WO2018158072A1 - Verfahren zum übertragen von nachrichten in einem kommunikationsnetzwerk, gateway und kommunikationsnetzwerk - Google Patents

Verfahren zum übertragen von nachrichten in einem kommunikationsnetzwerk, gateway und kommunikationsnetzwerk Download PDF

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WO2018158072A1
WO2018158072A1 PCT/EP2018/053515 EP2018053515W WO2018158072A1 WO 2018158072 A1 WO2018158072 A1 WO 2018158072A1 EP 2018053515 W EP2018053515 W EP 2018053515W WO 2018158072 A1 WO2018158072 A1 WO 2018158072A1
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WO
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message
receiver
bus
data
transmitting connection
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/053515
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Ernst Doering
Marco Andreas Wagner
Stephan Ludwig
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/46—Interconnection of networks
    • H04L12/4604—LAN interconnection over a backbone network, e.g. Internet, Frame Relay
    • H04L12/462—LAN interconnection over a bridge based backbone
    • H04L12/4625—Single bridge functionality, e.g. connection of two networks over a single bridge
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
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    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/004—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using forward error control
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    • H04L2001/0097—Relays

Definitions

  • the invention relates to a method for transmitting messages in a communication network, a gateway for use in this method and a communication network.
  • a communication network for a motor vehicle with a central control unit for controlling the network and a plurality of controlled node units is known, which are connected to the central control unit via a communication line, wherein the central control unit is arranged in an access-safe area, and at least one controlled node unit is arranged in an access-insecure area, and a disconnecting element for interrupting the communication line is arranged in the communication line between the central control unit and the node unit arranged in the access-insecure area.
  • the invention relates to a method for transmitting messages in a communication network. This method comprises the steps:
  • a first message is transmitted which comprises a first user data content.
  • the transmission of the first message takes place from a first transmitter to a first receiver and to a bus subscriber, in particular a gateway, via a first data-transmitting connection.
  • the "bus user” is hereinafter referred to by way of example as a “gateway”, but it does not necessarily have to be a gateway.
  • the first data-transmitting connection may in particular be a first bus.
  • a first bus Such a topology is particularly efficient because the first message on the bus is simultaneously transmitted to the first receiver and to the gateway, for example when the first receiver and the gateway are each directly connected to the bus. Even if the first receiver and / or the gateway are not directly connected to the bus, but other data-transmitting connections between bus and receiver or gateway are connected, the use of a bus has the advantage that the first transmitter to send the first message only once needs without having to replicate the message.
  • a second message is also sent, which comprises a second user data content.
  • the second message is sent from a second transmitter to the first receiver.
  • This second message is received by the gateway, which generates another message.
  • This further message comprises a further user data content, which is a linear combination of the first user data content and the second user data content.
  • This further message is transmitted to the first receiver via a further data-transmitting connection, in particular a further bus.
  • the second payload of the second message is then extracted from the further message and the first message. This can be done in particular by the coefficients with which the linear combination of the first
  • the second message is also transmitted from the second transmitter to a second receiver.
  • the first message is transmitted via the gateway to the second receiver. This is particularly efficient, in particular, when the first data-transmitting connection is a bus, since the transmission of the first message to the second receiver then takes place without an increased bus load of the first data-transmitting connection.
  • the further message about the further data-transmitting connection is also transmitted to the second recipient.
  • the first payload data content of the first message can then be extracted from the further message and the second message.
  • the first message must now rest only on the first data-transmitting connection, the second message only on the second data-transmitting connection. Nevertheless, by submitting a single additional message (the other message) created a way to extract the payload of the first message at the first receiver and the payload of the first message at the second receiver, without increasing the payload on the first data-transmitting connection or the second data-transmitting connection.
  • first payload data content and second payload data content may be provided to select the linear combination of first payload data content and second payload data content with randomly selected coefficients. In this way, a particularly efficient extraction of first user data content and / or second user data content is made possible if first user data content and / or second user data content are in turn linear combinations of two further user data contents.
  • the method is used in communication networks with (in particular significantly) more than two transmitters and (in particular significantly) more than two receivers, in particular if the communication network comprises a plurality of gateways, which respectively relay linear combinations of incoming messages.
  • the choice of random coefficients allows no explicit solution to be found for the choice of coefficients that optimally utilizes the communication network.
  • the communication network can thus possibly be restructured at runtime without having to search for such a new optimal solution again.
  • the invention relates to a gateway for use in any of these methods. It is contemplated that the gateway is arranged to receive the first message and the second message, generate the further message, and forward the first message and the further message to its designated recipient.
  • the gateway is set up to receive the first message via the first data-transmitting connection and to send the further message via the further data-transmitting connection (B3).
  • the invention relates to a communication network configured to perform any of the foregoing methods.
  • FIG. 1 shows a communication network according to an embodiment
  • Figure 2 schematically shows the structure of messages in the communication network
  • FIG. 3 shows a flow chart for the possible procedure of the method in the gateway
  • FIG. 4 shows a flowchart for the possible sequence of the method in the first and / or second receiver
  • FIG. 5 shows a communication network according to a second embodiment
  • FIG. 6 shows a communication network according to a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a communication network according to an embodiment of the invention.
  • Subscribers A and B are connected to a first data-transmitting connection Bl.
  • the first data-transmitting connection Bl is preferably a bus and is also referred to below as the "first bus.”
  • Subscribers A and B can be directly connected to the first bus Bl, but it is also possible for A and / or B to be via further communication subscribers only indirectly connected to the first bus Bl.
  • Subscribers C and D are connected to a second data-transmitting connection B2.
  • the second data-transmitting connection B2 is preferably a bus and is also referred to below as a "second bus.” Subscribers C and D can be connected directly to the second bus B2, but it is also possible for C and / or D to be via further communication subscribers only indirectly connected to the second bus B2.
  • First bus Bl and second bus B2 are connected via a gateway GW.
  • the gateway GW is also connected to a further data-transmitting connection B3.
