Mobile & Ubiquitous Computing Vorlesung: Verteilte Systeme und Informationssicherheit Von Dirk Bade Mobile & Ubiquitous Computing
Mobile Computing befasst sich mit Fragen der Kommunikation von mobilen Benutzern (Mobilkommunikation) und mobilen Endgeräten mit den zugehörenden Anwendungen. ist durch die Miniaturisierung der Komponenten und die Verfügbarkeit schneller drahtloser Netze erst möglich Mobile & Ubiquitous Computing 2
Entwicklung der Infrastruktur Gerätegröße Geräteanzahl einer für viele einen für jeden viele für jeden Mobile & Ubiquitous Computing 3
Entwicklung der Infrastruktur Gerätegröße Geräteanzahl viele für jeden viele für viele smart dust Mobile & Ubiquitous Computing 4
Entwicklung des Netzverkehrs Ubiquitous Computing Heute verbindet das Internet (fast) alle Computer heute In Zukunft werden die Alltagsdinge "smart" und miteinander verbunden. "eingebettete" Prozessoren drahtlose Kommunikation Embedded Internet Services Mobile Internet W W W Zeit Wissenschaftsnetzwerk E-Mail Mensch zu Mensch Mensch zu Maschine Maschine zu Maschine Mobile & Ubiquitous Computing 5
Die Vision von Mark Weiser "The most profound technologies are those that disappear. They weave themselve into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it." "Ubiquitous Computing has its goal in enhancing computer use by making many computers available throughout the pysical environment, but making them effectively invisible to the user." Mobile & Ubiquitous Computing 6
Die Vision von Mark Weiser Ubiquitous Computing viele Sensoren, Ausgabegeräte, Rechner und Netzwerke, die miteinander verbunden sind und Dienste anbieten / nutzen Verschwinden der Computertechnologie in den Hintergrund allen Dingen eine "digitale Identität" geben Voraussetzung: billige, verbrauchsarme Computer neue Displays (e-ink, flexible Displays etc.) (drahtlose) Hochgeschwindigkeits-Netzwerke Mobile & Ubiquitous Computing 7
Technologie für das Ubiquitous Computing Durch eine zunehmende Vernetzung der eingebetteten Sensoren und Prozessoren wird eine Kooperation der "smarten" Dinge möglich. Mobile & Ubiquitous Computing 8
Wenn Dinge "smart" werden Alltägliche Gegenstände werden mit der Fähigkeit Informationen zu verarbeiten angereichert sie bekommen ein Gedächtnis Cartoon von Jeff MacNelly sie können ihr Verhalten dem Kontext anpassen sie können miteinander interagieren Mobile & Ubiquitous Computing 9
Beispiel: Fahrzeuge am Netz Autos bieten gute Voraussetzungen für den Einsatz von intelligenter Kommunikationselektonik: Gute Stromversorgung Viel Platz Autos sind sowieso teuer Es gibt sinnvolle Anwendungen! Mobile & Ubiquitous Computing 10
Dienstangebot in Fahrzeugen Insassenbezogene Dienste Unterhaltungsdienste Informations- / Produktivitätsdienste Fahrzeugbezogene Dienste Schutzdienste Wartungsdienste Fahrtbezogene Dienste Mobilitätsdienste Sicherheitsdienste Mobile & Ubiquitous Computing 11
Insassenbezogene Dienste Unterhaltungsdienste Radio (analog / digital) Fernsehen (DVB-T / DMB bzw. DVB-H) Informations- / Produktivitätsdienste Ortsabhängig z.b. Such nach der nächsten Tankstelle Ortsunabhängig z.b. Fahrplanauskünfte Mobile Office (Telefon, Fax, E-Mail etc.) Mobile & Ubiquitous Computing 12
Fahrzeugbezogene Dienste Schutzdienste Diebstahlschutz durch Fahrerautorisierung oder GPS-Verfolgung des Fahrzeuges Abwehr von Gefahren durch den Einsatz von Sensoren z.b. Airbags oder Feuermelder Wartungsdienste Update der Fahrzeugsoftware aus der Ferne Ferndiagnose und Telemetrie Mobile & Ubiquitous Computing 13
Fahrtbezogene Dienste Mobilitätsdienste Navigationssysteme - bestimmen die aktuelle Position durch GPS / Gallileo - nutzen on-/offboard Kartenmaterial - nutzen Verkehrsnachrichten über RDS-TCM (Traffic Message Channel) Mobile & Ubiquitous Computing 14
Fahrtbezogene Dienste Sicherheitsdienste Dienen der Unfallvermeidung z.b. durch Notbremssysteme (gleichgerichteter Verkehr) Ausscherwarner (entgegenkommender Verkehr) Vorfahrtsassistent (kreuzender Verkehr) nicht nur passive Methoden (z.b. Abstandsmessung, Verkehrsschilderkennung), sondern auch Inter-Fahrzeugkommunikation Mobile & Ubiquitous Computing 15
