PDF-Format - Prof. Dr. Alexander Keller - Universität Ulm

Handheld und Ubiquitous Computing
Hauptseminar an der Universität Ulm
Fakultät für Informatik
UNIVERSITÄT ULM · SCIENDO · DOCENDO · CURANDO ·
Wintersemester 2002/2003

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Ubiquitous Computing - Ansätze, Ziele, Beispiele 5
1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Einführung und Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Vision und Kennzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Beispiel 1: Wearable Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Beispiel 2: Das intelligente Haus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Ausblick und kritische Würdigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Literatur 11
2 UI Patterns 13
2.1 UI Patterns - Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Anwendung auf verschiedenen Plattformen und Anpassung an unterschiedliche
Umgebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Einsatz von Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Literatur 33
3 Styleguides 34
3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Styleguides für Palm OS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Styleguides für Microsoft Windows CE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 Styleguides für Java ME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5 Styleguides für GSM Applikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6 Schlußbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Literatur 52
4 Smart-Its und intelligente Geräte 53
4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Kommunikationstechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Energieversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4 Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5 Projekte, Visionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Literatur 63
5 Mobile Ad-Hoc-Metzwerke 64
5.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2 Ad-hoc-Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3 Netzwerk-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4 Routing in mobilen Ad-Hoc-Netzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.5 Anwendung im Ubiquitous Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.6 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Literatur 82
6 Location Models 83
6.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2

Inhaltsverzeichnis
6.2 Basic Location Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.3 Modellentwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.4 Abschlussbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Literatur 97
7 Location based services (LBS) 99
7.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.3 Applikationen (Fallbeispiele) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.4 Datenschutz Limitationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Literatur 107
8 Privacy und Security in mobilen Endgeräten und im Mobilfunk 109
8.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.2 Privacy und Security betreffende Bereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.3 Gefahrenpotentiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.4 Abschließende Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Literatur 121
9 Security and Privacy - Anonymität 122
9.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.2 Anonymität im Festnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9.3 Anonymität im Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.4 Anonymität in zelluaren Mobilfunknetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.5 Abschließende Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Literatur 136
10 Java-2 Micro Edition 138
10.1 Java-2 Editionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
10.2 Struktur der Java-2 Micro Edition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
10.3 MIDlet Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.4 Aktuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Literatur 150
11 Wearable Computing 152
11.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
11.2 Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11.3 Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.4 Konkrete Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
11.5 Fazit und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Literatur 166
12 Einführung Physical-Virtual Integration 169
12.1 Was ist Physical-Virtual Integration? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
12.2 Wozu dient sie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
12.3 Wesentliche Abstufungen von Physical-Virtual Integration . . . . . . . . . . . 169
3

Inhaltsverzeichnis
12.4 Welche Formen von Physical-Virtual Integration sind derzeit möglich? . . . . 171
12.5 Was bringt die Zukunft? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Literatur 181
4

1 Ubiquitous Computing - Ansätze, Ziele, Beispiele
Zusammenfassung
Die folgende Ausarbeitung soll eine Einführung
in das Gebiet des Ubiquitous
Computing geben und die dahinterstehende
Vision verdeutlichen. Anhand eines
Beispiels werden dann die Kennzeichen
von Ubiquitous Computing etwas
näher erläutert.
1.1 Einleitung
Die Möglichkeit, jederzeit und überall auf
Informationen zuzugreifen, ist mittlerweile
durch mobile Geräte (Laptop, Handy, PDA)
und verbesserter drahtloser Kommunikation
(WLAN, Bluetooth, UMTS) Realität geworden.
Ubiquitous Computing umfasst jedoch
weitaus mehr als das bis dato Erreichte. Ziel
hiervon ist die Ausstattung von Alltagsgegenständen
mit eigener miniaturisierter Rechenleistung
und Sensoren und die Möglichkeit
der Kommunikation untereinander, so dass
sie sich nahtlos und unsichtbar zum Ziel der
Unterstützung der Menschen in das Umfeld
integrieren.
1.2 Einführung und Überblick
1.2.1 Entwicklung der
Computer-Technologie
Die elektronische Datenverarbeitung wurde
in den letzten 50 Jahren durch zwei Trends
geprägt, die auch die Beziehung zwischen
Mensch und Maschine bestimmt haben: Zum
einen die Großrechner (Mainframes) und
später die Einzelplatzrechner (PC). Die ersten
Mainframesysteme in den 50er Jahren
dienten mehreren Anwendern, oft gesamten
Organisationen. Anfang der 80er ermöglichten
die technologischen Entwicklungen im
Ozan Doksöz
ozan.doksoez@informatik.uni-ulm.de
Bereich der Elektronik und der damit verbundene
Preisverfall von Komponenten und
Systemen die Herstellung von preiswerten,
kompakten und leistungsfähigen Einzelplatzrechnern.
Der Trend ging von EDV-Systemen
bei denen viele Anwender an einem Rechner
arbeiten über zu Arbeitsplätzen denen je ein
Rechner zur Verfügung stand.
Abbildung 1: Trends [Dan97]
Heutzutage verbindet das Internet fast alle
Computer der Welt [Mat02a]. Anfangs
war die Vernetzung von PCs ein Mittel,
durch die Nutzung gemeinsamer Ressourcen
und den Austausch von Dateien die
klassische Zweckbestimmung der PCs aufzuwerten.
Heutzutage hat sich mittlerweile
das Bild gewendet: der PC steht nicht mehr
im Mittelpunkt, an dem andere Netzperipherie
angeschlossen wird. Vielmehr hat das
Netz als solches eine unabhängige, dauerhafte
Existenz angenommen und spielt die
dominante Rolle, d.h. PC’s werden angeschafft
weil es das Internet gibt und durch
den PC der Zugang zum WorldWideWeb
überhaupt erst möglich wird. Inzwischen sind
jedoch der WAP-Standard in Europa und
das i-mode System in Japan, die einen eingeschränkten,
drahtlosen Internetzugang ermöglichen,
erste Anzeichen dafür, daß sich
5

Ozan Doksöz
das Internet über seine klassische Domäne
hinaus auszubreiten beginnt. Der Trend geht
hin, den Informationszugang sofort, überall
und zu allem zu ermöglichen. Umgekehrt
können mittlerweile auch Handys auch
als mobile WWW-Server fungieren, und beispielsweise
den Aufenthaltsort fernabfragbar
machen. Das Internet verbindet charakteristisch
Elemente der Mainframesystemen
mit Elementen von Einzelplatzrechnersysteme
- es handelt sich hier um traditionelle
Client-Server Beziehung, jedoch in einem
sehr großem Ausmaß, bei dem die PCs die
(Web)Clients und die Webserver die Mainframes
sind. Das sogenannte Internet-Zeitalter
kann als Übergangsphase zwischen dem
PC-und dem Ubiquitous Computing-Zeitalter
betrachtet werden.
1.2.2 Was ist Ubiquitous Computing?
Ubiquitous Computing setzt als Ziel die
digitale Unterstützung des Lebensumfeldes
aller Menschen durch die modernen
Informationstechnologien.[DP01] “Ubiquitous“
heißt auf Deutsch allgegenwärtig,
im konkreten Fall: der Computerzugang ist
überall möglich. Die Unsichtbarkeit der Computer
zielt darauf ab den Nutzer fast vollständig
von der Kenntnis beliebiger technischer
Details der verwendeten Ressourcen zu entbinden.
Demnach sollen Computer als einfache,
ubiquitär verfügbare Werkzeuge dienen.
Die Computerfunktionen sollen für den Nutzer
intuitiv und selbstverständlich sein.
1.2.3 Technische Voraussetzungen für
die Realisierung
Heutzutage weisen die Technologietrends
bereits auf “verschwindende“ und gleichzeitig
allgegenwärtige Computertechnik hin. Im folgenden
werden die wichtigsten Entwicklungen
näher erläutert [Mat02b].
6
Moorsches Gesetz: Dem Mooreschen
Gesetz folgend, verdoppelt sich die
Leistung (Geschwindigkeit und Speicherkapazität)
von Mikroprozessoren
alle achtzehn Monate. Andere Technologieparameter
wie Speicherdichte
oder Kommunikationsbandbreite zeigen
auch einen ähnlich steigenden
Trend. Damit wird der Preis der elektronischen
Bauelemente bei konstanter
Leistungsfähigkeit immer billiger.
Diese elektronischen Fortschritte bietet
die Möglichkeit der zukünftigen Massenproduktion
unterschiedlicher Computer.
Entwicklungen in der Materialwissenschaft:
Die ubiquitären Computer
der Zukunft werden sich äusserlich von
den heutigen sehr stark unterscheiden.
Sie werden viel mehr in die Alltagsgegenstände
integriert und verschmelzen
mit der Umgebung. Flexible Bildschirme
und intelligentes Papier, intelligente
Stifte sind Beispiele für neue Materialen,
welche die Entwicklung des Ubi-
Comp massgeblich beeinflussen werden.
Fortschritte in der Kommunikationstechnik:
Große Fortschritte werden
derzeit auf dem Gebiet der drahtlosen
Kommunikation erzielt. Internetfähige
Handys, PDAs, u.ä. kommunizieren
drahtlos mit anderen Geräten
ihrer Umgebung. Neue Kommunikationstechnologien
(z.B. Body Area Networks),
-standards (z.B. Bluetooth) und
-konzepte (z.B. Spontaneous Networking)
bringen neue Awendungspotenziale.
Verbesserungen in der Sensor-
Technik: Kleinste integrationsfähige
Sensoren reagieren nicht nur auf Licht,
Beschleunigung, Temperatur sondern
analysieren auch Flüssigkeiten und
Gase und ermöglichen so intelligenten
Geräten die autonome Aufnahme
ihrer Umgebung.

1.3 Vision und Kennzeichen
1.3.1 Ziel und Vision
“The most profound technologies are those
that disappear.“[Wei91] Dieser Satz
kann als Leitsatz der Vision Marc Weisers
betrachtet werden. Damit ist jedoch nicht gemeint
dass die Geräte physisch unsichtbar
werden. Vielmehr soll die Benutzung der Geräte
derart wenig Aufmerksamkeit erfordern,
dass ihre Technologie vom Benutzer nicht
bewußt wahrgenommen wird. Es soll eine
Verschmelzung der Technologie mit dem alltäglichen
Leben stattfinden, bis sie davon
nicht mehr zu unterscheiden ist.
Abbildung 2: Marc Weiser [Wei]
Marc Weiser führt als Beispiel für “verschwindende“
Technologie die Technik des Schreibens
und Lesens an. Die Fähigkeit, Zeichen
zum Abspeichern von Informationen zu verwenden,
ermöglicht es, Wissen langfristig
und unabhängig von der beschränkten Erinnerungsfähigkeit
des Menschen zu speichern.
Heutzutage ist diese Möglichkeit, abgesehen
von Ländern mit hohen Analphabetenquoten,
so selbstverständlich geworden,
daß die Menschen es kaum noch bewußt
wahrnehmen. Der Mensch ist ständig
von irgendwelchen Schriftzeichen umgeben,
sei es Bücher, Straßenschilder oder Werbeplakate.
Die Aufnahme der Information erfolgt
völlig unbewußt und ohne besondere
Anstrengung. Auch wenn es um eine Notiz
geht, im Vordergrund steht der Inhalt dieser
Notiz und nicht die Technik wie die einzel-
1.3 Vision und Kennzeichen
nen Buchstaben zu schreiben sind. So unbewußt
und intuitiv soll nach Marc Weiser
auch die Benutzung von Computern sein. Sie
sollen allgegenwärtig in großer Zahl verfügbar
sein, aber keinerlei Aufmerksamkeit erfordern.
Primär sollen sie nur ihre Aufgaben
erledigen, die dem Benutzer bei seiner Arbeit
helfen. Dabei sollen sie sich vollständig
in die Umwelt integrieren und den Benutzer
nicht von seinen eigentlichen Zielen ablenken.
Ubiquitous Computing hat zum Ziel
computergespeicherte Daten und Informationen
so einfach wie möglich ohne zusätzliche
Belastung zur Verfügung zu stellen. Heutige
Computer entsprechen diesen Anforderungen
in keiner Weise. Die Benutzung ist
kompliziert und erfordert komplexes Wissen
für effizientes Nutzen. Weiterhin sind Computer
keinesfalls in die alltägliche Umgebung
integriert. Sie bilden eine eigene, isolierte
Welt, die mit den normalen Arbeitsvorgängen
nichts zu tun hat. Zwischen der eigentlichen
Arbeit in der realen Welt und der Computerwelt
besteht ein Bruch, den der Benutzer
überwinden muß, indem er mit dem Computer
in einer Fachsprache kommuniziert. Dabei
muß sich der Benutzer dem Computer
anpassen und nicht umgekehrt. Ein weiteres
Hemmnis bei der Benutzung von Computern
ist, dass der Fokus des Benutzers auf
einen einzelnen Bildschirm gerichtet ist. Dadurch
wird der Blick auf die reale Umgebung,
also z.B. die Kollegen, die sich im selben Büro
aufhalten, geschmälert. Ubiquitous Computing
soll diese Probleme in seiner Vision
beheben. Hunderte von miteinander vernetzten
Computern sollen dem Büroarbeiter der
Zukunft unauffällig die Arbeit erleichtern und
nicht schwerer zu benutzen sein als ein Stück
Papier und ein Bleistift.
1.3.2 Kennzeichen von Ubiquitous
Computing
Einbettung [Gel00] Das Prinzip der Einbettung
lässt sich mit einem Satz auf den
Punkt bringen: “Computer in der Welt statt
Welt im Computer“. D.h, das Ziel von Ubiquitous
ist eine mit Informationen angereicherte
7

Ozan Doksöz
Welt zu schaffen und nicht weiterhin in einer
Art Parallelwelt auf Informationen zugreifen
zu müssen. Computer werden als Sekundärartefakt
(so wie Elektromotoren) betrachtet.
Somit ist eine weitere Dezentralisierung der
Computerleistung vom Mainframe zu Smart
Devices nötig. Grundsätzlich unterscheidet
man zwischen physischer und kognitiver Einbettung.
Physische Einbettung: Einbettung elektronischer
Geräte (Haushalt, A/V, Spielzeug,
Auto, etc) in alle Lebensbereiche.
98
Kognitive Einbettung: Die elektronischen
Geräte sollen nicht nur aus den
Augen sondern vor allem aus dem
Sinn verschwinden: Computernutzung,
die sich in alltägliche Abläufe einfügen
lässt.
Vernetzung
8
Vernetzung aller Informations(quellen):
Aus der vergangenen Entwicklung sind
wir daran gewöhnt, dass Computer,
z.B. in Form von Workstations, vernetzt
werden. Heutzutage wird die Vernetzung
aller Geräte (z.B. Auto, Haushalt,
etc.) angestrebt. Das Ziel in Zukunft
sämtliche Gegenstände des alltäglichen
Gebrauchs miteinander verbinden
zu können, soll mit der Forschung
erreicht werden.
Spontane Vernetzung: Es wird eine offene,
verteilte und dynamische Welt angestrebt,
in der sich die Objekte zur
vorübergehenden Zusammenarbeit finden
und sich a priori nicht kennen müssen,
um einander nutzen zu können.
Vernetzung kompensiert Dezentralisierung:
Durch die Vernetzung wird die
Kohärenz in dezentralisierten Systemen
gewahrt. Zusätzlich wird die Disaggregation
ermöglicht, d.h. die Auslagerung
von Komponenten aus zentralisierten
Systemen.
Allgegenwart Die Realisierung des Prinzips
“Anytime, Anywhere Computing“. Die
Mobilität soll einen ortsunabhängigen Zugriff
ermöglichen und die Ubiquität für die Verfügbarkeit
sorgen.
Kontext Der Kontext bzw. der Bezug zur
realen Welt steht im Mittelpunkt der Betrachtung.
Nach Weiser kann ein Computer nur
mit dem Wissen in welcher Umgebung er ist,
sein Verhalten dementsprechend anpassen.
Die Schnittstellen zwischen realer und virtueller
Welt sind herzustellen, den sog. fließenden
Übergang zwischen “der Welt der Atome“
und der “Welt der Bits“. Des weiteren
ist situatives Verhalten anzustreben indem
vom expliziten Dialog zur impliziter Interaktion
übergegangen wird.
Neue Geräte - smart devices Dieser
Punkt stellt ein Hauptmerkmal der Post-
PC Generation dar, nämlich die Diversifikation.
Die Geräte werden für verschiedene
Anwendungen verwendet (“Information
Appliances“). Diversifikation bezüglich Rechenleistung,
Kommunikation, Form- Faktor,
Betriebssystem, User Interface, Schnittstelle
zur realen Welt usw. Bei den Smart Devices
wird also mehr Gewicht auf Interaktion, Kontext
und auf Vernetzung gelegt, weniger auf
den eigenen Funktionsumfang und die eigene
Interaktion.
1.4 Beispiel 1: Wearable Computing
Unter Werable Computer versteht man diejenigen
Computer, deren Systemkomponenten
am Körper getragen werden. Diese Form
von Technik hat das Ziel den Benutzer in seiner
Arbeit zu unterstützen ohne ihn zu einzuschränken
oder zu behindern.
Als konkretes Bespiel soll die Datenbrille unter
den vorher genannten Aspekten näher
betrachtet werden.

Abbildung 3: Datenbrille [Hum99]
Der Einsatz von Displays die direkt vor das
Auge des Benutzers montiert werden, haben
einen großen Vorteil. So können z.B. gerade
benötigte Skizzen von einem Bauteil mittels
Spiegel auf die Brille eines Ingenieurs
projeziert werden ohne dass sein Sichtfeld
beeinträchtigt wird. Mittels einer integrierten
Kamera und einer Auswertung des Bildes
kann das Wearable nützliche Informationen
auf das Display ausgeben und z.B. als Bedienungsanleitung
dienen.
Das Prinzip der Einbettung ist an diesem
Beispiel klar. Die Datenbrille ist sowohl physisch
als auch kognitiv in das Leben, z.B. das
Arbeitsleben eines Ingenieurs, integriert und
unterstützt den Tragenden bei seiner Arbeit
ohne ihn dabei zu hindern. Bei der Vernetzung
ist es von Bedeutung in welchem Maße
die Person lokale Informationen benötigt,
oder inwieweit die Infrastruktur es zuläßt Informationen
z.B. per Funknetz zu holen. z.B.
müßte ein Arbeiter in einem Bergwerk die für
seine Tätigkeit benötigten Informationen mit
sich tragen, während man sich für Büroarbeit
in der Stadt die nötigen Informationen
per Funk holen kann. Allgegenwart und Kontext
sind komplementäre Konzepte. Durch
die Mobilität der Datenbrille wird ortsunabhängiger
Zugriff auf die Informationen ermöglicht
und die Ubiquität der Informationen
sorgt für die Verfügbarkeit. Aus dem Kontext
wird die Person mit den richtigen Informationen,
zum richtigen Zeitpunkt am richtigen
1.5 Beispiel 2: Das intelligente Haus
Ort versorgt. Situatives Verhalten mit impliziter
Interaktion ist hiermit gewährleistet.
Die Anwendungsgebiete von Wearable Computing
sind sehr vielfältig. Die Möglichkeiten
sind nahezu unbegrenzt und lassen noch viel
Platz für Phantasie.
1.5 Beispiel 2: Das intelligente Haus
“Ist die Kaffemaschine aus , der Heizstrahler
an, die Balkontür zu ? Zweifel, die Menschen
bei der Arbeit, im Urlaub oder unterwegs
plagen können“ [Mil02]. Noch sind die
Haushaltsgeräte und -systeme untereinander
nicht kommunikationsfähig. Sie arbeiten
eigenständig und isoliert, ohne Kontakt zu
anderen Geräten. Das Smart-Haus von morgen
sieht vor, alle Geräte und Systeme eines
Haushalts miteinander zu vernetzen, teilweise
zu automatisieren und eine Fernsteuerung
zu ermöglichen.
Funktionsweise Die Vernetzung wird
durch ein hausinternes Netzwerk gewährleistet,
basierend auf leitungsgebundener als
auch drahtloser Technologie mit Anbindung
an externe Netze für die Ausführung und
Überwachung der Geräte innerhalb und ausserhalb
des Hauses. Der Austausch der Daten
und Informationen erfolgt über ein BUS-
System, das individuell angepasst werden
kann.
Abbildung 4: Das intelligente Haus [Zie]
9

Ozan Doksöz
Vorteile Neben Energieeinsparung, Erhöhung
der Sicherheit und des Komforts ist
das Ziel der Smart-Haus-Technik die Ermöglichung
neuer Dienstleistungen. Weiterhin
kann die intelligente Haustechnik älteren
und körperlich behinderten Menschen dabei
helfen, Barrieren im Alltag zu überwinden
und zu einer selbständigen Lebensführung
beitragen.
Sicherheit Smart-Häuser bieten eine Menge
von Möglichkeiten, um die Sicherheit im
eigenen Haus zu erhöhen. Mit dem Telefon
vernetzte Rauchmelder können im Falle
eines Brandes die Feuerwehr alarmieren.
Glasbruchsensoren und Bewegungsmelder
können einen Einbruch registrieren und die
Polizei alarmieren. Simulation der Anwesenheit
während eines Urlaubs oder Überwachung
der Sicherheitsanlage von aussen
sind weitere Möglichkeiten.
Komfort Spielereien und Dinge, die den
Komfort und die Bequemlichkeit erhöhen,
sind ebenfalls in Vielfalt angeboten. Kühlschränke,
die eine schnelle, übersichtliche
und einfache Vorratshaltung ermöglichen
und Einkaufslisten erstellen, oder über das
Internet selbständig die Milch bestellen, oder
einen darauf hinweisen, dass morgen das
Haltbarkeitsdatum der Käse abläuft. Intelligente
Badewannen, die ferngesteuert und
nach persönlichen Vorlieben eingestellt werden
können. Ein intelligenter Badezimmerspiegel
mit eingebautem Display für Frühstücksfernsehen
oder Börsenkurse kann das
Körpergewicht überprüfen und als Gedächtnisstütze
dienen, in dem es an die Einnahme
von Medikamenten erinnert. Waschmaschinen,
die bei Defekten automatisch den
Installateur kontaktieren oder per SMS melden,
dass der Waschvorgang beendet ist. Eine
Raumsensorik im Wohnzimmer erkennt
Personen und reguliert Raumklima und Licht
den Wünschen entsprechend.
10
Ökologische Aspekte Funktionen zum
Energiesparen ist ein wichtiger Schwerpunkt
in den intelligenten Häusern. So können
Heizungs- und Belüftungssysteme optimal
aufeinander abgestimmt werden [Erk99].
Heizkörper werden in Räumen abgeschaltet,
in denen die Fenster geöffnet sind, oder das
Licht in Räumen, in denen sich niemand aufhält,
ausgeschaltet. Sensoren zur Messung
der Temperatur, Feuchtigkeit und Luftqualität
öffnen und schliessen die Fenster automatisch.
Beim Verlassen des Hauses wird die
Heizung reduziert und bei einem Gewitter
macht sich das Haus wetterfest.
Die genannten Beispiele beschreiben Möglichkeiten
wie ein Haus der Zukunft aussehen
könnte. Viele weitere Beispiele ließen
sich diesen noch anfügen. An der Vision
vom intelligenten Haus wird bereits geforscht
und experimentiert. Pilothäuser sind
in USA, Japan, Holland, Schweiz, Schweden
und Deutschland in Betrieb [woh].
Die Frage, ob so etwas notwendig ist, stellt
sich immer wieder. Nach anfänglicher Skepsis
und Kritik werden zukünftige Entwicklungen
und Technologien, so wie bei der Erfindung
der Eisenbahn oder Waschmaschine
oder des Handys, nach und nach akzeptiert
und in das tägliche Leben integriert .
Situation- und Location Awareness sind Begriffe,
an die sich zukünftige Produkte halten
müssen, d.h. sie müssen erkennen können,
“wo sie sind, wer sie sind und mit wem
sie es zu tun haben“ [Ehr01]. Anforderungen
wie eigenständige Konfiguration, Überwachung
und Fehlertoleranz je nach Situation
sind zu erfüllen.
1.6 Ausblick und kritische Würdigung
Der Trend zeigt eindeutig in Richtung einer
weiteren Informatisierung der Welt - beispielsweise
durch die Einbettung von immer
mehr Prozessoren in Alltagsdinge und
durch den zunehmenden Anschluss von allerlei
Geräten an das Internet. Ubiquitous
Computing ist ein Konzept, daß den Menschen
in den Mittelpunkt stellt. Nicht die

technische Machbarkeit soll bei der Entwicklung
von elektronischen Geräten ausschlaggebend
sein, sondern der Nutzen für den Anwender.
Solche Geräte sollen sich auf diejenigen
Funktionen beschränken, die der Benutzer
auch tatsächlich braucht und nicht alles
können, was technisch gerade möglich
ist. Dadurch soll eine leichtere Bedienung ermöglicht
werden. Weiterhin sollen die Geräte
in den normalen Arbeitsablauf integriert sein,
so daß der Benutzer nicht durch das Gerät
von seiner eigentlichen Arbeit abgelenkt
wird. Durch solche Entwicklungen kann die
Effizienz der Arbeit und die Akzeptanz der
Benutzer sicherlich deutlich gesteigert werden.
In dieser Hinsicht ist eine Entwicklung in
die Richtung, die Marc Weiser aufzeigt, sehr
begrüßenswert. Es gibt aber auch eine Reihe
von Gefahren, die eine solche Entwicklung
mit sich bringt. Zum einen ist das Problem
des Datenschutzes zu nennen. Die Speicherung
einer Vielzahl von sensiblen Daten einer
Person birgt immer das Potential, daß diese
Daten mißbraucht werden. Da das Ubiquitous
Computing das Ziel verfolgt, Systeme
zu bauen, die möglichst intuitiv nutzbar
sind, wird der Benutzer sich nicht mit komplizierten
Authentifizierungs- und Verschlüsselungsoperationen
herumschlagen wollen.
Trotzdem muß auf irgendeine Art die Datensicherheit
gewährleistet werden. Solange
dieses Problem nicht gelöst ist, muß die Entwicklung
von ubiquitären Systemen immer
auch kritisch betrachtet werden. Eine weite-
Literatur
re Gefahr ist die zunehmende Abhängigkeit
von Computern. Zum Einen steigt diese Abhängigkeit
schon allein wegen der größeren
Anzahl von Computern. Wenn in einem Veranstaltungsraum
keine herkömmlichen Tafeln,
sondern nur noch elektronische Boards
verwendet werden, ist der Raum bei einem
eventuellen Stromausfall nicht mehr zu gebrauchen.
Eine normale Tafel dagegen kann
unter fast jeden Umständen verwendet werden.
Genauso verhält es sich mit allen anderen
Gegenständen, die im Ubiquitous Computing
durch Computer ersetzt werden sollen.
Zusätzlich erhöht aber auch die Idee des
Ubiquitous Computing an sich die Abhängigkeit.
Je weniger Wissen und Können die Verwendung
eines elektronischen Geräts erfordert,
desto weniger wird der Nutzer auch im
Falle eines Fehlers die Ursache herausfinden
können. Ein weiters Problem, das von Marc
Weiser überhaupt nicht angesprochen wird,
ist die Umweltbelastung durch eine wachsende
Anzahl elektronischer Geräte. Schon
heute stellt die Zunahme von Elektroschrott,
der giftige Schwermetalle enthält und eigentlich
gesondert recycelt und entsorgt werden
muß, ein großes Problem dar. Die Entwicklung
von billigen und kleinen Geräten, die zu
Hunderten und Tausenden in Einsatz kommen
sollen, wird dieses Problem wesentlich
verstärken. Trotzdem ist Marc Weisers Konzept
ein beachtenswerter Ansatz, der wesentliche
Verbesserungen in der Computertechnologie
bringen kann.
[Dan97] Alan Daniels: Ubiquitous Computing. http://www.cc.gatech.edu/
classes/cs6751_97_fall/projects/gacha/daniels% _essay.html,
1997.
[DP01] Bernd Skiera Donovan Pfaff: Ubiquitous computing - abgrenzung,merkmale
und auswirkungen aus betriebswirtschaftlicher sicht. In Wirtschaftsinformatik:
Der Mensch im Netz-Ubiquitous Computing,4. Liechtensteinisches
Wirtschaftsinformatik-Symposium an der Fachhochschule Liechtenstein. Britzelmaier
Bernd, Geberl Stephan, Weinmann Siegfried (Hrsg.), 2001.
11

Literatur
[Ehr01] Reichl Ehret, Pelka: Mikroelektronik gestaltet die Zukunft. http://www.izm.
fhg.de/vue/pdf/strategie.pdf, 2001.
[Erk99] Thomas Erkert: TeleCare und Intelligentes Haus - Intelligente Technik für die Pflege
und den Haushalt. http://www.bagso.de/715/9904_3_04.htm, 1999.
[Gel00] Hans W. Gellersen: Ubiquitous Computing - Vorlesung im WS 00/01. http://
www.teco.edu/lehre/ubiqws0001/skript/01.pdf, 2000.
[Heu01] Markus Heurung: PC Konfektion. http://homepages.fh-giessen.de/~
hg10013/Lehre/MMS/WS0102/pc-konfektion% /text.htm, 2001.
[Hum99] Simone Humml: Forscher drehten das Weltbild um. http://rhein-zeitung.
de/on/99/07/06/topnews/weltbild.html, 1999.
[Kne00] Daniel Knebel: Mikrosystemanwendungen. http://www.rs.uni-siegen.de/
Lehre/seminarmaterialien/MST-Seminar_SS200% 0/Ausarbeitung_
Knebel.pdf, 2000.
[Mat01a] Friedemann Mattern: Allgegenwärtigkeit des computers? datenschutz in einer welt
intelligenter alltagsdinge. In Sicherheitskonzepte für das Internet. G. Müller, M.
Reichenbach (Hrsg.), 2001.
[Mat01b] Friedemann Mattern: Pervasive/Ubiquitous Computing. Informatik Spektrum,
6/2001, S. 147.
[Mat02a] Friedemann Mattern: Ubiquitous computing: Der trend zur informatisierung und
vernetzung aller dinge. In Mobile Internet,Tagungsband 6. Deutscher Internet-
Kongress. Gerhard Rossbach (Hrsg.), 2002.
[Mat02b] Friedemann Mattern: Ubiquitous computing: Szenarien einer informatisierten welt.
In E-Merging Media - Digitalisierung der Medienwirtschaft. A. Zerdick, A.Picot, K.
Schrape, J.-C. Burgelman, R. Silverstone (Hrsg.), 2002.
[Mil02] Franz Miller: Vernetzt und smart: Vom Kühlschrank bis zur Badewanne. http://
www.bauelite.de/deutsch/news/newsdata_id191.html, 2002.
[Mio00] Paul Miotti: Geschichte des Ubquitous Computing und wegweisende Projekte.
http://www.inf.ethz.ch/vs/edu/SS2000/UC/papers/Miotti.
html, 2000.
[Wei] Marc Weiser: http://www.ubiq.com/hypertext/weiser/weiser.html.
[Wei91] Marc Weiser: The Computer for the 21st Century. Scientific American,
265(3)/1991, S. 94–104.
[woh] wohnseiten.de: InHaus: Innovationszentrum -Intelligentes Haus Duisburg-. http:
//www.wohnseiten.de/inhaus.html.
[Zie] Augusta Ziegelbau: Der zukunftsweisende Trend in der Gebäudesystemtechnik.
http://augusta-ziegelbau.de/bus/bus01.html.
12

2 UI Patterns
Zusammenfassung
Bei der Erstellung von immer komplexeren
Anwendungen mit einer wachsenden
Zahl an Anforderungen ist der Einsatz
von Patterns in nahezu allen Abschnitten
des Entwicklungsprozesses ein bewährtes
Hilfsmitel. Die folgende Ausarbeitung
geht jedoch nicht nur auf den Begriff eines
einzelnen Patterns ein, sondern soll
verdeutlichen, wie man durch die Hintereinanderanwendung
mehrer, zueinander
im Bezug stehender Patterns zur
Komplettlösung eines gesamten Systems
gelangen kann. Dabei wird erläutert, in
welcher Weise eine Patternsprache als
alleiniges Hilfsmittel Lösungen für Systeme
bereitstellt, die auf verschiedenen
Plattformen und in unterschiedlichen
Hardware- und Verwendungsumgebungen
lauffähig sind. Da aufgrund der
weit gefächerten Verwendung von Patterns
ein Vielzahl variierender Formen,
Formate und Verwendungszwecke besteht,
soll hier versucht werden einen groben
Einblick in die grundlegenden Eigenschaften
der Patterns zu geben und deren
mögliche Verwendung in der Praxis illustrieren.
2.1 UI Patterns - Grundlagen
2.1.1 Einleitung
Patterns sind in der Softwareentwicklung vor
allem im objektorientierten Bereich, ein bedeutendes
Thema. Es handelt sich hierbei
um eine Beschreibung von bewährten Lösungsstrategien
zu wiederholt auftretenden
Problemen. Die Ursprünge dieser Lösungsmuster
sind in der Architektur zu finden. Auch
hier werden sie, wie auch in vielen anderen
Vera Pfeiffer
vera.pfeiffer@informatik.uni-ulm.de
Berufszweigen, zur Weitergabe von Erfahrungen
immer noch erfolgreich verwendet.
Für jede Wissenschaft oder Entwicklungsdisziplin
ist ein gemeinsames Vokabular von
großer Bedeutung. Ein Ziel der Patterns
liegt darin, durch eine gemeinsame Sprache
Kommunikationsprobleme zwischen Designern,
Programmierern und Planern zu lösen,
die alle aus unterschiedlichen Bereichen
kommen.
Durch die leicht verständliche Beschreibung
eines allgemeinen Lösungsmusters können
Algorithmen, Quellcode und ganze Module
auch in weiteren Projekten wiederverwendet
werden und dadurch die Komplexität von Anwendungen
deutlich reduzieren. Damit eine
solche Ansammlung von einzelnen Lösungen
die Grundlage für eine Kommunikation
darstellen kann, muss eine gewisse Vollständigkeit
vorausgesetzt werden. Dies bedeutet,
dass jedes Pattern eine Teillösung eines
großen Ganzen darstellt und es für jedes
Teilproblem ein dazu passendes Pattern
geben sollte. Ein Pattern wird nicht isoliert
betrachtet, sondern ist in eine hierarchische
Struktur eingebettet, die es ermöglicht, ein
komplexes Netzwerk auf der Basis von Patterns
zu schaffen. Sind diese Voraussetzungen
erfüllt, spricht man von einer Patternsprache.
2.1.2 Historie
Die derzeitige Bedeutung des Begriffs Patterns
stammt aus den Schriften von Christopher
Alexander, der verschiedene Bücher
über Städteplanung und Architektur veröffentlichte.
Er war der Meinung, dass die derzeitig
entworfenen Bauten nicht die Ansprüche
und Anforderungen der Menschen und
der Gesellschaft erfüllen und ihrer Hauptaufgabe,
der Verbessserung der Lebensbe-
13

Vera Pfeiffer
dingungen, nicht gerecht werden. Er fordert,
dass Architekten anstreben sollen, mit ihren
Arbeiten die Lebensqualität der Bewohner zu
verbessern. Diese Forderung setzt sich aus
drei Konzepten zusammen: the quality, the
gate and the way.
Mit Qualität meint Alexander alle wesentlichen
Bedürfnisse, deren Erfüllung dem Leben
Qualität verleihen, wie z.B. Frieden, Harmonie
und Offenheit. Unter ”gate” versteht
er den Mechanismus, der es ermöglicht, diese
Qualität zu erreichen. Dahinter verbirgt
sich eine Ansammlung verschiedener Patterns,
die es erlaubt, verschiedene Designs
zu schaffen, die all die unterschiedlichen Ansprüche
erfüllen. Die Benutzung des ”ways”
meint die Anwendung der Patterns, welche
im ”gate” erläutert werden. Durch eine lebendige
gemeinsame Patternsprache, welche
die einzelnen Patterns miteinander in
Beziehung setzt und untereinander verlinkt,
soll eine allmählich anwachsenden Problemlösung
möglich sein, bis am Ende die Qualität
erreicht ist. [App00]
Dazu gehört auch, dass sich der Entwurf eines
Städtebauelements nach seiner Verwendung
richten sollte und deshalb die Patterns
nicht von Architekten, sondern von Bewohnern
in einer allgemein verständlichen Sprache
geschrieben werden sollten. Ein erstes
Experiment zur Verwendung von Patterns in
der Softwaretechnik führten 1987 Ward Cunningham
und Kent Beck durch. Sie versuchten
eine Smalltalk-Oberfläche zu entwerfen
ohne Smalltalk zu beherrschen.
Das große Vorbildwerk über Patterns in der
Softwaretechnik veröffentlichte 1995 die sogenannte
”Gang of Four”. Das Buch ”Design-
Patterns - Elements of Reusable Object-
Oriented Software” der vier Programmierer
Helm, Johnson, Gamma und Vlissedes ist eine
Sammlung von Patterns für objektorientiertes
Design. Da sie jedoch zur Beschreibung
nur Diagramme und Skizzen verwendeten,
entsprechen diese nicht Alexanders Anforderungen
für einen ausformulierten, leicht
verständlichen Aufbau. Trotz einer übersicht-
1 Zitat von Christopher Alexander
14
lichen Gliederung der Patterns nach ihrem
Verhalten, dem Aufbau und ihrer Struktur, ist
diese Sammlung nicht vollständig und stellt
deshalb keine komplette Patternsprache dar.
Heute gibt es zahlreiche sehr unterschiedliche
Patternsprachen, bei denen sich einige
eher der Form Alexanders anpassen und
andere wiederum die strukturelle Darstellung
der GoF bevorzugen.
Auf verschiedenen Kongressen, der bekannteste
ist wohl die sogenannte Hillside Group,
findet eine intensive Kommunikation und Diskussion
statt, welche die Bedeutung von Patterns
immer stärker verdeutlicht.
2.1.3 Definition
Each pattern is a three-part rule, which expresses
a relation between a certain context,
a problem and a solution. 1 ,
Laut Alexander ist jedes Pattern eine dreiteilige
Regel, die eine Beziehung zwischen
einem in einem bestimmten Zusammenhang
auftretenden Problem und der zugehörigen
Lösung verdeutlicht. Doch warum sagt er
nicht einfach: Ein Pattern ist eine Lösung eines
Problems in einem bestimmten Zusammenhang?
Ein Pattern ist nicht nur eine Instruktion allein,
sondern muss auch in einen bestimmten
Ablauf eingeordnet sein. Es handelt sich
also um eine Regel, die sowohl erklärt, wie
man ein bestimmtes Ding erzeugt, als auch
angibt, wann man es erzeugen muss.
Dieses Konzept Alexanders ist nicht einfach
zu verstehen, nicht umsonst verfasste er ein
500 Seiten umfassendes Buch über diese
Thematik. Seine Definition erläutert er noch
genauer, indem er ein Pattern als eine Element
in der Welt beschreibt, das eine Beziehung
zwischen einem Zustand und einem
System aus verschiedenen Kräften herstellt,
die in diesem Zusammenhang wiederholt
auftreten. Zu dieser Beziehung existiert
dann eine räumliche Anordnung, d.h eine Lösung,
welche die wirkenden Kräfte gegenseitigt
auflöst. Entscheidend ist dabei die Pro-

lemumgebung sowohl vor als auch nach der
Lösung. [JO02]
Konkret heißt dies, dass ein Pattern nicht nur
eine Lösung zu einer bestimmten Problemstellung
innerhalb eines größeren Projektes
ist, sondern auch gleichzeitig Verweise auf
nachfolgende Patterns gibt und seinerseits
auch aus der Anwendung eines ihm übergeordneten
Patterns zur Anwendung kommt.
Die zwei größten und auch bekanntesten
Patternsprachen für User Interfaces ist die
”Common Ground”- Sammlung von Jennifer
Tidwell und die Patterns von Martijn van Welie.
Für Martijn van Welie sind Patterns ein
Weg um alle Möglichkeiten einer guten User
Interface Entwicklung festzuhalten, die er in
seiner täglichen Arbeit als Webdesigner angesammelt
hat. Jennifer Tidwell dagegen beschreibt
Patterns als mögliche gute Lösungen
zu einem allgemeinen Designproblem in
einem bestimmten Zusammenhang. Sie beschreibt
die unveränderbaren Eigenschaften
eines Problems um eine Allgemeingültigkeit
der Lösungen zu erreichen.
Patterns sind eine allgemeine Anleitung in einem
Format, dass verständlich und für jedermann
leicht zu lesen ist. Sie übermitteln Wissen
über gutes Design.
Patterns sind:
[App02]
wiederverwendbare Lösungen zu allgemeinen
Problemen
abhängig vom Zusammenhang, in welchem
das zu lösende Problem auftritt
”alte Hüte” für erfahrene Experten
eine textuelle Form um die besten Vorgehensweisen
festzuhalten
ein gemeinsames Vokabular zur Diskussion
Patterns sind nicht
nur für Software- oder Objektorientiertes
Design geeignet
[App02]
2.1 UI Patterns - Grundlagen
ungetestete Ideen und Theorien von
neuen Erfindungen
Lösungen, die nur einmal funktioniert
haben oder nur einmal angewendet
wurden
abstrakte Heurismen und Prinzipien
universelle Anwendungsvorschläge innerhalb
jedes Zusammenhangs
Was ist ein gutes Interface und was sind
gute Patterns ?
Patterns sollen nach der Definition von Christopher
Alexander nicht die Probleme der Architekten
oder Entwickler, sondern die der
Anwender lösen.
Die drei Erfolgsfaktoren für gutes Interfacedesign
verbergen sich hinter den drei Begriffen
”Visibility”, ”Affordances” und ”Constraints”.
Der Benutzer sollte auf den ersten
Blick erfassen können, was man im System
alles steuern kann und wie man dabei vorzugehen
hat. Durch sogenannte ”Affordances”
soll gezeigt werden, wie das System
zu benutzen ist. Hierbei sollen ”Constraints”
helfen, welche die Bedienungsmöglichkeiten
reduzieren. Patterns beschreiben also nach
der Definition Alexanders die Möglichkeiten
diese drei Faktoren umzusetzten. Hierbei soll
die Beschreibung jedoch auf das ”was” und
nicht auf das ”wie”, d.h. auf die technische
Umsetzung ausgerichtet sein. Dennoch gibt
es zahlreiche Patternsammlungen und Sprachen,
die gegen die Forderung nach einer allgemeingültigen,
auf den Benutzer ausgerichtete
Beschreibung verstoßen und Lösungsstrategien
für spezielle Techniken und Anwendungsbereiche
geben.
2.1.4 Bestandteile
Trotz einer inzwischen sehr großen Anzahl
verschiedener Patternsprachen gibt es kein
eindeutiges und einheitlich gültiges Format.
15

Vera Pfeiffer
Alexander definierte eine dreiteilige Regel,
die er später um Bilder und Beispiele erweiterte.
Auf diese Beschreibung baut die sogenannte
”Kanonische Form” auf, die mit kleinen
Veränderungen heute von den meisten
Patternautoren benutzt wird. Bei dieser Form
sollten all die folgenden wesentlichen Elemente
in einem Pattern klar wiederzuerkennen
sein:
16
1. Name: Ein Pattern sollte eine kurze
selbsterklärende Bezeichnung für das
beschriebene Konzept haben. Die Namen
der Patterns formen das Vokabular
des Designerteams.
2. Problem: Die konkrete Problemstellung
und Absicht soll erläutert werden, d.h
die Ziele, die man in einem bestimmten
Zusammenhang innerhalb verschiedener
Kräfte erreichen möchte. Hierbei
wirken die verschiedenen Kräfte meist
gegeneinander und auch entgegen die
gewünschte Zielsetzung.
3. Kontext: Um die Anwendbarkeit des
Patterns sicherzustellen, müssen die
Vorbedingungen dargestellt werden
unter denen das Problem und seine
Lösung wiederkehren und die für die
Lösung wünschenswert sind.
4. Kräfte: Eine Beschreibung der bedeutenden
Konflikte und Beschränkungen
und ihre wechselseitigen Wirkungen
aufeinander, auch im Bezug auf die
Ziele, die man erreichen möchte. Ebenso
können hier unterschiedliche Prioritäten
auf die einzelnen Konflikte und
Gegebenheiten vergeben werden. Für
eine Motivation zur Anwendung des
Patterns wird hier auch oft schon, dem
Beispiel vorweggreifend, ein konkretes
Scenario beschrieben. Die Komplikationen
eines Problems müssen aufgedeckt
und alle möglichen Kompromisse,
die in der Gegenwart zur Aufhebung
der Spannung zu bewerkstelligen
sind, müssen definiert werden.
5. Lösung: Statisch definierte Beziehungen
und dynamisch beschriebene Regeln,
die es ermöglichen, das gewünschte
Ergebnis zu erzielen. Die
Beschreibung sollte Bilder, Diagramme
und Text umfassen, welche die Struktur
des Patterns, die vorkommenden
Teilnehmer und deren Zusammenspiel
identifizieren. Es soll nicht nur eine statische
Strukturbeschreibung, sondern
ebenso ein dynamisches Verhaltenskonzept
verdeutlicht werden.
6. Beispiele: Durch mehrere Anwendungsbeispiele
des Patterns soll der
spezifische Zusammenhang und die
richtige Einordnung des Pattern zur
Konstruktion einer Gesamtlösung verdeutlicht
werden. Bewährte Anwendungen
zu existierenden Lösungen verdeutlichen
den Gebrauch und die Anwendbarkeit.
7. Konsequenzen: Hier wird nun der Zustand
der Problemstellung nach der
Anwendung des Patterns beschrieben
und sowohl die guten als auch die
schlechten Konsequenzen und Probleme
dargestellt, welche in dem neu entstandenem
Zusammenhang nun auftreten
könnten, d.h. die Nachbedingungen
und Seiteneffekte. Auch sollte
genannt werden, welche der Konflikte
sich gelöst haben und welche immer
noch bestehen. Dies hilft den resultierenden
Zusammenhang aus der Anwendung
eines Patterns in Beziehung
zu einer Anfangssituation eines anderen
Patterns zu setzten, da ein Pattern
oft nur ein einzelner Schritt in der Bewerkstelligung
eines großen Projektes
ist.
8. Einordnung: Eine Rechtfertigung der
Schritte und Regeln des Patterns und
seine Einordnung im kompletten Umfeld,
um zu sehen, wie und warum alles
so funktioniert. Es wird das Zusammenspiel
der Konflikte erklärt und
verdeutlicht, wie die erreichte Harmonie
erzeugt wurde. Während im Lö-

sungsteil die nach außen sichtbare
Struktur und das Verhalten beschrieben
wird, folgt in diesem Teil die Darstellung
des eigentlichen Schlüsselmechanismus,
der alles bewirkt.
9. Verwandte Patterns: Hier geht es um
die statischen und dynamischen Zusammenhänge
zwischen diesem einzelnen
Pattern und den anderen in der
gesamten Patternsprache. In verwandten
Pattern wirken oft die gleichen Kräfte
und bestehen ähnliche Konflikte. Sie
haben oft Anfangs- oder Folgezustände,
die auf Anfangs- oder Endzusammenhänge
von anderen Patterns passen.
Die Anwendung eines Patterns
führt zur Anwendung eines ihm verwandten.
10. Bekannte Verwendungen: Durch das
Aufzeigen der Verwendung des Patterns
in existierenden Systemen soll
bestätigt werden, dass es sich gewiss
um eine geprüfte Lösung zu eiem wiederkehrenden
Problem handelt. Dieser
Teil kann jedoch auch schon im Beispielteil
mit abgedeckt werden.
[App00]
Nicht alle diese Teile müssen in einer Patternbeschreibung
explizit auf diese Art erklärt
sein. Es muss jedoch, um die Anforderungen
Alexanders an ein Patternformat
zu erfüllen, ein Kontext-Problem-Lösungs-
Schema erkennbar sein, welches die oben
genannten Teile implizit enthält.
Neben dieser textuell beschreibenden Form
verwenden viele Autoren auch ein mehr
strukturierteres Format. Da dieses auf die
”GoF” (Gang of Four) zurückzuführen ist,
wird es auch ”GoF Format” genannt. Diese
Autoren verzichteten komplett auf eine textuelle
Beschreibung und verwendeten weitestgehend
Struktur- und Flußdiagramme.
Die erste größere Zusammenfassung von
User Interface Patterns, die Gommon
Ground von Jenifer Tidwell, hält sich im Aufbau
der Patterns stark an die gewünschten
2.1 UI Patterns - Grundlagen
Vorgaben von Alexander. Welie dagegen verwendet
eine Kombination der Definitionen
von Alexander und den Ansätzen der ”GoF”.
Dies ermöglicht, durch Skizzen und Beispiele
schneller den Inhalt eines Patterns zu erkennen
und festzustellen, ob es das ist, wonach
man sucht.
Pattern von Jenifer Tidwell
Step-by-Step Instructions
Examples:
Wizards
Installation instructions for all kinds of
appliances, software, etc.
Recipes
Context: A user needs to perform a complex
task, with limited time, knowledge, attention,
or space. Alternatively, the nature of the
task is step-by-step, and it’s meaningless to
show all the action possibilities at once. Problem:
How can the artifact unfold the possible
actions to the user in a way that does not
overwhelm or confuse them, but instead guides
them to a successful task completion?
Forces:
The user doesn’t always want, or need,
to understand all the details of what
they are doing.
A user presented with a bunch of possible
actions, in no prescribed order, may
not have any practical way to figure out
what to do first, second, etc.
A user who is afraid of doing something
wrong may prefer that the actions they
have to perform be explicitly spelled out
for them.
The whole task can’t be performed entirely
automatically, because it requires
choices or information from the user.
17

Vera Pfeiffer
Solution: Walk the user through the task one
step at a time, giving very clear instructions
at each step. Use visual similarities in
all the steps, e.g. typography and layout, to
maintain a rhythm throughout the task; make
each step a focal point, both visually and
in the user’s ”attention space.” If information
is needed from the user, ask for it in simple
terms and with brevity; by keeping it short,
you can better maintain the user’s sense of
flow through the whole step-by-step process.
The task may branch like a flow chart, depending
upon what information the user gives
it, but the user doesn’t necessarily need
to know about all the available paths through
the task. If it’s not likely to confuse the
user, show the steps as a Map of Navigable
Spaces. If possible, allow the user to back out
of the steps (Go Back One Step, Go Back
to a Safe Place). If the sequence of steps
as seen by the user is too long – more than
ten steps, for example – try to break it up into
manageable sub-sequences, so it doesn’t
get too tedious for the user. Make sure the
sub-sequences relate to each other in a meaningful
way, however, or the user may see it
as gratuitous or annoying. Sometimes users
may want to know more about what they’re
doing – Optional Detail On Demand gives
you a way to present that extra information.
Also, if a user has gone through a lot of steps,
they have trouble remembering what they’ve
done and why. At least provide a Progress Indicator
if the number of steps grows beyond
seven or eight, which is the average limit of
short-term memory. If a lot of user interaction
is necessary, such as for branching decisions,
consider providing an Interaction History.
Resulting Context: Narrative is a good choice
for presenting the task steps themselves;
the use of natural language to describe what
needs to be done is intuitively obvious, and
puts a user at ease. Go Back One Step and
Go Back to a Safe Place, along with a corresponding
Forward control, can be used to
move through an interactive task. To get information
from the user, you can use a Form
or its simpler component patterns, especi-
18
ally Choice from a Small Set and Forgiving
Text Entry. Using Good Defaults with them
allows the user to move smoothly past the
points where extra data entry is unnecessary,
again preserving the sense of flow. Finally,
a small set of Convenient Environment Actions
should give the user ways to cancel or
suspend the task without having to back out
of it one step at a time.
Notes: Be aware that this pattern may irritate
experienced users. If a user knows exactly
what they need to do, and want to do it quickly,
constraint to this step-by-step presentation
can feel like a straitjacket! Also, if the task to
be accomplished isn’t inherently linear – i.e.
you don’t really have to do one step first, another
step second, etc. – you might provide an
alternative ”random access” presentation of
the possible actions, such as a Stack of Working
Surfaces.
[Tid99a]
Pattern von Martijn van Welie
Wizard
Problem: The user wants to achieve a single
goal but several decisions need to be made
before the goal can be achieved completely,
which may not be know to the user Principle
User Guidance (Visibility) Context A nonexpert
user needs to perform an infrequent
complex task consisting of several subtasks
where decisions need to be made in each
subtask. The number of subtasks must be
small e.g. typically between 3 and 10.
Forces:
The user wants to reach the overall
goal but may not be familiar or interested
in the steps that need to be performed.
The task can be ordered but are not
always independent of each other i.e.
a certain task may need to be finished
before the next task can be done.
To reach the goal several steps need to
be taken but the exact steps required

may vary because of decisions made
in previous steps.
Solution; Take the user through the entire
task one step at the time. Let the user step
through the tasks and show which steps exist
and which have been completed. When the
complex task is started, the user is informed
about the goal that will be achieved and
the fact that several decisions are needed.
The user can go to the next task by using
a navigation widget (for example a button).
If the user cannot start the next task before
completing the current one, feedback is
provided indicating the user cannot proceed
before completion (for example by disabling
a navigation widget). The user is also able
to revise a decision by navigating back to a
previous task. The users are given feedback
about the purpose of each task and the users
can see at all times where they are in the sequence
and which steps are part of the sequence.
When the complex task is completed,
feedback is provided to show the user
that the tasks have been completed and optionally
results have been processed. Users
that know the default options can immediately
use a shortcut that allows all the steps
to be done in one action. At any point in the
sequence it is possible to abort the task by
choosing the visible exit. Rationale The navigation
buttons suggest the users that they
are navigating a path with steps. Each task
is presented in a consistent fashion enforcing
the idea that several steps are taken.
The task sequence informs the user at once
which steps will need to be taken and where
the user currently is. The learnability and
memorability of the task are improved but it
may have a negative effect of the performance
time of the task. When users are forced to
follow the order of tasks, users are less likely
to miss important things and will hence make
fewer errors.
Examples:
2.1 UI Patterns - Grundlagen
Abbildung 5: Lösungsbeispiel von Martijn
van Welie
This example is taken from the KLM web site
where you can buy tickets online.
Known Uses: www.klm.nl; www.amazon.com
(the checkout process)
[vW01a]
2.1.5 Patternarten
In der Softwaretechnik existieren heute Patternsammlungen
und Patternsprachen zu
nahezu allen Aspekten. Neben Patterns zur
Analyse und Organisation beschreiben zum
Beispiel ”Process Patterns” einen komplexen
Entwicklungsprozess und erleichtern damit
die Aufgaben des Managements. Diese sind
als die oberste ”Meta-Collection” der Patterns
in der Softwaretechnik anzusehen.
Da es immer häufiger der Fall ist, dass gute
Systeme aufgrund einer schlechten Benutzeroberfläche
keinen Anklang finden, rückt
auch die Bedeutung einer weiteren Gruppe,
den ”Usability Patterns” immer stärker in den
Vordergrund. Designer vernachlässigen in
der Gestaltung häufig den Aspekt ”feel” und
konzentrieren sich oft nur auf das ”look”, d.h.
der Gestaltung. Da Usability praktisch als
Input für gutes Design dienen sollte und die
Evaluation von Prototypen nicht genug ist um
Benutzerfreundlichkeit zu garantieren, sind
nun auch für diesen Bereich einige Sammlungen
entstanden. Hierzu zählen zum einen
die ”Patterns of Tasks”. Sie beschreiben alle
Tätigkeiten des Anwenders auf dem User Interface
und geben damit eine Einsicht in die
volle Funktionalität des Programms. Diese
19

Vera Pfeiffer
Patterns bilden ein mächtiges Kommunikationstool
für Anwender und Entwickler.
Daneben gibt es zahlreiche weitere, wie die
”Patterns of Entire Systems” zur Klassifizierung
von ganzen Systemen nach Usability
Attributen, externen Faktoren oder nach der
Aufgabe des Systems.
Die wohl wichtigsten Patterns in der Collection
der ”Usability Patterns” sind die ”Patterns
of Users”. Durch deren Kategorisierung der
User nach bestimmten Gesichtspunkten, wie
z.B. Computererfahrung oder Alter, werden
dem Entwickler spezielle Designvorschläge
angeboten, die an bestimmte Benutzergruppen
angepasst werden können.
Beispiel eines Pattern of Users
Name: Intermediate User, Domain Expert
Context: Any System where a domain expert
is likely to use the system long enough to make
the transition from novice to intermediate.
Forces: Software should provide substantial
assistance to novices, but these features
can distract, obstruct, or irritate users as they
become more fluent. Solution: The intermediate
user is comfortable with working in the
regular environment. Dialogues with ”Don’t
ask me again” checkboxes and other mechanisms
should be used to help the user
customize their environment without having
to enter specialised modes. [Boh02]
Die Patterngruppe, die sich in der Softwaregesellschaft
jedoch am stärksten herauskristallisiert,
sind die Design Patterns. Im Buch
der GoF werden diese als ”Beschreibung
miteinander kommunizierender Objekte oder
Subsysteme beschrieben, die ein allgemeines
Designproblem in einem speziellen Zusammenhang
lösen sollen”. Sie benennen,
abstrahieren und identifizieren die Schlüsselaspekte
einer Struktur und ermöglichen damit
die Wiederverwendbarkeit des Designs.
Die Patterns definieren alle beteiligten Subsysteme,
beschreiben, wann diese zur Anwendung
kommen sollten und wie sie mit den
anderen in Verbindung stehen. Daneben geben
sie auch ein Beispiel für eine mögliche
20
Implementation. Der Begriff ”Design Pattern”
wird jedoch häufig für jedes Pattern verwendet,
das mit Softwarearchitektur, Design oder
Implementation zu tun hat. Da diese jedoch
in ihrem Abstaktionsgrad und ihrer Detailgenauigkeit
sehr stark variieren, sollte man sie
in die Gruppen ”Architectural or Conceptional
Patterns”, ”Design Patterns” und ”Idioms”
(d.h. Programming Patterns) kategorisieren.
Architektur- oder Konzeptionspatterns beschreiben
die fundamentale, strukturelle Organisation
eines Softwaresystems. Sie definieren
Subsysteme und deren Zusammenhänge
und enthalten Regeln und Guidelines
um deren Beziehungen zu organisieren. Diese
Patterns sind Strategien zur Konzeption
der höchsten Ebene, sie zeigen die globalen
Fähigkeiten und Mechanismen eines Systems.
Die zweite Stufe bilden konkret die
”Design Patterns”. Sie stellen Lösungen für
die jeweiligen kleineren Subsysteme zur Verfügung
und beschreiben allgemeine wiederkehrende
Strukturen von miteinander kommunizierenden
Komponenten. Sie definieren
die Mikroarchitektur, aber beeinflussen nicht
die übergeordnete Systemstruktur.
Idiome, bzw. Implementations Patterns bilden
die unterste Abstraktionsebene. Sie beschreiben,
wie man die einzelnen Aspekte
der Komponenten und ihre Beziehungen
mit den gegebenen Möglichkeiten einer bestimmten
Programmiersprache am geeignetsten
umsetzten kann. [App00]
2.1.6 Patternsprache
Ein einzelnes Pattern allein ist jedoch noch
nicht viel mehr wert als ein einzelnes Wort
oder ein Ausdruck in einer Sprache. Die Patterns
bilden sozusagen das Vokabular, aber
es fehlt die Grammatik um eine wirklich gute
und nützliche Lösung zu generieren. Schon
Alexander erklärte, dass die nützlichsten Patterns
”generativ” sind. Damit meinte er:
Die Lösungsmuster in unserem Gehirn sind
mehr oder weniger mentale Bilder von einzelnen
Mustern in der realen Welt. Diese Abbildungen,
die wir in unserem Gedächtnis wirken,
sind dynamisch. Sie sagen uns, was zu