  • the further data-transmitting connection B3 is preferably a bus and is referred to below as "further bus.” Subscribers B and D are connected to the further bus B3. Subscribers B and D can be connected directly to the further bus B3, but it is also possible that B and / or D are connected via other communication participants only indirectly with the further bus B3.
  • Subscriber A acts as a transmitter in the exemplary embodiment and is therefore also referred to as a "first transmitter.”
  • Subscriber C acts as a transmitter in the exemplary embodiment and is therefore also referred to as a "second transmitter”.
  • Subscriber B acts as a receiver in the exemplary embodiment and is therefore also referred to as a "first receiver.”
  • Subscriber D acts as a receiver in the exemplary embodiment and is therefore also referred to as a "second receiver”.
  • the first transmitter A transmits a first message a to the first receiver B by placing it on the first bus Bl.
  • the first message a should also be transmitted to the second receiver D.
  • the first transmitter A in the first message a encodes the first receiver B and the second receiver D.
  • the first message a is applied to the inputs of the gateway GW and the first receiver B via the first bus Bl.
  • Gateway GW and first receiver B receive the first message a.
  • the first message a is then transmitted to the gateway GW and the first receiver B.
  • the second transmitter C sends a second message b to the second receiver D, by placing it on the second bus B2.
  • the second message b should also be transmitted to the first receiver B.
  • Gateway GW forms a further message p from first message a and second message b.
  • the method for forming the further message p will be explained in more detail below in connection with FIG.
  • Gateway GW sends the further message p to the first receiver B and the second receiver D by placing them on the further bus B3.
  • the gateway GW encodes the first receiver B and the second receiver D.
  • the further message p is applied to the inputs of the first receiver B and the second receiver D via the further bus B3.
  • First receiver B and second receiver D receive the further message p.
  • the further message p is then transmitted to the first receiver B and the second receiver D.
  • the first receiver B extracts from the payload data of the first message a and the further message p the payload data content of the second message b.
  • the second message b is transmitted to the first receiver B.
  • the second receiver D extracts from the payload data contents of the second message b and the further message p the payload data content of the first message a.
  • the first message a is transmitted to the second receiver D.
  • FIG. 2 schematically illustrates the structure of the first message a, second message b and further message p.
  • the first message a comprises a header ha, in which the addressees of the first message a and an identifier of the first message a are mentioned in particular.
  • the first message a further comprises a first payload data pla, which preferably has a fixed length.
  • the second message b also comprises a header hb, in which the addressees of the first message b and an identifier of the second message b are named, and the second useful data content plb, which preferably has a fixed length.
  • the further message p likewise has a header hp in which, in particular, the addressees of the further message p are named.
  • the further message p further comprises the further payload data pip, which is a linear combination of first payload data pla and second payload data plb.
  • the header hp of the further message p preferably also includes the identifiers of the first message a and the second message b as well as the coefficients with whose aid the linear combination from which the further user data content pip was formed.
  • FIG. 3 illustrates the sub-method, which in one embodiment proceeds in the gateway GW.
  • Gateway GW receives in step 100 the first message a and the second message b in a respective input buffer (which input buffers may also be given by a common input buffer) connected to the first bus B1 and the second bus B2, respectively.
  • Gateway GW reads from the first header ha and the second header hb the addressees of the first message a and the second message b and stores them in a list in an internal memory area. In the next step 110, the gateway GW generates a first coefficient kl and a second coefficient k2 and stores them in a designated memory area. In one possible embodiment, these coefficients are given as fixed values. In a further possible embodiment, these coefficients are chosen randomly in a value range ⁇ ... ⁇ -1, where n is a fixed specifiable natural number.
  • the further header hp of the further message p is generated in step 120.
  • the stored addressees of the first message a and the second message b are read out of the designated memory area and stored in the further header hp.
  • the identifiers of the first message a and the second message b are stored in the further header hp.
  • the coefficients k1, k2 from the linear combination used are stored in the further header hp.
  • the gateway GW identifies via which data-transmitting connections the message p is to be transmitted to the first addressee B and the second addressee D, for example by calling a table stored in the gateway GW (it is of course also possible that the first message a and / or the second message b transmit this information).
  • the gateway GW identifies that the message p is to be transmitted to the first addressee B and the second addressee D via the further bus B3 and outputs the further message p to the further bus B3. This ends this part of the process on the gateway GW.
  • FIG. 4 illustrates the part of the method which in the embodiment proceeds in the first receiver B (second receiver D).
  • the first receives Receiver B (second receiver D) receives the first message a (second message b) and stores it in a designated memory area.
  • the first receiver B receives the further message p identifies the identifiers deposited in the further header hp of the further message p and compares them with the identifier of the first header ha (second header hb) stored in step 200 first message a (second message b).
  • the first receiver B (second receiver D) determines a match of the identifiers and extracts from the further header hp of the further message p the first coefficient kl (second coefficient k2) which is assigned to the first user data content pla. Further, the first receiver B (second receiver D) extracts the second coefficient k2 (first coefficient kl) and stores it as a divisor.
  • Multiplication and subtraction can be stored in tables with m columns and m rows in the first receiver B (second receiver D), the formation of the multiplication inverse as a table with one column and m rows. This ends the process part that runs in the first receiver B (second receiver D).
  • plr K pls
  • plr is a vector consisting of all received payload data ⁇
  • pls is a vector consisting of all transmitted payload data plsj (natural numbers i, j indicate the content).
  • K is a matrix which must be inverted to determine the transmitted payload data p / s analogous to formula (5).
  • N payload contents In order to receive N transmitted payload data, at least N payload contents must be received so that the matrix K has rank N.
  • One possibility is that the subscribers located between sender and receiver form further linear combinations and have their result sent, so that more received user data contents arise. However, this increases the network load.
  • the probability is very high that the matrix has sufficient rank. Therefore, it is particularly efficient and convenient to choose the coefficients either at random. In particular, it is possible to randomly generate the coefficients only during execution, but it is also possible to generate the coefficients before execution of the program and to store them in memory.
