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Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur Bereitstellung von Kommunikationsdiensten zur Unterstützung einer
Steuerung von Systemeinheiten.
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Zur dezentralen Steuerung von Systemeinheiten
sind Verfahren bekannt, bei denen Steuerinformationen für die Systemeinheit über eine
Netzwerkverbindung empfangen werden. Derlei gesteuerte Systemeinheiten
sind der Fachwelt oftmals unter dem Begriff 'Networked Devices' geläufig.
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Gesteuerte Systemeinheiten gestatten
neben der Steuerung industrieller Systeme auch eine Steuerung von
Heimgeräten,
beispielsweise steuerbare Beleuchtungssysteme, Alarmanlagen, Kommunikationsendgeräte, Waschmaschinen,
Videorekorder, Kameras, Temperaturüberwachungssysteme, Sprinkleranlagen,
Garagentüren
usw.
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Über
eine Netzwerkverbindung gesteuerte Systemeinheiten – Networked
Devices – enthalten üblicherweise
Sensoren und Aktoren und weisen Recheneinheiten – üblicherweise z.B. in Form sogenannter 'Mikrocontroller' – mit begrenzter Rechenleistung
auf. Zur Anbindung an ein Netzwerk verfügen sie des weiteren über eine
Netzwerkanschlusseinheit, auch Network Interface Connection, NIC
genannt.
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Zahlreiche bestehende Netzwerktechniken erlauben
eine Steuerung von Systemeinheiten innerhalb einer Domäne bzw.
innerhalb einer begrenzten Umgebung. Da für die Struktur der Steuerinformationen
bislang kein einheitlicher Standard existiert, ist ein Zusammenwirken
von gesteuerten Systemeinheiten mit beliebigen steuernden System
bislang nicht vorgesehen.
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Über
existierende – unten
erläuterte – Kommunikationsumgebungen
wie 'X.10', 'Jini', 'UPnP' ist beispielsweise
eine weitgehend lokale Steuerung von Heimsystemen und Peripheriegeräten – überwiegend
zur durch einen PC ('Personal
Computer') – bekannt.
Eine Interoperabilität
zwischen den genannten Kommunikationsumgebungen ist nicht vorgesehen bzw.
nur begrenzt unter Einsatz von weiteren Protokollumwandlungseinheiten
möglich.
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X.10 ist ein proprietäres Kommunikationsprotokoll
der Firma X10, mit dem eine Kommunikation von bis zu 256 maximal
adressierbarer kompatibler Einrichtungen über ein Inhaus-Stromnetz ermöglicht ist.
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Die von der Firma SUN entwickelte
Kommunikationsumgebung 'Jini' – ein rekursives Akronym für 'Jini is not Initials' bzw. 'Java Intelligent
Network Infrastructure' – definiert
ein Kommunikationsprotokoll bzw. zugehörige Applikationsschnittstellen
für die Kommunikation
von Geräten
basierend auf der Java Technologie.
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Die von der Firma Microsoft entwickelte Kommunikationsumgebung 'UPnP' – 'Universal Plug and Play' – ist eine Architektur für komplexe
Netzwerkverbindungen z.B. für
eine Kommunikation zwischen Geräten
und PCs verschiedener Hersteller.
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Es existieren bislang keine Konzepte
zur einheitlichen Steuerung beliebiger Systemeinheiten über ein
weltweites Datenkommunikationsnetz, wie beispielsweise dem sogenannten
Internet bzw. World Wide Web, WWW. Eine Integration von Systemeinheiten
in eine WWW-basierte Infrastruktur ist derzeit lediglich mit einer
Nutzung proprietärer
Verfahren möglich.
