Powerpoint-Beispiel1
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2. Mobile Computing 2-1 Motivation Geschichte Mobile Computing – Erfindung und kommerzielle Vermarktung des 1. tragbaren Computers durch Adam Osbourne, April 1981 – Grundstein für heutige mobile Informationstechnologie – Damaliges Rechnersystem Osbourne-1 darf nicht mit heutigen mobilen Clients verglichen werden: 12kg schwerer Koffercomputer, eingebauter 5-Zoll-Bildschirm, zwei Z-80 Prozessoren, CP/M-Betriebssystem (Vorläufer von DOS), 2 Floppy Laufwerke – Aber: für damalige Verhältnisse setzte dieser neue Maßstäbe! 2-2 2. Mobile Computing Gliederung 2.1 Mobilität und Drahtlosigkeit 2.2 Grundlagen drahtloser Netze 2.3 Mobile Anwendungen 2.4 Location Based Services 2.5 Klassifikation mobiler Endgeräte 2.6 Zusammenfassung 2-3 2.1 Mobilität und Drahtlosigkeit • Mobilität – Eigenschaft eines Rechners, eines Anwenders oder eines Dienstes – Flexible Nutzung von entfernten Daten unabhängig von aktuellem Standort • Drahtlosigkeit – Anbindung ans Netz durch Funktechnik (i.W.: WLAN, Mobilfunk, Bluetooth, HiperLAN, Infrarot(IrDA)) • Daraus ergeben sich vier Szenarien: Drahtlosigkeit Mobilität Nichtmobile Kommunikation Mobile Kommunikation Drahtgebundene Kommunikation Stationäres Rechnersystem Notebook mit Modemkabelanbindung Drahtlose Kommunikation Stationäres Rechnersystem in einem Wireless LAN Notebook, PDAs, Handys mit drahtloser Anbindung 2-4 Mobilität und Drahtlosigkeit Wichtige Begriffe: • Endgerätemobilität • Benutzermobilität • Dienstmobilität 2-5 Mobilität und Drahtlosigkeit 1. Endgerätemobilität – Mobiles Endgerät wechselt seinen Standort und hat währenddessen permanent gesicherten drahtlosen Zugriff auf Kommunikationsnetz – Mobiles Endgerät kann Benutzer fest zugeordnet sein • Beispiel: Mobiltelefon zugeordnet Dynamische Verbindung Netzwerk 2-6 Mobilität und Drahtlosigkeit 2. Benutzermobilität – Endgeräte, die Benutzer verwendet, können beliebig sein, sind an festen oder mobilen Standorten – Benutzer wechselt seinen Standort, nicht das Gerät, d.h. Benutzer ist mobil • Beispiel: Arbeitsplatz, Hotel, Internetcafe temporär zugeordnet temporär zugeordnet Permanente Drahtlosverbindung Netzwerk 2-7 Mobilität und Drahtlosigkeit 3. Dienstmobilität – Benutzer kann Informations- und Kommunikationsdienst in Anspruch nehmen, unabhängig von dem Standort, von dem er auf den Dienst zugreifen möchte – Dienst selbst meist nicht mobil; aber Zugriff darauf – Exakter: Dienstnutzungsmobilitätstransparenz – Tritt typischerweise zusammen mit Endgeräte- oder Benutzermobilität auf • Beispiel: Mail-Webinterface Feste/temporäre Zuordnung Netzwerk wechselnder Ort Feste / temporäre Zuordnung Permanente Drahtlosverbindung Dienst Vermittlung eines Dienstes 2-8 2.2 Grundlagen drahtloser Netze • • • • Mobilfunk in Deutschland GSM Wireless LAN Wireless Personal Area Networks 2-9 Grundlagen drahtloser Netze • ISO-OSI-Referenzmodell: wesentliche Unterschiede von drahtloser und mobiler Kommunikation zu normaler, kabelgebundener Kommunikation betreffen: Schicht 1+2: Funk, Schicht 3: Mobilität, Schicht 7: Anwendungen (z.B. LBS). 