  • this is particularly advantageous because with random selection of the coefficients for the same reasons a restructuring of the communication network or a change of message forwarding rules (in gateways) at runtime, the matrix continues to have a high probability of sufficient rank. In such cases, effort for changes to the procedure can be saved.
  • FIG. 5 schematically shows a communication network according to a further embodiment.
  • the second receiver D is omitted.
  • the further message p is transmitted from the gateway GW only to the first receiver B.
  • the further data-transmitting connection B3 is connected only to the first receiver B. It can be given for example by a radio transmission. Therefore, only a reconstruction of the second payload data plb in the first receiver B occurs.
  • the advantage of this embodiment over a direct transmission of the second message b via the further data-transmitting connection B3 to the first receiver B is an improvement in the security of the data transmission of the second message b. Any scouting attack on the further data-transmitting connection B3 requires the reconstruction of the second payload connection B3. content plb next to the further message p also a knowledge of the first payload data pla, so that this embodiment allows a particularly secure data transmission.
  • FIG. 6 shows schematically a communication network according to a further embodiment.
  • the second receiver D is introduced here and connected to the gateway GW, but not via the second data-transmitting connection B2.
  • the first transmitter A also transmits the first message a to the second receiver D.
  • the first message a is delivered to the second receiver D without additional bus load on the first bus B1.
  • the described methods may be implemented in software, for example by computer programs stored on and executed by machine-readable storage media in the executing communication participants A, B, C, D, GW in the communication network, or in hardware, or in a hybrid form Hardware and software.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)

Abstract

Kommunikationsnetzwerk, umfassend einen ersten Sender (A), einen zweiten Sender (C), einen ersten Empfänger (B) und ein Gateway (GW), wobei der erste Sender (A), der erste Empfänger (B) und der Gateway (GW) über eine erste datenübertragende Verbindung (Bl) zumindest mittelbar miteinander verbunden sind, und wobei der Gateway (GW) über eine zweite datenübertragende Verbindung (B2) zumindest mittelbar mit dem zweiten Sender (C) verbunden ist, und wobei der Gateway (GW) über eine weitere datenübertragende Verbindung (B3) mit dem ersten Empfänger (B) wenigstens mittelbar verbunden ist, und wobei der erste Sender (A) eingerichtet ist eine erste Nachricht (a), welche einen ersten Nutzdateninhalt (pla) umfasst an den ersten Empfänger (B) und an den Gateway (GW) zu übermitteln, und wobei der zweite Sender (C) eingerichtet ist, eine zweite Nachricht (b), welche einen zweiten Nutzdateninhalt umfasst an den Gateway (GW) zu übermitteln, wobei der Gateway (GW) eingerichtet ist, eine weitere Nachricht (p) zu generieren, welche einen weiteren Nutzdateninhalt umfasst, der eine Linearkombination des ersten Nutzdateninhalts und des zweiten Nutzdateninhalts ist, wobei der Gateway (GW) ferner eingerichtet ist, die weitere Nachricht (p) über die weitere datenübertragende Verbindung (B3) an den ersten Empfänger (B) zu übermitteln.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Übertragen von Nachrichten in einem Kommunikationsnetzwerk, Gateway und Kommunikationsnetzwerk
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Nachrichten in einem Kommunikationsnetzwerk, einen Gateway zum Einsatz in diesem Verfahren und ein Kommunikationsnetzwerk.
Stand der Technik
Aus der DE 10226253 A1 ist ein Kommunikationsnetzwerk für ein Kraftfahrzeug mit einer zentralen Steuerungseinheit zur Steuerung des Netzwerks und einer Mehrzahl von angesteuerten Knoteneinheiten bekannt, die mit der zentralen Steuerungseinheit über eine Kommunikationsleitung verbunden sind, wobei die zentrale Steuerungseinheit in einem zugriffssicheren Bereich angeordnet ist, und zumindest eine angesteuerte Knoteneinheit in einem zugriffsunsicheren Bereich angeordnet ist, ist und in der Kommunikationsleitung zwischen der zentralen Steuerungseinheit und der in dem zugriffsunsicheren Bereich angeordneten Kno- teneinheit ein Trennelement zur Unterbrechung der Kommunikationsleitung angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung Das Verfahren, der Gateway und das Kommunikationsnetzwerk mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Übertragung von Nachrichten in einem Kommunikationsnetzwerk mit einem Gateway besonders effizient geschieht.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Offenbarung der Erfindung
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Übertragen von Nachrichten in einem Kommunikationsnetzwerk. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:
Es wird eine erste Nachricht übermittelt, welche einen ersten Nutzdateninhalt umfasst. Die Übermittlung der ersten Nachricht erfolgt von einem ersten Sender an einen ersten Empfänger und an einen Busteilnehmer, insbesondere einen Gateway, über eine erste datenübertragende Verbindung. Der„Busteilnehmer" wird im Folgenden durchgehend exemplarisch als„Gateway" bezeichnet, er muss aber nicht zwingend ein Gateway sein.
Bei der ersten datenübertragenden Verbindung kann es sich insbesondere um einen ersten Bus handeln. Eine solche Topologie ist besonders effizient, da die erste Nachricht auf dem Bus zeitgleich an den ersten Empfänger und an den Gateway übertragen wird, beispielsweise wenn der erste Empfänger und der Gateway jeweils unmittelbar mit dem Bus verbunden sind. Auch wenn der erste Empfänger und/oder der Gateway nicht unmittelbar mit dem Bus verbunden sind, sondern weitere datenübertragende Verbindungen zwischen Bus und Empfänger bzw. Gateway geschaltet sind, hat die Verwendung eines Bus den Vorteil, dass der erste Sender die erste Nachricht nur einmal abzusenden braucht, ohne dass die Nachricht repliziert werden muss.