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Eine Implementierung oben genannter
Kommunikationsumgebungen in die Recheneinheiten der gesteuerten
Systeme ist in vielen Fällen
mit Schwierigkeiten behaftet. Eine wichtige Grundlage dieser Kommunikationsumgebung
ist eine Implementierung von Applikationsschnittstellen bzw. ein
Protokollmodul zur Generierung bzw. zum Auslesen von Protokollelementen
auf verschiedenen Protokollebenen, in der Fachwelt auch mit 'Protocol Stack' bezeichnet. Aufgrund
der begrenzten Rechenleistung bzw. eines begrenzten Speicherplatzes
der Recheneinheit sind diese rechenoperationsintensiven Implementierungen
oftmals nur mit einem Austausch der zentralen Recheneinheit mit
einer leistungsfähigeren
Recheneinheit zu verwirklichen, was neben höheren Kosten auch einen zusätzlichen
Entwicklungsaufwand bedeutet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel
zur Bereitstellung von Kommunikationsdiensten zur Unterstützung einer
Steuerung derartiger Systemeinheiten anzugeben, bei deren Anwendung
obige Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
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Eine Lösung der Aufgabe erfolgt hinsichtlich ihres
Vorrichtungsaspekts durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und hinsichtlich ihres Verfahrensaspekts durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 11.
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Erfindungsgemäß ist eine zwischen einer Recheneinheit
und einer Kommunikationseinheit angeordnete Kommunikationsdiensteeinrichtung
zur Bearbeitung von Protokollelementen vorgesehen. Bei der Recheneinheit
handelt es sich dabei z.B. um ein Mikrocontroller bzw. einen beliebig
ausgestalteten Prozessor, auch CPU genannt (Central Processing Unit).
Die Kommunikationseinheit ist beispielsweise in Form einer Netzwerkkarte
ausgestaltet. Alternativ besteht die Kommunikationseinheit aus einem
einzelnen Bauelement, das eine Anbindung an ein beliebige ausgestaltetes
Kommunikationsnetz steuert.
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Für
die Kommunikation mit dem Kommunikationsnetz kommt ein beliebiges
Kommunikationsprotokoll zur Anwendung.
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Auf Applikationsebene erfolgt die
Kommunikation der Kommunikationsdiensteeinrichtung über den
Kommunikationsstandard SIP ('Session
Initiated Protocol')
gemäß Vorgaben
der Dokumente RFC 2543 und RFC 3261 (Request for Comment) der IETF
(Internet Engineering Task Force).
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Die genannte Kommunikationsdiensteeinrichtung
ist dabei sowohl in die gesteuerte Systemeinheit als auch in steuernde
Systeme integrierbar.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist darin zu sehen, dass mit der Bearbeitung der Protokollelemente
durch die Kommunikationsdiensteeinrichtung eine Entlastung der Recheneinheit
erfolgt. Auf einem auf der Recheneinheit zum Ablauf gebrachten Programm
müssen
lediglich abstrakte Steueranweisungen und eine Behandlung von Ereignisnachrichten
implementiert werden, statt eine gesamte Routine zur Komposition
bzw. Dekomposition von Protokollelementen implementieren zu müssen. Die
Steueranweisungen bzw. Ereignisnachrichten werden dabei zwischen
der Recheneinheit und der Kommunikationsdiensteeinrichtung ausgetauscht.
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In vorteilhafter Weise wird auf Applikationsebene
zur Übermittlung
von Steuerungsaufgaben das SIP-Protokoll verwendet. Unter Verwendung
dieses Standards ist eine Interoperabilität verschiedenster gesteuerter
Systemeinheiten mit kommunizierenden Steuereinheiten auf Basis eines
offenen Standards gewährleistet.
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Vorteilig sind unter Verwendung des SIP-Standards
bereits bestehende Programmierwerkzeuge, Implementierungsspezifikationen
usw. für
die Internet-Telephonie nutzbar.
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In vorteilhafter Weise ergibt sich
durch eine recheneinheitseparate Kommunikationsdiensteeinrichtung
eine Minimierung des Aufwands für
Konformitätstests
der SIP-Protokollimplementierung.