Beispiele für Fahrtbezogene Vorfahrtsassistent Stauwarner Mobile & Ubiquitous Computing 16
EZCab A Cab Booking Application Using Short-range Wireless Communication Beispielanwendung für ein Taxibuchungssystem auf Basis von Kurzstreckenkommunikation Der Nutzer soll mit seinem PDA bzw. Smartphone in der Nähe befindliche Taxis direkt buchen können. Dabei soll das System dezentral arbeiten (Peer-to-Peer) Mobile & Ubiquitous Computing 17
Szenario 1. Der Kunde versendet mit seinem PDA eine Buchungsanfrage an ein sich in Reichweite befindendes Taxi 2. Ist das Taxi selbst schon belegt, wird die Nachricht so lange weitergeleitet, bis ein freies Taxi gefunden ist. 3. Das freie Taxi bestätigt die Buchung und holt den Kunden ab. Mobile & Ubiquitous Computing 18
Realisierung Die Taxis bilden ein mobiles Ad-hoc-Netzwerk Läuft mit handelsüblichen PDAs und GPS-Empfängern Bestätigung der Anfrage in einem 3-Wege-Handshake Authentifizierung des Kunden beim Eintreffen des Taxis Machbarkeit ist bestätigt, aber ist ein solches System auch realistisch?! Mobile & Ubiquitous Computing 19
Project54 Ziel: Erhöhung der Fahrzeugergonomie für Polizeiautos Streifenwagen haben eine Vielzahl an elektronischen Geräten mit jeweils eigener Benutzungsschnittstelle Die Bedienung dieser Geräte während der Fahrt stellt eine erhöhtes Risiko dar (besonders in kritischen Situationen, wie Verfolgungsfahrten). Mobile & Ubiquitous Computing 20
Lösung: Vernetzung der Geräte mit einheitlicher Schnittstelle (Touch Screen / Sprachsteuerung) Project54 Mobile & Ubiquitous Computing 21
Project54 Mobile & Ubiquitous Computing 22
Ergebnisse Feldtest mit 6 Wagen der New Hapshire State Police Hard-, Software und Sprachschnittstelle sind brauchbar Spracherkennung erfordert Disziplin (Vokabular,PTT-Taste) System stellte sich als sehr brauchbar heraus Ausweitung auf weitere 460 Streifenwagen Anbindung von PDAs zur Nutzung der Dienste außerhalb des Streifenwagens Relativ billig mit $1.000 -- $4000 Mobile & Ubiquitous Computing 23
Project54 Mobile & Ubiquitous Computing 24
Arten der Mobilität Mobile & Ubiquitous Computing 25 Dienstmobilität Benutzermobilität Endgerätemob. keine Mobilität
Physikalische Mobilität Physikalische vs. Logische Mobilität wird durch die Bewegung eines mobilen Hosts in der körperlichen Welt begründet. Punkt A Punkt B Logische Mobilität wird durch die Migration mobiler Einheiten (von Code) zwischen verschiedenen Hosts begründet. Punkt A Punkt B 101010101010 011010101001 011010101001 010110101010 010101010101 010101011010 Mobile & Ubiquitous Computing 26
Eigenschaften des Mobile Computing Mobile Geräte sind im Vergleich zu stationären Geräten arm an Ressourcen mobile Geräte müssen leicht und klein sein Einschränkungen bei der Eingabe und der Anzeige sie haben weniger Prozessorleistung und Speicherplatz sie sind immer ressourcenärmer als stationäre Geräte, auch wenn ihre Fähigkeiten mit der Zeit wachsen Mobile & Ubiquitous Computing 27
Eigenschaften des Mobile Computing Mobilität birgt in sich ein höheres Risiko Geräte werden leichter verloren, gestohlen oder beschädigt als stationäre Geräte Mobile Verbindungen sind variabel in Zuverlässigkeit und Performanz drahtlose Verbindungen bieten meist eine niedrigere Leistung als leitungsgebundene Verbindungen äußere Einflüsse können die Verbindung stören Mobile & Ubiquitous Computing 28
Eigenschaften des Mobile Computing Mobile Geräte sind auf endliche Energiequellen angewiesen trotz Fortschritten in der Brennstoffzellen- und Batterietechnik müssen mobile Geräte stromsparend arbeiten dies gilt sowohl für Hardware als auch Software Diese Eigenschaften sind spezifisch fürs Mobile Computing und nicht durch den Stand der Technologie bedingt. Mobile & Ubiquitous Computing 29
