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:

Frank.Golatowski@uni-rostock.de

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