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friederike-arensdorf
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Hardwarenahe Programmierung HNP
Schwerpunkt:
Mobile Systeme und drahtlose Netzwerke
Einführungsvorlesung
Die Agierenden
• Vorlesender– Dr. Frank Golatowski
• Seminarleiter:– 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, ubiquitärAmbient = umfließendPervasive = durchdringend
Computers: Size + Numbersize number
One Computerfor many people
One Computer for everyone
Many Computers for everyone
Sour
ce: n
ach
Gille
rsen
Size + Number: What’s next ?
size
number
HausaufgabeAusfüllen und senden an:
Sour
ce: n
ach
Gille
rsen
Yesterday’s Computers filled Rooms
IBM Selective Sequence Electronic Calculator, 1948
Sour
ce: G
illers
en
So will Tomorrow’s!
Das “connected home”
Sour
ce: G
illers
en
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
StanfordEmbeddedWeb Server
Xerox PARCKeychain 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 ComputingWas 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 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)
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
Spiele, Multimedia,Gesundheitswesen, Education, SOHO,VoIP
Smart Automobile
Mobile Networks
Remote Access
Wireless Broadband
Internet
Content and Service Delivery
InternetHome Automation,Security, Home Robots
DVB-T
xDSL
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 5: “Computer werden unsichtbar und ubiquitär vernetzt. Besonders wichtig sind Lokation und Maßstab.”
These 4: “Computer müssen in dieWelt gebracht werden, nicht dieWelt 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
Notwendige Übertragungs-technologien für uC
• Drahtloses Kurzstreckennetz– Bluetooth, WLAN– Aber auch ZigBee, Sensornetzwerke etc.
• Drahtloses Langstreckennetz– GSM, UMTS
• Drahtgebundenes Highspeednetz
Ambient IntelligenceUbiquitous 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 ActionThe WPAN In Action
Notebook translates voice to text email
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
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)
Ortsbezogene Dienste
Anwendungsbeispiele
• Mobilität, Bewegungsfreiheit• Personalisierte Dienste
Ein Beispiel aus dem realen Leben: Rostock
Zuhause, 6 UhrCheck email: laptop, DSL
Im Büro, 8 amNetMeeting:laptop, WLAN
In der Bahn, 7 UhrNetMeeting:PDA, GPRS/cdma2000
Unterwegs zur Bahn, 6.30 Uhr Background download: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
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.
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...14. Ad-hoc networking, Peer-to-Peer und Multicast Optimierung.15. Handover Management. Realisierung schneller vertikaler und horizontaler
Handovers16. 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?
IEEE Netzwerk Standards802.1 Bridging/Arcj802.2 LLC802.3 CSMA/CD802.4 Token Bus 802.5 Token Ring802.6 DQDB802.7 Broadband TAG802.9 ISLAN802.10 Security802.11 WLAN802.12 Demand Priority802.15 WPAN802.16 BWA802.17 ResPAckRingAufgelöst:802.8 Fiber Optic TAG802.14 CATV
IEEE 802 Family80
2.10
SEC
UR
ITY
802
OV
ERV
IEW
& A
RC
HIT
ECTU
RE
802.
1 M
AN
AG
EMEN
T
802.2 LOGICAL LINK CONTROL
802.1 BRIDGING
802.9MAC
802.9PHY
802.11MAC
802.11PHY
802.12MAC
802.12PHY
802.15MAC
802.15PHY
802.3MAC
802.3PHY
802.4MAC
802.4PHY
802.5MAC
802.5PHY
802.6MAC
802.6PHY
DATALINK
LAYER
PHYLAYER
802.16MAC
802.16PHY
Source: IEEE Std 802.15.1-[2001] Draft 0.8
802.17MAC
802.17PHY
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
WAN
WAN-MAN MAN
Pico-Cell
MAN-LAN
PAN
LAN-PAN
0km~50km ~2km ~10m
Personal Operating Space
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• 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
Coexistence Coexistence An issue in all unlicensed bandsAn issue in all unlicensed bands
900MHz ISM band – cordless phones, some WAN, proprietary LAN, 900MHz ISM band – cordless phones, some WAN, proprietary LAN, industrial heatingindustrial heating
2.4GHz – cordless phones, Bluetooth, 802.11b (Wi-Fi), HomeRF, 2.4GHz – cordless phones, Bluetooth, 802.11b (Wi-Fi), HomeRF, microwave ovensmicrowave ovens
5GHz – mobile satellite, 802.11a, HiperLAN, HiperPAN, 802.15.3 5GHz – mobile satellite, 802.11a, HiperLAN, HiperPAN, 802.15.3 (proposed), microwave ovens (future), fixed wireless(proposed), microwave ovens (future), fixed wireless
902-928MHz 2.4-2.483GHz 5.15-5.35GHz5.725-5.85GHz
Other ISM24GHz60GHz
Multiple standards will exist in all bandsMultiple standards will exist in all bands
Industrial, Scientific, and Medical (ISM) band allocationsIndustrial, Scientific, and Medical (ISM) band allocations
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
Ad hoc-Netzwerke
APAP
AP
Existierendes Festnetz
AP: Access Point
Distribution System
Portal
802.x LAN
Access Point
802.11 LAN
BSS2
802.11 LAN
BSS1
Access Point
802.11 - Architektur - Infrastrukturnetz•Station (STA)
– Rechner mit Zugriffsfunktion aufdas 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
STA1
STA2 STA3
ESS
802.11 - Architektur - Ad-hoc Netzwerk
• Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite
– Station (STA):Rechner mit Zugriffsfunktion aufdas drahtlose Medium
– Basic Service Set (BSS):Gruppe von Stationen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen
802.11 LAN
BSS2
802.11 LAN
BSS1
STA1
STA4
STA5
STA2
STA3
7.8.2
Bluetooth für Einsteiger
Mehrere Ver-bindungen,
ad-hoc Netzwerke
Drahtlose verbindungen zwischenTerminals und mobilen Telefonen
Short-range radio link
Allgemeiner Standard
RobusteVer-
bindungen für Spracheund Daten
Ziele der Bluetooth Entwicklung
Wozu ist Bluetooth zu gebrauchen?
Personal Ad-hoc Personal Ad-hoc NetworksNetworks
Cable Cable ReplacementReplacement
Landline
Data/Voice Data/Voice Access PointsAccess Points
RFRFBasebandBaseband
AudioAudioLink ManagerLink Manager LMPL2CAPL2CAP
TCP/IPTCP/IP HIDHID RFCOMMRFCOMM
ApplicationsApplications
DataDataCo
ntro
lCo
ntro
l
Application Framework and Support
Link Manager and L2CAP
Radio and Baseband
Host Controller Interface
Bluetooth- Architektur
ModulesModules
SoftwareSoftware
RFRFBasebandBaseband
AudioAudioLink ManagerLink Manager LMPL2CAPL2CAP
TCP/IPTCP/IP HIDHID RFCOMMRFCOMM
ApplicationsApplications
DataDataCo
ntro
lCo
ntro
l
Bluetooth- Architektur
Quellen
• Ian Gifford, IEEE 802.15.1 WPAN™ Press Kit, 19.01.2001