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Hardwarenahe Programmierung HNP Schwerpunkt: Mobile Systeme und drahtlose Netzwerke Einführungsvorlesung.

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Präsentation zum Thema: "Hardwarenahe Programmierung HNP Schwerpunkt: Mobile Systeme und drahtlose Netzwerke Einführungsvorlesung."—  Präsentation transkript:

1 Hardwarenahe Programmierung HNP Schwerpunkt: Mobile Systeme und drahtlose Netzwerke Einführungsvorlesung

2 Die Agierenden Vorlesender –Dr. Frank Golatowski Seminarleiter: –Dipl.-Ing. Matthias Handy –Dipl.-Inf. Hendrik Bohn

3 Gliederung Ziele der Vorlesung Einleitung Trends und Visionen

4 Ziele und Inhalt Ziele: –Verständnis für ubiquitäres und pervasives Computing vermitteln? (Was ist das? Was steckt dahinter?) –Erläutern, in wieweit die Mobilität Einfluss auf Netzwerke, Systeme und Anwendungen hat. Mobilität von Geräten und Nutzern hat Einfluss auf alle Schichten der Netzwerkprotokollstacks –Notwendigkeit für Interoperabilität zwischen verschiedenen Netzwerktechnologien erkennen. –Begriffe, Definitionen und Zusammenhänge klären. –Bogen spannen von µC PC zu drahtlosen Technologien –Hinführen zu SOA als Basistechnologie zukünftiger im embedded Bereich

5 Ziele und Inhalt Inhalt: –Überblick aktueller Technologien (Konzentration auf Bluetooth,WLAN) –Betrachtung traditioneller drahtloser und neuartiger drahtloser Systeme traditionelle drahtlose Systeme: Annahme einer zugrundeliegenden Infrastruktur mobile Ad-hoc Netze: –Übersicht: Bluetooth, WLAN, ZigBee, RFID, Sicherheit in drahtlosen Netzwerken Mobile IP Pervasive Java Jini, UPnP, DPWS (Device Profile for WebServices)

6 Die Übungen Bluetooth: –BlueZ (Programmierung unter Linux) Detaillierter Überblick über Bluethooth Hardwarenahe Programmierung –Alternative- Windows-Bluetooth-API Ziel: Am Ende der Übungen, gibt jeder Student eine eigenständige drahtlose Lösung ab. Vorschläge sind willkommen. –Z.B. Verteiltes Spiel. –Anwendung mit Bezug zu Mobilität –Netzwerkanalyse, SNIFFER Präferenz Arbeit unter Linux Ist kein Dogma: Windowsliebhaber können Alternativen wählen –Es gibt vielfältige Alternativen

7 Begriffe Pervasive Computing Ubiquitous Computing Ambient Intelligence Ubiquitous = allgegenwärtig, ubiquitär Ambient = umfließend Pervasive = durchdringend

8 Computers: Size + Number size number One Computer for many people One Computer for everyone Many Computers for everyone Source: nach Gillersen

9 Size + Number: Whats next ? size number Hausaufgabe Ausfüllen und senden an: Source: nach Gillersen

10 Yesterdays Computers filled Rooms IBM Selective Sequence Electronic Calculator, 1948 Source: Gillersen

11 So will Tomorrows! Das connected home Source: Gillersen

12 What makes this possible ? Microprocessors so small that they can be embedded in practically everything Storage so inexpensive and dense that it can be provided everywhere Wireless networking for inexpensive short-range connectivity New materials for new forms of appearance (e-ink, flexible displays, conductive fibers etc) 1GB in Flashcard format

13 Scaling down IBM WatchPad1.5 Stanford Embedded Web Server Xerox PARC Keychain Computer

14 IBM WatchPad 1.5

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18 Samsung: Telephone mit 10 MegaPixel Samsung reinforces its technology leadership by launching the world's first 10 megapixel mobile phone... in the Korean market," the company said in a statement. The newest addition to its line of multimedia phones is six millimeters (0.24 inches) thinner and 10 grams (0.35 ounces) lighter than the existing seven megapixel camera handset. It sets itself apart from its previous megapixel camera phones by combining mobile TV capability at satellite standard, the company said. It also offers the same level of picture-taking sophistication that a top-notch megapixel digital camera offers. The front is designed as a bar-type mobile phone, while the back comes with a design reminiscent of a real digital camera. It will sell for around 900,000 won (937 dollars) in the South Korean market.