Es wird ferner eine zweite Nachricht abgesendet, welche einen zweiten Nutzdateninhalt umfasst. Die zweite Nachricht wird von einem zweiten Sender an den ersten Empfänger abgesendet.
Diese zweite Nachricht wird vom Gateway empfangen, der eine weitere Nachricht generiert. Diese weitere Nachricht umfasst einen weiteren Nutzdateninhalt, der eine Linearkombination des ersten Nutzdateninhalts und des zweiten Nutzdateninhalts ist. Diese weitere Nachricht wird an den ersten Empfänger über eine weitere datenübertragende Verbindung insbesondere einen weiteren Bus, übermittelt. Der zweite Nutzdateninhalt der zweiten Nachricht wird dann aus der weiteren Nachricht und der ersten Nachricht extrahiert. Dies kann insbesondere dadurch ge- schehen, dass die Koeffizienten, mit denen die Linearkombination des ersten
Nutzdateninhalts und des zweiten Nutzdateninhalts gebildet wurde, an den ersten Empfänger übermittelt werden
In einer besonders effizienten Weiterbildung wird die zweiten Nachricht auch vom zweiten Sender an einen zweiten Empfänger übermittelt wird.
Dies ist insbesondere dann effizient, wenn die Übermittlung der zweiten Nachricht an den zweiten Empfänger und an den Gateway über eine zweite datenübertragende Verbindung (welche sowohl von der ersten datenübertragenden Verbindung als auch von der weiteren datenübertragenden Verbindung verschieden ist), insbesondere einen zweiten Bus erfolgt.
In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die erste Nachricht über den Gateway an den zweiten Empfänger übermittelt wird. Dies ist insbesondere dann besonders effizient, wenn die erste datenübertragende Verbindung ein Bus ist, da die Übermittlung der ersten Nachricht an den zweiten Empfänger dann ohne erhöhte Buslast der ersten datenübertragenden Verbindung erfolgt.
Es ist möglich, dass diese Übermittlung über die zweite datenübertragende Ver- bindung erfolgt.
In einem noch weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die weitere Nachricht über die weitere datenübertragende Verbindung auch an den zweiten Empfänger übermittelt wird. Insbesondere kann dann der erste Nutzdateninhalt der ersten Nachricht aus der weiteren Nachricht und der zweiten Nachricht extrahiert werden.
Dies ist besonders effizient. Die erste Nachricht muss nun lediglich an der ersten datenübertragenden Verbindung anliegen, die zweite Nachricht lediglich an der zweiten datenübertragenden Verbindung. Dennoch ist durch Übermittlung einer einzigen zusätzlichen Nachricht (der weiteren Nachricht) eine Möglichkeit geschaffen, am ersten Empfänger den Nutzdateninhalt der zweiten Nachricht und am zweiten Empfänger den Nutzdateninhalt der ersten Nachricht zu extrahieren, ohne dass sich die Nutzlast auf der ersten datenübertragenden Verbindung oder der zweiten datenübertragenden Verbindung erhöht.
In einem noch weiteren Aspekt kann vorgesehen sein die Linearkombination aus erstem Nutzdateninhalt und zweitem Nutzdateninhalt mit zufällig ausgewählten Koeffizienten zu wählen. Hierdurch wird eine besonders effiziente Extraktion von erstem Nutzdateninhalt und/oder zweitem Nutzdateninhalt ermöglicht, wenn erster Nutzdateninhalt und/oder zweiter Nutzdateninhalt ihrerseits Linearkombinationen aus zwei noch weiteren Nutzdateninhalten sind.
Ferner ist dies vorteilhaft, wenn das Verfahren in Kommunikationsnetzwerken mit (insbesondere deutlich) mehr als zwei Sendern und (insbesondere deutlich) mehr als zwei Empfängern eingesetzt, insbesondere dann, wenn das Kommunikationsnetzwerk mehrere Gateways umfasst, die jeweils Linearkombinationen von eingehenden Nachrichten weitergeben. In solchen Kommunikationsnetzwerken ermöglicht die Wahl zufälliger Koeffizienten, dass keine explizite Lösung für die Wahl der Koeffizienten, die das Kommunikationsnetzwerk optimal auslastet, gefunden werden muss. Weiterhin kann damit das Kommunikationsnetzwerk ggf. zur Laufzeit umstrukturiert werden, ohne dass solche eine neue optimale Lösung erneut gesucht werden muss. In noch weiteren Aspekten betrifft die Erfindung einen Gateway zum Einsatz in einem dieser Verfahren. Es ist vorgesehen, dass der Gateway eingerichtet ist, die erste Nachricht und die zweite Nachricht zu empfangen, die weitere Nachricht zu generieren und die erste Nachricht und die weitere Nachricht an ihren designierten Empfänger weiterzuleiten.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Gateway eingerichtet ist, die erste Nachricht über die erste datenübertragende Verbindung zu empfangen und die weitere Nachricht über die weitere datenübertragende Verbindung (B3) abzusenden. In noch weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Kommunikationsnetzwerk, welches eingerichtet ist, eines der vorgenannten Verfahren auszuführen.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein Kommunikationsnetzwerk gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2 schematisch den Aufbau von Nachrichten im Kommunikationsnetzwerk;
Figur 3 ein Flussdiagramm zum möglichen Ablauf des Verfahrens im Gateway;
Figur 4 ein Flussdiagramm zum möglichen Ablauf des Verfahrens im ersten und/oder zweiten Empfänger;
Figur 5 ein Kommunikationsnetzwerk gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figur 6 ein Kommunikationsnetzwerk gemäß einer dritten Ausführungsform.
Figur 1 zeigt ein Kommunikationsnetzwerk gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Teilnehmer A und B sind mit einer ersten datenübertragenden Verbindung Bl verbunden. Die erste datenübertragende Verbindung Bl ist vorzugsweise ein Bus und wird im Folgenden auch als„erster Bus" bezeichnet. Teilnehmer A und B können unmittelbar mit dem ersten Bus Bl verbunden sein, es ist aber auch möglich, dass A und/oder B über weitere Kommunikationsteilnehmer nur mittelbar mit dem ersten Bus Bl verbunden sind.
