Zuverlässige Echtzeit-Gruppenkommunikation auf einem lokalen Funknetz

Durch die Fähigkeit zu kommunizieren und zu kooperieren, kann die Effizienz, Robustheit und Flexibilität autonomer Systeme beträchtlich gesteigert werden. Die vorliegende Diplomarbeit leistet einen Beitrag zu einer Architektur zur Unterstützung der Kooperation von autonomen Systemen, die aufgrund ihrer Mobilität Echtzeitanforderungen erfüllen müssen. Ein Kernstück dieser Architektur ist ein Stapel von Protokollen, die vorhersagbare Kommunikation und Konsensbildung auf einem drahtlosen Medium erlauben. In der vorliegenden Arbeit wird ein echtzeitfähiges Gruppenkommunikationsprotokoll vorgestellt, das auf dem IEEE 802.11 Standard basiert. Aufbauend auf einem Modell der Fehler- und Zeiteigenschaften des Mediums wird dynamische Zeitredundanz eingesetzt, um die Zuverlässigkeit und Rechtzeitigkeit der Nachrichtenübertragung in effizienter Weise sicherzustellen. Das Protokoll ermöglicht es, durch das Einschränken der Zuverlässigkeit der Nachrichtenübertragung bessere Zeitgarantien zu erreichen, so daß Trade-Off-Entscheidungen in anwendungs- und umgebungsspezifischer Weise getroffen werden können. Die Diplomarbeit beinhaltet eine formale Beschreibung des Protokolls in SDL, die für die Herleitung von Zeitschranken und zum Beweis der Korrektheit des Protokolls verwendet wurde. Weiterhin wurde eine Implementierung des Protokolls in der Büro-Umgebung bestehend aus Windows NT PCs und Laptops durchgeführt. Erste Messergebnisse, die im Rahmen dieser Implementierung ermittelt wurden, zeigen, daß das Protokoll die zuverlässige und rechtzeitige Übertragung von Nachrichten auch beim Auftreten von Netzwerkfehlern sicherstellen kann.

Autonomous systems will significantly gain in efficiency, robustness and flexibility through the ability to communicate and to cooperate. This thesis contributes to an architecture supporting the cooperation of teams of autonomous systems that are mobile and therefore subject to real-time requirements. A core part of this architecture is a stack of wireless communication protocols that allows for predictable communication and consensus among the stations. In this thesis, a reliable real-time group communication protocol is presented that enhances the IEEE 802.11 Standard. Based upon a model of the fault and timing characteristics of the medium, dynamic time redundancy is applied to ensure reliability and timeliness of message transmission in an efficient manner. The presented protocol allows the application to trade reliability of message transmission for better timing guarantees. This way, trade-off decisions can be taken based on the requirements of the application and its environment. The thesis includes a formal, SDL-based description of the protocol, which has been analyzed in order to derive time bounds for message transmission and prove the protocol's correctness. In addition, an implementation of the protocol for a real office environment consisting of Windows NT PCs and Laptops has been carried out. First measurement results obtained from this implementation are presented that indicate the protocol´s ability to provide reliable and timely message transmission in the presence of network faults.