Horst Schirmeier, Olaf Spinczyk - TU Dortmund · Im Auto z.B. je nach Aufgabe 8 bis 32 Bit –...

Software ubiquitärer Systeme (SuS)

Anwendungen

https://ess.cs.tu-dortmund.de/DE/Teaching/SS2016/SuS/

Horst Schirmeier, Olaf Spinczyk

[email protected]://ess.cs.tu-dortmund.de/~hsc

AG Eingebettete SystemsoftwareInformatik 12, TU Dortmund

mailto:[email protected]

13.04.2016 SuS: 01.2 Anwendungen 2

Inhalt● Wiederholung● Herausforderungen● Geräte- und Anwendungsklassen● Fazit und Zusammenfassung


Wiederholung (1)

„For thirty years most interface design, and most computer design, has been headed down the path of the 'dramatic' machine. Its highest ideal is to make a computer so exciting, so wonderful, so interesting, that we never want to be without it.

A less-traveled path I call the 'invisible'; its highest ideal is to make a computer so imbedded, so fitting, so natural, that we use it without even thinking about it.“

Mark Weiser, http://sandbox.xerox.com/ubicomp/

... noch ein Zitat vom „Vater des Ubiquitous Computing“


Wiederholung (2)Charakteristische Eigenschaften:

● Viele eingebettete oder tragbare Geräte, die transparent kommunizieren können, um den Benutzern die verschiedensten Dienste anbieten zu können.

● Geräte verfügen typischerweise über eine stromsparende Nahbereichsfunktechnik.

● Verschiedenste integrierte Sensoren versorgen die Geräte mit den benötigten Informationen über die Umwelt.

Quelle: Yolande Berbers, KU Leuven,Vortrag zu Ubiquitous Computing, 2008


Herausforderungen... an die (System-)Software

● Kontextabhängigkeit● Nutzerschnittstellen● Verteilte Systeme● Mobilität● Skalierbarkeit● Verlässlichkeit● Interoperabilität● „Entdeckung“ von Ressourcen und Diensten● Datenschutz und -sicherheit


Kontextabhängigkeit(context awareness)

● Ziel– Computer sollen genug Wissen über die aktuelle Situation des Nutzers

ansammeln können, um in diesem Moment nützliche Dienste und Informationen bereitstellen zu können.

● Kontext– Repräsentiert die reale Welt im ubiquitären Rechnersystem– Besteht aus vielen Teilen, z.B. ...

● Position (GPS-Koordinate, Raumnummer)● Rolle und Verhalten des aktuellen Benutzers (Admin, User, Hacker)● In der Nähe befindliche Geräte, Kommunikationsbedingungen● Sensordaten (Temperatur, Windgeschwindigkeit, ...)● Energievorrat


Nutzerschnittstellen● Sind bei ubiquitären Systemen sehr unterschiedlich ...

– explizit● Der Benutzer merkt, dass er es mit einem Computer zu tun hat

– nicht explizit● Der Benutzer interagiert lediglich mit einer (intelligenten) Umgebung

● Tastaturen und Mäuse werden verdrängt

Schrifterkennung

Gesten und Mimik

Spracheingabe und -ausgabe

Biometrische Merkmale

Lokalisierung


Verteilte SystemeAufgaben werden durch kooperierende Rechner erbracht

● Zusätzliche Fehlerquellen– Übertragungsfehler– Verlust von Nachrichten

– Doppelte Nachrichten

● Schwierigere Koordinierung– Beispiel: globale Zeit

● Hohe Dynamik– Rechner kommen und gehen

● Oft keine zentrale Instanz– Client/Server → Peer-to-peer


Mobilität● Möglich durch drahtlose Kommunikationstechnologien

– Bluetooth, Zigbee, WLAN, Funk

● Führt aber auch zu neuen Schwierigkeiten– Sparsamer Umgang mit Energie

– Mobile Netze● Geringe Bandbreiten● Umgang mit ausbleibender Konnektivität● Netzpartitionierung● “Ad Hoc Networks“

– Kleine Geräte mit kleinen Anzeigen


SkalierbarkeitDutzende Computer pro Kubikmeter erfordern skalierbare …

● Netzwerktopologien● Kommunikationsprotokolle● Routing-Verfahren● Namensdienste● Verteilte Algorithmen


VerlässlichkeitEssentiell, da wir uns in eine Abhängigkeit begeben.