Teilnehmer C und D sind mit einer zweiten datenübertragenden Verbindung B2 verbunden. Die zweite datenübertragende Verbindung B2 ist vorzugsweise ein Bus und wird im Folgenden auch als„zweiter Bus" bezeichnet. Teilnehmer C und D können unmittelbar mit dem zweiten Bus B2 verbunden sein, es ist aber auch möglich, dass C und/oder D über weitere Kommunikationsteilnehmer nur mittelbar mit dem zweiten Bus B2 verbunden sind. Erster Bus Bl und zweiter Bus B2 sind über einen Gateway GW verbunden. Der Gateway GW ist ferner mit einer weiteren datenübertragenden Verbindung B3 verbunden. Die weitere datenübertragende Verbindung B3 ist vorzugsweise ein Bus und wird im Folgenden als„weiterer Bus" bezeichnet. Teilnehmer B und D sind mit dem weiteren Bus B3 verbunden. Teilnehmer B und D können unmittelbar mit dem weiteren Bus B3 verbunden sein, es ist aber auch möglich, dass B und/oder D über weitere Kommunikationsteilnehmer nur mittelbar mit dem weiteren Bus B3 verbunden sind.
Teilnehmer A fungiert im Ausführungsbeispiel als Sender und wird daher auch als„erster Sender" bezeichnet. Teilnehmer C fungiert im Ausführungsbeispiel als Sender und wird daher auch als„zweiter Sender" bezeichnet. Teilnehmer B fungiert im Ausführungsbeispiel als Empfänger und wird daher auch als„erster Empfänger" bezeichnet. Teilnehmer D fungiert im Ausführungsbeispiel als Empfänger und wird daher auch als„zweiter Empfänger" bezeichnet.
Der erste Sender A sendet im Ausführungsbeispiel der Figur 1 eine erste Nachricht a an den ersten Empfänger B, indem er sie auf den ersten Bus Bl gibt. Die erste Nachricht a soll auch an den zweiten Empfänger D übertragen werden. Als designierte Adressaten der ersten Nachricht a kodiert der erste Sender A in der ersten Nachricht a den ersten Empfänger B und den zweiten Empfänger D. Die erste Nachricht a liegt über den ersten Bus Bl an den Eingängen des Gateway GW und des ersten Empfängers B an. Gateway GW und erster Empfänger B empfangen die erste Nachricht a. Die erste Nachricht a ist dann an den Gateway GW und den ersten Empfänger B übertragen.
Der zweite Sender C sendet im Ausführungsbeispiel der Figur 1 eine zweite Nachricht b an den zweiten Empfänger D, indem er sie auf den zweiten Bus B2 gibt. Die zweite Nachricht b soll auch an den ersten Empfänger B übertragen werden. Als designierte Adressaten der zweiten Nachricht b kodiert der zweite
Sender C in der zweiten Nachricht b den ersten Empfänger B und den zweiten Empfänger D. Die zweite Nachricht b liegt über den zweiten Bus B2 an den Eingängen des Gateway GW und des zweiten Empfängers D an. Gateway GW und zweiter Empfänger D empfangen die zweite Nachricht b. Die zweite Nachricht b ist dann an den Gateway GW und den zweiten Empfänger D übertragen. Gateway GW bildet aus erster Nachricht a und zweiter Nachricht b eine weitere Nachricht p. Das Verfahren zur Bildung der weiteren Nachricht p wird unten im Zusammenhang mit Figur 3 näher erläutert. Gateway GW sendet die weitere Nachricht p an den ersten Empfänger B und den zweiten Empfänger D, indem er sie auf den weiteren Bus B3 gibt. Als designierte Adressaten der weiteren Nachricht p kodiert der Gateway GW den ersten Empfänger B und den zweiten Empfänger D. Die weitere Nachricht p liegt über den weiteren Bus B3 an den Eingängen des ersten Empfängers B und des zweiten Empfängers D an. Erster Empfänger B und zweiter Empfänger D empfangen die weitere Nachricht p. Die weitere Nachricht p ist dann an den ersten Empfänger B und den zweiten Empfänger D übertragen.
Mittels des in Figur 4 näher erläuterten Verfahrens extrahiert der erste Empfänger B aus den Nutzdateninhalten der ersten Nachricht a und der weiteren Nachricht p den Nutzdateninhalt der zweiten Nachricht b. Damit ist die zweite Nachricht b an den ersten Empfänger B übertragen.
Ebenso extrahiert der zweite Empfänger D aus den Nutzdateninhalten der zweiten Nachricht b und der weiteren Nachricht p den Nutzdateninhalt der ersten Nachricht a. Damit ist die erste Nachricht a an den zweiten Empfänger D übertragen.
Figur 2 illustriert schematisch den Aufbau der ersten Nachricht a, zweiten Nachricht b und weiteren Nachricht p. Die erste Nachricht a umfasst einen Header ha, in dem insbesondere die Adressaten der ersten Nachricht a und eine Kennung der ersten Nachricht a genannt sind. Die erste Nachricht a umfasst ferner einen ersten Nutzdateninhalt pla, der vorzugsweise eine feste Länge hat.
In gleicher Weise wie die erste Nachricht a umfasst auch die zweite Nachricht b einen Header hb, in dem insbesondere die Adressaten der ersten Nachricht b und eine Kennung der zweiten Nachricht b genannt sind und den zweiten Nutzdateninhalt plb, der vorzugweise eine feste Länge hat. Die weitere Nachricht p weist ebenfalls einen Header hp auf, in dem insbesondere die Adressaten der weiteren Nachricht p genannt sind. Die weitere Nachricht p umfasst ferner den weiteren Nutzdateninhalt pip, der eine Linearkombination aus erstem Nutzdateninhalt pla und zweitem Nutzdateninhalt plb ist. Der Header hp der weiteren Nachricht p umfasst vorzugsweise auch die Kennungen der ersten Nachricht a und der zweiten Nachricht b sowie die Koeffizienten, mit deren Hilfe die Linearkombination, aus der der weitere Nutzdateninhalt pip gebildet wurde. Figur 3 illustriert das Teilverfahren, welches in einer Ausführungsform im Gateway GW abläuft. Gateway GW empfängt in Schritt 100 die erste Nachricht a und die zweite Nachricht b in einem jeweiligen Eingangspuffer (wobei diese Eingangspuffer auch durch einen gemeinsamen Eingangspuffer gegeben sein können), der mit dem ersten Bus Bl bzw. dem zweiten Bus B2 verbunden ist.
