Powerpoint-Beispiel1

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