2.2 Anwendung auf verschiedenen Plattformen und Anpassung an unterschiedliche Umgebungen
tun ist, wie wir vorgehen sollen und vor allem
in welchem Zusammenhang wir sie verwenden
sollen. Wenn man Patterns schreibt,
sollte man also darauf achten, ein System
nicht nur zu charakterisieren, sondern auch
beschreiben, wie man es bildet. Patterns,
und vor allem Patternsprachen sollten dazu
geeignet sein, vollständige und lebendige
Strukturen zu generieren. Sie müssen es
ihren Benutzern ermöglichen, Systeme zu
entwerfen die sich dynamisch an alle Änderungen
und wechselnden Ansprüche anpassen.
Patterns, die jedes für sich ein eigenes
Problem mit der zugehörigen Lösung beschreiben,
sollen es ermöglichen, durch eine
geziehlt gewählte Reihenfolge, ein großeres
und komplexeres Problem zu lösen. [App00]
Ein Patternsprache stellt also nicht nur eine
große Sammlung einzelner Patterns dar,
sondern enthält ebenso Regeln und Guidelines,
die erklären, wie und wann mehrere
Patterns kombiniert werden sollen um ein
größeres Problem zu lösen als das, was
ein einzelnes Patterns könnte. Da nicht alle
Patterns in ein solches Sprachnetzwerk eingebunden
sind, kategorisiert man zwischen
Patternkatalogen, Patternsystemen nd Patternsprachen.
Ein Patternkatalog ist lediglich
eine Zusammenstellung sich ähnelnder
Patterns, die meistens in keinem Zusammenhang
zueinander stehen. Manchmal findet
man ein Unterteilung in verschiede Kategorien,
die unterschiedliche Aspekte beschreiben.
Ein Patternsystem dagegen ist in
sich geschlossen und beschreibt miteinander
verwandte Patterns. Ein solches System
ermöglich die Generierung einer über einzelne
Patterns hinausgehenden Lösung. Es
ist in Gruppen unterteilt, und beschreibt die
Beziehungen unter ihnen und den einzelnen
Patterns selbst. Man sieht also, dass sowohl
Patternsysteme als auch Patternsprachen ineinander
verwobene Patternsstrukturen beschreiben.
Jedoch im Gegensatz zu einem
Patternsystem, ist eine Patternsprache jedoch
robust, begreiflich und leicht zu verstehen
und vor allem vollständig. Sie zeigt alle
möglichen Kombinationen der Patterns und
die verschiedenen Varianten, um komplettes
System zu schaffen.
2.2 Anwendung auf verschiedenen
Plattformen und Anpassung an
unterschiedliche Umgebungen
2.2.1 Organisation einer Patternsprache
Wichtiger als der Aufbau eines einzelnen
Patterns ist die Organisation einer kompletten
Patternsprache.
Möchte man den Aufbau eines kompletten
Frameworks mit Hilfe einer Patternsprache
entwerfen, dann fällt es oft sehr schwer, die
hierarchische Struktur eines Patternsystems
zu verstehen.
Patternorganisation von Jenifer Tidwell
Die Common Ground Sammlung von Tidwell
kategorisiert die Patterns in verschiedene
Gruppen anhand fundamentaler Basisentscheidungen,
die bei der Erstellung
eines Anwendungsdesign nötig sind. Jenifer
Tidwell legt großen Wert darauf, mit vielen
Beispielen die Aussagen jedes einzelnen
Patterns zu verdeutlichen. Sie möchte keine
neuen innovativen Grundlagen und Techniken
präsentieren, sondern bewährtes Wissen
zu Designaspekten in einer praktischen
und leicht erlernbaren Form darstellen. Sogenannte
”Primary Patterns” bilden den Hintergrund
der von ihr definierten Sprache.
Hiervon existieren einige, welche die Grundlagenentscheidung
anhand des zu erstellenden
Inhalts betreffen. Dazu zählen ”Status
Display Patterns”, die sowohl die Erstellung
einer Wanduhr, eines Autoamaturenbretts
als auch die einer VCR-Anzeige beinhalten.
Eine andere Gruppe sind die ”High-density
Information Display Patterns”, zu denen Darstellungen,
Tabellen und Diagramme gehören.
Zusätzlich unterteilt sie die Patterns der
obersten Stufe anhand der Aktionen, die
ausgeführt werden sollen. Ein Beispiel einer
Kategorie hierzu sind die ”Composed
Command Patterns”, die sich auf kommandobasiert
gesteuerte Software aller Art bezieht,
wie z.B. die Unix-Shell oder Debugger.
Schon auf der nächsten Abstraktionsstufe
21

Vera Pfeiffer
wird es jedoch bei der von Ihr gewählten
Vorgehensweise schwer, eine klare Vorgehensstruktur
zu erkennen. Die folgenden Unterteilungen
erfassen verschiedene Wege,
eine Unterteilung sowohl anhand des darzustellenden
Inhaltes als auch nach den verfügbarern
Aktionen vorzunehmen. Manche
Patterns jedoch sind sowohl in die eine als
auch in die andere Gruppe einzuordnen. Außerdem
existieren auf dieser Ebene noch
zusätzliche Kategorien, die eine Unterteilung
anhand des Platzverbrauches, den Navigationstechniken
oder verschiedenen Abhängigkeiten
voneinander treffen. Eine zusätzliche
Erschwerung der richtigen Kontexteinordnung
eines Patterns ist, dass jedes Pattern
auf mehreren Skalierungsleveln oder Ebenen
anzuwenden ist. Zwar hat Jenifer Tidwell
versucht durch die Definition von Subsprachen
eine Erleichterung im Umgang und
Gebrauch der Patterns zu erreichen, doch
stellen diese nichts weiter als eine relativ lose
Zusammensetzung dar, die nichts weiter
als geeignete Vorschläge sind.
Jenifer Tidwels Patternorganisation
Pattern Descriptions:
What is the basic shape of the content?
Narrative
High-density Information Display
Status Display
What is the basic shape of the actions taken
with the artifact?
Form
Control Panel
WYSIWYG Editor
Control Composed Command
WYSIWYG Social Space (unwritten)
How does the content or available actions unfold
before the user?
22
Navigable Spaces
Control Overview Beside Detail
Step-by-Step Instructions
Small Groups of Related Things
Series of Small Multiples (unwritten)
Hierarchical Set
Tabular Set
Chart or Graph
Optional Detail On Demand
Disabled Irrelevant Things
Pointer Shows Affordance
Short Description
How does the artifact generally use space
and the user’s attention?
Sovereign Posture
Helper Posture
Background Posture
How is the content or action organized into
working surfaces?
Central Working Surface
Tiled Working Surfaces
Stack of Working Surfaces
Pile of Working Surfaces
How can the user navigate through the artifact?
Map of Navigable Spaces
Clear Entry Points
Color-Coded Sections
Go Back One Step

2.2 Anwendung auf verschiedenen Plattformen und Anpassung an unterschiedliche Umgebungen
Go Back to a Safe Place
What specific actions should the user take?
Convenient Environment Actions
Localized Object Actions
Actions for Multiple Objects
Choice from a Small Set
Choice from a Large Set
Sliding Scale
Editable Collection
Forgiving Text Entry
Structured Text Entry
Toolbox
How can the user modify the artifact?
User Preferences
Personal Object Space
Scripted Action Sequence
User’s Annotations
Bookmarks
How can the artifact be made visually clear
and attractive?
Iconic Reference (unwritten)
Calm Grid (unwritten)
Repeated Framework
Few Hues, Many Values (unwritten)
How else can the artifact actively support the
user?
Good Defaults
Remembered State
Interaction History
[Tid99c]
Progress Indicator
Important Message
Reality Check
Demonstration
Quick Access (unwritten)
Familiar Quantity (unwritten)
23

Vera Pfeiffer
Patternorganisation von Martijn van Welie
24
Abbildung 6: Patterns für Webanwendungen
Abbildung 7: Patterns für standardmäßige grafische Oberflächen

2.2 Anwendung auf verschiedenen Plattformen und Anpassung an unterschiedliche Umgebungen
[vW01b]
Viele andere Sammlungen, wie auch die
Patternsprache von Martijn van Welie, tendieren
dazu, die Patterns anhand der Anwendungsdomäne
zu kategorisieren. in der
das zu erstellenden System einzusetzten
ist. Es existieren hier verschiedene Gruppen
mit Patterns für Webanwendungen, GUI-
Anwendungen und eigene Patterns für Mobile
Computers. Diese Gruppen enthalten wiederum
Unterpatterns zur Navigation, Suche,
Auswahl, etc. Mit dieser lexikonartigen Organisation
fällt es vielen Designer leichter, ein
spezielles übergeordneteres Problem zu lösen.
Das Problem hierbei ist jedoch, dass bei
dieser Organisation oft eine hierarchische
Strukturierung verschiedener Stufen fehlt.
Weitere Organisationsmöglichkeiten
Zunehmend wird versucht eine hierarchische
Struktur in den Klassifikationsschemata der
Patterns zu definieren. Die Patterns der obersten
Anwendungsebene müssen eindeutig
aufzeigen, welche niedriger eingestuften Patterns
zur Umsetzung angewandt werden sollen.
Doch auch die Gegenrichtung muss ge-
Abbildung 8: Patterns für mobile Geräte
währleistet sein. Man benötigt einen durchsichtigen,
konzeptionellen Rahmen, der die
logische Struktur einer Patternsprache darstellt,
damit auch die Anwender, die eine
Lösung innerhalb einer Anwendung suchen,
sehen, an welcher Stelle unterhalb der Anwendungsebene
sie einsetzten können. Im
Bereich objektorientiertr Analyse und Design
wird daher eine Unterscheidung zwischen
Patterns anhand unterschiedlicher Beziehungen
getroffen. Man findet oft eine Unterscheidung
in ”Derivation-”, ”Aggregation-”
und ”Associationpatterns” vor. Derivation beschreibt
”is-a” -Beziehungen , d.h Eltern-Kind
Verbindungen, die Fähigkeiten und Qualitäten
von höher eingestuften Patterns auf niedrigere
vererben. ”Aggragation” beschreibt die
einzelnen Unterpatterns eines übergeordneten,
was einer ”has a”-Verbindung entspricht
und mit ”Assoziation” sind Querverbindungen
gemeint, die einer ”uses”-Verbindung
ähnlich sind.
In vorherigem Kapitel wurden Design Patterns
in verschiedene Unterkategorien, die
Konzeptions-, die Design Patterns und Idio-
25

Vera Pfeiffer
me, d.h. Programmiervorschläge unterteilt.
Findet man alle diese Unterkategorien in einer
einzelnen Patternsammlung wieder, so
erhält man eine Patternsprache, die anhand
des Aktivitätsgrades unterscheidet. Um eine
komplette Softwareanwendung zu erstellen
braucht man ein konzeptionelles Modell,
das Definitionen und Namen für alle Modi,
Systemzustände und Plätze hat, auf die der
Nutzer treffen kann, und alle Objekte definiert,
die dabei verändert oder erstellt werden.
[App00]
Des Weiteren muss ein bestimmtes Präsentationsdesign
entstehen: die Form der Darstellung
aller Funktionen und Ausgaben. Dieser
Punkt steht für das ”look” einers guten
”look and fell”. Außerdem müssen Interaktionsaspekte
erläutert werden, die beschreiben,
wie der Benutzer Funktionen und Objekte
manipulieren kann. Durch die Definition
von Interaktionstechniken entsteht das ”feel”.
2.2.2 Anwendung auf verschiedenen
Plattformen
Heutzutage existiert eine immer größere
Bandbreite an Softwareanwendungen. Das
Spektrum reicht hier von passiven Informationsprogrammen
mit keiner oder nur wenig
Interaktion bis hin zu benutzergesteuerten
Anwendung in unterschiedlichen Größen
und an variierenden Orten.
Videospiele, Kontrollsysteme für industrielle
Prozesse, Webseiten, On-line Dokumentationen,
multimediale Lernsoftware, sprachbasierte
Oberflächen, Designwerkzeuge für
Grafiken und auch Palmtops und Handhelds
stellen immer großere Anforderungen
an Designer und Softwareentwickler. Aber
auch ganz traditionelle Desktopanwendungen
müssem so entwickelt werden, dass
sie sowohl auf Windows und Macintosh-,
als auch auf Unix/Linux- Plattformen installiert
werden können. Gleichzeitig müssen sie
auch die Belange und Ansprüche von Benutzergruppen
verschiedenen Alters und unterschiedlicher
Computererfahrung erfüllen.
All diese Softwarearten sind unglaublich unterschiedlich
in ihren speziellen Zielen und in
26
ihrem Interaktionsgrad, sowie in zahlreichen
anderen Faktoren. Doch aus der Perspektive
eines Designers existieren unter ihnen
mehr Gemeinsamkeiten, als man zunächst
annimmt.
Ob ein Pattern oder eine Patternsprache allgemeingültige
Lösungen für alle Bereiche
aufzeigt, ist von der Art des Patterns abhängig
und von den Anforderungen, die der jeweilige
Autor an die von ihm beschriebene
Patternsprache oder Patternsammlung gestellt
hat.
Jenifer Tidwell ist der Meinung, mit einer vollständigen
Patternsprache alle Bereiche abdecken
zu können. Eine wirklich gute und
bewährte Lösung muss bei ihr in allen verschiedenen
Bereichen, in Desktop-GUI’s, Videospielen,
Hardware und sogar in Papierform
anwendbar sein. Der Anspruch, eine
Patternsprache zu definieren, die allumfassend
angewandt werden kann, stellt vor allem
bei der Sprache von Jenifer Tidwell häufig
ein großes Problem für die praktische Anwendung
einer solchen Sammlung dar. Zwar
können diese Patterns leicht existierenden
Systemen zugeordnet werden, doch sind sie
meist nicht in der Lage, die Benutzer einer
solchen Sprache zu einer erfolgreichen Designstrategie
zu führen. [Tid99b]
Martijn van Welie vertritt die Meinung, dass
einige Patterns Lösungskonzepte zu Problemen
darstellen, die in allen Bereichen gleich
auftreten und somit Allgemeingültigkeit besitzen,
andere aber wiederum nur in einem speziellen
Bereich anwendbar sind. Um diesem
Problem gerecht zu werden hat er schon vorweg
eine Patternszuordnung in verschiedene
Bereiche getroffen, in denen er dann speziell
auf die variierenden Teilaspekte eingeht. Er
unterscheidet daher im Gegensatz zu Jenifer
Tidwell schon auf der obersten Ebene des
System, in welche Richtung es gehen soll,
und bezieht sich mehr auf gleiche Möglichkeiten
in der Ausgestaltung auf der unteren
Ebene.
Von anderen wird die Meinung vertreten,
dass die Designentscheidung auf jeder Ebene
unabhängig von den Entscheidungen auf
den anderen ist und somit zu einem konzeptionelle
Modell, das in allen Bereichen gül-

2.2 Anwendung auf verschiedenen Plattformen und Anpassung an unterschiedliche Umgebungen
tig ist, verschiedene spezielle Funktions- und
Interaktionsmöglichkeiten gefunden werden
können.
Mit Java hingegen wurde ein Tool geschaffen,
das es Entwicklern ermöglicht, mit dem
jeweils gleichen Konzeptions-, Funktionsund
Präsentationsdesign aus einer Patternsprache
eine Anwendung erstellen zu können,
die für alle Plattformen eine spezifische
Darstellung bietet.
E++ - Eine Patternsprache für
J2EE-Applikationen
Um diese plattformübergreifende Darstellung
jedoch in der Praxis umzusetzten muss ein
Designer oder Entwickler zuerst aus all der
Vielzahl unterschiedlicher Patterns und Patternsprachen
die für ihn geeignetste finden
und sie richtig anwenden. Ebenso muss er
die einzelnen Lösungskonzepte der untersten
Ebene einzelnen J2EE-Komponenten
zuordnen. Um diesen Prozess zu erleichtern
wurde mit E++ eine Patternsprache für
J2EE-Applikationen geschaffen, die genau
diesen Prozess erleichtern soll. Im direkten
Bezug auf bewährte Patterns wird ein konkreter
Aufbau eines Frameworks und seiner
Umsetzung in Java erläutert. E++ stellt dem
Entwickler einen klaren hierarchischen Aufbau
zur Verfügung, dessen oberste Ebene
das sogenannte ”Layered Architecture Pattern”
bildet. Hier werden die verschiedenen
Funktionen einer Anwendung in unterschiedliche
Stufen eingeteilt. Anhand dieser eindeutig
definierten Wurzel wird dem Entwickler
ein hierarchischer Baum von Patterns zur
Verfügung gestellt, der unter anderen auch
das Model-View-Controler-Pattern enthält.
27

Vera Pfeiffer
Abbildung 9: Hierarchsches Patternschema
von E++
[Yan01]
Ein oft verwendetes Pattern, das zum ersten
Mal von der ”Gang of Four” definiert
wurde, ist das ”Model-View-Controller” Pattern.
Dieses Pattern unterteilt Funktionen in
drei Komponenten. Das ”Model” ist der Informationsträger
der Daten, welche von der
Anwendung benutzt und manipuliert werden.
Im ”View” wird die visuelle Darstellung der
Informationen aus dem ”Model” implementiert.
Ändert sich daher das ”Model”, sind alle
hierzu existierenden ”Views” zu ändern. Die
dritte Komponente kontrolliert alle Vorgänge.
Dieser Controller empfängt die Eingaben und
entscheidet anhand derer, was zu tun ist. Er
ermittelt die betroffenen Views und ändert
die dazugehörigen Modelle.
28
Abbildung 10: Grafische Darstellung des
”Model-View-Controller” Konzepts
[Yan01]
E++ beschreibt dem Programmierer jedoch
nicht nur das zu vermittelnde Konzept, sondern
auch die konkrete Umsetzung in Java.
Um den Austausch der Darstellungen
zur Laufzeit, d.h. das sogenannte ”pluggable
look-and-feel” zu verwirklichen, definiert man
in Java ein UI-delegate, das ein View mit Listenern
implementiert und somit eine Kombination
der Komponenten View und Controller
des klassischen Konzepts ist. Dies ermöglicht
es der Klasse JCOmponent, aus Swing
das ”look-and-feel” an diese Komponente zu
delegieren. [Yan01]
Patterns zur Umgehung von
Darstellungsfehlern der JVM
Leider stößt auch dieser praktische Ansatz
in der Realität oft schnell an seine Grenzen.
Kleine Unterschiede bei der Implementation
der Java Virtual Machines lösen unberechenbares
Verhalten und unkonsistente
Darstellungen aus. Die Browser von Netscape
und Microsoft enthalten unterschiedliche,
jede auf eine andere Art fehlerhafte JVM, Java’s
Abstract Windowing ToolkitAWT produziert
User Interfaces, die sich auf den unterschiedlichen
Plattformen dennoch uneinheitlich
verhalten und die Java Foundation Classes,
wie zum Beispiel Swing, sind oft nicht
in den Brwowsern integriert oder aktiviert.
Doch um auch diese Probleme zu lösen existieren
seperate Patterns, die den Entwicklern
helfen sollen das Ideal von Sun zu verwirklichen,
eine portable, dynamische Sprache,
die ein plattformübergreifendes ”Lookand-Fell”
ermöglicht.
Beispiel
Requirements: Same ”look and fell” across
Browsers
run within Netscape Navigator 2.01+ on
the PC

2.2 Anwendung auf verschiedenen Plattformen und Anpassung an unterschiedliche Umgebungen
run within Internet Explorer 3.0+ on the
PC
run within Netscape Navigator 3.0+ on
the Mac
look and behave exactly the same on
all supported browsers
download quickly
Problem: Java’s AWT UI’s
Java’s Abstract Windowing Toolkit UI’s don’t
look the same across platforms or inside
browsers. AWT components are buggy and
require a good deal of sub-classing to add
the functionality you need. Sub-classing, or
using third-party controls, requires larger,
time-intensive downloads, and many thirdparty
controls aren’t lightweight. AWT font
support is lacking: It supports only simple
fonts, and font rarely look the same across
platforms and browsers. AWT layout managers
don’t produce great-looking UI’s. Dragn-Drop
tools don’t produce great UI code und
suffer from the same AWT cross-platform
bugs.
Solution: Images and Code
Use images and write code to remove ties to
the AWT.
GIFs and JPEGs really and truelly look
the same across platforms or inside
browsers.
Using images to represent components
frees you up to create stunning,
professional-looking Uis
Using images, you can easily separate
a UI’s ”look” from ist ”behavior” //
You can use whatever fonts you like,
since fonts will ultiately be imagebased
You no longer rely on AWTlayout managers
You must write ”behavior” code for your
components
[JK98]
Patterns für Pocket Computers
All die bis jetzt vorgestellten Ansätze sind
zwar weitgehend bei allen unterschiedlichen
Softwareversionen in der Lage die fundamentalen
Organisationsschemata und die
verschiedenen Funktionen mit unterschiedlichen
Navigationsmöglichkeiten in einem Lösungsschemata
zu erläutern, scheitern aber
jedoch an den unterschiedlichen Ansprüchen
bei den Benutzerein- und ausgaben.
Es entsteht zunehmend eine ”one-size fits
all”-Mentalität, die nicht berücksichtigt, dass
kleinere Geräte, wie zum Beispiel Palms, eine
kleinere Fläche für das User Interface
haben und ein weitaus kleineres Spektrum
an Eingabemöglichkeiten zur Verfügung haben.
Einen ersten Ansatz in eine andere Richtung
beschreiben Charles Weir und James
Noble in einer kleinen Patternsammlung,
die spezielle Patterns für Pocket Computers
enthält. Ihre Ansprüche liegen hier nicht in
der Definition einer vollständigen Sprache,
sondern in der Verwirklicheung grundlegender
Interfaceaspekte, die durch die Anwendung
der Patterns umgesetzt werden sollen.
Sie möchten durch ihre Lösungsvorschläge
einen möglichst großen ”ease-of-use”,
d.h. eine große Benutzerfreundlichkeit erreichen,
die auf einem konsistenten Interface,
der Sichtbarkeit der möglichen Funktionen
und der leichten Erlernbarkeit des Systems
basieren. Die entgegenwirkenden Kräfte bei
diesen Anwendungen sind in erster Linie der
kleine Screen zur Darstellung und die in der
Regel große Anzahl an Funktionen, die das
System beherrschen sollte.
29

Vera Pfeiffer
[WN01]
Abbildung 11: Spezielle Patterns für mobile Anwendungen
Als Basispattern liegt dieser Sprache das
”One true Window Pattern” zugrunde. Dessen
Hauptaussagen ist, dass es zwar viele
Vorteile bei der Arbeit mit mehreren Fenstern
gibt, diese jedoch auf einem kleinen Screen
auch viele Probleme mit sich bringen. Sie benötigen
viel Platz für die Dekoration und es
muss Funktionen geben, um die Interaktion
der Fenster untereinander zu gewährleisten.
Es muss ein Fensterlayout generiert werden,
das in vielen verschiedenen Größen steuerbar
ist. Verwendet man in Anwendungen,
die wenig Screenfläche zu Verfügung haben,
also nur ein Fenster, so entfallen auch die
Darstellungsformen für sämtliche Kontrollmechanismen
zur Veränderung der Fenstergrößen.
Doch nicht nur die Ausgabe unterliegt
Einschränkungen durch den geringen
Platz, auch bei der Eingabe müssen zusätzliche
Faktoren beachtet werden.
Folgendes Beispiel erläutert wie das Problem
der einfachen, benutzerfreundlichen
Eingabe trotz Platzmangels gut gelöst werden
kann: Beispiel: The big thumb
How big should you make common controls
on the screen ?
30
Many pocket Computers have touch screens.
Controls for applications are important, but
they take up space on the screen.
Most people use styluses tu use the computer.
But perhaps they don’t e.g. one hand use
Therefore: Make important controls big
enough to press with your thumb! Make important
controls large enough to be used directly
also makes them easier to select with
a stylus, because Fitts law states the time to
select something on screen is proportional
to ist area (james: check this and get a reference).
In the Palm pilot Todo application,
the buttons across the bottom of the screen
are large enough to be used by the pad of a
thumb or forefinger, (or the back of the nail).
Whereas the scroll controls are not. This is
not a problem in the Palm, because it provides
physical scroll buttons to scroll the display,
so there is no reason to use the scroll
controls in the window (as described in the
Scrolling Pattern, these serve mostly to indicate
that the display can be scrolled).
Abbildung 12: Beispieldarstellung

[WN01]
Consequenzes:
However:
[WN01]
Bid controls are be faster to use than
small ones (ref Fitts Law)
You will be able to use your pocket computer
one handed
You will be able to use yout pocket computer
when you’ve lost your stylus between
seats in economy class
Big controls take up more space than
smaller ones!
People may not use the machine onehanded
anyway, because it makes the
screnn too grubby
Kommentar
Es existiert eine große Vielzahl an Patterns,
die in ihrem Format, ihrer Zusammenstellung,
ihrer Vollständigkeit, ihrer Abstraktionstiefe
und ihren Inhalten sehr stark variieren.
Einige von ihnen haben den Anspruch auf
Allgemeingültigkeit in diversen Bereichen.
Weitgehend kann dies auch gelingen, doch
oft scheitert dies vor allem im Bereich der Interfacegestaltung
daran, dass verschiedene
durch die Hardware vorgegebenen Größenvoraussetzungen
und andere äußere Faktoren
nicht beachtet werden. Wie jedoch Patterns
trotz der großen Fülle und Unübersichtlichkeit
bei der Entwicklung sinnvoll eingesetzt
werden können, soll das folgende Kapitel
erläutern.
2.3 Einsatz von Patterns
2.3 Einsatz von Patterns
2.3.1 Praktischer Umgang mit Patterns
Patternsammlungen und Patternsprachen
enthalten oft eine große Menge individueller
Ratschläge, die sehr stark in ihrem Abstraktionsgrad
voneinander variieren. Es gibt
Patterns für die unterschiedlichsten Bereiche,
bei denen es den Entwicklern oft schwer
fällt, das zu erstellende System richtig einzuordnen.
Eine andere Möglichkeit Lösungsvorschläge
einzuholen und ein gutes Design
zu erstellen ist die Benutzung von Guidelines.
Doch auch im Umgang mit diesen trifft
der Entwickler auf diverse Probleme. Guidelines
sind oft sehr stark vereinfacht und abstrahiert,
deshalb ist es schwer, das Richtige
auszuwählen und dieses im Bezug auf
das vorliegende Problem richtg zu interpretieren.
Guidelines haben den Anspruch ”absolutes”
Wissen zu verkörpern und lassen
dabei die unterschiedlichen Zusammenhänge,
in denen ein Problem auftreten kann, außer
Acht.
Um eine optimale Konstruktionshilfe bei der
Entwicklung von User Interfaces oder aber
auch kompletten Softwareanwendungen zu
erreichen muss also ein Brücke zwischen
Patterns, Guidelines und auch wiederverwendbaren
bestehenden Komponenten geschaffen
werden. Ein User Interface besteht
aus einer zugrunde liegenden Struktur für
die Information und Navigation, einem Layout,
einem gut definierten ”Flow” zur Interaktion
und den darzustellenden Inhalten. Alle
diese Aspekte werden innerhalb von vier
Ebenen, dem Concept level, dem Task level,
dem Presentation level und dem Technical
level mit unterschiedlichen Gewichtungssfaktoren
und Detailgenauigkeit umgesetzt. Folgende
Darstellung zeigt welche Hilfsmittel
auf welchem Level am sinnvollsten einzusetzten
sind und welche Ebenen Patterns mit
welcher Bandbreite abdecken:
31

Vera Pfeiffer
[dG02]
2.3.2 Fazit
Abbildung 13: Patternverwendung im Entwicklungsprozess
Patterns sind eine hervorragende Möglichkeit
Erfahrungen weiterzugeben und ein gutes
Mittel zur Kommunikation innerhalb von
Designteams. Sie sind vielfach wiederverwendbar
und können die Komplexität bei der
Erstellung einer größeren Anwendung stark
reduzieren. Patternsprachen werden sich immer
weiter profilieren und bereits bestehende
Sprachen werden von Jahr zu Jahr immer
mehr vervollständigt werden. Wenn mit der
Zeit jede Patternsprache für sich eine längere
Entwicklung vollzogen hat und mehr Anhänger
gefunden hat, dann wird man auch
festellen, dass in der Struktur und der Benennung
von Patternsprachen grundlegende
Änderungen nötig sind. Es werden neue und
speziellere Sprachen entwickelt werden, die
immer detaillierter in die jeweiligen Anwendungsarten
und verschiedenen Plattformen,
auf die die Anwendungen verwendet wer-
32
den sollen, vordringen. Ohne eine aufeinander
abgestimmte Koordination der einzelnen
Sprachen, wird es eine Schwemme an Auflistungen
indivudueller Erfahrungen geben,
die es dem Benutzer unmöglich machen, aus
der großen Bandbreite unterschiedlicher Anwendungen
die Ricgtige zu wählen.
Bevor die Anwendung von Patterns sich aufgrund
einer wachsenden Unbenutzbarkeit im
Sand verläuft, sollte eine einheitliche Struktur
und Zusammensetzung der Sprachen definiert
werden.

Literatur
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http://www.enteract.com/~bradapp/docs/patterns-intro.html,
2000.
[App02] Brad Appleton: Patterns in a Nutshell, The bare essentials of Software
Patterns. http://www.enteract.com/~bradapp/docs/patternsnutshell.html,
2002.
[Boh02] Hendrik Bohn: Patterns - Usability Patterns, Design Patterns, Process
Patterns. http://www.informatik.uni-rostock.de/~bohn/vortrag/
gesamt.html, 2002.
[dG02] Boyd de Groot: Patternsinpractice:aworkshopforuidesigners. In Position Paper for
the CHI 2002 Workshop for UI Designers. Satama Interactive, 2002.
[JK98] delivered at Object Expo ’98 in New York City Joshua Kerievsky, Industrial Logic
Inc: Techniques and Patterns For Writing Once And Running Anywhere. http:
//www.industriallogic.com/papaers/wora.html, 1998.
[JO02] Illinois James O.Coplien, Bell Laboratories Naperville: A Patterns Definition, Software
Patterns. http://hillside.net/patterns/definition.html, 2002.
[KM02] REACTOR Experience Design Kevin Mullet: Structuring Pattern Languages to
Faciliate Design. http://www.welie.com/patterns/chi2002-workshop/
Mullet.pdf, 2002.
[Tid99a] Jenifer Tidwell: Beispielpattern, Step by Step Instruction. http://www.mit.edu/
~jtidwell/language/step-by-step_instructions.html, 1999.
[Tid99b] Jenifer Tidwell: The Case for HCI Design Patterns. http://www.mit.edu/~
jtidwell/ui_patterns_essay.html, 1999.
[Tid99c] Jenifer Tidwell: Common Ground. http://www.mit.edu/~jtidwell/intro.
html, 1999.
[vW01a] Martijn van Welie: Beispielpattern: Wizard. http://www.welie.com/
patterns/gui/wizard.html, 2001.
[vW01b] Martijn van Welie: Interaction Design Patterns. http://www.welie.com/
patterns/index.html, 2001.
[Web02] Prof. Dr. Michael Weber: Interaktionsmuster. In Skript zur Vorlesung Mediale Informatik.
Universität Ulm, 2002.
[WN01] Charles Weir und James Noble: Some small patterns for user interfaces: A window
in your pocket. In Proceedings of the European Conference on Pattern Languages
of Program Design. EuroPloP, 2001.
[Yan01] Bin Yang: E++ - A Pattern Language for J2EE Applications: Build better J2EE applications
with a high-level pattern language. http://www.javaworld.com/
javaworld/jw-04-2001/jw-0420-eplus_p.html, 2001.
33

3 Styleguides
Zusammenfassung
Johannes Hein
Seminar Handheld and Ubiquitous Computing
Universität Ulm, Wintersemester 2002/2003
johannes.hein@informatik.uni-ulm.de
Styleguides definieren das Aussehen
und das Verhalten der Benutzerschnittstelle
eines Computersystems. Die konsequente
Anwendung systemspezifischer
Styleguideregeln vermittelt dem Benutzer
ein einheitliches Look-and-Feel für
alle Anwendungen seiner Betriebssystemplattform.
Bei Handheld Computern
konzentrieren sich die Styleguides insbesondere
auf den Umgang mit den eingeschränkten
Hardware- und Bildschirmplatzkapazitäten
und bieten Lösungen an,
trotz dieser Beschränkungen eine effizient
bedienbare Oberfläche zu schaffen.
3.1 Einleitung
3.1.1 Definition
Der Begriff Styleguide kennzeichnet die
einheitliche Gestaltung einer graphischen
Benutzungsoberfläche zur Erreichung einer
vertrauten, konsistenten und intuitiv bedienbaren
Benutzerschnittstelle. Durch die Bindung
von graphischen User Interfaces an
die Styleguides einer Betriebssystemplattform
wird selbst die Bedienung der unterschiedlichsten
Programme durch standardisierte
und somit intuitive Bedienungsregeln
vereinfacht.
Styleguides legen jedoch nicht nur die rein
optische Repräsentation von Bedienelementen
fest, sondern befassen sich ebenso mit
der Zugriffssteuerung auf die vom Anwendungsprogramm
zur Verfügung gestellten
Informationen und Operationen. So fällt auch
eine schnelle und effiziente Benutzerführung
in den Bereich der Styleguidedefinition.
34
3.1.2 Motivation
In erster Linie ist der Einsatz Styleguidekonformer
Anwendungsprogramme eine
Benutzungserleichterung für den Anwender.
Indem Bedienelemente, die nicht auf den
Einsatz in einer Anwendung beschränkt sind,
sowie deren grundsätzliche Anordnung einheitlich
gestaltet werden, verringert sich für
den Anwender der Lernaufwand bei einer
neuen Anwendung. Das Berücksichtigen
von Styleguides bei der Applikationsentwicklung
erfüllt das Gestaltungsgütekriterium der
Erwartungskonformatität; der Benutzer kann
die Bedienungselemente und Gadgets einer
Oberfläche intuitiv bedienen, da sie in ihren
Funktionen seinen Erfahrungen und Erwartungen
entsprechen.
Doch auch die Gruppe von Entwicklern
profitiert von den Gestaltungsrichtlinien, da
Betriebssysteme die per Styleguide festgelegten
Bedienelemente in ihrem Application
Programmers Interface (API) anbieten können.
Somit entfallen für die Entwickler stetige
Neuentwicklung und -implementierung
derartiger Standardgadgets. Dennoch muß
beachtet werden, daß Styleguides nicht nur
die optische Ebene beschreiben. Die Gestaltungsrichtlinien
sollen insbesondere dazu
verhelfen, die Bedienung von Programmoberflächen
komfortabler, effizienter und
übersichtlicher zu machen. Dabei ist jedoch
zu beachten, daß selbst eine durchgängige
Befolgung der Styleguide-Empfehlungen in
keinem Fall eine separate Evaluation der
Benutzbarkeit von Applikationen überflüssig
macht. Nur durch ausgiebige Tests
mit Mitgliedern künftiger Benutzergruppen

oder durch Analysen von Usability Experten
kann eine wahrhaftige Benutzerfreundlichkeit
sichergestellt werden.
Bei allen genannten Punkten bleibt stets zu
bedenken, daß die meist von den Betriebssystementwicklern
vorgegebenen Styleguides
nur Gestaltungsrichtlinien sind. Letztendlich
ist es dem Entwickler überlassen,
sich über diese Empfehlungen hinwegzusetzen.
Um jedoch den Applikationsbenutzer
nicht zu verwirren, sollten Entscheidungen
zum Bruch Styleguide-konformer Gestaltung
wohlüberdacht und durch eindeutige Gründe
zu belegen sein. Häufig sinnvoll ist dagegen
die Definition applikationsspezifischer Styleguides,
wobei der Entwickler für ein Produkt
oder eine Produktserie eigene Gestaltungsrichtlinien
ansetzt und jene in der gesamten
Produktrealisierung konsequent und konsistent
anwendet.
3.1.3 Bekannte Beispiele
Der zentrale Teil dieser Arbeit befaßt sich mit
Interfacestyleguides für portable Systeme.
Weiterhin sind die Kontrollgadgets in Aussehen
und Verhalten sowie in ihrem Einsatzgebiet
Teil des Styleguides. Als einleuchtendes
Beispiel seien die Radio Buttons ge-
Abbildung 14: Standard Win32 Dialoge
3.1 Einleitung
Um jedoch vorab den Einsatz und die
Bedeutung der Styleguides zu verdeutlichen,
sei anhand des weit verbreiteten Desktop
Betriebssystems Microsoft Windows (Win32)
ein einführendes Beispiel gegeben.
Anwender von Microsoft Windows Programmen
können die Grundfunktionen der meisten
Anwendungen ohne weitere Einarbeitungszeit
erfassen und benutzen. Der Grund
hierfür ist das konsistente Design und das
einheitliche Verhalten der diversen Windows-
Applikationen, welche den von Microsoft in
dem Band Microsoft Windows User Experience
aufgestellten Interface Guidelines folgen.
Die Anwender sind also mit dem
Look-and-Feel einer Windows Applikation
vertraut; anwendungsübergreifende Eigenschaften
wie die Taste F1 für Hilfsfunktionen,
die Tastenkombinationen Strg-X bzw.
Strg-V zum Ausschneiden bzw. Einfügen
oder gar lediglich Aussehen Funktionen der
Maximierungs- und Abbruch-Piktogramme in
der oberen rechten Fensterhälfte resultieren
aus der Befolgung des Win32 Styleguides.
nannt, die in Microsoft Windows und zahlreichen
anderen graphischen Betriebssystemen
für exklusive Auswahlmöglichkeiten (1
aus n Auswahl) eingesetzt werden. Hierfür
35

Johannes Hein
sieht der Styleguide neben dem Aussehen
(vgl. obige Abbildung) vor, daß Radio Buttons
stets einzeilig bzw. einspaltig angeordnet
sind, und daß die Auswahl eines Radio
Buttons niemals eine direkte Systemfunktion
aufruft. Des weiteren wird die Verwendung
von Radio Buttons für nicht-exklusive (m aus
n) Auswahlen untersagt.
Anwendungen können die Empfehlungen der
Interface Richtlinien bei speziellen Problemen
übergehen und eigene Strategien zum
Oberflächendesign verfolgen. Es gibt sogar
Beispiele für Applikationen, die komplett
auf Styleguidekonformität verzichten. Der bekannteste
und meistzitierte Vertreter dieser
Gruppe ist mit Sicherheit die Warpingsoftware
Kai’s Power Goo (siehe untenstehende
Abbildung), die neben eigenem Fensterdesign
auch selbstdefinierte Buttons verwendet,
die im Gegensatz zu den monochromen
und rechteckigen Buttons des Windows
Standards rund und farbig erscheinen.
Abbildung 15: Beispiel für fehlende Styleguidekonformität
[DiP96]
[Cor99]
3.1.4 Besonderheiten bei Handheld
Devices
Nachdem nun Styleguides im Bereich der
Desktop Computer vorgestellt wurden, gilt
es, die unterschiedlichen Bedingungen im
Einsatz portabler Handheld Computer zu
charakterisieren.
36
Maßgebliche Unterschiede ergeben sich allein
durch die Betrachtung des Parameters
Einsatzdauer. Die durchschnittliche Benutzungsdauer
eines Personal Digital Assistent
(PDA) liegt deutlich unter der Arbeitszeit an
einem stationären PC respektive Laptop. Im
Gegensatz zu diesen in der Länge stark
verschiedenen Sitzungen steht die Häufigkeit
des Computerzugriffs. Desktop Computer
werden in der Regel wenige Male am Tag
gestartet, bei Handheld Einheiten sind die
Zugriffe deutlich häufiger.
Ebenso differieren die Computertypen in der
Art der verwendeten Applikationen. Während
die Anwendungsvielfalt auf einem Desktop
Computer mit großem Farbmonitor kaum eingeschränkt
ist, bietet ein PDA meist nur eine
kleinere Auswahl von Programmen, die
auf den mobilen Betrieb zugeschnitten sind;
im allgemeinen gehören Termin- und Adreßverwaltungen
sowie einfache Textverarbeitungen
zu diesen Applikationen. Komplexere
Anwendungen wie Graphikbearbeitungsprogramme
sind auf diesen Geräten wegen unzureichender
Bearbeitungseffizienz und der
meist nicht für diese Zwecke ausgelegten
Hardware dagegen selten vertreten.
Hieraus werden bereits die essentiellen Ziele
für die Entwicklungen von Anwendungen für
Handheld Computer deutlich: Der Benutzer
soll sein Ziel schnell und einfach erreichen.
Ein Großteil der Aufgaben, die mit PDAs erledigt
werden, sind häufig wiederkehrende Abläufe.
Diese sollten dem Anwender möglichst
direkt angeboten werden.
Zudem gilt es stets die eingeschränkte Hardwarekapazität
von PDA Computern zu beachten.
Die Geräte verfügen über einen vergleichsweise
kleinen, häufig niedrigauflösenden
Bildschirm, der die Positionierungsmöglichkeiten
für Bedienungselemente stark einschränkt.
Viele der Bildschirme sind monochrom
oder bieten lediglich einige Grauabstufungen,
wodurch der Umgang mit Farben
stets abgewogen werden sollte. Des weiteren
müssen PDA Applikationen auf die spezielle
Eingabehardware – meist in Form eines
Stiftwerkzeugs – abgestimmt sein.

Diese Ausarbeitung legt den Schwerpunkt
auf das Betriebssystem Palm OS, welches
zu diesem Zeitpunkt marktführend und am
weitesten verbreitet ist. An diesem Beispiel
wird der Aufbau eines User Interfaces für
Handheld PCs detailliert besprochen. Anschließend
folgt eine Betrachtung der Konkurrenzprodukte
Microsoft Windows Compact
Edition und Sun Java Micro Edition.
Komplettiert wird die Ausarbeitung durch ein
Kapitel über GSM Applikationen für Mobiltelefone
sowie eine Abschlußbetrachtung.
3.2 Styleguides für Palm OS
3.2.1 Einsatzgebiete
Die heute am weitesten verbreiteten Handheld
Computer stammen von der Firma
Palm, welche gleichzeitig das Betriebssystem
Palm OS für all ihre Geräte zur Verfügung
stellt.
Computer des Palm-Typs verfügen über eine
einheitliche Basisausstattung von Bedienungselementen,
die bei größeren und im
Funktionsumfang reicheren Modellen lediglich
erweitert wird. Ebenso bietet die Betriebssoftware
bereits die wichtigsten Applikationen,
welche den Einsatz von Handheld
Computern sinnvoll machen, darunter
Adreß- und Terminverwaltungen, textbasierte
Memoaufzeichnung sowie ToDo-Listen.
Abbildung 16: Standard Palm PC [Ost02]
Alle Palm Computer verwenden für die Dateneingabe
und Benutzerinteraktionen ein
3.2 Styleguides für Palm OS
stiftähnliches Werkzeug (Tap-Stylus). Dieses
ermöglicht die Anwahl von Funktionen
durch direktes Berühren der Funktionselemente
auf dem Bildschirm. Ebenso kann der
Stift verwendet werden, um Text im pseudohandschriftlichen
Graffiti Standard einzugeben.
Für diesen Zweck besitzt jeder Palm
Computer im unteren Bereich ein Graffiti-
Eingabefeld, über welches alternativ auch eine
stilisierte QWERTZ-Tastatur zur Eingabe
aufgerufen werden kann.
Abbildung 17: Graffiti Zone [Ost02]
Ebenso in der Graffiti Zone untergebracht
sind vier zentrale Icons, welche den Application
Launcher, das Funktionsmenü, den Taschenrechner
sowie ein Suchwerkzeug aktivieren.
Dies sind die vier am häufigsten aufzurufenden
Funktionen und werden aus diesem
Grund dauerhaft angeboten.
Komplettiert wird die Grundausstattung der
Palm Computer durch mindestens sieben
physikalische Knöpfe, die sogenannten Hard
Keys. Neben dem Ein-/Aus-Schalter sind
dies zwei Scroll-Buttons zum Rollen durch
den Bildschirminhalt sowie vier Application
Buttons. Über die Application Buttons lassen
sich die Applikationen Terminkalender,
Adreßverwaltung, ToDo-Liste und Memoaufzeichnung,
die zur Basisausrüstung aller
Palm Handhelds gehören, mit einem Tastendruck
starten.
[Ost02]
3.2.2 User Interface Guidelines
Die Richtlinien für die Bedienung von Palm
Computern stützen sich deutlich auf den raschen
Zugriff auf häufig verwendete Funktionen
und empfehlen Lösungen zum Umgang
mit der im Vergleich zu Desktoprechnern eingeschränkt
leistungsfähigen Hardware. Einige
wichtige Aspekte, welche die schnelle Zu-
37

Johannes Hein
greifbarkeit von Applikationen betreffen, sind
bei Palm Computern bereits in der Hardware
durch die Hard Keys realisiert. Die Richtlinien
zum Interface Design setzen dieses Konzept
nun in sofern fort, daß sie die Positionierung
wichtiger und häufig benutzter Funktionen
in den unteren Bildschirmbereich in
die Nähe der Hard Keys und insbesondere
der Graffiti Zone empfehlen. Somit spart der
User häufige Neuorientierung und reduziert
ebenso die Bewegung und Neufokussierung
des Stift-Eingabewerkzeugs.
Im Gegensatz hierzu empfiehlt der User Interface
Styleguide die Platzierung wichtiger,
nur zu lesender Daten, im linken oberen Bereich
der Oberfläche. Dieser Vorschlag basiert
auf der in der westlichen Welt kulturell
üblichen Leserichtung von links oben nach
rechts unten. Dementsprechend wird den im
linken oberen Bereich positionierten Informationen
die höchste Aufmerksamkeit geschenkt.
Da die typischen Benutzungsmerkmale einer
PDA Applikation eine schnelle Auffindung
bzw. Speicherung kurzer Datensätze beinhalten,
ist für die Bedienung eine generell
andere Benutzerführung vonnöten. In herkömmlichen
Desktop-Anwendungen müssen
die Anwender Änderungen an Datensätzen
für gewöhnlich durch Drücken eines
Speichern- oder Ändern-Buttons bzw. durch
Auswahl eines entsprechenden Menüeintrags
bestätigen. In mobilen Palm Systemen
wurde auf diesen zusätzlichen Benutzungsschritt
verzichtet. Der Styleguide sieht
vor, daß das System grundsätzlich Änderungen
an Datensätzen ohne explizite Aufforderungen
übernehmen sollte, solange das
Minimum der notwendigen Angaben vorhanden
ist. Der Grund hierfür wird insbesondere
durch den Einsatz der Hard Keys ersichtlich,
da diese direkt eine neue Applikation in der
Vordergrund schalten, ohne daß sich der Benutzer
um die Datensicherung sowie Beendigung
der zuvor benutzen Anwendung Gedanken
zu machen braucht. Gleichsam verhält
es sich mit dem Ausschalten des Palm
PCs, was aus jeder beliebigen Situation ohne
Datenverlust geschehen kann.
38
Wie die graphisch-orientierten Betriebssysteme
für Desktop Computer bietet auch das
Palm System eine Standardbibliothek von
Gadgets an. Um die Eingewöhnung zu erleichtern,
sind sie im wesentlichen an die
Vorbilder der großen Betriebssysteme angelehnt,
müssen sich allerdings den geänderten
Benutzungsbedingungen auf Handheld
Devices anpassen. Die wichtigsten Gadgets
seien hier kurz vorgestellt.
Zentrale Bedienungselemente von Palm OS
sind Buttons und Menüs. Sie dienen beide
dem Aufruf neuer Funktionen und Dialoge,
ihre Einsatzgebiete unterscheiden sich jedoch.
Buttons sind ideal für häufig verwendete
Funktionen, die durch einmaliges Anwählen
mit dem Stiftwerkzeug aufgerufen werden
können. Der Styleguide sieht eine einzelne
Leiste von Buttons im unteren Fensterbereich
vor, um die Nähe zum Kommandobereich
im Graffiti Feld zu wahren.
Abbildung 18: Buttons im unteren Fensterbereich
[Ost02]
Buttons sollen standardmäßig einfach und
abgerundet umrandet sein, in der Höhe 12
Pixel und in der Breite mindestens 36 Pixel
betragen. Die Buttonbreite kann bei zahlreichen
unterzubringenden Buttons durchaus
geringer gewählt werden, soll jedoch laut
Styleguide die Untergrenze von Inhalt + 10
Pixels nicht unterschreiten. Die Mindestgröße
der Buttonelemente resultiert neben der
besseren Übersichtlichkeit aus der Option,
alternativ zum Stiftwerkzeug auch die Finger
zur Eingabe zu benutzen, welche eine größere
Angriffsfläche als der Tap-Stylus benötigen.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß prinzipiell
auch Buttons mit lediglich graphischem
Inhalt, vergleichbar den Piktogrammleisten
zum Direktaufruf in MS Windows, in Palm OS
möglich sind. Aufgrund der niedrigen graphischen
Auflösung und der Tatsache, daß Palm
OS das Konzept der Tool Tips nicht unterstützt,
welche beim Einsatz derartiger Graphikbuttons
essentiell wären, rät der Styleguide
von der Benutzung solcher Elemente
ab.
Menüs sind im Gegensatz zu Buttons während
der meisten Zeit verborgen und werden
erst durch Benutzeraktivität vollständig
sichtbar. Dementsprechend bieten sie sich
für seltener benutzte sowie sensible Funktionen,
beispielsweise Löschoperationen, an.
Als Benutzerschnittstellenstandard ist an dieser
Stelle zu nennen, daß es immer ein Edit-
Menü mit den Funktionen Ausschneiden, Kopieren,
Einfügen etc. geben muß, sobald der
zugehörige Dialog Textfelder anbietet.
Abbildung 19: Beispiel für Edit-Menü [Ost02]
Für geübte Benutzer ist ab der OS Version
3.5 die Möglichkeit von Shortcuts für
Menüpunkte gegeben, wobei der Styleguide
von diesen bei sensiblen Operationen
wie Löschen abrät. Das Konzept aufklappbarer
Untermenüs wurde in Palm OS aufgrund
des Platzmangels nicht realisiert. Anders als
bei gewöhnlichen Applikationen für Desktop
Computer weist der Palm OS Styleguide ausdrücklich
darauf hin, Kommandoaufrufmöglichkeiten
nicht zu duplizieren, d. h. Funktionen
nicht parallel per Button und Menüpunkt
anzubieten. Als Grund hierfür ist wiederum
die Übersichtlichkeit bei eingeschränkter Gestaltungsfläche
aufzuführen.
Weitere Standardgadgets dienen hauptsächlich
verschiedenster Arten von Auswahlmöglichkeiten.
Nahezu analog zu bekannten
3.2 Styleguides für Palm OS
Gadgets in den Desktop Betriebssystemen
verhalten sich die Checkboxes in Palm OS.
Sie bieten die einzige Möglichkeit, mehrere
Optionen aus einer Menge von Einstellungen
zu wählen (m aus n). Aktiviert werden
Checkboxes durch einen einfachen Klick mit
dem Stiftwerkzeug, woraufhin die Checkbox
abgehakt wird. Der Styleguide empfiehlt, den
zugehörigen Beschreibungstext konsistent in
Fettschrift zu setzen und weist ausdrücklich
auf die Positionierung des Textes rechts der
Checkbox hin.
Abbildung 20: Beispiel für Checkboxes
[Ost02]
Für Optionsselektionen des Typ 1 aus n sollen
Checkboxes nicht eingesetzt werden, da
es folgende Alternativen gibt: Push Buttons
ermöglichen eine derartige 1 aus n Selektion,
indem die gewählte Funktion exklusiv
dunkel hinterlegt wird. In ihrer Funktionsweise
sind sie gleichbedeutend und gleichmächtig
mit den Radio Buttons in Windows oder
MacOS, welche in Palm OS keine direkte
optische Entsprechung besitzen. Zur Unterscheidung
von normalen Buttons sind die
Push Buttons mit einem rechteckigen Rand
umgeben. Der Einsatz von Push Buttons
empfiehlt sich nur für Einstellungsdialoge mit
mehr als zwei verschiedenen Optionen, da
der Benutzer ansonsten nicht sofort erfassen
kann, ob der dunkel oder der hell unterlegte
Button der aktive sein soll. Die Positionierung
der Push Buttons kann sowohl horizontal als
auch vertikal erfolgen, wobei zu beachten ist,
daß sie nur einzeilig bzw. einspaltig platziert
werden dürfen.
39

Johannes Hein
Abbildung 21: Beispiel für Push Buttons
[Ost02]
Eine weitere Alternative für eine 1 aus n Auswahl
besteht in der Pop Up Liste, die vergleichbar
einer Combobox in herkömmlichen
Systemen ist. Der Unterschied besteht darin,
daß eine Pop Up Liste keinerlei Texteingabe
ermöglicht, sondern eine nur eine feste
Optionsauswahl zur Verfügung stellt. Der
Einsatz der Pop Up Listen wird nahegelegt,
wenn der Bildschirmplatz für eine entsprechende
Anzahl von Push Buttons nicht ausreicht,
sowie wenn die Zahl der Einstellungsoptionen
sieben übersteigt. Pop Up Listen
sollen soviele Einstellungsoptionen wie möglich
gleichzeitig zeigen; sollte die Anzahl der
Optionen dennoch größer sein, werden automatisch
Scrollpfeile hinzugefügt, die weitere
Navigation erlauben. Der Styleguide weist
daraufhin, daß der User nie mehr als zweimal
pro Pop Up Liste die Scrollpfeile betätigen
soll, um an sein Ziel zu gelangen. Die
Einträge sind daraufhin zu beschränken.
Abbildung 22: Beispiel für Pop Up Listen
[Ost02]
Sollten tatsächlich noch mehr Optionen zur
Verfügung stehen, wie beispielsweise im untenstehenden
Beispiel zur Angabe der Zeitzone,
so bieten sich sogenannte Selection
Trigger an, die alle Auswahlmöglichkeiten in
einer Liste in einem gesonderten, modalen
Dialog aufführen. Zu erkennen sind Selection
40
Trigger an ihrer gepunkteten Umrandung.
Abbildung 23: Bespiel für Selection Trigger
[Ost02]
Weitere Gadgets sind insbesondere zur Einstellung
von Werten aus kontinuierlichen
Mengen gedacht. Zum einen sei das Slider
Gadget (verfügbar ab Palm OS 3.5) genannt,
welches grundsätzlich ebenso generell als
1 aus n Selektor eingesetzt werden kann,
im Styleguide jedoch nur für nicht Wertspezifische
Einstellungen wie Helligkeitsoder
Lautstärkeregelungen nahegelegt wird.
Sollten Sliderelemente dennoch in anderen
Bereichen eingesetzt werden, so empfehlen
die Richtlinien die zusätzliche Bereitstellung
einer selbstaktualisierenden Statusanzeige,
wie sie die untenstehende Abbildung zeigt.
Abbildung 24: Beispiel für Slider [Ost02]
Alternativ zum Slider Gadget kann auf
Inkrement- und Dekrementpfeile zurückgegriffen
werden, was sich wie in der folgenden
Abbildung häufig zum Einstellen der Uhrzeit
eignet.
Abbildung 25: Beispiel für Inkrement- / Dekrementpfeile
[Ost02]
Wie bei den Gadgets bereits gesehen gibt es
auch im Bereich des Fensterlayouts durchaus
Analogien zwischen den Desktopsystemen
und Palm OS. In Palm OS gibt es ebenso
modale Unterdialoge wie Warnungs- und

Hilfsfenster. Als primäre Dialogform werden
Formulare des Typs Modeless definiert. Sie
entsprechen für gewöhnlich den Hauptdialogen
einer Applikation und nehmen die gesamte
Größe des Bildschirms ein; sollte es
nicht möglich sein, den gesamten Informationsgehalt
des Dialogs auf einer Bildschirmseite
unterzubringen, so empfiehlt der Styleguide
die sinnvolle Gruppierung der Daten
und die Navigation per rechtsseitiger Scrollbar.
Den generellen Aufbau zeigt die folgende
Abbildung, wobei die beschriebene, ideale
Positionierung der Kontrollelemente im unteren
Bereich sowie wichtiger Informationen
im linken oberen Bereich auch hier deutlich
wird.
Abbildung 26: Beispiel für Dialogtyp Modeless
[Ost02]
In der rechten oberen Zone des Bildschirms
befindet sich im allgemeinen eine Kategorieanzeige,
welche dem Benutzer in Verbindung
mit dem linksseitigen Fenstertitel die
Navigation in den verschiedenen Formularen
einer Applikation erleichtern soll. Über
die Dropdown-Liste ist die Möglichkeit des
Wechsels zu anderen Kategorien der Applikation
möglich. Eine ständige Anzeige ist
besonders sinnvoll, da viele Anwendungen
für Palm PCs aufgrund der eingeschränkten
Graphikfähigkeiten der Plattform sehr ähnlich
aussehen und es somit leicht zu Verwechslungen
zwischen Programmen kommen
kann.
Im Gegensatz zu den Modeless Dialogen
stehen Formulare modalen Typs, welche in
der Regel nur einen Teil des Bildschirms
ausfüllen. Meist werden über solche Dialoge
Detailinformationen oder Ausführungsbe-
3.2 Styleguides für Palm OS
stätigungen realisiert. Durch eine breite, umschließende
Begrenzungslinie (Border) heben
sich derartige Dialoge deutlich von den
randlosen Modeless-Typen ab. Da der Platz
auf dem Bildschirm eines Handheld PCs
sehr begrenzt ist, empfiehlt der Styleguide,
die Zahl der Dialoge von modalen Typs, insbesondere
die der gleichzeitig geöffneten
Teilfenster, möglichst gering zu halten.
Abbildung 27: Beispiel für Dialogtyp Modal
[Ost02]
Komplettiert werden die Palm OS Dialoge
durch Warnungsfenster (Alert Dialogs), welche
ähnlich der MS Windows-Warnungen
Piktogramme zur Signalisierung der Art der
Warnung (Information, Bestätigung, Warnung,
Fehlermeldung) verwenden.
Abbildung 28: Beispiel für Infodialog [Ost02]
Eine weitere Dialogform sind Fortschrittsanzeigen.
Da die Initialisierungs- und Arbeitsgeschwindigkeiten
von Handheld Applikationen
meist sehr schnell sind, bedarf es expliziter
Kennzeichnung, sobald eine Anwendung
längere Berechnungs- oder Wartezeiten
beinhaltet. Für diesen Fall stellt der Styleguide
diesen Fenstertyp zur Verfügung. Sogenannte
About-Dialoge zeigen Hintergrundinformationen
wie Versionsnummern zu einer
Applikation an und sind somit eng verwandt
mit gleichen Fenstertypen im Desktop
OS Bereich. Als letzter Dialogtyp sei der
41

Johannes Hein
Tips-Dialog zu nennen, welcher als Online-
Hilfe jederzeit Informationen zum verwendeten
Programm bieten soll und somit das Problem
der in Palm OS fehlenden Tool Tips entschärfen
soll. Tips-Dialoge sind über das Informationssymbol
im Titel modaler Fenster
erreichbar.
Abschließend sei ein Blick auf die unterschiedlichen
Darstellungsmodi für Daten geworfen.
In Anlehnung an die Einsatzzwecke
von Handheld PCs sind in erster Linie Darstellungen
von Textinformationen von Interesse.
Für die Texteingabe sind sogenannte
Textfelder vorgesehen, die an gepunkteten,
linksausgerichteten Zeilen zu erkennen
sind. Bei Textverarbeitungen sowie in der
Standardapplikation MemoPad können Textfelder
mehrzeilig mit automatischem Zeilenumbruch
sein. Für Formulare werden meist
mehrere einzeilige Felder gesetzt, bei denen
der Zeilenwechsel explizit durch Feldauswahl
mit dem Stiftwerkzeug oder durch ein Graffiti
Kommando eingegeben werden muß.
Abbildung 29: Beispiel für Textfeld [Ost02]
Textfelder stellen eine Schreibmarke zur Verfügung;
die stets richtige Positionierung des
Cursors durch die Applikation wird vom
Styleguide als wichtige Eigenschaft guten
Interface Designs für Palm OS betrachtet.
Ebenso sollen Textfelder immer in der
rechten unteren Ecke des jeweiligen Dialogfensters
eine Shift Funktion zur Aktivierung
der Großschrift anbieten. Bereits zuvor
wurde die Notwendigkeit eines Edit-Menüs
zum Ausschneiden, Kopieren und Einfügen
von Text bei Textfeldern erwähnt. Weitere
Styleguideempfehlungen für Textfelder sind
automatische Großschreibung am Satzan-
42
fang sowie eine standardmäßige Scrollbar
bei mehrzeiligen Feldern.
Palm OS bietet überdies auch Repräsentationsmöglichkeiten
für Listen, die nicht an
Kontrollelemente wie Pop Up Gadgets oder
Selection Trigger gebunden sind. Prinzipiell
gelten für diese Listen, die im Zuge eines
modalen Dialogs erscheinen, die gleichen
Gestaltungsrichtlinien wie für die bereits
beschriebenen. Ebenso kann Palm OS
Informationen tabellarisch darstellen, wie es
z.B. in der Standardapplikation AdressBook
zum Einsatz kommt. Für Tabellen sieht der
Styleguide weder Rahmen noch Spaltentitel
vor, um wertvollen Gestaltungsraum zu sparen.
Des weiteren wird empfohlen, Tabellen
nicht direkt, sondern nur über einen Unterdialog
editierbar zu machen, obwohl eine direkte
Zugriffsmöglichkeit nicht ausgeschlossen
wird. Erlaubt sind ebenso graphische
Kontrollgadgets in Tabellen, z.B. Checkboxen.
Abbildung 30: Beispiel für Tabellen [Ost02]
[Ost02]
3.2.3 Diskussion
Computer mit dem Betriebssystem Palm OS
sind die meistverkauften Systeme im Bereich
der Handheld PCs. Die Betrachtung
der Styleguides für Palm OS hat gezeigt,
daß sich diese sehr konsequent auf die speziellen
Einsatzzwecke und Hardwarevoraussetzungen
der PDA-Welt konzentrieren. Zugleich
bietet das Look-and-Feel des Palm
Betriebssystems eine ausgewogene Kombination
zwischen bekannten Bedienungsele-

menten aus der Domäne der Desktop Betriebssysteme
und neu gestalteter, auf den
konkreten Einsatzzweck abgestimmter Gadgets,
wodurch eine sehr schnelle und effiziente
Arbeitsweise ermöglicht wird. Die folgenden
Kapitel sollen nun die Vor- und Nachteile
anderer Handheld Plattformen im Vergleich
zum Marktführer Palm unter Zuhilfenahme
der jeweiligen User Interface Guidelines
verdeutlichen.
3.3 Styleguides für Microsoft Windows
CE
3.3.1 Einsatzgebiete
Mit der Compact Edition ihres weit verbreiteten
und marktführenden Desktop Betriebssystems
Windows hat die Softwarefirma Microsoft
eine Portierung der bewährten Benutzerschnittstellenansätze
realisiert. Zentrales
Anliegen von Windows CE ist es daher, dem
Benutzer ein vertrautes Gefühl durch weitgehende
Verwendung des standardisierten
Windows Look-and-Feels zu vermitteln. Die
Analyse der Interface Richtlinien im folgenden
Kapitel wird zeigen, daß sich Styleguideempfehlungen
häufig auf dieses Hauptkriterium
zurückführen lassen.
Microsoft Windows CE war zu Beginn seiner
Existenz das Basisbetriebssystem für mobile
Computer der Handheld PC (H/PC) Serie.
Dies wurde über die Nachfolgemodelle bis
zur heute aktuellen Pocket PC Serie beibehalten.
Handheld Computer des Typs Pocket
PC werden von diversen Herstellern geliefert
und bieten im Vergleich zu Palm PDAs
meist höhere Rechenleistungen sowie Farbbildschirme,
da Windows CE analog zu seinen
Pendants im Desktop Computer Bereich
recht intensiv Farbdarstellungen einbezieht
und die Ergebnisse auf Monochrom- oder
Graustufenbildschirmen entsprechend eher
enttäuschend sind; aus diesem aufwendigeren
Screenmanagement folgt auch die notwendige,
höhere Prozessorleistung. In Anlehnung
an die Office Produkte von Micro-
3.3 Styleguides für Microsoft Windows CE
soft gehören Applikationen wie die Textverarbeitung
Pocket Word oder die Tabellenkalkulation
Pocket Excel zu den im Lieferumfang
inbegriffenen Programmen von Windows
CE. Ergänzt wird das Anwendungsspektrum
durch PDA-typische Appliktionen
wie Memoaufzeichnung, Termin- und Adreßverwaltung.
[Zub01]
3.3.2 User Interface Guidelines
Die Verwandtschaft der Compact Edition zu
den 32 bit Versionen (Win32) von Microsoft
Windows zieht sich wie ein roter Faden
durch die User Interface Richtlinien für
dieses Handheld Betriebssystem. Um die
Eingewöhnung der Benutzer zu erleichtern,
übernahm Microsoft möglichst viele Bedienungselemente
aus den bekannten Desktopsystemen.
Ebenso wurde die Desktopmetapher,
die bei den Win32 Versionen die Bedienung
der graphischen Benutzeroberfläche
mit den Abläufen an realen Schreibtischen simuliert,
in die Standardschnittstelle von Windows
CE überführt. Daraus folgt, daß auch
Windows CE in der Grundeinstellung piktogrammbasiert
funktioniert und Pendants von
Mülleimern und Ordnern auch hier auf den
Bildschirmen zu finden sind. Die Interfacerichtlinien
erlauben Applikationsprogrammierern
Abweichungen von der Desktopmetapher,
solange dies innerhalb einer Anwendung
konsistent geschieht; Grundlage des
Betriebssystems bleibt jedoch das bekannte
Schema.
Die untenstehende Abbildung zeigt einen typischen
Arbeitsbildschirm von Windows CE.
Es fällt insbesondere die Startleiste auf, die
ihrem Vorbild in den Win32 Versionen stark
ähnelt und auch hier als Startzentrum für Applikationen
dient. Ebenso bietet MS Windows
CE die Übersicht über alle geöffneten Fenster
sowie weitere Statusinformationen in der
standardmäßig am unteren Bildschirmrand
platzierten Startleiste an.
43

Johannes Hein
Abbildung 31: Beispiel für einen Windows CE Dialog [Cor02]
Analog zu Win32 und auch zu den bereits bei
Palm OS betrachteten Spezifikationen stellt
das Windows CE System verschiedene Fenstertypen
zur Verfügung. Dabei wird auch
hier zwischen Fenstern vom Typ Modeless
und modalen Dialogen unterschieden, wobei
letztere erst geschlossen werden müssen,
bevor mit anderen Dialogen weitergearbeitet
werden kann. Der Styleguide empfiehlt
für beide Dialogtypen einen Standardaufbau.
Anwendungsdialoge sollen zur Fensterkontrolle
eine Auswahl Windows-typischer Kontrollpiktogramme
in der rechten oberen Fensterecke
besitzen. Im unteren Abbildungsbeispiel
sind dies das Hilfsicon (?), eine
Bestätigungs- (OK) und eine Abbruchfunktion
(X). Die Richtlinien empfehlen diese Piktogramme
für alle nicht-modalen Dialoge mit
der Einschränkung, daß das Abbruchicon (X)
entfallen kann, wenn durch Drücken des OKund
des X-Piktogramms die gleiche Funktion
ausgeführt wird. Dies ist beispielsweise der
Fall, wenn die in einem Formular vorgenommenen
Änderungen in jedem Fall übernommen
würden.
Anders verhalten sich die sogenannten Messageboxes,
die Informations-, Warn- oder
Fehlermeldungen enthalten können. Diese
modalen Dialoge bieten zur Bestätigungsbzw.
Abbruchfunktion vollwertige Buttons an,
wie es ihre Vorbilder in den Win32 Versionen
ebenfalls tun. Das Beispiel zeigt eine solche
44
Messagebox aus Pocket Word.
Abbildung 32: Beispiel für Windows CE Messagebox
[Cor02]
Die Ausstattung von Windows CE mit Gadgets
und weiteren Kontrollelementen entspricht
in ihrer Mächtigkeit weitgehend der
der Win32 Implementierungen. Dabei gilt,
daß alle im Kapitel für Palm OS beschriebenen
Gadgets Windows-typisch gestaltete
Entsprechungen in Windows CE haben. Allgemein
ist zu beachten, daß sich die Kontrollelemente
für Windows CE analog zu ihren
Vorbildern in Win32 verhalten sollen, und
daher den Styleguides dieser Systeme folgen
sollten. Hierzu gehören beispielsweise
die Eigenschaften, daß Gadgets mit Ausnahme
der Buttons, demnach z.B. die Auswahl
von Radio Buttons, Checkboxes oder einer
Karteikarte (Tab Sheet), keine direkte Systemoperation
auslösen sollen. Die wichtigsten
Ergänzungen seien hier kurz erläutert.

