Neu SoSe 2018 - Bachelor Projekt Systementwicklung (BPSE)

Modularisierung von Internet Access Devices

Ausgangssituation

Der Netzzugang zum Internet erfolgt heutzutage √ľber multifunktionale Integrated Access Devices (IADs; oder auch CPEs), wie z.B. Telekom Speedport, AVM Fritzbox o.√§. Diese Ger√§te sind meist physikalisch beim Kunden platziert, um eine Vielzahl von Schnittstellen (WLAN, Eth, LTE, USB, POTS, ISDN S0) dem Kunden lokal zu bieten, sowie verschiedene Funktionalit√§ten (Routing, NAT/PATing, Firewall, SIP-Stack etc.).

Ein neuartiger Ansatz sind die sogenannten vCPE, welche als virtuelle Maschine beim ISP gestartet werden. Diese integrieren alle Funktionalit√§ten wie z.B. Routing oder Kindersicherungen. Der Kunde wird lediglich √ľber ein einfaches Ethernet Zugangsnetzwerk an diese Instanz angebunden. Diese Art der CPEs bringt den Nachteil mit, dass die Integration insbesondere der physikalischen Schnittstellen weiterhin in Endger√§ten beim Kunden geschehen muss.

Unabh√§ngig des Einsatzes von vCPE oder klassischen CPE sind diese hoch integriert und verf√ľgen dar√ľber hinaus √ľber eine monolithische Architektur, die sie wenig flexibel macht. Eine Erweiterung oder Aufwertung der IADs im Betrieb durch Software ist nur durch Hersteller Updates m√∂glich und im Hardware-Bereich praktisch unm√∂glich.

Die bereits in Software implementierten Funktionen sind monolithisch in der Firmware realisiert, was die Weiterentwicklung schwierig macht. Des Weiteren ist durch die gro√üe Abh√§ngigkeit zwischen Hardware und Software der Lebenszyklus der Hardware fr√ľh ausgesch√∂pft und es erscheinen keine weiteren Updates mehr f√ľr eine bestimmte Plattform.

Projektidee

Um die Schwächen der heutigen Architektur zu reduzieren wurde in einem Innovations-Projekt der Deutschen Telekom AG eine neuartige IAD Architektur entworfen. Bei der Entwicklung wurde es vermieden Funktionalitäten in vertikale Silos zu implementieren, wie es bei heutigen CPEs der Fall ist.

Die physikalischen Ressourcen werden in einer generischen Zugangsschicht genutzt, um flexibel Schnittstellen bereitzustellen. Diese generische Schicht setzt sich aus x86-Computing, Software-defined Radio und FPGA Ressourcen zusammen. Die physikalischen Ressourcen werden von verschiedenen Applikationen gemeinsam genutzt. Hierzu wird zwischen den Applikationen und Hardware-Ressourcen eine Abstraktionsschicht genutzt, welche auf einer Containertechnologie aufsetzt.

Die leistungsf√§higen x86 Computing Ressourcen erm√∂glichen es eine Vielzahl an Programmen auf der gleichen Hardware laufen zu lassen. Dabei wird in der Abstraktionsschicht eine Containertechnologie wie z.B. LXC bzw. Docker genutzt um eine Abstraktion zwischen Applikation und Hardware zu erm√∂glichen. Gleichzeitig bietet die Technik ein Framework, um das Endger√§t modular aufzubauen und eine gr√∂√ütm√∂gliche Flexibilit√§t zu bieten. Des Weiteren befinden sich mehrere Software-defined Radio (siehe: de.wikipedia.org/wiki/Software_Defined_Radio) Transreceiver als physikalische Ressource im Endger√§t, um flexibel Radio Ressourcen bereitzustellen. Dies erm√∂glicht die Implementierung von beliebigen Funkschnittstellen (802.11, LTE, ZigBee, Bluetooth) in Software. Die physikalischen Ressourcen werden durch einen FPGA vervollst√§ndigt, der eine programmierbare digitale Signalverarbeitung f√ľr latenzkritische Operationen bereitstellt.

