Abgeschlossene Projekte

Förderung: DFG-Projekt (2018 - 2022)

Beteiligte Partner:
Prof. Dr. Christian Scheideler, Universität Paderborn, Deutschland
Prof. Shlomi Dolev, Ben Gurion University of the Negev, Israel

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von neuen Modellen und Algorithmen für Schwärme eigenständiger Nano-Roboter, d.h. Gruppen winziger aktiver Einheiten mit stark eingeschränkten individuellen Fähigkeiten, die als Schwarm in physiologischen Umgebungen operieren.

Bei der Entwicklung neuer Modelle werden Fragestellungen berücksichtigt, die in der Vergangenheit nicht oder nur unvollständig betrachtet wurden: Wie können die Nano-Roboter Energie gewinnen, speichern und nutzen (Energiemanagent)? Welche realistischen Modelle (angelehnt an physikalische, biologische oder chemische Prozesse in der Natur) können eine nicht-lokale Kommunikation zwischen einer Gruppe von Nano-Robotern ermöglichen ? Welche Modelle erlauben den Ausfall und die Reparatur fehlerhafter Nano-Roboter durch intakte Nano-Roboter (Fehlertoleranz)?

Algorithmisch ist das Leader-Election Problem ein Schlüsselproblem, dessen Lösung die Lösung anderer wichtiger Probleme durch einen Schwarm von Nano-Robotern erst möglich macht. Die im Projekt entwickelten Modelle werden hinschtlich ihrer Fähigkeiten untersucht, das Leader-Election Problem effizient zu lösen. Aufbauend darauf werden Lösungen für weitere wichtige Aufgabenstellungen entwickelt: Ein Schwarm Nano-Roboter soll eine Umgebung vollständig durchsuchen und ggf. wichtige Positionen in der Umgung markieren (Exploration). Ein Schwarm Nano-Roboter soll ein Objekt in seiner direkten Umgebung schnellstmöglich umhüllen (Umhüllung). Ein Schwarm Nano-Roboter soll einen Weg von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt seiner Umgebung formen (Transport).

Für alle entwickelte Modelle werden durch untere Schranken (und ggf. Unmöglichkeitsresultate) die Grenzen der jeweiligen Modelle aufgezeigt.

Die algorithmischen Ergebnisse werden dann erweitert, um Aspekte wie Robustheit gegenüber Ausfällen von Nano-Robotern und Schwärmen mit unterschiedlichen Nano-Robotern sowie die Lösung obiger Probleme in dreidimensionalen Umgebungen zu untersuchen.

Förderung: DFG-Projekt, 2014-2017

Ziel des Projekts ist es, verteilte Algorithmen für zentrale Probleme im Bereich der selbstorganisierenden Partikelsysteme zu entwickeln und zu analysieren. Konkrete Probleme, auf die wir uns konzentrieren werden, sind das 'Smart-Paint Problem', das 'Shape Formation Problem' und 'Bridging und Covering Probleme'. Beim 'Smart-Paint-Problem geht es darum, die Oberfläche eines 2D- oder 3D-Objects mit einer Partikelstruktur zu überdecken, beim 'Shape Formation Problem' geht es darum, das Partikelsystem in eine gewünschte Form zu bringen, und bei den 'Bridging und Covering Problemen' geht es darum, Lücken in Strukturen mithilfe von Partikeln zu überbrücken oder auszufüllen.

Hier gelangen Sie zur Projekt-Webseite.

Förderung: NSF-Projekt, 2003-2006

In diesem Projekt geht es darum, Overlay-Netzwerke zu finden, die robust gegenüber verschiedenen Attacken sind, angefangen von zufälligen und gegnerischen Ausfällen bis hin zu Join-Leave-Attacken, Sybil-Attacken und DoS-Attacken.

Aktuelle Forschungsberichte:

  • C. Scheideler and S. Schmid.
    A distributed and oblivious heap.
    In 36th Intl. Colloquium on Automata, Languages and Programming (ICALP), 2009.
  • B. Awerbuch and C. Scheideler.
    Towards scalable and robust overlay networks.
    In 6th Intl. Workshop on Peer-to-Peer Systems (IPTPS), 2007.
  • B. Awerbuch and C. Scheideler.
    Robust random number generation for peer-to-peer systems.
    In 10th Intl. Conf. on Principles of Distributed Systems (OPODIS), 2006.
  • B. Awerbuch and C. Scheideler.
    Towards a scalable and robust DHT.
    In 18th ACM Symp. on Parallelism in Algorithms and Architectures (SPAA), 2006.
  • C. Scheideler.
    How to spread adversarial nodes? Rotate!
    In 37th ACM Symp. on Theory of Computing (STOC), 2005.
  • B. Awerbuch and C. Scheideler.
    Group Spreading: A protocol for provably secure distributed name service.
    In 31st Itl. Colloquium on Automata, Languages and Programming (ICALP), 2004.
  • B. Awerbuch and C. Scheideler.
    Robust distributed name service.
    In 3rd Intl. Workshop on Peer-to-Peer Systems (IPTPS), 2004.