19 Drahtlose Sensor Netzwerke

20 Pervasive Computing Was ist Pervasive oder Ubiquitous computing ? Pervasive Computing ist der Trend hin zu zunehmend miteinander verbundenen Computern, die allgegenwärtig in der Umgebung vorhanden sind. Pervasive Computing Geräte sind keine PC´s, wie man zuerst annehmen möchte, sondern sehr kleine- auch unsichtbare- Geräte, entweder mobil oder embedded vorstellbar in fast jedem Objekt. (James Kardach, Bluetooth Architecture Overview, Intel Technology Journal Q2/2000)

21 Pervasive Computing II Was genau ist Pervasive oder Ubiquitous computing ? Pervasive Computing integriert mobile Kommunikationstechnologien, verteilte Computersysteme, Unterhaltungselektronik und Internettechnologien und schafft eine neue Erfahrungswelt für Benutzer von Computersystemen. –(Burkhardt, Henn, Hepper, Rindtorff, Schäck Pervasive Computing, Addison- Wesley, S.31)

22 Ubiquitous Computing Anderer Begriff für pervasive/unsichtbares Computing Ubiquitär = allgegenwärtig Pervasive = unsichtbar Erweiterte Realität –Möglichkeit die persönliche Umgebung abzufragen –Möglichkeit einer unaufdringlichen Führung Anytime, anywhere, everyone

23 Ubiquitäres Computing Idee: Umgebung ist ausgestattet mit unsichtbarer und helfender Computerinfrastruktur und –peripherie Sowohl mobile als auch stationäre Systeme –Komponenten, die man bei sich trägt Kann auch verschiedene anziehbare (wearable) Geräte beinhalten –Komponenten der Infrastrukturen, mit denen man kommuniziert (interagiert)

24 Ubiquitous-Computing-Infrastruktur

25 Automobil

26 Heimbereich Spiele, Multimedia, Gesundheitswesen, Education, SOHO, VoIP Smart Automobile Mobile Networks Remote Access Wireless Broadband Internet Content and Service Delivery Internet Home Automation, Security, Home Robots DVB-T xDSL

27 Ubiquitäres Computing Verschiedene Anwendungen Verschiedene Übertragungsmedien, drahtlose oder drahtgebundenen Umfassende Infrastruktur: Alles was einen umgibt Unsichtbare Infrastruktur –Sie hilft uns in jenem Kontext, in dem ich Hilfe benötige –Wir brauchen uns nicht darum zu kümmern Daten beziehen sich auf einen Context Die persönlichen Informationen/ Anwendungen gehen mit dem Anwender durchs Netzwerk

28 Ubiquitäres Computing Sicherheit und Privatheit –Welche Auswirkungen hat das u.C. auf die Gesellschaft und die Privatsphäre? –Können wir wirklich eine Sicherheit umsetzen, die gleich aber nicht stärker ist, als die, an die wir uns heutzutage gewöhnt haben? Diese Fragestellung variiert zwischen den Kulturen und ihren Regierungen.

29 Ubiquitäres Computing, Fortsetzg. Keine klare Definition des ubiquitären Computings heute Wozu ist es wirklich gut? Wie praktisch ist es wirklich? Ist es eine Teilmenge des mobilen Computings?

30 Thesen von Weiser These 5: Computer werden unsichtbar und ubiquitär vernetzt. Besonders wichtig sind Lokation und Maßstab. These 4: Computer müssen in die Welt gebracht werden, nicht die Welt in den Computer These 3: Computertechnologie, die sich in die Welt einfügt: kein Userinterface-Problem, sondern wesentlich tiefgehender These 2: Computer-wie-wir-sie- kennen fügen sich nicht in den Alltag ein, sondern definieren eine eigene Welt These 1: Die besten Technologien sind jene, die sich in den Alltag einfügen und effektiv unsichtbar sind Mit ubiquitous Comp. wird Arbeiten mit Computer so entspannend wie Spaziergehen

31 Notwendige Übertragungs- technologien für uC Drahtloses Kurzstreckennetz –Bluetooth, WLAN –Aber auch ZigBee, Sensornetzwerke etc. Drahtloses Langstreckennetz –GSM, UMTS Drahtgebundenes Highspeednetz