● Voraussetzungen– Korrektes Verhalten– Rechtzeitigkeit

– Fehlertoleranz

● Maßnahmen– Formale Methoden der Systementwicklung– Redundanz in Hard- und Software– Selbstbeobachtung und Selbstheilung

● Stichwort „Organic Computing“– Automatisierte WCET-Analyse, Echtzeitfähige Software


Interoperabilität● Es gibt diverse Technologien

für die Realisierung verteilter Systeme, z.B. …– CORBA

– JINI– Java RMI– Port/Sockets

– DLNA/UPNP– Web Services

● Ohne übergreifende Interoperabilität sind ubiquitäre Systeme immer nur Insellösungen.


„Entdeckung“ von Diensten(„Service Discovery“)

● Geräte und Dienste müssen sich selbst beschreiben● Geräte und Dienste müssen sich ihre Kooperationspartner

automatisch selbst suchen● Ein dezentrales Netzwerkmanagement muss auch das

Verschwinden von Geräten und Diensten bemerken● Beispiele

– Simple Service Discovery Protocol (benutzt von UPnP)– Zeroconf– Service Location Protocol (SLP)

– Bluetooth Service Discovery Protocol (SDP)


Datenschutz und -sicherheit● Private Daten müssen vor unautorisierten Zugriffen geschützt

werden– Benutzer müssen kontrollieren können,

welche Daten Sie für andere freigeben– Vermeidung einer Überforderung der Benutzer

● Benutzer müssen sich authentifizieren● Potentiell keine vertrauenswürdige Instanz erreichbar


Geräte- und Anwendungsklassenmitmit expliziter expliziterBenutzerschnittstelleBenutzerschnittstelle

ohneohne explizite expliziteBenutzerschnittstelleBenutzerschnittstelle

mobilmobil

stationärstationär

Smartphone

Internet Tablet

Personal Digital Assistant

Smart Card RFID Tag

Smart Environments/Ambient Intelligence

Automotive ECUSmart Objects

Media Center (PC)

RouterVideo Conferencing

Sensor Networks

Networked Appliances

Smart Floor

DigitalerBilderrahmen

eBook

Beispiele

Beispiele

Augmented RealityNavigation

Fax/Drucker/Scanner

Smart Dust

Toll Collect


Inhalt● Wiederholung● Herausforderungen● Geräte- und Anwendungsklassen

– Mobil mit expliziter Benutzerschnittstelle– Mobil ohne explizite Benutzerschnittstelle– Stationär mit expliziter Benutzerschnittstelle

– Stationär ohne explizite Benutzerschnittstelle

● Fazit und Zusammenfassung


Mobil mit Benutzerschnittstelle (1)... das ubiquitäre „Mobile Computing“

● Beispiel Amazon Kindle eBook– Entspanntes Lesen von Texten

bei jeder Beleuchtung durch„e-Ink Technologie“

– Gut handhabbar, da flach und leicht– Einfache Bedienung

● wenige Tasten– Online-Portal

● Finden und ggf. Kaufen von Büchern oder Artikeln– Akkulaufzeit: Ein Monat!

