2. Mobile Computing

mashpeemoveΚινητά – Ασύρματες Τεχνολογίες

24 Νοε 2013 (πριν από 3 χρόνια και 9 μήνες)

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2
-
1

2. Mobile Computing



2
-
2

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
-
3

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
-
4

Nichtmobile Kommunikation
Mobile Kommunikation
Drahtgebundene
Kommunikation
Drahtlose
Kommunikation
Stationäres Rechnersystem
Notebook mit
Modemkabelanbindung
Stationäres Rechnersystem
in einem Wireless LAN
Notebook
,
PDAs
,
Handys
mit drahtloser Anbindung
Mobilität
D
r
a
h
t
l
o
s
i
g
k
e
i
t
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:

2
-
5

Mobilität und Drahtlosigkeit

Wichtige Begriffe:



Endgerätemobilität



Benutzermobilität



Dienstmobilität

2
-
6


zugeordnet

Dynamische

Verbindung

Netzwerk

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

2
-
7

temporär

zugeordnet

Permanente

Drahtlosverbindung

Netzwerk

temporär

zugeordnet

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

2
-
8

wechselnder Ort

Permanente

Drahtlosverbindung

Feste/temporäre

Zuordnung

Netzwerk

Dienst

Vermittlung eines

Dienstes

Feste /

temporäre

Zuordnung

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

2
-
9

2.2 Grundlagen drahtloser Netze


Mobilfunk in Deutschland


GSM


Wireless LAN


Wireless Personal Area Networks

2
-
10

Bitübertragungsschicht
Sicherungsschicht
Vermittlungsschicht
Transportschicht
Kommunikationsschicht
Darstellungsschicht
Anwendungsschicht
Mehrfachzugriff
Bitübertragung über die Luftschnittstelle
Dienstvermittlung
Heterogenität
Leistungsfähigkeit mobiler Clients
Handover
,
Roaming
,
Ad
-
Hoc
-
Routing
1
7
6
5
4
3
2
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).

(Dienstfindung, ad
-
hoc Netze, etc)

(Plattformen, BS, etc.)

(z.B. Frequenzmultiplex)

2
-
11

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
-
12

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
-
13

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
-
14

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
-
15

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


EDGE: Weiterentwicklung beider Standards

2
-
16

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


-
Wunsch)



statt CSMA/CD (Ethernet)

2
-
17

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
-
18

0

6

GHz

1

2

3

4

5

802.11 a/h

.

802.11 b/g

.

Bluetooth

GSM 900


UMTS

Frequenzspektrum

Infrarot

ab 300 GHz

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

2
-
19

Bezeichnung


Handy, UMTS, WLAN

Wellenlänge


Frequenz


0,9
-
1,6 GHz, 2 GHz, 5 GHz

Radiowellen

ab 10cm

bis 3 GHz

Mikrowellen

1mm


30cm


1GHz


300GHz

infrarotes Licht /
Infrarotstrahlung
(IrDA)

750nm


1mm

300GHz


400THz

sichtbares Licht

300nm


750nm

400THz


1PHz

ultraviolettes Licht / UV
-
Strahlung

1nm


30nm

1PHz


300PHz

Röntgenstrahlung

0,1pm


10nm

3*10
16

Hz


3*10
20
Hz

Gammastrahlung

bis 0,5nm

ab 6 * 10
17

Hz

Frequenzübersicht

0.9

275

RegTP

2
-
20

2.3 Mobile Anwendungen

Eigenschaften und Anforderungen:


Ortsunabhängigkeit


Lokalisierbarkeit


Sicherheit und Identifizierbarkeit


Verfügbarkeit und Effizienz


Datenverteilung und Lastverteilung


Überwachung von Integritätsbedingungen

2
-
21

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
-
22

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
-
23

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
-
24

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
-
25

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
-
26

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
-
27

Person

Basisstation

Applikationsserver


+ Webserver

GMLC

WAP
-

Gateway

Datenbank

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Location Based Services


Typisches Vorgehen

2
-
28

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 (WAP
-
Gateway: 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
-
29

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
-
30

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
-
31

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
-
32

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
-
33

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
-
34

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
-
35

Gerätetypen

Wearables

2
-
36

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
-
37

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
-
38

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)