Zudem ist eine derartige Kommunikationsdiensteeinrichtung unabhängig von
der Software bzw. vom Betriebssystem auf der Recheneinheit. Damit
ist eine einfache Migration sowohl seitens der Kommunikationsdiensteeinrichtung
als auch seitens der Recheneinheit gewährleistet.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die Kommunikationsdiensteeinrichtung
ist in vorteilhafter Weise auf einem elektronischen Bauelement bzw.
auf einem Siliziumchip integriert. Je nach Integrationsgrad kann
dieser Siliziumchip auch ein Festspeichermodul enthalten, das wahlweise
auch auf einem anderen Bauelement lokalisiert ist. Als Festspeichermodul
wird zum Beispiel ein – in
der Fachwelt auch EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only
Memory) genannter – elektrisch
löschbarer
Nur-Lese-Speicher eingesetzt.
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Bei einem höheren Integrationsgrad ist
im Bauelement der Kommunikationsdiensteeinrichtung zusätzlich die
Recheneinheit und/oder die Kommunikationseinheit integriert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1:
ein Strukturbild zur schematischen Darstellung einer gesteuerten
Systemeinheit mit der erfindungsgemäßen Kommunikationsdiensteeinrichtung;
und
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2:
ein Strukturbild zur schematischen Darstellung einer Ausgestaltung
der Kommunikationsdiensteeinrichtung.
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In 1 sind
dargestellt.
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In 1 sind
zur Steuerung einer Systemeinheit NWD dienende Funktionskomponenten dargestellt.
Die Systemeinheit NWD ist mit einem Kommunikationsnetz LAN verbunden.
Das Kommunikati onsnetz LAN ist gemäß eines weitgehend beliebigen
Kommunikationsstandards ausgestaltet, z.B. Ethernet, Wireless LAN,
oder Bluetooth. Die Systemeinheit NWD ist über eine geeignete Netzwerkanschlusseinheit
NIC an das Kommunikationsnetz LAN angebunden.
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Die gesteuerte Systemeinheit NWD
verfügt über ein
oder mehrere im folgenden erläuterte Ein-/Ausgabemittel.
Eine Ein-/Ausgabeeinheit IO ist beispielsweise in Form eines Displays
oder in Form einer Tastatur mit der Systemeinheit NWD verbunden.
Weiterhin sind Sensoren/Aktoren ACT vorgesehen, die ebenfalls bidirektional
Informationen mit der Systemeinheit NWD austauschen. Zur Eingabe
bzw. Ausgabe von Audio- bzw. Videodaten ist eine Audioein-/Ausgabeeinheit
bzw. eine Videoein-/Ausgabeeinheit
VID vorgesehen. Die Ein-/Ausgabeeinheit IO bzw. Sensoren/Aktoren
ACT sind mit einer Recheneinheit MC der Systemeinheit NWD verbunden. Üblicherweise
erfolgt die Anbindung dieser Komponenten an die Recheneinheit MC über eine – nicht
dargestellte – Kontrolleinheit,
die in der Fachwelt auch mit 'Controller' bezeichnet wird.
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Informationen der Audioein-/Ausgabeeinheit AUD
bzw. der Videoein-/Ausgabeeinheit VID werden mit einem Analog-/Digitalwandler
ADDA ausgetauscht. Der Analog-/Digitalwandler ADDA nimmt eine Konversion
zwischen analogen und digitalen Daten in bidirektionaler Richtung
vor. Die Audio- bzw. Videodaten werden nach einer von dem Analog-/Digitalwandler
ADDA vorgenommenen Konversion an die Recheneinheit MC oder auch
an die Netzwerkanschlusseinheit NIC weitergeleitet. In umgekehrter Richtung
werden Daten von der Recheinheit MC an den Analog-/Digitalwandler ADDA
bzw. von der Netzwerkanschlusseinheit NIC an den Analog-/Digitalwandler
ADDA geleitet.
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Die Recheneinheit MC tauscht bidirektional Daten
mit einer Kommunikationsdiensteeinrichtung ESS – auch 'Embedded SIP Server' ('Session
Initiated Protocol')
genannt – aus.