32 Ambient Intelligence Ubiquitous Computing" und "Ambient Intelligence" repräsentieren jeweils unterschiedliche volkswirtschaftliche Entwicklungsstrategien, die zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen können. Das amerikanische Konzept des "Ubiquitous Computing" geht vom Computing aus, das in den Alltag integriert werden soll. Es rückt die IT- Grundtechnologien in den Vordergrund. Die Europäische Union hingegen verfolgt das Konzept der "Ambient Intelligence", das unsere Lebens- und Arbeitsumgebung mit intelligenten Funktionen erweitert, also etwa mit Elektronik und vernetzten Softwareagenten. Damit soll auch die europäische Industrie in ihren Stärken weiterhin wettbewerbsfähig erhalten werden. (Quelle: GI Jahrestagung INFORMATIK 2004)

33 The WPAN In Action Notebook translates voice to text

34 Anwendungsbeispiele Automobil Der mobile Arbeitsplatz –Einsatz mobiler Geräte als Büroarbeitsplatz zur Kontrolle von Prozessen Verbesserung der Kommunikation in Unternehmen Haushalt –Es entsteht neue Infrastruktur, mit der neue Dienstleistungen für Unterhaltung, Kommunikation, Fernwartung und –diagnose erbracht werden können –Hilfreich Standards. Private Kommunikation

35 Anwendungsbeispiele Ortsbezogene Dienste –Ortsbestimmung: Spielt eine Schlüsselrolle für pervasive Computing und zukünftige mobile Dienste Methoden zur OB basieren auf GPS, Zellenidentifikation und Netzwerktriangulation –Ortsbestimmung Per GSM –Laufzeitmessungen Per GPS –Funktioniert nicht innerhalb von Gebäuden Aus Tel.Nr. lässt sich nicht der Position des Anrufers bestimmen –Im Festnetz Ort aus Telefonnummer bestimmbar Positionsbestimmung bei Notrufen als vorgeschriebener Dienst in U.S. (E911)

36 Ortsbezogene Dienste

37 Anwendungsbeispiele Mobilität, Bewegungsfreiheit Personalisierte Dienste

38 Ein Beispiel aus dem realen Leben: Rostock Zuhause, 6 Uhr Check laptop, DSL Im Büro, 8 am NetMeeting: laptop, WLAN In der Bahn, 7 Uhr NetMeeting: PDA, GPRS/ cdma2000 Unterwegs zur Bahn, 6.30 Uhr Background download: PDA, GPRS/cdma2000 Bahn

39 Mobiles Internet Ein mobiles Internet sollte ein ähnliches Preis/Leistungsverhältnis bekommen, wie beim drahtgebundenen Internetzgang. –Hoher Datendurchsatz und Flatrate –z.B. SMS-Kosten Preis pro SMS 0,17 Cent (2003) D2Vodafone 0,17 Cent für 160 Zeichen 1 Mbyte = Bytes volle SMS : Preis pro Megabyte 1114 pro MByte SMS Bei SMS mit 100 Zeichen: SMS 1782 pro Mbyte SMS

40 Forschungsfelder – Mobiles Internet 1.Authentifizierung. Geht PKI? 2.Verschlüsselung und Privatheit. Nicht so einfach. 3.Gruppenmanagement 4.Elektronische Bezahlung. 5.Geschäftsmodelle. Sind entscheidend. Möglichst bezahlbar. Gibt es schon welche 6.User Interface für mobile Geräte. 7.Mobilität von IP-Adressen. 8.Mobile Subnetze. 9.Neue erweiterte Anwendungen und Anwendungsgebiete, Mehrwertdienste (value added services ). 10.Ortsabhängige Anwendungen. 11.Integration mit Breitbandtechnologien insbesondere DVB-T.

41 Forschungsfelder – Mobiles Internet 11.Neue Architekturen kleiner Geräte und Computer (Smart Devices) mit beschränkten Ressourcen 12.Service Discovery. Wo ist der Drucker? Wer hat den Fahrplan? 13.Kontext Mobilität. Beibehalten aller Zustände. Offene Files, Sicherheitsverbindungen, etc Ad-hoc networking, Peer-to-Peer und Multicast Optimierung. 15.Handover Management. Realisierung schneller vertikaler und horizontaler Handovers 16.Quality of Service in mobilen und IP-Netzen. Reservierungen vornehmen. 17.Mobile IP Telephonie. Header compression. 18.Kleine Antennen. Mobile Netzwerke sollten diese mit sich tragen können. 19.IPv6. Wirklich notwendig? 20.Konvergenz mit UMTS. 4G?

