1 Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07 FK SP FK SP LTE WLAN FK Ökonomie vs. Redundanzen – von der Verletzlichkeit der vernetzten

1Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schiller cst.mi.fu-berlin.de 2010-09-07

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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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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“)


Verm

ittlu

ng

Daten

Steuerung

Verm

ittlu

ng


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…)



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“


Internet-basiertes Kernnetz

Klassische Steuerung

InternetGSM

UMTSöffentlichesWLAN

ServerKlassisches Telefonnetz

Satellit

privatesWLANprivates

WPAN


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


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


FK

SPFK

FK

FK FK

FK FK

FK

FKFK

FK

SP

SP

SP

GSM, UMTS, TETRA, …

xyz

FK

Telefon WLAN

ALARM!

ALARM!ALARM!

ALARM!


Spontane Funknetze zur Lebensrettung


Überwachung von Vitalparametern

Berliner Feuerwehr


Lokalisierung an der Unglücksstelle


Übertragung in die Einsatzzentrale


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


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ERGÄNZUNGSFOLIENÖkonomie vs. Redundanzen



Beispiel: Felsüberwachung in den Schweizer Alpen• Funkknoten überwachen Fels- und Lufttemperatur,

Feuchtigkeit, Regenmenge• Selbstorganisierendes Funknetzwerk

• Von Laieninstalliert

• AutonomerBetrieb


Beispiel: Felsüberwachung in den Schweizer Alpen

25Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schillerwww.jochenschiller.deMC - 2008

Beispiel: Lebensraumüberwachung - Skomer Island UK

Schwarz-schnabelSturm-taucher

26Prof. Dr.-Ing. Jochen H. Schillerwww.jochenschiller.deMC - 2008

Beispiel: Lebensraumüberwachung - Skomer Island UK• Herausforderung: Robustheit, Zuverlässigkeit, einfacher

Einsatz

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