Zum Austausch von Daten mit der Recheneinheit MC verfügt die Kom munikationsdiensteeinrichtung
ESS über
eine erste Schnittstelle IF1. Bei dem mit der Recheneinheit MC ausgetauschten
Daten handelt es sich u.a. um Steuerbefehle, Instruktionen, Bestätigungsmeldungen oder
auch Statusinformationen. Diese Daten bzw. Befehle steuern eine
Komposition von Protokollelementen nach dem SIP-Standard bzw. transportieren – in Richtung
von der Kommunikationsdiensteeinrichtung ESS an die Recheneinheit
MC – nach
einer Dekomposition von Protokollelementen die darin enthaltenen
Informationen.
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Die Recheneinheit MC weist hierzu
beispielsweise in Form eines Steuerbefehls an die Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS zu einer Komposition eines SIP-Protokollelements unter Zugrundelegung
mitgelieferter Parameter an. Die in der Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS generierten Protokollelemente werden anschließend von
der zweiten Schnittstelle IF2 an die Netzwerkanschlusseinheit NIC übergeben.
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In umgekehrter Richtung – von der
Kommunikationsdiensteeinrichtung ESS zur Recheneinheit MC – werden über die
zweite Schnittstelle IF2 von der Netzwerkanschlusseinheit NIC übergebene
Protokollelemente von der Kommunikationsdiensteeinrichtung ESS analysiert
und die erhaltenen Daten bzw. Statusinformationen über die
erste Schnittstelle IF1 an die Recheneinheit MC übergeben.
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Der Analog-/Digitalwandler ADDA sowie dessen
bidirektionale Kommunikation mit der Recheneinheit MC bzw. der Netzwerkanschlusseinheit NIC
sind in der Zeichnung strichliert dargestellt. Diese Darstellungsweise
symbolisiert, dass eine Medienkommunikation, d.h. Audio- bzw. Videodaten, optional,
d.h. zusätzlich
zu einer Anwendung des SIP-Protokolls erfolgen kann. Die dabei verwendeten Medienformate
(Codecs) sind der Recheneinheit MC bekannt. Die Kommunikationsdiensteeinrichtung ESS
kann diese Medienformatinformation über die Schnittstelle IF1 abfragen
und in die SIP-Protokoll Nachrichten einbinden. Der Austausch der
Mediendatenpakete erfolgt transparent, d.h. ohne Beteiligung der
Kommunikationsdiensteeinrichtung ESS. Eine derartige transparente
Verbindung kann insbesondere – siehe
Zeichnung – ohne
Beteiligung der Recheneinheit MC erfolgen, d.h. die Mediendaten werden
direkt über
die Netzwerkanschlusseinheit NIC ausgetauscht. Die Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS kann auf diese Weise unabhängig
von einem Analog-/Digitalwandler ADDA für reine Steuerungsanwendungen
eingesetzt werden.
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Die Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS entlastet die Recheneinheit MC von einer Komposition bzw. Dekomposition
von SIP-Protokollelementen. Die Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS ist hierfür
z.B. als separater Chip ausgestaltet. Bei der Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS handelt es sich also um eine bezüglich Hardware und Software
eigenständige
Einheit, welche z.B. über
ein eigenes Betriebssystem – in
diesem Fall in der Fachwelt auch mit 'Firmware' bezeichnet – verfügt. Die Firmware der Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS kann im Zuge eines Updates aktualisiert werden. Hierzu wird die
aktuelle Firmware über
einen im Kommunikationsnetz LAN lokalisierten – nicht dargestellten – Informationsgeber über die
Netzwerkanschlusseinheit NIC an die Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS übermittelt.
Die aktuelle Firmware wird in der Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS gespeichert, wobei die vorherige Firmware überschrieben wird.
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Eine Integration der Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS in die Systemeinheit NWD ist unkompliziert vorzunehmen, da die
Kommunikationsdiensteeinrichtung ESS lediglich zwischen der Recheneinheit
MC und der Netzwerkanschlusseinheit NIC zu installieren ist. Im
Anschluss ist eine Anpassung der Software der Recheneinheit MC,
d.h. der Maschineninstruktionen vorzunehmen.
