Pictures of the Future     Herbst 2004

Software für die Digitale Aura

Schon lange träumen Forscher vom Pervasive Computing, bei dem beliebige Alltagsgegenstände unsere Bedürfnisse erkennen und intelligent agieren können. Geeignete Hardware ist schon vorhanden, was jetzt benötigt wird, sind neue Software und übergreifende Standards.

Plakate, die den Weg zum nächsten Kino weisen, Autos, die Parklücken selbst finden, Hemden, die der Waschmaschine mitteilen, bei wie viel Grad sie gewaschen werden wollen – geht es nach Prof. Alois Ferscha, wird in Zukunft jedes Ding und jeder Mensch von einer "Digitalen Aura" umgeben sein. Das hört sich esoterisch an, aber der Leiter des Instituts für Pervasive Computing an der Johannes Kepler Universität in Linz verbindet damit konkrete Vor­stellungen: "Wir schaffen eine künstliche Aura, indem wir um Personen und Objekte sozusagen einen digitalen Mantel legen. Wenn die Radien zweier solcher Auren zusammenkommen, dann funkt es." Dann werden im Hinter­grund codierte Präferenzprofile drahtlos ausgetauscht und verglichen. Und so überspielt – wenn das Profil des Empfänger dies zulässt – das Filmplakat einen Trailer des neuesten Kinofilms auf den PDA, oder das Handy teilt seinem Besitzer im Café mit, dass die Dame am Nebentisch ihr Auto ver­kaufen möchte.

Die Technik dafür ist vorhanden: Die Forscher in Linz haben Gebrauchs­gegen­stände mit Mini-Chips (so genannte RFID-Tags) ausgestattet, in denen die auszutauschenden Daten hinterlegt sind. Die Kommunikation erfolgt über den drahtlosen Funkstandard Bluetooth. Erste Demonstratoren für Medizin, Haus­halt oder Verkehr existieren. "Die große Herausforderung ist es jetzt, derartige Auren für eine riesige Anzahl von Menschen und Dingen allgemeingültig zu beschreiben, sie mit der Zeit zu verändern, sie drahtlos zu übertragen und zu vergleichen – und dann auch waschbare Mikrochips zu verwenden, die in die Kleidung integriert werden können", sagt Ferscha. Sein Institut arbeitet seit drei Jahren mit dem von Dr. Lothar Borrmann geleiteten Fachzentrum Software & Engineering/Architecture von Siemens Corporate Technology (CT) am Projekt Digital Aura.

Keine Tastatur, keine Maus. Mit Pervasive Computing (PvC) – auch Ubiquitous Computing genannt (siehe Pictures of the Future, Herbst 2002, Allgegenwärtige Computer) – steht uns eine neue Epoche des Informations­zeitalters bevor. An die Stelle universell einsetzbarer Computer treten aufgaben­spezifische, miniaturisierte, einfach und intuitiv handhabbare Rechner, die in den Alltagsgegenständen verschwinden. Auch Eingabe­systeme wie Tastatur und Maus wird es dafür nicht mehr geben. Der Input erfolgt künftig über elektronische, optische, akustische oder chemische Sensoren und der Output über Aktuatoren wie Motoren oder andere Steuerungs­einheiten.

Um diese Welt zu realisieren, müssen die Forscher vor allem eine neue Software entwickeln, die sich:
•  selbst konfiguriert, indem sie sich automatisch wechselnden Umgebungen anpasst,
•  selbst optimiert, indem sie ständig ihr eigenes Verhalten überprüft und die vorhandenen Ressourcen abhängig von den jeweiligen Prozessen einsetzt,
•  selbst organisiert und Entscheidungen systemübergreifend umsetzt,
•  selbst schützt: unberechtigte Zugriffsversuche und Viren erkennt und bekämpft,
•  selbst heilt: Probleme entdeckt und auch behebt, und die
•  zudem fähig ist, zu lernen, indem sie Verhaltensmuster erkennt und sie in interne Management-Mechanismen einbaut.

Besondere Bedeutung kommt dabei der Kontext-Sensitivität zu: Das System muss nicht nur fähig sein, Objekte sowie handelnde Personen und deren Absichten zu erkennen, es muss sich auch auf künftige Situationen einstellen. Obwohl Wissenschaft und Industrie noch am Anfang stehen, lassen sich zwei Schlüsse schon jetzt ziehen: Klassische Programme, die nur eine festgelegte Aufgabe berechnen, haben ausgedient. Für die PvC-Umwelt braucht es system­übergreifende Plattformen und Software-Architekturen, die Einzel­systeme integrieren – etwa Mobilgeräte, Sensornetzwerke oder auch Anwendungen im Auto oder im intelligenten Heim.