Förderung: DFG-Projekt, 2008-2011

Hier beschäftigen wir uns mit selbststabilisierenden Overlay-Netzwerken, d.h. anwendungsorientierten Netzwerken, die sich aus jeder Situation, in dem schwacher Zusammenhang gewährleistet ist, wieder in einen legalen Zustand zurückversetzen können. Dieses soll ohne zentrale Kontrolle, d.h. rein durch lokale Interaktionen seiner Teilnehmer geschehen.

Aktuelle Forschungsberichte:

  • A. Richa, C. Scheideler and P. Stevens. Self-stabilizing De Bruijn Networks. In 13th Intl. Symposium on Stabilization, Safety, and Security of Distributed Systems (SSS), 2011.
  • R. Nor, M. Nesterenko and C. Scheideler. Corona: A Stabilizing Deterministic Message-Passing Skip List. In Proc. of the 13th Intl. Symposium on Stabilization, Safety, and Security of Distributed Systems (SSS), 2011.
  • S. Kniesburges, A. Koutsopoulos and C. Scheideler.
    Re-Chord: a self-stabilizing chord overlay network.
    In 23rd Annual ACM Symposium on Parallelism in Algorithms and Architectures (SPAA), 2011.
  • D. Gall, R. Jacob, A. Richa, C. Scheideler, S. Schmid and H. Täubig.
    Time complexity of distributed topological self-stabilization: The case of graph linearization.
    In 9th Latin American Symposium on Theoretical Informatics (LATIN), 2010.
  • R. Jacob, S. Ritscher, C. Scheideler and S. Schmid.
    A self-stabilizing local Delaunay graph construction.
    In 20th Intl. Symp. on Algorithms and Computation (ISAAC), 2009.
  • R. Jacob, A. Richa, C. Scheideler, S. Schmid and Hanjo Täubig.
    A distributed polylograithmic time algorithm for self-stabilizin skip graphs.
    In 28th ACM Symp. on Principles of Distributed Computing (PODC), 2009.
  • T. Clouser, M. Nesterenko and C. Scheideler.
    Tiara: A self-stabilizing skip list.
    In 10th Intl. Symp. on Stabilization, Safety and Security of Distributed Systems (SSS), 2008.
  • M. Onus, A. Richa and C. Scheideler.
    Linearization: Locally self-stabilizing sorting in graphs.
    In Workshop on Algorithm Engineering and Experiments (ALENEX), 2007.

Förderung: NSF-Projekt, 2003-2006

Wir beschäftigen uns hier mit Kommunikationsprotokollen für den effizienten und robusten Austausch und das Sammeln von Informationen in Sensor-Netzwerken und mobilen ad-hoc Netzen.

Aktuelle Forschungsberichte:

  • A. Richa, C. Scheidleer, S. Schmid and J. Zhang.
    A jamming-resistant MAC protocol for multi-hop wireless networks.
    In 24th Intl. Symp. on Distributed Computing (DISC), 2010.
  • B. Awerbuch, A. Richa and C. Scheideler.
    A jamming-resistant MAC protocol for single-hop wireless networks.
    In 27th ACM Symp. on Principles of Distributed Computing (PODC), 2008.
  • C. Scheideler, A. Richa and P. Santi.
    An O(log n) dominating set protocol for wireless ad-hoc networks under the physical interference model.
    In 9th ACM Symp. on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MobiHoc), 2008.

Organisierte Workshops:

  • Bertinoro Workshop on Wireless and Sensor Networks, Italien, 2007
  • Bertinoro Workshop on Wireless and Sensor Networks, Italien, 2009

Förderung: Interne Mittel der Johns Hopkins University, 2003-2005

Hier geht es uns darum, skaliserbare und sichere Peer-to-Peer Systeme zu entwickeln, die auf einem vertrauenswürdigen Anker beruhen, d.h., einem Server, über den alle Join-Anfragen gehen müssen und der sich um die Verwaltung der Netzwerktopologie kümmert, aber alle anderen Funktionalitäten den Peers überlässt. Solche Systeme sind zwischen reinen Peer-to-Peer Systemen und serverbasierten Systemen angesiedelt.

Forschungsberichte:

  • K. Kothapalli and C. Scheideler.
    Supervised peer-to-peer systems.
    In Proc. Intl. Symp. on Parallel Architectures, Algorithms and Networks (I-SPAN), 2005.
  • C. Riley and C. Scheideler.
    A distributed hash table for computational grids.
    In IEEE Intl. Parallel and Distributed Processing Symposium (IPDPS), 2004.
  • C. Riley and C. Scheideler.
    Guaranteed broadcasting using SPON: Supervised P2P overlay network.
    In 2004 Intl. Zurich Seminar on Communications.