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Im folgenden wird unter weiterer
Bezugnahme auf die Funktionseinheiten der 1 die interne Ausgestaltung der Rechen einheit
MC bzw. einer optionalen Mediendatenbearbeitungseinheit ME näher erläutert.
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In 2 sind
zur Steuerung der Systemeinheit NWD dienende Funktionseinheiten
dargestellt, die insbesondere als Softwaremodule zu verstehen sind.
Soweit entsprechende Softwaremodule als Applikationsschnittstellen – in der
Fachwelt auch mit 'Application
Programm Interface' bezeichnet – fungieren,
werden diese aus Platzgründen
mit der fachüblichen
Abkürzung 'API' bezeichnet.
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Über
eine Recheneinheit-API APIMC der Recheneinheit MC ist die Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS bzw. eine optionale – strichliert
dargestellte – Mediendatenbearbeitungseinheit
ME an die Recheneinheit MC angeschlossen. Die Kommunikation mit
der Recheneinheit-API APIMC der Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS erfolgt über
eine Dienst-API APIESS durch welche jeweils ein Austausch von Steuerinstruktionen
stattfindet. Die Kommunikationsdiensteeinrichtung ESS enthält als weitere
Softwaremodule ein mit der Dienst-API APIESS kommunizierendes Dienstmodul
SM sowie ein mit dem Dienstmodul SM kommunizierendes Transportprotokollmodul
TPS. Das Transportprotokollmodul TPS tauscht Daten auf einer Transportebene
mit der Netzwerkanschlusseinheit NIC aus.
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Die Kommunikation zwischen der Dienst-API APIESS
und dem Dienstmodul SM erfolgt optional entweder über ein
Dienstvermittlermodul UA oder über
ein Stellvertretermodul PRX. Das Dienstvermittlermodul UA sowie
das Stellvertretermodul PRX übernehmen
Aufgaben einer Zuordnungseinheit.
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Das Dienstvermittlermodul UA – in der
Fachwelt oftmals auch mit 'User
Agent' bezeichnet – ist ein Diensterbringer,
welcher über
die Dienst-API APIESS gesteuerte Instruktionen auf verfügbare Dienste
abbildet und umgekehrt.
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Erfolgt die Kommunikation der Dienst-API APIESS
alternativ über
das Stellvertretermodul PRX – in
der Fachwelt auch mit 'Proxy' bezeichnet – so werden
durch dieses Stellvertretermodul PRX aus den Instruktionen in Datentelegrammen
enthaltene Daten extrahiert. Das Stellvertretermodul PRX übernimmt
darüber
hinaus die Aufgabe, Instruktionen welche nicht für die Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS bestimmt sind, an den Ausgang der Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS, d.h. über
das Transportprotokollmodul TPS an die Netzwerkanschlusseinheit
NIC weiterzuleiten. Diese Funktionen eines auch als 'Router' bezeichneten Moduls
werden dann ausgeführt,
wenn durch das Stellvertretermodul PRX bei der Analyse der Instruktionen
festgestellt wird, dass die Kommunikationsdiensteeinrichtung ESS
für eine
Bearbeitung dieser Instruktionen nicht zuständig ist.
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Das Dienstvermittlermodul UA sowie
das Stellvertretermodul PRX kommunizieren bidirektional mit einem
Protokollmodul PRM. Im Protokollmodul PRM – üblicherweise auch mit 'SIP-Engine' bezeichnet – wird eine
Komposition bzw. Dekomposition von Instruktionen und SIP-Protokollelementen
durchgeführt.
Dazu umfasst das Protokollmodul PRM ein SIP-Protokollstapelmodul
SPM, ein Standortbestimmungsmodul LSM sowie ein Authentifizierungsmodul AUM.