Abbildung 33: Beispiel für Windows CE Gadgets
[Cor02]
Das obige Beispiel in der Abbildung zeigt bereits
die Bedienelemente Radio Button und
Karteikarte (Tab Sheet). Radio Buttons sind
eine übersichtliche, wenngleich häufig platzintensive
Möglichkeit, eine 1 aus n Auswahl
zu realisieren. Die Designrichtlinien empfehlen
ihren Einsatz daher nur, wenn der Gestaltungsraum
auf dem meist beschränkten Bildschirm
reichlich vorhanden ist. Als Alternativen
bei Platzproblemen werden in Windows
CE Dropdown Listen (vgl. Pop Up Listen in
Palm OS) empfohlen, die es in einer Variante
auch mit der Möglichkeit der Texteingabe gibt
(Combobox). Als Möglichkeit, den vorhandenen
Platz in einem Fenster zu vervielfachen,
3.3 Styleguides für Microsoft Windows CE
können Tab Sheets benutzt werden. Der Styleguide
sieht Tab Sheets immer dann vor,
wenn Dialoge die Eingabe mehrerer, logisch
trennbarer Daten vorsehen; für jede logische
Einheit kann dann eine Karteikarte zur Verfügung
gestellt und mit individuellen Kontrollen
ausgerüstet werden.
Die Anzahl der Möglichkeiten, in Windows
CE Kontroll- und Auflistungsmechanismen
zur Verfügung zu stellen, ist noch um einiges
größer. So gibt es verschiedene Arten
von Listboxes, baumartige Datenstrukturierung
(Tree View) und vieles andere, welches
in den Win32 Versionen durchaus sinnvolle
und zahlreiche Einsatzgebiete gefunden hat.
Diesen Elementen ist jedoch gemein, daß ihr
Einsatz im Windows CE Styleguide nur vorgesehen
ist, wenn die hierfür benötigte, weiträumige
Gestaltungsfläche vorhanden ist.
Abschließend für diese Betrachtung sei ein
wichtiges, neues Element in Windows CE genannt.
Ab Version 3.0 empfehlen die User
Interface Richtlinien, für Applikationen eine
Kommandozeile (Command Bar) einzurichten,
welche ständig auf dem Bildschirm präsent
ist und dem User die wichtigsten Funktionen
der Anwendung stets per Menü und
Buttons zugänglich macht.
Abbildung 34: Beispiel für Windows CE Kommandozeile [Cor02]
Die im Beispiel vorhandene Eingabebox für
Adressen ist optional; es ist möglich, diese
anwendungsspezifisch zu verändern oder
gar auf sie zu verzichten. Der Styleguide
schließt die Benutzung weiterer Komponenten
in der Kommandozeile nicht aus. So
können beispielsweise Radio Buttons hinzugefügt
werden, um zwischen verschiedenen
Dateneinheiten im zugehörigen Applikationsfenster
umzuschalten. Für das Hauptmenü
wird eine Standardreihenfolge vorgeschlagen:
File, Edit, View, Insert, Format,
Tools und Window; sollte der Entwickler diese
Menüs verwenden wollen, müssen sie
in dieser Reihenfolge vorkommen. Die Benutzung
anderer Menüpunkte steht jedoch
grundsätzlich frei. Für die Buttons sieht der
Styleguide direkte Hilfe per Tool Tips vor, da
insbesondere für Neulinge die rein graphischen
Buttonsignaturen nicht immer auf den
ersten Blick eindeutig sind.
[Cor02], [Dun00]
3.3.3 Diskussion
Die Verkaufszahlen für Pocket PCs mit dem
Betriebssystem Windows CE liegen weit hin-
45

Johannes Hein
ter denen von PDAs mit Palm OS zurück 2 .
Daraus läßt sich schließen, daß die Entscheidung,
die Windows Bedienungsphilosophie
inklusive der Desktopmetapher auf Handheld
Systeme zu übertragen, nicht ideal war. Sicher
bieten Konzepte wie die zuletzt geschilderte
Kommandozeile gute Ansätze für eine
komfortable und effiziente Bedienung, können
jedoch offensichtlich nicht mit den speziell
auf PDAs zugeschnittenen Interface Guidelines
und Bedienungsstrategien für Palm
PCs konkurrieren. Erschwerend kommt hinzu,
daß viele der Kontrollelemente, die Windows
CE von den 32 bit-Systemen geerbt
hat, aufgrund des Platzmangels bei Handheld
PCs meist nicht sinnvoll eingesetzt werden
können.
3.4 Styleguides für Java ME
3.4.1 Einsatzgebiete
Die Java 2 Micro Edition, kurz Java ME oder
J2ME, ist von der Firma Sun Microsystems
als Kompaktvariante ihrer plattformunabhängigen,
objektorientierten Programmiersprache
Java entwickelt worden. Während Java
in den Paketen Standard Edition (J2SE)
bzw. Enterprise Edition (J2EE) in erster Linie
als Entwicklungssprache im Bereich der
Desktopsysteme verwendet wird, eignet sich
die Micro Edition für den Einsatz auf tragbaren
Computern.
Die Einsatzgebiete von Java ME teilen sich
in diverse Profile auf, welche sowohl Mobiltelefone
als auch Set Top Boxen oder in
Haushaltsgeräte eingebettete Systeme umfassen.
Das Profil, welches in diesem Kontext
besonders interessant ist, da es sich auf
den Einsatz von Handheld Computern bezieht,
ist das Mobile Information Device Profile
(MIDP). Applikationen, die dem MID Profil
zugeordnet werden können, werden auch
kurz als MIDlets bezeichnet.
Das wichtigste Prinzip, welches von Java ME
verfolgt wird, ist die Portabilität von Appli-
kationen. Dies bedeutet, daß eine Anpassung
des Quellcodes eines Programms für
den Einsatz auf verschiedenen Hardwareplattformen
vermieden werden soll. Für jede
Plattform, auf der in Java ME geschriebene
Programme ablaufen, muß ein MIDP-System
verfügbar sein. Das MIDP-System setzt auf
die Java Virtual Machine auf und übernimmt
bei der Ausführung die Anpassung der Applikation
an die zugrundeliegende Hardware.
Dieses Konzept hat essentielle Auswirkungen
auf die im folgenden beschriebenen
Richtlinien für die Benutzerschnittstelle.
[Mic02]
3.4.2 User Interface Guidelines
Die Portabilität von Java ME Anwendungen
impliziert einen der wichtigsten Aspekte im
Bezug auf die zugehörigen Interface Guidelines.
Durch die systemspezifische MIDP
Implementierung kann eine in Java ME codierte
Applikation für den Benutzer so dargestellt
werden, als sei sie eine Plattformnative
Anwendung. Im Idealfall bemerkt der
Anwender demnach nicht, daß eine Java ME
Anwendung ausgeführt wird, da ihm weiterhin
das gewohnt-typische Look-and-Feel
präsentiert wird. Hierdurch wird ersichtlich,
daß dieses Gestaltungskriterium sehr auf die
Gestaltungsaspekte der Vertrautheit und Erwartungskonformität
abzielt.
Zugriffe auf den Bildschirm eines Computers
werden in Java ME durch die Klassen des
Paketes LCDUI gesteuert. Der Applikationsprogrammierer
hat durch LCDUI zwei prinzipielle
Möglichkeiten, die Graphikroutinen von
Java ME zu verwenden.
Als erste Variante, welche für die Programmierung
von Anwendungsapplikationen außerhalb
des Spielesektors vom Java ME Styleguide
empfohlen wird, ist die High-Level
API zu nennen. Im Fall der Benutzung von
High-Level Komponenten gibt der Programmierer
lediglich die Art der Gadgets an, die
er für seine Applikation benötigt. Die explizite
2 17,5 Mio. Palm PCs vs. 2 Mio. Pocket PCs. Quelle: Schätzung von Dataquest, Stand Januar 2002 [Ost02]
46

Darstellung und Platzierung sowie das graphische
Rendering wird bei High-Level Komponenten
ausschließlich vom MIDP-System
übernommen und hat daher auf verschiedenen
Plattformen unterschiedliche Erscheinungsbilder.
Aus diesem Grund hat der Applikationsprogrammierer
bei Verwendung der
High-Level API weniger auf die Darstellungsform
als auf die inhaltliche Gestaltung seiner
Anwendung zu achten. Der effiziente
und adäquat benutzbare graphische Aufbau
der Oberfläche ist im wesentlichen von
der Implementierung des zugrundeliegenden
MIDP-Systems abhängig.
In einigen Fällen benötigen Entwickler jedoch
einen direkteren Zugriff auf die graphischen
Kapazitäten des jeweils zugrundeliegenden
mobilen Systems. Für diese Art von Anwendungen,
welche in erster Linie bei Spielen
Verwendung finden, stellt LCDUI auch eine
Low-Level API zur Verfügung. Low-Level Zugriffe
erfolgen über die Klasse Canvas, wodurch
das Zeichnen von graphischen Primitiven
sowie die Benutzung von benutzerdefinierten
Graphiken ermöglicht wird. Sollte
sich ein Applikationsentwickler für die Benutzung
der Low-Level API entscheiden, so
obliegt ihm in diesem Fall die graphische
Gestaltung und Aktualisierung der Bildschirme;
das MIDP-System beschränkt sich in erster
Linie auf die Steuerung der Ein- und
Ausgabemechanismen. Sollte eine Applikation
mit Low-Level Zugriff zu stark Plattformspezifische
Komponenten ansprechen bzw.
auf die Kapazitäten einer bestimmten Plattform
ausgelegt sein, so kann dies die Portabilität
auf andere Systeme gefährden.
Die beiden unterschiedlichen APIs erfordern
ebenso unterschiedliche Richtlinien zur Anwendungsgestaltung.
Zudem gilt es bei Styleguides
für Java ME stets zwischen Implementierungsrichtlinien
sowohl für die Applikation
als auch für das MIDP-System zu differenzieren.
Für den Fall der Canvas Bildschirme der
Low-Level API sollten MIDP Systemimplementierer
stets die Abbildung der Bedienungsfunktionen,
welche bei Spielprogram-
3.4 Styleguides für Java ME
men hauptsächlich die vier Bewegungsrichtungen
sowie eine Auswahl- bzw. Feuerfunktion
darstellen, analog zu Systemnativen
Applikationen realisieren. Sollte eine
Hardwareplattform über berührungssensitive
Anzeigekomponenten verfügen, sollte
ein MIDP-System eine diesbezügliche Einbindung
auch für Canvas Bildschirme anbieten.
Anwendungsentwickler sollte bei der Verwendung
von Canvas Bildschirmen die begrenzten
Hardwarekapazitäten der Handheld
Computer und Mobiltelefone beachten. Die
Verarbeitung von Bildern mit hohen Farbtiefen
kann unter Umständen lange Verarbeitungszeiten
erfordern. Insbesondere wenn
trotz Verwendung von Canvas Bildschirmen
die Portabilität der Anwendung gewährleistet
bleiben soll, empfehlen sich Graphiken, die
auch in Monochrom- oder Graustufendarstellungen
gut zu erkennen sind. Analog ist bei
der Größe der Graphiken zu verfahren, die in
einem skalierbaren Format vorliegen sollten,
um sie somit problemlos an die verschiedenen
Bildschirmgrößen der Geräte des MIDP
anpassen zu können.
High-Level Bildschirme verwenden die Routinen
des MIDP-Systems für die graphische
Darstellung der Bedienungselemente. Um
den Eindruck zu erwecken, eine Java ME Applikation
sei eine System-native, bietet sich
bei Betriebssystemen wie Palm OS, die bereits
eine eigene Gadget-Bibliothek zur Verfügung
stellen, eine direkte Abbildung der Java
ME-Komponenten auf die nativen Gadgets
an. Bei Mobiltelefonen ist dagegen häufig
ein explizites Design der Kontrollelemente
durch den MIDP Implementierer notwendig.
Die Gadget-Bibliothek von Java ME umfaßt
weitgehend all die bereits in den vorherigen
Kapiteln beschriebenen Elemente. Dazu gehören
insbesondere Auswahllisten verschiedener
Typen. Das folgende Beispiel zeigt
eine exklusive Auswahl im Darstellungsvergleich
zwischen Mobiltelefon und PDA.
47

Johannes Hein
Abbildung 35: Vergleich des Erscheinungsbildes
auf Mobiltelefon und
PDA [Mic02]
Beim Mobiltelefon wurde das Konzept der
Radio Buttons übernommen, wobei der ausgewählte
Eintrag als zusätzliche Kennzeichnung
auf dem niedrigauflösenden, monochromen
Display graphisch invertiert wurde.
Das Beispiel verdeutlicht gleichzeitig die Notwendigkeit,
sich bei derartigen Small Screen
Applications (SSA) auf die absolut essentiellen
Informationen zu beschränken. Java ME
Applikationen nach MID Profil kommen bereits
auf Bildschirmgrößen von 96 x 54 Pixels
zum Einsatz, PDAs weisen in der Regel mindestens
160 x 160 Pixels auf.
Die genannten Gründe ergeben weitere Regeln,
welche der MIDP Styleguide umfaßt.
“Layout forms vertically” [Mic02] (Gestalten
Sie Ihre Dialoge vertikal) lautet ein Grundsatz,
da Systeme des MID Profils meist nur
über eine vertikale Scrollfunktion in Hardware
verfügen. Dementsprechend sollten auch
durch die Software keinerlei horizontalen
Scrollgadgets angeboten werden. Gleichzeitig
schränkt auch der Java ME Styleguide
die Länge der Formulare ein, welche bei
einer PDA Applikation nicht die dreifache
und bei Anwendungen für Mobiltelefone nicht
die vierfache Länge des Bildschirms überschreiten
sollten, da ansonsten das häufige
Scrollen die Übersicht und Arbeitseffizienz
zu stark beeinträchtigen würde. Ebenso
richtet der Styleguide ein besonderes Augenmerk
auf die bereits bei Palm OS beschriebene
Möglichkeit, Dialoge jederzeit zu beenden
(“Make everything interruptable”) [Mic02]. Ein
deutliches Beispiel hierfür sind wiederum
Auswahllisten, bei denen dem Benutzer nie-
48
mals eine Entscheidung aufgezwungen werden
soll, sondern neben einer Auswahl- bzw.
Fortfahren-Funktion immer die Option des
Abbruchs anzugeben ist.
Der Styleguide für Java ME verteilt die Verantwortlichkeiten
für die Entstehung eines
Programms sehr deutlich. Am Beispiel eines
Hauptformulars einer Applikation soll diese
Verteilung geschildert werden. Die folgenden
Funktionalitäten müssen von der MIDP
Implementierung festgelegt und eingehaten
werden:
1. Titelzeile
1a. Platzierung
1b. Größe
1c. Schriftart
1d. Darstellung (Umbruch, Scrolling etc.)
2. Ticker
2a. Platzierung
2b. Größe
2c. Schriftart
2d. Scrollrichtung
2e. Scrollgeschwindigkeit
3. Formularschriftart
4. Verwendete Farben
5. Layout der Kontrollelemente
[Mic02]
Die Funktion des Tickerbandes wird als
durchaus vielseitig beschrieben. Bei vernetzten
Applikationen kann der Ticker aktuelle
Nachrichten oder Werbebotschaften wiedergeben;
denkbar und sinnvoll ist jedoch auch
die Verwendung als Status- oder Hilfsanzeige.
Die Verantwortlichkeiten des Anwendungsentwicklers
belaufen sich nun auf die folgenden
Punkte:
1. Text für die Titelzeile
2. Text für den Ticker
3. Reihenfolge der Kontrollelemente

4. Inhalt der Kontrollelemente
5. Funktionskommandos
[Mic02]
Der Begriff Funktionskommandos bezieht
sich in diesem Fall auf den Aufruf weiterer
Bildschirme der Applikation bzw. auf die
Weiterverarbeitung ausgewählter Daten. Bei
PDAs sind solche Kommandos in Buttonund
Menüform vorhanden; Mobiltelefone ermöglichen
die kontextabhängige Belegung
variabler Funktionstasten (Soft Keys).
Neben den Hauptformularen gibt es auch in
Java ME vorgefertigte Fenstertypen modalen
Typs (Alert Windows). Vergleichbar mit Palm
OS, Windows CE und Desktop Betriebssystemen
können den modalen Dialogen Typbeschreibungen
zugeordnet werden, welche
später den Dialog durch entsprechende Piktogramme
identifizieren. Mögliche Typen sind
dabei Information, Warnung, Fehlermeldung,
Alarm sowie eine Bestätigungsabfrage. Analog
zu den betrachteten Systemen sind auf
diesen Dialogen keine weiteren Bedienungselemente
vorgesehen. Der Java ME Styleguide
weist jedoch darauf hin, insbesondere
bei Anwendungen auf Mobiltelefonen die
Erscheinungsdauer des Dialogs zeitlich zu
begrenzen; nach Ablauf einer kurzen Zeitspanne
schließt sich der Dialog automatisch.
Hierdurch spart der Benutzer bereits eine Aktion
ein. Da die Nachrichten in modalen Dialogen
dieses Typs laut Styleguide kurz und
aussagekräftig sein sollen, reicht meist eine
Zeitbegrenzung von wenigen Sekunden.
Abbildung 36: Vergleich eines Informationsdialogs
auf Mobiltelefon und
PDA [Mic02]
Die weiteren Empfehlungen des Styleguides
3.4 Styleguides für Java ME
gehen weitgehend konform mit den Designempfehlungen
für die anderen in dieser Ausarbeitung
betrachteten Betriebssysteme und
sollten dementsprechend von der MIDP Implementierung
der jeweiligen Plattform unterstützt
werden. Da ein Anwendungsentwickler
sich jedoch nicht stets auf ein gutes MIDP-
System verlassen kann, müssen bei der Softwareentwicklung
für Java ME die grundsätzlichen
Regeln für gutes Oberflächendesign
sowie für Benutzerführung besonders beachtet
werden. Hierzu seien als Beispiele
die Konsistenz und Vorhersagbarkeit eines
Systems, die Beibehaltung einer einfachen
Oberfläche sowie die Vorbeugung von Benutzerfehlern
genannt. Letzteres wird in Java
ME beispielsweise insofern unterstützt, daß
dem Benutzer bei Eingaben in String-Felder
bereits Beschränkungen bezüglich des Inhalts
auferlegt werden. So kann ein Textfeld
den Parameter NUMERIC erhalten, falls dort
lediglich Zahlwerte verlangt werden; nichtnumerische
Werte würden von der Textbox
nicht angenommen. Weitere Textparameter
sind z.B. PHONENUMBER, EMAIL
oder URL.
[Mic02], [Gro02], [Web01]
3.4.3 Diskussion
Die Plattformunabhängigkeit von Java ME
Applikationen ist ein interessanter Aspekt,
der jedoch große Teile des Bereichs Bedienbarkeit
von der hardwarespezifisch verwendeten
MIDP Implementierung abhängig
macht. Die Anwendungsimplementierer haben
auf diese Art das letztendliche Aussehen
ihres Programms auf unterschiedlichen Plattformen
- mit Ausnahme der Canvas Bildschirme
- kaum in der Hand. Eine gute Benutzerführung
durch Anwendung allgemeingültiger
Regeln für gutes Interface Design führt
in diesem Fall in Zusammenarbeit mit einer
qualitativ hochwertigen, an das jeweilige Gerät
angepaßte MIDP Implementierung zu einer
guten Benutzerschnittstelle.
49

Johannes Hein
3.5 Styleguides für GSM Applikationen
3.5.1 Hypertextvarianten
Seit einigen Jahren gibt es Mobiltelefone, die
nicht nur das Telefonieren, sondern auch den
Zugriff auf spezielle Internetseiten über das
GSM Kommunikationsnetz erlauben. Der Zugriff
erfolgt über das Wireless Application
Protocol (WAP) und erlaubt die Darstellung
von Internetseiten, die in Varianten der Internet
Hypertextsprachen codiert sind.
Die Sprache, in der GSM kompatible Internetseiten
codiert sind, ist die Wireless Markup
Language (WML), die wie XHTML eine
Untermenge von XML ist. Hieraus werden
auch gleich die Beschränkungen von
WML für die graphische Gestaltung deutlich.
Als Markup Sprache gibt WML lediglich die
Struktur einer WAP Internetseite vor, legt deren
Design jedoch nicht eindeutig fest, so
daß verschiedene Browsertypen auf unterschiedlichen
Handys (z.B. Openwave oder
die Nokia Browser) zu individuellen Ergebnissen
kommen.
Des weiteren ist die Anwendungsmöglichkeit
des GSM Netzes für Internetdienste relativ
beschränkt. Die Übertragungsgeschwindigkeit
beträgt lediglich 9,6 Kilobit pro Sekunde
und stellt somit neben den vergleichsweise
bescheidenen Hardwarekonfigurationen der
Mobiltelefone einen weiteren Engpaß dar.
[Inc00]
3.5.2 GSM Applikationen
Einen grundlegenden Styleguide für alle
GSM Applikationen gibt es nicht. Dagegen
haben einige Softwarefirmen, die an der Entwicklung
von WAP Browsern beteiligt sind
(z.B. PhoneCom Incorporated), Regelsätze
für das Design von WAP Internetseiten erstellt,
die jedoch häufig auf die Produkte der
entsprechenden Firmen zugeschnitten sind.
Anfangs muß man sich den Unterschied zwischen
dem Einsatz von Internetseiten auf
50
WAP Browsern und auf Desktop PCs verdeutlichen.
Die bereits genannten Beschränkungen
Übertragungsgeschwindigkeit sowie
Hardwareausstattung, insbesondere Display,
erlauben bei effizienter Nutzungsweise lediglich
die Übertragung von Textnachrichten.
Auch wenn es inzwischen Handys mit farbfähigen
Displays gibt, ist insbesondere farbige
Bildinformation bei GSM Applikationen
fehl am Platz. Als weiterer Punkt ist die Eingabehardware
zu nennen, die außer bei wenigen,
speziellen Mobiltelefontypen lediglich
aus Zahlentasten besteht, welche eine alphabetische
Tastatur nur emulieren. Hieraus
folgt für das Design von WML Seiten, daß
Texteinträge möglichst minimiert, wenn nicht
sogar vermieden werden sollten.
Dieser Aspekt leitet zum Anwendungsprofil
der GSM Netzapplikationen über. WAP
Seiten werden meist zum Empfang stetig
wechselnder Informationen wie beispielsweise
von Börsenkursen verwendet. Der Abruf
erfolgt demnach meist gezielt und hat kaum
die Eigenschaft eines ausgiebigen Durchsuchens
verschiedenster Inhalte (Internet
Surfing), wie es auf Internetbrowsern bei
Desktop PCs üblich ist. Ein weiterer Aspekt,
der daraus resultiert, ist die allgemein sehr
kurze Nutzungszeit von WAP Seiten, was
durch die derzeit noch hohen Kosten für diese
Art von Netzzugriff weiter verstärkt wird.
All diese Beschränkungen sind nun beim
Entwurf von GSM Applikationen zu beachten.
Das klare Anwenderprofil ermöglicht eine
Abstimmung auf deren bevorzugte Interessen
und eine entsprechend direkte Bereitstellung
der wichtigsten Informationen. Anwendungsmöglichkeiten,
die über diese essentiellen
Informationen hinausgehen, sind
bei WAP Internetseiten zu vermeiden. Des
weiteren ist insbesondere bei dieser Art
von Applikation eine einfache und konsistente
Navigationsführung im Hinblick auf die
beschränkte Auswahl von Navigationstasten
der Hardware anzustreben.
Eine GSM Applikation setzt sich aus sogenannten
Cards zusammen, die einen Bildschirm
der Anwendung bilden. Cards sollten

den Standardaufbau einer Titelzeile, dem eigentlich
Cardinhalt und der Toolbar im unteren
Bereich, welche häufig Navigationszwecken
dient, haben. Mehrere zusammengehörige
Cards einer Applikation werden
auch als Deck bezeichnet. Die Titelzeile einer
Card sollte aussagekräftig sein, um dem
Anwender seinen derzeitigen Navigationspunkt
stets sichtbar zu machen.
Das Augenmerk bei GSM Applikationsdesign
ist insbesondere auf Cardinhalt und Navigation
zu richten. Der Cardinhalt ist insofern
problematisch, daß die Textzeilenanzahl auf
handelsüblichen Mobiltelefonen in der Regel
nur vier beträgt. Meist kann daher ein Scrollen
der Cardinformation nicht vermieden werden.
Für das Design der Card stehen die
in WML spezifizierten Möglichkeiten zur Verfügung.
So gibt es Felder zur Texteingabe,
welche stets einzeilig gehalten sein müssen
und aufgrund der genannten Beschränkungen
bei der Eingabe bereits Default-Werte
enthalten sollten. WML ermöglicht ebenso
den Einsatz von Tabellen zur Gruppierung
von Daten, was jedoch nicht von jedem WAP
Browser unterstützt wird.
Die Navigation in WML Seiten erfolgt ebenso
über Hyperlinks, von deren Anwendung
man insbesondere Gebrauch machen sollte,
um zu lange Textseiten zu vermeiden.
Ihr Aussehen ist Browser-spezifisch, aktiviert
werden sie über die OK- bzw. Bestätigen-
Taste des Mobiltelefons. Als Unterschiede
zu bekannten Internet-Hyperlinks sind aufzuführen,
daß nicht zwischen bereits besuchten
und neuen Links unterschieden wird,
und daß Links in Bildform (Imagelinks) nicht
eingesetzt werden sollten. Die Navigationsstruktur
ist bei WAP Seiten sehr wichtig. Die
Struktur sollte einen Standardpfad durch das
gesamte Deck vorgeben, wobei Ausweichmöglichkeiten
bei bestimmten Detailanfragen
sowie stets eine Rückkehrmöglichkeit
gegeben sein sollten.
Abschließend seien einige weitere Strategien
genannt, um den beschränkten Platz
bei der Informationspräsentation besser zu
nutzen. Die SAP WAP Guidelines haben
3.6 Schlußbetrachtung
hierzu einige Vorschläge, welche die Verkürzung
von Textnachrichten zur Folge haben.
Zum einen wird von der durchgehenden
Benutzung von Großbuchstaben abgeraten;
für lokalisierte Applikationen, insbesondere
in deutscher Sprache, wird die Verwendung
der Umlaute ä, ö, ü anstelle der
Diphthonge ae, oe, ue nahegelegt. Weitere
Aspekte dieser Strategie sind die Vermeidungen
von Redundanzen im Text durch die
Verwendung aussagekräftiger Abkürzungen,
wodurch zum Beispiel “Document Type” zu
“DocType” oder “Fixed capacity requirement”
zu “Fix.CapReq.” wird. Die meist fachspezifisch
informierte Anwendergruppe ermöglicht
solche Einsparungen.
[Gui00], [Inc00]
3.6 Schlußbetrachtung
3.6.1 Zusammenfassung
Die betrachteten Beispiele haben gezeigt,
daß im Bereich des Handheld Computing
die Notwendigkeit des konsequenten Usability
Engineering aufgrund der beschränkten
Platz- und Hardwarekapazitäten noch um einiges
größer ist als im Desktop Bereich. Die
Anwendungen für PDAs sowie Mobiltelefone
müssen sich diesen Einschränkungen unterwerfen
und dennoch die bestmögliche Benutzungsqualität
für den Anwender anstreben,
um am Markt erfolgreich zu sein. Die
Übertragung bereits bekannter und bewährter
Designphilosophien aus dem Desktop
Computer Bereich ist keine Universallösung
für Handheld Devices, da die bei den großen
Systemen mögliche Designfreiheit in diesen
Fällen nicht gegeben ist.
3.6.2 Ausblick
Mit Sicherheit werden sich die Möglichkeiten
der PDAs, die Ausstattungen der Hardware
sowie die Anwendungsmöglichkeiten
des mobilen Internets in den nächsten Jahren
deutlich verbessern. Die derzeitigen Ein-
51

Literatur
schränkungen, die im Kapitel über GSM Applikationen
angesprochen wurden, werden
sich mit der Zeit durch den Einsatz moderner
Mobiltelefone sowie neuer Übertragungstechniken
(z.B. UMTS) vermutlich lösen.
Eventuell ist sogar eine wachsende Verschmelzung
der Gerätetypen Mobiltelefon
und Handheld PC zu einem mobilen Kommunikationszentrum
möglich. Die gegenüber
Literatur
Desktop Computern beschränkten Eingabemöglichkeiten
werden jedoch vermutlich
bestehen bleiben. Somit werden auch die
zukünftigen Generationen von Geräten des
Handheld Computings zur Erreichung besserer
Benutzungseigenschaften auf die konsistente
Umsetzung von User Interface Guidelines
angewiesen sein.
[Cor99] Microsoft Corporation, Hrsg.: Microsoft Windows User Experience. Microsoft
Press, 1999.
[Cor02] Microsoft Corporation: Microsoft Windows CE 3.0 - Application Design Guide.
http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/
en-us/wcede% sign/htm/_wcesdk_designing_a_user_interface_
for_windows_ce.asp, 2002.
[DiP96] DiP: A Quick Look at Kai’s Power Goo. http://www.algonet.se/~dip/goo_
1p.html, 1996.
[Dun00] Jason Dunn: Pocket PC UI Suggestions. http://windowsce.kensai.com/
uichange.htm, 2000.
[Gro02] Little Springs Design Group: A UI Designer’s Guide to J2ME and MIDP. http://
littlespringsdesign.com/design/index.html, 2002.
[Gui00] SAP Design Guild: SAP Interaction Design for WAP Applications. http://www.
sapdesignguild.org/resources/wap_guidelines/wap_guidelines.%
pdf, 2000.
[Inc00] PhoneCom Inc.: WML Application Styleguide. http://www.sapdesignguild.
org/resources/wap_guidelines/wap_guidelines.% pdf, 2000.
[Mic02] Sun Microsystems: MIDP Style Guide Version 1.0a. http://java.sun.com/
j2me/docs/alt-html/midp-style-guide7/index.html, 2002.
[Ost02] Jean Ostrem: Palm OS User Interface Guidelines. http://www.palmos.com/
dev/support/docs/UIGuidelines.zip, 2002.
[Web01] Prof. Dr. Michael Weber: Interaktive Systeme, Vorlesungsskript Sommersemester
2001 an der Universität Ulm. http://medien.informatik.uni-ulm.de/
lehre/courses/ss01/interaktiv/IS-K% apitel5.1-5.4.pdf, 2001.
[Zub01] Sarah Zuberec: Windows CE Interaction Design. http://www.cs.umd.edu/
class/fall2001/cmsc838s/Chapter5.ppt, 2001.
52

4 Smart-Its und intelligente Geräte
Zusammenfassung
Smart-Its sollen den Menschen unterstützen,
aber ihn vor der Komplexität
der Computertechnologie bewahren. Sie
sind ubiquitär (allgegenwärtig) und erweitern
normale Alltagsgegenstände mit
Computerfuntionalität. Einige interessante
Technologien und Projekte für Smart-
Its werden in dieser Arbeit vorgestellt.
4.1 Einleitung
Das Leben eines Menschen ist kurz. Vom Tage
seiner Geburt an bis hin zum Tod, lernt er
mit seiner Umwelt zu interagieren um dann
die Umgebung seinen Bedürfnissen anzupassen.
Wie erfolgreich die Bemühungen
sind, hängt sehr davon ab wie schnell gelernt
wird und welchen Zeitbedarf die Veränderungen
benötigen. Werkzeuge vereinfachen
die Manipulation der Umwelt, aber
erfordern einen gewissen Lernaufwand bevor
sie genutzt werden können. Für eine effektive
Gestaltung des Lebens liegt es somit
nahe, diesen Aufwand zu minimieren. Die
Computertechnologie stellt ein neues, wertvolles
und bereits heute fast überall verfügbares
Werkzeug dar. Das Problem derzeit erhältlicher
Technologie ist der Mensch selbst,
denn er muss sich an den Gebrauch anpassen.
Jedoch bietet gerade diese neue Art
von Hilfsmitteln interessante Wege an, das
Werkzeug dem Menschen anzunähern. Die
Smart-Its sind eine von vielen Ideen die diese
Wege umzusetzen versuchen. Dabei handelt
es sich um kleine Geräte die in Alltagsgegenstände
integriert sind. Sie sollen den
Menschen in seinen Tätigkeiten unterstützen
oder diese vereinfachen. Sie sind praktisch
nicht sichtbar für den Benutzer und werden
unbewusst mitbenutzt. Während herkömmliche
Computer bei ihrer Verwendung im Mit-
Detlef Köntges
detlef.koentges@informatik.uni-ulm.de
telpunkt stehen, kommt bei Smart-Its das
eigentliche Ziel des Benutzers in den Vordergrund.
Völlig normale Gegenstände werden
durch eine Computerfunktionalität erweitert,
aber ihre Handhabung verändert sich nicht.
Damit entsteht trotz der Erleichterung der
Zielerfüllung kein zusätzlicher Lern- und Arbeitsaufwand.
Smart- Its bieten zwar weniger
Leistungen als Computer, ermöglichen aber
nicht digitalen Objekten eine Leistungserweiterung.
Sie sind gekennzeichnet durch eine
einfache Benutzerschnittstelle und Sensoren
über die sie die Umwelt wahrnehmen
können, außerdem ermöglicht ihnen eine
Netzwerkverbindung die Kommunikation mit
anderen Geräten. Damit eröffnet sich ein
weites Anwendungsfeld für Smart-Its, den
Menschen bestmöglichst in seinem Leben
und seinen Zielen zu unterstützen. Im Folgendem
wird genauer auf die verschiedenen
Technologien eingegangen, die in Smart- Its
Anwendung finden können. Dabei werden
die Bereiche Vernetzung, Stromversorgung,
Sensoren, Speicher und Software angesprochen.
Es existieren bereits viele Projekte und
Visionen zum Thema Smart-Its und einige
davon werden im nachstehenden Text vorgestellt.
53

Detlef Köntges
4.2 Kommunikationstechnologie
Aufgrund der geringen Größe von Smart-
Its sind neue Technologien erforderlich, die
im Miniaturbereich Kommunikation, Speicherung,
Energieversorgung usw. ermöglichen.
Einige wichtige Entwicklungen werden in diesem
Kapitel vorgestellt und bewertet hinsichtlich
ihres Wertes für die Verwendung in
Kleinstgeräten.
Der wohl wichtigste Vorteil von Smart-Its ist
ihre Fähigkeit sich mit anderen Geräten zu
einem Netzwerk zu verbinden. Um diese
Verbindung zu gewährleisten stehen einige
Kommuniktionstechniken zur Verfügung.
4.2.1 Bluetooth
Die von der Firma Ericsson hergestellte
Übertragungstechnik hat ihren Namen von
König Harald II geerbt. Bereits 1984 wurde
dieses Verfahren entwickelt, ist aber erst
Jahre später, von einer Gruppe von Firmen
die sich zu einem Interessenverband zusammengeschlossen
haben, aufgegriffen worden.
Da Bluetooth eine von vielen kabellosen
Datenüberrtragungstechniken ist, stellt sich
die Frage welche Vorteile sie bietet, die sie
von anderen Verfahren unterscheidet. Unter
dieser Fragestellung sollten sich vor allem
die geringen Herstellungskosten und die
universelle Einsetzbarkeit der Technologien
abheben. Die Bluetooth-Module haben eine
Reichweite von ca. 10 Metern, ohne das
Sichtkontakt zwischen Sender und Empfänger
bestehen muss. Zwar könnte die Reichweite
auf 100 m erhöht werden, aber aus
Stromersparnisgründen wird die 10 Metervariante
bevorzugt. Weiterhin bieten sie eine
Verschlüsselung auf Hardwareebene und die
maximale Datenübertragungsrate von 1 Mbps
an. Geräte die mit diesen Modulen ausgestattet
sind können in einem Piconet mit 8
Teilnehmern zusammengeschlossen werden
und höchstens 10 Piconets lassen sich dann
zu einem Scatternet verbinden. Die folgende
Grafik erläutert nur kurz die Strukturen dieser
54
Netze, da dies Thema einer späteren Arbeit
ist.
Abbildung 37: Piconet und Scatternet
[Sie02]
Die Übertragung erfolgt auf dem in fast allen
Ländern lizenzfreien Band von 2,402 bis
2,480 GHz, in einem Bereich neben dem
auch funkbetriebene Garagentore, Mirkowellen
und vieles andere arbeitet. Die Module
selbst sind für Störungen wenig anfällig,
jedoch haben sie selbst einen unerfreulichen
Einfluss auf andere Funkquellen. Um
so etwas gering zu halten, werden mittels
Frequenzmultiplexing potentielle Störquellen
und Datenstaus vermieden. Dabei handelt
es sich um Frequenzsprünge auf 79 Kanälen
innerhalb des Frequenzbandes mit einem
Abstand von 1 MHz, in einer Periode von
1600 Sprüngen pro Sekunde. In einem Piconet
werden alle teilnehmenden Module auf
die selbe Sprungfrequenz synchronisiert. Ein
weiteres Feature sind die sogenannten Profile,
welche definieren wie sich Module untereinander
erkennen und das völlig unabhängig
vom jeweiligen Hersteller. Zum Aufbau einer
Kommunikation zweier oder mehrer Geräte,
identifizieren diese sich über eine Seriennummer
(48-Bit) und verwenden für die
Verbindung das Protokoll ’Service Discovery
Protocol’(SDP).Jedes Gerät hat eine eigene
Registry, welche Informationen über seinen
Gerätetyp und andere spezifische Informationen
enthält, so dass dann eine optimale
Nutzung der Verbindung erfolgen kann. Die
Module können aber nicht nur eine Verbin-

dung nutzen sondern sogar mehrere parallele
Datentransfers durchführen. Dies wird erreicht
durch die Verteilung der Informationskanäle
auf unterschiedliche Sprungfrequenzen,
somit können mehrere Wege gleichzeitig
genutzt werden. Daten werden asynchron
übertragen, und da es sich besser eignet,
wird Sprache synchron übertragen. Nachteilig
sind der bisher hohe Preis, die geringe
Reichweite, die schmale Übertragungsrate
und es stehen der breiten Nutzung auch
noch Inkompatibilitäten der Geräte von verschieden
Herstellern entgegen.[Duy01]
Die Architektur eines Bluetoothmoduls wird
in der folgenden Darstellung veranschaulicht.
kurz zur Erläuterung:
-L2CAP: logische Verbindung, Protokollanpassung
-Link Management: Verwaltung von Piconetzen
-Baseband: Auffinden von Geräten, Synchronisation,
Fehlerbehandlung
-RF-Schicht: physikalische Übertragung
Abbildung 38: Bluetooth-Architektur [Bei00]
Der Stromverbrauch wird in einem Gerät dieser
Art mit Hilfe von vier Modi minimiert, die
alle gleichzeitig aktiv sein können. Der Verbrauch
der einzelnen Zustände wird in der
4.2 Kommunikationstechnologie
nachfolgenden Tabelle erfasst.
Modus Verbrauch
Sleep/Park 30 Mikroampere
Hold 60 Mikroampare
Sniff/Bereitschaft 300 Mikroampare
Senden/Empfangen 3-30 Milliampare
Tabelle 1: Verbrauch [Duy01]
Im Parkmodus wird das Gerät mit anderen
synchronisiert, aber nimmt nicht am Datentransfer
teil. Der Holdmodus ist die Verbindungsbereitschaft
des Moduls, ohne jedoch
wirklich Daten zu übertragen. Jedes Modul
hört im Sniffmodus die verschieden Frequenzen
ab, mit einer Periode von 32 Frequenzen
in etwa 1,28 Sekunden. Dieser Zustand ist
der normale Zustand von Bereitschaft für ein
Bluetoothmodul.
Will nun ein Gerät Kontakt mit einem anderen
Modul aufnehmen, wird es zum Busmaster,
da die Master/Slave-Rollen dynamisch vergeben
werden können. Der Master sendet an
die Slaves eine Inquiry-Nachricht und falls er
das Gerät noch nicht kennt, eine zusätzliche
Page Nachricht. Dabei werden unter anderem
die Adressen und der Frequenzsprung-
Algorithmus abgefragt. Anschließend wir die
Datenübertragung durch eine Nachricht auf
16 Frequenzen initialisiert. Der Verbindungsmaster
bestimmt welche Verbindungsarten
auf den jeweils angeschlossen Geräten aktiv
sind und wie schnell ein Interface kommuniziert.
Dieser Verbindungssaufbau funktioniert
leider nur so lange keine schnellen
Bewegungen auftreten, da die zuvor erwähnten
Zustandswechsel zu lange dauern.
Abschließend lässt sich noch feststellen,
dass mit Bluetooth ein weites Anwendungsfeld
erschlossen werden kann, dies gilt vor allem
i auf dem Bereich der Smart-Its. Es bietet
neben einer hohen Gerätedichte, eine kabellose
Vernetzung an und erweitert die einfache
Funkübertragung durch eine umfassende
Protokollarchitektur. Da die Entwicklung
aber noch am Anfang steht, sind noch einige
Probleme aus dem Weg zu räumen, zu denen
unter anderem der hohe Stromverbrauch
gehört.[Duy01]
55

Detlef Köntges
In dem Nachfolgenden Bild wird ein Bluetoothmodul
von Ericsson dargestellt. Mit einer
Größe von 33 x 17 x 3.65 mm Größe kostet
es zur Zeit 20 bis 30 Dollar. Geplant ist
eine neue Chip-Architektur, in der alle Komponenten
auf die Fläche von 9 x 9 mm integriert
werden.[Duy01]
4.2.2 IrDA
Abbildung 39: Bluetooth [Bei00]
Die Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) ist eine
vom Auge nicht wahrnehmbare elektromagnetische
Strahlung, die an die langwellige
Grenze des Sichtbaren Lichts anschließt und
sich bis ins Mikrowellengebiet erstreckt. Basierend
auf dieser Strahlung werden mit dem
IrdA-Standard der Infrared Data Association
drahtlose Punkt zu Punkt Verbindungen
möglich, die eine Entfernung von etwa einem
Meter zulassen. Ursprünglich war diese
Technologie für den Einsatz in kabelloser Tastatur,
Maus und anderen Peripheriegeräten
gedacht. Dabei werden IR- Dioden eingesetzt
um die Signale im Infrarotbereich zu
erzeugen. Diese strahlen ein diffuses Licht
aus, welches von Wänden reflektiert wird.
Für die Kommunikation zwischen Geräten ist
eine Ausrichtung der Strahlenquelle zu den
Sensoren erforderlich. Die Orientierung der
Quelle auf die Sensoren des Empfängers
sollte dabei nicht über einen 30 Grad Kegel
hinaus gehen. Der Grund für diese Einschränkung
ist die Vermeidung von Reflektion
und anderen unerwünschten Einflüssen,
die dem Aufbau von Piconetzen entgegengestanden
hätten. IrdA ist derzeit ein aktueller
Standart in Mobilrechnern, so zum Beispiel
um die Verbindung von Digitalkamera und
56
Drucker zu ermöglichen. Folgeprobleme dieser
Einschränkung sind, dass in bestimmten
Situationen einige Teilnehmer eines Netzes
sich nicht sehen können. Gelöst wird diese
Frage in IrdA über eine Master-Slave-
Beziehung.
Die Vorteile der IR-Technologie sind vor allem
die niedrigen Kosten und eine einfache
Herstellung der Geräte, außerdem sind keine
Lizenzen, wie sie häufig in der Funktechnologie
auftreten, erforderlich. Auch die Abschirmung
ist einfach, um Interferenzen mit anderen
Quellen zu vermeiden. Probleme treten
aber bei der Einstrahlung von Sonnenlicht
auf und auch andere Wärmequellen könne
ungewollte Einflüsse auf die Kommunikation
haben. Außerdem lässt sich die Infrarotstrahlung
leicht abschatten und bietet nur eine
niedrige Bandbreite. Das heißt auf asynchronen
Datentransfers können etwa 115,2 Kbps
übertragen werden und bei synchronen Verbindungen
wird mit ungefähr 1,152 Mbps
etwas mehr ermöglicht.[Bei00]
4.2.3 Ad-hoc Netzwerk
Smart-Its sind durch die Beweglichkeit der
Gegenstände an die sie gebunden sind,
nicht in herkömmliche Netzwerkstrukturen
einzubinden. Es ist nicht vorherzusehen welche
Geräte sich gerade in Reichweite befinden.
Daher ist die Fähigkeit der Bluetoothund
IrdA- Technologie ein Netzwerk ad hoc
(aus dem Augeblick heraus) aufzubauen von
schwerwiegender Bedeutung für die Verbindung
zwischen Smart-Its. Dabei kommunizieren
die Netzwerkteilnehmer direkt miteinander
ohne irgendwelche Basisstationen.
Damit ist die für Smart-Its notwendige räumliche
Unabhängigkeit gewährleistet, die aber
durch den Empfangsbereich eingeschränkt
wird.

Abbildung 40: Ad-hoc Netzwerk
4.2.4 Andere Übertragungsmedien
Neben den herkömmlichen Techniken wie
Funk- und IR-Verbindungen, werden neue
Wege des Datentransfers entwickelt. Eine
Idee dazu ist die Intra-Body-Kommunikation,
bei der Information über den menschlichen
Körper übertragen wird.
Abbildung 41: Datenübertragung per Berührung
[Bei00]
Diese in den MIT MediaLab entwickelte
Technologie kann über Ströme im nA-
Bereich 3 eine Datenrate von mehreren Kbps
erreichen. Sie ist sehr energieeffizient
und stellt berührungskontrollierte Verbindungen
zwischen dem Menschen und seinen
Werkzeugen her. So könnte man sich vorstellen,
dass ein Werkzeug eine Verbindung,
mit einem Smart-It das in der Kleidung untergebracht
ist, über den menschlichen Körper
3 Nano Ampere ist die Stromstärke
4.2 Kommunikationstechnologie
aufnimmt und direkt alle persönlichen Einstellung
an sich selbst vornimmt, die der Anwender
benötigt.
Abbildung 42: persönliche Einstellungen bei
einer Kamera [Bei00]
Eine weitere Möglichkeit Informationen zwischen
Smart-Its auszutauschen, besteht
über Oberflächen. So wird bei einem Projekt
an der University of Cambridge an einer
Tischplatte gearbeitet, die als Übertragungsmedium
dient, für alle Geräte die darauf abgestellt
sind. Die Oberfläche des Tisches besteht
aus Kacheln, während die universelle
Schnittstelle an den Geräten eine Runde
Form aufweist. Diese Formgebung ermöglicht
erst die sichere Bereitstellung der erforderlichen
Anzahl von Pins, die für eine Verbindung
notwendig sind.
57

Detlef Köntges
Abbildung 43: Schema für Kontaktfläche
[Bei00]
Abbildung 44: Versuchsaufbau des Tisches
[Bei00]
4.2.5 Powerline Communication (PLC)
Für Smart-Its die in Geräten mit einem Anschluss
an das Stromnetz integriert sind, besteht
außer der Möglichkeit die Energieversorgung
mit zu nutzen, Informationen über
das Kabel zu versenden oder zu empfangen.
Die Powerline Communication nutzt die
Verkabelung eines Hauses zur Stromversorgung
um Daten zu übertragen, mit den
Steckdosen als Zugang. Leider können solche
Geräte nicht mobil eingesetzt werden.
Für Smart-Its kann dies aber ein Zugang zu
anderen Netzen sein, wie etwa die Verbindung
zweier Piconets die räumlich zu weit
auseinanderliegen. Die Daten werden als
hochfrequentes Signal auf 50/60 Hz Wechselstrom
übertragen. Der Bereich ist eingeschränkt
durch die Reservierung von 4
Bändern zwischen 10 bis 150 kHz für die
Energieversorgungsunternehmen, wie sie in
Europa angewendet wird. Wegen der fehlen-
58
den Abschirmung der stromführenden Kabel,
sind diese als Übertragungsmedium sehr anfällig
für die Einstrahlung von Elektrogeräten
und Funkquellen. Zudem werden die Signale
mit zunehmender Entfernung schwächer, so
das eine Verstärkung in bestimmten Intervallen
erforderlich wäre.[Bei00]
4.3 Energieversorgung
Das Hauptproblem jedes derzeit verfügbaren
mobilen Rechners ist seine Versorgung mit
Energie. Im Falle der Smart-Its wird dieser
Zustand durch die geringe Größe der Artefakte
verschärft. Falls keine Quelle an dem
Gegenstand existiert, in welchem das Smart-
It integriert ist, muss die Energie etwa aus einer
Batterie gewonnen werden. Die Entwicklung
ist in diesem Bereich bereits sehr weit
fortgeschritten, nicht nur die Haltbarkeit wurde
erhöht sondern auch die Wiederverwendbarkeit.
So könnte ein Smart-It-Artefakt sich
an bestimmten Orten wieder neu laden. Das
Wechseln der Energiequelle durch den Anwender,
wäre bei steigender Zahl von solchen
Geräten sehr aufwendig. Gerade dort
könnten Energiequellen eingesetzt werden,
die sich aus ihrem Umfeld versorgen. Zu
solche Quellen zählt neben der Sonne, der
Mensch selbst.
4.3.1 Photovoltaik
Die Lichtenergie, die in der Umgebung frei
verfügbar ist, wird seit langer Zeit genutzt.
Wir kennen sie aus der Satellitentechnik und
Raumfahrt, aber auch Taschenrechner, Uhren,
Handys oder die Versorgung eines ganzen
Hauses mit elektrischer Energie sind
Beispiele für die weitreichende Verwertung.

