2. Mobile Computing

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. 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

2.1 Mobilität und Drahtlosigkeit 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:

Mobilität und Drahtlosigkeit Wichtige Begriffe: Endgerätemobilität Benutzermobilität Dienstmobilität

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

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 Permanente Drahtlosverbindung Netzwerk

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

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

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)

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 Selbstwählverkehr möglich aber: Standort des Partners musste bekannt sein (Vorwahl) Am Ende (1994) ca. 27.000 Nutzer

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

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.

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)

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

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)

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)

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

Frequenzübersicht 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*1016 Hz – 3*1020 Hz Gammastrahlung bis 0,5nm ab 6 * 1017 Hz 0.9 RegTP 275

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

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?)

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?)

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

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

2.4 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) )

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

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

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

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

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

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)

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

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

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)

Gerätetypen Wearables Bild 1: Abteilung Medieninformatik (Uni Ulm, Informatik). Herr Kargl Bild 2 und 3: Wearable vom MIT (links Foto, rechts Darstellung mit Bezeichnung der einzelnen Komponenten)

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

2.6 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

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)