Gateway GW liest aus dem ersten Header ha und dem zweiten Header hb die Adressaten der ersten Nachricht a und der zweiten Nachricht b und speichert sie in einer Liste in einem internen Speicherbereich. Im nächsten Schritt 110 generiert der Gateway GW einen ersten Koeffizienten kl und einen zweiten Koeffizienten k2 und speichert diese in einem designierten Speicherbereich. In einer möglichen Ausführungsform werden diese Koeffizienten als feste Werte vorgegeben. In einer weiteren möglichen Ausführungsform werden diese Koeffizienten zufällig in einem Wertebereich Ι...η-l gewählt, wobei n eine fest vorgebbare natürliche Zahl ist.
Im nächsten Schritt 120 wird der weitere Nutzdateninhalt pip ermittelt, gemäß der Formel pip = kl * pla + k2 * plb. (1)
Mathematisch gesehen werden die Koeffizienten kl, k2 hierbei als Elemente eines endlichen Erweiterungskörpers GF(m) mit m=qn Elementen interpretiert, wobei q eine vorgebbare Primzahl ist und insbesondere zu q=2 gewählt werden kann. Der erste Nutzdateninhalt pla und der zweite Nutzdateninhalt plb sind als digitale Signale als Abfolge von Bits gegeben. Diese Abfolgen werden ebenfalls als Zahlwerte des Erweiterungskörpers GF(m) interpretiert, wobei n > s, wobei s die Länge (also die Anzahl der Bits) der Abfolge ist. Die Addition und Multiplikation gemäß Formel (1) sind dann beispielsweise als Tabellen mit jeweils m Zeilen und m Spalten im Gateway GF hinterlegt, sodass der weitere Nutzdateninhalt plp durch drei Tabellenaufrufe generiert werden kann.
Werden die Koeffizienten kl, k2 aus dem Körper GF(2) mit zwei Elementen gewählt, also kl = 1 und k2 = 1, so vereinfacht sich Formel (1) zu plp = pla XOR plb (lb), wobei XOR eine bitweise Exklusiv-ODER-Verknüpfung darstellt.
Ebenso wird in Schritt 120 der weitere Header hp der weiteren Nachricht p generiert. Hierzu werden die gespeicherten Adressaten der ersten Nachricht a und der zweiten Nachricht b aus dem designierten Speicherbereich ausgelesen und im weiteren Header hp gespeichert. Im weiteren Header hp werden ferner die Kennungen der ersten Nachricht a und der zweiten Nachricht b gespeichert. Weiterhin werden im weiteren Header hp die Koeffizienten kl, k2 aus der verwendeten Linearkombination gespeichert.
In Schritt 130 identifiziert der Gateway GW, über welche datenübertragenden Verbindungen die Nachricht p an den ersten Adressaten B und den zweiten Adressaten D übermittelt werden soll, beispielsweise durch Aufruf einer im Gateway GW hinterlegten Tabelle (es ist selbstverständlich auch möglich, dass die erste Nachricht a und/oder die zweite Nachricht b diese Information übermitteln). Im Ausführungsbeispiel identifiziert Gateway GW, dass die Nachricht p über den weiteren Bus B3 an den ersten Adressaten B und den zweiten Adressaten D übermittelt werden soll und gibt die weitere Nachricht p auf den weiteren Bus B3. Damit endet dieser Teil des Verfahrens auf dem Gateway GW.
Figur 4 illustriert den Teil des Verfahrens, der in der Ausführungsform im ersten Empfänger B (zweiten Empfänger D) abläuft. In Schritt 200 empfängt der erste Empfänger B (zweite Empfänger D) die erste Nachricht a (zweite Nachricht b) und speichert sie in einem designierten Speicherbereich.
Im nächsten Schritt 210 empfängt der erste Empfänger B (zweite Empfänger D) die weitere Nachricht p identifiziert die im weiteren Header hp der weiteren Nachricht p hinterlegten Kennungen und vergleicht diese mit der in Schritt 200 gespeicherten Kennung des ersten Headers ha (zweiten Headers hb) der ersten Nachricht a (zweiten Nachricht b). Der erste Empfänger B (zweite Empfänger D) stellt eine Übereinstimmung der Kennungen fest und extrahiert aus dem weiteren Hea- der hp der weiteren Nachricht p den ersten Koeffizienten kl (zweiten Koeffizienten k2) der dem ersten Nutzdateninhalt pla zugeordnet ist. Ferner extrahiert der erste Empfänger B (zweite Empfänger D) den zweiten Koeffizienten k2 (ersten Koeffizienten kl) und speichert ihn als Divisor.
Im nächsten Schritt 220 ermittelt der erste Empfänger B (zweite Empfänger D) den zweiten Nutzdateninhalt plb (ersten Nutzdateninhalt pla) der zweiten Nachricht b (ersten Nachricht a) als plb = k?1 * (plp - W*pla) (2B)
bzw.
pla = kl 1 * (plp - k2*p\b) (2D).
Multiplikation und Subtraktion können dabei in Tabellen mit m Spalten und m Zeilen im ersten Empfänger B (zweiten Empfänger D) hinterlegt sein, die Bildung des Multiplikationsinversen als Tabelle mit einer Spalte und m Zeilen. Damit endet der Verfahrensteil, der im ersten Empfänger B (zweiten Empfänger D) abläuft.
