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

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

Gliederung Ziele der Vorlesung Einleitung Trends und Visionen

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

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)

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

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

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

Size + Number: What’s next ? Hausaufgabe Ausfüllen und senden an: Frank.Golatowski@uni-rostock.de size Source: nach Gillersen

Yesterday’s Computers filled Rooms IBM Selective Sequence Electronic Calculator, 1948 Source: Gillersen

So will Tomorrow’s! Das “connected home” Source: Gillersen

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

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

IBM WatchPad 1.5

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. http://mobilitytoday.com/news/007050/10megapixel_phone

Drahtlose Sensor Netzwerke

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) Pervasive Computing: Den Menschen umgeben zunehmend Computer, die miteinander vernetzt sind. Die Computer sind allgegenwärtig vorhanden und zumeist unsichtbar.

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) Pervasive Computing: Den Menschen umgeben zunehmend Computer, die miteinander vernetzt sind. Die Computer sind allgegenwärtig vorhanden und zumeist unsichtbar.

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

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)

Ubiquitous-Computing-Infrastruktur

Automobil

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

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

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.

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?

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

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

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)

The WPAN In Action  Notebook translates voice to text email

Anwendungsbeispiele Automobil Der mobile Arbeitsplatz Haushalt 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

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) Positioning can be done through technologies like GPS, mobile cell phone identification, and network triangulation. Current location-based services are mainly offered by operators themselves. They are the only ones having direct access to the networks which is essential for the localization of today’s mobile phones. From a third-party company it may be very costly as the operators are aware of their powerful position and want to keep their monopoly on localization information. New wireless technologies like Bluetooth, WLAN or UWB offer new possibilities to push services to mobile users and to determine users or system positions [4] but are far away from having a feasible solution in the next years. More ground work has to be done to get valuable solutions.

Ortsbezogene Dienste

Anwendungsbeispiele Mobilität, Bewegungsfreiheit Personalisierte Dienste Positioning can be done through technologies like GPS, mobile cell phone identification, and network triangulation. Current location-based services are mainly offered by operators themselves. They are the only ones having direct access to the networks which is essential for the localization of today’s mobile phones. From a third-party company it may be very costly as the operators are aware of their powerful position and want to keep their monopoly on localization information. New wireless technologies like Bluetooth, WLAN or UWB offer new possibilities to push services to mobile users and to determine users or system positions [4] but are far away from having a feasible solution in the next years. More ground work has to be done to get valuable solutions.

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

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 = 1.048 576 Bytes 1048576 6554 volle SMS : Preis pro Megabyte  1114 € pro MByte SMS Bei SMS mit 100 Zeichen: 10485 SMS  1782 € pro Mbyte SMS

Forschungsfelder – Mobiles Internet Authentifizierung. Geht PKI? Verschlüsselung und Privatheit. Nicht so einfach. Gruppenmanagement Elektronische Bezahlung. Geschäftsmodelle. Sind entscheidend. Möglichst bezahlbar. Gibt es schon welche User Interface für mobile Geräte. Mobilität von IP-Adressen. Mobile Subnetze. Neue erweiterte Anwendungen und Anwendungsgebiete, Mehrwertdienste (value added services ). Ortsabhängige Anwendungen. Integration mit Breitbandtechnologien insbesondere DVB-T. Geschäftsmodelle: Rao and Minakakis emphasize in [1] that the success of mobile commerce depends not only on system´s technical feasibility but also on an overall marketing strategy. There has not been a sustainable effort in developing sustainable business models that sufficiently address and enhance the customer experience. In [2] Nohria and Leestma mention that “capitalizing on the promise of m-commerce requires a deep understanding of consumer behavior.” Advances in security, e-advertising, m-commerce and digital home business (Sony´s Felica, Philips´ NFC, UPnP, Digital Living Network Alliance, Sonera´s Mobile Certificate) allow new solutions and business models.

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

IEEE Netzwerk Standards 802.1 Bridging/Arcj 802.2 LLC 802.3 CSMA/CD 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring 802.6 DQDB 802.7 Broadband TAG 802.9 ISLAN 802.10 Security 802.11 WLAN 802.12 Demand Priority 802.15 WPAN 802.16 BWA 802.17 ResPAckRing Aufgelöst: 802.8 Fiber Optic TAG 802.14 CATV

IEEE 802 Family 802.2 LOGICAL LINK CONTROL 802.10 SECURITY DATA LINK LAYER 802.1 BRIDGING 802.3 MAC PHY 802.4 MAC PHY 802.5 MAC PHY 802.6 MAC PHY 802.9 MAC PHY 802.11 MAC PHY 802.12 MAC PHY 802.15 MAC PHY 802.16 MAC PHY 802.17 MAC PHY 802 OVERVIEW & ARCHITECTURE 802.1 MANAGEMENT PHY LAYER Source: IEEE Std 802.15.1-[2001] Draft 0.8

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.

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.

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

Drahtlose Technologien Ultraschall Infrarot RF

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. IEEE802.11 ist weniger leistungsfähig) müssen viele nationale Restriktionen beachten, wenn sie mit Funk arbeiten, globale Regelungen werden erst langsam geschaffen (z.B. IMT-2000)

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

Vergleich Infrarot-/Funktechniken 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

Coexistence An issue in all unlicensed bands Industrial, Scientific, and Medical (ISM) band allocations Other ISM 24GHz 60GHz 902-928MHz 2.4-2.483GHz 5.15-5.35GHz 5.725-5.85GHz 900MHz ISM band – cordless phones, some WAN, proprietary LAN, industrial heating 2.4GHz – cordless phones, Bluetooth, 802.11b (Wi-Fi), HomeRF, microwave ovens 5GHz – mobile satellite, 802.11a, HiperLAN, HiperPAN, 802.15.3 (proposed), microwave ovens (future), fixed wireless Multiple standards will exist in all bands

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

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”

Neuer Begriff WWAN

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

802.11 - 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 802.11 LAN 802.x LAN STA1 BSS1 Portal Access Point Distribution System Access Point ESS BSS2 STA2 STA3 802.11 LAN 9

802.11 - Architektur - Ad-hoc Netzwerk 802.11 LAN 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 STA1 BSS1 STA3 STA2 BSS2 STA5 STA4 802.11 LAN 7.8.2

Bluetooth für Einsteiger

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

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

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

Bluetooth- Architektur Software RF Baseband Audio Link Manager LMP L2CAP TCP/IP HID RFCOMM Applications Data Control Modules

Quellen Ian Gifford, IEEE 802.15.1 WPAN™ Press Kit, 19.01.2001