42 IEEE Netzwerk Standards Bridging/Arcj LLC CSMA/CD Token Bus Token Ring DQDB Broadband TAG ISLAN Security WLAN Demand Priority WPAN BWA ResPAckRing Aufgelöst: Fiber Optic TAG CATV

43 IEEE 802 Family SECURITY 802 OVERVIEW & ARCHITECTURE MANAGEMENT LOGICAL LINK CONTROL BRIDGING MAC PHY MAC PHY MAC PHY MAC PHY MAC PHY MAC PHY MAC PHY MAC PHY DATA LINK LAYER PHY LAYER MAC PHY Source: IEEE Std [2001] Draft MAC PHY

44 Network Area Definitions WAN (Wide Area Network) –WANs interconnect facilities in different parts of a country or of the world MAN (Metropolitan Area Network) –MANs shall be capable of operating over an area up to 50 Km in diameter LAN (Local Area Network) –LANs shall be capable of supporting segments at least 100 meters in length. LANs composed of segments connected by physical layer inter- networking devices, shall be capable of operating over a physical medium that is at least 2 Km in length. PAN (Personal Area Network) –PANs shall be capable of supporting segments at least 10 meters in length.

45 Network Area Definitions WAN (Wide Area Network) –WANs verbinden ´Anlagen in verschiedenen Teilen eines Landes oder der Welt MAN (Metropolitan Area Network) –MANs sollten in einem Umkreis von bis zu 50 km operieren können. LAN (Local Area Network) –LANs sollten in der Lage sein, Segmente von mindestens 100 Metern Länge zu unterstützen. LANs die aus verschiedenen Segmenten bestehen, die über Geräte der physikalischen Schicht miteinander verbunden sind (Router, Switch), sollten in der Lage sein, in einem Umkreis von mindestens 2km zu operieren. PAN (Personal Area Network) –PANs sollten fähig sein, Segmente von mindestens 10m Länge zu unterstützen.

46 Network Area Definitions Abstracted WAN WAN-MAN MAN Pico-Cell MAN-LAN PAN LAN-PAN 0km~50km~2km ~10m Personal Operating Space

47 Drahtlose Technologien Ultraschall Infrarot RF

48 Charakteristika drahtloser LANs Vorteile –räumlich flexibel innerhalb eines Empfangsbereichs –Ad-hoc-Netzwerke ohne vorherige Planung machbar –keine Verkabelungsprobleme (z.B. historische Gebäude, Feuerschutz, Ästhetik) –unanfälliger gegenüber Katastrophen wie Erdbeben, Feuer - und auch unachtsamen Benutzern, die Stecker ziehen! Nachteile –im allgemeinen noch sehr niedrige Übertragungsraten (1-2Mbit/s) –viele proprietäre Lösungen, Standards beginnen sich erst langsam durchzusetzen (aber z.B. IEEE ist weniger leistungsfähig) –müssen viele nationale Restriktionen beachten, wenn sie mit Funk arbeiten, globale Regelungen werden erst langsam geschaffen (z.B. IMT-2000)

49 Entwurfsziele für drahtlose LANs –weltweite Funktion –möglichst geringe Leistungsaufnahme wegen Batteriebetrieb –Betrieb ohne Sondergenehmigungen bzw. Lizenzen möglich –robuste Übertragungstechnik –Vereinfachung der (spontanen) Zusammenarbeit bei Treffen –einfache Handhabung und Verwaltung –Schutz bereits getätigter Investitionen im Festnetzbereich –Sicherheit hinsichtlich Abhören vertraulicher Daten und auch hinsichtlich der Emissionen –Transparenz hinsichtlich der Anwendungen und Protokolle höherer Schichten