Abbildung 45: eine Bild der Photvoltaik wie
es jeder kennt [Gno02]
Der Einsatz für Kleinstgeräte bietet sich an,
da sie nur einen geringen Bedarf an Energie
haben. Der Nachteil dieser Technologie
ist ihre Abhängigkeit zu einem hellen Platz,
um genügend Elektrizität aus dem Licht zu
gewinnen. Daher ist sie für Smart-Its nur bedingt
einsetzbar, nämlich gerade für solche
die in Gegenständeeingebaut sind, die eine
gut beleuchtete Oberfläche besitzen.
4.3.2 Windenergie
Bereits die Mühle im Mittelalter nutzte die
Kraft des Windes, warum sollten nicht auch
Smart-Its davon Gebrauch machen. Etwa an
einer Jacke angebracht oder einem Fahrzeug
könnte die Bewegung der Luft die Quelle der
Energie sein, die ein Geräte für seine Funktion
benötigt.
4.3.3 Piezoelektrik
Bei dieser Variante der Energieversorgung
wird die Bewegung genutzt, um Energie zu
erzeugen. So kann zum Beispiel die Bewegung
des Menschen dazu dienen, eine Reihe
von Smart-Its die an seinem Körper an-
4.4 Sensoren
gebracht sind, mit Energie zu versorgen. Um
die Bewegung zu nutzen, benötigt man piezoelektrische
Materialien, die bei mechanische
Belastung elektrische Energie produzieren.
Dabei kann sich zum Beispiel um
eine Verbindung aus Blei- Zirkonat-Titanat
(PZT) oder um Polyvinyliden Fluorid (PVDF)
handeln. Im folgenden Bildbeispiel wird eine
schematische Darstellung eines Schuhs gezeigt,
der mit den entsprechenden Substanzen
ausgerüstet ist.[Gno02]
Abbildung 46: Verwendung der Piezoelektrik
[Gno02]
4.4 Sensoren
Die Fenster der Smart-Its in die Außenwelt
sind ihre Sensoren, über die sie ihre Umgebung
wahrnehmen können. Wichtige Eigenschaften
die einen Sensor für ein Smart-It
benötigt, sind eine geringe Größe und ein
niedriger Stromverbrauch. Außerdem muss
die Ausgabe des Sensors einfach zu interpretieren
sein. Solche Informationen sind etwa
eindimensionale Muster wie sie zum Beispiel
bei der Messung von Spannungsverläufen
entstehen oder zweidimensionale Art
wenn etwa Bilder aufgezeichnet werden. Zusätzlich
zu diesen Daten zählen auch Informationen
über interne und externe Sensorzustände.
Zu vielen Parametern die unsere Umwelt
kennzeichnen, gibt es Sensoren um diese
messen.
Geometrische Parameter: Winkel, Länge, Distanz,
Position, Präsenz, ...
59

Detlef Köntges
Mechanische Parameter: Gewicht, Biegung,
Druck, Vibration, Beschleunigung, ...
Zeitparameter: Relative /absolute Zeit, Dauer
Klimatische Angaben: Temperatur, Feuchtigkeit,
Wind, Luftdruck
Optische Parameter: Lichtintensität, Wellenlänge,
Spektrum, Muster
Akustische Parameter: Lautstärke, Frequenz,
Muster
Elektrische /Technische Parameter: Spannung,
Strom, Durchfluss
Chemische /Biologische /Umwelt Parameter:
Ozon, Gas, pH, Radioaktivität
Gesundheitsparameter: Blutdruck, Sauerstoffsättigung,
Pulsrate, Hautleitfähigkeit
[Bei00]
4.5 Projekte, Visionen
4.5.1 Smart-Its Projekt
Das Smart-Its Projekt ist ein von der Europäischen
Kommission und dem Schweizer Bundesministerium
für Bildung und Wissenschaft
finanziertes Projekt, mit dem Auftrag Alltagsgegenstände
mit einer gewissen Intelligenz
auszustatten. Die dort entwickelte Technologie
stellt die Basis für viele weitere Projekte
dar. In den folgenden Bildern werden einige
dieser Elemente, zu denen Sensorplatinen,
Funknetzwerkadapter und Minicomputer gehören,
dargestellt.
Abbildung 47: Smart-It mit Bluetooth [Gel02]
60
Abbildung 48: Smart-It mit RF-Modul [Gel02]
Abbildung 49: Smart-It mit Display und Temperatursensor
[Gel02]
4.5.2 Smart-Its Friends
Die Entwickler diese Projektes hatten sich
die Aufgabe gestellt, dass Gegenstände miteinander
eine Verbindung eingehen können
und diesen bei Bedarf auch wieder lösen.
Dabei sollte auf ein herkömmliches User
Interface verzichtet werden, und nur der
gemeinsame Kontext der Gegenstände als
Auslöser für die Verbindung dienen. Dies bedeutet,
wenn zwei Artefakte die gleichen vordefinierten
Umweltbedingungen haben, wird
eine Zusammengehörigkeit festgelegt. Dabei
wurde die Bewegung als erforderliche Umwelteigenschaft
betrachtet, d.h. wenn zwei

Smart-Its Friends auf die selbe Art und Weise
bewegt werden, erfassen sie den jeweils
anderen als Partner und lösen die Verbindung
erst bei unterschiedlichen Bewegungen.
Zwei solche miteinander verknüpfte Artefakte
sollen, sobald sie sich aneinander
annähern, wiedererkennen können und ein
akustische Signal bei Trennung und Verbindung
ausgeben. Die Smart-Its Friends sind
aus zwei Hauptbestandteilen aufgebaut. Die
Sensor- und Kommunikationsplatine stellt,
mit Bewegungssensoren für zwei Richtungen
und einem kleine Funkmodul für die kabellose
Kommunikation, den Kontakt zur Umwelt
dar. Die zweite Platine besitzt einen Prozessor
samt Speicher, der die Daten der Sensoren
verarbeitet und die Funkverbindung mit
anderen Smart-Its Friends steuert. Die gesamte
Anordnung wird über eine Batterie mit
Energie versorgt, zu der unter anderem auch
ein Lautsprecher und Sensoren für einen
Energiesparmodus gehören. Dieser Energiesparmodus
wird geschaltet sobald keine Bewegung
mehr von außen auf das Artefakt
einwirkt.
Die Ausgaben der Bewegungssensoren werden
ausgewertet und an andere Smart-
Its Friends übertragen. Sobald die Bewegungsmuster
zweier Smart-Its übereinstimmen
wird eine Verknüpfung etabliert und gespeichert.
Darauf wird die Verbindung akustisch
bestätigt und sobald sich die beiden
Geräte außerhalb der Reichweite ihrer Funkmodule
befinden oder sie diesen Bereich
wieder erreichen wird ebenfalls ein Signal
ausgegeben. Die Bewegungen der beiden
Elemente wird permanent verglichen und so
bald sie stark voneinander abweichen, wird
die Verknüpfung wieder gelöscht und mit einem
akustischen Signal bestätigt.
4.5 Projekte, Visionen
Abbildung 50: ein Größenvergleich [Bei00]
Abbildung 51: Smart-Its-Friends [Abe02]
Abbildung 52: Verknüpfung durch gemeinsame
Bewegung [Bei00]
Eine praktische Anwendung für diese Idee
wäre zum Beispiel Gegenstände wie Ohrringe
oder Geldbörse und Kreditkarte damit
auszustatten. Bei Bedarf würde ein Signal ertönen
wenn einer der Partner weiter als erlaubt
sich vom anderen entfernt.
61

Detlef Köntges
4.5.3 MediaCup
Abbildung 53: MediaCub [Bei00]
Dieses Projekt beschäftigt sich mit einer Tasse,
die mit Sensoren für Temperatur, Druck
und Bewegung ausgerüstet wurde. Außerdem
verfügt die Tasse über zwei aufladbare
Kondensatoren die sie mit Strom versorgen.
Sie kann mit einer IrdA-Schnittstelle
Verbindung zu anderen Smart-Its aufnehmen,
was neben anderen Tassen auch eine
Kaffeemaschine oder Positionsartefakte
in Schränken oder Räumen sein können
(Router). Die Nutzung dieser Tasse ist sehr
vielfältig, so kann sie zum Beispiel feststellen
wieviele Tassen Kaffee schon getrunken
wurden und dann berechnen wieviel Koffein
aufgenommen wurde. Bei Bedarf informiert
sie die Kaffeemaschine darüber und
diese schaltet dann auf Entkoffeinierten um.
Sie kann auch an entsprechend ausgestattete
Ausgabe-Smart-Its (etwa ein Armband
mit Display) Informationen über das Getränk
weitergeben (Ausgaben wie: wird kalt, trinken
oder aber auch die Temperatur ist möglich).
Sehr entscheidend ist die Fähigkeit des
MediaCup-Systems, neue Artefakte einfach
62
zu integrieren, diese können ohne Vorwissen
mit anderen Geräten aus der Umgebung
kommunizieren.[Bei00]
Ziel dieser Entwicklung war es Erfahrungen
mit intelligenten Geräten zu machen, Vernetzungen
zu testen und mit Anwendungen zu
experimentieren.
Abbildung 54: Architektur [Bei00]
Abbildung 55: Kaffeemaschine [Bei00]

4.5.4 Ikea
Am Institut für Wissenschaftliches Rechnen
der ETH Zürich wurde ein Problem aufgegriffen
das fast jeder kennt, nämlich der richtige
Zusammenbau eines Ikeaschrankes. Niemand
liest gern die Bauanleitung für ein Möbelstück,
da diese langweilig oder einfach
unverständlich sind. Für einen Schrank fanden
die Forscher Professor Bernt Schiele,
Stavros Antifakos und Florian Michahelles
heraus, das es 44 Möglichkeiten des Zusammenbaus
gibt, aber nur 8 dieser Varianten
sind sicher. Um nun den Hobbybastler zu
unterstützen haben die Wissenschaftler diesen
Schrank mit Smart-It-Technologie ausgestattet.
Die einzelne Teile des Möbel wurden
mit Druck- und Bewegungssensoren versehen,
um den Zusammenbau zu sichern.
Die einzelenen Sensoren tauschen untereinander
Daten aus und bestimmen so die Lage
Literatur
jedes Bestandteils des Schrankes. Sie sind
in der Lage dem Anwender auf einem seperaten
Bildschirm Tipps und Warnungen zu
geben, mit dem sie über eine dratlose Verbindung
in Kontakt stehen. Diese Ausgabe
kann auch über farbige Lämpchen geregelt
werden, die den Anwender während des Zusammenbaus
leiten.[Zür02]
Abbildung 56: smartes Brett [Zür02]
[Abe02] Ulrich Abend: Endgeräte des Ubiquitous Computing. http://snake.cs.tuberlin.de:8081/~tom/ubig-2002,
2002.
[Bei00] Michael Beigl: Ubiquitäre Informationstechnologien. http://www.teco.edu/
lehre/ubiqws0102, 2000.
[Duy01] Manfred Duy: Bluetooth Die Zukunft kabelloser Kommunikation. www.aboutIT.
de/01/25/07.html, 2001.
[Gel02] Prof. Hans Gellersen: The Smart-Its Project. http://www.smart-its.org/,
2002.
[Gno02] Alexander Gnodtke: Stromversorgung ubiquitärer Systeme. http://snake.cs.
tu-berlin.de:8081/~tom/ubig-2002, 2002.
[Mat01a] Friedemann Mattern: Ubiquitous Computing - der Trend zur Informatisierung und
Vernetzung aller Dinge. Informatik, 5/2001, S. 2-3.
[Mat01b] Friedemann Mattern: Ubiquitous Computing - Vision und technische Grundlage.
Informatik, 5/2001, S. 4-8.
[Sie02] Frank Siegemund: Kontextbasierte Bluetooth-Scatternetz-Formierung in ubiquitären
Systemen. http://www.inf.ethz.ch/~siegemun/publ/scatternet.
pdf, 2002.
[Zür02] ETH Zürich: Idiotensicherer Möbelzusammenbau. www.ethlife.ethz.ch,
2002.
63

5 Mobile Ad-Hoc-Metzwerke
Zusammenfassung
In dieser Arbeit geht es um mobile Adhoc-Netzwerke
(MANET’s). Die Themen
umfassen eine allgemeinere Einführung,
Hardware für drahtlose Vernetzung, Routing
in Ad-hoc-Netzen sowie die Einbettung
in den Bereich des Ubiquitous Computing
durch Vorstellung von Einsatz-
Szenarien und bereits existierenden Projekten.
5.1 Einleitung
Netzwerke zwischen jeglicher Art von Hardware
werden immer beliebter. Es gibt inzwischen
fast keine Computer mehr, die nicht
auf irgendeine Weise mittels eines Netzwerks
untereinander kommunizieren. Diese
Entwicklung wird sich noch weiter verstärken
und insbesondere die drahtlosen Netze
werden immer mehr Zuspruch gewinnen.
Das eröffnet auch vielen anderen Geräten -
den Embedded Systems, Peripheriegeräten,
PDA’s und Handys - den Zugang zu den ubiquitären
Netzen.
Im Gegensatz zu den mehr oder weniger fest
verdrahteten, stationären Netzen wird es in
Zukunft vermehrt „spontane“ Netzwerke, die
Ad-hoc-Netzwerke, geben, die sich automatisch
konfigurieren und ohne weiteres Zutun
des Benutzers Nachrichten untereinder austauschen
können.
Die Vision ist, beliebige Geräte, mobil oder
stationär, bei sich möglicherweise ständig
ändernder Topologie und gegenseitiger Erreichbarkeit
bezüglich Bandbreite und Verzögerung,
robust und effizient miteinander zu
verbinden.
4 Dynamic Host Configuration Protocol
64
Elmar Schoch
Universität Ulm
Fakultät für Informatik
elmar.schoch@informatik.uni-ulm.de
5.2 Ad-hoc-Netzwerke
Was macht Ad-hoc-Netzwerke aus? Worin
unterscheiden sie sich von anderen, bekannten
Netzwerktypen?
Der grundlegendste Unterschied zu normalen,
statischen Netzwerken besagt schon der
Name: sie kommen spontan zustande, ohne
eine permanente, gleichbleibende Infrastruktur.
Ein weiteres Kriterium ist das autonome
und adaptive Verhalten. Das Netzwerk
soll sich automatisch selbst konfigurieren
und neue Knoten dynamisch integrieren.
Dadurch erhält man auch eine prinzipiell beliebige
Skalierbarkeit. Dennoch gibt es aufgrund
der Weiterleitungsproblematik Grenzen
der Erweiterbarkeit (siehe Abschnitt 5.4).
Diese bisher beschriebenen Charakteristika
sind prinzipiell auf jedes Netzwerk, drahtgebunden
oder drahtlos, anwendbar. So gibt
es ja zum Beispiel für die automatische
Vergabe von IP-Adressen und der TCP/IP-
Konfiguration von Rechnern das etablierte
DHCP 4 -Protokoll, das gewisse Teile eines
Netzwerks leicht erweiterbar und bezüglich
der Konfiguration anpassbar macht. DHCP
benötigt aber einen zentralen Server; ein
DHCP-Netz ist also nicht komplett autonom.
5.2.1 Mobile Ad-hoc-Netzwerke
Das Thema dieser Arbeit aber sind mobile
Ad-hoc-Netzwerke, bei denen die Geräte frei
beweglich sind. Aus dieser Mobilität und der
deswegen erforderlichen, drahtlosen Kommunikation
ergeben sich weitere Herausforderungen,
denen bei der Entwicklung der

Kommunikationsprotokolle Rechnung getragen
werden muss [Mac99].
Dynamische Netzwerktopologie
Durch die Anforderung, dass sich Teilnehmer
(im MANET-Kontext in der Regel als
Knoten bezeichnet) jederzeit beliebig weit
und beliebig schnell bewegen können, ändert
sich die Netzwerktopologie, also die Anordnung
und die Erreichbarkeit der Knoten
untereinander potentiell permanent. Es können
zu jedem Zeitpunkt Verbindungen zu benachbarten
Knoten abreißen oder entstehen,
wenn Knoten in die direkte Reichweite kommen.
Zusätzlich müssen Verbindungen nicht
notwendigerweise bidirektional sein, weil es
durchaus möglich ist, das ein Knoten einen
anderen Knoten erreicht, umgekehrt aber
nicht.
Übertragungskapazität
und Verbindungsqualität
Grundsätzlich gilt momentan, dass die
maximale Bandbreite der „wireless links“
der drahtgebundener Netzwerktechnologien
deutlich unterlegen ist. Demzufolge
ist die technologisch verfügbare Übertragungskapazität
in mobilen Netzen äußerst
beschränkt. Die verschiedenen, nutzbaren
Technologien werden in Abschnitt 5.3 näher
betrachtet.
Die Dynamik des Netzwerks hat außerdem
zur Folge, dass sich die Qualität der drahtlosen
Verbindungen zwischen zwei benachbarten
Knoten jederzeit ändern kann, wenn
sich die beiden Knoten aufeinander zu oder
voneinander weg bewegen. Je kürzer der Abstand,
umso höher wird die Feldstärke und
umso besser ist der gegenseitige Empfang
- gleichbleibende Sendeleistung vorausgesetzt.
Aber nicht nur der Parameter der Distanz
zwischen Knoten und die eingesetzte Technik
sorgt für begrenzte Übertragungskapazitäten.
Allein die Mobilität verringert die
Bandbreite noch weiter, weil Interferenzen
und Störungen, wie Abschattung, Beugung,
Streuung und Reflexion der Signale, die
durch die Bewegung entstehen, eine schnel-
5.2 Ad-hoc-Netzwerke
le, korrekte Übertragung verhindern. Hauptsächlich
dadurch entsteht das erwähnte Problem
der asymmetrischen, unidirektionalen
Verbindungen.
Das alles führt dazu, dass eine nicht unerhebliche
Anzahl von Paketen verloren gehen.
Speziell bei der für Anwendungen entscheidenden
End-to-End-Qualität einer Verbindung
spielt das Thema Quality of Service
(QoS) gerade in MANETs eine wichtige Rolle.
Wegfindung und Weiterleitung
Jeder einzelne Knoten hat je nach verwendeter
Technologie nur eine bestimmte Reichweite,
in der er direkt mit anderen Knoten
kommunizieren kann. Um mit weiter entfernten
Stationen Verbindung aufnehmen zu können,
ist es notwendig, dass andere, eigentlich
unbeteiligte Knoten, die Daten zum Empfänger
weiterleiten. Deshalb muss jeder Knoten
gleichzeitig auch Router-Funktion haben,
oft auch als Relaying bezeichnet.
1
Sender
2 3
drahtlose Verbindung
mobiler Knoten (mit Reichweite)
4
Empfänger
Abbildung 57: Weiterleitung in MANET’s
Unter den Gesichtspunkten der dynamischen
Topologie und der variablen Verbindungsqualitäten
muss ein Paket durch das
Netzwerk übertragen werden. Wie wir bereits
gesehen haben, ergeben sich für das Routing
in MANETs verschiedenste Fragestellungen:
Wie findet ein Paket überhaupt seinen
Weg? Was passiert bei Abbruch einer
Route? Wie verhindert man lokale Engpässe?
65

Elmar Schoch
Bei mobilen Ad-hoc-Netzwerken unterscheidet
man zusätzlich noch isolierte Netze und
solche mit Gateways in statische Netze. MA-
NETs sind momentan allerdings nicht dafür
gedacht, dass sie auch als Backbone
für durchwandernde Pakete benutzt werden
können.
Das alles ist zur Zeit Hauptgegenstand der
Forschung in diesem Bereich, und es gibt
bereits mehrere Verfahren und Algorithmen,
wie man die Probleme lösen könnte. Mehr
dazu im Abschnitt 5.4.
Energieversorgung
In der Regel sind die für die Nutzung in MA-
NETs designierten, mobilen Geräte klein und
leicht, und nicht an eine dauerhafte Stromversorgung
angeschlossen, sondern werden
batterie- oder akku-betrieben. Die vorhandene
Energie ist also begrenzt und sollte sparsam
benutzt werden. Deshalb ist die Tatsache,
dass Knoten auch als Relay-Station
für Verbindungen von anderen Knoten arbeiten,
etwas problematisch, da ein Relay-
Knoten ja Aufwand für andere Knoten betreiben
muss. Das betrifft vor allem die dazu benötigte
Energie und die für ihn maximal vorhandene
Übertragungskapazität. Als Router
muss er Teile seiner beschränkten Energie
und Übertragungskapazität für Verbindungen
aufwenden, die er selbst gar nicht effektiv
nutzt; es sollte also ein Ziel für ein MANET
sein, diesen Aufwand möglichst gerecht zu
verteilen und zu entscheiden, ob ein Knoten
als Relay dienen kann oder nicht.
Sicherheitsaspekte
Nicht zuletzt stellt sich gerade für MANETs
die Frage nach der Sicherheit. Aufgrund des
drahtlosen Mediums können Nachrichten
von jeder Station in der Übertragungsreichweite
empfangen werden, genauso wie ein
böswilliger Knoten beliebig korrupte Nachrichten
verschicken oder das Netz mit unsinnigen
Nachrichten verstopfen kann. Es ergeben
sich drei zentrale Punkte:
Datensicherheit und Vertraulichkeit
Die Sicherheit der übertragenen Daten be-
66
trifft mehrere Ebenen. Auf unterster Ebene
sollen natürlich Pakete exakt so beim Emfänger
ankommen, wie sie der Sender abgeschickt
hat. Das kann beispielsweise mit
CRC-Prüfsummen erledigt werden. Auf höheren
Ebenen betrifft die Datensicherheit die
Nutzdaten, die nicht von Eindringlingen oder
unberechtigten Knoten mitgelesen werden
sollen. Diese passive Art der Sicherheitsverletzung
kann zum Beispiel verhindert werden,
in dem Nutzdaten verschlüsselt zwischen
Sender und Empfänger übertragen
werden oder ein Knoten innerhalb eines Virtual
Private Networks agiert.
Sicherheit des Netzwerks
Bei der Gefährung der Netzwerkstruktur handelt
es sich um einen aktiven Eingriff. Ein
böswilliger Knoten kann beispielsweise Routen
verfälschen oder andere Signale durch
eigene überstrahlen. Aufgrund der bewußt
offenen Architektur eines MANETs, und insbesondere
deswegen, weil jeder Knoten
auch als Router tätig ist, ergeben sich hier
etliche mögliche Angriffspunkte. Gleichzeitig
ist diese dezentrale Architektur aber auch ein
Vorteil gegenüber jedem zentral organisierten
Netz, da es keinen „singe-point-of-failure“
gibt.
Sicherheit der Einzelknoten
Da jeder Einzelknoten im MANET als Router
eine nicht unwichtige Rolle spielt, kann
ein Denial-of-Service-Angriff auf ausgewählte
Einzelknoten unter Umständen die Funktionsfähigkeit
des ganzen Netzwerks lahmlegen.
Da sich die Knoten konzeptionell aber
ständig bewegen, ist dies allerdings weniger
ein Problem wie in statischen Netzen.
5.3 Netzwerk-Technik
Die Netzwerktechnik in mobilen Ad-Hoc-
Netzwerken ist drahtlos. Das ist die Basiseigenschaft,
die Voraussetzung ist, wenn
mobile Geräte miteinander kommunizieren
möchten. Realisiert man das Routing auf IP-
Layer, wie in statischen Netzen auch, ist es

zunächst einmal egal, welche spezielle Technologie
mit all ihren spezifischen Eigenschaften
eingesetzt wird. Es ist sogar auch gut
denkbar, dass mobile Geräte mehrere Technologien
einsetzen, über die sie ereichbar
sind. So gibt es ja auch heute schon PDAs
oder Handys im Handel, die sowohl Infrarot
als auch Bluetooth unterstützen.
5.3.1 Vorhandene Technologien
Überblick
Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es schon etliche
Technologien, die drahtlose Verbindungen
ermöglichen [Sch02] [Kar01]. Die allererste
Technik war wohl Infrarot-Licht. Aufgrund der
geringen Übertragungsrate und der notwendigen
Sichtverbindung zwischen Sender und
Empfänger ist Infrarot aber eher für direkte
low-level Verbindungen bei wenigen Metern
Entfernung geeignet. Der IrDA5-Standard erlaubt
beispielsweise nur einen Abstand von
maximal 1,5 Metern und eine auf 30
genaue
Ausrichtung der Transceiver.
Daneben existieren diverse Funksysteme,
die im Vergleich zu IrDA den Vorteil haben,
dass keine Sichtverbindung erforderlich
und Broadcast möglich ist. Der europäische
Schnurlos-Telefon-Standard DECT ist
vermutlich in den meisten Haushalten präsent;
mit DECT können aber auch Daten
übertragen werden. Eine frühe, reine Datenfunktechnik
war HomeRF. Es konkurriert zum
heute verbreiteten IEEE 802.11b-Standard,
arbeitet ebenfalls im lizenzfreien ISM 6 -Band
bei 2,4 GHz und unterstützt eine Datenrate
von 1-2 MBit/s bei einer maximalen Reichweite
von 50 Metern in Gebäuden.
Eine weitere Alternative stellen die
Standards Wireless ATM, HIPER-
LAN/HIPERLINK dar. HIPERLAN kann bei
5 GHz Datenraten von 24 MBit/s erreichen,
HIPERLINK bietet 155 MBit/s auf Frequenzen
bei 17 GHz. Obwohl HIPERLAN einige
interessante Eigenschaften wie Multi-Hop
5 Infrared Data Association
6 Industrial, Scientific, Medical
5.3 Netzwerk-Technik
auf MAC-Layer und eine dezentrale Ad-hoc-
Struktur bietet, hat es keine praktische Relevanz,
da keine Produkte verfügbar sind.
Bluetooth
Bluetooth wurde 1998 von einer Special Interest
Group (SIG) der Firmen Ericsson, IBM,
Intel, Nokia und Toshiba ins Leben gerufen
und die erste Spezifikation 1999 vorgestellt.
Es handelt sich dabei um eine Nahbereichsfunktechnik,
mit der in mehreren Profilen Daten,
Sprache und auch eine Kombination daraus
übertragen werden kann. Bluetooh verfolgt
von Grund auf die Prinzipien eines Adhoc-Netzwerks.
Ziele
Das primäre, naheliegendste Ziel ist die
drahtlose Anbindung von Peripheriegeräten
und die drahtlose Verbindung von mobilen
Geräten wie PDA’s und Handys. Auf diese
Weise ist es beispielsweise möglich, mit
dem PDA seine E-Mails zu lesen, die über
die Internet-Verbindung, die das Handy aufgebaut
hat, abgerufen werden. Das Handy
kann dabei in der Tasche bleiben - es kommuniziert
ohne lästige Kabel per Bluetooth
mit dem PDA. Das ganze wäre weniger praktisch,
wenn Bluetooth sich nicht selbst konfigurieren
würde - ein weiteres Ziel. Wie bereits
in der Einleitung erwähnt, kommt es bei
mobilen Geräten auch auf die sparsame Benutzung
von Energie an. Diesem Problem
wurde im Bluetooth-Standard dadurch Rechnung
getragen, dass Geräte sich in einen
Energiesparmodus schalten können. Wichtig
für den Erfolg am Markt ist nicht zuletzt auch
der Preis, weshalb beim Entwurf auf die Realisierung
einer kostengünstigen, integrierten
1-Chip-Lösung geachtet wurde. Dieses Design
kommt gleichzeitig auch dem Einsatz in
kleinen Geräten zugute.
Technik
Auch Bluetooth funkt bei 2,4 GHz im ISM-
Band und teilt es in 79 Kanäle mit der Breite
67

Elmar Schoch
von 1 MHz auf. Da es in diesem Frequenzraum
zu Störungen durch andere Benutzende
kommen kann, betreibt Bluetooth das sogenannte
„Frequency Hopping“ mit einer Frequenz
von 1600 Hz.
Maximale Übertragungsrate ist 1 MBit/s, wobei
es verschiedene Profile für verschiedene
Anforderungen gibt: synchrone Sprachdienste
mit 64 kBit, asynchroner Datenkanal mit
ca. 700 kBit etc. .
Grundsätzlich ist Bluetooth für Ad-hoc-
Piconetze mit einem Funkbereich von 10 Metern
vorgesehen und arbeitet dann mit einer
Sendeleistung von 1 mW. Zusätzlich existiert
aber auch eine Variante mit einer Sendeleistung
von 100 mW, die dann eine Reichweite
von ca. 100 Metern hat.
Netzwerkstruktur
Die aktiven Knoten sind in sogenannten Piconets
organisiert, wobei ein Piconet maximal
8 Teilnehmer haben kann, von denen
genau ein Knoten der „Master“ ist. Zusätzlich
können sich einem Piconet noch passive
Knoten anschließen, die nur den Datenstrom
lesen. Die Knoten in einem Piconetz
haben gemeinsam, dass sie die selbe Hüpfsequenz
zwischen den Kanälen verwenden,
die der Master bestimmt.
Master
Slave
Bridge
Piconet
Abbildung 58: Bluetooth Piconet & Scatternet
Ein Scatternet ergibt sich durch eine Gruppe
von Piconetzen; die Verbindung zwischen
den Piconetzen kommt durch Knoten zustan-
68
de, die ständig zwischen Piconetzen wechseln
und so eine Brücke zwischen diesen
bilden. Es ist sowohl möglich, dass ein solcher
Brückenknoten in einem Piconetz Master
und im anderen Piconetz Slave ist, als
auch, dass eine Bridge in beiden Piconetzen
Slavestatus hat. Bluetooth ist dahingehend
optimiert, dass 10 Piconetze parallel in
einem Scatternet betrieben werden können.
Visionen & Szenarien
Das Hauptziel ist auch die Hauptvision: Bluetooth
soll Standard in der Anbindung von Peripheriegeräten
und mobilen Agenten an stationäre
Rechner werden. Geräte sollen ohne
Kabelverbindungen mit dem PC beziehungsweise
einer Feststation oder untereinander
Daten austauschen können.
Durch die Verfügbarkeit eines kostengünstigen,
universellen Systems zur drahtlosen
Kommunikation in geringen Reichweiten entstehen
aber Möglichkeiten, die vom simplen
Datenaustausch konzeptionell weit entfernt
und eher im Bereich des Ubiquitous Computing
angesiedelt sind. Beispielszenarien:
Intelligenter Einkauf
Bluetooth könnte ermöglichen, dass man auf
seinem PDA die aktuellen Angebote im Supermarkt
abruft, genauso wie man weitere
Informationen zu bestimmten Produkten bekommen
könnte, wenn man gerade direkt vor
dem Regal steht.
Berührungslose Bezahlungssysteme
Man könnte durch die Kommunikation des
Handys oder des PDAs mit Kassensystemen,
Fahrkartenautomaten, etc. ohne Kleingeld
und berührungslos bezahlen. Ein solches
System könnte bisherige Zahlungsmöglichkeiten
per EC-Karte, Geldkarte oder
ähnlichem in einem einzigen, mobilen Gerät
zusammenfassen.
Wireless Personal Area Networks (WPANs)
Nicht zuletzt ist Bluetooth für sogenannte Wireless
Personal Area Networks geeignet, die
gewissermaßen ein System vernetzer Geräte
am und um den Körper herum darstellen.
Ein Ansatz zu einem solchen WPAN ist beispielsweise
ein drahtloses Headseat, das per
Bluetooth mit dem Handy kommuniziert.

IEEE 802.11 (WLAN)
Die WLAN-Technik ist die Datenfunktechnik,
die derzeit am meisten im Blickpunkt steht.
Auf dem Markt ist eine Vielzahl von Produkten
verfügbar, die Kosten dafür sind überschaubar
geworden. Vermehrt werden in Unternehmen,
aber auch in öffentlichen Gebäuden
sogenannte „Hotspots“ aufgebaut, also
lokal begrenzte, mit IEEE 802.11-Technik
ausgestattete Bereiche, in denen man drahtlos
auf ein Netzwerk Zugriff hat. Aufgrund
der mittleren Reichweiten, der Kostentransparenz
und dem großen Angebot, sowie der
Möglichkeit, WLAN-Adapter in einem Ad-
Hoc-Modus zu betreiben, eignet sich dieser
Standard auch gut für MANETs und das Ubiquitous
Computing.
Technik
Die erste Version des IEEE 802.11-
Standards umfasst drei verschiedene Möglichkeiten,
Daten drahtlos zu übertragen:
zwei mit Funkübertragung im 2,4 GHz ISM-
Band, eine mittels Infrarot bei Wellenlängen
von 850-950 nm. Die zwei Varianten
per Funk unterscheiden sich durch die
Übertragungsweise; die erste verwendet ein
Frequency-Hopping-Verfahren, die andere
ein Spreizcode-Verfahren (Direct Sequence
Spread Spectrum). Beide bieten Übertragunsgraten
von 1-2 MBit/s.
Heute gibt es mehrere Erweiterungen des
Standards - die heute hauptsächlich benutzten
Geräte sind 802.11b-konform. IEEE
802.11b kann maximal 11 MBit/s Datenrate
erreichen, eine andere Erweiterung, wie
802.11b auch auf dem 2,4 GHz-Band, bringt
es auf über 20 MBit/s. Diese und andere
Erweiterungen sind heute allerdings (noch)
nicht relevant. So gibt es beispielsweise noch
802.11a, eine Variante, die im ISM-Band bei
5,7 GHz arbeitet und Übertragungsraten von
54 MBit/s bieten soll und erst vor kurzem in
Deutschland zugelassen wurde. Auch dazu
gibt es in Form von 802.11h schon eine Abwandlung
mit noch höheren Datenraten. Im
Rahmen des 802.11 sind aber auch Erweiterungen
im Bereich der Quality of Service und
5.3 Netzwerk-Technik
des Power Managements (802.11e), sowie
im Bereich Sicherheit und Authentifizierung
(802.11i) zusammengefasst.
Die heute gebräuchliche Version bietet
Reichweiten von 50 - 300 Metern, mit speziellen
Antennen sind auch Entfernungen von
mehreren Kilometern möglich.
Netzwerkstruktur
Die Zugangskomponenten zu einem WLAN
nach 802.11 bieten grundsätzlich zwei Betriebsarten:
den Infrastucture-Modus und
den Ad-hoc-Modus. Beim Infrastructure-
Modus wird festgelegt, dass sich der drahtlose
Client am einem Accesspoint anmeldet
und dadurch eine Verbindung in die feste
Infrastruktur erhält. Mit einer drahtlosen
Schnittstelle auf der einen und einer drahtgebundenen
Schnittstelle, meistens Ethernet,
auf der anderen Seite, bilden Accesspoints
„Brücken“ zwischen der drahtlosen
und der drahtgebundenen Infrastruktur. Verbindungen
zwischen zwei mobilen Geräten
im Infrastructure-Modus, die sich im gleichen
Einflussbereich eines Accesspoints (BSS,
Basic Service Set) befinden, aber auch technisch
direkt untereinander kommunizieren
könnten, bleibt nur der Weg über den Accesspoint.
Accesspoint
Mobiler Knoten
Abbildung 59: IEEE 802.11
Infrastuktur-Modus
Mobiler Knoten
Wenn größere Bereiche mit einer Funkversorgung
abgedeckt werden sollen, müssen
mehrere Accesspoints installiert und ins statische
Netz integriert werden. Die mobilen
Clients können dann je nach Erreichbarkeit
Roaming zwischen Accesspoints betreiben.
69

Elmar Schoch
Der zweite Modus, der Ad-hoc-Modus, bietet
den Clients die Möglichkeit, ohne jede andere
Infrastruktur direkt miteinander Kontakt
aufzunehmen.
Mobiler Knoten
Mobiler Knoten
Abbildung 60: IEEE 802.11 Ad-hoc-Modus
Der IEEE 802.11b-Standard hat inzwischen
eine weite Verbreitung, wird allerdings meist
im Infrastructur-Modus betrieben.
Für die Benutzung von IEEE 802.11(b)
in MANETs spielt auch die MAC-Layer-
Realisierung eine Rolle. Dort ist vorgesehen,
dass eine Übertragung durch die Zielstation
mit einem Acknowledge bestätigt werden
muss. Auf diese Weise sind aber nur bidirektionale
Links möglich, was für ein Routingprotokoll
eine gewisse Vereinfachung darstellt,
weil Routen somit ebenfalls bidirektional
sind. Ein Problem stellt noch die Sicherheit
dar. Der aktuelle Ansatz in Form von
WEP (Wired Equivalent Privacy), der den
Datenverkehr mit 40 bzw. 128 Bit verschlüsselt,
hat sich als nicht besonders zuverlässig
erwiesen.
5.3.2 Zukünftige Möglichkeiten
In Zukunft werden die versteckten, winzigen
Rechner überall zu finden sein und kleine,
aber feine Aufgaben verrichten. Für Ubiquitous
Computing bietet es sich daher an,
dass sich jede Komponente einfach mit anderen
verständigen kann, ohne vorher eine
Einrichtung zu vollziehen. Das ist genau die
Domäne der mobilen Ad-hoc-Netzwerke. Als
Kommunikationskanäle bieten sich selbstverständlich
die Funktechnologien an, wie in
den vorhergehenden Abschnitten beschrieben.
Aber es wird auch Möglichkeiten für die
ad-hoc-Übertragung von Daten geben, die
aus heutiger Sicht recht ungewöhnlich sind.
70
Wearable Networks
Beim Begriff der „Wearable Networks“ handelt
es sich um in Stoffe eingewobene, leitfähige
Fasern. Auf diese Weise können insbesondere
in sogenannten Personal Area Networks
Daten übertragen werden. So wurden
beispielsweise schon Hosenträger als Datenbus
verwendet [Bei02].
Body-Networks
Die Body-Networks bieten die Möglichkeit,
Daten über den menschlichen Körper zu
übertragen. Im Rahmen eines Projekts des
MIT Media Lab und IBM wurden auf diese
Weise per Handschlag die jeweiligen elektronischen
Visitenkarten der Personen ausgetauscht
und beim Gegenüber gespeichert.
Die im Versuch erreichte Übertragunsrate
entsprach der eines 2400 Baud-Modems,
theoretisch sollen 400 kBit möglich sein.
Abbildung 61: Visitenkartenübertragung
bei Berührung
Surface Networks
Als „Surface Networks“ bezeichnet man
die Möglichkeit, durch Oberflächen respektive
spezielle Materialien von Oberflächen,
wie eine Tischplatte, Daten zu übertragen.
So könnten möglicherweise Gegenstände
auf einem Schreibtisch Nachrichten austauschen.

5.4 Routing in mobilen Ad-Hoc-Netzen
5.4.1 Besondere Aspekte
Routing in MANETs dient der internen 7 Weiterleitung
von Daten zwischen Knoten, die
nicht direkt miteinander kommunizieren können,
über andere, erreichbare Knoten. Dass
dieses Vohaben, das in statischen Netzwerken
kein allzu großes Problem darstellt, in
MANETs nicht ganz so trivial ist, liegt an den
Charakteristika dieses Netzwerktyps und seinen
teilnehmenden Geräten. Die bereits in
Abschnitt 5.2.1 beschriebenen Herausforderungen
haben einen konkreten Einfluss auf
den Entwurf des Routing-Systems:
Verteiltheit und Skalierbarkeit
Es gibt keine globale Sicht der Topologie,
jeder Knoten muss aufgrund
der ihm zur Verfügung stehenden Informationen
entscheiden, über welchen
Nachbarn Daten weitergeleitet werden
sollen. Das System wird nicht zentral
administriert, es können jederzeit neue
Knoten aufgenommen werden, zu denen
es auch Routen geben muss.
dynamische Netzwerktopologie
Da sich die Verbindungen zwischen
Knoten permanent ändern können,
muss auf Verbindungsabbrüche reagiert
werden und neue, möglicherweise
effektivere Verbindungswege in das
Routing einbezogen werden. Gleichzeitig
muss das Routing-Protokoll sicherstellen,
dass keine zirkulären Routen
entstehen können.
asymmetrische Verbindungen
Es kann Routen geben, die nur in eine
Richtung funktionieren, weil Verbindungen
zwischen Knoten unidirektional
sein können. Für den Rückweg muss
5.4 Routing in mobilen Ad-Hoc-Netzen
gegebenenfalls eine andere Route gefunden
werden.
Interferenzen und Störungen aufgrund
der Nutzung des Funkmediums
Möglicherweise steht eine bestimmte
Route temporär nicht mehr zur Verfügung,
obwohl sich die Netzwerktopologie
nicht geändert hat, weil beispielsweise
eine Interferenz aufgrund der
Sendeaktivität anderer Stationen entsteht.
sparsamer Umgang mit Energie
Der Aufwand, der für die Weiterleitung
einer Nachricht betrieben werden
muss, kostet den Relay-Knoten Energie.
Es könnte sinnvoll sein, Stationen
mit „vollem Akku“ als Router zu benutzen.
Ebenso sollte die Route-Discovery
nicht aktiv, sondern „On demand“ geschehen,
da sonst zu viel Energie und
Bandbreite allein für das Routing verloren
ginge.
besondere Anforderungen an die Sicherheit
Es ist leicht möglich, Routing-
Nachrichten umzulenken oder zu verfälschen,
insbesondere weil die physikalische
Sicherheit aufgrund der Nutzung
eines drahtlosen Mediums fehlt.
5.4.2 Allgemeine Verfahren
Es existieren verschiedene, grundlegende
Ansätze, Routing-Informationen aufzubauen.
Link State
Der Ansatz besteht darin, dass jeder Knoten
Informationen über den Zustand seiner Verbindungen
zu seinen Nachbarn 8 durch Fluten
9 im Netz verbreitet. So erfährt jeder Knoten
von jedem anderen Knoten im Netz, wel-
7 Man geht davon aus, dass nur innerhalb des MANETs geroutet werden muss, und keine Pakete das MANET
von einem Ende zu einem anderen Ende passieren. Es besteht aber die Möglichkeit eines Gateways zu einem
Festnetz.
8 Nachbarn bezeichnen im MANET-Kontext die Stationen, die ein Teilnehmer direkt per Funkverbindung erreicht
9 Jeder Knoten sendet eine empfangene Nachricht wiederum an alle seine Nachbarn, bis alle Knoten im Netz sie
einmal bekommen haben
71

Elmar Schoch
che Verbindungen diese haben. Auf diese
Weise kann jeder einzelne Knoten die gesamte
Netzwerktopologie generieren. Bei jeder
Änderung der direkten Verbindungen eines
Knoten sendet dieser seine Zustandsinformationen
erneut, und die anderen können
daraus ihre lokale Topologie anpassen. Die
Erstellung einer Route ist mit dieser Verfahrensweise
dann natürlich sehr einfach - jeder
Knoten kann die komplette Route mittels
eines graphentheoretischen Algorithmus’ direkt
auf seinen lokalen Topologieinformationen
ermitteln und die Daten an den entsprechenden
Nachbarn senden.
Wie aus den bisherigen Betrachtungen klar
ersichtlich, erfordert diese Vorgehensweise
bei für MANETs typischen permanenten Topologieänderungen
viel zu viel Aufwand an
Netzwerkverkehr. Außerdem ist klar, dass die
Topologie nicht zu jedem Zeitpunkt aktuell
sein kann. Das liegt zum einen daran, dass
ein Knoten nur in bestimmten Intervallen seine
Nachbarschaft ermitteln wird und zum anderen,
dass es eine gewisse Zeit dauert, bis
das Fluten beendet ist, also bis die Information
alle Knoten im Netz erreicht hat. Speziell
in größeren Ad-hoc-Netzen ist dann auch
die Menge an Protokolldaten zu hoch und die
Dauer des Flutens zu lange.
Link State, in Festnetzen mit dem OSPF 10 -
Algorithmus weit verbreitet, macht in MA-
NETs deswegen keinen Sinn. Erst als reaktive
Variante in Form des DSR-Protokolls (siehe
Abschnitt 5.4.3 kann eine Art Link-State-
Verfahren trotzdem benutzt werden.
Distance Vector
Für Distance-Vector-Algorithmen speichert
jeder einzelne Knoten für jedes Ziel im Netz
und jeden seiner direkten Nachbarn die Kosten
dieses Weges. Wenn Daten zur Weiterleitung
anstehen, leitet der Knoten diese an
denjenigen Nachbarn weiter, bei dem die Kosten
für den Weg zum Ziel der Daten am geringsten
sind.
Für die Verbreitung der benötigten Informationen
senden die einzelnen Knoten regel-
10 Open Shortest Path First
72
mäßig die aus ihrer Sicht kürzesten Wege zu
Zielen (also der Weg mit den geringsten Kosten
pro Ziel) an ihre Nachbarn und propagieren
Änderungen in ihren Nachbarschaftsbeziehungen.
In diesem Fall ist also keine globale Sicht auf
die ganze Topologie des Netzwerks notwendig.
Jede Routing-Entscheidung basiert auf
dem Ziel der Daten und über welchen Nachbarn
dieses Ziel am „kostengünstigsten“ erreicht
wird. Auf diese Weise muss sich jeder
Knoten nur mit seinen nächsten Nachbarn
über die Routen austauschen, das Netzwerk
muss nicht mit Protokollinformationen geflutet
werden.
Ein Nachteil an der Vorgehensweise liegt
darin, dass es mangels einer globalen Sicht
auf die Topologie unter Umständen zu Kreisen
in Routen kommen kann. Deswegen
werden bei Protokollen dieser Klasse den
Daten Sequenznummern beigefügt, um weiterzuleitende
Pakete gegebenenfalls als solche
zu erkennen, die „im Kreis“ gelaufen
sind.
Proaktives Routing (Table-driven)
Der zentrale Punkt bei der Unterscheidung
proaktiver und reaktiver Wegfindung ist der
Zeitpunkt, wann Routen ermittelt werden. Bei
proaktivem Vorgehen werden Wege gesucht
und evaluiert, bevor ein Weg tatsächlich benötigt
wird. Jeder Knoten hält für jeden Zielknoten
im Netz eine Route bereit. Das hat
den Vorteil, dass Daten bei Bedarf sofort
einzig durch Auslesen der Route für den
entsprechenden Zielknoten übertragen werden
können. Im Endeffekt erhält man für die
Übertragung also geringe Verzögerungszeiten.
Allerdings wird auch schnell deutlich, warum
proaktives Routing in MANETs problematisch
ist. Es wird Übertragungskapazität für
die Ermittlung und Pflege, sowie Speicher
für die Vorhaltung von Wegen benötigt, die
möglicherweise niemals tatsächlich benutzt
werden. Da zudem die Pflege der Routen in

dynamischen Topologien grundsätzlich aufwendig
ist, entsteht hier wie bei Link State-
Verfahren ein für die beschränkten Bandbreiten
in MANETs zu hoher Kommunikationsoverhead.
Reaktives Routing (On-Demand)
Im Gegensatz zu proaktivem Routing werden
beim reaktiven Verfahren die Wege erst ermittelt,
wenn wirklich Daten zum Senden vorliegen
(On-Demand). Die Vor- und Nachteile
sind logischerweise orthogonal zu denen
des proaktiven Routings. Die höhere Verzögerung
durch die Ermittlung einer Route
vor dem Sendebeginn der Daten ist offensichtlich.
Es ist daher ein wichtiger Punkt für
entsprechende Protokolle, möglichst schnell
möglichst optimale Routen zu finden. Dafür
können die ganzen Problemstellungen
zur Aktualisierung und Pflege der vorgehaltenen
Routing-Tabellen wegfallen. Die dadurch
merklich verringerte Last auf dem Netzwerk
und der damit geringere Energieverbrauch
der Knoten, aber auch die Speicherersparnis
zeigen die Eignung des reaktiven Routings
für MANETs.
Ein kleiner Nachteil besteht darin, dass prinzipiell
für jedes Paket die Route neu ermittelt
werden müsste. Das kann man möglicherweise
mit kurzfristigem Routen-Caching
beheben, wobei die Dauer des Cachings je
nach „Dynamik“ des Netzwerks tatsächlich
sehr kurz sein muss.
5.4.3 Routing-Algorithmen
AODV
AODV steht für Ad-hoc On-demand Distance
Vector Routing [Das02]. Es handelt sich
also um ein Distance-Vector-Verfahren, ohne
Verwaltung einer globalen Topologie in jedem
Router-Knoten. Desweiteren ist AODV
reaktiv, so dass Routen nur nach Bedarf ermittelt
werden.
Funktionsweise der Route Discovery
Jeder Knoten verwaltet für sich eine Routing-
5.4 Routing in mobilen Ad-Hoc-Netzen
Tabelle, die für beliebige Zieladressen festhält,
an welchen Nachbar die Daten weitergeleitet
werden müssen, wieviele Hops es
noch bis zum Ziel sind und welche Nachbarn
den Knoten zur Weiterleitung an die Zieladresse
benutzen, sowie Angaben zur logischen
und temporalen Gültigkeit der Route.
Zu Beginn dürfen diese Tabellen leer sein;
möchte ein Knoten zu einem anderen Knoten
eine Verbindung aufbauen, überprüft er
zunächst die Routing-Tabelle auf einen bereits
existierenden Eintrag für das benötigte
Ziel. Ist der Zielknoten (repräsentiert
z.B. durch seine IP-Adresse) nicht in der
Tabelle registriert, sendet er ein spezielles
Routing-Control-Paket, einen Route Request
(RREQ), per Broadcast an alle seine Nachbarn.
1
Sender
3
2
4
5
Empfänger
Abbildung 62: AODV Route Request
Jeder Knoten, der seinerseits ein RREQ
empfängt, legt zunächst einen Eintrag in
seiner Routing-Tabelle ab, der als Ziel den
im RREQ-Paket angegebenen Ursprungsknoten
und den Nachbarn angibt, von dem
der RREQ empfangen wurde. Dann wird
die Tabelle auf das vom RREQ gewünschte
Ziel überprüft. Ist der Knoten selbst das
Ziel der Anfrage oder besitzt der Knoten eine
gültige Route zum gewünschten Ziel, so
sendet dieser ein anderes Routing-Control-
Paket, eine Route Reply (RREP), auf genau
dem Weg zurück zum Urspungsknoten,
den der RREQ genommen hat. Falls
der Knoten ebenfalls keine Route zum Ziel
kennt, leitet er den RREQ auch an alle seine
Nachbarn weiter (bis auf denjenigen, von
dem der RREQ hergekommen ist) und erhöht
den Hop-Count des RREQ. Auf diese
Weise muss irgendwann der Zielknoten
erreicht werden, falls noch keine bestehen-
73

Elmar Schoch
den Routen zu diesem existieren. Voraussetzung
ist natürlich auch, dass dieser im Netz
erreichbar ist. Das Kriterium einer gültigen
Route ist erfüllt, wenn der Knoten, den ein
RREQ erreicht, einen Eintrag für das gesuchte
Ziel hat, bei dem die gespeicherte Destination
Sequence Number mindestens so groß
ist, wie die im RREQ-Paket enthaltene Destination
Sequence Number. Auf diese Weise
wird verhindert, dass alte Routinginformationen
propagiert werden.
1
Sender
3
Abbildung 63: AODV Route Reply
2
4
5
Empfänger
Der Rückweg des RREP-Paketes erfolgt also
per Unicast. Das ist deswegen möglich,
weil jeder Knoten auf dem Weg des
RREQ-Paketes sich ja die Route zurück zum
Ursprungsknoten eingetragen hat. Auf dem
Rückweg des RREP-Paketes erfolgt wiederum
dasselbe, das heißt, jeder Knoten, der
ein RREP empfängt, trägt für die Quelladresse
der RREP (entspricht der Zieladresse des
RREQ) den Nachbarn als Next Hop ein,
von dem die PREP kam. Wenn dann das
PREP-Paket wieder beim urspünglichen Initiator
des Requests ankommt, steht die komplette
Route bidirektional zur Verfügung, der
Knoten kann sofort mit der Übertragung der
Daten beginnen.
Wenn RREQ-Paket mit denselben Ziel- und
Quellknoten kurze Zeit später über einen anderen
Weg an einer Zwischenstation oder
der Zielstation ankommt, wird dieses verworfen.
Das hat zugleich den Effekt, dass nur die
schnellsten Routen sich durchsetzen.
Pflege der Routing-Tabellen
AODV benutzt ein verhältnismäßig komplexes
System von Sequenznummern, um neue
von alten Routen zu unterscheiden und um
zirkuläre Routen zu vermeiden. Jeder Kno-
74
ten hat eine lokale Sequenznummer, die er
zum Beispiel erhöht, wenn er einen RREQ
beginnt. Anhand der Adresse des Senders
und der Sender-Sequenznummer kann ein
RREQ damit eindeutig identifiziert werden.
Erhält ein Knoten einen RREQ oder eine
RREP, dann wird der entsprechende Eintrag
in der Routing-Tabelle geändert, wenn die
Destination Sequence Number höher ist, als
die bisher im Eintrag gespeicherte, oder bei
gleicher Destination Sequence Number, aber
geringerer Anzahl von Hops, beziehungsweise,
wenn die Destination Sequence Number
unbekannt ist, weil das Ziel noch nicht in der
Tabelle vorkommt. Die Destination Sequence
Number entspricht der Sequence Number
des Ziels, die dem Sender als letzte bekannt
ist.
Reaktion auf Topologieänderungen
Die Knoten müssen ihre Umgebung überwachen,
um möglichst stets auf dem aktuellsten
Stand zu sein, welche Nachbarn erreichbar
sind. Bricht eine Verbindung zu einem Nachbar
zusammen, muss ein Knoten mittels der
Routing-Tabelle feststellen, ob es aktive Routen
gibt, bei denen dieser Nachbar der „Next
Hop“ wäre. Ist das der Fall, sendet der Knoten
an alle Nachbarn, die in der sogenannten
„Precursor List“ für betroffene Routen
stehen, eine Route Error-Nachricht (RERR).
Die Precursor List enthält alle benachbarten
Knoten, für die der betrachtete Knoten der
„Next Hop“ in den betroffenen Routen darstellt.
Die betroffenen Routen werden dann
vorläufig als ungültig markiert.
Die andere Möglichkeit besteht darin, dass
ein Knoten Daten auf eine Route schickt, bei
der zwischenzeitlich aber eine Verbindung
abgebrochen ist. Wenn die Daten dann bei
dem Knoten ankommen, der den entsprechenden
Next Hop nicht mehr erreicht, sendet
dieser ebenfalls eine RERR-Nachricht
zurück. Die RERR-Nachricht enthält dabei
alle Ziele, die durch den Verlust der Einzel-
Verbindung auf der speziellen Route nicht
mehr erreichbar sind.
Wenn ein Knoten nicht selber senden will
und nicht Teil einer aktiven Route ist, müssen
für AODV keinerlei Aufgaben erfüllt werden,

und der Knoten kann sich beispielsweise in
einen Energiesparmodus versetzen.
DSR
„Dynamic Source Routing“ ist wie AODV ein
reaktives Verfahren, das Routen on-demand
ermittelt. Im Gegensatz zu AODV benötigt
DSR aber grundsätzlich keine periodische
Aktivität, wie beispielsweise die kontinuierliche
Überwachung der Verbindungen eines
Knotens zu seinen Nachbarn. Zudem ist das
zentrale Prinzip - der Name verrät es - das
„Source Routing“: bei Versenden eines Pakets
wird vom Sender die gesamte Route des
Pakets bis zum Ziel vorgegeben. Ein Knoten
benötigt also nicht nur Informationen über
seine Nachbarn, sondern hält Routen im gesamten
Netz vor.
Nach Aussagen im IETF-DRAFT [Jet02], in
dem DSR spezifiziert wird, ist DSR für MA-
NETs mit bis zu zweihundert Knoten bei „relativ
hoher Mobilitätsrate“ ausgelegt. Die angenommende,
durchschnittliche Größe eines
Netzwerks wird mit einem „Durchmesser“ im
Bereich von fünf bis zehn Hops Entfernung
der äußersten Knoten angegeben.
Die zwei unabhängigen Hauptmechanismen
in DSR sind die Route Discovery und die
Route Maintainance:
Route Discovery
Die Wegfindung verläuft bei DSR prinzipiell
relativ ähnlich wie bei AODV. Will ein Knoten
eine Nachricht senden, prüft er zunächst
seinen Cache, der für bestimmte Ziele komplette
Routen mit allen Zwischenstationen
bereithält. Bei DSR ist bewußt vorgesehen,
dass pro Ziel auch mehrere, verschiedene
Routen im Cache abgelegt sein dürfen. Ist eine
Route zum gesuchten Ziel „vorrätig“, kann
der Knoten sofort mit dem Senden beginnen.
Das Hauptprinzip bei DSR ist dabei, dass jedes
Paket im Header eine Kopie der Route,
die das Paket nehmen soll, beinhaltet. Durch
dieses Verfahren ist es trivial, zirkuläre Routen
zu verhindern.
5.4 Routing in mobilen Ad-Hoc-Netzen
1
Sender
1
1
1 2
3
2
1 3
1 3
1 2
4
5
1 2 4
Empfänger
Abbildung 64: DSR Route Request
Steht dem sendewilligen Knoten lokal keine
entsprechende Route zur Verfügung, initiiert
er einen Route Request (RREQ). Die RREQ-
Pakete werden per Broadcast an alle Nachbarn
in der Empfangsreichweite gesendet.
Bei Empfang eines RREQ-Paketes kommt es
wieder darauf an, ob es sich um den Zielknoten
oder andere Knoten handelt. Ist der
Zielknoten erreicht, sendet dieser eine Route
Reply (RREP) zurück an den Empfänger.
Die RREP enthält dabei den gesamten Weg,
der durch den Lauf des RREQ angesammelt
worden ist. Wenn ein Knoten einen RREQ
empfängt, der nicht selbst der Zielknoten ist,
prüft dieser zunächst seinen Cache. Verfügt
er lokal über eine Route zum Ziel, antwortet
er dem Initiator des RREQ mit einem RREP-
Paket, das eine Fusion der Liste der bisher
angesammelten Zwischenstationen und der
im lokalen Cache befindlichen Liste der Stationen
bis zum Ziel enthält. Hat der Empfänger
eines RREQ ebenfalls keinen Weg zum
gewünschten Ziel im Cache, sendet er seinerseits
das RREQ-Paket weiter, nachdem
er sich in die darin enthaltene Liste der Zwischenstationen
eingetragen hat.
1
Sender
1 3
3
2
1 3
Abbildung 65: DSR Route Reply
4
5
Empfänger
Der Rückweg eines RREP-Paketes ist mit
DSR prinzipiell auf zwei Arten möglich, ab-
75

Elmar Schoch
hängig von der Art der benutzten Funktechnologie.
Wird beispielsweise der WLAN-
Standard IEEE 802.11 benutzt, kann der Absender
einer RREP einfach die darin enthaltene
Route umkehren und so das RREP
auf den Weg schicken. Das ist deswegen
möglich, weil ja in IEEE 802.11 ein Acknowledge
auf MAC-Ebene implementiert ist, so
dass grundsätzlich nur bidirektionale Verbindungen
zustande kommen.
Falls die zugrundeliegende Technik auch unidirektionale
Verbindungen erlaubt, muss der
antwortende Knoten die RREP wie normale
Daten behandeln. Das bedeutet, dass er zunächst
seinen lokalen Cache auf eine Route
zurück zum Initiator überprüft und gegebenenfalls
auch eine Route Discovery beginnt.
Das RREQ-Paket muss in diesem Fall dann
allerdings auch das RREP-Paket mit enthalten,
da sonst die Route Discoveries unendlich
hin- und her gehen würden.
Als „Nebeneffekt“ lernen alle Zwischenstationen
Routen permanent mit, wenn sie Route
Requests und Route Replies empfangen
oder auch einfach, wenn sie Daten weiterleiten,
indem sie sich die fertige Route kopieren.
Pflege der Routen
Die Pflege von Routen geschieht in DSR
vollkommen passiv. Einmal gefundene Wege
werden so lange benutzt, bis eine Einzelverbindung
auf dem Weg eines Pakets abgebrochen
ist. Dann sendet der letzte Knoten
vor der abgebrochenen Verbindung ein
RERR an die Quelle zurück.
1
Sender
1 3
Data
RERR
3
2
Abbildung 66: DSR Route Error
4
5
Empfänger
Empfängt ein Knoten ein RERR-Paket,
löscht er alle Routen über den abgebrochenen
Link aus seinem Cache. Auf dieser Wei-
11 „groß“ bezieht sich hier auf die Anzahl der Knoten
76
se werden ungültige Routen wieder aus dem
System entfernt. Zusätzlich sollte ein Knoten
für jeden Eintrag in der Route Timeouts verwalten,
und Einträge entfernen, die eine gewisse
Zeit nicht mehr benutzt worden sind.
Der Entwurf verlangt das aber nicht zwangsweise.
Hat ein Knoten eine Route benutzt
und bekommt ein RERR zurück, kann er zunächst
andere Einträge aus dem Cache versuchen
oder eine neue Route Discovery starten.
Topologieänderungen
Änderungen an der Struktur des Netzwerkes
bleiben bei DSR zunächst ohne Folge, wenn
keine aktive Route betroffen ist. Eine Reaktion
erfolgt erst, wenn eine Verbindung auf
einer aktiven Route abbricht, also ein Knoten
Daten über eine unterbrochene Route
weiterleiten soll. Dieser sendert dann RERR-
Paket an die Quelle zurück.
Bei stabiler Topologie und vielen etablierten
Routen geht der Aufwand für das Protokoll
gegen Null.
Weitere Ansätze
Optimized Link-State Routing (OLSR)
[Vie01] versucht, wie der Name schon sagt,
das Link-State-Verfahren für MANETs zu optimieren.
Eine Grundlage dazu ist die Hierarchisierung
des Netzes. Sogenannte „Multipoint
Relay Nodes“ (MPR) übernehmen die
Weiterleitung für eine bestimmte Menge ihrer
Nachbarn. Das eigentliche Routing findet nur
zwischen diesen MPRs nach normalem Link-
State statt. Die von einem MPR „verwalteten“
Knoten müssen keine Routingaufgaben
übernehmen und werden bei der Kommunikation
auch über „ihren“ MPR adressiert.
Auf diese Weise reduziert sich der Aufwand
für das Fluten zur Verbreitung der Topologie
im Netzwerk drastisch, da nur ein relativ
kleiner Prozentsatz der Knoten zu MPRs
werden. OLSR eignet sich vor allem für dicht
zusammenhängende, große 11 MANETs, da
hier das Konzept am besten greift.

