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1Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
FK
SPFK
FK
FK FK
FK FK
FK
FKFK
FK
SP
SP
SP
LTE
WLAN
FK
Ökonomie vs. Redundanzen – von der Verletzlichkeit der vernetzten Zukunft
Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller
Computer Systems & TelematicsFreie Universität Berlin, [email protected]
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Überblick• Historie der Kommunikationsnetze
• Vom klassischen Telefon überintelligente Netze hin zum Internet
• Kostendruck und Fortschritt lassen Redundanzen verschwinden
• Was passiert wenn…• …der Strom ausfällt?• …die Software einen Fehler hat?• …das Netz angegriffen wird?
• Neue Strukturen als Ausweg?• Spontane Netze, vermaschte Netze, Selbstorganisation…• Beispiele aus der Forschung
Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
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3
Historie der Kommunikationsnetze 1• Klassisches Telefonnetz
• Hoheitlich betrieben, meist Monopol• Nur Sprache, zunächst analog, dann digital (ISDN)• Strikte Trennung von Steuerung des Netzes
und Übertragung der Nutzdaten• Energieversorgung über Telefonleitung („Amtsbatterie“)
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Verm
ittlu
ng
Daten
Steuerung
Verm
ittlu
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4Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
Historie der Kommunikationsnetze 2• Intelligentes Telefonnetz
• Grundlage für 0800/0130-Nummern, Televoting über 0137• Viele neue Dienste wie Konferenzschaltung, Callcenter,
Anrufweiterleitung, Voicebox, Bezahldienste, …• Grundphilosophie: Endgeräte (Telefon, Handy, Fax) sind eher
„dumm“, das Netz ist „intelligent“ (und unter Kontrolle des Netzbetreibers)
IntelligentesNetz
Dumme Endgeräte
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Historie der Kommunikationsnetze 3• Mobilfunknetz
• Weiterentwicklung von digitalem Telefonnetz, Intelligentem Netz plus Funk („ISDN + Funk + Datenbanken“)
• Hochkomplexe Netzsteuerung, am Anfang „dumme“ Handys• DAS erfolgreichste Kommunikationssystem mit 4,8 Milliarden
Teilnehmern (Stichwort GSM, UMTS…)
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Historie der Kommunikationsnetze 4• Internet
• Grundphilosophie: Endgeräte (Computer, Server) sind „intelligent“, das Netz ist eher „dumm“ (transportiert einfach Daten, egal welchen Inhalts: Steuerung und Nutzdaten!))
• Keine Monopole, Zusammenschluss von verschiedenen Netzen auf „einfacher, robuster Basis“ (Internet Protokolle)
• Anfänglich nur für „unkritische“ Aufgaben (Email, WWW…)
DummesNetz
Intelligente Endgeräte Intelligente Endgeräte
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Kostendruck und Fortschritt• Internet kann auch Sprache übertragen (Voice over IP)
• Technisch gesehen ist Sprache auch nur Bitfolge = Daten• Allerdings klassisch keine Dienstgüte verfügbar
• Klassische Kommunikationsnetze sind hochkomplex• Verhindern neue Geschäftsmodelle am Rande des Netzes• Bieten aber qualitativ hochwertige Dienste
• Deregulierung der Telekommunikationsmärkte• Viele neue Akteure, Dienstanbieter, Betreiber etc.
• Verschmelzung der Netzarten in Richtung Internet• Eine Infrastruktur hoher Leistungsfähigkeit• Massive Kosteneinsparungen
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Kommunikationsnetze heute• Praktisch keine analogen Netze mehr, alles digital• Dominiert von Mobilfunk (riesige Infrastruktur)• Immer mehr Telefonie über das Internet
• Direkt über Computer• Indirekt über DSL-
Anschluss• Unbemerkt
netzintern• Komplett von
direkter Strom-versorgung abhängig
• „Alles hängt mit allem zusammen“
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Internet-basiertes Kernnetz
Klassische Steuerung
InternetGSM
UMTSöffentlichesWLAN
ServerKlassisches Telefonnetz
Satellit
privatesWLANprivates
WPAN
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Was passiert, wenn…?
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Was passiert, wenn der Strom ausfällt?• Klassisch: Notruf per Telefon, da Fernspeisung• Internet-Zugang benötigt Strom!
• Kein Internet, kein Telefon, kein WLAN• Mobilfunk benötigt Strom!
• Handy ok, aber nicht Basisstation, Infrastruktur• Fernseher geht auch nicht, wer hat noch Batterieradio?