"Beim Hausbau ist es auch nicht so wichtig, ob Sie auf Ziegel, Steine oder Holz setzen. Genauso kommt es hier nicht auf eine spezielle Programmiersprache an, sondern die Software-Architektur muss stimmen", erläutert der Linzer Informatiker. Daher hat Ferschas Arbeitsgruppe eine neue Architektur ent­wickelt, die aus drei Ebenen besteht: Auf der obersten Schicht laufen die Sensor­daten der Umgebung ein, etwa Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Puls­frequenz. Auf der mittleren werden die Daten für die Anwendung aufbereitet und für die unterschiedlichsten eingebetteten Systeme verständlich gemacht. Die Wissenschaftler favorisieren XML (Extensible Markup Language) – eine universelle, von Plattformen und Betriebssystemen unabhängige und erweiter­bare Datenbeschreibungssprache. Sie haben daher die Profile der Digitalen Aura in XML codiert. Diese enthalten bei Menschen neben Angaben wie Name und Adresse oder öfter veränderlichen Daten wie der Lieblingsmusik in erster Linie Präferenzen und Handlungsabsichten. Entscheidend ist, dass diese situationsbezogen ausgewertet werden. Denn die Lieblingsmusik am Morgen ist vermutlich eine andere als am Abend. Auch unterscheidet sich die Bereit­schaft zum Smalltalk an der Bar sicher von der im Büro.

MOPS bestimmt die Regeln. Bestimmte Regeln sagen schließlich den Mini-Rechnern oder Netzwerken, wie sie sich angemessen verhalten sollen. "Das ist die unterste Ebene der Architektur", sagt Ferscha. Solche Regeln, auch Policys genannt, steuern Motoren, Displays oder ganze Netzwerke und befähigen die Systeme, autonom zu agieren. "Die Regeln sind notwendig, um die Komplexität zu beherrschen. Sie enthalten die Bestandteile Subjekt, Zielobjekt, Ereignis, Bedingung, Aktion. Man kann sie in Datenbanken oder dezentral hinterlegen", erklärt Christoph Niedermeier von der CT-Abteilung Software & Engineering/Architecture. MOPS (Mobility Communication & Policy based Systems) heißt das Projekt, das er gemeinsam mit Wissenschaftlern der Ludwig-Maximilians-Universität in München vorantreibt. Dabei geht es darum, Management-Policys für die künftigen Mobilfunknetze der 4. Generation zu entwickeln: Das MOPS-Szenario sieht vor, dass sich Softwarefehler aus der Ferne beheben oder Updates übers Netz übermitteln lassen. Bis Mitte 2005 möchte die Arbeitsgruppe einen Demonstrator realisieren, mit dem sich die Policy-basierte Steuerung von Software-Downloads auf einer großen Anzahl von Terminals simulieren lässt.

Es wartet noch eine Menge Arbeit auf die Forscher, denn um die PvC-Welt zu verwirklichen, müssen sie für jede Situation solche Verhaltensanweisungen definieren. "Auch die Sicherheit ist ein großes Problem", sagt Alois Ferscha. Wie stellt man fest, ob die Daten von A nach B gegangen sind, und zwar vollständig? Woher weiß ich, ob A wirklich die Person ist, für die sie sich aus­gibt? Wie lassen sich Fehler etwa bei der Datenübertragung feststellen und beheben? Woher weiß der Nutzer, ob er nicht abgehört wurde? Wie schützt er seine Privatsphäre? Wie kann er sich aus der Digitalen Aura ausklinken?

Durchbruch durch Standards. Besonders gut illustriert dies das Thema Vernetzung. Eine Infrastruktur existiert schon lange, nach wie vor herrscht aber Unsicherheit, welche drahtlosen Standards dominieren werden (siehe Software-Trends). So schreiben die Autoren einer Studie des Zentrums für Technologiefolgen-Abschätzung Swiss in Bern: "Viele Geräte werden vermut­lich zwar das Internetprotokoll (IPv6) unterstützen. Für Netzwerk-Anwendungen sind aber darüber hinaus auch Protokolle für verteilte Architekturen erforderlich. Hierzu gibt es eine Vielzahl Systeme, die bisher noch proprietär und nicht interoperabel sind. Die Entwicklung von herstellerübergreifenden Standards steht noch aus und verhindert den Durchbruch entsprechender Systeme."

Alois Ferscha ist dennoch zuversichtlich, dass PvC Wirklichkeit wird. "Mit der Fähigkeit zur Vernetzung ist der erste Schritt getan. Der nächste Schritt sind dann die vernetzten, allgegenwärtigen Computersysteme, die Situation und Absicht des Menschen erkennen und ihn in bestmöglicher Weise unterstützen."
                                                                                                      Evdoxia Tsakiridou