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Das Standortbestimmungsmodul LSM – üblicherweise
auch mit 'Location
Service Modul' bezeichnet – wird von
dem Stellvertretermodul PRX zur Erlangung von Informationen über einen
Kommunikationsendpunkt verwendet. Der Kommunikationsendpunkt der
Kommunikationsdiensteeinrichtung ESS ist üblicherweise eine – nicht
dargestellte – Steuereinrichtung, über die
die gesteuerte Systemeinheit NWD gesteuert wird. Das Standortbestimmungsmodul LSM
bestimmt den Standort beispielsweise anhand von über das Kommunikationsnetz
bezogenen Informationen eines – nicht
dargestellten – Domänennamendienstes,
auch 'Domain Name
Server', DNS genannt.
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Das Authentifizierungsmodul AUM beinhaltet Mechanismen
zur Gewährleistung
der Authentizität der
Steuereinrichtung, beispielsweise unter Verwendung bekannter kryptographischer
Verfahren wie z.B. PGP ('Pretty
Good Privacy') oder
RADIUS ('Remote Authentification
Dial-In User').
Bei der durch das Authentifizierungsmodul AUM durchgeführten Authentifizierung
wird bei eintreffenden SIP-Protokollelementen deren Authentizität und eine
Autorisierung für
angeforderte Steueraufgaben überprüft, bevor
diese in Form von Steuer-Instruktionen an die Recheneinheit MC übergeben
werden. Optional nimmt das Authentifizierungsmodul AUM eine Dechiffrierung
von kryptographisch verschlüsselten
Inhalten von SIP-Protokollelementen vor.
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Die 'Inhalte', das heißt in den SIP-Protokollelementen
transportierten Datagramme sind beispielsweise in Form von Textnachrichten
organisiert. Für eine
strukturiertere elektronische Verarbeitung ist eine Strukturierung
der Datagramme gemäß XML ('Extended Markup Language') vornehmbar.
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Das Protokollmodul PRM kommuniziert
bidirektional mit einem Transportprotokollmodul TPS, über welches
Daten mit der Netzwerkanschlusseinheit NIC ausgetauscht werden.
Das Transportprotokollmodul TPS übernimmt
hierzu eine Konvertierung der SIP-Protokollelemente in Datenpakete
mit einem entsprechenden Transportprotokoll. In umgekehrter Richtung
erfolgt eine Extraktion von SIP-Protokollelementen aus den in ein
Transportprotokoll kodierten Datenpaketen. Im Protokollmodul PRM
werden Datagramme in maschinenlesbare Instruktionen umgesetzt und
umgekehrt. Die maschinenlesbaren Instruktionen sind über die
Dienst-API APIESS aufrufbar, bzw: werden dort an die Recheneinheit-API APIMC übergeben.
Aus den Datagrammen extrahierte Informationen werden dort beispielsweise
als Applikationsebene-Befehle, z.B. in Form der nachfolgenden – mit beispielhaften
Steuerungsaufgaben ergänzten – Befehlen übergeben:
'Control', d.h. Steuerungsbefehle
z.B. in der Form 'aktiviere
die Sprinkleranlage';
'Query', d.h. Anfragebefehle
z.B. in der Form 'wie hoch
ist der Flüssigkeitsstand?';
'Event Notification', d.h. Anforderung
von Ereignisnachrichten z.B. in der Form 'teile einen aktivierten Feueralarm mit';
'Multimedia Session,
d.h. Anforderung einer Medienkommunikation z.B. in der Form 'übermittle Videosignale der
Babysitterkamera'.
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Bedarfsweise ist der Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS eine Mediendatenbearbeitungseinheit ME zur Bearbeitung von Audio-
bzw. Videosignalen nebengeordnet. Die Mediendatenbearbeitungseinheit
ME tauscht in analoger Weise zur Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS mit der Recheneinheit-API APIMC Instruktionen über eine
Mediendaten-API APIME aus. Die empfangenen Daten werden von der
Mediendaten-API APIME bearbeitet und and Mediendatenbearbeitungsdienstmodul
MDS weitergegeben. Das Mediendatenbearbeitungsdienstmodul MDS kommuniziert
mit einem Mediendatenübergabemodul
MSA über
welches in analoger Weise zum Transportprotokollmodul TPS der Kommunikationsdiensteeinrichtung
ESS eine Obergabe an die Netzwerkanschlusseinheit NIC erfolgt.