2
1
3
5
4
7
6
Sender Empfänger
Abbildung 67: Multipoint Relay - System in
OLSR
Wie man sieht hat das hierarchische Routing
aber den Nachteil, dass unter Umständen
auch Knoten, die sich in gegenseitiger Reichweite
befinden, aufgrund des Protokolls nicht
direkt Verbindung aufnehmen können.
Fisheye State Routing (FSR) [Pei02] ist ein
proaktives Link-State-Verfahren. Jeder Knoten
verwaltet seine eigene Netzwerktopologie,
anhand der eine Route bestimmt wird. Im
Gegensatz zum allgemeinen Link-State werden
die Topologieinformationen aber nicht
bei jeder Änderung geflutet, sondern lediglich
in periodischen Intervallen und nur an
alle direkten Nachbarn übermittelt. Zusätzlich
werden die Einträge in verschiedene Entfernungsbereiche
eingeteilt und dementsprechend
häufig beziehungsweise selten propagiert.
Einträge im Nahbereich von wenigen
Hops werden häufig ausgetauscht, entfernte
Stationen nur selten. Wenn ein Paket
geroutet werden muss, besteht die Möglichkeit,
dass sich die Topologie in einiger Entfernung
schon wieder geändert hat. Je näher
ein Paket aber dem Ziel kommt, umso
akkurater sind die Informationen der weiterleitenden
Knoten über die Topologie in ihrem
Umfeld, und so findet ein Paket zum Ziel.
Jeder Knoten blickt gewissermaßen mit einem
„Fischauge“ auf die Gesamtstruktur. Auf
diese Weise läßt sich der Aufwand für den
Austausch der Topologieinformationen überschaubar
halten.
Der Entwurf von FSR zielt insbesondere auf
große MANETs mit hoher Mobilität.
8
9
5.5 Anwendung im Ubiquitous Computing
5.5 Anwendung im Ubiquitous
Computing
5.5.1 Einsatz-Szenarien
Die Vorteile mobiler Ad-hoc-Netzwerke eröffnen
viele Möglichkeiten für Anwendungen. In
manchen Fällen wird es zwar vielleicht trotzdem
ökonomischer und sinnvoller sein, eine
feste, leistungsstarke Infrastruktur aufzubauen.
In vielen Fällen aber, wo statische Netzwerke
nicht flexibel genug, zu wartungsintensiv
oder aufgrund äußerer Einflüsse nicht geeignet
sind, bietet sich der Einsatz von MA-
NETs an. Das gilt zum Beispiel für spontane
Treffen oder in öffentlichen Netzen, bei
der Notwenigkeit eines schnellen Netzaufbaus,
oder wenn der Aufbau einer Infrastruktur
nicht oder nur schwer realisierbar wäre
[Bei02] [Bee02].
CSCW (Konferenzen, Unterricht,
Meetings), Ausstellungen
Mit Hilfe von Ad-hoc-Netzwerken ließen
sich im Bereich Computer Supported
Cooperative Work sehr einfach
Daten austauschen, gemeinsame Aufgaben
erledigen oder auch nur Informationen
verbreiten. In Ausstellungen
oder Messen stellt man sich vor, dass
man zu bestimmten Objekten ganz
einfach weitere Informationen abrufen
könnte.
Rettungs- und Katastropheneinsatz
Beim Einsatz von Geräten im Rettungswesen
oder im Katastrophenfall
kommt es darauf an, möglichst schnell
möglichst zuverlässige Kommunikationssysteme
aufzubauen, die von den
Rettungskräften zur Koordination benutzt
werden können. Im Rettungswesen
könnte man sich beispielsweise
vorstellen, dass der Rettungswagen
die Vitaldaten eines Patienten schon
im Voraus an das Krankenhaus übermittelt,
und dass angekoppelte Verkehrsregelungsanlagen
für freie Fahrt
77

Elmar Schoch
78
der Helfer sorgen. Im Katastropheneinsatz
ist sehr wichtig, dass die
Rettungs- und Bergungsmannschaften
koordiniert und schnell vorgehen. Möglicherweise
könnten über das Netz
dann auch leichter Spezialisten hinzugezogen
werden.
Spontane Vernetzung von Städten,
Überbrückung der „letzten Meile“
Es wäre in Städten, wo die Enfernungen
kleiner sind, prinzipiell sehr einfach,
Ad-hoc-Netze auf Funktechnik-
Basis zu bilden, die dann irgendwo ein
Gateway zum Internet haben. Auf diese
Weise ließen sich ganze Stadtteile
ohne kabelgebundene Infrastruktur
vernetzen. Es gibt auch bereits kommerzielle
Beispiele für dieses Szenario.
Fahrzeug-Kommunikation
(Telematik)
Ein sehr spannendes Gebiet
für MANETs bietet sich im Bereich
der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-
Kommunikation. Man kann unterscheiden
zwischen Diensten zur Gefahrenvermeidung
und zum sicheren Fahren,
zu Telematik und Navigation, zu Unterhaltung
und Information und zu Verkehrslenkung.
Wenn Fahrzeuge untereinander kommunizieren,
können nachfolgende
Fahrzeuge auf Gefahrsituationen, wie
beispielsweise ein Stau hinter einer
Kurve, Glatteis auf der Fahrbahn, oder
einen Unfall hingewiesen werden. Ein
Auto, auf der Autobahn wegen eines
Defekts liegengeblieben, könnte herannahende
Fahrzeuge vor der potentiellen
Gefahr warnen (sofern das noch
geht). Genauso könnten sich die Fahrzeuge
aber auch bei Spurwechseln
oder an Autobahnauffahrten gegenseitig
abstimmen, um gefährliche Situationen
und Kollisionen zu vermeiden.
Ebenso denkbar wären Dienste, die
aufgrund von Daten der Fahrzeuge die
Verkehrsdichte auf Streckenabschnitten
ermitteln, die dann für Navigationssysteme
zur Verfügung stehen, welche
so flexibel darauf reagieren können.
Ein weiterer Ansatz ist der, Gateways
am Straßenrand aufzustellen, die beispielsweise
Internetzugang ermöglichen
oder Informationen über Städte
liefern. Auf längeren Reisen könnten
Mitfahrende mit anderen Autos in Verbindung
treten.
Eine vierte Kategorie wäre die virtuelle
Kopplung von Fahrzeugen, so dass
Abstand und Geschwindigkeit, unter
Umständen auch Lenkung, durch ein
System geregelt werden. Dadurch wird
das Fahren auf langen Strecken sicherer
und energiesparender. Wichtig ist
dabei, dass nicht nur eine Verbindung
von Vordermann zu Hintermann etc.
besteht, sondern mehrere Fahrzeuge
vorausschauend geplant wird.
Soziale Kontakte
In den Mobilfunknetzen hat die SMS-
Flut ungeahnte Größenordnungen erreicht
- das beweist das enorme Potential
derartiger Systeme. Anwendungen
für MANETs wären zum Beispiel in
Form von intelligenten Sensoren denkbar,
in die man seine Eigenschaften
und Interessen eingeben kann, und die
dann eine Meldung auslösen, wenn
sich Personen mit ähnlichem Profil in
der Nähe befinden.
Personal Area Networks
Die Vision von Netzwerken rund um eine
Person herum malen im Endeffekt
meist die Dekomposition des heutigen
Handys in mehrere Teilgeräte mit insgesamt
wesentlich erweiterten Funktionen
[Mat02]. Die Thematik wird öfters
auch als „Wearable Computing“
bezeichnet: der Lautsprecher befindet
sich im Ohrring, das Mikrofon in einer
Halskette oder in einem Hemdknopf,
die eigentliche Kommunikationseinheit
am Gürtel oder am Arm, und das Display,
reduziert auf ein minimales Gewicht,
befindet sich in der Hosentasche.
Dies reicht möglicherweise bis

hin zu Brillen, in die in fremder Umgebung
der Weg als eine Art roter Teppich
einprojiziert wird. Alle Komponenten
stehen durch ein drahtloses Adhoc-Netzwerk
in Verbindung.
Erweiterung bestehender Funknetze
oder zellulärer Systeme (GSM,
UMTS)
Ein weiteres, scheinbar banales Szenario
ist die Erweiterung von bestehenden
Funknetzen mit beschränkter
Reichweite. Auf diese Weise ließen
sich Ausbaumaßnahmen kostengünstiger
gestalten, weil eine Vollversorgung
auch indirekt über solche mobile Knoten
gewährleistet werden kann, die sich
im Empfangsbereich der statischen Systeme
befinden [Weg02].
Home Improvement
Für die Verwendung im Haushalt beziehungsweise
in Häusern gibt es eine
Vielzahl möglicher Anwendungen.
Das beginnt natürlich ganz im Sinne
des Ubiquitous Computing, dass viele
Gegenstände und Geräte kleine Prozessoren
beinhalten, die so die Benutzung
vereinfachen. Die Kaffeemaschine
könnte sich jeweils den individuellen
Wünschen der Kaffeetrinker anpassen.
Mit Vernetzung aber sind noch einige
interessante Erweiterungen denkbar.
So könnte beispielsweise der Wecker
der Kaffeemaschine fünf Minuten vor
dem Wecken eine Nachricht übermitteln,
so dass bereits kurz nach dem
Aufstehen der Kaffee fertig ist. Sollte
der Wecker die Kaffeemaschine nicht
erreichen, den Kühlschrank dagegen
schon, könnte er auch über den Kühlschrank
in der Küche der Kaffeemaschine
Nachrichten zukommen lassen.
Damit diese Dinge auch so praktisch
bleiben, wie sie klingen, ist es aber nötig,
dass keinerlei Aufwand für die Einrichtung
und Wartung solcher transparenten
Systeme nötig ist.
Eine andere Anwendung wäre beispielsweise
der Rasensprenger, der
5.5 Anwendung im Ubiquitous Computing
mit verteilten Sensoren die Feuchtigkeit
des Bodens mißt und sich aus dem
Internet die Wettervorhersage holt, um
die notwendige Wassermenge genauer
dosieren zu können [Mat02].
Vernetzung von Sensoren, Smart
Dust
Die Sammlung von sensorischen Daten
zur Erstellung von Modellen zum
Beispiel in der Seismologie oder der
Meteorologie ist essentiell wichtig. Je
mehr Daten, umso differenziertere Beobachtungen
können gemacht werden.
Die Anbindung und Vernetzung von
Sensoren, insbesondere auch in abgelegenen
Gebieten, würde durch MA-
NETs wesentlich erleichtert.
In diesem Zusammenhang spricht man
auch von sogenanntem „Smart Dust“.
Dabei handelt es sich um winzigste,
elektronische Elemente, die Sensoren
beinhalten und, so die Idee, zu tausenden
ausgesetzt werden sollen. Aufgrund
der extrem geringen Ausmaße
ist die Energie sehr beschränkt und damit
auch die Ausstattung mit Kommunikationseinrichtungen
schwierig. Wie
man sieht, könnten aber auch hier
MANET-Techniken sinnvoll sein.
Militärische Anwendungen
Militärische Labors forschen ebenfalls
schon längere Zeit an mobilen, leicht
transportablen, autonomen Geräten.
Weitere wichtige Eigenschaften sind
Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit.
Der „vernetzte Soldat“ kann mit Hilfe
solcher Netzwerke ständig auf dem aktuellsten
Stand sein und jederzeit Anweisungen
entgegennehmen, während
gleichzeitig auch noch die dezentrale
Infrastruktur unempfindlicher und robuster
gegenüber Angriffen wird. Die strategischen
und exekutiven Aktionen lassen
sich so noch besser abstimmen,
insbesondere eben dort, wo der explizite
Aufbau von Kommunikationsverbindungen
hinderlich oder nicht möglich
ist.
79

Elmar Schoch
5.5.2 Projekte
FleetNet
„FleetNet -
Internet on
the Road“
ist ein Forschungsprojekt
der Unternehmen DaimlerChrysler,
Fraunhofer-Gesellschaft, NEC,
Bosch, Siemens und TEMIC sowie einiger
Universitäten. Das Ziel des Projekts ist
die Entwicklung und Standardisierung einer
Kommunikationsplattform für ein Ad-hoc-
Netzwerk zwischen Fahrzeugen. Die Applikationen,
die FleetNet bieten soll, gliedern
sich in die drei Kategorien kooperative
Fahrerassistenzsysteme, dezentrale
Floating Car Data Anwendungen und
Kommunikations- und Informationsdienste
[Dai02].
Kooperative Fahrerassistenzsysteme
Die wesentliche Zielsetzung besteht darin,
die Wahrnehmung des Fahrers zu erweitern,
in dem andere, vorausfahrende Fahrzeuge
Daten zum Fahrbahnzustand übermitteln.
Durch Parameter wie Geschwindigkeit,
Bremsverhalten oder ABS-Einsatz kann auf
Stauungen, Unfälle oder andere Gefahrensituationen
geschlossen werden.
Dezentrale Floating Car Data Anwendungen
Bisher genutzte Telematik-Dienste zur Stau-
Warnung etc. beruhen auf Fahrzeugfluss-
Sensorik und zentraler Verarbeitung. Die Information
über Verkehrsaufkommen auf einzelnen
Strecken gelangt dann in der Regel
per Mobilfunk zum abrufenden Fahrzeug.
Dieses etwas kostspielige Verfahren
könnte auch durch Fahrzeug-zu-Fahrzeug-
Kommunikation bewerkstelligt werden, so
dass nachfolgende Fahrzeuge stets aktuelle
Verkehrsinformationen über vorausliegende
Streckenabschnitte vorliegen würden.
Kommunikations- und Informationsdienste
Dieser Ansatz besteht darin, dass Mitfahrende
Informationen zu und mit anderen
Fahrzeugen austauschen können oder mit
80
anderen Fahrzeugen chatten oder online-
Spiele austragen können. Zudem soll durch
das Konzept des FleetNet-Gateways dem
Fahrzeug-Ad-hoc-Netz ein Internet-Zugang
geboten werden. Zusätzlich sollen beispielsweise
lokale Angebote der Stadt, der Region
oder einfach einer Raststätte abgerufen werden
können.
Technik
Als Anforderungen an die Funkhardware
wurde eine Mindestbandbreite von 1 MBit,
eine Mindestreichweite von 500 Metern,
die Benutzung eines lizenzfreien Frequenzbands
und offene Schnittstellen für die Implementierung
der Kommunikationsprotokolle
angesetzt. Zur Auswahl standen unter anderem
IEEE 802.11 und HIPERLAN, letztendlich
bevorzugt wurde aber UTRA-TDD,
ein UTMS-Hardwaresystem von Entwicklungspartner
Siemens. UTRA-TDD ermöglicht
Reichweiten von 1 km und Datenraten
von 348 kBit/s bis 2 MBit/s, etwas problematisch
ist aber wohl die Realisierung der Ad-
Hoc-Kommunkation in dem für zentrale, zelluläre
Infrastruktur entwickelten System.
Routing
Im Anwendungsfeld der Fahrzeug-Fahrzeug-
Kommunikation ist beispielsweise eine
Adressierung nach Position (z.B. an alle
nachfolgenden Fahrzeuge) wichtig und das
Protokoll muss hohen Anforderungen an Dynamik
und Skalierbarkeit genügen. Deswegen
wurde ein positionsbasiertes Routingverfahren
ausgewählt; jeder Teilnehmer wird
mit einer eindeutigen Adresse und seiner Position
adressiert. Das eigentliche Routing beruht
nur auf den Positionsdaten, jeder weiterleitende
Teilnehmer bestimmt für jedes Paket
einzeln „on the fly“ die Richtung, in die Daten
gesendet werden müssen. Im Zielgebiet der
Position bewirkt dann die eindeutige ID des
Teilnehmers die endgültige Zustellung.
Die Ermittlung der Positiondaten erfolgt mittels
GPS.
Weitere Aufgaben des Projekts haben
den Entwurf einer Mensch-Maschine-
Schnittstelle im Auto, die Integration des Systems
in Demonstrationsfahrzeuge und die

Entwicklung von Markteinführungstrategien
zum Ziel.
MeshNetworks
Die Firma MeshNetworks [Mes] aus Florida
hat ein klassisches Ad-Hoc-Netzwerk, allerdings
mit proprietärer Technik entwickelt. In
Maitland, Florida, wird ein Gebiet von knapp
20 Quadratkilometern mit einem drahtlosen
Ad-hoc-Netzwerk versorgt. Als Knoten stehen
spezielle Sender an Laternenmasten,
aber auch jeder „Subscriber“, also jedes teilnehmende
Endgerät für die Weiterleitung
von Daten zur Verfügung. Für den Zugang
zum Internet sorgt ein über das Ad-hoc-Netz
erreichbarer Zugangsknoten. Die verwendete
Technik macht es möglich, dass die Verbindung
zum Netzwerk auch in mobilen Einheiten
steht - zur Zeit bringt MeshNetworks
das Internet zum Beispiel in die Busse des
Städtchens. Zusätzlich zur Datenübermittlung
bietet der Verbund von MeshNetworks
auch Positionsbestimmung als Alternative zu
GPS.
5.6 Zusammenfassung und Ausblick
5.6 Zusammenfassung und Ausblick
Marc Weiser, der „Vater“ des Ubiquitous
Computing, sieht die Zukunft in allgegenwärtigen,
kleinen, meist unsichtbaren und teilweise
mobilen Geräten, die in den Hintergrund
treten und den Mensch in den Mittelpunkt
stellen. Dabei ist es für diese verteilten
Geräte sehr wichtig, unkompliziert untereinander
kommunizieren zu können. Zu diesem
Zweck ist eine fest installierte, statische Infrastruktur
zu kompliziert und viel zu unflexibel.
Die SmartDevices, SmartSensors und
dergleichen müssen sich ohne vorher Kabel
zu verlegen, und auch ohne vorher Konfigurationsarbeit
leisten zu müssen, unterhalten
können. Deshalb sind drahtlose Kommunikationstechniken,
insbesondere auch ohne jegliche,
vorgegebene Infrastruktur, eine unverzichtbare
Grundlage für die meisten Ubiquitous
Computing-Anwendungen. Mobile Adhoc
Netzwerke sind dazu die Lösung.
81

Literatur
Literatur
[Bee02] M. Gottwald; M. Beetz: Ad-hoc-Netzwerke und Routing in Ad-hoc-Netzwerken,
2002.
[Bei02] Prof. Dr. Lars Wolf; Michael Beigl: Ubiquitous Computing. http://www.teco.
uni-karlsruhe.de, 2002.
Vorlesung an der Universität Karlsruhe, WS 2001/2002
[Dai02] DaimlerChrysler: FleetNet - Internet on the Road. http://www.fleetnet.de,
5 2002.
Projektübersicht
[Das02] C.E. Perkins; E.M. Belding-Royer; S.R. Das: IETF Draft - Ad hoc On-Demand Distance
Vector (AODV) Routing, 6 2002.
[Jet02] D.B. Johnson; D.A. Maltz; Y. Hu; J.G. Jetcheva: IETF Draft - The Dynamic Source
Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR), 2 2002.
[Kar01] F. Kargl: Mobile Ad hoc Networks. http://www.ulm.ccc.de/chaosseminar/manet/,
2001.
Vortrag beim CCC Ulm
[Mac99] M.S. Corson; J. Macker: IETF RFC 2501 - Mobile Ad hoc Networking: Routing
Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations, 1 1999.
[Mat02] F. Mattern. E-Merging Media - Digitalisierung der Medienwirtschaft, chapter Ubiquitous
Computing: Szenarien einer informatisierten Welt. Springer-Verlag, 2002.
[Mes] MeshNetworks: http://www.meshnetworks.com.
[Pei02] M. Gerla; X. Hong; G. Pei: IETF Draft - Fisheye State Routing Protocol (FSR) for
Ad Hoc Networks, 6 2002.
[Sch02] Prof. Dr. A. Schill: Mobile Kommunikation und Mobile Computing. http://www.
rn.inf.tu-dresden.de, 2002.
Vorlesung an der TU Dresden, WS 2001/2002
[Vie01] T. Clausen; P. Jacquet; A. Laouiti; P. Minet; P. Muhlethaler; A. Qayyum; L. Viennot:
IETF Draft - Optimized Link State Routing Protocol, 9 2001.
[Weg02] Jochen Wegner: Reparaturdienst für UMTS. Focus, 36/2002, S. .
82

6 Location Models
Zusammenfassung
Location Models sind theoretische Modelle
zur Positionsbestimmung von mobilen
Geräten.
Die Bestimmung der Position ist für kontextbezogene
Anwendungen eine wichtiger
Aspekt, welcher die Qualität und die
Möglichkeiten der Entwicklung solcher
Anwendungen entscheidend beeinflusst.
In dieser Ausarbeitung werden die Basismodelle
und die Umsetzung dieser in
der Praxis vorgestellt. Außerdem wird auf
zwei Modelltypen eingegangen, die sich
zum momentanen Zeitpunkt noch in der
Entwicklung befinden, jedoch eine Vielzahl
von Möglichkeiten offenbaren, kontextbezogene
Informationen anzubieten.
6.1 Einleitung
Location Modeling wurde unlängst zu einem
wichtigen Thema auf dem Gebiet der
Ubiquitous-Computing-Systeme. Für Systementwickler,
die kontextbezogene Informationen
nutzen wollen, ist bereits eine große
Auswahl verschiedenster Technologien verfügbar,
um einerseits dem Benutzer einen
guten Service zu bieten oder ihm seine aktuelle
Position mitzuteilen. Die Umgebung,
in der sich der Benutzer aufhält ist im
Zusammenhang mit Ubiquitous-Computing-
Anwendungen ein wichtiger Faktor, besonders
für die Positionsbestimmung, die Navigation,
das Routing, die Streckenberechnung,
die Logistik und vieles mehr.
Der Erfolg eines Systems hängt im wesentlichen
von einem guten Entwurf ab. Deshalb
ist es für alle Anwendungen sehr wichtig ein
gewisses ’Positionsbewußtsein’ zu besitzen
Benjamin Bender
Universität Ulm
89081 Ulm
benjamin.bender@informatik.uni-ulm.de
um sicher zu stellen, dass das darunterliegende
Location Model zu den angestrebten
Funktionen passt. Für einen Menschen ist es
zum Beispiel schwierig ein Haus an der Posi-
tion 47
24’Nord, 8
18’Ost zu finden. Ebenso
schwierig könnte es für ein System sein die
Entfernung zwischen ’dem Auto’ und ’der
nächsten Tankstelle’, als symbolische Bezeichnungen,
zu bestimmen.
Die Positionsabhängigkeit ist einer der
Hauptunterschiede zwischen Ubiquitous-
Computing-Konzepten und bisherigen Computersystemen
und stellt eine weitere Herausforderung
dar, denn mobile Computer
werden mehr und mehr zu Alltagsgeräten.
Deshalb sollten die mobilen Geräte in der
Lage sein weiterhin als Computer zu dienen,
aber auch in verständlicher Art und Weise
mit dem Benutzer zu kommunizieren.
Ein weiterer Aspekt der Positionsbestimmung
ist die Genauigkeit der Informationen,
die zwischen verschiedenen Einsatzgebieten
variieren kann.
Der dritte Punkt, der in Betracht gezogen
werden sollte ist, dass Positionsinformationen
oft von verschiedenen Sensortypen bestimmt
werden. In diesem Fall sollte das System
in der Lage sein mit verschiedenen
Datenformaten zu arbeiten. Außerdem liegt
noch eine große Bedeutung auf der Entfernungsbestimmung,
die wie all die anderen
erwähnten Aspekte, nicht ohne die Verwendung
von Location Models realisiert werden
kann. [Dom02]
83

Benjamin Bender
6.1.1 Möglichkeiten der Positionsangabe
Die Idee der Ortsrepräsentation ist nicht
wirklich neu. Wahrscheinlich war die Landkarte
der allererste mobile Repräsentant eines
Positionsmodells. Ein altes Gebiet der
Kartographie ist die Katasterkartierung, die
eine sehr unsystematische Raumunterteilung
in Flächen und Grenzen betrieb. Später
wurden Kartierungen mit Längengrad
und Breitengrad eingeführt um exaktere Positionsbeschreibungen
zu ermöglichen. Ursprünglich
wurden die meisten Objekte auf
der Karte jedoch mit historischen Ereignissen
und nach und nach mit ortsspezifischen
Eigenschaften, wie Sehenswürdigkeiten, Klima,
Ressourcen, Bevölkerung, usw. verbunden.
Somit wurde das Positionsbild als Referenz
für die symbolische Bezeichnung genutzt.
Die heutigen Mittel der Positionsrepräsentation
sind viel flexibler als Karten, denn sie erlauben
nicht nur Visualisierung und Referenzen,
sondern auch komplexe Hierarchien von
Orten und Objekten, Anfragemechanismen
und Verhaltensanalysen. Die meisten dieser
Verfahren nutzen die euklidische und analytische
Geometrie, aber auch die Mengentheorie,
die Graphentheorie und die Wahrscheinlichkeitstheorie.
Man kann die Repräsentation der Position
allgemein in zwei allseits bekannte Gebiete
aufteilen, die von den Menschen seit Langem
genutzt werden und damit einen historischen
Hintergrund haben. Es handelt sich dabei um
die sogenannte physikalische Position und
die geographische Position. Beide sind absolute
Spezifikationen, da sie mit einem universell
gültigem Koordinatensystem, geographischen
Namen oder einem Referenzsystem
arbeiten.
Die physikalische Position basiert auf einem
globalen geographischen Koordinatensystem
und liefert eine absolut akkurate,
netzbasierte Position in Form eines Tupels
von Längengrad und Breitengrad. Dieses Tupel
kann gegebenenfalls noch durch Hinzunahme
der geographischen Höhe zu einem
Koordinatentripel von geographischer Länge,
84
Breite und Höhe erweitert werden.
Die geographische Position hingegen wird
durch natürliche geographische Objekte bestimmt,
wie zum Beispiel Länder, Städte oder
auch Postleitzahlenbereiche, Adressen, usw.
Eine bemerkenswerte Eigenschaft solcher
Objekte ist ihre meist klare hierarchische Organisation.
Diese Art der Positionsbeschreibung
ist für den Menschen eine vorstellbare
Beschreibung der räumlichen Position und
nicht wie bei der physikalischen Position eine
Kombination von numerischen Koordinaten.
[Dom02]
6.1.2 Objektanordnung und
Messgenauigkeit
Anhand der im vorherigen Abschnitt definierten
physikalischen und geographischen Position
gibt es generell zwei Möglichkeiten das
Verhältnis zwischen einem Objekt und dem
Ort an dem es sich befindet auszudrücken.
Die erste Möglichkeit, welche in direktem Zusammenhang
mit der physikalischen Position
steht, ist das Positioning.
Hierbei ist jedes Objekt nur durch seine
aktuelle absolute Position bestimmt, welche
sich genau im entsprechenden Koordinatensystem
ermitteln lässt. Beziehungen
zwischen verschiedenen Orten können hier
durch die Entfernung, die zwischen ihnen liegen,
definiert werden. Die Auflösungsgenauigkeit
des Positioning ist durch den Gitternetzabstand
des zu Grunde liegenden Koordinatensystems
spezifiziert. Im Kapitel 6.2.1

wird später erklärt, dass auch das Geometrische
Modell das Positioning nutzt, indem
es Orte durch eindimensionale Koordinatentupel
bzw. -tripel, also als Punkte im Koordinatensystem
repräsentiert.
Die zweite Möglichkeit, eine Objekt-Ort-
Beziehung zu beschreiben, ist das Containment.
Hier verhält es sich wie bei der geographischen
Position, d.h. ein Ort umschließt
untergeordnete Objekte wie ein
Container. Beispielsweise ist der Ort Frankfurt.Flughafen.Terminal2
ein Container für
die Personen, Gegenstände und Räume,
die sich dort befinden. Untergeordneten Objekte
können wiederum einen Container
für andere Objekte darstellen (z.B. Frankfurt.Flughafen.Terminal2.Gate3).
Sie können,
müssen aber nicht zwingend in einer
hierarchischen Beziehung zueinander stehen.
Bei dieser Möglichkeit wird die Auflösung
der Ortsbestimmung durch die Größe
des entsprechenden Containers bestimmt,
somit führt eine Verkleinerung der Containergröße
zu einer Erhöhung der Auflösungsgenauigkeit.
Typischerweise verbindet man das
Containment mit dem Symbolischen Modell
(siehe Kapitel 6.2.2). Es kann sich jedoch
auch auf das Geometrische Modell beziehen,
wenn die Position durch ein n-Tupel (mit
n>2) definiert wird. [Dom02]
6.1.3 Der Entfernungsaspekt
6.1 Einleitung
Die Entfernung ist einer der wichtigsten Begriffe
des Location Modelings. Sie legt Beziehungen
zwischen zwei oder mehreren beliebigen
Objekten, unabhängig von ihrer hierarchischen
Position fest und lässt die Verarbeitung
von Anfragen der Art ’Wo ist der nächstgelegene
Bahnhof?’ zu.
Wie im Kapitel 6.2 erklärt wird, verwenden
unterschiedliche Modelle verschiedene Definitionen
der Entfernung. Das Physikalische
Modell zum Beispiel, nutzt im Allgemeinen
die euklidische Entfernung, wobei die Entfernung
beim Geometrischen Modell nicht vordefiniert
ist. Sie ist jedoch durch die Aneinanderreihung
von Teilfolgen von Entfernungswerten
und durch die Abhängigkeit zwischen
einer Wegstrecke und dem mobilen Objekt,
das sich auf diesem Weg von A nach B
befindet, beschränkt. Folglich hat in diesem
Fall die Entfernung zwischen zwei Punkten
keinen festen Wert sondern variiert mit jeder
Messung, falls sie mit verschiedenen Geräten,
welche ein unterschiedliches Bewegungsverhalten
aufweisen, gemacht werden.
So ist zum Beispiel die Entfernung von Europa
nach Australien für ein Flugzeug eine
andere als sie es für ein Schiff ist.
Der Begriff der Entfernung ist auch sehr
stark mit dem Begriff der Nähe verbunden,
welcher unter dem Aspekt der Privacy bei
Ubiquitous-Computing-Systemen von großer
Bedeutung ist. [Dom02]
85

Benjamin Bender
6.2 Basic Location Models
Die heute verwendeten Location Models basieren
auf den, in Kapitel 6.1.1 erwähnten,
intuitiven Positionsangaben, der physikalischen
und der geographischen Position.
Die sogenannten Basic Location Models
sind jedoch abstrakter und deshalb leichter
an automatische Prozesse anzupassen. Sie
gliedern sich in das Geometrische Modell
und das Symbolische Modell, die im folgenden
vorgestellt und anhand einer Umsetzung
in der Praxis verdeutlicht werden. Anschließend
wird das Hybridmodell, eine Kombination
aus dem Geometrischen und dem Symbolischen
Modell, und dessen Realisierung,
die Probability Density Functions, vorgestellt.
6.2.1 Geometrisches Modell
Das Geometrische Modell stellt sowohl die
Orte als auch die Position der Objekte durch
ein bzw. mehrere Koordinatentupel dar; konkreter
ausgedrückt durch Punkte, Flächen
und Räume. Dieses Modell basiert auf einem
oder mehreren Referenzkoordinatensystemen,
wobei es sich um globale Navigationssatellitensysteme,
wie zum Beispiel
das WGS-84, handelt. Diese Positionsbeschreibung
hat den Vorteil, dass die Positionsgenauigkeit
sehr hoch und eine einfache
Kommunikationsschnittstelle gegeben
ist. Diese Kommunikationschnittstelle (zwischen
den Sensoren und den Anwendungen)
braucht nur zu wissen, welches Referenzkoordinatensystem
zugrunde liegt und
kann dann Daten austauschen. Es wird jedoch
ein separates Positionsverzeichnis und
ein passendes Abbildungsverfahren benötigt,
sobald das System dem Benutzer Informationen
über seine Position veranschaulichen
will, anstatt nur das Koordinatentupel
auszugeben.
Der größte Nachteil an diesem Modell ist
die Vielzahl an Daten und Berechnungen,
die schwache Geräte überlasten können, da
diese in Speichergröße und Rechenleistung
stark eingeschränkt sind. [Dom02]
86
Die wohl bekannteste praktische Anwendung
dieses Modells ist das Global Positioning
System (GPS). Dieses System besteht
aus drei Teilbereichen, wobei der erste Teil
die Satelliten umfasst. Das GPS arbeitet mit
21 aktiven und drei Reservesatelliten, die in
einer Höhe von 20.200 km um die Erde kreisen.
Die Satelliten sind auf sechs Bahnen angeordnet,
auf denen sich je vier Satelliten befinden.
Die Bahnen sind zueinander um 60
versetzt und um 55 zur Äquatorebene geneigt.
Abbildung 68: GPS-Satelliten-Konfiguration
Außerdem gibt es auf der Erde fünf gleichmäßig
verteilte Kontrollstationen, die den Betrieb
der Satelliten kontrollieren und steuern,
wobei sich die Hauptkontrollstation in
Colorado Springs (USA) befindet. Der dritte
Bereich, der zu dem globalen Positionsbestimmungssystem
gehört, sind die GPS-
Empfänger, die sich meist in mobilen Endgeräten
wie Handhelds, Mobiltelefonen oder
auch Autos befinden.
Jeder der 24 Satelliten benötigt 12 Stunden
um die Erde zu umkreisen und somit überfliegt
ein Satellit mindestens eine der fünf
Kontrollstationen zweimal täglich. Die Stationen
haben dadurch eine dauernde Funkverbindung
zu den Satelliten und verfügen über
alle Betriebsdaten einschließlich der Positionen.
Die Positionen der GPS-Satelliten sind
in einem Masterplan vorgegeben und werden
entsprechend überwacht. Durch diesen
Plan ist sichergestellt, dass an jeder Stelle

auf der Erde zu jeder Zeit wenigstens vier
Satelliten empfangen werden können.
Ein GPS-Empfänger besteht aus einem
Funkempfänger, einer Uhr, einem Speicher
mit dem GPS-Masterplan der die Position aller
24 Satelliten zu jedem Zeitpunkt enthält,
einer gespeicherten Weltkarte und der entsprechenden
Logik. Das globale Positionsbestimmungssystem
misst die Zeit, die ein
Funksignal von dem Satelliten bis zum Empfänger
braucht. Nachdem Funksignale eine
konstante Ausbreitungsgeschwindigkeit von
etwa 300.000 km/s (dies entspricht der Lichtgeschwindigkeit)
haben, kann der Empfänger
anhand der Laufzeit die Entfernung zu
jedem Satellit in seiner Umgebung berechnen
(Entfernung = Zeitdifferenz x Lichtgeschwindigkeit).
Die Berechnung der Position
ist dann nur noch einfache Trigonometrie.
Man berechnet die Längen- und Breitengrade
zunächst nur mit drei Satelliten, was für
einige Empfänger ausreichend ist. Geometrisch
kann man sich die Position wie folgt
6.2 Basic Location Models
konstruieren: Der Empfänger bestimmt über
die Signallaufzeit die Entfernung zu den Satelliten
in seiner Umgebung. Zieht man nun
einen Kreis mit Radius der Entfernung um jeden
der Satelliten, so können zwei Kreise jeweils
zwei Schnittpunkte besitzen. Die wahre
und die falsche Position sind jedoch meist einige
tausend Kilometer voneinander entfernt.
Der Empfänger löscht den unwahrscheinlichen
Punkt und kann anhand der Zeit, zu der
die Entfernung gemessen wurde, und dem
GPS-Masterplan den richtigen Längen- und
Breitengrad ausgeben. Bei der Positionsbestimmung
mit vier Satelliten kann zusätzlich
die Höhe über dem Meeresspiegel berechnet
und die Bestimmungsgenauigkeit erhöht
werden. Deshalb arbeiten die meisten neuen
GPS-Empfänger mit den Entfernungsdaten
von vier Satelliten. Die Bestimmung der Position
erfolgt jedoch nicht geometrisch, sondern
erfolgt durch eine analytische Berechnung,
auf die hier nicht näher eingegangen
wird. [EA02]
Abbildung 69: Positionsbestimmung mit drei Satelliten
87

Benjamin Bender
6.2.2 Symbolisches Modell
Das Symbolische Modell bezieht die Position
aus abstrakten Symbolen. Die Beschreibung
des Ortes und die Objektposition sind in diesem
Fall verschieden, da die Position des Ortes
durch eine Zone und die Position der Objekte
als Mitglieder dieser Zone dargestellt
werden. Diese Repräsentation der Position
lässt eine Verbindung zu einem Ort einfach
durch eine abstraktes Symbol oder einen Namen
zu, wodurch eine sehr praktische Interaktion
mit dem Benutzer entsteht. Die Ortsnamen
können, wie auch bei der geographischen
Position einfach hierarchisch organisiert
werden. Um eine semantisch höhere
Flexibilität zu erreichen, könnte man über
dieses Modell noch ein zweites, zusätzliches
Modell legen.
Ein Schwachpunkt dieses Modells ist die unvermeidliche
Beschreibung und Verwaltung
der Ortsnamen. Außerdem ist die Genauigkeit
dieses Modells beschränkt, da man den
Raum nicht in unendlich viele Zellen zerlegen
kann. [Dom02]
Der GSM-Standard (Global System for
Mobile Communications) und der IEEE
802.11b-Standard (Wireless LAN) sind zur
Zeit die bekanntesten Repräsentanten dieses
Modells. Im folgenden wird allerdings nur
auf den GSM-Standard eingegangen.
Das GSM-Netz ist ein zellulares Netz, in dem
das Nutzungsgebiet in verschiedene Zellen
unterteilt wird.
88
In jeder dieser Zellen gibt es eine Base Transciever
Station (BTS) mit mehreren Antennen,
welche die digitalen Signale in analoge
Signale umwandelt, einen Base Station Controller
(BSC), der die Übergabe eines Gesprächs
beim Zellenwechsel (Handover) regelt,
und ein Mobile Switching Center (MSC).
Die MSCs vermitteln die Gespräche und
steuern den gesamten Gesprächsablauf. Die
Daten über die Kunden oder genauer über
die Chipkarte des Mobiltelefons sind in dem
Home Location Register (HLR) der ’Heimatzelle’
gespeichert. Die Datenbank des HLR
kennt nicht nur die Kundendaten sondern
weiß auch, ob das betreffende Mobiltelefon
gerade eingebucht ist und wo es sich befindet.
Jede Chipkarte ist eindeutig einem HLR
zugeordnet. Um diese zentrale Datenbank
zu entlasten, übernimmt das Visitor Location
Register (VLR) einige Aufgaben, die lokal
verwaltet werden können. Befindet sich
beispielsweise ein Handy nicht in der Zelle,
in der sich sein HLR befindet, so wird es in
dem VLR der aktuellen Zelle registriert und
der Eintrag des Aufenthaltortes im HLR geändert.
Wird nun das Handy angerufen, so
erfolgt ein gewisses Routing, das im folgenden
verkürzt dargestellt wird. Der Anruf gelangt
zunächst an das Gateway-MSC (GM-
SC), welches sich beim Netzbetreiber befindet.
Dieses kennt wiederum das Home Location
Register des angerufenen Mobiltelefons.
In dem HLR ist die Zelle gespeichert, bei der
das Handy gerade im Visitor Location Register
angemeldet ist. Der Anruf wird an das
MSC dieser Zelle weitergeleitet, welches ein
Paging durchführt, d.h. das Mobiltelefon wird
in der Zelle ausgerufen. Darauf meldet sich
das Handy bei dem MSC und nimmt den Anruf
an. [Tos02]
Es gibt noch weitere interessante Funktionen
des GSM-Netzes, die allerdings nicht mehr
im Zusammenhang mit dem Auffinden eines
Mobiltelefons stehen und deswegen hier
nicht behandelt werden.

6.2.3 Hybridmodell
Die Kombination des Geometrischen und
des Symbolischen Modells ist das sogenannte
Hybridmodell, oder auch kombiniertes Modell
oder halb-symbolisches Modell genannt.
Ein gefundenes Objekt wird hier durch die
Positionskoordinaten, wie im Geometrischen
Modell, und durch die Mitgliedschaft in einer
Zelle, wie im Symbolischen Modell, dargestellt.
Andererseits kann der Ort ein wohldefiniertes,
festes Gebiet oder ein großes, mobiles
Objekt mit veränderlichen Absolutkoordinaten
im Raum sein. Eventuell hat dieses
mobile Objekt, dann noch ein eigenes, relatives
Koordinatensystem.
In diesem Modell ist die Zeit nicht als
Parameter enthalten und es werden auch
keine Veränderungen von Objektposition-
Kompositionen zugelassen. Das heißt, dass
wenn eine Verbindung zwischen zwei Objekten
besteht, wie zum Beispiel die Verbindung
zwischen einem Benutzer und dem Handy in
seiner Tasche oder dem Benutzer und dem
Raum in dem er sich befindet, dann kann diese
Verbindung für diese eine Modellinstanz
nicht mehr verändert werden. [Dom02]
Die Probability Density Functions (PDFs)
sind ein Beispiel für die Kombination des
Geometrischen und des Symbolischen Modells.
Sie vereinen die Vorteile beider Modelle
und reduzieren somit die Messungenauigkeit.
Das Geometrische Modell liefert, wie in Abschnitt
6.2.1 bereits erwähnt, einen Vektor
in einem n-dimensionalen Koordinatensystem
als Ergebnis der Positionsbestimmung.
Im einfachsten Fall ist das ein Punkt im
Referenzkoordinatensystem und es ist zum
Beispiel sehr einfach die Entfernung zweier
Punkte im selben Koordinatensystem zu bestimmen.
Falls es sich um verschiedene Koordinatensysteme
handelt, ist es nicht wesentlich
schwieriger, dann müssen nur die
Koordinaten eines Punktes in das Format
des anderen Koordinatensystems transformiert
werden und die Entfernungsbestimmung
kann leicht durchgeführt werden. Liefern
die Sensoren nicht einen Punkt sondern
6.2 Basic Location Models
eine mehrdimensionale Form die durch mehrere
Vektoren aufgespannt wird, so ist die
Berechnung von überlappenden Regionen,
kürzester Wege, usw. viel komplexer, aber
dennoch mathematisch lösbar.
Bei Sensoren, welche die Position durch
symbolische Bezeichner (vergleiche Kapitel
6.2.2) ausdrücken, ist es ein bisschen komplizierter.
Die Symbole können von einem
Computer nicht einfach als geometrischer
Vektor verarbeitet werden, auch wenn sie
vom Menschen leichter zu verstehen sind
als die geometrischen Koordinaten. Allgemein
lässt sich sagen, dass je selbsterklärender
eine Positionsbeschreibung für einen
Menschen ist, desto schlechter ist sie für
einen Computer als Berechnungsgrundlage
nutzbar. Deshalb ist es dringend erforderlich,
dass die symbolischen Bezeichnungen
auf ein Referenzkoordinatensystem abgebildet
werden, was für gewöhnlich durch große
Datenbanken geschieht.
Wie bereits erwähnt, sind Menschen mehr
an symbolischen Bezeichnungen interessiert,
wenn sie ein elektronisches System
für die Navigation benutzen. Es ist beispielsweise
viel einfacher einer Wegbeschreibung
wie ’den Gang hinunter, die dritten Tür auf
der rechten Seite’ zu folgen, als einen Vektor
für ein bestimmtes Koordinatensystem
zu erhalten. Somit ist die Abbildungsrichtung
von geometrischen Vektoren auf symbolische
Bezeichnungen von großem Interesse.
Ein Anwendungsverfahren ist der Einsatz
des Halbsymbolischen Hierarchischen Location
Models. Diese Methode verwendet sogenannte
SemiSymbolLocator-Objekte, die sowohl
symbolische Informationen, als auch
geometrische Informationen nutzt, um die
Position zu repräsentieren. Das Objekt enthält
außerdem Informationen über die hierarchische
Einstufung (LiegtIn, Enthält, usw.)
seiner Daten. Durch den Einsatz solcher
SemiSymbolLocator-Objekte ist es möglich,
räumliche Beziehungen wie Überlappung,
Einschluß, Nachbarschaft und Entfernung zu
prüfen bzw. zu berechnen.
89

Benjamin Bender
Jedes Navigationssystem nutzt Sensorendaten,
um die aktuelle Position des Benutzers
zu bestimmen und um diese Position
in Relation zu seinem internen Wissen
über die Umgebung zu setzen. Dieses interne
Wissen wird meist durch zweidimensionale
geographische Karten implementiert, welche
in einer festen Verbindung zu einem Referenzsystem
(z.B. WSG84) stehen. Die Abbildung
erfolgt durch die Koordinatenberechnung
des Punktes oder der Fläche im Referenzsystem
und dem Abgleich mit den Koordinatendaten
der Karte. Ein solches System
kann zum einen dadurch stark verbessert
werden, indem verschiedene Charakteristiken
mehrerer Sensortypen in Betracht gezogen
werden, da jeder Sensortyp verschiedene
Stärken und Schwächen hat. Andererseits
kann eine Verbesserung durch die Tatsache
erzielt werden, dass Symbole jeden
Charakters durch eine Superposition einer ndimensionalen
Basisform modelliert werden
können.
Ein Sensor liefert eine Positionsinformation
und einen ’Gültigkeitsbereich’ dieser Information.
Dieser Gültigkeitsbereich ist hauptsächlich
durch die mögliche Informationsungenauigkeit
bestimmt. Der Gültigkeitsbereich
kann einfachheitshalber zunächst durch eine
einfache geometrische Form modelliert werden.
Zum Beispiel kann die Information eines
GSM-Antennen-Sektors einfach durch ein
Dreieck (2D) oder ein Zylinder-’Kuchenstück’
(3D) dargestellt werden. Desweiteren können
GPS-Koordinaten als Punkte und Postleitzahlenbereiche
durch Polygone modelliert
werden. Man kann sagen, dass jeder Sensortyp
seine eigene Charakteristik hinsichtlich
seines Gültigkeitsbereichs hat. Durch
Kombination oder Superpositionierung von
Daten anderer - oder sogar desselben - Sensortyps
mit verschiedenen Charakteristiken
wird die Auflösungsgenauigkeit der Ortsinformation
erhöht, welche in diesem Fall
einen Schnitt aller verfügbaren Sensorendaten
darstellt. Ein Beispiel für die Superpositionierung
verschiedener Charakteristiken
desselben Sensors sind die Ringsegmente
als Ergebnis der Superpositionierung
90
der GSM-Antennensektoren und der GSMtiming-advance-Messungen.
Nicht nur Sensorendaten können durch
einfache geometrische Formen modelliert
werden, sondern vergleichsweise auch der
Raum, der durch Symbole repräsentiert wird
kann so modelliert werden. Die Idee besteht
darin das Volumen des Raumes mit vielen
primitiven Raumelementen von nur wenig
verschiedenen Typen, wie zum Beispiel Würfel,
Kugeln, usw. aufzufüllen. Man nennt dies
eine ’Sammlung von Raumprimitiven’, in der
die Raumelemente virtuell nebeneinander
angeordnet sind, um den Raum auszufüllen.
Offensichtlich nimmt die Präzision der Positionsbestimmung
zu, je kleiner die Raumprimitiven
gewählt werden. Innerhalb einer
solchen Sammlung kann jede Raumprimitive
durch eine kleine Anzahl von Parametern
definiert werden. Die Sammlung ist der Rahmen
für die Raumprimitiven und stellt ein absolutes
Koordinatensystem für sie dar. Falls
nötig, kann eine Implementation der Sammlung
intern ein anderes Koordinatensystem
nutzen, aber sie muss dann eine Abbildungsfunktion
auf das externe Referenzkoordinatensystem
bereitstellen.
Der nächste Schritt, die reale Welt besser
zu modellieren besteht darin, eine Überlappung
der Raumprimitiven zu erlauben. Eine
weitere Verbesserungen ist, die Raumprimitiven
additiv or subtraktiv zu gestalten. Die
Möglichkeit eine Raumprimitive von einer
Sammlung abzuziehen, reduziert die benötigte
Anzahl an kleinen Raumprimitven, aber
die Präzision bleibt unverändert.
Es bleibt jedoch noch ein Nachteil übrig,
denn die Kante einer einzelnen Raumprimitiven
ist scharf, d.h. wenn sie von Navigationssystemen
genutzt werden ist man
entweder innerhalb oder außerhalb des entsprechenden
Gebietes. Deshalb werden sie
auch Hard Primitives genannt. Der Nachteil
wird klar, wenn man sich die Superposition
zweier verschiedener Sensorinformationen
mit scharfen Kanten veranschaulicht.

Abbildung 70: Konfliktsituation bei scharfen
Kanten
Der Empfänger eines Navigationssystems
muss entscheiden, ob er innerhalb oder außerhalb
eines speziellen Sektors ist. Sogar
wenn der Benutzer sehr nahe an, aber dennoch
außerhalb der scharfen Grenze ist, wird
das Ergebnis der Positionsbestimmung unpräzise.
Eine Lösung dafür bieten die sogenannten
Soft Primitives. Soft Primitives werden
durch Probability Density Functions (PDFs)
erstellt. Die PDFs haben die gleiche Charakteristik
wie die Hard Primitives. Es werden
nur wenige Paramter benötigt um eine PDF
zu definieren: Superpositionierung ist eine
einfache mathematische Operation und sie
können in einem absoluten Koordinatensystem
positioniert werden. Die wichtigste zusätzliche
Eigenschaft der PDFs ist, dass sie
besser in die reale Welt passen als die Hard
Primitives. Es ist nämlich viel präziser einen
Antennensektor durch eine Probability Density
Function zu modellieren als durch ein
Dreieck. Wegen der mathematischen Charakteristik
einer PDF, auf die hier nicht genauer
eingegangen wird, existiert die Konfliktsituation
der Zugehörigkeit zu einer bestimmten
Raumprimitiven nicht mehr. Durch
den Einsatz von PDFs, hängt jede Positionsinformation
von einer Wahrscheinlichkeit ab
(’Sie befinden sich mit einer Wahrscheinlichkeit
von 95 Prozent im Antennensektor 47’),
allerdings auch alle Verhältnisse zwischen
Standortinformationen (’Das Gebiet mit 96
Prozent Aufenthaltswahrscheinlichkeit ist...’).
Somit muss das Navigationssystem, welches
mit Soft Primitives umgeht passende Schwel-
6.2 Basic Location Models
lenwerte für alle Berechnungen zur Verfügung
stellen.
Im folgenden wird dargestellt, wie die Daten
verschiedener Positionsquellen kombiniert
werden um eine Probability Density
Function zu erzeugen, dazu müssen jedoch
zuerst einige Voraussetzungen festgelegt
werden. Zuerst nimmt man an, dass
die Quellen unabhängig voneinander gestört
werden, d.h. jede Quelle der Positionsbestimmung
wird durch unkorrelierte Fehler beeinflusst.
Als Zweites wird festgelegt, dass
jede individuelle Positionsfunktion oder jeder
Positionssensor eine PDF der Position liefert,
wobei die Position als Tripel (x,y,z) im Koordinatensystem
definiert ist. Diese Probability
Density Function wird als genau betrachtet,
wenn sie alle Fehler der Funktion modelliert.
Diese Fehler müssen technische Fehler,
Messungenauigkeiten, gezielte Attacken auf
das System und andere Ergeignisse beinhalten.
Viele dieser Fehler verändern das Ergebnis
der PDF nur wenig, aber nicht unbedeutend.
Letztendlich besteht die Funktionsweise der
Probability Density Functions daraus, den
wahrscheinlichen Aufenthaltsort zu modellieren.
Zur Positionsbestimmung modellieren
sie die Daten mehrerer verschiedener Quellen
und anschließend werden diese Ergebnisse
übereinandergelegt.
91

Benjamin Bender
Als Ergebnis dieser Berechnung erhält man
eine sehr genaue Position, mit einer sehr geringen
Abweichung, da die Aufenthaltsmöglichkeiten
vieler unabhängiger Quellen meist
nur eine kleine Schnittmenge haben. Die Ergebnisgenauigkeit
dieser Funktionenkombination
wird durch eine größere Anzahl an
verschiedenen Quellen erhöht. [T.S02]
92

6.3 Modellentwicklungen
Die Location Models sind ein wichtiger Punkt
für kontextbasierte Anwendungen, die sich
in modellbasierte Anwendungsumgebungen
gliedern lassen. Im Folgenden wird diese
Gliederung vorgenommen und zwei Methoden
der Positionsinformationsmodellierung
vorgestellt. Die modellbasierten Anwendungsumgebungen
lassen sich in drei Klassen
gliedern, die Infrastrukturbasierten, die
Ad-hoc-Netzwerk-basierten und die Isolierten
Anwendungsumgebungen. Diese werden
in diesem Kapitel vorgestellt und ihre
Funktionsweise erklärt.
Die Infrastrukturbasierten Anwendungsumgebungen
speichern Umgebungsdaten
in einer global verfügbaren Datenbank, wodurch
es verteilten Anwendungen ermöglicht
wird, in Abhängigkeit von der konkreten Umgebung
und ihrer Position mit der Anwendungsumgebung
zu interagieren.
Abbildung 71: Darstellung einer Infrastrukturbasierten
Umgebung
Mobile Geräte benötigen in diesen Systemen
einen Zugang zur Infrastruktur um auf die gespeicherten
Umgebungsdaten zugreifen zu
können. Solche mobile Knoten müssen ihre
Positionsinformationen der Infrastruktur mitteilen,
damit sie von ihr positionsabhängige
Informationen erhalten können. Deshalb
müssen die mobilen Geräte ihre geometrische
Position über GPS oder ähnliche Sy-
6.3 Modellentwicklungen
steme erhalten. Diese Klasse von Anwendungen
wird durch die zentrale Speicherung
der Umgebungsinformationen charakterisiert
und die verteilten Anwendungen basieren
auf der Konsistenz dieser Informationen. Die
lokale Speicherung von Daten wird hauptsächlich
aus Geschwindigkeitsgründen genutzt
oder um eine Partitionierung des Netzwerks
in gleichberechtigte Teile in Betracht
zu ziehen. Ein Beispiel für dieses Verfahren
ist das NEXUS-System, welches im Abschnitt
6.4.1 näher beschrieben wird.
Die Ad-hoc-basierten Anwendungsumgebungen
setzen, wie der Name schon sagt,
auf mobilen Ad-hoc-Netzwerken (MANETs)
auf. MANETs sind durch mobile Knoten, ohne
festvorgegebene Position, aufgebaut, wodurch
sie hochdynamisch sind. Diese Knoten
sind kleine Computer, wie zum Beispiel
SmartThings, Mobiltelefone oder PDAs.
Abbildung 72: Darstellung einer Ad-hocbasierten
Umgebung
Die Interaktion dieser Geräte hängt von der
Umgebung ab, in der sie sich befinden. Eine
Langstreckenkommunikation ist aus finanziellen
Gründen und auf Grund des Energieverbrauchs
nicht von Interesse. Die Abhängigkeit
von lokal verfügbaren Daten trägt
dazu bei, den Stromverbrauch zu optimieren.
Desweiteren sind solche Geräte typischerweise
mit einem Benutzer festverbunden,
folglich können die verfügbaren Dienste
in seiner Umgebung ihn effizient durch
eine unbekannte Gegend führen oder ihm eine
Vielzahl von Informationen zur Verfügung
93

Benjamin Bender
stellen. Die Speicherung der Informationsdaten
bei den mobilen Ad-hoc-Netzwerken ist
anders als bei der Infrastrukturbasierten Methode.
Bei MANETs ist es, wegen der Partitionierung
des Netzwerks, nicht möglich von
jedem Ort im Netzwerk auf alle Daten zuzugreifen.
Deshalb müssen Anwendungen,
die Umgebungsdaten benötigen, diese Daten
lokal speichern. In dieser Anwendungsumgebung
können verschiedene Anwendungen
auf unterschiedlichen Geräten mit unterschiedlichen
Zuständen derselben Umgebung
arbeiten, d.h. die Daten müssen nicht
konsistent sein. Im Abschnitt 6.4.2 wird das
CANU-Verfahren erklärt, welches eine verteilungsbasierte
Methode zur Aktualisierung
der Positionsinformation verwendet.
Bisher wurden Anwendungen beschrieben,
die sich die selben Umgebungsdaten teilten,
entweder in einem zentralen oder verteilten
Datenspeicher. Bei der Isolierten Anwendungsumgebung
handelt es sich um eine
andere Art von Anwendung, die ihre Umgebungsdaten
nicht teilt, sondern ausschließlich
von ihren eigenen lokalen Daten abhängt.
Inkonsitenzen kommen - zumindest
aus Sicht einer Anwendung - hier nicht vor,
denn Entscheidungen, die auf der Umgebung
basieren, hängen von den lokal gespeicherten
Daten ab. Beispiele für solche
Anwendungen kommen aus dem Gebiet der
Roboter, in dem die Geräte meist autonom
sind. Das Gerät enthält Daten über seine
Umgebung, zum Beispiel einen Fertigungsplan,
und kann nur Aktionen innerhalb dieser
Umgebung ausführen.
Die hier aufgeführten Methoden beschreiben
verschiedene Anwendungsmodelle die
94
auf Umgebungsdaten basieren. Positionsinformationen
sind für viele Anwendungen
des Ubiquitous-Computing entscheidend.
Die Infrastruktur- und Ad-hoc-Verfahren werden
in vielen Programmen gleichzeitig eingesetzt.
Die MANETs können am besten
zur Verbreitung von Informationen eingesetzt
werden, die zu kurzlebig für eine zentrale
Speicherung oder nur für ein kleines Gebiet
von Interesse sind. Die Infrastruktur kann
die Ad-hoc-Netzwerkknoten in verschiedenen
Gebieten mit Modelldaten versorgen, damit
diese genaue Daten über ihre Umgebung
an die mobilen Knoten weitergeben können.
Deshalb ist es erstrebenswert eine Integration
zu erzielen. [K.R02]
6.3.1 Location Models in
infrastrukturbasierten
Anwendungen: Das NEXUS-Modell
Die Aufgabe des NEXUS-Projekts besteht
darin, eine offene Plattform für ortsbezogene
Anwendungen zu schaffen. Das Ziel einer
solchen Allgemeinplattform ist es eine
Grundlage bereitzustellen, welche die Entwicklung
von positionsbasierten Anwendungen
erleichtert und eine bessere Integration
der Anwendungen sowie eine bessere Interaktion
zwischen den Anwendungen ermöglicht.
Im folgenden werden die Gebiete betrachtet,
die für die Modellierung der Position
von Bedeutung sind.
Der Kern der NEXUS-Plattform ist ein gemeinsames
erweitertes Weltmodell (augmented
world model), welches dem kompletten
Positionszusammenhang für kontextbasierte
Anwendungen liefert.