Werden die Koeffizienten in Schritt 110 zufällig gewählt, hat dies Effizienzvorteile bei der Rekonstruktion der Terme, die in die weitere Nachricht p eingehen. Dies sei anhand von Figur 1 illustriert. Ist der erste Nutzdateninhalt pla der ersten Nachricht a seinerseits eine Linearkombination von Nutzdateninhalten plx, ply zweier weiterer Nachrichten x, y, pla = kx * plx + ky * ply (3) mit Koeffizienten kx, ky, und liegt dem ersten Empfänger B neben dem ersten Nutzdateninhalt pla und dem weiteren Nutzdateninhalt plp eine von a verschiedene Linearkombination plz der Nutzdateninhalte pIx, ply vor, also plz = kxz * pIx + kyz * ply (4), so kann der erste Empfänger B die Nutzdateninhalte pIx, ply die Nutzdateninhalte pIx, ply gemäß der Formel
Figure imgf000013_0001
xply) \kxz kyz) plz) ermitteln, was genau dann möglich ist, wenn der Rang der zu invertierenden Matrix gleich der Anzahl zu bestimmender Nachrichten ist.
Wird dieses Verfahren von mehreren Netzwerkteilnehmern mehrfach hintereinander ausgeführt, so wächst die zu invertierende Matrix. Der in Gleichungen (3) und (4) geschilderte allgemeine Zusammenhang verallgemeinert sich dann zu plr = K pls, wobei plr ein Vektor bestehend aus allen empfangenen Nutzdateninhalte Ζ und pls ein Vektor bestehend aus allen gesendeten Nutzdateninhalten plsj (natürliche Zahlen i, j indizieren die Inhalte). K ist eine Matrix, die zum Ermitteln der gesendeten Nutzdateninhalte p/s analog zu Formel (5) invertiert werden muss.
Um N gesendete Nutzdateninhalte zu empfangen, müssen mindestens N Nutzdateninhalte empfangen werden so dass die Matrix K Rang N besitzt. Eine geeignete analytische Wahl der Koeffizienten, so dass die Matrix K bei möglichst wenigen empfangenen Nutzdateninhalten einen ausreichenden Rang behält, wird mit wachsendem N zunehmend schwerer. Eine Möglichkeit ist, dass die zwischen Sender und Empfänger liegenden Teilnehmer weitere Linearkombinationen bilden und deren Ergebnis versenden lassen, so dass mehr empfangene Nutzdateninhalte entstehen. Dies erhöht jedoch die Netzwerklast.
Wählt man hingegen die Koeffizienten zufällig, so ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass die Matrix ausreichenden Rang besitzt. Deshalb ist es besonders effizient und zweckmäßig, die Koeffizienten entweder zufällig zu wählen. Insbesondere ist es möglich, die Koeffizienten erst bei der Ausführung zufällig zu generieren, es ist aber auch möglich, die Koeffizienten vor Ausführung des Programms zu generieren und im Speicher abzulegen.
Weiterhin ist dies besonders vorteilhaft, weil bei zufälliger Wahl der Koeffizienten aus den gleichen Gründen eine Umstrukturierungen des Kommunikationsnetzwerks oder eine Veränderung von Nachrichtenweiterleitungsregeln (in Gateways) zur Laufzeit die Matrix weiterhin mit hoher Wahrscheinlichkeit einen ausreichenden Rang besitzt. In solchen Fällen kann Aufwand für Änderungen am Verfahren eingespart werden.
Figur 5 zeigt schematisch ein Kommunikationsnetzwerk gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zur in Figuren 1-4 erläuterten Ausführungsform dargestellt. Der zweite Empfänger D entfällt. Die weitere Nachricht p wird vom Gateway GW nur an den ersten Empfänger B übermittelt. Die weitere datenübertragende Verbindung B3 ist nur mit dem ersten Empfänger B verbunden. Sie kann beispielsweise durch eine Funkübertragung gegeben sein. Daher erfolgt nur eine Rekonstruktion des zweiten Nutzdateninhalts plb im ersten Empfänger B.
Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels gegenüber einer direkten Übertragung der zweiten Nachricht b über die weitere datenübertragende Verbindung B3 an den ersten Empfänger B ist eine Verbesserung der Sicherheit der Datenübertragung der zweiten Nachricht b. Ein etwaiger Spähangriff auf die weitere datenübertragende Verbindung B3 benötigt zur Rekonstruktion des zweiten Nutzdaten- inhalts plb neben der weiteren Nachricht p auch eine Kenntnis des ersten Nutzdateninhalts pla, sodass dieses Ausführungsform eine besonders sichere Datenübertragung ermöglicht.
Figur 6 zeigt schematisch ein Kommunikationsnetzwerk gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zur in Figur 5 erläuterten Ausführungsform dargestellt. Der zweite Empfänger D ist hier eingeführt und mit dem Gateway GW verbunden, allerdings nicht über die zweite datenübertragende Verbindung B2. Der erste Sender A überträgt die erste Nachricht a auch an den zweiten Empfänger D. Gegenüber der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform ergibt sich hier eine Zustellung der ersten Nachricht a an den zweiten Empfänger D ohne zusätzliche Buslast auf dem ersten Bus Bl.