➔ PARC Pads sind Realität

Quelle: amazon.de (04/2012)



● Beispiel Medion GoPal 4435– Navigationssystem für KFZ– Sprachsteuerung und -ausgabe

– TMCpro– Bluetooth-Freisprecheinrichtung– SMS-Integration

● Nachfolger Medion GoPal 4635– GSM-Kommunikation für …

● erweiterte Verkehrsinformationen● Benzinpreise in der Umgebung● aktuellen Wetterbericht● freie Parkplätze in der Nähe

Quelle: Heise Autos



● Beispiel Apple iPhone 6S– iPod (Musik & Video, online Store)– UHD-Video/Foto

– 3D-Spiele– Mobiles Internet

● Web, Email– Navigation (GPS + Karten)– Vielzweck UNIX-Betriebssystem

für die Ausführung beliebiger Applikationen– Mobiltelefon

● Ein „Personal Computer“ für unterwegs– sicherlich kein „Ubiquitous Computing“ im Sinne von Mark Weiser

Quelle: Apple


Mobil mit Benutzerschnittstelle (4)Name Amazon Kindle Medion 4635 Apple iPhoneKlasse eBook-Leser Navi Smart PhoneGröße 166x114x9mm 130x78x14mm 138x67x7,1mmGewicht 170g 165g 143gCPU ARM 800MHz ARM 400MHz A9 2*1.85GHzRAM 256MB (?) 128MB 2GBFLASH 2GB 2GB 16-128GBAnzeige 4,3” 480x272

Funk WLAN

Sensoren

Preis 49 € 150 €* 615 €

6” 800x600eInk grau

4,7” 1334x7503D Touch

GSM,TMCpro

WLAN, Bt,GSM/UTMS/LTE

GPS,Mikrophon

Helligkeit,Annäherung,Beschleunigung,GPS, Kamera,Mikrophon

* Preisinformation veraltet* Preisinformation veraltet


Mobil mit Benutzerschnittstelle (5)Diskussion Hardware

● Gemeinsamkeiten– Stromsparende CPUs (häufig ARM), Funktechnologien und Displays– Drahtlose Vernetzung (LTE/UMTS/GPRS, Radio, WLAN, Bluetooth)

● Spezialisierte „ubiquitäre“ Rechnersysteme– Geringerer Preis

– Einfachere Bedienung (spezielle Bedienelemente oder Sensorik)

● Mobiler „Personal Computer“ (à la Apple iPhone)– Hoher Preis– Vielseitigkeit➔ Verkauft sich (noch) ausgezeichnet


Mobil mit Benutzerschnittstelle (6)Systemsoftware

● Anforderungen– Unterstützung stromsparender Hardware– Kurze Startzeiten

– Bewusster Umgang mit Speicher– Oft Einbenutzer-/Mehrprogrammbetrieb– Interoperabilität, Einhaltung von Standards

● Typische Vertreter– Von der Stange („COTS“)

– Windows RT/CE/Mobile, Symbian OS, Palm OS,angepasste Linux-Systeme (Android), MacOS X (ARM),Blackberry Betriebssystem


Mobil ohne Benutzerschnittstelle (1)... die Welt der „Sensorknoten“

● Beispiel Body Sensor Network [1]– Kontinuierliche Überwachung und

Analyse physiologischer Daten– Früherkennung kardiologischer Notfälle– Sensoren am Körper, im Körper

oder an der Kleidung („wearable“)



● Beispiel Shooter Localization [2](Experiment der Vanderbilt University)

– 60 akustischen Sensoren– Testgebiet von 1 Hektar– Lokalisierung eines Schützen

auf einen Meter genau!– Selbst, ob der Schütze

kniete oder stand, wurdedetektiert.

[Demo-Video]



● Beispiel moderne Kraftfahrzeuge– Netzwerk von „KFZ-Steuergeräten“– Diverse Sensoren

● Einklemmschutz● Aufprall● Abstand● Regen

– Innovative Fahrzeugfunktionenerfordern heutztage praktischimmer Software

– Die meisten Steuergerätesind unsichtbar Quelle: Der neue Maybach, ATZ/MTZ Sonderheft

September 2002, Seite 125


Mobil ohne Benutzerschnittstelle (4)... Hardware

● Body Sensor Network [1]– 16 Bit TI MSP430-Mikrocontroller, ultra low power RISC

● 60 KB+256B FLASH, 2KB RAM, 512 KB externer FLASH– Funkmodul CC2420, 250kbps, max. 50m

● Shooter Localization [2]– 8 Bit Atmel ATMEGA128-Mikrocontroller

● 128KB FLASH, 4KB RAM– Funkmodul CC1000, 38.4kbps, max. 200ft– Spezieller Sensor mit FPGA für akustische Analyse