Im Rahmen des Bachelor Projekts System Entwicklung werden die Möglichkeiten zur Virtualisierung und Modularisierung von IAD Hardware prototypisch implementiert.

Arbeitspakete

Die Arbeitspakete werden in kleinen Teams mit jeweils mindestens zwei Studenten in enger Zusammenarbeit mit der Telekom als agiles Projekt bearbeitet. Es werden verschiedene Arbeitspakete angeboten, welche sich von Aufwand, Schwierigkeitsgrad und Themengebiet stark unterscheiden. Zur detaillierten Kl√§rung und Beratung wird eine Einf√ľhrungsveranstaltung angeboten (siehe unten). Die Arbeitspakete umfassen folgende Themenbl√∂cke:

  • Hardwareauswahl und Geh√§use
    Unter Ber√ľcksichtigung verschiedener Anforderungen soll Hardware f√ľr einen Prototypen ausgew√§hlt werden. Gleichzeitig soll ein 3D-Modell eines Geh√§uses entwickelt werden, welches anschlie√üend im 3D-Verfahren gedruckt wird. Es wird sowohl Kenntnis im Bereich Hardware (und physikalische Eigenschaften wie notwendige K√ľhlung / Bel√ľftung) als auch Kreativit√§t erwartet.
  • Entwicklung des Management- und AppStore Frameworks
    Hier soll ein Framework entwickelt werden, das das Herunterladen und Installieren von Applikationen erm√∂glicht. Insbesondere soll dies √ľber eine grafische Benutzeroberfl√§che m√∂glich sein. F√ľr diese Aufgaben werden Kenntnisse in Containertechnologie wie Docker und Webentwicklung ben√∂tigt.
  • Basisfunktionalit√§t
    Es sollen einfache Netzfunktionen wie Routing, NAT/PATing, Firewall und Kindersicherung als Applikation f√ľr die Plattform entwickelt werden. F√ľr dieses Arbeitspaket werden Grundkenntnisse der Netztechnik und Containertechnologie wie Docker ben√∂tigt.
  • SIP-Client mit FXO
    Es soll ein SIP-Client implementiert werden, der √ľber eine zus√§tzliche physikalische FXO Schnittstelle das Anschlie√üen eines analogen Telefons erm√∂glicht. Es werden VoIP und Hardwarekenntnisse ben√∂tigt.
  • Hybrid Access
    Das Produkt Hybrid Access soll f√ľr die Plattform entwickelt werden. Ben√∂tigt werden erweiterte Kenntnisse in LTE, EPC, FPGA-Entwicklung, Allgemeine Mobilfunk- und Funktechnik.

Einf√ľhrungsveranstaltung

Eine Kick-off Präsentation zum BPSE wird am 26.03.2018 um 16:00 Uhr im Raum D14/3.10 stattfinden.

Vorkenntnisse

Je nach Arbeitspaket sind Vorkenntnisse bzw. Interesse in den folgenden Bereichen erforderlich:

  • Netzwerke, Routing, Switching, Multimedia-Kommunikation, Protokollstacks (LTE, DSL, PPPoE)
  • Programmierung (z.B. Python, JSON, RESTful APIs, Git), Entwicklung Webbasierter Anwendungen
  • Software-defined Networking
  • Software-defined Radio
  • Webstacks und Applikationen
  • Betriebssysteme und Docker Container
  • Embedded Systems, Mikroprozessorsysteme, Hardware Realisierungen, FPGA
  • Design, Layout, Usability, Geometrie, Geh√§use, 3D Druck

Ansprechpartner

Sebastian Zengerle, Deutsche Telekom AG

  • vormals KoSI Student und Tutor an der h-da
  • Lehrbeauftragter f√ľr Netzwerke an der DHBW Mannheim