Traditionelle vs. mobile verteile Systeme traditionelles VS mobiles VS Gerätetypen stationär, ressourcenstark mobil, ressourcenarm Art der Netzanbindung Art der Ausführungsumgebung permanent, hohe Bandbreiten (relativ) stabil oft nur zeitweise, schwankende Bandbreiten dynamisch traditional nomadic ad hoc Mobile & Ubiquitous Computing 30
Mobile verteilte Systeme Nomadic Distributed Systems Kompromiss zwischen gänzlich statischen und hoch dynamischen mobilen Systemen Besteht aus einer statischen und drahtgebundenen Kerninfrastruktur mit angeschlossenen Mobilgeräten Die Mobilgeräte bewegen sich von Ort zu Ort, bleiben aber mit der Kerninfrastruktur über drahtlose Netze verbunden Verbindungsabbrüche müssen als "normal" angesehen werden Es müssen Mechanismen zum Wiederherstellen von Verbindungen und zur (Re-)Synchornisation bereitgestellt werden Mobile & Ubiquitous Computing 31
Mobile verteilte Systeme Nomadic Distributed Systems (II) Ein Problem ist die Heterogenität der Komponenten Verschiedene Verbindungsarten (fix/drahtlos) Verschiedene drahtlose Techniken Die Komplexität der Infrastruktur erhöht sich, wenn mobile Geräte auch Dienste anbieten (z.b. durch häufigen Adresswechsel) Beispiel: Mobilfunk Internet Mobile & Ubiquitous Computing 32
Mobile verteilte Systeme Ad hoc mobile Systeme Menge von mobilen Hosts in einer hoch dynamischen Umgebung ohne fixe Infrastruktur. Zunächst nur Kommunikation zwischen direkt miteinander verbundenen Hosts möglich. Spez. Routing-Verfahren erlauben multi-hop Nachrichten Ad hoc Netze können sich teilen und auch wieder vereinen. Netze mit Routing separates Netz Kommunikation Hosts bzw. Router Mobile & Ubiquitous Computing 33
Mobile verteilte Systeme Ad hoc mobile Systeme (II) Problembereiche Heterogenität der Komponenten Skalierbarkeit Koordination einer großen Knotenanzahl Fehlertoleranz häufige Verbindungsabbrüche Anwendungsbereiche Ad hoc Gruppen zum Informationsaustausch Koordination und Kommunikation in Notsituationen (z.b. bei zerstörter Infrastruktur) Militärische Anwendungen Mobile & Ubiquitous Computing 34
Transparenz in mobilen Systemen Ideally, mobility should be completely transparent to users. Transparency relieves users of the need to be constantly aware of the details of their computing environment. M. Satyanarayanan et al., 1993 Vollständige Transparenz ist jedoch nicht möglich und manchmal auch nicht gewünscht! Anwendungen sollen sich ihrer mobilen Umgebung bewusst sein können. z.b. Zugriff auf Orts- oder QoS-Informationen, die es erlauben neue bzw. optimierte Dienste anzubieten Mobile & Ubiquitous Computing 35
Mobilität bedarf der Anpassungsfähigkeit Da sich die Umgebung mobiler Klienten/Anwendungen ändern kann, müssen sie darauf reagieren und sich den neuen Situationen anpassen können Dabei kann die Strategie zur Anpassung zwischen zwei Extremen liegen: anwendungsbewusst (Zusammenarbeit zwischen Anwendung und System) Laissez-faire (keine Systemunterstützung) transparent bzgl. der Anwendung (keine Änderung der Anwendung) Mobile & Ubiquitous Computing 36
Mobilität bedarf der Entkopplung Die fehlende Zuverlässigkeit und die variable Performanz von mobilen Verbindungen verlangt eine Entkopplung der Komponenten In mobilen Szenarien kann nicht sichergestellt werden, dass Sender und Empfänger gleichzeitig erreichbar sind Mobile & Ubiquitous Computing 37
Mobilität bedarf der Entkopplung Entkoppelung durch Proxies / Surrogate / Agenten Mehrstufige Kommunikation Nutzung verschiedener Protokolle und Übertragungstechniken Stellvertreter können auf dem mobilen Gerät, dem Server oder irgendwo im Netzwerk angesiedelt sein Reduzierung der Daten durch Vorverarbeitung Client-Anwendung mobiles Gerät Stellvertreter Server-Anwendung Server Mobile & Ubiquitous Computing 38
Begriffe im Zusammenhang mit Mobile Computing aus Sicht des Benutzers: Ubiquitous Computing Nomadic Computing Personal Computing Handheld Computing Wearable Computing Augmented Reality aus Sicht der Vernetzung: Mobile Vernetzung (Mobile) ad-hoc Vernetzung Embedded Networking Mobilkommunikation drahtlose Kommunikation Mobile & Ubiquitous Computing 39
Ende Fragen?! Mobile & Ubiquitous Computing 40