7 6 5 4 3 2 1 Anwendungsschicht Darstellungsschicht Dienstvermittlung (Dienstfindung, ad-hoc Netze, etc) Heterogenität (Plattformen, BS, etc.) Leistungsfähigkeit mobiler Clients Kommunikationsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Handover, Roaming, Ad-Hoc-Routing Sicherungsschicht Mehrfachzugriff (z.B. Frequenzmultiplex) Bitübertragung über die Luftschnittstelle Bitübertragungsschicht 2-10 Mobilfunk in Deutschland • Mobilfunk der 1. Generation – Start A-Netz: 1958 • Frequenzbereich: 160 MHz • Leitungsvermittelnd • Betreiber: Bundespost • Gesprächsvermittlung von Hand („Fräulein vom Amt“) • Keine Aufrechterhaltung des Gesprächs bei Wechseln der Funkzelle • Keine Auslandsgespräche – Start B-Netz: 1972 • Leitungsvermittelnd • Selbstwählverkehr möglich • aber: Standort des Partners musste bekannt sein (Vorwahl) • Am Ende (1994) ca. 27.000 Nutzer 2-11 Mobilfunk in Deutschland • Start C-Netz: 1985 – Erstmals Zellenstruktur – Daten- und Faxverbindungen möglich – Teilnehmer deutschlandweit unter gleicher Nummer erreichbar – Am Ende (2000) noch 803.000 Nutzer • • Mobilfunk der 2. Generation – Start 1990er Jahre – Bessere Sprachqualität – Optimierung von Durchsatz und Netzabdeckung Mobilfunkstandards – GSM (Global System for Mobile Communication): Europa – TDMA/IS-136 und CDMA/IS-95: USA – PDC (Personal Digital Cellular): Japan 2-12 GSM • Entstehung – urspr. franz.: Groupe Special Mobile, heute engl.: Global System for Mobile Communication: Organisationskommitee zur Entwicklung eines einheitlichen Mobilfunkstandards für Europa – Ergebnisse des Komitees sind heutige Netze, basierend auf Zellen mit Basisstationen, kommen in 140 Ländern zum Einsatz, werden von 60% aller Mobilfunkteilnehmer genutzt • Architektur: 3 Teilsysteme – Funksystem (Base Station Subsystem): regelt Kommunikation zwischen Mobilgeräten und Basisstation – Vermittlungssystem (Mobile Switching and Management Subsyst) : koordiniert Netzwerkverkehr (auch zu ext. Netzen) – Wartungssystem (Operation and Maintenance Subsyst) : Konfiguration des Netzes, Sicherheitssystem, Gebührenabrechnung, Kundendaten, etc. 2-13 GSM • Luftschnittstelle – kombiniertes FDMA/TDMA-Verfahren – FDMA: Frequency Division Multiplexing Access (GSM: 2 * 124 Kanäle (Senden/Empf)) – TDMA: Time Division Multiplexing Access (GSM: 8 Zeitschlitze in 4,6 msec: á 148 Bit) • Handover – Intracell-Handover (gleiche Funkzelle, andere Frequenz (wg. QoS)) – Intercell-Handover (Wechsel der Funkzelle) • Internes Handover (Versorgung durch gleiche Basistation) • Externes Handover (neue Basisstation) – Technisch: Handover: neue Basisstation, neues Mobile Switching Center (MSC) – GSM: nur logisch, altes MSC betreut weiter (Anker-MSC) 2-14 GSM • Roaming – 2 Bedeutungen: a) Fähigkeit eines Mobilfunknetzes jedem Teilnehmer mobile Kommunikation standortunabhängig zu ermöglichen; also Anrufer und Angerufener zu sein und b) – Hier: In Erweiterung zum Handover: Möglichkeit, zwischen verschiedenen Netzen zu wechseln, ohne jeweils eigenen Nutzungsvertrag zu besitzen (Roamingabkommen der Betreiber untereinander notwendig) (in GSM: Neueinwahl nötig, keine Gesprächsmitnahme!) • HSCSD, GPRS, EDGE – Anfänglich nur für Sprache ausgelegt, deshalb Datenübertragung problematisch – (Verbindungsdauer nicht übertragene Datenmenge wird abgerechnet) – Entwicklung neuer Datendienste, die auf GSM aufsetzen und effektivere Datenübertragung ermöglichen: • HSCSD: bündelt mehrere Kanäle (noch leitungsorientiert) • GPRS: paketorientierte Datenübertragung 2-15 • EDGE: Weiterentwicklung beider Standards Wireless LAN • Zwei Bedeutungen a) Sammelbegriff für alle Arten drahtloser Netzwerke b) Drahtlose Netze auf Basis von IEEE 802.11-Protokollfamilie • Verschiedene Konfigurationsarten – Infrastrukturnetze: nehmen Anbindung über Basisstation vor, d.h. keine direkte Kommunikation der Clients – Ad-Hoc-Netze: keine Basisstation oder externe Vermittlungskomponente, sich selbstorganisierende Funknetze; unterliegen oft hoher Dynamik (Hinzufügen und Entfernen von Clients) • Kollisionsvermeidungsverfahren: CSMA/CA (Ü-Wunsch) statt CSMA/CD (Ethernet) 2-16 Wireless LAN • IEEE 802.11 – Frequenzbereich: 2,4 GHz oder 5 GHz (in Dtl. lizenzfrei aber RegTP kontroll.) – Modulationsverfahren: zwei Frequenzspreizverfahren (Frequency Hopping) – Reichweite: bis 100m – Datenraten: 802.11b: bis 11MBit/s (real: 4-5), 802.11h: bis 54MBit/s (real: 17) • IEEE 802.16 (WiMAX) (eine Art Super-WLAN für WMAN) – größere Bandbreite und Reichweite: 2,5 GHz – 66 GHz, bis 50km, 134 MBit/s, 1300x schneller als Handy GPRS – Basisstationen größer als 802.11, kleiner Handybasisstationen, nur 2 Sendemasten (2 Mio $) – Standard von Firmenkonsortium entwickelt (Leitung: Nokia, Intel, Airspan) 2-17 Wireless Personal Area Networks • Dienen der Vernetzung von kleinen, leistungsschwachen Geräten – – – – – • Vernetzung aller persönl. Geräte „um einen rum“ (für Massenmarkt gemacht), Drahtlose Anbindung von Peripheriegeräten (Drucker, Digitalkamera, etc.), Vernetzung von PDAs zum Austausch kleiner Datenmengen, zukünft.: Vernetzung von Haushaltsgeräten, etc. WPAN: 1 Master, n Slaves oder 1:1-Komm., (vgl: WLAN: n:n-Kommunikation) Zwei Techniken: – Bluetooth: basiert auf Funktechnik ähnlichen WLAN; Verschiedene Profile für verschiedene Anwendungen (z.B. Headset Profil), 1600x /s Frequenzwechsel (802.111 nur 20x /s), 10m (-100 m), 1 Master 7 Slaves, 200 passiv, – Infrarot (IrDA): Lichtwellenbasiert; Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger nötig (wesentlich leistungsschwächer), häufig nur 1:1-Verbindung GSM 900 UMTS Infrarot 802.11 a/h . 802.11 b/g . Bluetooth 0 1 2 3 4 Frequenzspektrum 5 6 GHz ab 300 GHz 2-18 Frequenzübersicht Bezeichnung Handy, UMTS, WLAN Wellenlänge Frequenz 0,9-1,6 GHz, 2 GHz, 5 GHz 0.9 Radiowellen ab 10cm bis 3 GHz RegTP Mikrowellen 1mm – 30cm 1GHz – 300GHz infrarotes Licht / Infrarotstrahlung (IrDA) 750nm – 1mm 300GHz – 400THz sichtbares Licht 300nm – 750nm 400THz – 1PHz ultraviolettes Licht / UVStrahlung 1nm – 30nm 1PHz – 300PHz Röntgenstrahlung 0,1pm – 10nm 3*1016 Hz – 3*1020 Hz Gammastrahlung bis 0,5nm ab 6 * 1017 Hz 275 2-19 2.3 Mobile Anwendungen Eigenschaften und Anforderungen: • Ortsunabhängigkeit • Lokalisierbarkeit • Sicherheit und Identifizierbarkeit • Verfügbarkeit und Effizienz • Datenverteilung und Lastverteilung • Überwachung von Integritätsbedingungen 2-20 Mobile Anwendungen • Ortsunabhängigkeit – Nutzer kann transparent auf lokale oder entfernte Dienste zugreifen, unabhängig von seinem geographischen Standort • Lokalisierbarkeit – Ermittlung des Standortes eines Nutzers (Untergliederung der Funkzellen in Sektoren und Empfangsintensität) – Zunächst für korrektes Handover, dann auch für Location based Services – Datenschutz! (gesetzl. Speicherung der Roaming Daten?) 2-21 Mobile Anwendungen • Sicherheit und Identifizierbarkeit 1. Abfangen übertragener Daten aus Äther immer möglich! dann auch Manipulation (Löschen, Hinzufügen)! Sicherheits- und Verschlüsselungstechnologien notwendig 2. Geräte klein: erhöhtes Diebstahlrisiko: Verschlüsselte Speicherung auch auf mobilen Client nötig – Insgesamt: Berücksichtigung aller vier Ebenen: • Geräteebene (Diebstahl), • Übertragungsebene (Luft), • Netzebene (Festnetz), • Anwendungsebene (ist das der richtige Partner?) 2-22 Mobile Anwendungen • Sicherheit und Identifizierbarkeit Wichtig bei Entwicklung von Sicherheitskonzept: – – – – – – – – Vertraulichkeit (nur Kommunikationspartner, keine Mithörer), Zugriffskontrolle bzw. Rechteverwaltung (Autorisierung), Verschlüsselung (Public Key?), Integrität (Schutz vor Verfälschung, Löschen und Hinzufügen, „Man in the Middle Attacken“) Authentifizierung (Identifikation des Anderen (Rechner, Person)) Unabstreitbarkeit der TA, z.B. elekt. Fahrkarten, Sender u. Empf. müssen je gerichtstaugl. Nachweis bringen können) Geräteschutz (Schutz bei Diebstahl, z.B. Fingerabdruckscanner) Medium Access (kein externer Nutzer im Home-WLAN) Häufig: Identifikation durch SIM-Karten (Subscriber Identification Modules), Identifiziert Nutzer nicht Geräte, da austauschbar 2-23 Mobile Anwendungen • Verfügbarkeit und Effizienz – Mobile Clients meist nach Einschalten sofort verfügbar – Forderung an mobile Datenbanksysteme: mit Start einer Anwendung soll auch sofortiger Zugriff auf mobile Datenbank möglich sein (keine langen Boot-Zeiten!) – schneller Zugriff trotz Abstriche bei Optimierer, Indexe und Zwischenspeicher. • Datenverteilung und Lastverteilung – Verteilte Speicherung über mehrere Knoten auch für mobile DBS: – Replikation für höhere Verfügbarkeit (offline) – Online: u.U. Lastverteilung vom Client auf Server interessant • Überwachung von Integritätsbedingungen – Integritätsbedingungen von Datenbanksystemen besonders wichtig, da Daten sehr wichtig für Unternehmen – Komplexe Integritätsbedingungen aufgrund Überwachungsaufwand schwer 2-24 2.4 Location Based Services • • für Erbringung von Nutzleistung einer Anwendung ist dessen aktuelle Position notwendig Positionsbestimmung (2 Verfahren) – Tracking • Bestimmung von außen durch Netzwerk von externen Sensoren • zu ortendes Objekt muss eindeutige Marke (engl.: Tag) haben • Pos-Daten liegen nur dem Pos-Ermittlungssystem vor (nicht Client) – Positioning • Objekt ermittelt seine Position selbstständig • Greift auf System von Sendern oder Baken zurück, die Funk-, Ultraschall oder andere Signale ausstrahlen • Unterscheidung: – Netzwerkbasierte