nexus-Systems platziert werden. Sobald dadurch die spezifizierte Situation erkannt werden konnte, wird die Anwendung darüber informiert.

Zur Ableitung höherwertigen Kontexts ist in diesem Projekt die Verwendung existierender Ansätze aus der KI (wie z.B. Bayes-Netzwerke, neuronale Netzte oder Situationsgraphen) geplant. Dabei muss die Situationsbestimmung allerdings auf der Grundlage weit verteilter Kontextinformationen stattfinden, die zudem in stark unterschiedlicher Qualität vorliegen. Viele Kontextdaten wie z. B. die Positionsinformation mobiler Objekte sind darüber hinaus hoch dynamisch. Daraus ergeben sich eine Reihe grundlegender Fragestellungen hinsichtlich der effizienten Bestimmung von Situationen in einem verteilten System:

• Aus Gründen der Effizienz und der erzielbaren Qualität ist es erforderlich, die Situationsbestimmung möglichst nahe an den verteilten Datenquellen durchzuführen. Deshalb soll zunächst untersucht werden, wie vorhandene Bestimmungsverfahren geeignet modularisiert und auf verschiedene Systemkomponenten verteilt werden können.
• Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Qualität der gewonnenen Informationen. Da die Kontextdaten verteilt vorliegen, sich dynamisch ändern und in ihrer Qualität (z. B. Konsistenz, Aktualität, Vollständigkeit) selbst stark variieren können, ist für jede daraus abgeleitete Situation eine quantitative Bewertung der Beobachtungsqualität erforderlich. In Zusammenarbeit mit dem Q-Projekt müssen dazu für jedes eingesetzte Verfahren zur Situationsbestimmung geeignete Qualitätsmetriken entwickelt werden.
• Darüber hinaus wirken sich auch Eigenschaften des verteilten Systems (wie z.B. die Kommunikationslatenz oder der Grad der Uhrenabweichung) stark auf die Beobachtungsqualität aus. Ihr Ausmaß kann durch die Verteilung der Beobachtungsfunktionalität im System maßgeblich beeinflusst werden. In einem weiteren Schritt sollen deshalb Verfahren untersucht werden, um die Module einer Situationsbestimmung so im System zu verteilen, dass die Bearbeitungskosten (wie z.B. Systemlast oder Nachrichtenaufkommen) minimiert werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass Anwendungen neben der Situation auch die gewünschte Qualität der Bestimmung spezifizieren, so dass für die geforderte Qualität eine kostenminimale Bestimmung erfolgen kann.