50 Vergleich Infrarot-/Funktechniken Infrarot –Einsatz von IR-Dioden, diffuses Licht, Reflektion von Wänden Vorteile –sehr billig und einfach –keine Lizenzen nötig –einfache Abschirmung Nachteile –Interferenzen durch Sonnenlicht, Wärmequellen etc. –wird leicht abgeschattet –niedrige Bandbreite Einsatz –als IrDA (Infrared Data Association) -Schnittstelle in fast jedem Mobilrechner verfügbar Funktechnik –heute meist Nutzung des 2,4GHz lizenzfreien Bandes Vorteile –Erfahrungen aus dem WAN und Telefonbereich können übertragen werden –Abdeckung einer größeren Fläche mit Durchdringung von Wänden Nachteile –enger Frequenzbereich frei –schwierigere Abschirmung, Interferenzen mit Elektrogeräten Einsatz –vielfältige, separate Produkte

51 Coexistence An issue in all unlicensed bands 900MHz ISM band – cordless phones, some WAN, proprietary LAN, industrial heating 900MHz ISM band – cordless phones, some WAN, proprietary LAN, industrial heating 2.4GHz – cordless phones, Bluetooth, b (Wi-Fi), HomeRF, microwave ovens 2.4GHz – cordless phones, Bluetooth, b (Wi-Fi), HomeRF, microwave ovens 5GHz – mobile satellite, a, HiperLAN, HiperPAN, (proposed), microwave ovens (future), fixed wireless 5GHz – mobile satellite, a, HiperLAN, HiperPAN, (proposed), microwave ovens (future), fixed wireless MHz GHz GHz GHz Other ISM 24GHz 60GHz Multiple standards will exist in all bands Industrial, Scientific, and Medical (ISM) band allocations

52 Bluetooth und WLAN Ziele von WLAN: Entworfen, um effizient große Nutzergruppen über einen gemeinsamen Backbone zu verbinden Ziele von BT: Verbinden von mobilen Geräten über eine persönliche und private Verbindung, um Kabel zu ersetzen

53 WLANs vs WPANs (stark vereinfacht) WLAN schaut nach aus –Stellt Verbindung zur drahtgebundenen Infrastruktur her (LANs). –Nutzung des Netzwerks (Stunden bis Tage) –Portable Geräte –Kabel sind teuer WPAN schaut nach innen –Stellt Verbindung zu persönlichen Objekten her (Ad Hoc) –Network timeframe seconds to hours –Sehr mobile Geräte –Drähte liegen im Weg

54 Neuer Begriff WWAN

55 Vergleich Infrastruktur- und Ad hoc-Netzwerk Infrastruktur-Netzwerk Ad hoc-Netzwerke AP Existierendes Festnetz AP: Access Point

56 Distribution System Portal 802.x LAN Access Point LAN BSS LAN BSS 1 Access Point Architektur - Infrastrukturnetz Station (STA) –Rechner mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium und Funk- kontakt zum Access Point Basic Service Set (BSS) –Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen Access Point –Station, die sowohl in das Funk- LAN als auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist Portal –Übergang in ein anderes Festnetz Distribution System –Verbindung verschiedener Zellen um ein Netz (EES: Extended Service Set) zu bilden STA 1 STA 2 STA 3 ESS

57 Architektur - Ad-hoc Netzwerk Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite –Station (STA): Rechner mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium –Basic Service Set (BSS): Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen LAN BSS LAN BSS 1 STA 1 STA 4 STA 5 STA 2 STA

58 Bluetooth für Einsteiger

59 Mehrere Ver- bindungen, ad-hoc Netzwerke Mehrere Ver- bindungen, ad-hoc Netzwerke Drahtlose verbindungen zwischen Terminals und mobilen Telefonen Drahtlose verbindungen zwischen Terminals und mobilen Telefonen Short-range radio link Allgemeiner Standard Robuste Ver- bindungen für Sprache und Daten Robuste Ver- bindungen für Sprache und Daten Ziele der Bluetooth Entwicklung

60 Wozu ist Bluetooth zu gebrauchen? Personal Ad-hoc Networks Cable Replacement Landline Data/Voice Access Points

61 RF Baseband Audio Link Manager LMP L2CAP TCP/IPHIDRFCOMM Applications Data Control Application Framework and Support Link Manager and L2CAP Radio and Baseband Host Controller Interface Bluetooth- Architektur

62 Modules Software RF Baseband Audio Link Manager LMP L2CAP TCP/IPHIDRFCOMM Applications Data Control Bluetooth- Architektur

63 Quellen Ian Gifford, IEEE WPAN Press Kit,


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