● Moderne Kraftfahrzeuge– Beispiel BMW-Gangwahlschalter

● 16 Bit Freescale 9S12-Mikrocontroller● 128 KB FLASH, 8 KB RAM● CAN-Bus-Controller

Mica2-Plattformder UC Berkeley


Mobil ohne Benutzerschnittstelle (5)Diskussion Hardware

● Gemeinsamkeiten– Gnadenlose Preisminimierung

● Massenproduktion (Stichwort „Smart Dust“)– Stromsparen

● CPUs● Funktechnologie

– Minimierung von Größe, Gewicht und Fertigungsaufwand● Mikrocontroller integrieren CPU, Speicher und E/A-Module

● Unterschiede– Prozessor (Technologie, Modell, …)

● Im Auto z.B. je nach Aufgabe 8 bis 32 Bit– Ein-/Ausgabe-Fähigkeiten– Speicherausbau


Mobil ohne Benutzerschnittstelle (6)Systemsoftware

● Anforderungen– Unterstützung stromsparender Hardware– Minimaler Speicherplatzverbrauch (wenige KB!)

– Umgang mit unterschiedlicher Hardware– Vielfältige, aber einfache Anwendungen– ggf. Ad-Hoc Vernetzung, unzuverlässige Kommunikation


● TinyOS, eCos, OSEK, BTnut, ..., TinyDB– Spezielle anwendungsspezifische Systemsoftware

● ca. 50% des Marktes



– Mobil mit expliziter Benutzerschnittstelle– Mobil ohne explizite Benutzerschnittstelle– Stationär mit expliziter Benutzerschnittstelle– Stationär ohne explizite Benutzerschnittstelle



Stationär mit Benutzerschnittstelle (1)... dicht am PC

● Beispiel Geldautomat– Abholung von Bargeld

mit Selbstbedienung– Hohe Sicherheitsanforderungen– Vernetzung mit verschiedenen Banken– Akzeptanz diverser Geld- und Kreditkarten

➔ Allgegenwärtig und unentbehrlich fürdie meisten von uns.

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Stationär mit Benutzerschnittstelle (2)... dicht am PC

● Beispiel Internet-Radio– Spielt Datenströme aus

dem Internet ab● LAN oder verschlüsselte

WLAN-Verbindung– Empfängt klassisches Radio– Spielt Musik von

Netzwerkdateisystemen (PC, NAS)● sucht die Musikquellen automatisch

Quelle: NOXON Media GmbH


Stationär mit Benutzerschnittstelle (3)... Hardware

● Geldautomat*– Industrie-PC

● x86 CPU 3GHz, 128MB RAM, 80GB Platte, 1.44MB Floppy, CDROM● Ethernet● Drucker, Pin-Lesegeräte, Kartenleser, Kamera, Sound-Karte

– Mechanischer Schutz

● Internet-Radio*– Atmel ARM7-CPU

● 512KB FLASH und diverse Peripherieeinheiten– 64MB externer RAM, 4MB externer FLASH

– Ethernet-Controller

– Audio-Decoder-Chip für diverse Formate (MP3, AAC, ...)

– Realtime-Clock-Chip

– MMC/SD-Card-Leser

*typische Ausstattung, nichtdie der vorgestellten Geräte*typische Ausstattung, nichtdie der vorgestellten Geräte


Stationär mit Benutzerschnittstelle (4)Diskussion Hardware

● Gemeinsamkeiten– Relativ leistungsstark– Standardkomponenten (z.B. PC)

mit spezieller anwendungsspezifischer Peripherie– Vernetzung (Standard-LAN/WLAN)– Hoher Preis

● Unterschiede– Größe, Lautstärke– Mechanischer Schutz vor Eingriffen– CPU-Typ, Speicherausbau– Peripherie


Stationär mit Benutzerschnittstelle (5)Systemsoftware

● Anforderungen– Unterstützung spezifischer Peripherie (Treiber)– Unkomplizierte Anwendungsentwicklung