Abbildung 73: Das erweiterte Weltmodell in NEXUS
Dies beinhaltet die Repräsentation von statischen
realen Objekten wie Häuser, Straßen
und Büros, mobilen Objekten wie menschliche
Benutzer, Autos, Züge, aber auch
von virtuellen Objekten (Virtual Information
Towers - VITs), um welche die reale Welt
erweitert wird. Beispiele für virtuelle Objekte
sind virtuelle Reklametafeln, virtuelle Postits
oder virtuelle Kioske, an denen ortsspezifische
Produkte oder Informationen angeboten
werden.
Das Weltmodell wird aufgeteilt und von verschiedenen
Providern angeboten, zum Beispiel
könnte die Stadt Ulm ein Modell von
ganz Ulm mit einer Genauigkeit von Häusern
und Straßen anbieten. Die Universität Ulm
könnte ein detailliertes Modell mit Informationen
über die Gebäude auf dem Campus
zur Verfügung stellen und die Fakultät für Informatik
einen detaillierten Plan ihres Gebäudes
mit allen Hörsälen und Büros anbieten.
Das erweiterte Weltmodell wird in NEXUS
durch die Augmented World Modeling Language
(AWML) beschrieben und Positionsanfragen
an das Modell können mit der Augmented
World Querying Language (AWQL)
gestellt werden.
Objekte in AWML haben Attribute, die ihre
Position und ihre Form in Relation zu irgend-
6.3 Modellentwicklungen
einem Koordinatensystem angeben. Für diese
Objektbeschreibung wird die Geographic
Markup Language (GML), eine XMLbasierte
Sprache, verwendet. Das GML-
Positionsschema enthält Punkte, Linien und
Polygone als geometrische Basiselemente,
aber auch geometrische Collections, wie
Multipunkte, Multilinien und Multipolygone.
GML definiert kein festes Koordinatensystem,
sondern ein räumliches Referenzsystem,
bezüglich dem die Koordinaten definiert
werden. NEXUS verwendet eine Vielzahl
unterschiedlicher Koordinatensysteme,
wie zum Beispiel WGS84-Koordinaten, die
auch GPS nutzt, aber auch Gauss-Krüger
und UTM-Koordinaten, die hauptsächlich für
Karten verwendet werden und desshalb oft in
geographischen Informationssystemen gefunden
werden. In manchen Fällen kann es
auch nötig sein ein lokales Koordinatensystem
zu benutzen, beispielsweise wenn Positionen
in Objekten, wie zum Beispiel Schiffen,
definiert werden sollen, die sich im globalen
Koordinatensystem bewegen. Die Modellierungssprache
AWML modelliert nicht
nur die geographische Position und die Form
des Objekts, sondern auch symbolische Bezeichner
der Objekte, wie Raumnummern,
und explizite Beziehungen zwischen Objek-
95

Benjamin Bender
ten, wie die IstTeilVon-Beziehung. Dies ist
besonders dann wichtig, wenn verschiedene
Teile des Modells verbunden werden, die von
verschiedenen Providern angeboten werden.
Die Anfragesprache AWQL gestattet Anfragen
an das Weltmodell nach Objekten,
die mit einigen Einschränkungen behaftet
sind. Diese Einschränkungen beinhalten
räumliche Beziehungen zu anderen
Objekten, wie LiegtIn, ÜberlapptMit, Enthält,
SchliesstAus und NächstNäheres. Sie
können jedoch mit booleschen Ausdrücken
kombiniert werden. Zusätzlich unterstützt die
Sprache Generalisierungs- und Aggregationsregeln,
welche das Löschen von kleinen
Details und das Verschmelzen kleiner
Objekte zu größeren Objekten ermöglichen.
Es wäre zum Beispiel viel zu aufwendig
auf einer Karte jedes Haus detailliert einzuzeichnen,
stattdessen werden die Häuser als
Blöcke dargestellt bzw. mehrere Häuser zu
einem großen Block zusammengefasst.
Informationen über die aktuelle Position von
mobilen Objekten erhält man von vielen verschiedenen
Sensorsystemen, diese reichen
von GPS oder Ähnlichem im Freien bis zu
Infrarot- und Funksystemen in Gebäuden.
Auf Grund der verschiedenen Charakteristiken
dieser Sensorsysteme und der Updaterate
muss die NEXUS-Plattform mit vielen
verschiedenen Genauigkeitsstufen arbeiten.
Außerdem muss sie Parameter zur Verfügung
stellen, die es dem Benutzer ermöglichen
die Art und den Umfang des Ergebnisses
auf seine Anfrage zu spezifizieren.
[K.R02]
6.3.2 Location Models in mobilen
Ad-hoc-Netzwerken: Das
CANU-Modell
Das CANU-Projekt (Communication in Ad
Hoc Networks for Ubiquitous Computing)
verfolgt das Ziel Anwendungen in mobilen
Ad-hoc-Netzwerken zu unterstützen. Ähnlich
wie beim NEXUS-Projekt basieren die Anwendungen
bei CANU auf Modelldaten ihrer
96
Umgebung. Die mobilen Netzwerkknoten haben,
wie es für ein Ad-hoc-Netzwerk charakteristisch
ist, keinen Zugriff zu einem zentral
gespeicherten Weltmodell, wie es bei NE-
XUS der Fall ist. Deshalb müssen wichtige
Teile dieses Modells auf jedem Netzwerkknoten
gespeichert werden.
Die CANU-Umgebung besteht aus beweglichen
Netzwerkknoten, die sich in einem
mobilen Ad-hoc-Netzwerk (MANET) befinden.
Dieses Netzwerk wird durch mobile Geräte,
wie Mobiltelefone oder PDAs, welche
die Benutzer bei sich haben, aufgespannt.
Die Geräte verfügen über eine Kurzstreckenfunkeinheit,
wie Bluetooth oder IEEE 802.11
(WLAN) im Peer-to-Peer-Modus und können
zusätzlich ihre Position bestimmen. Einer
der Hauptpunkte von CANU ist, dass sich
die Menschen nicht einfach ziellos bewegen,
sondern ein bestimmtes Ziel haben oder zumindestens
an feste Wege in ihrer Umgebung
gebunden sind. Somit kann diese Information
dazu genutzt werden einen Übertragungsweg
für den Datentransport in MA-
NETs zu finden.
Die CANU-Netzwerkknoten erhalten Modelldaten
aus ihrer Umgebung, und zwar entweder
durch eine feste Infrastruktur, falls eine
vorhanden ist, zum Beispiel beim Betreten
eines Gebäudes, oder von anderen mobilen
Netzwerkknoten. Das Fundament einer
CANU-Anwendungen ist die räumliche Umgebung,
beispielsweise ein Kartenausschnitt
oder ein Gebäudeplan. Man nennt dies auch
das räumliche Weltmodell. Das Modell wird
intern als Graph repräsentiert, wobei die
Knoten den Räumen, Gebäuden oder anderen
Orten entsprechen und die Kanten Verbindungen
zwischen den Orten darstellen.
Dieses Raummodell ist die Grundlage für
alle anderen Informationen die den CANU-
Anwendungen zur Verfügung stehen. Die Information
soll im CANU-Modell mit einem Ort
fest verknüpft sein, d.h. sie ist mit einem Knoten
im Raummodell verbunden. Das Raummodell
dient den Anwendungen als lokales
Weltmodell und nimmt Anfragen über Objekte
entgegen.

Anwendungsspezifische Anfragen können in
Bezug auf das Raummodell auch realisiert
werden. Ein einfaches Beispiel ist eine Navigationsanwendung
für ein Gebäude oder
einen Flur. Wichtige Objekte sind mit einer
Verknüpfung auf ihre Position im Raummodell
gespeichert. Somit sind Positions- bzw.
Relationsanfragen, wie zum Beispiel ’Wo bin
ich?’, ’Wer/Was ist hier?’, ’Wo finde ich...?’
möglich.
Wenn zwei Netwerkknoten aufeinandertreffen,
aktualisieren sie gegenseitig ihre Informationen.
Wie Experimente gezeigt haben
verbreiten sich die Daten, in einem typischen
Szenario eines Gebäudes, durch einen einfachen
Diffusionalgorithmus mit einer vertretbaren
Geschwindigkeit. So verzögert sich
beispielsweise die Aktualisierung der Daten
in einem dreistöckigen Gebäude mit hundert
Netzwerkknoten durchschnittlich um 39 Sekunden.
Dadurch können Anfragen und Daten
gezielt dorthin weitergeleitet werden, wo
die entsprechenden Informationen gespeichert
sind oder benötigt werden.
Letztendlich bietet das Raummodell von CA-
Literatur
6.4 Abschlussbemerkung
NU einen Rahmen für Daten von lokalem
Interesse, welche als Grundlage für anwendungsspezifische
Anfragen in mobilen
Ad-hoc-Netzwerken genutzt werden können.
[K.R02]
6.4 Abschlussbemerkung
Seitdem die Basic Location Models 1997/98
systematisch beschrieben wurden, haben
sich viele ihrer Anwendungen und auch neue
Modellentwicklungen durch die vielen vorhandenen
kleinen, mobilen, allgegenwärtigen
Geräte, in Richtung neuer Anwendungsfelder
bewegt. Die heutigen Location Models
ermöglichen die Darstellung des Raumes,
der Position von Objekten und auch Beziehungen
zwischen ihnen, aber die Genauigkeit
und das Anwendungsangebot muss
noch verbessert bzw. erweitert werden. Es
gibt bereits gute Ansätze dafür, allerdings ist
für diese Ansätze noch nicht sichergestellt,
ob sie sich überhaupt umsetzen lassen und
dann auch entsprechend genutzt werden.
[Bec02] Christian Becker: Weltmodelle zur Unterstützung Kontext-bezogener Systeme.
http://www.ijg.uni-freiburg.de/telematik/lehre/
ringvorlesungen/dozent/% SS02/RingVL_Christian%20Becker.pdf,
2002.
[Dom01] Svetlana Domnitcheva: Basic Location Models - Extentions and Challenges.
http://www.inf.ethz.ch/vs/publ/slides/ubicomp2001-location.
pdf, 2001.
[Dom02] Svetlana Domnitcheva: Location Modeling:State of the Art and Challenges.
http://www.tik.ee.ethz.ch/~beutel/projects/picopositioning/
ubicomp01-l% ocation-modeling.pdf, 2002.
[EA02] E-Agrar: Das Meisterwerk aus Zeit und Weg. http://www.e-agrar.at/
gpsfachwissen/SofunktioniertGPS.htm, 2002.
[Geo02] Michael Schulz Geosoft: Was ist GPS? http://www.geosoft-gps.de/gps_
infos/info_1.html, 2002.
97

Literatur
[K.R01] M.Bauer C.Becker K.Rothermel: Location Models from the Perspective of
Context-Aware Applications and Mobile Ad Hoc Networks. http://www.
informatik.uni-stuttgart.de/ipvr/vs/de/people/mabauer/Prese%
ntations/LocationModels.pdf, 2001.
[K.R02] M.Bauer C.Becker K.Rothermel: Location Models from the Perspective of Context-
Aware Applications and Mobile Ad Hoc Networks. ftp://ftp.informatik.
uni-stuttgart.de/pub/library/ncstrl.ustuttgart_fi% /INPROC-
2001-36/INPROC-2001-36.pdf, 2002.
[P.R02] K.Wendlandt A.Ouhmich M.Angermann P.Robertson: Implementation of Soft Location
on mobile devices. http://www.heywow.com/download/inloc.pdf,
2002.
[Tos02] Toshiba: Teil 2:Im Detail - so funtioniert GSM. http://computer.
toshiba.de/cgi-bin/ToshibaCSG/download_whitepaper.jsp?%
z=90&WHITEPAPER_ID=GPRS2, 2002.
[T.S02] M.Angermann J.Kammann P.Robertson A.Steingaß T.Strang: Software Representation
for Heterogeneous Location Data Sources Using Probability Density Functions.
http://www.heywow.com/download/loce01pa.pdf, 2002.
98

7 Location based services (LBS)
Zusammenfassung
Location based services (LBS) befinden
noch in den Startlöchern und die
Entwicklungsrichtungen sind noch unklar.
Nicht nur die rechtlichen Unsicherheiten
auf Seiten der Anbieter verhindern
eine größere Anzahl Dienste, auch die
zurzeit begrenzte technische Ausstattung
auf Seiten der Kunden lassen noch keine
richtige Freude beim Endanwender für
LBS aufkommen. Heute gestartete Dienste
müssen einen langen Atem beweisen
bis endlich die Erwartungen der Analysten
eintreten. Setzen sich aber LBS
einmal durch, dann besteht die Chance,
dass wenigstens bei mobilen Endgeräten
der Datendschungel durch bessere Personalisierung
kleiner wird. Wobei aber die
Nachrichten Mailbox nicht so enden darf,
wie es zurzeit die all morgendliche E-Mail
Box am Computer tut.
7.1 Motivation
7.1.1 Zukünftige Nutzer
Eine deutsche Online Umfrage zum Thema
LBS ergab, dass ein großer Teil der zukünftigen
Nutzer noch nicht weiß, um was es sich
bei LBS genau handelt. Bei einer abstrakten
Vorstellung des Themas wollen immerhin
schon 40% der Befragten diese Dienste
nutzen. Mehr als 30% können sich darunter
aber nichts vorstellen. Das Blatt wendet
sich schlagartig, wenn konkrete Beispiele
eingeführt werden. Danach wollen dann ganze
80% LBS nutzen. Hier wird deutlich, dass
aufgrund der wenigen Dienste die Verbraucherinformationen
noch gering sind. Der Nutzen
wird für den Kunden aber schnell durch
12 Global Positioning System
Alexander Traud
alexander.traud@informatik.uni-ulm.de
Beispiele aus dem Alltagsleben deutlich.
Die zukünftigen Nutzer verknüpfen auch Sorgen
mit den Standort bezogenen Diensten:
77% der Befragten lehnen Werbenachrichten
auf Basis von LBS ab. Dieses Ergebnis
liegt auch nahe, da die Teilnehmer der
Umfrage Internet Nutzer sind und solche Informationen
mit Werbe und Spam E-Mails
gleichsetzen. Um allerdings auch die breite
Mobilfunknutzerschicht nicht zu vergraulen,
muss innerhalb von LBS von Anfang an gewährleistet
sein, dass die Werbenachrichten
nicht zu oft eingesetzt werden und von hohem
Nutzen für den Kunden sind. So kann
man sich zum Beispiel vorstellen, dass in
der Zukunft eine Akzeptanz von Werbenachrichten
die monatliche Grundgebühr sinken
lässt.
40% würden sogar ihr Mobilfunkgerät abschaffen,
falls mittels LBS von anderen der
Aufenthaltsort des Nutzers bestimmbar werde.
Dies ist zwar schon heute ohne LBS gegeben,
zeigt aber wie wichtig dem Nutzer das
Thema Datenschutz ist.
[EMN02]
7.1.2 Marktpotenzial
LBS befindet sich zurzeit noch in den Startlöchern.
GPS 12 gestützte Verkehrsnavigation
wird langsam Standard. Zellen basierte Mobilfunk
Lokalisierung ist erst letztes Jahr eingeführt
worden. Die Dienste sind noch dünn
und nur vereinzelt verfügbar.
Es besteht aber ein großes wirtschaftliches
Potenzial für die Zukunft. So schätzte die
Strategis Group bereits im Jahr 2000 den
Umsatz von LBS im Mobilfunk in Europa bis
zum Jahr 2005 auf über 80 Milliarden Euro.
99

Alexander Traud
So soll die Zahl der LBS Nutzer von 2 Millionen
auf über 200 Millionen im Jahr 2005
ansteigen. Fast 100 Millionen - die Hälfte
aller Nutzer - sollen davon sogar Standort
basierte Abrechnungssysteme und Werbenachrichten
akzeptieren.
Aufgrund der veränderten weltwirtschaftlichen
Lage und der zurzeit nur sehr langsamen
Einführung von LBS dürften sich diese
Erwartungen nach hinten korrigieren und erst
fünf Jahre später erreicht werden, was immer
noch ein gewaltiges Wachstum und einen hohen
Umsatz verspricht.
[Gro00]
7.1.3 LBS als Verbindung vorhandener
Informationen
’Unter LBS (deutsch: Standort bezogene
Dienste) sind alle Anwendungen zu verstehen,
welche die Position des Teilnehmers mit
einbeziehen, um ihm spezifische Inhalte zur
Verfügung zu stellen.’
LBS bestehen nicht nur aus den Informationen
über den Standort. LBS zeichnen sich
dadurch aus, dass vorhandene Informationen
und Datenbanken verknüpft, mit den lokalen
Daten personalisierter durchsucht und
präsentiert werden können. Man kann LBS
als aktive Datenfilter ansehen, welche die gesuchten
Informationen schneller liefern. Leidige
Eingaben wie zum Beispiel von Postleitzahlen
oder Stadtnamen entfallen. Die Postleitzahl
des Aufenthaltsortes wäre dem Nutzer
auch meist nicht bekannt und einfache
Tippfehler können dazu führen, dass das System
denkt man halte sich bis zu 500 Kilometer
weiter entfernt auf. Auch der Name der
Lokalität führt zu langen textuellen Eingaben,
die auf vielen mobilen Endgeräten eine gewisse
Kenntnis über das Gerät und dessen
Texteingabe voraussetzen bzw. selbst dann
eine zeitliche Qual darstellen.
Die Information über den Standort des Nutzers
entwickelt sich somit zu einem kritischen
Faktor. Der Benutzer kommt schneller an die
für ihn relevanten Informationen. LBS ist das
Stück im Puzzle, damit neue Nutzerschichten
bestimmte Informationen suchen.
Wenn man heute im Auto fährt, nicht mehr
genau weiß wo es lang geht und den Weg
wissen will, dann liegt es nahe den nächsten
Passanten anzusprechen. Nur manchmal ist
keiner da. LBS kann hier durch genaue Navigationssysteme
dieses Problem lösen. Verbunden
mit anderen Datenbanken und Informationen
ist es auch möglich nicht nur
den kürzesten Weg aufzuzeigen, sondern
den gerade zu diesem Zeitpunkt schnellsten,
wenn zum Beispiel ein Stau oder ein Unfall
auf der ursprünglichen Strecke ist.
M-Commerce (mobiles Einkaufen) wird einfacher.
Man stelle sich ein Verzeichnis in der
Art der Gelben-Seiten vor. Man steht in Mitten
einer fremden Stadt und sucht den nächsten
Drogeriemarkt. 5-10 Klicks im Handy
und schon erfährt man, dass ein Geschäft
nur 100 Meter entfernt ist. Ohne LBS wäre es
ein elendiges Getippe geworden, oder man
hätte gleich den nächsten Passanten gefragt,
der es vielleicht auch nicht gewusst hätte.
Gezieltere Werbung ist ebenso denkbar. Informationen
werden präsentiert, die man
vielleicht gar nicht von sich ausgesucht hätte.
Diese Nachrichten müssen nicht einmal aufdringlich
sein. Man geht an einem Geschäft
vorbei und eine kleine Werbenachricht informiert
zum Beispiel über den aktuellen Preisnachlass
bei einer Karibikreise - kommt doch
eigentlich ganz gelegen. Information zu kulturellen
Einrichtungen oder Gebäuden werden
angezeigt, wenn man sich in deren Nähe
befindet.
Ganz neue Möglichkeiten ergeben sich im
Bereich Entertainment besonders bei Spielen,
dazu gibt es später ein Fallbeispiel.
Instant Messaging (Chat) werden durch Informationen
über den Standort angereichert.
So wie man sich zum Beispiel in ICQ auf
sichtbar stellt, kann man auch gewissen vertrauenswürdigen
Kontakten erlauben, Einsicht
in den jeweiligen Standort zu geben.
Durch die Verbreitung von Java ME und
GPRS 13 ist es schon heute möglich, einen
13 General Packet Radio Service: relativ schneller Paket-orientierter Übertragungsstandard im GSM Mobilfunk
100

Instant Messaging Klienten im Mobilfunkgerät
zu haben.
Dies kann durchaus Sinn machen. Die erste
Frage am Festnetztelefon lautet meist, wie es
denn dem Gesprächspartner gehe, am Han-
7.2 Überblick
7.2 Überblick
dy ist die erste Frage meist, wo denn der Gesprächsteilnehmer
gerade sei. Der Standort
wird durch mobile Endgeräte und Dienste zu
einem kritischen Faktor.
[Eri01]
Abbildung 74: LBS - das verbindende Stück im Puzzle
Welche Netzwerklösungen werden für welche
Dienste gewünscht?
Nicht alle LBS brauchen die gleiche Auflösung
des Standortes des Benutzers. Es
hängt vom Aufenthaltsort ab, wie genau der
Standort ermittelt werden sollte. Hier hat der
Mobilfunksektor einige Vorteile, denn innerhalb
der Stadtzentren, kann aufgrund des Telefonieraufkommens
und der maximalen Kapazität
von knapp 60 Verbindungen pro GSM
Basisstation, die Genauigkeit der Zellen basierten
Ortung weit genauer sein, als auf
ländlichen Gebieten, wo eine Basis manchmal
Radien bis zu 15 Kilometer abdecken
muss.
Die unten stehende Grafik macht dies deutlich.
Hier sind bereits innerhalb einer Großstadt
erhebliche Unterschiede in der Verkehrsdichte
(Telefonieraufkommen) zu verzeichnen.
Ein Netzbetreiber analysiert solche
Daten und baut seine Basen für eine
adäquate Versorgung auf. In diesem Kölner
Beispiel werden in den Randbereichen der
Stadt weniger Basen aufgestellt womit eine
Zellen basierte Ortung bereits ungenauer
sein wird.
101

Alexander Traud
Abbildung 75: Mobilfunk Verkehrsdichte in der Kölner City - Quelle E-Plus
Genauigkeitsverluste geschehen nicht nur
auf Seiten der Datenerhebung sondern auch
bei der Verarbeitung. Hier ist nicht nur
die technische Berechnung in die Lokalisierungshardware
gemeint, sondern auch die
Genauigkeit der Software Datenbank auf der
man aufsetzt. Darüber hinaus muss auch die
Benutzersoftware die vorhandene Hardware
und Datenbank entsprechend voll ausnutzen.
Ein Navigationssystem für das Geschäftsauto
eines Außenmitarbeiters oder für das
Flottenmanagement in einem LKW Fuhrpark
braucht meist sehr genaue Daten über den
aktuellen Aufenthaltsort, um zum Beispiel eine
Weganzeige zu ermöglichen. So möchte
man schon vor einer Kreuzung informiert
werden, ob man nun abbiegen sollte, oder
erst 50 Meter weiter bei der nächsten Kreuzung.
Hier ist GPS optimal. Man befindet sich
im Freien, was eine Sichtverbindung zum
GPS Satellit ermöglicht und somit zu einer
höheren Genauigkeit führt. Auch der Empfang
mehrerer Satelliten erhöht die Genauigkeit,
so dass man durch das heutige GPS
Rauschen auf eine Genauigkeit der Standort
Auflösung von wenigen Meter kommt.
Wenn nun innerhalb des Verkehrsmittels die
Datenbank, welche meist in Form einer CD
im Kofferraum oder Handschuhfach vorliegt,
nicht die aktuellste ist, dann kann die Strecke
nicht optimal berechnet werden. Falls das
Kartenmaterial oder die Software nicht die
Eingabe der Hausnummer optional zur Angabe
der Stadt und dem Straßennamen erlaubt,
dann hilft auch das genauste Navigationssystem
fast nicht mehr, da in Deutschland
nicht wenige Straßen mehrere Kilometer
lang sein können. Straßen ab 500 Meter
sind so schon schlecht navigierbar.
Navigation und Notdienste sind wichtige
Dienste, die auf GPS oder A-GPS 14 angewiesen
sind. Dies ist unabhängig vom Standort,
sei es ländlich (rural), vorstädtisch (suburban),
städtisch (urban) oder das Stadtzentrum
(city).
Alle anderen Mobilfunk LBS können sehr
14 assisted Global Positioning System: GPS mit Berechnung des Standortes in einem Server anstatt dem GPS
102
Terminal selbst

wohl mit E-OTD 15 und CGI-TA 16 auskommen.
Gerade letzteres ist ohne große bauliche
Änderungen in jeder GSM / UMTS Basisstation
nachrüstbar. Ebenso müssen die
Endgeräte - also Handys - nicht erneuert
werden. E-OTD bietet eine relativ genaue
Positionierung, erfordert aber einen gewissen
Aufwand in die Aufrüstung der GSM
Netzinfrastruktur. Weiterer Nachteil besteht
darin, dass dieses System neue Hardware
beim Kunden erfordert und aufgrund des Datenschutzes
kritisch ist, da der Benutzer laufend
vom Netz aus lokalisiert wird. Es muss
hier sichergestellt sein, dass die Daten nicht
missbraucht werden können.
Bei GPS besteht keine grundlegende Datenschutz
Problematik, da GPS den Benutzer
nicht lokalisiert, sondern der Benutzer lokalisiert
sich selbständig durch seinen GPS
Empfänger, welcher dann auf Basis der Abstände
zu den jeweiligen Satelliten die Position
ermittelt. Sollte der Einbau von GPS
7.2 Überblick
Empfängern und die Übermittlung bzw. Speicherung
aber von einem Arbeitgeber vorgeschrieben
sein, dann entsteht doch ein Datenschutz
Problem. Auch die Motivation der
Arbeitnehmer kann sinken, denn es entsteht
höherer Stress immer in Aktion zu sein.
Lokale Wetterinformationen, Gelben-Seiten
(z.B. der nahste McDonalds) und Verkehrsinformationen
(z.B. freie Parkhausplätze) sind
schon heute im GSM Netz umsetzbar und
werden auch bereits angeboten. Aus Kundensicht
ist eine genauere Standorterfassung
angenehmer, denn es besteht die Möglichkeit,
dass die LBS bessere personalisierte
Daten liefern können. Viele neue und
sich noch in der Entwicklung befindliche LBS
brauchen auch sehr genaue Daten über den
Standort des Nutzers. Folglich ist hier eine
Verbesserung der Ausstattung in der Netzinfrastruktur
und beim Kunden anzustreben.
[Eri01]
Abbildung 76: LBS in Abhängigkeit ihrer Genauigkeit
15 enhanced-observed time difference: Ortungsverfahren im GSM Mobilfunk
16 Cell Global Identity + Time Advance: Ortungsverfahren im GSM Mobilfunk
103

Alexander Traud
7.3 Applikationen (Fallbeispiele)
Man kann die verschiedenen LBS auf mehrere
Arten unterteilen.
Zum einen nach dem Beweggrund, warum
man LBS in Anspruch nimmt. Diese Art
ist unterteilt in die Kategorien ’Zeit vertreibend’
und ’Zeit sparend’. Bei Zeit vertreibenden
LBS handelt es sich meist um
(Gesellschafts-) Spiele, bei Zeit sparenden
LBS steht die Organisation von Daten um effizienter
Arbeiten zu können im Vordergrund.
Eine andere Art der Unterteilung der LBS besteht
darin, die Geschäftsbeziehung näher
zu untersuchen:
Business to Consumer LBS
basieren hauptsächlich auf Standort
bezogene Werbenachrichten, wo zum
Beispiel ein Restaurant beim Vorbeigehen
auf das heutige Mittagsmenü aufmerksam
macht. Dies sind meist auch
’Push Dienste’, d.h. der Benutzer bekommt
die Daten direkt zugesandt, ohne
diese explizit in diesen Moment abgefragt
zu haben.
Consumer to Business LBS
sind meist ’Pull Dienste’, d.h. der Kunde
fragt gezielt nach einer Information
bei einem Unternehmen an. So
sucht der Endanwender zum Beispiel
das nächst gelegene Restaurant.
Consumer to Consumer LBS
sind eher Fun oder Community Anwendungen,
d.h. ein Endanwender sucht
über sein mobiles Endgerät Gleichgesinnte,
um mit diesen zu spielen, Daten
auszutauschen oder einfach nur miteinander
zu reden.
Im weiteren folgt zu jeder Kategorie ein bereits
im Markt vorhandenes Fallbeispiel:
7.3.1 Zeitvertreiben (Spiele)
BattleMachine von E-Plus
Erobern von Land an realen Schauplätzen
104
Im Unterschied zu bisherigen Handy-Spielen
handelt es sich bei Battle-Machine über imode
um ein Spiel, das den derzeitigen Aufenthaltsort
des Spielers in die Handlung einbezieht.
Das heißt, die Eroberungen finden
an realen Schauplätzen statt. BattleMachine
teilt Deutschland in Zonen auf, die es zu erobern
gilt. Der Spieler wird über sein eingeschaltetes
Handy lokalisiert und kann nur um
das Gebiet streiten, in dem er sich gerade
befindet. Wer zum Beispiel am Düsseldorfer
Hauptbahnhof auf den Zug wartet, kann eine
Attacke auf den Bereich Düsseldorf - Köln
starten.
Neben deutschlandweiten Wettkämpfen hat
der Spieler ebenfalls die Möglichkeit, gemeinsam
mit Freunden eigene Eroberungen
zu arrangieren. Austragungsort ist in diesem
Fall nicht ganz Deutschland, sondern ein
kleines Gebiet rund um die geografische Position
des Angreifers. Sieger ist der Spieler,
der an einem vorher festgelegten Datum die
meisten Zonen erobert hat.
[EP02]
7.3.2 Zeitsparen (neue Organisation)
Parkinfo von BMW
Parkinfo reduziert überflüssigen Parkplatzsuchverkehr
Mit der Integration von parkinfo.com in BMW
Online stehen Informationen wie Öffnungszeiten,
Preise oder freie Parkplätze von
Parkhäusern bereit. Durch einfachen Druck
auf den Controller im Auto werden die
umliegenden Parkhäuser angezeigt und eine
automatische Zielnavigation ermöglicht.
Ca. 1.800 Parkeinrichtungen sind mit fast
600.000 Stellplätzen in etwa 70 deutschen
Großstädten und an 20 Flughäfen vernetzt.
Nach dem Aufruf unter BMW Online können
Parkinformationen um den eigenen Standort,
für den im Navigationssystem eingestellten
Zielort oder bezüglich einer anderen deutschen
Großstadt abgerufen werden.
[BMW01]

7.3.3 Business to Consumer (B2C)
Ortsgebundene Werbung
Der SMS-Anbieter Mobileway hat mit Celph
und dem Juron Point Shoppingcenter in Singapur
eine Mobile Shopping-Aktion in einem
Einkaufszentrum in Singapur umgesetzt.
Die Besucher erhalten zunächst eine
Begrüßungs-SMS mit Informationen und einer
Aufforderung zur Teilnahme. Wenn Sie
zugestimmt haben, erhalten sie von Zeit zu
Zeit Kurznachrichten mit Hinweisen zum Beispiel
auf besonders attraktive Verkaufsangebote,
jedoch nur solange der Kunde sich vor
Ort aufhält und teilnehmen möchte.
Aufgrund der unzähligen Shopping Center in
Singapur, dient dieser neue Nachrichtenkanal
zum Kunden, als sehr gutes Hervorhebungsmerkmal,
um sich von anderen sehr
ähnlichen Einrichtungen absetzen zu können.
[Wit02]
7.3.4 Consumer to Business (C2B)
Herz Handy von Vitaphone
Dieses Gerät verbindet die Funktionalität eines
handelsüblichen GSM-Mobilfunktelefons
mit der Verlässlichkeit eines technologisch
ausgereiften Instruments zur ärztlichen Diagnostik:
Die Aufzeichnung von EKGs: jederzeit
- an jedem Ort.
Die Übertragung von EKGs an das Vitaphone
Service Center - mit nur einem
Knopfdruck.
Die Direktwahl - sie verbindet den Anrufer
schnell und einfach direkt mit dem
Vitaphone Service Center.
Die Bestimmung des Aufenthaltsorts:
Über GPS kann der Aufenthaltsort des
Anrufers genau bestimmt werden.
Dieses Produkt erhöht mit dieser Funktionalität
die Lebensqualität, denn es ist nun auch
7.4 Datenschutz Limitationen
für akut Herzkranke Menschen möglich, wieder
am Alltagsleben teil haben zu können.
[Vit02]
7.3.5 Consumer to Consumer (C2C)
MobiChat von Alcatel
Diese Anwendung erlaubt einer jugendlichen
Zielgruppe von 12-20 Jahren Listen der bevorzugten
Clubs zu erstellen bzw. eigene
Clubs zu erstellen. Ein Club ist in diesem
Fall eine Art kleine Community - also ein
Forum zu einem bestimmten Thema. Jede
Nachricht, die innerhalb dieser Clubs versandt
wird, enthält über die reine Information
hinaus auch Informationen bzgl. des Standortes,
welche aber nur der MobiChat Server
empfängt. Dieser leitet dann die Information
nur an die Mitglieder des Clubs weiter, die
sich in einem gewissen geographischen Radius
aufhalten.
Auf diese Weise ist es möglich, dass man
sich aufgrund ähnlicher Neigungen treffen
kann. Zum Beispiel kann man einfach einen
Club eröffnen und alle Freunde und Bekannte,
die gerade in der Stadt sind, werden dann
automatisch zu eigenen Party am Abend eingeladen.
[MAD01]
7.4 Datenschutz Limitationen
7.4.1 Grundlegende Bedenken
Bezüglich der rechtlichen Bedenken müssen
die verschiedenen Formen von LBS unterschieden
werden. Zum einen gibt es die
’Pull Dienste’, bei welchen der Nutzer aktiv
eine gewünschte Information anfragt und
gleichzeitig die Einverständniserklärung für
die kurzzeitige Nutzung seiner Standortinformationen
geben kann. Sehr viel interessanter
sind die ’Push Dienste’. Hierbei kann
es sich um das Abonnement eines Mehrwertdienstes
handeln oder Standort bezogene
Werbung. Push Dienste sind daher die
105

Alexander Traud
wirtschaftlich Gewinn bringenden Dienste,
aber bergen erhebliche Datenschutzproblematiken.
Die verschiedenen LBS Formen der Netzwerkoperatoren
sind für die Service Angebote
von Drittanbietern wichtig: Wird ein
’Tracking’ benötigt, welches den Endanwender
mit seinen Standortwechseln laufend mitprotokolliert
und diese Daten weiter gibt,
oder einfaches ’Routing’, wobei der Endanwender
beim Aufrufen eines Dienstes einmalig
seinen Standort durchgibt und daraufhin
lokalisierte Daten erhält.
Die Risiken von LBS sind bei allen vier Formen
gegeben. So können Bewegungsprofile
von Benutzern über sein Mobilfunkgerät erfasst
werden. Die Abfrage der lokalisierten
Informationen und das abonnieren bestimmter
Dienste erlauben auch das Erstellen eines
Nutzerprofils über den persönlichen Lebensstil
und das Kaufverhalten. Auch kann
der Eindruck des Überwachungsstaates entstehen,
wenn die gesetzlichen Bedarfsträger
die Daten übermäßig zur inneren Sicherheit
gebrauchen. Zwar ist die innere Sicherheit
heute wichtiger denn je, es müssen
aber demokratische Maße eingehalten werden,
besonders in Hinblick auf Freiheit und
der grundsätzlichen Annahme der Unschuld
des Bürgers.
7.4.2 Deutschland / EU
Die Rechtsgrundlagen für LBS sind in
Deutschland noch nicht eindeutig geregelt
und machen viele zu bezahlende Dienste
noch unmöglich. Die anzuwendenden Gesetze
hängen stark von Vertragspartner ab, ob
es nun der Netzwerkanbieter oder ein Mehrwertdiensteanbieter
ist (Service Provider).
Das Hauptproblem ist die Abrechnung und
Tariffierung. Standortdaten sind nach der Telekommunikations
- Datenschutzverordnung
(TDSV) Verbindungsdaten (§6) und es ist
nicht erforderlich beim Aufbau einer Verbindung
diese zu übermitteln. Auch zur normalen
monatlichen Handy Abrechnung mit
dem Netzwerkanbieter sind keine Standort-
106
informationen erforderlich. Bei einem Mehrwertdiensteanbieter
sind diese Fragen schon
nicht mehr so einfach zu beantworten (§7 Absatz
6), da aber der Netzwerkprovider immer
dazwischen geschaltet ist, entscheidet dieser,
welche Daten weiter gegeben werden.
Die Verarbeitung der gesamten Nutzungsdaten,
also die Speicherung für interne Auswertungen
sind dagegen durch das Teledienstedatenschutzgesetz
(TDDSG) erlaubt, wobei
hier aber Standortdaten nicht explizit erwähnt
sind. Es ist damit möglich den Nutzer
mit dem Umfang und den Zeitraum der LBS
Nutzung zu identifizieren.
Es ist daher nötig vor jeder LBS Nutzung
vom Endanwender eine elektronische Einwilligung
anzufordern, in der er auch über
die Verarbeitungsmöglichkeiten seiner Nutzungsdaten
aufgeklärt wird (§3 Absatz 5).
Die Vorraussetzungen dafür sind im Telekommunikationsgesetz
(TKG) §89 Absatz 10
und TDSV §4 gegeben. Im §4 Nr.4 ist aber
auch eine Rücknahmemöglichkeit dieser Einwilligung
gegeben, welche dazu führt, dass
der LBS Anbieter erst nach einer Woche eine
rechtliche Grundlage erhält die Daten weiterhin
zu nutzen.
Somit sind viele kostenpflichtige Dienste für
die Anbieter noch nicht interessant, da man
keine Rechtssicherheit bei der Erbringung
hat. Hier ist eine Neureglung im deutschen
Recht nötig.
Dieses Problem besteht in der Rechtsprechung
weltweit. Da Mobilfunk Netze weltweit
in hunderten von Staaten existieren, haben
die Netzinfrastruktur Anbieter aufgrund der
vielen unterschiedlichen Rechtslagen auch
noch keine einheitliche Lösungen und Angebote,
was die Verbreitung von LBS stark behindert.
Hier hat die EU mit der Richtlinie 2002/58/EG
vom 12. Juli 2002 die Notwendigkeit nationaler
Änderungen in der Rechtsprechung noch
erhöht. Artikel 9 regelt die für LBS wichtige
Frage der ’Verarbeitung von Daten für die Bereitstellung
von Diensten mit Zusatznutzen’.
Wichtige Forderungen sind:
Einwilligung durch den Nutzer erforder-

lich
Vorherige Mitteilung, für welche
Zwecke und wie lange Daten verarbeitet
werden und ob eine Weitergabe
an Dritte erfolgt
Jederzeitige Rücknahmemöglichkeit
der Einwilligung
Eine zeitweise Untersagung der Übertragung
der Daten muss auf einfache
Weise und jederzeit möglich sein
Beschränkung der Verarbeitung der
Standortdaten auf das erforderliche
Maß.
Ausgehend von diesen Unzulänglichkeiten
im deutschen Recht und der Notwendigkeit
von besonderen Regelungen für LBS empfiehlt
der Bundesbeauftragte für den Datenschutz
folgende Punkte bei der Umsetzung
in ein Gesetz aufzunehmen:
Literatur
Keine Unterscheidung zwischen Anbieter
der Mehrwertdienste und dem Netzbetreiber
Ausführliche Unterrichtung und Einwilligung
einmalig vor erster Inanspruchnahme
eines bestimmten Dienstes
Nicht eine Einwilligung für alle denkbaren
möglichen Angebote
Zeitweise Untersagung der Verarbeitung
der Lokalisierungsdaten
Rücknahme der Einwilligung (für die
Zukunft).
Erst wenn diese rechtlichen Problematiken
im Sinne des Kunden als auch des Dienstsanbieters
gelöst sind, werden sich LBS
überhaupt erst durchsetzen können.
[LI02]
[BMW01] BMW: Telematik: Service: News: Parkinfo. http://www.bmw-telematik.de/
frame/kom_03a.htm, 2001.
[EMN02] TNS EMNID: Hier geht‘s lang mit den Location - based Services. http://
www.emind.emnid.de/downloads/studien/20028201CT_LBS_20-08-
02.pd% f, 2002.
[EP02] E-Plus: Pressemitteilung BattleMachine. http://www2.eplus.de/presse/
1/1_1/1_1_r2.asp?id=455, 2002.
[Eri01] Ericsson: LOCATION BASED SERVICES - Motor für viele MMS-Lösungen.
http://www.ericsson.de/upload/download/lbs.pdf, 2001.
[Gro00] Strategis Group: Marktanalyse LBS. http://www.prnewswire.com/
cgi-bin/stories.pl?ACCT=104&STORY=/www/story% /04-03-2000/
0001180822, 2000.
[Lev00] Sami Levijoki: Privacy vs Location Awareness. http://www.tcm.hut.fi/
Opinnot/Tik-110.501/2000/papers/levijoki.pdf, 2000.
[LI02] Gabriele Löwnau-Iqbal: Datenschutzrechtliche Aspekte bei Location Based Services.
http://www.bfd.bund.de/aktuelles/Vortrag_Loewnau/, 2002.
107

Literatur
[MAD01] S. Saada M-A. Dru: Location-based mobile services: the essentials. http://
www.alcatel.com/doctypes/articlepaperlibrary/pdf/ATR2001Q1/
gb/1% 4drugb.pdf, 2001.
[Nok01] Nokia: White Paper: Mobile Location Services. http://www.nokia.com/pc_
files_wb2/mposition_mobile_location_services.p% df, 2001.
[Vit02] Vitaphone: Das Herz Handy. http://www.vitaphone.de/daskanns.htm,
2002.
[Wit02] Axel Witzki: Location Based Services. http://www.funkschau.de/
heftarchiv/pdf/2002/fs0502/fs0205046.pdf, 2002.
108

8 Privacy und Security in mobilen Endgeräten und im Mobilfunk
Zusammenfassung
In diesem Abschnitt wird auf verschiedene
Aspekte von Privacy und Security
in mobilen Endgeräten und im Mobilfunk
eingegangen. Es werden die Bereiche angesprochen,
in denen Privacy und Security
eine wichtige Rolle spielen. Außerdem
sollen Anwendungen des M-Commerce
zur Sprache kommen, wie zum Beispiel
Bezahlsysteme. Des weiteren wird auf Gefahrenpotenziale
eingegangen mit denen
man in Zukunft konfrontiert sein wird, wie
beispielsweise Viren. Die Sicherheit der
Datenübertragung über die Luftschnittstelle
wird am weit verbreiteten GSM-
Mobilfunknetz analysiert.
8.1 Einleitung
Mobile und ubiquitous computing finden immer
mehr Einzug sowohl im Geschäftsleben
als auch im privaten Alltag. Mitarbeiter
können mit ihrem Handheld flexibel auf Firmendaten
zugreifen. Man kann Aktiendepots
einsehen und sogar per mobilem Endgerät
Waren oder Dienstleistungen bezahlen. Um
auch das Vertrauen in diese neuen Technologien
zu bestärken ist es notwendig, sichere
Konzepte zu haben, um die größtmögliche
Privacy und Security zu garantieren.
8.1.1 Was versteht man unter den
Begriffen Privacy und Security?
Zuerst einmal sollen die beiden Schlagwörter
„Privacy“ und „Security“ erläutert werden.
Beide Begriffe können analog zur DIN 44300
wie folgt definiert werden[eKvPDHJO02]:
Patrick Frey
Tegelbergstr. 3
73329 Kuchen
patrick.frey@informatik.uni-ulm.de
Definition Datensicherheit:
Sachlage, bei der Daten unmittelbar oder
mittelbar so weit wie möglich vor Beeinträchtigung
oder Missbrauch bewahrt sind. Beeinträchtigung
von Daten umfasst dabei u.a.
den Verlust, die Zerstörung oder die Verfälschung.
Datensicherung bezeichnet dann
ein Bündel von Maßnahmen und Einrichtungen,
die Datensicherheit herbeiführen oder
aufrecht erhalten.
Definition Datenschutz:
Sachlage, bei der die schutzwürdigen Belange
Betroffener vor Beeinträchtigung, die
von der Verarbeitung von Daten ausgeht,
bewahrt sind. Betroffene können natürliche
oder juristische Personen oder Personenvereinigungen
sein.
Datensicherheit betrifft also primär den
Schutz der Daten. Im Gegensatz dazu bezeichnet
der Begriff Datenschutz primär den
Schutz von Personen.
Im angelsächsischen Sprachraum werden
die beiden Begriffe Datensicherheit und Datenschutz
nicht so verwirrend verwendet, wie
im deutschen; dort spricht man statt von Datensicherheit
von data security (kurz: security)
und statt von Datenschutz von privacy
protection (kurz privacy).
8.1.2 Warum sind Privacy und Security
wichtig?
Bedenken bezüglich der Sicherheit stellen eine
der größten Hürden dar, die Unternehmen
davon abhalten, am E-Commerce teilzunehmen.
Da M-Commerce ein Teil des
E-Commerce ist lassen sich die Gefahrenpotentiale,
die für Unternehmen im E-
Commerce bestehen, auf den M-Commerce
109

Patrick Frey
übertragen. Gegenüber den neu eröffneten
Kommunikationswegen gibt es begründete
Bedenken: Sabotage von Daten (Schwindel),
Überwachung von Datenverkehr (Spionage),
Rückverfolgung von Mobilfunkzellen
zur Standortbestimmung sind nur einige kritische
Aspekte. Es gibt mehrere Wege, um
solche (illegale) Zwecke zu verfolgen. Durch
die Definition von offenen Plattformen und
Betriebssystemen auf mobilen Endgeräten 17
wird zwar sowohl die Möglichkeit gegeben,
individuelle Anwendungen zu implementieren
bzw. Anwendungen von Drittanbietern
zu integrieren; jedoch besteht dort auch die
Möglichkeit des Missbrauchs.
Die Hersteller von Mobilfunkgeräten sind im
Begriff eine weitere Plattform in ihre Geräte
zu integrieren: J2ME mit MIDP 1.0. So bieten
diverse Hersteller wie Nokia, Siemens, Motorola
usw. bereits Mobiltelefone an, die so
genannte MIDlets ausführen können. Neben
der Portabilität dieser Anwendungen zwischen
verschiedenen mobilen Endgeräten ist
die Implementation mittels der Programmiersprache
Java jedoch auch ein Nachteil: durch
Decompilen kann der ursprüngliche Quellcode
wiederhergestellt werden und anschließend
modifiziert werden. Es bedarf also auch
hier eines Schutzmechanismusses.
Durch den Einsatz mobiler Endgeräte steigt
auch die „Mobilität“ sensibler Daten. Sobald
die mobilen Endgeräte außerhalb einer Firma
eingesetzt werden können sie auch nicht
mehr durch traditionelle interne Sicherheitsanwendungen,
wie zum Beispiel Firewalls,
geschützt werden. Deshalb muss jeder PDA,
Handy oder Smartphone einzeln geschützt
sein. Dabei wird sowohl ein Schutzmechanismus
für die Datenübertragung benötigt
als auch einer der die gespeicherten Daten
schützt.
Die Ausmaße, die Privacy und Security auf
dem jeweiligen mobilen Endgerät annehmen,
steigen mit deren Funktionalitäten. Der Übergang
von reinem Mobiltelefon über Smartphones
zum PDA ist jedoch fließend.
Mobiltelefon Smartphone
Handheld
17 die bekanntesten sind Symbian OS, Windows CE oder Palm OS
110

8.2 Privacy und Security betreffende Bereiche
Abbildung 77: Fließender Übergang von Handy zu PDA
8.2 Privacy und Security betreffende
Bereiche
8.2.1 Anwendungen
1. M-Commerce
M-Commerce ist eine Unterkategorie
des E-Commerce, der sich bei der
Übertragung von Daten auf Telekommunikationsnetz
für mobile Endgeräte
stützt. Dazu gehören sowohl Anwendungen
aus dem Bereich business-tobusiness
(B2B) als auch aus dem Bereich
business-to-consumer. Anwendungen
sind hier hauptsächlich in Bereichen
zu finden, in denen Mitarbeiter
mobil auf Firmendaten zurückgreifen
bzw. aktualisieren. Dabei hilft
ein mobiles Endgerät in vielen Belangen:
Verwalten von Adressen und
Terminen, Vor-Ort Service direkt beim
Kunden (z.B. das Auskunftsystem des
Schaffners im Zug, Empfangsbestätigung
beim Paketdienst), usw. Durch die
elektronische Verfügbarkeit und Weiterverarbeitung
werden Arbeitsabläufe
unterstützt und optimiert. Es ist klar,
dass die Daten nicht für Dritte (im
schlechtesten Fall die Konkurrenz) bestimmt
sind. Neben erheblichen Vorteilen
bringt die Mobilität also auch eine
sicherheitstechnische Herausforderung
mit sich.
2. M-Banking
Bei Anwendungen, die direkt mit Transaktionen
von Geldbeträgen zusammenhängen,
bedarf es dem größtmöglichen
Schutz. Denn ein eventueller
Schaden ist unmittelbar (in
Geld) messbar. Programme, die solche
Transaktionen durchführen, sind deshalb
auch so gut wie nicht vorhanden.
Das Angebot der verschiedenen Banken
ist heute noch überschaubar: Einige
Banken bieten nur Abfragen von
18 Eine Anleitung hierfür findet unter www.dabmobile.com, [Dir02]
nicht-sensiblen Daten an, wie unverbindlichen
Watchlisten und Musterdepots,
zusätzlich eventuell Kurse
/ Charts und News. Informationen
werden entweder per SMS an
das Handy des Kunden übertragen,
oder per Spezialsoftware auf den PDA
(z.B. Direktanlagebank) 18 . Außerdem
bieten verschiedene Banken WAP-
Pages zur interaktiven Information ihrer
Kunden an (z.B. Deutsche Bank
(www.maxblue.de)). Für den Nokia
Communicator 9210i gibt es eine Anwendung
zur Einsicht von Portfolios
(http://www.softwaremarket.nokia.com/
DRHM/servlet/ControllerServlet?Action
=DisplayProductDetailsPage&SiteID=no
kia&Locale=fi_FI&productID=535600).
Da die meisten Banken jedoch Online-
Banking mittels HTML-basiertem Webinterface
anbieten, und es Smartphones
und PDAs mit Internet Browser
gibt, ist M-Banking im Prinzip möglich.
Allerdings muss noch für einen sicheren
Datentransport garantiert werden.
3. Individuallösungen vs. Massentauglichkeit
Individuallösungen bedürfen eines Entwicklungsprozesses,
in dem auch eine
bestimmte Programmiersprache
zur Realisierung zum Einsatz kommt.
Aspekte, die Privacy und Security betreffen,
hängen auch davon maßgeblich
ab. Bisherige Anwendungen waren
jeweils auf den Gerätetyp bzw. ihr
Betriebssystem beschränkt: so waren
Programme für Geräte mit Palm OS
nicht auf Geräten mit Windows CE oder
Symbian OS lauffähig, dh. eine übergreifende
„Schnittstelle“ zwischen gab
es bisher nicht.
Viele Hersteller mobiler Endgeräte haben
sich deshalb auf einen Quasi-
Standard geeinigt, nämlich J2ME mit
111

Patrick Frey
MIDP 1.0 und MIDP 2.0. Dabei müssen
sie sich nicht mit einem fertigen Endprodukt
zufrieden geben, sondern können
aufgrund des JCP 19 sich aktiv an
der Weiterentwicklung beteiligen. Sun
Microsystems stellt dabei nur die Rahmenbedingungen,
den eigentliche Entwicklungsprozess
tragen die beteiligten
Firmen in Kooperation. Dies führt dazu,
dass Programme nicht mehr für einen
speziellen Geräte-Typ entwickelt werden,
sondern prinzipiell auf allen Geräten,
die J2ME und MIDP 1.0/2.0 konform
sind, lauffähig sind. Doch gerade
diese Interportabilität von Anwendungen
zwischen verschiedenen Gerätetypen
bedarf neuer Sicherheitskonzepte,
um Privacy und Security zu garantieren
Anmerkung: Individuallösungen können
aber auch ganz anders gestrickt
sein. Die finnische Firma Sonera zum
Beispiel verschickt die Gehaltsabrechnung
elektronisch, wahlweise sogar als
SMS aufs Handy. Privacy spielt natürlich
bei der Übermittlung solcher sensiblen
Daten eine wichtige Rolle.
4. Location Based Services
Ein bekannter Location Based Service
basiert auf dem bestehenden GSM-
Netz: dies sind so genannte CellBroadcasting
Dienste. Bei CellBroadcasting
werden Mitteilungen von einem Absender
nicht an einen bestimmten Empfänger,
sondern an alle empfangsbereiten
Mobiltelefone innerhalb eines Ausstrahlungsgebiets
versendet. So erhalten
alle Empfänger, innerhalb eines bestimmten
Gebiets die gleiche Nachricht.
Deshalb sind diese Dienste meist
providerabhängig und kostenlos. Privacy
ist in diesem Bereich nicht relevant,
da alle die gleichen Daten übermittelt
bekommen, und vom Benutzer selbst
keine Daten ausgehen.
Dem JCP liegt diesbezüglich auch
schon ein JSR vor: JSR-179, Location
API for J2ME(TM)
19 JCP = Java Community Process, www.jcp.org
112
This specification will define
an Optional Package that will
enable developers to write
mobile location-based applications
for resource limited
devices. The purpose is to
provide a compact and generic
API that produces information
about the device’s
present physical location to
Java applications.
Auf die Gefahren einer solchen
API wird im Abschnitt
8.3, Viren, noch eingegangen.
Anmerkung: Location Based
Services werden in Kapitel 7
besprochen.
8.2.2 Einfache Bezahlsysteme
Einfache Bezahlsysteme sollen auch mit den
einfachsten mobilen Endgeräten funktionieren,
dh. solche, die nur sehr geringe Funktionalität
besitzen. Darunter gehören vor allem
ältere Mobiltelefone, mit denen man „nur“ telefonieren
und SMS-Dienste nutzen kann. Es
wird auf bereits existierende Bezahlsysteme
eingegangen und erläutert, wie sie funktionieren;
ein spezieller Augenmerk liegt auf
den Aspekten Security und Privacy.
1. PayBox
Abbildung 78: Shops mit diesem Logo
akzeptieren Paybox als Bezahlsystem
Wie funktioniert Paybox?
Paybox ist ein Bezahlsystem, das auf
dem Übermitteln von Daten via GSMfähigen
Endgerät basiert, wobei es sich

eigentlich ausschließlich um Mobiltelefone
handelt. Der Bezahlvorgang bei
Paybox ist relativ einfach. Sowohl der
Benutzer als auch die Akzeptanzstelle
20 müssen bei Paybox registriert sein.
Der Kunde nennt seinem Gegenüber
seine Mobilfunknummer bzw. Paybox-
Nummer. Diese wird samt dem zu bezahlenden
Betrag an Paybox übermittelt.
Paybox ruft anschließend auf dem
mobilen Endgerät des Kunden an; ihm
wird der zu bezahlende Betrag und die
Akzeptanzstelle genannt, und er bestätigt
die Bezahlung mit seinem persönlichem
Paybox-Pin. Paybox tätigt sowohl
für Kunden als auch Akzeptanzstelle die
notwendigen Banküberweisungen.
Privacy
Paybox nutzt schon vorhandene Infrastrukturen,
die die Privacy gewährleisten:
Der Geldtransfer wird von der
Deutschen Bank AG geregelt. Als Kommunikationsmittel
dient wie schon erwähnt
das GSM-Netz, das allgemein als
sicher gilt. Daten sowohl vom Kunden
als auch der Akzeptanzstelle sind bei
Paybox hinterlegt.
Security
Paybox ist vom Prinzip her sehr sicher.
Selbst wenn das Mobiltelefon
durch Diebstahl in falsche Hände gerät
kann kein Bezahlvorgang getätigt werden,
solange der persönliche Paybox-
Pin nicht bekannt ist. Des weiteren werden
die echten Transaktionen von Paybox
im Hintergrund vorgenommen; im
Notfall kann man seinen Account auch
sperren lassen. Das System ähnelt insgesamt
sehr stark dem Bezahlen mit
der Kreditkarte.
Weitere Informationen erhält man bei
Paybox selbst. 21
Verbreitung und Akzeptanz
Paybox hat nach eigenen Angaben
in Europa 750.000 registrierte Kunden
8.2 Privacy und Security betreffende Bereiche
(Stand: März 2002); außerdem gibt es
10.000 Akzeptanzstellen, bei denen mit
Paybox bezahlt werden kann. 22
Zukunft
Paybox ist Vorreiter auf dem Markt der
Bezahlsysteme für mobile Endgeräte,
und will diese weiter ausbauen. Das zeigen
unter anderem angekündigte Kooperationen,
z.B. mit IBM 23 .
2. Vodafone m-pay
Laut Vodafone ist m-pay ein Bezahlsystem,
um „einfach und sicher kleine
Beträge in Web- und WAP-Shops von
angeschlossenen Händlern“ zu bezahlen.
Voraussetzung ist (lediglich) eine
Vodafone-D2 SIM-Karte.
Wie funktioniert Vodafone m-pay?
Der Kunde entscheidet sich beim Surfen
per WAP für ein Produkt oder eine
Dienstleistung (z.B. Handy-Logo). Er
bestätigt den angegebenen Betrag ohne
zusätzliche PIN-Nummer. Anschließend
erhält er eine Bestätigung für die
Transaktion auf seinem Display. Nachdem
das Produkt oder die Dienstleistung
ausgeliefert wurde wird der entsprechende
Betrag abgebucht.
Privacy
Privacy ist durch die SIM-Karte gewährleistet.
Die Kommunikation läuft ausschließlich
über den Provider, der auch
die Abbuchungen vom hinterlegten Konto
des Benutzers tätigt bzw. direkt von
der Prepaid-Karte (bei Vodafone CallYa)
abbucht.
Security
20 Akzeptanzstelle kann sowohl ein reales Geschäft, ein eShop oder ein anderer Paybox-Nutzer sein
21 z.B. http://www.paybox.de/merchants/information_2968.html
22 ausgewählte Paybox Partner sortiert nach Rubriken: http://www.paybox.de/shopping.html
23 siehe Presseinformation vom 15 Aug 02 , http://www.paybox.de/press/press_2002_3166.html
113

Patrick Frey
Die Abrechnung erfolgt übers Vodafone-
Konto, wodurch eine Registrierung
überflüssig wird. Einen großen Nachteil
hat das System jedoch: Jeder
Vodafone-D2 Kunde ist automatisch berechtigt,
per m-pay zu bezahlen. Wird
ihm das Handy nun gestohlen, so kann
der Dieb automatisch auch damit bezahlen,
da eine zusätzliche Sicherung
durch eine PIN wie bei Paybox fehlt.
(Man kann spekulieren, dass das System
aus diesem Grund auf kleine Beträge
begrenzt ist.) Auch das Bezahlen
im Internet ist möglich: zusätzlich
zur Vodafone-D2 Nummer ist ein einmal
gültiger Bezahlcode nötig, den man per
SMS aufs Handy bekommt.
Verbreitung und Akzeptanz Vodafone
m-pay ist rein für den kleinen m-
Commerce gedacht, um das Bezahlen
von Dienstleistungen wie das Herunterladen
von Logos oder Klingeltönen,
oder dem Aufladen der Prepaid-Karte
zu vereinfachen. Dabei wird es meiner
Meinung nach auch bleiben.
8.3 Gefahrenpotentiale
8.3.1 Viren
Die Hersteller setzen mehr und mehr auf
offene Plattformen und geben Drittanbietern
die Möglichkeit, zusätzliche Funktionalität
auf die mobilen Endgeräte zu portieren.
Dabei kann es aber auch zum Missbrauch
kommen, indem z.B. fremder Code in bestehende
Programme eingebaut wird, mit
dem Zweck, Schaden anzurichten. Dieser
kann z.B. das Zerstören oder Ausspionieren
von privaten oder geschäftlichen Daten sein,
oder das Zerstören des mobilen Endgeräts
selbst. 24
Die Hersteller sind gerade im Begriff die
J2ME Plattform in ihre mobilen Endgeräte zu
integrieren. Deshalb soll hier vor allem auf
Java als Programmiersprache und die Spezifikationen
in MIDP 1.0 25 eingegangen werden.
Die Integration von Java bringt neben den
Vorteilen (z.B. neue Spiele, individuelle Anwendungen,
usw.) auch einen Nachteil mit
sich: Es muss besonders auf die Privacy
und Security geachtet werden. Aus diesem
Grund läuft die Virtuelle Maschine (VM), die
den Bytecode interpretiert, in einer sogenannten
„Sandbox“. Diese kapselt die VM innerhalb
des mobilen Endgeräts, so dass keine
Zugriffe auf gerätespezifische Funktionen
erfolgen können, die nicht ausdrücklich vom
Hersteller in APIs 26 freigegeben werden. So
ist z.B. ein Zugriff auf das Telefonbuch nur
möglich, wenn der Hersteller eine eigene Implementierung
bereitstellt.
Gefahren durch J2ME und MIDP 1.0
1. Automatische Anwahl fremder Telefonnummern
Eine Anwahl von z.B. kostenpflichtigen
0190-Nummern 27 oder anderen kostenpflichtigen
Nummern ist ohne Zutun
des Benutzers im Prinzip nicht möglich.
Die Kommunikation von MIDlets 28 ist
in MIDP1.0 [JCP02a] im Wesentlichen
auf die Handhabung der Datenstreams
reduziert 29 . Wie dabei die physische
Kommunikation zwischen mobilem Endgerät
und Mobilfunknetz geregelt ist, inkl.
Anwahlnummer, wird im Gerät selbst
eingestellt. Da, wie schon erwähnt, die
VM in einer „Sandbox“ gekapselt ist,
sollte ein Zugriff auf solche Geräteeinstellungen
auch nicht möglich sein.
24In [Cor02] wird erwähnt, dass Viren wie Trojaner schon aufgetreten sind.
25MIDP 1.0 = Mobile Information Device Profile, Specification 1.0
26API = Application Programmable Interface
27vgl. diverse Dialer-Programme bei Windows PCs
28Als MIDlet wird eine Applikation für mobile Endgeräte bezeichnet, die mittels J2ME und MIDP 1.0/2.0 erstellt
wurde
29vgl. javax.microedition.io in [MIDP1.0Spec]
114