• Zwar existieren Notstromaggregate und Batterien, aber längst nicht für die Vielzahl an Infrastrukturkomponenten
• Fazit: So gut wienichts geht mehr• Plus: Keine EC-
Karte, kein Einkauf,keine Heimpflege,keine Wasserver-sorgung, …
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Was passiert, wenn die Software einen Fehler hat?• Systeme sind hochkomplex
• Nicht einfach Leitungen plusSchalter/Stecker/Relais/…
• Softwarefehler passieren• Auch bei sorgfältigster
Entwicklung• Oft aufgrund nicht überschaubarer Wechselwirkungen, vieler
neuer Möglichkeiten, kurzer Innovationszyklen• Häufig nur ein bzw. wenige Hersteller
• Fehler wirken sich schnell auf alle Systeme aus• Fazit: Sehr schnell sind Millionen Nutzer betroffen
• Systemaktualisierung bei Telekom legt 40 Mio. Nutzer lahm• Fehler in Internet-Komponenten lassen komplette Netze
wegbrechen• Klassische Hochverfügbarkeit? Notrufe? Redundanz?Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
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Was passiert, wenn das Netz angegriffen wird?• Vernetzungsgrad steigt
• Alles mit allem vernetzt• Immer mehr Bereiche vernetzt
• Abhängigkeit wächst• Keine Produktion ohne Kommunikation• Kein Geldtransfer ohne Kommunikation• Rettungsdienste, Kraftwerke …
• Fast alles „irgendwie“ Internet-basiert• Einfacherer Zugang, bekannte Schwachstellen
• Viele Motive für einen Angriff• Politisch, finanziell, aus Spaß• Sehr hohes Erpressungspotenzial
• Fazit: Deutlich erhöhtes Bedrohungspotenzial• Z.B. Industriespionage, Blockieren des Notrufs…
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Neue Strukturen als Ausweg?• Der Weg hin zu Internet-basierten Techniken ist
unumkehrbar• Zu viele wirtschaftliche Vorteile, viel technisches Wissen, viel
mehr Gestaltungsmöglichkeiten• Klassische Telekommunikationsarchitekturen zu starr, zu
komplex• Kommunikationstechniken für Notfälle werden gebraucht
• Spontane Kommunikation, unabhängig von Infrastruktur• Autarke Systeme mit Möglichkeit zur Ankopplung an
klassische Strukturen• Hohe Zuverlässigkeit auch unter widrigen Umständen
• Z.B. TETRA
Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07Direkte Sprechverbindung
Klassisches Netz
Kommandant
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Eine Lösung: Spontane Funknetze• Kommunikationsnetze ohne Infrastruktur
• Nutzen der Komponenten der Teilnehmer zur Vernetzung
• Beispiele• Single-hop: Alle Partner sind in Funkreichweite
• Nur für eng begrenzte Gebiete• Z.B. Bluetooth, Veranstaltung…
• Multi-hop: Weiterleiten von Daten über andere Teilnehmer hinweg
• Abdeckung einer größeren Fläche,Umgehen von Hindernissen
• Z.B. TETRA Digitaler Polizeifunk, Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Netze…
• Unterstützung von bottom-up-Organisation• Hierarchische, top-down-Strukturen ungeeignet bei
eingeschränkter Kommunikation
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Eigenschaften spontaner Funknetze• Funkknoten (FK) überwachen die Umwelt, unterstützen Sprache• FK sind Kleinstcomputer mit Fähigkeit zur Kommunikation• Kommunikation miteinander, übereinander oder mit
leistungsfähigeren Sammelpunkten (SP) mit ggf. Anbindung an Infrastruktur
• Das Netz ist komplett selbstorganisierend und selbstheilend
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FK
SPFK
FK
FK FK
FK FK
FK
FKFK
FK
SP
SP
SP
GSM, UMTS, TETRA, …
xyz
FK
Telefon WLAN
ALARM!
ALARM!ALARM!
ALARM!
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Spontane Funknetze zur Lebensrettung
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Überwachung von Vitalparametern
Berliner Feuerwehr
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18Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
Lokalisierung an der Unglücksstelle
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19Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
Übertragung in die Einsatzzentrale
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20Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
Forschungsprojekt FeuerWhere
TETRAMobiles, selbstorganisierendes FunknetzTETRA digitaler Bündelfunk
Datenübertragungund Lokalisierung
Berliner Feuerwehr4450 Feuerwehrmänner300000 Einsätze/Jahr (8000 Feuer)
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Zusammenfassung• Verschmelzung der Techniken
• Internet als Grundlage, eine Netz-technik für viele Dienste
• Kostendruck und Fortschritt lassen Redundanzen verschwinden
• Was passiert wenn…?• Ohne Strom geht so gut wie nichts mehr• Wahrscheinlichkeit von Ausfällen durch Fehler steigt• Deutlich erhöhtes Bedrohungspotenzial durch einheitliche
Technologie und hohe Wertschöpfung
• Spontane, selbstorganisierende Funknetze für Notfälle• Unterstützung der bottom-up-Organisation
Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
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ERGÄNZUNGSFOLIENÖkonomie vs. Redundanzen
Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
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23Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
Beispiel: Felsüberwachung in den Schweizer Alpen• Funkknoten überwachen Fels- und Lufttemperatur,
Feuchtigkeit, Regenmenge• Selbstorganisierendes Funknetzwerk
• Von Laieninstalliert
• AutonomerBetrieb
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24Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07
Beispiel: Felsüberwachung in den Schweizer Alpen
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25Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schillerwww.jochenschiller.deMC - 2008
Beispiel: Lebensraumüberwachung - Skomer Island UK
Schwarz-schnabelSturm-taucher
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26Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schillerwww.jochenschiller.deMC - 2008
Beispiel: Lebensraumüberwachung - Skomer Island UK• Herausforderung: Robustheit, Zuverlässigkeit, einfacher
Einsatz