Verfahren (Cell Global ID einer Funkzelle für Standortangabe) – MT (Mobile Telephone) – basierte Verfahren (- z. B. Handys, PDAs mit GPS, satellitengestütztes System zur Standortbestimmung - Triangulation über 3 Basisstationen (Zeitdifferenz auf Handy messen) ) 2-25 Location Based Services • Typische Anwendungsszenarien – Suche nach speziellen, möglichen nah gelegenen Orten (Krankenhaus, Hotel, Restaurant, Tankstelle, …) – Navigation zu bestimmten Orten – Lokation von Personen oder Objekte (verlohrener PDA) – Museums-/Stadtführer – Weitergabe eigener Positionsdaten im Falle eines Unfalls – Ortsabhängige Werbung/Sonderangebote – Szenario: alle Restaurants im Umkreis von 100m von aktuellem Standort 2-26 Location Based Services • Typisches Vorgehen Person 1 10 9 WAP Gateway 2 Basisstation 3 8 5 4 6 GMLC 7 Datenbank Applikationsserver + Webserver 2-27 Location Based Services Zum letzten Bild: 1) WAP-Informationsportal aufrufen, über WAP-Browser WML-Anfrage absetzen an Basisstation 2) Leitet Anfrage an WAP-Gateway eines GSM-Netzbetreibers weiter (WAPGateway: Zuständig für Umsetzung von WAP auf HTTP) 3) Weiterleitung an Webserver des Informationsportals (bekommt WML-Anfr.) 4) Standortanforderung an Gateway Mobile Location Center (GMLC) 5) Zustimmung des Clients zu Lokalisierung erforderlich 6) GMLC übermittelt Positionsdaten an Webserver – initialisiert darauf eigentliche Dienstleistung 7) Information aus DB auf Basis der Positionsdaten 8) Ergebnis in WML-Datei verpacken und per HTTP an WAP-Gateway senden 9) Umsetzen des HTTP-Protokolls in das WAP-Protokoll und an korrekte Basisstation senden 10) Zu Anzeige an Client senden 2-28 2.5 Klassifikation mobiler Endgeräte Notebooks • Leistungsfähigkeit vergleichbar mit stationären Computersystemen • Tablet-PCs – Leistungsfähigkeit wie Notebooks – Bedienung ohne Tastatur möglich (Touchscreen) • Teilweise sogar keine Tastatur vorhanden • Subnotebooks – Leistungsfähigkeit ähnlich wie Notebooks, oft aber geringer – Kleinere Displays, kleinere Tastaturen – Größe und Gewicht reduziert 2-29 Gerätetypen PDAs • Deutlich kleiner und leichter als Notebooks • Weniger leistungsfähig als Notebooks – Rechenleistung aktueller Geräte für Multimediaanwendungen und Multitasking ausreichend • Bedienung/Eingabe anders als bei Notebooks – Stift oder Tastatur + Stift – Bedienung einhändig (PDA liegt in der einen Hand, Bedienung mit der anderen) • Eigene Betriebsysteme: – z.B. Palm-OS, Pocket PC, Windows Mobile 2003, Linux • Schnittstellen zur Softwareinstallation und Synchronisation der Daten mit anderen Systemen (z.B. mit PCs) – Infrarot, Bluetooth, Kabel 2-30 Gerätetypen PDAs • • • • Prozessor und Speicherkapazität (Stand Sommer 2004) – Meist XScale-Prozessoren bis 600MHz – Meist deutlich weniger Speicher als Notebooks (64MB) Speichertyp – Keine Festplatte, stattdessen Speicherkarten und interner Flash-Speicher Display – Heute meist farbig – Größe bis ca. 3,5‘‘, Auflösung bis zu 640x480 Erweiterbarkeit – Einsteckkarten für Speichererweiterung oder Netzwerkverbindungen (auch WLAN) – Verschiedene Karten-Standards (Compact Flash, SD/MMC, Memory Stick) 2-31 Gerätetypen