Förderung: Teilprojekt C5 des SFB 376. 1995-2000

Hier beschäftigen wir uns mit fairen, adaptiven und robusten Informationssystemen. Den Anfang bildeten Speichersysteme mit beliebig heterogenen Speichern, die im Rahmen des SFB 376 in Paderborn untersucht wurden und später unter der Regie von Dr. Andre Brinkmann bis zur kommerziellen Reife weiterentwickelt wurden. Neuere Forschungen beschäftigen sich mit Informationssystemen, die robust gegenüber Sybil- und Denial-of-Service Attacken sind.

Aktuelle Forschungsberichte:

  • M. Baumgart, C. Scheideler, and S. Schmid.
    A DoS-resilient information system for dynamic data management.
    In 21st ACM Symp. on Parallelism in Algorithms and Architectures (SPAA), 2009.
  • M. Mense and C. Scheideler.
    SPREAD: An adaptive scheme for redundant and fair storage in dynamic heterogeneous storage systems.
    In 19th ACM-SIAM Symp. on Discrete Algorithms (SODA), 2008.
  • B. Awerbuch and C. Scheideler.
    A denial-of-service resistant DHT.
    In 21st Intl. Symp. on Distributed Computing (DISC), 2007.
  • B. Awerbuch and C. Scheideler.
    Consistent ad compact data management in distributed storage systems.
    In 16th ACM Symp. on Parallelism in Algorithms and Architectures (SPAA), 2004.

Förderung: DFG-Projekt, 2012-2015

Das zentrale Ziel des beantragten Projekts ist die Erforschung gegnerischer Modelle für die physikalische Schicht und die Auslotung der Grenzen beweisbar robuster Medium Access Control (MAC) Protokolle dafür. Geeignete Modelle zu finden, die einerseits die rigorose Erforschung von Protokollen erlauben und andererseits nützlich für die Praxis sind, stellt eine große Herausforderung dar und hat bereits reges Forschungsinteresse gefunden. Wir werden Modelle erforschen, die vielversprechend erscheinen, um eine große Bandbreite physikalischer Phänomene abzudecken, und doch einfach genug sind für die Theorie.

Förderung: DFG-Projekt (2018 - 2022)

Beteiligte Partner:
Prof. Dr. Christian Scheideler, Universität Paderborn, Deutschland
Prof. Shlomi Dolev, Ben Gurion University of the Negev, Israel

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von neuen Modellen und Algorithmen für Schwärme eigenständiger Nano-Roboter, d.h. Gruppen winziger aktiver Einheiten mit stark eingeschränkten individuellen Fähigkeiten, die als Schwarm in physiologischen Umgebungen operieren.

Bei der Entwicklung neuer Modelle werden Fragestellungen berücksichtigt, die in der Vergangenheit nicht oder nur unvollständig betrachtet wurden: Wie können die Nano-Roboter Energie gewinnen, speichern und nutzen (Energiemanagent)? Welche realistischen Modelle (angelehnt an physikalische, biologische oder chemische Prozesse in der Natur) können eine nicht-lokale Kommunikation zwischen einer Gruppe von Nano-Robotern ermöglichen ? Welche Modelle erlauben den Ausfall und die Reparatur fehlerhafter Nano-Roboter durch intakte Nano-Roboter (Fehlertoleranz)?

Algorithmisch ist das Leader-Election Problem ein Schlüsselproblem, dessen Lösung die Lösung anderer wichtiger Probleme durch einen Schwarm von Nano-Robotern erst möglich macht. Die im Projekt entwickelten Modelle werden hinschtlich ihrer Fähigkeiten untersucht, das Leader-Election Problem effizient zu lösen. Aufbauend darauf werden Lösungen für weitere wichtige Aufgabenstellungen entwickelt: Ein Schwarm Nano-Roboter soll eine Umgebung vollständig durchsuchen und ggf. wichtige Positionen in der Umgung markieren (Exploration). Ein Schwarm Nano-Roboter soll ein Objekt in seiner direkten Umgebung schnellstmöglich umhüllen (Umhüllung). Ein Schwarm Nano-Roboter soll einen Weg von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt seiner Umgebung formen (Transport).

Für alle entwickelte Modelle werden durch untere Schranken (und ggf. Unmöglichkeitsresultate) die Grenzen der jeweiligen Modelle aufgezeigt.

Die algorithmischen Ergebnisse werden dann erweitert, um Aspekte wie Robustheit gegenüber Ausfällen von Nano-Robotern und Schwärmen mit unterschiedlichen Nano-Robotern sowie die Lösung obiger Probleme in dreidimensionalen Umgebungen zu untersuchen.

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