2. Ausspieonieren privater oder geschäftlicher
Daten
Bei der Kommunikation von MIDlets mit
Web Applications muss im MIDlet die
URL angegeben, mit der verbunden
werden soll. Eine Schwäche von Java
ist die Rückgewinnung von Quellcode
mittels Decompilen. So ist also diese
URL zugänglich und abänderbar. Mit
relativ wenig Aufwand können also die
von mobilen Endgerät gesendeten und
empfangenen Datenströme auf eine andere
URL umgeleitet bzw. „dupliziert“
werden. So können Dritte die (eventuell
unverschlüsselten) Daten mitprotokollieren.
Die in Abschnitt 8.2 erwähnte API
zur Standortlokalisation (vgl. [JSR-179])
könnte dazu missbraucht werden um
den Standort eines Benutzers zu bestimmen,
ihn zu speichern und sofort
oder zu einem späteren Zeitpunkt zu
übermitteln. So könnten Mitarbeiter unbemerkt
überwacht werden, ob sie zu
einem bestimmten Zeitpunkt auch an einem
bestimmten Ort sind, wenn sie mit
ihrem mobilen Endgerät auf Firmendaten
zurückgreifen.
Auf im Gerät gespeicherte Daten (z.B.
im Terminkalender) ist kein Zugriff möglich
(Stichwort Sandbox), solange dies
vom Hersteller nicht durch eine eigene
API unterstützt wird. Selbst MIDlets
können untereinander keine Daten
austauschen, da nur auf Daten im
eigenen RMS 30 -Speicherbereich zugegriffen
werden kann.
In MIDP 2.0 [Mic02d] kommen zwar
neue Sicherheitsmechanismen hinzu,
vor nachträglichem abändern von Quellcode
bieten sie aber auch nur unzureichenden
Schutz.
3. Lahmlegen von Netzdiensten durch
Missbrauch / Massennutzung
Dem JCP 31 liegt mit JSR-120 32
[JCP02b] eine Anfrage vor, die vor-
30 RMS = Record Management System
31 JCP = Java Community Process
32 JSR = Java Specification Request
8.3 Gefahrenpotentiale
schlägt, eine Wireless Messaging API
zu implementieren. Somit könnten Anwendungen
entwickelt werden, die SMS
verschicken und empfangen können,
oder Cellbroadcasting-Dienste nutzen
können. Ohne Sicherheitsmechanismen
könnten jedoch auch SMS-Bomber
oder SMS-Flooder implementiert werden.
8.3.2 Diebstahl des mobilen Endgerätes
Je kleiner das Gerät, desto „mobiler“ ist es
und desto leichter geht es verloren oder wird
es gestohlen. Die Gefahren beim Diebstahl
des mobilen Endgeräts werden jedoch oft unterschätzt:
Abgesehen vom materiellen Verlust
sind oft auch Terminkalender und/oder
geschäftliche Daten unwiederbringlich verloren.
Falls diese Daten der Konkurrenz in die
Hände fallen kann dies erhebliche Auswirkungen
für das betroffene Unternehmen haben.
(Außerdem kann es natürlich auch zu
Ausfällen im Geschäftsbetrieb kommen.) Es
gibt Firmen die spezielle Sicherheitslösungen
für diese Fälle anbieten. (siehe Abschnitt
8.3.4)
8.3.3 Sicherheit von Mobilfunknetzen
Bei der Übertragung von Daten per Kabel
(z.B. in einem Netzwerk) hat es meist genügt,
diese Verbindung physisch unzugänglich zu
machen (dh. die Kabel für Dritte unzugänglich
verlegen). Bei der drahtlosen Datenübertragung
über die Luftschnittstelle ist eine solche
Sicherung nicht möglich. Bei funkbasierten
Geräten (z.B. einfache CB Handyfunkgeräte),
die alle auf derselben Frequenz
senden, können Dritte einfach und unbemerkt
mithören. Deshalb ist bei der drahtlosen
Verbindung normalerweise eine Verschlüsselung
unumgänglich. [Bea02]
C-Netz
115

Patrick Frey
Das bereits abgeschaffte C-Netz basierte
noch auf analoger Technologie und war
extrem unsicher. Mittels einfachem Scanner
konnten Gespräche abgehört werden.
Der einzige Schutzmechanismus („Scrambeln“
der Sprache, eine Art systematisches
Zerhacken) war auch nicht wirkungsvoll.
Aus diesem Grund wurde von der GSM
(Groupe Spécial Mobile) ein Standard entwickelt,
der in vielen Ländern übernommen
wurde.
GSM
Wie authentifiziert sich ein Benutzer? Wie
werden seine Daten verschlüsselt?
Beim Einschalten seines mobilen Endgeräts
muss sich der Benutzer für den Nutzung
seiner SIM-Karte mittels einem 4-stelligen
PIN 33 authentifizieren. Nach mehrfacher
Falscheingabe wird die SIM-Karte gesperrt
und kann nur noch mittels dem PUK 34 entsperrt
werden.
Anschließend authentifiziert sich das mobile
Endgerät beim Netzbetreiber wie folgt: Jeder
Teilnehmer hat eine Mobilteilnehmerkennung
IMSI 35 , eine bis zu 15 Ziffern lange,
weltweit eindeutige Zahlenkombination.
Sie setzt sich aus einem Ländercodeteil, einer
Netz- und einer Teilnehmerkennung zusammen
und wird vom Netzbetreiber der
SIM-Karte fest zugeordnet. (Analog existiert
übrigens für jedes Handy eine Mobilgerätekennung
IMEI (International Mobilstation
Equipment Number), welche ebenfalls weltweit
eindeutig ist. Hierüber kann das Handy
bei Diebstahl identifiziert und evtl. lokalisiert
werden.). Weiterhin ist in einem „einbruchsicheren“
Register auf der SIM-Karte noch der
„Individual Subscriber Authentifikation Key“,
kurz Ki, ein bis zu 128 Bit langer Schlüssel
gespeichert. IMSI und Ki sind auch in der Datenbank
„Authority Center“ (AuC) des Mobilfunknetzbetreiber
gespeichert.
Die Authentifizierung des Teilnehmers gegenüber
dem Betreiber wird durch ein
33 PIN = Personal Identity Number
34 PUK = Personal Unlocking Key
35 IMSI = International Mobile Subscriber Identity
116
Challange-and-Response-Protokoll gewährleistet.
Das Mobilfunksystem erzeugt eine
128 Bit lange Zufallszahl RAND und sendet
sie an den Teilnehmer. Mit Hilfe des Authentifizierungsalgorithmus
A3 und dem individuellen
Schlüssel Ki berechnet der Teilnehmer
die 32 Bit lange Antwort SRES („signed response“)
und sendet diese an die anfragende
Basisstation.
SRES:= A3(RAND,Ki)
Der Netzbetreiber wiederum liest den Teilnehmerschlüssel
aus der AuC-Datenbank
und berechnet selbst A3(RAND,Ki). Wenn
der berechnete und der empfangene Wert
übereinstimmen wird der Sender als berechtigt
anerkannt und erhält Zugang zum Netz.
Als Identitätsbeweis wird also die Kenntnis
von Ki anerkannt. Hierbei wird vorausgesetzt,
dass keine Möglichkeit existiert SRES
aus RAND ohne Kenntnis des Schlüssels zu
errechnen.
Der geheime Schlüssel Ki selbst wird niemals
über die Luftschnittstelle übertragen.
Mit Hilfe der übermittelten Zufallszahl RAND
und des individuellen Schlüssels Ki wird mit
dem Schlüsselgenerierungs-Algorithmus A8
der 64 Bit lange Sitzungsschlüssel Kc („ciphering
key“) erzeugt.
Kc:= A8(RAND,Ki)
Diese Schlüsselgenerierung wird wiederum
unabhängig von der Chipkarte im Teilnehmerhandy
und beim Netzbetreiber vorgenommen.
Mit dem so erzeugten Schlüssel werden
dann die zu sendenden Gesprächsdaten
verschlüsselt. Hierbei findet das in Frankreich
entwickelte „Stromverschlüsselungsverfahren
A5“ Verwendung.
Abhörsicherheit des GSM-Netzes
Das „Stromverschlüsselungsverfahren A5“
ist zwar geheim entwickelt worden ist,
aber inzwischen mit einem handelsüblichen

schnellen PC in Echtzeit entschlüsselbar
(Verfahren nach Biryukow, Schamir, Wagner).
Damit können alle von einem Handy gesendeten
und empfangenen Gespräche abgehört
werden.
Nach der Authentifizierung des mobilen Endgeräts
beim Netzbetreiber erhält es von der
Basisstation eine Frequenztabelle alternativer
Frequenzen, die die Frequenzen benachbarter
Basisstationen enthält. Jedes eingeschaltete
mobile Endgerät bucht sich automatisch
bei der nächstgelegenen stärkste)
Basisstation des Mobilfunknetzes ein. Um
Daten abzuhören wird ein tragbarer Mobilfunktransponder
(IMSI-Catcher) in die Nähe
des abzuhörenden mobilen Endgeräts gebracht;
dieser erzeugt ein starkes Funksignal,
dessen Frequenz einer Alternativfrequenz
entspricht. Dies wird vom mobilen
Endgerät erkannt, und es wird ein Kanalwechsel
auf die neue Frequenz durchgeführt.
Der IMSI-Catcher simuliert also gegenüber
den in seiner Nähe befindlichen Teilnehmern
die Basisstation: Er fängt alle Gespräche
ab und leitet sie - vom Abgehörten
unbemerkt - sogleich auf der alten Frequenz
an die „echte“ Basisstation weiter. Das
abzuhörende Gerät kann dann über seine
Kennung (IMSI) eindeutig identifiziert werden.
Mittels eines Steuerkommandos, der im
GSM-Standard enthalten ist, kann die Verschlüsselung
ausgeschaltet werden, und alle
Gespräche bzw. Daten können unmittelbar
vor Ort und/oder über eine weitere Verbindung
mitgehört bzw. mitprotokolliert werden.
Weder der abgehörte Benutzer noch
das Mobilfunksystem bekommen so von der
Manipulation etwas mit. Mittels eines speziellen
„Monitor-Geräts“ könnte man zwar vor
Ort die Manipulation anhand der Betriebsdaten
(z.B. Zeitschlitz, Arbeitskanal, Timing-
Advance, etc.) ekennen, aber nicht verhindern.
Anmerkung: Da das abzuhörende mobile
Endgerät bewegt werden kann muss der Mobilfunktransponder
immer in dessen Nähe
bleiben.
36 PDA = Personal Digital Assistant
Fazit
8.3 Gefahrenpotentiale
Die Abhörsicherheit ist im GSM-Netz trotz
aufwendiger Verschlüsselungsverfahren
nicht gegeben. IMSI-Catcher haben allerdings
keine Betriebsgenehmigung durch das
Bundesamt für Post und Telekommunikation
(BAPT). Da es sich bei dem Gerät aber
im weitesten Sinne um ein Messgerät handelt,
sind jedoch sowohl die Produktion als
auch der Export zulässig und somit die Geräte
für jedermann käuflich zu erwerben. Im
Zuge von polizeilichen Ermittlungen kommt
ein solches Gerät auch zum Einsatz (Genehmigungsverfahren
notwendig). Allerdings
kann so ein Gerät auch zur (Wirtschafts-
)Spionage missbraucht werden.
8.3.4 Anbieter von Sicherheitslösungen
Es gibt verschiedene Arten von Sicherheitslösungen,
bei denen mobile Endgeräte eine
Rolle spielen.
F-Secure
F-Secure schildert in einem WhitePaper
[Cor02] die grundlegenden Sicherheitsbedürfnisse.
Die beiden wichtigsten sind die Sicherheit
des Inhalts (content-security) und
die Sicherheit bei der Datenübertragung
(channel-security). Das eine ist ohne das andere
aber wirkungslos: Eine eMail, die zwar
verschlüsselt und sicher auf das Gerät gelangt,
und dort unverschlüsselt gespeichert
wird, ist nicht vollständig geschützt.
F-Secure FileCrypto
Sinn und Zweck der Sicherheitslösung von F-
Secure ist es, alle Daten, die in einem mobilen
Endgerät gespeichert sind für Dritte unzugänglich
zu machen. Dies betrifft hauptsächlich
PDAs 36 , in zunehmenden Maße
aber auch Handys bzw. SmartPhones. Die
Daten werden bei jedem Speichervorgang
automatisch mittels einem 128-Bit Kodierungsverfahren
verschlüsselt. Für den Zugriff
auf die Daten muss der Benutzer sich mittels
Passwort authentifizieren. Selbst Daten
117

Patrick Frey
auf austauschbaren Speichermedien (memory
cards) können so geschützt werden.
F-Secure Anti-Virus
Für Palm OS Systeme sind sowohl Viren
als auch Trojanische Pferde bekannt. Beide
können erheblichen Schaden anrichten und
zeigen die Wichtigkeit von Antivirenprogrammen
für mobile Endgeräte. F-Secure bietet
für mobile Endgeräte, die auf Windows CE
(bzw. Pocket PC), Symbian OS und Palm OS
basieren speziell zugeschnittene Programme
an.
Aufgrund der unsicheren GSM - Verschlüsselung
und der ungeschützten Übertragung
der Daten durch das Internet bietet F-Secure
auch eine Sicherheitslösung an, die auf
VPN 37 aufbaut. Dadurch wird eine abhörsichere
end-zu-end Verbindung garantiert.
RSA
Des weiteren gibt es Sicherheitslösungen um
den Zugang zu Web Applikationen im B2B
oder B2C zu schützen. Dabei soll nur berechtigten
Benutzern, also solche, die sich
eindeutig authentifizieren können Zugang zu
den sensiblen Daten gestattet werden.
Die amerikanische Firma „RSA Secure“ 38 ist
Anbieter eines solchen Konzepts. Um Zugang
zu einer Web Applications zu bekommen
gibt der Benutzer seine persönliche userID
und seinen PIN im Browser ein und verschickt
beides an die durch RSA Mobile geschützte
Web Application. Diese reicht beide
weiter an den RSA Web Server, der einen
einmaligen Access Code generiert. Dieser
Access Code wird per SMS oder eMail an
den Benutzer geschickt, der dadurch Zugang
zur Web Application erhält.
Abbildung 79: Ablauf des Authentifizierungsprozesses bei einer durch RSA mobile geschützten
Web Application
37 VPN = Virtual Private Network
38 http://www.rsasecurity.com/products/mobile/index.html
118

8.3.5 J2ME: Sicherheitskonzepte von
MIDP 1.0 und MIDP 2.0
In [Mic02d], Kapitel 3, Security for MIDP
Applications, werden die Sicherheitskonzepte
des MIDP 1.0, als auch des Nachfolgers
MIDP 2.0, wie folgt beschrieben:
The MIDP 1.0 specification
constrained each MIDlet suite to
operate in a sandbox wherein all of
the APIs available to the MIDlets
would prevent access to sensitive
APIs or functions of the device.
That sandbox concept is used in
this specification and all untrusted
MIDlet suites are subject to its limitations.
Every implementation of
this specification MUST support
running untrusted MIDlet suites.
MIDP 2.0 introduces the concept
of trusted applications that may be
permitted to use APIs that are considered
sensitive and are restricted.
If and when a device determines
that a MIDlet suite can be trusted
then access is allowed as indicated
by the domain policy. (...)
Any MIDlet suite that is not trusted
by the device MUST be run as untrusted.
If errors occur in the process
of verifying that a MIDlet suite
is trusted then the MIDlet suite
MUST be rejected.
MIDP 1.0
In MIDP 1.0 hatten also alle MIDlets die
gleichen Vorraussetzungen. Die definierten
APIs konnten auf jeden Fall, wenn implementiert,
benutzt werden. Ein Zugriff auf andere
gerätespezifische Funktionen, die nicht
in den APIs definiert sind, wurde durch
das „Sandbox“-Prinzip ausgeschlossen: Jedes
MIDlet wird in einem ausbruchsicheren
Käfig betrieben. Selbst in MIDlet Suites 39
sind lokal gespeicherte Daten vor gegenseitigem
Zugriff geschützt.
39 Paket, das mehrere MIDlets in einem zusammenfasst
40 TLS = Transport Layer Security
41 SSL = Secure Sockets Layer
8.3 Gefahrenpotentiale
JSR 118: Mobile Information Device Profile
2.0, (MIDP 2.0) [Mic02c]
Zunächst einmal ist zu erwähnen, dass das
„Sandbox“-Prinzip aus MIDP 1.0 auch weiterhin
besteht. In MIDP 2.0 kann jedoch die Benutzung
kritischer APIs beschränkt werden:
Nur zertifizierte Applikationen erhalten Zugriff
auf bestimmte gerätespezifische Funktionalitäten.
So könnte z.B. der Zugriff auf
das Telefonbuch mittels Zertifikat durch die
Hersteller beschränkt werden. Vor Viren sind
solche Applikationen jedoch auch nicht geschützt:
durch Decompilen kann aus Bytecode
lesbarer Quellcode erzeugt werden, der
anschließend verändert werden kann. Ein
endgültiges Lösungskonzept gibt es für Java-
Anwendungen diesbezüglich noch nicht. Es
gibt lediglich verschiedene Techniken, um es
„Crackern“ zu erschweren, sich : Mittels eines
Obfuscators werden z.B. Variablennamen
systematisch in kryptische Zeichenfolgen
umbenannt. Das Programm bleibt ausführbar,
aber nach dem Decompilen nur
schwer lesbar.
Um eine sichere Datenübertragung zu garantieren
können in MIDP 2.0 Verbindungen
mit den Protokollen TLS 40 bzw. SSL 41 hergestellt
werden. TLS wird als Schicht zwischen
TCP/IP und höher liegenden Netzwekprotokollen
wie Http, SMTP und NNTP implementiert.
Wie schon erwähnt können ab MIDP 2.0
MIDlet Suites zertifiziert werden um die Authentizität
der kommunizierenden Partner zu
garantieren. Eine ausführliche Beschreibung
findet sich unter den Quellen [Mic02a] und
[Mic02b], da eine ausführliche Diskussion
den Rahmen sprengen würde. Weitere Artikel
sind schon angekündigt, allerdings noch
nicht verfügbar. Sie werden sich jedoch konkret
auf MIDP 2.0 beziehen und sich mit den
Themen „Authentication in MIDP“ und „Encryption
in MIDP“ befassen.
119

Patrick Frey
Secure Networking
Since the MIDP 2.0 release additional interfaces are available for secure communication with
WWW network services. Secure interfaces are provided by HTTPS and SSL/TLS protocol
access over the IP network. Refer to the package documentation of javax.microedition.pki
for the details of certificate profile that applies to secure connections. An HttpsConnection is
returned from Connector.open() when an „https://“ connection string is accessed. A Secure-
Connection is returned from Connector.open() when an „ssl://“ connection string is accessed.
javax.microedition.io.HttpsConnection
javax.microedition.io.SecureConnection
javax.microedition.io.SecurityInfo
javax.microedition.pki.Certificate
javax.microedition.pki.CertificateException
Abbildung 80: MIDP 2.0: Neue Klassen / Interfaces in MIDP 2.0 für Secure Networking
8.3.6 Ausblicke
JSR 177: Security and Trust Services API
for J2ME
Doch selbst MIDP 2.0 ist in Bezug auf Privacy
(und Security) immer noch unzureichend.
Deshalb liegt beim Java Community Process
(JCP) ein Java Specification Request (JSR)
vor um MIDP 2.0 weiter zu ergänzen. Da
JSR-118 zeitlich schon viel früher in Gang
gesetzt wurde, sind die Forderungen von
JSR-177 in der Spezifikation von MIDP 2.0
noch nicht berücksichtigt.
This specification will provide
J2ME applications with APIs for
security and trust services through
the integration of a Security Element.
[JCP02c]
Der Zweck dieser JSR ist es also eine Kollektion
von APIs zu definieren, damit J2MEfähigen
mobile Endgeräten sensible Daten
auf einem Security Element 42 speichern können.
Ein Security Element unterstützt dabei
die sichere Speicherung, dh. sensible
Daten von Benutzern werden geschützt,
42 Ein Beispiel für ein Security Element ist die SIM-Card in Handys.
120
wie z.B. private PINs, Zertifikate, persönliche
Informationen usw.
die sichere Ausführbarkeit, dh. kryptographische
Berechnungen und Bezahlprotokolle
werden unterstützt, sowie
Datenintegrität und Datengeheimhaltung
gewährleistet
individuelle Security Features und Securtity
Features, auf die J2ME Anwendungen
aufbauen können um viele datengebundene
Services „handeln“ können,
wie Benutzeridentifikation und -
authentifizierung, Banking, Bezahlung,
Ticketbuchung,
8.4 Abschließende Bemerkung
In allen Bereiche, in denen mobile Endgeräte
zum Einsatz kommen, spielen Privacy
und Security eine wichtige Rolle. Trotz
aufwendiger Konzepte und Techniken ist eine
totale Privacy und Security nie möglich.
Das beste Beispiel hierfür ist beschriebene
Sicherheitslücke im GSM-Standard, die
sowohl Sprach- als auch Datenübertragungen
betrifft. Doch man kann es potenziellen
Hackern und Crackern so schwer wie möglich
machen. Das Ziel dabei ist es, dass die
Kosten und der Aufwand zum Erlangen der

sensiblen Daten den Nutzen, den diese Da- ten dem Hacker bringen, weit übersteigen.
Literatur
[Bea02] Beaucom: Sichere Kommunikation in unsicheren Netzen. http://www.
beaucom.de/html/faq.html, 2002.
[Cor02] F-Secure Corporation: Content Security at Handheld. http://www.fsecure.de/products/white-papers/hhsecurity020215.pdf,
2002.
[Dir02] Direktanlagebank: Hier finden sie Informationen und Tipps zu den mobilen
Informationsmöglichkeiten Ihrer DAB bank. www.dabmobile.com, 2002.
[eKvPDHJO02] eBusiness-Kompendium von Prof. Dr. Hans Jürgen Ott: Grundlagen
der Daten- und Rechtssicherheit. http://www.kecos.de/script/
31grundldsich.htm, 2002.
[JCP02a] JSR-037 Java Community Process: Mobile Information Device Profile
(MIDP) Final Specification 1.0a. http://jcp.org/aboutJava/
communityprocess/final/jsr037/index.html, 2002.
[JCP02b] JSR-120 Java Community Process: Wireless Messaging API. http://
jcp.org/en/jsr/detail?id=120, 2002.
[JCP02c] JSR-177 Java Community Process: Security and Trust Services API for
J2ME (TM). http://www.jcp.org/en/jsr/detail?id=177, 2002.
[Mic02a] Sun Microsystems: MIDP Application Security 1, Design Concerns and
Cryptography. http://wireless.java.sun.com/midp/articles/
security1/, 2002.
[Mic02b] Sun Microsystems: MIDP Application Security 2, Understanding SSL
and TLS. http://wireless.java.sun.com/midp/articles/
security2/, 2002.
[Mic02c] Sun Microsystems: Mobile Information Device Profile 2.0. http://jcp.
org/en/jsr/detail?id=118, 2002.
[Mic02d] Sun Microsystems: Mobile Information Device Profile 2.0 Specification.
http://www.jcp.org/aboutJava/communityprocess/
review/jsr118/, 2002.
121

9 Security and Privacy - Anonymität
Zusammenfassung
Der Wunsch nach Anonymität ist in vielen
Bereichen des täglichen Lebens in
unserer Gesellschaft sehr verbreitet. Immer
häufiger wird Anonymität sogar gefordert.
Diese Forderung geht auf ein intuitives
Bedürfnis zurück, nicht nur die eigene
Privatsphäre zu schützen, sondern
auch über die Informationen selbst zu
bestimmen, die über die eigene Identität
bekannt werden. Die folgenden Ausführungen
sollen einen Überblick über den
Aspekt der Anonymität hinsichtlich der
Benutzung der Mobilnetze, des Festnetzes
und der Benutzung des Internet geben.
9.1 Einleitung
9.1.1 Definition
Allgemein beschreibt der Begriff Anonymität
Namenslosigkeit oder Nichtbekanntsein. Auf
der Grundlage dieser allgemeinen Bedeutung,
ist eine Definition möglich, die das Thema
im Sinne dieses Seminars spezifischer
beschreibt. Die Gründe, wann eine an einem
anonymen Vorgang beteiligte Identität nicht
näher bestimmbar wird, sind schnell nachzuvollziehen.
Wenn diese Identität den anderen
innerhalb dieses anonymen Vorgangs
beteiligten Identitäten nicht bekannt ist oder
gegenüber den anderen Identitäten nicht aktiv
wird oder gar ohne erkennbaren Namen
agiert, dann wird diese Identität nicht bestimmbar.
Thomas Jakob
thomas.jakob@informatik.uni-ulm.de
9.1.2 Motivation
Die verständliche Forderung nach Anonymität,
die sogar auf dem Grundrecht der informationellen
Selbstbestimmung 43 beruht,
ist nicht nur durch den Wunsch die eigene
Privatsphäre zu schützen motiviert. Direkte,
aber auch indirekte Angriffe auf die Identität,
die durch den Besitz personenbezogener
Daten möglich werden, können in der heutigen
Gesellschaft verheerende Folgen haben.
Um dem entgegen zu wirken, wurde
schon früh das Thema Datenschutz 44 diskutiert.
Die Basis des Datenschutzes beruht auf
der Annahme, dass die Verarbeitung personenbezogener
Daten nur zulässig ist, wenn
der Betroffene eingewilligt hat oder ein Gesetz
die Verarbeitung erlaubt [fDSH02]. Dieser
Schutz ist nun bei weitem nicht umfassend.
Besonders im Internet, das hier nur
kurz als erklärendes Beispiel dienen soll,
kann ein unerfahrener Nutzer kaum abschätzen,
welche Daten über seine Person bekannt
werden, die Rückschlüsse auf seine
reale Identität möglich machen. Gerade im
Bereich des Internet ist das Recht der informationellen
Selbstbestimmung stark eingeschränkt,
da der Nutzer kaum Einfluss auf die
Verwendung seiner Daten hat. Als einleuchtender
Grund mag hier der Aspekt der unterschiedlichen
Gesetzgebungen in den einzelnen
verschiedenen Ländern zu diesem Thema
sein. Im Gegensatz dazu kann ein Anruf
von einer öffentlichen Telefonzelle als anonyme
Aktivität bezeichnet werden, da hier
kaum Verbindungen zur Identität des Anrufers
hergestellt werden können.
43 Nach [Ott02] läßt sich dieses Grundrecht auf ein Urteil des Bundesverfassungsgerichtes von 1965 aus Artikel 2
Absatz 1 des Grundgesetzes, nämlich dem allgemeinen Persönlichkeitsrecht, zurückführen
44 Definition siehe [Ott02]
122

9.1.3 Abstufungen von Anonymität
Nach [fSidI01] werden innerhalb eines Kommunikationsvorgangs
die Sender- und Empfängeranonymität
folgendermaßen definiert.
Senderanonymität bedeutet, dass Dritten die
Senderidentität nicht zugänglich und damit
nicht bestimmbar ist, während die Empfängeridentität
und der Kommunikationskontext
aber bekannt sein können.
Abbildung 1.1 Senderanonymität [fSidI01]
Empfängeranonymität definiert sich analog
hinsichtlich der Empfängeridentität und ist insofern
ein relativer Begriff, als der Sender
durch die Beobachtung der Verteilung nicht
über das bereits bekannte Wissen über die
Identität des Empfängers hinaus neue Informationen
in Erfahrung bringen kann.
Abbildung 1.2 Empfängeranonymität [fSidI01]
Ist es nicht möglich etwaige Beziehungen
zwischen der Sender- und Empfängeridentität
festzustellen, dann handelt es sich hierbei
um sogenannte Unverkettbarkeit.
Abbildung 1.3 Unverkettbarkeit [fSidI01]
In diesem Sinne setzt sich die Anonymität
aus dem Schutz des Empfängers, des
Senders und dem Schutz der Kommunikationsverbindung
zwischen diesen beiden Instanzen
zusammen. Pseudonymität ermöglicht
einen hohen Grad von anonymer Nutzung,
da hier die Identität nicht bestimmbar
ist. Erreicht wird das durch die Verwendung
9.1 Einleitung
von digitalen Pseudonymen als Identifikator
[?]. Diese Arten von Anonymität lassen eine
mehr oder weniger starke Abstufung in
Bezug auf ihre Anwendung zu. Zusätzlich
ist diese Einteilung sehr nützlich bei der Bewertung
der in dieser Ausarbeitung noch folgenden
Anonymisierungsverfahren. Folgende
Abstufungen werden nach [fSidI01] unterschieden:
(1) unmöglich zuzuordnen
(2) nicht zuzuordnen
(3) möglicherweise zuzuordnen
(4) wahrscheinlich zuzuordnen
(5) zuzuordnen
(6) sicher zuzuordnen
9.1.4 Einführende Beispiele
Anonymität betrifft nicht nur Bereiche unseres
Lebens wie die Benutzung des Internet
oder die Nutzung mobiler situationsabhängiger
Dienste. Auch die als selbstverständlich
angesehenen Tätigkeiten haben sehr viel mit
dem Thema Anonymität zu tun. Ein sehr
einfaches Beispiel, das auch schon im vorherigen
Abschnitt kurz angeführt wurde, ist
die Benutzung einer öffentlichen Telefonzelle.
Die eigene reale Identität kann kaum mit
dem geführten Gespräch in Verbindung gebracht
werden. In diesem Fall erfüllt dieses
Beispiel die Definition der Unverkettbarkeit
und der erreichte Grad der Anonymität könnte
man als nicht zuzuordnen einstufen. Sollte
die Telefonzelle aber in einer durch Kameras
berwachten Umgebung befindlich sein
und könnte in diesem Fall eine Verbindung
zwischen der äußeren Erscheinung dieser
Person, der Uhrzeit und dem Tag hergestellt
werden, könnte anhand der Daten der betreibenden
Telefongesellschaft und der festgehaltenen
Daten der Kamera zu diesem Zeitpunkt,
die Identität und die zugrundeliegende
Intention des Anrufes fast vollständig bestimmt
werden. Zugegeben dieses Szenario
scheint sehr konstruiert, aber in diesem geschilderten
Fall wäre der Grad der erreichten
Anonymität mit zuzuordnen zu klassifizieren.
Ein anderes einfaches Beispiel ist
der Einkauf in einem beliebigen Geschäft.
123

Thomas Jakob
Unter der Voraussetzung, dass der Konsument
mit Bargeld zahlt, kann der erreichte
Grad der Anonymität hier mit möglicherweise
zuzuordnen eingestuft werden. Innerhalb
eines gewissen Zeitraumes kann der Verkäufer
den Konsumenten durch seine persönliche
Erinnerung zu einem gewissen Grad
identifizieren. Unter dem Aspekt betrachtet,
dass der Verkäufer den Konsumenten namentlich
kennt, wäre auch hier die Identität
bestimmbar. Unter normalen Umständen,
beispielsweise in einem Supermarkt, ist es
kaum möglich den einzelnen Konsumenten
direkt zu identifizieren. Dann kann der erreichte
Grad der Anonymität mit nicht zuzuordnen
beschrieben werden. Schon diese
einfachen Beispiele zeigen, wie schnell die
eigene als selbstverständlich vorausgesetzte
Anonymität neutralisierbar ist, auch wenn
es sich in diesen Fällen nicht um sehr wichtige
persönliche Daten, wie beispielsweise
die Kreditkartennummer oder andere sensible
zur Privatsphäre gehörenden Informationen
handelt und dadurch sich der Schaden
in kleinen Grenzen hält. Ein etwas komplexeres
Beispiel stellt das Szenario des Einkaufens
in einem Onlineshop dar. Anders als
in einem Geschäft, wie im oberen Beispiel,
werden hier direkt Daten wie Name, Adresse
und Zahlung miteinander verknüpft. Aufgrund
der Tatsache, dass man immer Datenspuren,
und seien es nur sogenannte Cookies,
die auf der Festplatte des Nutzers gespeichert
werden, bei der Nutzung des Internet
hinterlässt, kann der erreichte Grad hier
nur mit zuzuordnen beschrieben werden.
9.2 Anonymität im Festnetz
Ein Großteil der heutigen modernen Kommunikation
wird durch ein Netzwerk ermöglicht,
das schon seit Jahrzehnten für die Sprachkommunikation
genutzt wird. Seit Mitte der
1990er Jahre stellt es auch die Basis für die
kommerzielle Nutzung, aber besonders für
die Nutzung durch die breite Öffentlichkeit
des Internet dar. Innerhalb dieses bekannten
öffentlichen Telefonnetzes fallen Inhaltsdaten,
Kontextdaten, Verkehrsdaten, Bestandsdaten,
Verbindungsdaten und Rechnungsdaten
45 an. Den Bestandsdaten, Verbindungsdaten
und Rechnungsdaten über die beteiligten
Kommunikationspartner soll hier bezüglich
des Themas eine größere Aufmerksamkeit
gelten.
9.2.1 Anonymisierungsverfahren
innerhalb des Festnetzes
Durch die Einrichtung der digitalen Sprachkommunikation
46 in den 1990er Jahren, wurde
es beispielsweise möglich, direkt die Telefonnummer
des anrufenden Teilnehmers
noch vor der Etablierung einer Sprachkommunikation
an den angerufenen Teilnehmer
zu übermitteln. Um diesem Problem in Bezug
auf Anonymität zu begegnen, wurde die
sogenannte Rufnummernunterdrückung eingeführt.
Sollte also der anrufende Teilnehmer
aufgrund der Anonymitätswahrung eine
solche Unterdrückung seiner Rufnummer
wollen, kann dieser das durch den Netzbetreiber
veranlassen 47 . Eine Senderanonymität
ist aber in diesem Fall trotzdem nicht
gegeben, da der Netzbetreiber anhand der
schon angeführten Bestandsdaten, Verbindungsdaten
und Rechnungsdaten die spezifischen
Informationen des gesamten Kommunikationsvorgangs
ermitteln kann. Damit
ist es möglich festzustellen, zu welchem Zeitpunkt
Kommunikationsbeziehungen bestanden.
Allein durch die Gefährdung der Sicherheit
der Kommunikationsverbindung zwischen
Sender und Empfänger ist hier die
Bedingung für den Anonymitätsgrad sicher
zuzuordnen erfüllt. Nach [fSidI01] funktioniert
aber ausgehend vom benutzten Kom-
45 Weitere Informationen siehe [MKea97]
46 Einführung von Integrated Services Digital Network innerhalb des Public Switched Telephone Network [fSidI01]
47 Aus diesem Grund gehört diese Verfahrensweise zu den betreiberabhängigen Anonymisierungsverfahren
124
[fSidI01]

munikationsprotokoll 48 die Rufnummernunterdrückung
nicht. Der Grund für dieses Problem
ist in Realisierung der Rufnummernunterdrückung
zu suchen. Bei Benutzung des
ISDN Protokolls wird die Signatur des anrufenden
Teilnehmers bis zur letzten Vermittlungsstelle
innerhalb des Netzes weitergeleitet
und erst dort für den angerufenen Teilnehmer
unkenntlich gemacht wird. Im Gegensatz
dazu wird bei Verwendung des Zeichengabesystems
#7 die Kommunikationsanlage
des angerufenen Teilnehmers als Teil des
Gesamtnetzes angesehen. In diesem Fall
kann dieser Teilnehmer eigenständig über
die Identifizierung des anrufenden Teilnehmers
entscheiden.
Nachdem sich gezeigt hat, dass die betreiberabhängigenAnonymisierungsverfahren
völlig unzureichend sind, besonders weil
die Kommunikationsbeziehungen gegenüber
dem Netzbetreiber absolut nachvollziehbar
sind und damit wiederum die Bedingungen
der Anonymität nicht erfüllt werden können,
stellt sich die Frage nach von den Netzbetreibern
unabhängigen Methoden einer Anonymisierung.
Die Etablierung eines sogenannten
Relaissystems ist nach [fSidI01] ein einfaches
und wirkungsvolles Konzept, um anonyme
Kommunikationsvorgänge zu ermöglichen.
Der Einsatz ist aber weitestgehend in
der Realität nicht verfügbar. Dieses Relaissystem
setzt sich aus mehreren Kommunikationsanlagen
zusammen, so dass ein anrufender
Teilnehmer nicht direkt seinen Kommunikationspartner
anwählt, sondern die nächste
verfügbare Relaisanlage. In diesem Zustand
ermöglicht die Relaisanlage dem anrufenden
Teilnehmer eine neue Kommunikationsbeziehung,
indem dieser mittels der Signatur
des ausgewählten Kommunikationspartners
die Verbindung etabliert. Schon durch
den Einsatz nur einer Relaisanlage wird der
Nachweis einer Verbindung zwischen diesen
Teilnehmern sehr erschwert, denn die Verbindung
bestand im eigentlichen Sinne zwischen
dem angerufenen Teilnehmer und der
Relaisanlage. Um nachzuvollziehen, wer zu
9.2 Anonymität im Festnetz
diesem Zeitpunkt mit der Relaisanlage verbunden
war und damit eine Kommunikationsverbindung
zu dem angerufenen Teilnehmer
hatte, könnte beispielsweise der Netzbetreiber
alle bestandenen Verbindungen verfolgen.
Dies ist aber mit einem doch sehr erheblichen
Aufwand verbunden und beweist
nicht einmal die Verbindung zwischen beiden
Teilnehmern, da der angerufene Teilnehmer
auch mit einem anderen Teilnehmer innerhalb
des Relaissystems verbunden gewesen
sein könnte. Nach [fSidI01] ist unter
dem Aspekt, dass die Verbindungsdaten
nicht durch den Netzbetreiber gespeichert
werden, dieses Verfahren in Bezug auf
den erreichten Grad der Anonymität mit zuzuordnen
einzustufen. Aufbauend auf diesen
Ausführungen lässt sich leicht erklären,
dass die Wirksamkeit durch eine Vielzahl solchen
Relaisanlagen innerhalb einer Relaiskette
oder sogar innerhalb eines Relaisnetzes
noch gesteigert werden kann. Der Grund
hierfür ist der immer größer werdende Aufwand
für den Netzbetreiber die Unverkettbarkeit
zwischen den Kommunikationsteilnehmern
des Relaissystems aufzuheben, da er
die temporäre Verbindung zwischen den einzelnen
Relaisanlagen, besonders innerhalb
eines Relaisnetzes, kaum bestimmen kann.
Bei der Verwendung der einzelnen Ausprägungen
dieses Anonymisierungsverfahrens
ist der erreichte Grad der Anonymisierung,
der stark mit der Anzahl der verwendeten Relaisanlagen
korreliert, zwischen wahrscheinlich
zuzuordnen und zuzuordnen einzustufen.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass der
bei der Kommunikation im Festnetz erreichte
Grad der Anonymität, bei Verwendung
eines Relaisnetzes mit einer größeren Anzahl
von Relaisanlagen, höchstens mit wahrscheinlich
zuzuordnen zu bezeichnen ist. Als
untauglich in Bezug auf die Anonymisierung
der Kommunikation innerhalb des Festnetzes
haben sich die betreiberabhängigen Verfahren
erwiesen, da diese zu einem gewissen
Grad die Anonymität zwischen den Kommu-
48 ISDN Protokoll für Teilnehmeranschlüsse EDSS1 oder das von Vermittlungsstellen genutzte Protokoll des Zei-
chengabesystems #7
125

Thomas Jakob
nikationspartnern wahrt, aber letztendlich die
Kommunikationsbeziehungen von Seiten der
Netzbetreiber bestimmbar werden und damit
die Unverkettbarkeit gefährdet ist. Unabhängige
Anonymitätsverfahren wie die Verwendung
des MIX-Modells innerhalb des Festnetzes
49 , ermöglichen das Erreichen eines
höheren Grades an Anonymität.
9.3 Anonymität im Internet
Das Internet ist die Gesamtheit aller weltweit
über verschiedenste Kommunikationsmedien
50 zusammengeschlossenen Computernetzwerke,
die nach einem standardisierten
Verfahren, dem TCP IP 51 , miteinander
kommunizieren 52 [?]. Zur eindeutigen Identifizierung
dieser Computer innerhalb des Netzes
wurden sogenannte IP-Adressen eingeführt,
die durch eine 32 Bit lange Zahl 53
repräsentiert wird. Zur besseren Lesbarkeit
wird diese Zahl durch vier Punkte, die wiederum
vier Zahlen von 0 bis 255 voneinander
trennen, dargestellt. Durch die schnell zunehmende
Größe und Komplexität des Internet
war es nicht mehr möglich, jedem Computer
innerhalb des Netzes eine dauerhafte
eindeutige Adresse zu geben. Aus diesem
Grund wurden statische IP-Adressen für
große Institutionen oder Einzelpersonen und
dynamische IP-Adressen für Privatpersonen,
die nur gelegentlich das Internet nutzen, eingeführt.
Die dynamischen IP-Adressen werden
von einem ISP 54 zu Beginn der Internetnutzung
vergeben und können auch während
einer Sitzung verändert werden [fSidI01]. Es
wird schnell klar, dass bei Verwendung dynamischer
IP-Adressen die mit dem Netzwerk
verbundene Identität nur schwer zu bestimmen
ist, während bei Verwendung von statischen
IP-Adressen, aufgrund ihrer eindeutigen
Bindung an eine Identität, diese prin-
49 Siehe Abschnitt Anonymisierungsverfahren im Internet und [Cla01]
50 Kommunkationsmedien wie Funk, PSTN
51 Transmission Control Protocol¡ Internet Protocol
52 www.internet4jurists.at/interntoa.htm
53 Darstellung bezieht sich auf IPv4 [?]
54 Internet Service Provider
55 Internet Service Provider
126
zipiell verkettbar sind. Häufig identifiziert eine
solche IP-Adresse nicht direkt den abrufenden
Computer, sondern einen sogenannten
Proxy-Computer, der vor den abrufenden
Computer geschaltet wird, um beispielsweise
durch Zwischenspeichern der Abrufergebnisse
Bandbreite bei gleichartigen Anfragen zu
sparen. Eine andere wichtige Anwendung ergibt
sich durch den entstehenden Schutz des
dahinter befindlichen Computers gegenüber
direkten Angriffen [?].
9.3.1 Datenkollektion bei der Nutzung
des Internet
Ähnlich wie bei den Kommunikationsvorgängen
im Festnetz fallen auch beim Zugriff auf
das Internet eine große Menge Daten an, die
gespeichert und verarbeitet werden. Wichtig
in Bezug auf die Anonymität ist der Aspekt
der Mehrfachnutzung eines lokalen Rechners.
Vor der eigentlichen Nutzung des Internet
steht die Kommunikation mit dem Zugangsanbieter
bzw. -vermittler, dem ISP 55
oder auch Access Provider, bei dem sich
der Teilnehmer beispielsweise über das Festnetz,
zuerst einwählen muss, um danach die
Dienste eines Providers in Anspruch nehmen
zu können. Hier ist auch zu beachten,
dass hier eventuell auch zusätzliche Zugangsvermittler,
die aus einem lokalen Netz
die Schnittstelle zu weiteren Providern bereitstellen,
eine Instanz dieses Kommunikationsvorgangs
bilden können. Weitere wichtige
Rollen in diesem komplexen Netzwerk
übernehmen die Diensteanbieter, die sogenannten
Presence Provider und Service Provider,
die beispielsweise Speicherplatz und
Bandbreite bereitstellen, um die Möglichkeit
der Präsentation von Inhalten im Internet zu
bieten, und die Inhaltsanbieter, die Content

Provider, die für die eigentlichen Inhalte verantwortlich
sind. In Hinblick auf das Thema
der Anonymität im Internet ist es wichtig,
welche Informationen typischerweise an
welchen Stellen gesammelt werden. Diese
werden ähnlich wie bei der Benutzung des
Festnetzes in Bestandsdaten, Verbindungsdaten
und Inhaltsdaten eingeteilt. Bestandsdaten
werden bei den Anbietern der Dienste,
wie Netzbetreiber, Access Provider und Service
Provider, in einem vertraglichen Rahmen
gespeichert. Verbindungsdaten ermög-
Abbildung 1.3 Schema des Internet [?]
Sowohl bei der Einwahl beim Telekommunikationsbetreiber
56 als auch durch Einträge
in der Logdatei des Terminal Servers 57 ,
entstehen verwertbare Daten. Diese Einträge
enthalten Informationen wie den Login-
Namen, das Datum und die Uhrzeit der Anmeldung
sowie die dem Client zugewiesene
IP-Adresse. Der Proxy, wenn vorhanden,
speichert dann die Anfragen des Teilnehmers,
die durch den Browser übermittelt werden,
und schickt dann die zugehörige Antwort
des Web Servers wieder zurück. Während
dieses Vorgangs wird die ankommende
IP-Adresse beim Proxy registriert, um
9.3 Anonymität im Internet
lichen die Beschreibung der Umstände des
Kommunikationsvorgangs durch Informationen
wie Absender, Empfänger, Datum und
Dienst, während die Inhaltsdaten die eigentlichen
Nachrichten wie E-Mail, News oder Internetanfragen
beinhalten. Zusätzlich ist natürlich
auch wichtig, wer die Möglichkeit eines
Zugriffs auf diese Daten hat, der generell
bei den einzelnen Betreibern innerhalb ihres
Bereichs umfassend ist, und wie lange diese
gespeichert werden [?].
diese dann durch eine eigene interne IP-
Adresse zu ersetzen. Der Web Server erkennt
dann nur diese IP-Adresse und bekommt
so keine Kenntnis über die originale
IP-Adresse des Clients. Beim Web Server
wird die Anfrage des Clients mit weiteren Informationen
wiederum in einer Logdatei gespeichert
[MKea97], welche über ihren Umfang
durch das World Wide Web Consortium
im Common Logfile Format definiert sind 58 .
Das CLF 59 beinhaltet Informationen in folgender
Formatierung:
remotehost rfc931 authuser [date]
56 Weitere Informationen über die Art der Daten besonders bei Nutzung von ISDN siehe [MKea97]
57 Zugangsrechner des Access Providers [?]
58 siehe www.w3.org/Daemon/User/Config/Logging.html#common-logfile-format
59 Common Logfile Format
127

Thomas Jakob
request status bytes
remotehost
Name bzw. IP-Adresse des Clients
rfc931
Logname des Nutzers
authuser
Username, mit dem sich der Nutzer
authentifiziert
[date]
Datum und Zeit der Anfrage
request
Anfragezeile, wie vom Client angegeben
status
Anfragestatus, wie an den Client übermittelt
(http status code)
bytes
Länge der übermittelten Webseite
Zusätzlich kommen noch Daten über die
Computerkonfiguration des Clients, wie Plug-
Ins, Informationen über die Aktivierung von
Cookies, ActiveX Elemente oder Java bzw.
Java Script innerhalb der Browserkonfiguration
und weiterhin sogar die Bildschirmauflösung
hinzu. Die Dauer der Datenhaltung ist
auf Web Servern von der Auswertungszeit
abhängig. Danach werden häufig diese Daten
wieder gelöscht. Weiterhin werden in erweiterten
Logdateien Informationen über den
Referer, über die verwendete Browserversion
und meist auch Informationen über Sprache
und Betriebssystem gespeichert.
Nach [?] ist die Übertragung des sogenannten
Referer-Feldes, das Informationen über
die angewählte URL der Webseite und über
den Link enthält, durch den der Zugriff erfolgte,
an den Web Server sehr kritisch zu
betrachten. Web Server nutzen diese Informationen
nicht nur um Zugriffe abzulehnen,
die über Links von Webseiten der gegebenen
Konkurrenz kommen, sondern auch um Informationen
über Interessen und Nutzungsverhalten
des Clients über den Bereich des
60 siehe Beispiel in [?]
128
eigenen Web Server hinaus zu gewinnen.
Bei der Verwendung von Suchmaschinen
wird auch die Anfrage selbst über den Referer
übermittelt. Besonders heikel wird dieses
Problem bei sicherheitsrelevanten Informationen
wie beispielsweise der Kreditkartennummer,
wenn diese im Referer-Eintrag
auftaucht 60 . Um diesem Problem zu begegnen,
ist Zusatzsoftware, wie beispielsweise
diverse Firewalls nötig, da die Standardbrowser
keinerlei Möglichkeiten bieten, die Übertragung
von Informationen über den Referer
zu kontrollieren bzw. zu unterbinden.
Nachdem die Anfrage des Client über den
Proxy beim Web Server nun verarbeitet wurde,
wird die angeforderte Seite auf gleichem
Wege zurück an den Client übermittelt. Dabei
werden Informationen über die Inhalte dieser
Seite beim Proxy gespeichert, um spätere
Zugriffe schneller zu gestalten. Natürlich
fallen auch im Bereich des Client Daten
an, denn die abgerufenen Informationen
über die angeforderte Seite werden nicht nur
kurzfristig im Hauptspeicher abgelegt, sondern
auch innerhalb des angelegten Cache
des Browsers zwischengespeichert. Häufig
bleiben auch Überreste der zuletzt besuchten
Adressen, wie beispielsweise Bilder, Animationen,
Textelemente oder auch Multimediadateien,
in dem durch das Betriebssystem
vorgesehenen Ordner zurück. Über diese Informationen
können besonders bei Mehrbenutzersystemen
ohne Zugriffseinschränkungen
Unberechtigte einen Einblick in die Nutzungsgewohnheiten
bekommen. Das ist ohne
Frage eine immense Verletzung der Anonymität
und folglich ein Eindringen in die
Privatsphäre des Nutzers. Die angesprochenen
Informationen, die durch den Browser
beim Client gespeichert werden, sollen eigentlich
dem Nutzer helfen das Internet effizienter
zu nutzen, aber besonders Web Server
haben ein großes Interesse, durch die Ermittlung
der Gewohnheiten des Nutzers ihr
Angebot beispielsweise durch Benutzerprofile
zu verbessern. Um diese Gewohnheiten
zu verfolgen, gibt es unterschiedliche Mechanismen.
Sogenannte Cookies sind vom

Server generierte Einträge in einer Datei namens
Cookies.txt oder einem Verzeichnis namens
Cookies, die während der Benutzung
auf dem Computer des Client gespeichert
werden und zu einem späteren Zeitpunkt
beim nächsten Zugriff auf den Server wieder
an diesen übermittelt werden [?]. Diese enthalten
folgende Informationen:
Domain, die den Cookie gesetzt hat
und lesen kann
Information, ob alle Computer der
Domain Zugriff auf den Cookie haben
Domainpfad, in der der Cookie gültig ist
Abbildung 1.3 Beipiele für Cookies 62 [?]
Was den Aspekt der Anonymität des Client
angeht, sind im Gegensatz zu den Cookies,
die bei Beendigung des Browsers gelöscht
werden, besonders die persistenten, also
dauerhaft abgespeicherten Cookies aus folgenden
Gründen kritisch. Die Standardkonfiguration
der häufig genutzten Browser bietet
hinsichtlich der Funktionsweise der Cookies
wenig Transparenz, da der Client nicht über
Inhalte, Zweck, Umfang und Speicherdauer
oder Zugriffsmöglichkeiten hinsichtlich der
Cookie-Datei informiert wird. Cookies können
die Erstellung von Profilen über den Client
ermöglichen. Sollte sich der Client auf einem
Web Server identifizieren, können diese
Informationen dem Profil zugeordnet werden.
Insbesondere sind Cookies durch keinerlei
Zugriffsrechte auf der Festplatte des
Client geschützt und durch die Aufzeichnung
in Form von ASCII-Dateien sehr leicht zugänglich.
Der Client kann sich gegen diese
61 verschlüsselte Abfrage
62 Weitere Beispiele siehe [fSidI01]
9.3 Anonymität im Internet
Information, ob Cookie-Zugriff nur bei
SSL Verbindung 61 möglich ist
Zeitangabe für die Lebensdauer des
Cookies
Name des Cookies
Wert des Cookies
(häufig eine Identifikationsnummer)
Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft
Cookie-Einträge, generiert durch den Microsoft
Internet Explorer, in eine solche ASCII-
Datei. Hierbei stellt jede Spalte ein Cookie
dar.
Vorgehensweisen nur schützen, in dem er
die Cookies nur kontrolliert zulässt oder die
Speicherung absolut deaktiviert. Eine andere
Möglichkeit bietet die manuelle Löschung
oder die ASCII Dateien vor Schreibzugriffen
zu schützen.
Ein weiterer Mechanismus den Weg des Teilnehmers
auf einem Web Server zu verfolgen,
ist die Zuweisung einer Session-ID. Diese
ist in ihrer Funktionsweise mit temporären
Cookies vergleichbar. Diese Zuweisung erfolgt
beim Zugriff auf einen Web Server und
wird als Teil der Adresse während der gesamten
Bewegung auf diesem Web Server
mitgeführt. Die Gültigkeit dieser Nummern
sind durch die Verwendung eines Zeitstempels
bei der Generierung zeitlich begrenzt
und durch Verwendung einer Hashfunktion
mit einer Zufallszahl nicht vorhersagbar [?].
Im folgenden Beispiel ergab der einfache
129

Thomas Jakob
Aufruf der Hauptseite von Amazon.de die folgende
Adressenanzeige, wobei der markierte
Teil eine Session-ID darstellt:
http://www.amazon.de/exec/obidos/
tg/browse/-/301128/
028-5679630-3343701
?siteredirect= de 63
Die sogenannten Web-Bugs oder auch
Clear GIFs sind transparente 1x1 Pixel große
GIF-Bilder. Das Besondere an dieser Vorgehensweise
ist der Aspekt, dass diese Bilder
weder vom Computer des Client noch von
dem des Anbieters geladen werden, sondern
von einem weiteren dritten Server. Bei einem
Zugriff auf die Seite des Anbieters wird
auch das Bild vom dritten Server vom Computer
des Client geladen und ermöglicht so
einen Eintrag in der Logdatei des dritten Servers.
Dieser Eintrag enthält wichtige Informationen
wie den Referer, User-Agent, IP-
Adresse, Uhrzeit und Cookies. Der Web-Bug
ist sogar in der Lage selbst Cookies zu setzen,
die dann natürlich auch direkt zum dritten
Server übermittelt werden. Das Erkennen
solcher Bilder ist nur durch die Untersuchung
des HTML Quellcodes der abgerufenen Seite
möglich, also für einen Laien absolut unmöglich
zu erkennen.
Weitere Mechanismen sind der Einsatz von
Lesezeichen beim Microsoft Internet Explorer
und sogenannter Bannerwerbung. Die
Verwendung von Lesezeichen die ab der
Browser-Version 5.0 möglich wurde, ermöglicht
lediglich, dass ein Web Server, der das
Lesezeichen generiert hat, feststellen kann,
ob der Nutzer seine Seite in der Liste der
Lesezeichen hat. Bei Bannerwerbungen etabliert
der verwendete Browser eine zusätzliche
HTTP-Verbindung, über die der Anbieter,
direkt über den Referer und über den
Banner verteilte Cookies, Informationen über
den Client erhält. Aufgrund der über viele
Webseiten verteilten Bannerwerbungen können
Firmen wie beispielsweise DoubleClick
umfassende Profile über die Nutzer erstellen
63 Weitere Beispiele zu diesem Thema siehe [?]
64 Processor Serial Number
65 Media Access Control
130
[fSidI01].
Durch die sogenannten Globally Unique
Identifiers (GUID), die in Hardware, in Software
oder in Diensten implementiert sein
können, wird eine eindeutige Kennung der
einzelnen Computer innerhalb des komplexen
Internet möglich. Schon 1999 setzte Intel
im Prozessor Pentium III eine solche Kennung
ein. Diese PSN 64 kann durch spezielle
Software abgefragt werden und ermöglicht
somit eine eindeutige Identifizierung.
Bekanntestes Beispiel für die Verwendung
einer GUID dürfte die Onlineregistrierung
von Windows 98 von Microsoft sein. In diesem
Fall wird über die eindeutige MAC 65 -
Adresse der Netzwerkkarte dem Nutzer eine
GUID zugewiesen. Mit einer solchen eindeutigen
Nummer arbeitet beispielsweise auch
der Windows Media Player von Microsoft.
Das neue IP-Protokoll IPv6 sieht im jetzigen
Planungsstadium vor, dass in allen Datenpaketen
Informationen über die eindeutigen
Netzkarten-Adressen (MAC) eingebaut werden.
Dann würden alle Teilnehmer, die das
Internet über ein lokales Netz nutzen, entsprechende
Spuren hinterlassen [?].
Zusammenfassend zeigt sich deutlich, dass
der Client bzw. Teilnehmer einer Vielzahl von
direkten und indirekten Angriffen hinsichtlich
seiner Anonymität während der Nutzung des
Internet ausgesetzt ist. Aufgrund der Tatsache,
dass die einzelnen Provider der Internetdienste
zumeist auf sehr verschiedenen
gesetzlichen Grundlagen zu diesem Thema
arbeiten, ist eine Kontrolle der Datenkollektion
und die Verwendung dieser Daten kaum
möglich. Letztendlich ist jeder Teilnehmer
selbst für den Schutz seiner persönlichen
Daten verantwortlich. Die daraus resultierenden
Maßnahmen erfordern aber ein gewisses
Maß an Wissen in welcher Form und
von welchen Instanzen Informationen über
seine Identität gesammelt und verarbeitet
werden. Einen interessanten Einblick in die
durch einen Aufruf einer Webseite übermit-

telten Daten erhält man beispielsweise unter
http://privacy.net/analyze/.
9.3.2 Anonymisierungsverfahren im
Internet
Das MIX-Konzept
Die Möglichkeiten eine Anonymität zu wahren,
liegt im Schutz der schon angeführten
Daten 66 über die einzelnen Instanzen eines
Kommunikationsvorgangs und natürlich
im Schutz der Daten der Kommunikationsverbindung
selbst. Das MIX-Konzept setzt
zum Schutz dieser Daten genau an diesem
Punkt an. Grund- und Hauptanforderung an
das MIX-Konzept ist aus diesem Grunde die
Nichtzuordenbarkeit der einlaufenden zu den
auslaufenden Nachrichten, also der Unverkettbarkeit
zwischen dem Empfänger und
dem Sender einer Nachricht [Cla01].
Abbildung 1.3 Teilnehmer im MIX [Cla01]
Funktionsweise eines MIX
Zwei Teilnehmer eines Netzes, ein Sender
und ein Empfänger, möchten miteinander anonym
kommunizieren. Der Sender schickt
dazu eine Nachricht an den Mix, der anhand
der Nachricht die Adresse des Empfängers
ermittelt, um dann diese Nachricht an den
angegebenen Empfänger zu übermitteln. Die
Nutzung des Mix macht bezüglich der Anonymität
der Kommunikationsbeziehung nur
9.3 Anonymität im Internet
dann Sinn, wenn die Zuordnung der vom MIX
empfangenen und gesendeten Nachrichten
nicht möglich ist. Der Einsatz einer MIX-Kette
oder sogar eines MIX-Netzes erlaubt den Zustand,
dass der erste MIX die Adresse des
Sender kennt und der letzte MIX die Adresse
des Empfängers [Cla01]. Innerhalb des
Netzes oder der Kette ist den eingesetzten
MIXes keinerlei Daten über den Empfänger
oder den Sender bekannt. Bei einer einfachen
Verbindung mit einem Sender, Empfänger
und einem Verbindungsrechner M, ist die
Anonymität sofort gefährdet, wenn die Verbindung
zwischen dem Sender und dem Verbindungsrechner
abgehört wird. Aus diesem
Grunde müssen die Kommunikationsverbindungen
verschlüsselt werden. Nach [fSidI01]
erfolgt diese Kodierung durch ein asymmetrisches
Verfahren. Dabei wird die Nachricht
durch einen öffentlichen Schlüssel des Empfängers
kodiert und danach nochmals durch
den öffentlichen Schlüssel des MIX inklusive
der Enpfängeradresse kodiert. Der Sender
sendet diese verschlüsselte Nachricht
an den MIX. Vor der Verschlüsselung werden
Nachrichten mit sich wiederholendem Inhalt
mit einer zufälligen Zeichenkette versehen,
so dass diese nicht immer gleich kodiert
werden. Der MIX entschlüsselt mittels
seinem Schlüssel die Nachricht, trennt diese
von der überflüssigen Bitfolge und übermittelt
die Nachricht dann an den Empfänger.
Dieser dekodiert dann mittels seines privaten
Schlüssels die Nachricht [fSidI01].
Schwachstellen im MIX-Konzept
Ein außenstehender Angreifer könnte durch
die Verfolgung der einzelnen Nachrichten in
und aus dem MIX die Kommunikationsvorgänge
aufdecken. Ein großer Nachteil wäre
hier der Aspekt, dass die Nachrichten anhand
ihrer Größe und Reihenfolge identifiziert
und dekodiert werden könnten. Durch
die zufällige Bitfolge, die vor der eigentlichen
Verschlüsselung in die Nachricht eingebracht
werden, wird eine solchen Identifizierung
sehr erschwert. Zusätzlich kann
66 Daten wie Bestandsdaten, Verbindungsdaten, Rechnungsdaten ... weitere Informationen siehe [MKea97]
131

Thomas Jakob
durch die Einhaltung einer konstanten Nachrichtenlänge
durch Neuverteilung der Daten
auf mehrere Nachrichten eine Verkettung
der Kommunikationsinstanzen verhindert
werden. Die Offenlegung durch die
Verfolgung der Reihenfolge der Nachrichten
kann durch einfache zeitlich verzögerte
Weiterleitung der Nachrichten verhindert
werden. Einen aktiven Angriff stellt das Abfangen
einzelner Nachrichten und wiederholtes
Einspeisen dieser Nachrichten zum
Zwecke der Offenlegung der Arbeitsweise
des MIX dar. Um einem Aufdecken der Kommunkationsbeziehungen
zu begegnen gibt
es die Möglichkeit anhand von Aufzeichnungen
über schon versendete Nachrichten Duplikate
sofort zu eliminieren. Eine andere
Möglichkeit ist die Einführung einer Art Zeitstempel,
der die Gültigkeit einer Nachricht
innerhalb des Netzes beschränkt. Die Wahl
des gültigen Zeitraums ist bei der Methode
natürlich sehr heikel [fSidI01].
Einsatz von Kaskaden und Netzen
Die Sicherheit hinsichtlich der Kommunikationsbeziehungen
erhöht sich dich durch den
Einsatz von MIX-Kaskaden oder MIX-Netzen
beträchtlich. Bei diesem Verfahren kennt nur
der erste MIX direkt die Adresse des Senders
und der letzte MIX in der Verbindung direkt
die Adresse des Empfängers. Die Verbindungsdaten
innerhalb der Kaskade oder des
Netzes sind über die unabhängigen MIXe innerhalb
der Verbindung mit der Verwendung
des Verschlüsselungsverfahren kaum zu bestimmen.
Problematisch ist hier noch die Be-
132
stimmbarkeit des Weges, den die Nachricht
bei der Übermittlung genommen hat. Unter
diesem Gesichtspunkt betrachtet stellen
die MIX-Kaskaden bzw. MIX-Ketten wiederum
ein Sicherheitsrisiko dar, da in einer Kaskade
die Nachrichten immer gleich verarbeitet
werden und damit nachvollziehbar werden.
Ein Netz aus einer Vielzahl von MIXen
hat den offensichtlichen Vorteil, das der Weg,
den die Nachricht während der Übermittlung
durch das Netz nimmt, kaum bestimmbar ist.
[Cla01] [fSidI01]
Bewertung
Das MIX-Konzept stellt aufgrund des Aufbaus
dieses Verfahrens Sendeanonymität
und Unverkettbarkeit dar. Der erreichte Grad
der Anonymität liegt im Bereich nicht zuzuordnen,
da alle Teilnehmer mit gleicher
Wahrscheinlichkeit Sender wie Empfänger
sein können. Das Maß an Anonymität, das
diese Methode erreicht, ist aber auch stark
von der Menge der Teilnehmer abhängig.
Um so mehr Teilnehmer vorhanden sind, um
so mehr potentielle Empfänger einer Nachricht
sind möglich. Der Einsatz dieses Verfahrens
beschränkt sich aber dennoch aufgrund
der Vorbeugung gegenüber Angriffen auf das
Verfahren auf asynchrone Dienste wie E-Mail
[fSidI01].
Das Crowd-Konzept
Dieses Vefahren wurde 1997 von Michael
Reiter und Aviel Rubin bei AT&T unter
dem Gesichtspunkt der Anonymisierung von
Web-Zugriffen entwickelt [fSidI01].