PDAs • Verfügbarkeit – Sofort einsatzbereit (kurze bis keine Bootzeit) – Nutzung meist nur wenige Sekunden oder bis einige Minuten – Akkubetrieb • Spezialisierte Geräte – Scanning (Barcodes) • Scanner-Systeme bei Paket-Diensten – Industrielle Fertigung – GPS-Navigation (reine Navigationssysteme) • Trend: GPS bei einigen herkömmlichen PDAs integriert 2-32 Gerätetypen Smartphones und Handys • • • Kombination aus PDA und Mobiltelefon – Handy um PDA-Funktionen erweitert (z.B. Nokia 6600) • Größeres Display, viel Speicher und erweiterbarer Software – PDA um Mobilkommunikation erweitert (z.B. T-Mobile MDA III) • Kommunikationsschnittstellen und Lautsprecher/Mikrophon zum telefonieren Leistungsfähigkeit mit PDAs vergleichbar, teilweise aber geringer – Kleinere Displays (besonders bei Handy-ähnlichen Geräten) – Weniger Rechenleistung und Speicherkapazität Bedienung teilweise anders als bei PDAs – Typische Handy-Tastatur, selten Touchscreen/Stift 2-33 Gerätetypen Wearables • Werden direkt am Körper getragen – Beide Hände frei – Z.B. Armbanduhr, Kette, Schmuckstücke, Jacke/Weste, ... • Bisher nur Prototypen – Fast alle Geräte noch im Forschungsstadium, kaum Geräte in Serienproduktion • Leistungsfähigkeit breit gefächert – Abhängig vom Basis-Gerät (PDA, Notebook...) • Einsatzgebiete – Medizinische Überwachung von Patientendaten • Überwachung und Speicherung kritischer Daten bei Patienten – Militärischer Einsatz (Land Warrior) 2-34 Gerätetypen Wearables 2-35 Gerätetypen Smartcards • • • • Nicht autonom nutzbar – Benutzung in Verbindung mit Kartenterminal • keinen eigene Benutzerschnittstelle und keine eigene Stromversorgung • Kartenterminal stellt Benutzerschnittstelle und Strom bereit – Führen bestimmte Berechnungen durch (z.B. Verschlüsselung) • Eigener Speicher und eigener Prozessor (mit geringer Rechenleistung) – Speichern bestimmte Daten (z.B. Patientendaten) Programmierbar über entsprechende Geräte Sehr geringe Speicherkapazität – Wenige KB Speicherkapazität – Kein expliziter Sekundärspeicher Pico-Datenbanksysteme zur Speicherung der Daten 2-36 2.6 Zusammenfassung • • • • • • Mobile Anwendungen setzen meist drahtlose Verbindung voraus – Mobiler Zugriff auf Informationsressourcen – Mobiles Datenbanksystem Begriffe – Mobile Computing, Nomadic Computing, Ubiquitous Computing Unterscheidung Mobilität und Drahtlosigkeit wichtig – Endgeräte-, Benutzer-, Dienstmobilität Möglichkeiten drahtloser Netze – GSM (Handy-Netze) – Wireless LAN (IEEE 802.11) – Bluetooth, IrDA Eigenschaften mobiler Anwendungen – Ortsunabhängigkeit, Lokalisierbarkeit, Sicherheit und Identifizierbarkeit Anwendung: Location Based Services 2-37 Zusammenfassung • Klassifikationskriterien mobiler Endgeräte – Rechenleistung – Speicherkapazität – Größe/Gewicht – Bedienung • Gerätetypen – Notebooks (groß, hohe Rechenleistung, viel Speicher) – PDAs (klein, mittlere Rechenleistung, wenig Speicher) – Smartphones/Handys (klein, geringere Rechenleistung, wenig Speicher) – Wearables (Rechenleistung und Speicherausbau sehr unterscheidlich, werden am Körper getragen) – Smartcards (winzig, kaum Rechenleistung, kaum Speicher) 2-38