● z.B. direkt auf der Zielhardware– Automatische Verbindung mit kooperierenden Diensten

● im lokalen Netzwerk oder im Internet● sicher verschlüsselt


– Windows, Windows Embedded,Linux, µC-Linux, eCos, ... UPnP, ..., Berkeley DB




– Stationär ohne explizite Benutzerschnittstelle● Fazit und Zusammenfassung


Stationär ohne Benutzerschnittstelle (1)... intelligente Umgebungen

● Beispiel PlaceLab [3]– Erforschung menschlicher Verhaltensweisen

in intelligenten Umgebungen– Kombination von Labor und Wohnung

● bewohnt von Freiwilligen● möglichst natürliche

Atmosphäre


Stationär ohne Benutzerschnittstelle (2)... intelligente Umgebungen

● Beispiel PlaceLab – Technik– Vorgefertigte Komponenten,

z.B. Einbauschränke– Hunderte vernetzte Sensoren– Standardisierte Plattformen


Stationär ohne Benutzerschnittstelle (3)... Hardware

● Dallas Semiconductor TINI Microcontroller(DSTINIS400 Board)– 8051-Befehlssatz– 2 MB SRAM, 2 MB FLASH– Vernetzung: 1-Draht-Sensornetzwerk, CAN, Ethernet

● 1-Draht-Sensornetzwerk– ca. 30 Sensoren pro „Kabinett“– 16/142 kbps– inkl. Stromversorgung

● zusätzlich drahtlose Sensoren


Stationär ohne Benutzerschnittstelle (4)Diskussion Hardware

● Gemeinsamkeiten– Möglichst preisgünstig wegen hoher Stückzahl– Typisch 8 Bit-Technologie– Wenig Speicher (RAM)– Vernetzung (i.d.R. drahtgebunden)

● Unterschiede– Angeschlossene Sensorik– Art der Vernetzung– CPU-Typ und Speicherausbau


Stationär ohne Benutzerschnittstelle (5)Systemsoftware

● Anforderungen– Minimaler Speicherplatzverbrauch– Umgang mit unterschiedlicher Hardware– Vielfältige, aber einfache Anwendungen– Vernetzung, geringe Bandbreite– Teils Echtzeit


● TinyOS, TINI OS, eCos, OSEK, ..., TinyDB, spezielle JVMs– Spezielle anwendungsspezifische Systemsoftware

● ca. 50% des Marktes


Einordnung der Querschnittsthemenmitmit expliziter expliziterBenutzerschnittstelleBenutzerschnittstelle

ohneohne explizite expliziteBenutzerschnittstelleBenutzerschnittstelle

mobilmobil

stationärstationär

ThemenThemen

Sicherheit

Ressourcenverbrauch

Speicher

RessourcenverbrauchEnergie

Kontext


Zusammenfassung● „Ubiquitous Computing“ ist ein vielfältiges Thema

– unterschiedliche Bereiche der Informatik

– unterschiedlichste Hardware

● Schwerpunkt der Lehrveranstaltung:Systemsoftware für kleine und mobile Systeme– Hohe Stückzahl– Geringer Preis– Wenig Speicher

– Minimaler Stromverbrauch

● Nur am Rande betrachtet:– Smartphones, Notebooks/Netbooks– PCs mit Steuerungsaufgaben


Literatur[1] B.P.L. Lo, S. Thiemjarus, R. King, and G.-Z. Yang, Body Sensor

Networks – A Wireless Sensor Platform for Pervasive Healthcare Monitoring, In Adjunct Proceedings of the Third International Conference on Pervasive Computing, pp. 77-80, 2005

[2] G. Simon, M. Maroti, A. Ledeczi, G. Balogh, B. Kusy, A. Nadas, G. Pap, J. Sallai, and K. Frampton, Sensor Network-Based Countersniper System, SenSys '04, Baltimore, USA, November 2004

[3] Massachusetts Insitute of Technology, PlaceLab – A House_n + TIAX Initiative, November 2003

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