2. Mobile Computing

1. 2. Mobile Computing

2. MotivationGeschichte 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!

3. 2. Mobile ComputingGliederung 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

4. 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:

5. Mobilität und Drahtlosigkeit Wichtige Begriffe: • Endgerätemobilität • Benutzermobilität • Dienstmobilität

6. Dynamische zugeordnet Verbindung Netzwerk Mobilität und Drahtlosigkeit 1. Endgerätemobilität • Mobiles Endgerät wechselt seinen Standort und hat währenddessen permanent gesicherten drahtlosen Zugriffauf Kommunikationsnetz • Mobiles Endgerät kann Benutzer fest zugeordnet sein • Beispiel: Mobiltelefon

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

8. Feste/temporäre Zuordnung Netzwerk Permanente Dienst wechselnder Ort Drahtlosverbindung Vermittlung eines Feste /temporäre Zuordnung Dienstes 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

9. 2.2 Grundlagen drahtloser Netze • Mobilfunk in Deutschland • GSM • Wireless LAN • Wireless Personal Area Networks

10. 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)

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

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

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.

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)

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

16. Wireless LAN • Zwei Bedeutungen • Sammelbegriff für alle Arten drahtloser Netzwerke • 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)

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)

18. Infrarot GSM 900 UMTS 802.11 a/h . 802.11 b/g . Bluetooth 0 1 2 3 4 5 6 GHz ab 300 GHz Frequenzspektrum 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

19. Frequenzübersicht 0.9 RegTP 275

20. 2.3 Mobile Anwendungen Eigenschaften und Anforderungen: • Ortsunabhängigkeit • Lokalisierbarkeit • Sicherheit und Identifizierbarkeit • Verfügbarkeit und Effizienz • Datenverteilung und Lastverteilung • Überwachung von Integritätsbedingungen

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?)

22. Mobile Anwendungen • Sicherheit und Identifizierbarkeit • Abfangen übertragener Daten aus Äther immer möglich! dann auch Manipulation (Löschen, Hinzufügen)! Sicherheits- und Verschlüsselungstechnologien notwendig • 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?)

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

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

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) )

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

27. Person 1 WAP - 10 9 Gateway 2 Basisstation 3 8 5 7 4 Datenbank 6 GMLC Applikationsserver + Webserver Location Based Services • Typisches Vorgehen

28. Location Based Services Zum letzten Bild: • WAP-Informationsportal aufrufen, über WAP-Browser WML-Anfrage absetzen an Basisstation • Leitet Anfrage an WAP-Gateway eines GSM-Netzbetreibers weiter (WAP-Gateway: Zuständig für Umsetzung von WAP auf HTTP) • Weiterleitung an Webserver des Informationsportals (bekommt WML-Anfr.) • Standortanforderung an Gateway Mobile Location Center (GMLC) • Zustimmung des Clients zu Lokalisierung erforderlich • GMLC übermittelt Positionsdaten an Webserver – initialisiert darauf eigentliche Dienstleistung • Information aus DB auf Basis der Positionsdaten • Ergebnis in WML-Datei verpacken und per HTTP an WAP-Gateway senden • Umsetzen des HTTP-Protokolls in das WAP-Protokoll und an korrekte Basisstation senden • Zu Anzeige an Client senden

29. 2.5 Klassifikation mobiler EndgeräteNotebooks • 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

30. GerätetypenPDAs • 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

31. GerätetypenPDAs • 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)

32. GerätetypenPDAs • 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

33. GerätetypenSmartphones 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

34. GerätetypenWearables • 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)

35. GerätetypenWearables

36. GerätetypenSmartcards • 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

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

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)