Selbstverständlich können die beschriebenen Verfahren in Software realisiert sein, beispielsweise durch Computerprogramme, die auf maschinenlesbaren Speichermedien in den ausführenden Kommunikationsteilnehmern A, B, C, D, GW im Kommunikationsnetzwerk gespeichert sind und von diesen ausgeführt werden, oder in Hardware, oder in einer Mischform aus Hardware und Software.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Übertragen von Nachrichten in einem Kommunikationsnetzwerk, umfassend die Schritte:
Übermitteln einer ersten Nachricht (a), welche einen ersten Nutzdateninhalt (pla) umfasst, von einem ersten Sender (A) an einen ersten Empfänger (B) und an einen Busteilnehmer (GW), insbesondere einen Gateway, über eine erste datenübertragende Verbindung (Bl), insbesondere einen ersten Bus;
Absenden einer zweiten Nachricht (b), welche einen zweite Nutzdateninhalt (plb) umfasst, von einem zweiten Sender (C) an den ersten Empfänger (B)
Empfangen auch der zweiten Nachricht (b) durch den Busteilnehmer (GW);
Generieren einer weiteren Nachricht (p), welche einen weiteren Nutzdateninhalt (plp) umfasst, der eine Linearkombination des ersten Nutzdateninhalts (pla) und des zweiten Nutzdateninhalts (plb) ist, durch den Busteilnehmer (GW);
Übermitteln der weiteren Nachricht (p) an den ersten Empfänger (B) über eine weitere datenübertragende Verbindung (B3)
Extrahieren des zweiten Nutzdateninhalts (plb) der zweiten Nachricht (b) aus der weiteren Nachricht (p) und der ersten Nachricht (a).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Nachricht (b) auch vom zweiten Sender (C) an einen zweiten Empfänger (D) übermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Übermittlung der zweiten Nachricht (b) an den zweiten Empfänger (D) und an den Busteilnehmer (GW) über eine zweite datenübertragende Verbindung (B2) (welche sowohl von der ersten datenübertragenden Verbindung als auch von der weiteren datenübertragenden Verbindung verschieden ist), insbesondere einen zweiten Bus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Nachricht (a) über den Busteilnehmer (GW) an den zweiten Empfänger (D) übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die weitere Nachricht (p) über die weitere datenübertragende Verbindung (B3) auch an den zweiten Empfänger (D) übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Nutzdateninhalt (pla) der ersten Nachricht (a) aus der weiteren Nachricht (p) und der zweiten Nachricht (b) extrahiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Linearkombination aus erstem Nutzdateninhalt(pla) und zweitem Nutzdateninhalt (plb) mit zufällig ausgewählten Koeffizienten gebildet wird.
Busteilnehmer (GW), insbesondere Gateway, zum Einsatz in einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, welcher eingerichtet ist, die erste Nachricht (a) und die zweite Nachricht (b) zu empfangen die weitere Nachricht (p) zu generieren und die erste Nachricht (a) und die weitere Nachricht (p) an ihren designierten Empfänger weiterzuleiten.
Busteilnehmer (GW) nach Anspruch 8, der eingerichtet ist, die erste Nachricht (a) über die erste datenübertragende Verbindung (Bl) zu empfangen und die weitere Nachricht (p) über die weitere datenübertragende Verbindung (B3) abzusenden.
Kommunikationsnetzwerk, umfassend einen ersten Sender (A), einen zweiten Sender (C), einen ersten Empfänger (B) und einen Busteilnehmer (GW), insbesondere einen Gateway,
wobei der erste Sender (A), der erste Empfänger (B) und der Busteilnehmer (GW) über eine erste datenübertragende Verbindung (Bl) zumindest mittelbar miteinander verbunden sind,
und wobei der Busteilnehmer (GW) über eine zweite datenübertragende Verbindung (B2) zumindest mittelbar mit dem zweiten Sender (C) verbunden ist, und wobei der Busteilnehmer (GW) über eine weitere datenübertragende Verbindung (B3) mit dem ersten Empfänger (B) wenigstens mittelbar verbunden ist,
und wobei der erste Sender (A) eingerichtet ist eine erste Nachricht (a), welche einen ersten Nutzdateninhalt (pla) umfasst an den ersten Empfänger (B) und an den Busteilnehmer (GW) zu übermitteln,
und wobei der zweite Sender (C) eingerichtet ist, eine zweite Nachricht (b), welche einen zweiten Nutzdateninhalt (plb) umfasst an den Busteilnehmer (GW) zu übermitteln,
wobei der Busteilnehmer (GW) eingerichtet ist, eine weitere Nachricht (p) zu generieren, welche einen weiteren Nutzdateninhalt (plp) umfasst, der eine Linearkombination des ersten Nutzdateninhalts (pla) und des zweiten Nutzdateninhalts (plb) ist,
wobei der Busteilnehmer (GW) ferner eingerichtet ist, die weitere Nachricht (p) über die weitere datenübertragende Verbindung (B3) an den ersten Empfänger (B) zu übermitteln.
Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 10, wobei der erste Empfänger (B) eingerichtet ist, den zweiten Nutzdateninhalt (plb) der zweiten Nachricht (b) aus der weiteren Nachricht (p) und der ersten Nachricht (a) zu extrahieren.
Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 10 oder 11, ferner umfassend einen zweiten Empfänger (D), wobei der zweite Sender (C) eingerichtet ist, die zweite Nachricht (b) auch an den zweiten Empfänger (D) zu übermitteln.
Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 12, ferner umfassend eine zweite datenübertragende Verbindung (B2), wobei der zweite Sender (C) eingerichtet ist, die zweite Nachricht (b) an den zweiten Empfänger (D) und an den Busteilnehmer (GW) über die zweite datenübertragende Verbindung (B2) zu übermitteln.
Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Busteilnehmer (GW) einrichtet ist, die erste Nachricht (a) zu empfangen und an den zweiten Empfänger (D) zu übermitteln.
15. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 14, wobei der Busteilnehmer (GW) eingerichtet ist, die weitere Nachricht (p) über die weitere datenübertragende Verbindung (B3) auch an den zweiten Empfänger (D) zu übermitteln.
16. Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 15, wobei der zweite Empfänger (D) eingerichtet ist, den ersten Nutzdateninhalt (pla) der ersten Nachricht (a) aus der weiteren Nachricht (p) und der zweiten Nachricht (b) zu extrahieren.
17. Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei der Busteilnehmer (GW) eingerichtet ist, die Linearkombination aus erstem Nutzdateninhalt (pla) und zweitem Nutzdateninhalt (plb) mit zufällig ausgewählten Koeffizienten zu bilden.
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