Abbildung 1.3 Teilnehmer in einer Crowd [fSidI01]
Funktionsweise des Verfahrens
Eine Crowd ist als eine Menge von Teilnehmern
innerhalb des Internet anzusehen. Innerhalb
dieser Menge wird jeder Teilnehmer
durch einen Prozess auf seinem Computer
identifiziert. Dieser Prozess wird jondo genannt.
Nach der Initialisierung des jondo kontaktiert
dieser einen Server, der blender genannt
wird, um sich in dieser Menge zu etablieren.
Der Teilnehmer muss auf diesem
Server einen Account besitzen, den er durch
die korrekte Authentifizierung nutzen kann.
Der Server wiederum speichert die Teilnehmerdaten
wie Accountname, IP-Adresse und
Portnummer in einem Verzeichnis über alle
teilnehmenden Prozesse innerhalb der
Crowd und macht diese dem neu angemeldeten
Prozess bekannt. Dies geschieht unter
der Verwendung eines vom Server generierten
Schlüssels für ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren,
den der Server nun
mit dem jeweiligen Passwort der einzelnen
Teilnehmer kodiert und an alle angemeldeten
Prozesse versendet. Der jondo wird nach
9.3 Anonymität im Internet
der Aufnahme in die Crowd vom Teilnehmer
als Proxy in seiner Konfiguration genutzt.
Dieser schaltet sich vor den Teilnehmer und
bearbeitet somit die Anfragen des verwendeten
Browsers. Bei einer Kontaktierung initialisiert
der Proxy den Pfad zwischen dem
Browser und dem Zielserver. Dies geschieht
unter Verwendung eines anderen innerhalb
der Menge verfügbaren jondo, der die Anfrage
des Teilnehmers nun bearbeitet oder die
Anfrage nochmals an eine andere Relaisstelle
weiterleitet. In diesem Fall kann die Anfrage
entweder wiederum an einen neuen Prozess
weitergeleitet werden oder direkt an den
Zielserver übermittelt werden. Der ursprünglichen
Prozess, von dem der Impuls für die
Etablierung des Pfades stammt, kann sogar
anhand der durch den blender übermittelten
Teilnehmerliste entscheiden, welche anderen
Teilnehmer bzw. Prozesse bei der Generierung
des Pfades mit einbezogen werden
sollen. Jeder Teil des festgelegten Pfades
wird nun bidirektional genutzt bis ein
neuer Zielserver benannt wird und ein neu-
133

Thomas Jakob
er Pfad aufgebaut werden muss. Die Sicherung
der Kommunikation entlang des festgelegten
Pfades wird durch den schon erwähnten
Schlüssel unter zusätzlicher Verwendung
eines symmetrischen Kodieralgorithmus gewährleistet
[fSidI01].
Bewertung
Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist
die durch die angewendete symmetrische
Verschlüsselung erreichte Performanz gegenüber
vergleichbaren Verfahren, die eine
asymmetrische Kodierung nutzen 67 . Das
ganze System zeichnet sich gegenüber dem
MIX-Konzept durch eine hohe Anpassungsfähigkeit
hinsichtlich der Skalierung der Anzahl
der beteiligten Prozesse aus. Durch die
Komplexität des Internet sind die einzelnen
an der Kommunikation beteiligten Prozesse
auf viele Domänen verteilt, was die verbindenden
Pfade vor einem Angriff schützt.
Der absolute Angriffspunkt und damit ein
großer Nachteil an diesem Verfahren ist die
Existenz des blenders. Da dieser Kenntnis
über die Teilnehmerdaten der an der Kommunikation
beteiligten Prozesse hat, würde
eine Korrumpierung dieser Instanz eine Offenlegung
aller Kommunikationswege und Instanzen
des Systems bewirken. Auch sehr
bedenklich ist der Aspekt, dass der sich anmeldende
Prozess direkt mit dem blender in
Kontakt tritt und dabei seine Teilnehmerdaten
übermittelt, also dadurch seine Anonymität
gegenüber dem Server aufgibt. Der angesprochene
Vorteil der über viele Domänen
verteilten Prozesse kann auch insofern ein
Nachteil sein, als die Teilnehmer leichter zu
enttarnen wären, wenn die Menge der teilnehmenden
Prozesse zu klein ist [fSidI01].
67 Verfahren wie das MIX-Konzept
68 Mobile Switching Center
69 Global System Mobile
134
9.4 Anonymität in zelluaren
Mobilfunknetzen
9.4.1 Definition und Entwicklungen
Mobilfunknetze sind Telekommunikations-
Netze, die eine drahtlose Kommunikation
zwischen beweglichen Teilnehmern und
Übergänge zu festen Netzen unterstützen.
Sie werden heute für unterschiedliche
Zwecke, wie beispielsweise Sprache, Daten,
Kurznachrichten und Funkruf benutzt.
Wesentlicher Bestandteil von Mobilfunknetzen
ist eine Netztechnik, die eine automatische
Vermittlung, eine Gebührenaufzeichnung
und einen Anschluß an das öffentliche
Festnetz ermöglicht. Modulare großflächige
Netze sind zellular strukturiert. Das Prinzip
besteht darin, dass das zu versorgende Gebiet
in eine Vielzahl kleiner Zellen eingeteilt
wird. In jeder Zelle wird eine Funkfeststation
als Basisstation installiert. Mehrere Basisstationen
werden über eine Funkvermittlungsstelle,
dem MSC 68 , mit dem öffentlichen Telekommunikationsnetz
verbunden. Die Steuerung
im Netz muß dafür sorgen, daß zu jedem
Zeitpunkt dem System bekannt ist, in
welcher Zelle sich der mobile Teilnehmer befindet
[MKea97].
Das im Jahre 1986 in Deutschland eingeführte
C-Netz hatte den großen Nachteil einer
analogen Sprachübertragung, was eine
leichte Korrumpierung des Systems möglich
machte. Die nächste Entwicklung war das digitale
GSM 69 -Netz, welches in Deutschland
beispielsweise in Form des D1-Netzes, D2-
Netzes und E-Plus-Netzes eingeführt wurde
[MKea97].
9.4.2 Datenkollektion innerhalb des
GSM-Mobilfunknetzes
Die Datensammlung erfolgt prinzipiell in allen
Mobilfunknetzen auf die gleiche Weise.
Die Art der anfallenden Daten ist mit

der Datenkollektion innerhalb des Festnetzes
vergleichbar. Lediglich im Umfang der
Daten, die gespeichert und verarbeitet werden,
unterscheiden sich diese Netze. Angelehnt
an das Datenmodell, wie es schon im
Abschnitt Anonymität im Festnetz vorgestellt
wurde, fallen in Bezug auf Anonymität nach
[MKea97] folgende Daten an:
Inhaltsdaten
Eine Speicherung dieser Daten erfolgt nur
bei erweiterten Diensten wie beispielsweise
der Mailbox. Ansonsten erfolgt die Übertragung
transparent und der Teilnehmer kann
absolut kontrollieren, welche Daten er übermittelt.
Bestandsdaten
Diese unterliegen auch hier in Bezug auf den
Umfang und der Art den gesetzlichen und
vertraglichen Rahmenbedingungen und werden
bei der einmaligen Erstellung der SIM 70 -
Karte, des zugehörigen symmetrischen geheimen
Schlüssels, der Erstellung des Benutzerprofils
IMSI 71 , sowie bei Bearbeitung
der Abrechnungsdaten benötigt. Teile der
Bestandsdaten werden zusätzlich in jedem
MSC in den Bereichen der HLR 72 und VLR 73
gespeichert und genutzt. Das OMS 74 bildet
und verwaltet die Bestandsdaten über das
Telefonverzeichnis und die Chipkarten.
Verbindungsdaten
In der Mobilkommunikation ist auf Grund der
Flexibilität der Endgeräte ein umfangreicher
Datenbestand und eine dynamische Verwaltung
und Verteilung dieser Daten erforderlich.
Informationen zum Aufbau und zur Aufrechterhaltung
einer Kommunikationsverbindung
müssen an die beteiligten Stellen gelangen.
Bei jeder Nutzung des Dienstes muß
eine virtuelle Verknüpfung zwischen den be-
9.4 Anonymität in zelluaren Mobilfunknetzen
teiligten Instanzen gewährleistet sein. Hierzu
sind die erforderlichen Verbindungs-/ Lokalisationsdaten
von den Vermittlungskomponenten
(MSC) zu erstellen, zwischenzuspeichern
und an die Datennachverarbeitung
weiterzuleiten. Hierzu muß eine Zuordnung
der Teilnehmerprofile zu den Verbindungsdaten
hergestellt werden.
Rechnungsdaten
Die erforderliche Datenzusammenstellung,
die sich aus den Bestandsdaten, Informationen
aus den Verbindungsvorbereitungsdaten
sowie aus den Verbindungsdaten zusammensetzen,
für die Erstellung der Rechnungsdaten
kann nur durch eine zentrale
Bearbeitung erfolgen. Dafür ist der Datenaustausch
aller hierzu erforderlichen Inhalte
über das Netzwerk notwendig. Als Datenquellen
dienen Informationen aus den Kommunikationskomponenten
des Kernsystems,
in diesem Falle AC 75 , MSC und OMC, der
Mobilfunknetze.
Bei der Konzipierung und Entwicklung des
Systems der Mobilfunknetze wurde mehr
Wert auf die zuverlässige Funktion der einzelnen
Dienste gelegt, als auf Aspekte der
Anonymität der beteiligten Kommunikationsinstanzen.
Aus diesem Grunde ist der Umfang
der Verbindungsdaten auch sehr groß.
Alle entwickelten Sicherheitskonzepte beruhen
auf dem unbedingten Schutz der Funktionen
des Netzes. Die IMSI soll beispielsweise
einen unberechtigten Einbruch über
SIM-Karten in das System unmöglich machen.
Über diese Identifikation wird beim Anmelden
in das Netz aufgrund der eindeutigen
Kennung 76 der SIM-Karte eine nur dem
System bekannte Kodierung 77 generiert, die
den entgültigen Zugang zum Netz ermöglicht.
Nach [MKea97] existieren folgende etablierte
Schutzmaßnahmen:
70 Subscriber Identity Module
71 International Mobile Subscriber Identification
72 Home Location Register
73 Visitors Location Register
74 Operating and Maintenance System
75 Authentication Center
76 Teilnehmerauthentisierungsschlüssel siehe [fSidI01]
77 Die temporäre Teilnehmeridentität TMSI, die lokal von der VLR vergeben wird [fSidI01]
135

Literatur
Zugangsschutz auf Rechner, Datenbanken,
Vermittlungsknoten
Verschlüsselte Übertragung von
Nutzdaten vom Endgerät zur
Basisstation
Verbindungsdaten
(bekannt vom D1-Netz)
Abrechnungsdaten
(bekannt vom D1-Netz)
Persönliche Identifikationsnummer (PIN)
für die Benutzung des Endgerätes
Gerätebezogene Kennummer mit
Kontrolle im AC.
Es ist zusammenfassend festzuhalten, dass
innerhalb des GSM-Mobilfunknetzes eine
umfassende Datenkollektion stattfindet. Zum
Teil ist das auf die mobile Architektur zurückzuführen,
bei der der Umfang der Verbindungsdaten
sehr umfassend ist. Ähnlich wie
bei den Betreibern im Festnetz haben die Betreiber
der Mobilfunknetze jederzeit umfassenden
Zugriff auf die im Netz befindlichen
Identitäten. Vor allem ist es möglich, den
Aufenthaltsort dieser Identität zu bestimmen.
Die Genauigkeit dieser Ortsbestimmung beschränkt
sich dabei aber grundsätzlich auf
die Bestimmung des Standortes der Funkzelle.
Im Gegensatz dazu haben unberechtigte
Dritte kaum die Möglichkeit die Identität
und den Aufenthaltsort eines Teilnehmers innerhalb
des Mobilnetzes zu ermitteln. Durch
die Generierung der temporären Teilnehmeridentität
TMSI sind von Seiten der Mobilfunknetze
ein ausreichender Schutz entwickelt
worden.
Literatur
9.5 Abschließende Bemerkung
Das Thema Anonymität ist ein teilweise sehr
unterschätztes Problem. Jeder versucht seine
Privatsphäre zu schützen und hat auch
ein Recht darauf. Neben den Gesetzen,
die leider nur den Umgang mit den Daten
und nicht den Umfang der Datensammlung
aus dem persönlichen Umfeld definieren,
ist aber dennoch jeder selbst für den
Schutz seiner Privatsphäre verantwortlich.
Das gilt für das tägliche Leben, wie auch
für die Nutzung technologischer Entwicklungen,
die einen mobilen Zugang zu kommunikativen
Diensten ermöglichen. Es gibt viele
Möglichkeiten sich vor direkten und indirekten
Angriffen besonders im Internet zu
schützen. Allein durch die richtige Konfiguration
des benutzten Browsers und der besonnene
Umgang mit dem Internet kann
schon helfen zum großen Teil einer Anonymität
nahe zu kommen. In der Zukunft wird
es durch den vermehrten Einsatz von Internetprotokollen
78 oder den Einsatz von GUID,
die eine eindeutige Identifikation des Nutzers
unter dem Deckmantel des Schutzes
von Daten- und Softwarekriminalität immer
einfacher machen [?]. Im Festnetz und dem
mobilen Netzen haben zwar die Betreiber
einen unbeschränkten Zugriff auf die Daten
der Teilnehmer, aber unberechtigte Dritte
haben kaum Möglichkeiten in diese Bereiche
vorzudringen. Beim zusätzlichen Einsatz
der vorhandenen Anonymisierungsverfahren
wird auch den Netzbetreibern die vollständige
Verfolgung der Kommunikation erschwert.
[Cha81] David L. Chaum: Untraceable electronic Mail, return adresses and digital pseudonyms,
Communications of the ACM. http://world.std.com/~franl/
crypto/chaum-acm-1981.html, 1981.
[Cla01] S. Clauß: Das MIX-Netz. http://dud.inf.tu-dresden.de/~sc2/v7_
doku.pdf, 2001.
78 Entwicklung von IPv6, siehe [?]
136

Literatur
[fDSH02] Unabhängiges Landeszentrum für Datenschutz Schleswig-Holstein: Sicherheit
im Internet durch Anonymität. http://www.datenschutzzentrum.de/
download/anonheft.pdf, 2002.
[fSidI01] Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik: Was ist Anonymität ? http:
//www.bsi.de, 2001.
[MKea97] T. Jandach M. Köhntopp et al.: Datenschutzfreundliche Technologien in der
Telekommunikation. http://www.datenschutz-berlin.de/to/tk/ds_
tk123.htm, 1997.
[Ott02] Prof. Dr. Hans Jürgen Ott: Grundlage der Daten- und Rechnersicherheit. http:
//www.kecos.de/script/31grundldsich.htm, 2002.
137

10 Java-2 Micro Edition
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der
Java-2 Micro Edition und ihrer Struktur.
Darüberhinaus wird ein kurzer Einblick in
die Entwicklung eines MIDlets mit dem
Wireless Toolkit von Sun gegeben. Anschließend
werden aktuelle Entwicklungen
betrachtet, wie zum Beispiel die Version
2.0 des Mobile Information Device
Profiles und die Version 2.5 des Java
Community Process, aus dem die Micro
Edition hauptsächlich entstanden ist.
10.1 Java-2 Editionen
Die Java 2 Plattform unterteilt sich zur Zeit in
drei Editionen:
1. Enterprise Edition (J2EE)
2. Standard Edition (J2SE)
3. Micro Edition (J2ME)
Die Enterprise Edition gibt Richtlinien zur
Entwicklung von vielschichtigen Geschäftsanwendungen
vor. Der Schwerpunkt liegt
dabei auf der Nutzung des Internets und
den Möglichkeiten von Servern und Workstations
in einer vernetzten Unternehmenswelt.
Neben diesen Richtlinien stehen dem
Entwickler Orientierungsmodelle, Testmöglichkeiten
und eine Vielzahl anderer Hilfsmittel
zur Verfügung. Dazu zählen Technologien,
wie zum Beispiel Java Server Pages
(JSP), Servlets, Enterprise Java Beans
(EJB) und die XML Verwendung. Die Standard
Edition stellt die Basis der Java Technologie
dar. In ihr finden sich alle Grundlagen
zur Anwendungsentwicklung. Diese Grundlagen
werden auch von der Enterprise Edition
benötigt und verwendet. Dazu zählen
138
Michael Kain
Mathias-Gerung-Str.1
89415 Lauingen
mk18@informatik.uni-ulm.de
der Übersetzer, Hilfsprogramme, die Classic
Virtual Machine (Classic VM) und eine
große Anzahl von Klassenbibliotheken und
Application Programming Interfaces (API’s).
Der Schwerpunkt liegt dabei aber auf dem
Desktop Umfeld. Die Micro Edition versucht
Java und seine wachsenden Möglichkeiten
auf eine fast nicht mehr zu überblickende Variation
von Geräten zu integrieren, die mehr
oder weniger nicht mehr viel mit dem klassischen
Computer zu tun haben. Als Vertreter
dieser Kategorie gelten Handys, alle
Arten von Organizern, Personal Digital Assitants
(PDA’s), Chipkarten, Unterhaltungselektronikgeräte,
wie zum Beispiel Set-Top
Boxen, und andere stark integrierte Geräte,
wie zum Beispiel ein Navigationssystem.
10.2 Struktur der Java-2 Micro Edition
Um die Struktur der J2ME Plattform verstehen
zu lernen, muss man wissen, dass ihre
Entwickler eine Trennung der mobilen Geräte
in zwei Bereiche vornahmen. Dies geschah
natürlich mit dem Wissen, dass diese Separation
nicht absolut sein würde und dass
es bei einem so breiten Spektrum an Produkten
Überschneidungen und Grenzbereiche
geben würde. Dennoch fasste man auf
der einen Seite die festinstallierten und ständig
verbundenen Informationsgeräte zusammen,
wie zum Beispiel Set-Top Boxen, Internet
TV’s, Navigationssysteme in Fahrzeugen
und internetverbundene Haustelefone
mit Bildübertragung. Man meinte also jene
Geräte mit besseren Möglichkeiten in punkto
graphischer Darstellung, Speicher und Datenübertragungsraten,
sowie einer eventuellen
Verwendung von TCP/IP. Auf der anderen
Seite gruppierte man die persönlichen,

mobilen und nur temporär verbundenen Informationsgeräte,
wie zum Beispiel Mobiltelefone,
Two-Way Pager, PDA’s und Organizer,
also jene Geräte mit begrenzteren
Ressourcen[SM02b]. Aus dieser Zweiteilung
leiten sich die zwei J2ME Konfigurationen
ab, wobei Konfiguration neben Profil zu den
zentralen Strukturbegriffen der J2ME gehört.
Da auf die Profile und ihren Zusammenhang
zu den Konfigurationen an späterer Stelle
eingegangen wird, wenden wir uns zuerst
den Konfigurationen zu.
Eine Konfiguration legt eine minimale Java
Ausgangsplattform fest, was sich wiederum
in der verwendeten Virtual Machine
ausdrückt. Die festinstallierten und ständig
verbundenen Informationsgeräte werden
durch die Connected Device Configuration
(CDC) repräsentiert. Wohingegen die persönlichen,
mobilen und nur temporär verbundenen
Informationsgeräte sich in der
Connected Limited Device Configuration
(CLDC) zusammengefasst finden.
Bei genauerer Betrachtung unterscheiden
sich beide Konfigurationen im Wesentlichen
durch drei Kriterien. Erstens sind unterschiedliche
Hardwarevoraussetzungen gegeben,
was aus dem oberen Teil zwar schon
hervorgeht, worauf aber an dieser Stelle
noch genauer eingegangen wird. Zweitens
werden von beiden unterschiedliche VM’s
verwendet und somit unterschiedliche Java
Programmiersprachenfähigkeiten zur Verfügung
gestellt. Drittens weisen die bereitgestellten
Klassenbibliotheken deutliche Diffe-
renzen auf.
10.2 Struktur der Java-2 Micro Edition
10.2.1 Connected Device Configuration
(CDC)
Als Hardwaregrundlage für das CDC gelten
im Allgemeinen 512 KB ROM, mindestens
256 KB RAM und eine Datenübertragungsrate
von 9600 pbs [SM01]. So beläuft sich je
nach Anwendungsituation der Speicher auf
2 bis 10 MB. Außerdem kann von einer permanenten
Internetverbindung ausgegangen
werden. Der CDC liegt als Laufzeitumgebung
die Compact Virtual Machine (CVM)
zugrunde. Diese stellt sehr ähnliche technischen
Möglichkeiten wie die J2SE Virtual
Machine bereit, wurde aber speziell entwickelt.
Zu den Vorteilen gehören zum Beispiel:
geringere Durchschnittszeiten der Pausen
des Garbage Collectors
hinzufügbare Garbage Collectors
das Mappen von Java Threads auf Native
Threads
das Starten von Java Klassen aus dem
ROM, also ROMable classes
einen kleineren Speicherverbrauch für
Klassen, bis zu 40% im Verhältnis zur
klassischen VM
Die Klassenbibliothek besteht aus folgenden
Paketen:
CDC Paket Name Beschreibung
java.io Standard IO Klassen und Interfaces
java.lang VM Klassen
java.lang.ref Referenzen Klassen
java.lang.reflect Reflection Klassen und Interfaces
java.math Mathematik Paket
java.net Netzwerk Klassen und Interfaces
Tabelle 2: CDC Pakete 1.Teil
139

Michael Kain
CDC Paket Name Beschreibung
java.security Sicherheits Klassen und Interfaces
java.security.cert Sicherheits Zertifikats Klassen und Interfaces
java.text Text Paket
java.util Standard Hilfsmittel Klassen
java.util.jar Java Archive (JAR) Hilfsmittel Klassen
java.util.zip ZIP Hilfsmittel Klassen
javax.microedition.io CDC Generic Connection Framework Klassen
10.2.2 Connected Limited Device
Configuration (CLDC)
Die CLDC setzt noch geringere Hardwareressourcen
voraus als die CDC. So variert
die benötigte Speichergröße zwischen 160
und 512 KB[SM00]. Wie der Speicher sich
dabei in flüchtigen Speicher, wie zum Beispiel
in DRAM, und in nicht-flüchtigen Speicher,
wie zum Beispiel ROM oder Flash aufteilt,
ist von Gerät zu Gerät unterschiedlich.
Der Prozessor ist in der Regel ein 16- bzw.
32-bit CISC/RISC Mikroprozessor mit 12-32
MHz. Außerdem liegt eine begrenzte Stromversorgung
vor, wie zum Beispiel Batteriebetrieb.
Analog zur CDC liegt auch der CLDC
eine VM zugrunde. Ursprünglich gab es nur
die Kilobyte Virtual Machine (KVM). Diese
ist je nach Compiler Optionen zwischen 40
und 80 KB groß. Sie wurde speziell mit dem
Ziel entwickelt „komplett“, übertragbar und
schnell zu sein. Mittlerweile gibt es alternativ
für leistungsfähigere Geräte die Hotspot
CLDC VM [SM02a]. So ist die KVM für die
erste Generation und die Hotspot CLDC VM
für die zweite Generation einer Gruppe von
mobilen Geräten gedacht.Die zweite Generation
soll mehr im Multimediabereich leisten
können und höhere Datenübertragungsraten
zwischen 384 Kbits und 2 Mbits in der Sekunde
bereitstellen. Man orientiert sich an 32-bit
ARM Prozessoren mit 30-400 MHz, Onboard
RAM zwischen 128 und 384 KB, RAM von
1-4 MB und nicht-flüchtigem Speicher von 8-
24 MB. Die Neuerungen wurden hauptsächlich
von der schon länger verwendeten - seit
1999 - J2SE Hotspot VM übernommen. Aus
dieser Vorbildfunktion resultiert auch die Na-
140
Tabelle 3: CDC Pakete 2.Teil
mesgebung. Zu den Verbesserungen gehören
hauptsächlich:
Dynamisches Kompilieren
2 Generationen Garbage Collection
Vereinheitlichtes Ressourcenmanagement
Kompaktes Objektlayout
Unter dynamischem Kompilieren versteht
man, dass es neben dem Interpreter einen
Compiler in der VM gibt, der Bytecode in nativen
Code übersetzt. Dieser native Code ist
natürlich schneller, braucht aber 4 bis 8 mal
so viel Speicher wie der Bytecode. Um diesen
negativen Effekt einzugrenzen, gibt es
einen statistischen Profiler, der sogenannte
„Hotspots“ erkennt. Nur diese häufig gebrauchten
Teile der Applikation werden dann
kompiliert. Zusätzlich zu diesem System wird
der Interpreter so optimiert, dass er die seltener
aufgerufenen Methoden schneller ausführt.
Diese Architektur läßt sie sich auf folgende
Weise graphisch darstellen:
Abbildung 81: CLDC Hotspot Architektur
Unter Verwendung der 2 Generationen Garbage
Collection wird der Objekt Heap in drei

Bereiche unterteilt, nämlich in einen der alten
und einen der neuen Generation, sowie
den noch freien Speicherbereich. Der alte
Generationsbereich enthält dabei schon
einmal „entsorgte“ und komprimierte Objekte,
wohingegen der neue Generationsbereich
in Verbindung mit dem noch freien Speicher
die neuer angelegten Objekte enthält und erhält.
Erst wenn kein Speicher mehr frei ist,
wird einmal über den ganzen Heap gelaufen
und alle Objekte in eine „neue“ alte Generation
gepackt. Nur in dieser Phase gibt es
eine wahrnehmbare Pause, die aber unregelmäßig
auftritt. Dieses System hat Vorteile,
wenn die Mehrheit der Objekte nur kurzzeitig
benötigt wird. Mit vereinheitlichtem Ressourcenmanagement
ist gemeint, dass alle verwendeten
Daten sich im Objekt Heap befin-
10.2 Struktur der Java-2 Micro Edition
den. Dazu gehören Java Level Objekte, reflexive
Objekte, sowie Methoden und Klassen,
vom Compiler erzeugter Code und interne
Datenstrukturen der VM. Auf diese Weise
kann sich die Garbage Collection einheitlich
um alle verwendeten Ressourcen kümmern,
sogar den kompilierten Code. Dadurch wird
jegliche Art von Speicherfragmentierung vermieden.
Durch das kompaktere Objektlayout
wird ebenfalls der Speicherverbrauch reduziert,
indem die Größe des Objekt Headers
halbiert wird (von zwei Wort auf ein Wort),
was wiederum bei vielen kleineren Objekten
zu einer geringeren Speicherfragmentierung
führt.
Die Klassenbibliothek besteht unabhängig
von der VM aus folgenden Paketen:
CLDC Paket Name Beschreibung
java.io Standard IO Klassen und Interfaces
java.lang VM Klassen
java.util Standard Hilfsmittel Klassen
javax.microedition.io CLDC Generic Connection Framework Klassen
Betrachtet man die Klassenbibliotheken und
die Möglichkeiten der Programmiersprache
Java im CLDC in den Details, wurden einige
Einschränkungen im Vergleich zu den analogen
Paketen der Standard Edition gemacht.
Dies bezeichnet man auch als das „Sandbox“
Modell der CLDC[Mer01]. So fehlen zum Beispiel:
Überladen und Ersetzen der Systemklassen
Verwendung von benutzerdefinierten
Klassenladern
Gleitkommazahlen und Gleitkommaoperationen,
sowie die Klasse java.lang.Float
Objekt Finalisierung (d.h. es gibt keine
Object.finalize() Methode)
Fehlerbehandlungshierarchie (d.h. es
werden nur java.lang. VirtualMachi-
Tabelle 4: CLDC Pakete
neError und java.lang. OutOfMemoryError
unterstützt)
Thread Groups und Thread Daemons
Reflection (d.h. keine Unterstützung von
RMI oder Objektserialisierung)
Ein J2ME Profil baut immer auf einer Konfiguration
auf und ist mit dieser verbunden.
Außerdem spezifiziert es ein API, mit dessen
Hilfe konkrete Anwendungen entwickelt
werden können. Der Entwickler arbeitet im
Allgemeinen nur auf der Profilebene. So besteht
eine Laufzeitumgebung aus der Konfiguration,
die aus ihrer VM und einer Grundklassenbibliothek
besteht, und aus dem Profil,
das die eigentliche Klassenbibliothek darstellt.
Profile können generell aufeinander
aufbauen, wohingegen Konfigurationen nur
singulär verwendet werden können.
141

Michael Kain
10.2.3 Foundation Profile (FP)
Das Foundation Profile (FP) wurde von
der Unterhaltungselektronik-Industrie im Zeichen
des Java Community Process (JCP)
entwickelt. Firmen wie zum Beispiel die
Nokia Corporation, Symbian Ltd., Liberate
Technologies und Windriver Systems waren
an dem mit der Nummer 46 bezeichneten
Java Specification Request (JSR) beteiligt.
Aus der Liste der Entwickler kann man schon
auf die Gruppe der Geräte schließen, näm-
lich Unterhaltungselektronik und eingebettete
Systeme. So hat zwar das FP die CDC
als Grundlage und ist auf die CVM abgestimmt,
aber zur Anwendung kommen die
CDC und das FP eigentlich immer als eine
Einheit [SM01]. Daher wurde wohl auch
der Name Foundation Profile gewählt, was ja
Fundamental Profil heißt. Was bietet nun das
FP? Es bietet einen modifizierten Ausbau der
CDC in Richtung J2SE der Version 1.3. Einzig
das Paket java.awt wurde noch komplett
weggelassen. Die CDC Modifizierung kann
man folgender Tabelle entnehmen:
Foundation Profile Paket Name Beschreibung
java.lang volle java.lang.* J2SE Unterstützung
java.util vollständige ZIP J2SE Hilfsmittel (z.B. Timer) Unterstützung
java.net fügt TCP/IP Sockets und HTTP Verbindung hinzu
java.io volle java.io.* J2SE Unterstützung
java.text volle java.text.* J2SE Unterstützung(Annotation, Collator, Iterator)
java.security fügt Code Unterzeichnung und Zertifikate hinzu
10.2.4 Mobile Information Device Profile
(MIDP) 1.0
Das Mobile Information Device Profil
(MIDP) in der Version 1.0 ist das bekannteste
und am weitesten verbreitete Profil der
J2ME. Es wurde unter dem JSR mit der
Nummer 37 entwickelt. Zu den beteiligten
Firmen gehörten unter anderen die Nokia
Corporation, Motorola, Samsung Electronics
Corporation, Ericsson Inc., J-Phone Tokyo
und America Online (AOL). Es basiert auf
der CLDC und wurde speziell auf Mobiltelefone
oder sehr ähnliche Produkte abgestimmt.
Die Möglichkeiten der graphischen Darstellung
sind deshalb sehr begrenzt, weil von folgenden
Standardvoraussetzungen der Hard-
142
Tabelle 5: Foundation Profile Pakete
ware ausgegangen wurde:
Bildschirmgröße von mindestens 96x54
Pixel
Displaytiefe von 1 Bit Monochrom oder
Farbe
ein- bzw. zweihändig bedienbare Tastatur
oder einem Touchscreen
Speicher (zusätzlich zur CLDC): 128 KB
ROM/Flash und 32 KB RAM
drahtlose Netzwerkverbindung
Die API, mit der schon viele Entwickler arbeiten,
enthält folgende Pakete, wobei die
CLDC ergänzenden Pakete fett dargestellt
sind [Pro01]:

10.2 Struktur der Java-2 Micro Edition
MIDP 1.0 Paket Name Beschreibung
java.io Standard IO Klassen und Interfaces
java.lang VM Klassen
java.util Standard Hilfsmittel Klassen
javax.microedition.io MIDP Generic Connection Framework Klassen
javax.microedition.lcdui Graphische Benutzerschnittstelle Klassen und Interfaces
javax.microedition.rms Klassen zur persistenten Datenspeicherung
javax.microedition.midlet MIDP Anwendungsklasse
Tabelle 6: Mobile Information Device Profile (MIDP) 1.0 Pakete
Dem letzten Paket in dieser Tabelle, nämlich
java.microedition.midlet, kommt eine besondere
Bedeutung zu. Denn jede Anwendung,
die man mit dem MIDP realisiert, muss von
der Klasse java.microedition.midlet.MIDlet
geerbt werden. Deshalb heißen die Applikationen,
die mit dem MIDP entwickelt
werden auch MIDlets. Wer einmal die Java
Applet Technologie betrachtet hat oder
selbst ein Applet geschrieben hat, dem wird
dies bereits vertraut sein. Wem dies noch
nicht vertraut ist, dem wird es im nachfolgenden
Beispiel in Abschnitt 1.3 klar werden.
Die anderen zwei Pakete, die neben
java.microedition.midlet im MIDP hinzugekommen
sind, erfüllen ebenfalls grundlegende
Funktionen. Durch das Paket java.microedition.rms
wird die dauerhafte Datenspeicherung
ermöglicht. Ihre Funktionalität
entspricht einer Record-orientierten Datenbank
bzw. einem Record Management
System (RMS). Es gibt nur eine Klasse RecordStore,
mit deren Hilfe man durch ihre
Klassenmethoden einen RecordStore über
seinen eindeutigen Bezeichner anlegt, öffnet
bzw. schließt oder löscht. Hat man dann
über die Klassenmethoden ein Objekt vom
Typ RecordStore zurückbekommen und somit
Zugriff auf den Store, kann man mit
diesem einzelne Records hinzufügen, auslesen
oder löschen. Die einzelnen Records
werden dabei als Byte Arrays mit beliebi-
ger Länge gehandhabt und über ihre eindeutige
ID Nummer identifiziert. Das Paket
java.microedition.lcdui enthält alle Klassen
der graphischen Benutzerschnittstelle. Innerhalb
des Pakets werden dem Entwickler jedoch
zwei unterschiedliche Abstraktionsebenen
angeboten. Entweder er verwendet die
„High Level API“ oder die „Low Level API“.
Was bedeutet dies konkret? In der „High Level
API“ hat der Entwickler einen Satz von
Fenstern, die von der Klasse Screen erben.
Dazu gehören ein Alarmfenster, eine Fenster,
in dem man eine Liste speichern kann,
und andere Fenster. In diese Fenster wiederum
kann man eine Zahl von Komponenten
einfügen, die auch vorgegeben sind. In der
„Low Level API“ arbeitet der Entwickler nur
mit der Klasse Canvas, die das Display als
Zeichenfeld betrachtet. Auf diesem, der Bildschirmgröße
entsprechenden, Canvas, kann
man dann über X und Y Koordinaten primitive
Zeichenoperationen ausführen. Zu jenen
Zeichenoperationen zählen zum Beispiel das
Zeichnen von Rechtecken, Linien, Kreisen
und Bögen.
Weil es mittlerweile eine Vielzahl von Profilen
gibt, die in diesem Abschnitt aber nicht näher
besprochen werden, und weil die einzelnen
Strukturbegriffe nun erläutert sind, soll dieses
Diagramm alles noch einmal zusammenfassen:
143

Michael Kain
10.3 MIDlet Entwicklung
Um eine genauere Vorstellung von der Entwicklung
mit der J2ME Plattform zu bekommen,
wird an dieser Stelle eine konkrete
Beispielanwendung realisiert. Weil das
MIDP 1.0 das am meisten verwendete Profil
ist, wird das Beispiel mit diesem Profil umgesetzt.
Dies geschieht unter Verwendung
des von Sun bereitgestellten Wireless Toolkit
(WTK) der Version 1.0.4. Der erste Teil
144
Abbildung 82: J2ME Strukturüberblick
Abbildung 83: MIDlet Lebenszyklus[Pro01]
dieses Abschnitts beschäftigt sich mit der Implementierung
und der Funktionsweise eines
MIDlets. Der zweite Teil erläutert die Realisierung
und Vorgehensweise im Wireless
Toolkit.
Um ein eigenes MIDlet zu implementieren,
muss man neben der API seinen Lebenszyklus
und sein Interface kennen. Der Lebenszyklus
wird in folgendem Zustandsautomaten
wiedergegeben:

Ein MIDlet stellt folgendes Interface bereit:
10.3 MIDlet Entwicklung
MIDlet Methoden Beschreibung
pauseApp() alle temporären Ressourcen freigeben und pausieren
startApp() alle benötigten Ressourcen festlegen und aktiv werden
destroyApp() benötigte Zustände speichern und alle Ressourcen freigeben
notifyPaused() Signalisierung an AMS: Pausenzustand erreicht
notifyDestroyed() Signalisierung an AMS: Beendenzustand erreicht
resumeRequest() Anfrage an AMS: kann wieder gestartet werden
getAppProperties() Auslesen bestimmter MIDlet Eigenschaften
Unsere Implementierung, die eine einfache
Liste von Bildern und ihren Namen darstellt,
Tabelle 7: MIDlet Interface
// benötigte MIDP und CLDC Pakete einbinden
import java.io.*;
import javax.microedition.midlet.*;
import javax.microedition.lcdui.*;
könnte dann folgendermaßen aussehen:
public class PictureListMIDlet extends MIDlet implements CommandListener {
private Command exitCommand;
private Display display;
private String[] names={„Homer“,„Bart“, „Lisa“, „Maggie“, „Moe“};
private List pictureList;
public PictureListMIDlet() {
// Referenz auf aktuell angezeigtes Display des MIDlets erhalten
display=Display.getDisplay(this);
exitCommand=new Command(„Exit“, Command.SCREEN, 1);
pictureList=new List(„Simpsons Bilder“, List.IMPLICIT);
}
public void startApp() {
for(int i=0; i

Michael Kain
}
pictureList.addCommand(exitCommand);
pictureList.setCommandListener(this);
// Liste als aktuell angezeigtes Display setzen
display.setCurrent(pictureList);
}
public void pauseApp() {
}
public void destroyApp(boolean unconditional) {
}
// auf Benutzeraktionen reagieren
public void commandAction(Command c, Displayable s) {
// wurde das exit-Kommando Objekt gedrückt?
if (c==exitCommand) {
destroyApp(false);
notifyDestroyed();
}
}
Diesen Quellcode kann man mit jedem beliebigen
Editor, wie zum Beispiel Notepad,
oder in jeder beliebigen IDE niederschreiben
und unter dem Namen PictureListMIDlet.java
speichern. Als IDE kommen der JBuilder, das
Sun One Studio oder eine beliebige andere
Entwicklungsumgebung in Frage. Als Resultat
unserer Bemühungen erhalten wir die
Quellcodedatei „PictureListMIDlet.java“ .
Dies Erläuterungen zum Wireless Toolkit von
Sun gehen nicht auf die Details der Verwendung
des WTK ein, sondern demonstrieren
nur die elementarsten Schritte zur
Entwicklung eigener Anwendungen. Wer
sich über das Programm genaustens kun-
146
Abbildung 84: Wireless Toolkit 1.0.4
dig machen möchte, sei an[SM02c] verwiesen.
Das aktuelle Wireless Toolkit kann unter
der Adresse „http://java.sun.com/products/
j2mewtoolkit/download.html“ heruntergeladen
werden. Das WTK benötigt als Java
Anwendung eine J2SE Runtime Enviroment
(J2SE RE). Diese installiert man entweder
eigenständig oder man installiert ein J2SE
Standard Development Kit (J2SE SDK) der
Version 1.3 oder höher, in dem eine J2SE
Laufzeitumgebung enthalten ist. Hat man
die Installation abgeschlossen, kann man
das WTK über die „ktoolbar.exe“ im bin-
Verzeichnis starten und es öffnet sich folgendes
Fenster:

Will man sogleich ein mitinstalliertes Demo-
MIDlet ausführen, klickt man auf „Open Project“,
öffnet zum Beispiel das MIDlet UI-
Demo und führt es über den „Run“ Button
aus. In diesem MIDlet werden einem
dann zum Einstieg die unterschiedlichen
graphischen Komponenten des Pakets java.microedition.lcdui
gezeigt. Die Ausführung
wird in dem jeweils gewählten Emula-
Danach stellt uns das WTK unter den Settings
unsere MIDlet Properties, also unsere
MIDlet Eigenschaften vor. Da wir aber dort
Daraufhin legt das WTK einen neuen Unterordner
in seinem Ordner /apps an. Der Unterordner
trägt den gleichen Namen wie unser
Projektname, also /PictureListMIDlet. Betrachten
wir nun die Verzeichnisstruktur unseres
neu angelegten Projektordners. In den
Ordner /src legen wir unser Datei „Picture-
ListMIDlet.java“. In den Ordner /res legen wir
fünf Bilder, die genau den gleichen Namen
wie die Bezeichner im Quellcode haben müssen.
Außerdem sollten sie vom Format PNG
(Portable Network Graphics) sein. Um un-
Abbildung 85: WTK 1.0.4: New Project
Abbildung 86: WTK 1.0.4: Settings
10.3 MIDlet Entwicklung
tor - einem simulierten Handy - dargestellt,
den man bei „Device:“ festlegen kann. Als
Voreinstellung ist hier der DefaultGrayPhone-
Emulator festgelegt.
Wollen wir unser eigenes PictureListMIDlet
testen, beginnen wir mit „New Project“. Dort
tragen wir unseren Projektnamen und den
Klassennamen unseres MIDlets ein und erzeugen
ein neues Projekt:
in unserem einfachen Beispiel nichts ändern
brauchen, bestätigen wir mit dem „Ok“ Button:
ser MIDlet zu testen, kann man sich einen
Emulator wählen und auf den „Run“ Button
klicken. Die Simpsons Bilder können über
die Scrolltasten betrachtet werden. Wir können
uns jetzt davon überzeugen, dass unser
MIDlet im Emulator funktioniert und haben
mit dem WTK eine Testumgebung. Welche
Schritte fehlen uns noch bis das MIDlet
auf einem javafähigem Mobiltelefon lauffähig
ist? Man muss wissen, dass ein MIDlet immer
in Form von zwei Dateien auf das Zielgerät
geladen wird. Dies geschieht mit der
147

Michael Kain
jeweils herstellerabhängigen Software. Zum
einen braucht man eine „.jad“ Datei, die man
in dem Unterordner /bin seines Projekts bereits
nach der Projekterstellung findet. In unserem
Fall wäre dies die „PictureListMIDlet.jad“,
die folgenden Inhalt hat:
MIDlet-1:PictureListMIDlet,
PictureListMIDlet.png,
PictureListMIDlet
MIDlet-Jar-Size: 100
MIDlet-Jar-URL: PictureListMIDlet.jar
MIDlet-Name: PictureListMIDlet
MIDlet-Vendor: Michael Kain
Lädt man diese beiden Dateien z.B. auf ein
Mobiltelefon, so ist auch dort unser MIDlet
lauffähig. Obwohl in dem vorhergehenden
Abschnitt demonstriert wurde, wie man
ein MIDlet für ein MIDP Gerät mit dem WTK
148
MIDlet-Version: 1.0
Abbildung 87: WTK 1.0.4: Create Package
In dieser Datei werden die MIDlet Properties
gespeichert. Diese Eigenschaften werden einem
bei Projekterzeugung und im WTK unter
den „Settings“ dargestellt und editierbar gemacht.
Zum anderen braucht man eine „.jar“
Datei, also eine Java Archiv Datei, welche
die eigenlichen Klassen, Zusatzpakete und
Zusatzdateien, wie z.B. unsere Bilder enthält.
Diese erhält man im Projekt Unterordner
/bin, wenn man wie in Abbildung 7 unter
„Project“->“Package“ die Option “Create
Package“ auswählt:
übersetzt, wird in diesem Abschnitt noch auf
die Übersetzungsvorgänge eingegangen, die
das WTK intern vornimmt. Verdeutlicht wird
dies durch folgendes Diagramm:

10.4 Aktuelles
10.4.1 Java Community Process (JCP)
Das Ziel des Java Community Process
(JCP) ist es Firmen, Organisationen oder
einzelnen Personen einen Einfluss auf die
Weiterentwicklung der Java Technologie zu
geben[Pro02a]. Momentan befindet sich der
JCP in der Version 2.5, vom 29. Oktober
2002, da auch der JCP von seinen Mitgliedern
weiterentwickelt wird. Zum JCP gehören
momentan 500 Organisationen und Personen.
Firmen zahlen für ihre Mitgliedschaft
im Jahr 5000$, private Personen hingegen
nur 100$. Der JCP umfasst zur Zeit ungefähr
220 Java Specification Requests (JSR),
wobei es sich bei einem JSR um ein Dokument
handelt, in dem eines oder mehrere
Mitglieder den Vorschlag einer neuen Spezifikation
machen. Unter besonderen Umständen
kann in einem JSR auch die komplette
Überarbeitung einer alten Spezifikation vorgeschlagen
werden. In diesen Spezifikationen
werden meist die VM, die Plattform, das
Profil, die Programmiersprache und die API’s
festgehalten. Außerdem besteht der JCP aus
zwei leitenden Gremien, den sogenannten
Executive Commitees (EC). Es gibt ein EC
für den Desktop/Server Bereich, also für die
J2SE und die J2EE, und ein EC für den
Abbildung 88: MIDlet Übersetzungsprozess
10.4 Aktuelles
Unterhaltungs/Eingebettete-Geräte Bereich.
Den Prozess an sich, der dann zu einer neuen
Spezifikation führt, muss man in einzelne
Phasen unterteilen. Zur Zeit gibt es vier
Phasen. Die erste Phase wird als Initiation
bezeichnet, also als Initiierungsphase, in der
ein oder mehrere Community Mitglieder eine
Spezifikation einreichen. Das EC entscheidet,
ob diese angenommen oder abgelehnt
wird. Die zweite Phase nennt sich Community
Draft, in der eine Expertengruppe geformt
wird, die dann eine erste Version der
Spezifikation verfasst. Diese kann von allen
Mitgliedern eingesehen und kommentiert
werden. Woraufhin das EC dann wieder abstimmt,
ob diese bereit für die nächste Phase
ist. Die dritte Phase heißt Public Draft.
In dieser hat jeder, also die gesamte Öffentlichkeit,
Zugang zur Spezifikation und kann
seine Meinung einbringen. Dieses Feedback
nutzt die Expertengruppe, um noch Änderungen
an der Spezifikation vorzunehmen, während
gleichzeitig die Referenz Implementation
(RI) und das Technology Compatibility
Kit (TCK) bearbeitet wird. Die Referenz Implementation
stellt eine prototypartige Implementierung
der Spezifikation dar. Das TCK
testet Implementierungen auf Übereinstimmung
mit der Spezifikation. Es enthält Testmöglichkeiten,
Hilfsmittel und Dokumentationen.
Sind die Spezifikation, das TCK und
149

Literatur
die Referenzimplementierung aus der Sicht
der Experten fertig, entscheidet wieder das
EC, inwiefern die letzte Phase erreicht ist. Ist
das EC zufrieden, liegt ein Final Release vor.
Die letzte und vierte Phase nennt man dann
Maintenance, also Wartungsphase. In ihr ist
nur noch ein Teil der Expertengruppe als
Wartungsleiter eingesetzt. Außerdem werden
Feinabstimmungen zwischen der Spezifikation
und mit dem TCK und der Referenzimplementation
vorgenommen. Auch auf
gemeldete Fehler wird eingegangen und versucht
zu reagieren.
10.4.2 Mobile Information Device Profile
(MIDP) 2.0
Der MIDP 2.0 JSR, der sich zur Zeit am Ende
der Community Draft befindet und kurz vor
seinem Final Release steht, hält eine Vielzahl
an Neuerungen bereit, die hier kurz dargestellt
werden sollen. Die API enthält zusätlich
jetzt folgende Pakete, die hier fett dargestellt
sind, um sich von den MIDP 1.0 Pakete
abzuheben[Pro02b]:
MIDP 2.0 Paket Name Beschreibung
java.io Standard IO Klassen und Interfaces
java.lang VM Klassen
java.util Standard Hilfsmittel Klassen
javax.microedition.io MIDP Generic Connection Framework Klassen
javax.microedition.lcdui Graphische Benutzerschnittstelle Klassen und Interfaces
javax.microedition.lcdui.game Klassen mit verstärkten graphische Möglichkeiten für Spiele
javax.microedition.rms Klassen zur persistenten Datenspeicherung
javax.microedition.midlet MIDP Anwendungsklasse
javax.microedition.media Klassen für spezielle akustische Möglichkeiten
javax.microedition.media.control Klassen für Arten von Tonerzeugung
javax.microedition.pki Klassen zum Einsatz von Zertifikaten
Tabelle 8: Mobile Information Device Profile (MIDP) 2.0 Pakete
Wer jetzt schon mit MIDP 2.0 entwickeln
möchte, der kann sich bei Sun unter folgendem
Link „http://java.sun.com/j2me“ die Version
2 des Wireless Toolkit herunterladen
Literatur
und testen. Vorher muss man sich allerdings
in der Java Developer Connection registrieren.
[Mer01] Dr. Martin Merck: J2ME - Die Basis für Wireless Geräte. http://www.sun.de/
Downloads/Praesentationen/Wireless/Vortraege/1/Merck% .pdf,
2001.
[Pro01] Java Communtiy Process: Mobile Information Device Profile (1.0) Specification.
http://jcp.org/aboutJava/communityprocess/final/jsr037/
index.html, 2001.
[Pro02a] Java Communtiy Process: Java Community Process. http://www.jcp.org/
en/procedures/jcp2, 2002.
150

Literatur
[Pro02b] Java Communtiy Process: Mobile Information Device Profile (2.0) Specification.
http://www.jcp.org/en/jsr/detail?id=118, 2002.
[SM00] Inc. Sun Microsystems: J2ME Technology for Creating Mobile Devices - Whitepaper.
http://java.sun.com/products/cldc/wp/KVMwp.pdf, 2000.
[SM01] Inc. Sun Microsystems: Connected Device Configuration (CDC) and the Foundation
Profile - Technical Whitepaper. http://java.sun.com/products/cdc/
wp/CDCwp.pdf, 2001.
[SM02a] Inc. Sun Microsystems: The CLDC Hotspot Implementation Virtual Machine.
http://java.sun.com/products/cldc/wp/CLDC_HI_WhitePaper.
pdf, 2002.
[SM02b] Inc. Sun Microsystems: Homepage für J2ME Plattform. http://java.sun.
com/j2me/, 2002.
[SM02c] Inc. Sun Microsystems: User’s Guide für WTK 1.0.4. http://java.sun.com/
products/j2mewtoolkit/, 2002.
151

11 Wearable Computing
Zusammenfassung
Bisher gab es eigentlich keine Computer,
die die Bezeichnung „Personal Computer“
wirklich verdient hätten. Ein Computer
sollte nämlich, um wirklich „persönlich“
zu sein, die ganze Zeit bei seinem
Benutzer verweilen, was sich im Prinzip
nur durch die völlige Integration in dessen
Kleidung verwirklichen lässt. Die Aufgaben
solch eines „Wearable Computers“
wären dann seinen Träger bei dessen Tätigkeit
so gut wie möglich zu unterstützen
- sei es als eine Art intelligenter Assistent,
Erinnerungsstütze oder persönliche Datenbank.
Er sollte quasi als Erweiterung
des Gedächtnisses und der menschlichen
„Sensoren“ verstanden werden.
Die potentiellen Einsatzgebiete reichen
vom beruflichen und militärischen Umfeld
bis in den persönlichen Bereich. Das
technische Design sollte dabei sich dem
entsprechenden Umfeld anpassen.
Der noch vor einigen Jahren als utopisch
erschienene Siegeszug von Wearables
ist mit der zunehmenden Verbreitung
von Handys, PDAs (Personal Digital Assistant)
und Embedded PCs aus heutiger
Sicht gar nicht einmal mehr so unwahrscheinlich.
11.1 Einleitung
Ein „Wearable PC“ ist im wörtlichen Sinn „am
Körper getragene Technik“ bzw. „Intelligente
Kleidung“ und sollte sich im Idealfall auch
genauso anfühlen sowie den gleichen Tragekomfort
besitzen wie normale Kleidung. Dies
kann man nur durch konsequente Miniaturisierung
der Komponenten wie Headset, Display,
Computer, Stromversorgung u.ä. errei-
152
Oliver Hagel
Universität Ulm
Fakultät für Informatik
oh2@informatik.uni-ulm.de
chen. Das technische Ziel ist also, den Computer
für den Träger bis auf die nötigsten
Interaktionsschnittstellen unsichtbar zu machen.
Hier gibt es die verschiedensten Ansätze,
die von leitenden Fasern, Funkvernetzung,
Stromerzeugung durch die Bewegungen
des Trägers bis zum Computer in den
Schuhsohlen reichen.
Der eigentliche Sinn eines Wearables sollte
aber die Erweiterung der Fähigkeiten seines
Trägers sein und so Aktionen zu ermöglichen,
die ohne ihn unmöglich wären. Ebenso
ist es denkbar, durch einen Wearable dem
Besitzer völlig neue Fähigkeiten zu verleihen
z.B. Zugriff auf Wissensdatenbanken oder
neue Sinne wie Nachtsicht.
11.1.1 Geschichte
Man könnte meinen, daß Wearables erst seit
dem Aufkommen von Handys und PDAs zunehmend
ins Bewußtsein gerückt sind. Im
Prinzip gibt es Geräte, die der Definition eines
Wearables entsprechen, aber schon seit
mehr als 300 Jahren [SD02] !
Wearables waren ihrer Funktion nach schon
die ersten Rechenschieber, die seit 1650 benutzt
wurden. Sie waren mobile (analoge)
Geräte, die die geistigen Fähigkeiten des
Benutzers enorm erweitert haben - ein wesentliches
Merkmal aller Wearables.
1768 kam dann der Taschen-Chronometer,
später folgten Armbanduhren - eine Erweiterung
der menschlichen Fähigkeit, die Zeit
exakt zu „fühlen“.
1947 gab es dann die „Curta“, eine kom-

pakte 79 mechanische Rechenmaschine, die
schon sehr komplexe Rechenoperationen
ausführen konnte.
Abbildung 89: Die Curta von 1947
In den 60er und 70er Jahren tauchten die
ersten tragbaren Computer mit Mikrochips
(z.B. in Schuhen) zur unbemerkten Vorhersage
von Roulettespielen auf.
Der erste alltägliche Wearable im Sinne von
„am Körper getragene Technik“ tauchte in
den 80ern auf und verbreitete sich rasant: Mit
dem kompakten Walkman von Sony konnte
man überall und jederzeit seine Musik hören,
ohne andere zu stören.
In den 80ern und 90ern verbreiteten sich
dann jene mobile (Kommunikations-) Assistenten,
ohne die sich viele ein Leben in der
heutigen Zeit kaum noch vorstellen können
- dazu gehören Handys, PDAs, Laptops, Pager
und Pocket PCs.
Die ersten wirklich anziehbaren und am Körper
verteilten Wearables kamen aber von
Steve Mann [Can02], dem Pionier des „Wea-
11.1 Einleitung
rable Computing“, von der Universität von Toronto.
Unter anderem entwickelte und trug 80
er am Ende seiner Studienzeit in der ersten
Hälfte der 90er die sogenannte „WearCam“ -
einen Wearable Computer, der mittels einer
Helm-Kamera am Kopf aufgenommene Bilder
aus Steve Mann’s Umgebung in Echtzeit
auf seine Internetseite übertrug. Zusätzlich
konnten die Besucher ihm Nachrichten direkt
in ein Display an seinem Helm schreiben,
was häufig zu einem „Location Based
Service“ der etwas anderen Art geführt hat.
Abbildung 90: Steve Mann in einem seiner
Wearables aus den frühen
90ern
11.1.2 Design-Aspekte
Ein Wearable kann seinen Träger auf vielfältige
Weise unterstützen. Diese Unterstützung
kann von einfachen Terminplanungen
79Das Aussehene glich übrigens mehr einer Pfeffermühle als einem Taschenrechner, wie man auch auf dem Bild
sehen kann.
80Insgesamt lief Steve Mann in seiner damals noch eher an einen Cyborg erinnernden Montur 2 Jahre lang herum
und war somit lange Zeit der Mensch, der die meiste Zeit mit einem Wearable verbracht hatte. Er hat übrigens
schon in den 80ern Wearables entwickelt !
153

Oliver Hagel
über persönliches Wissensmanagement bis
zu „Location Based Services“ (LBS) reichen.
Am komfortabelsten ist dies natürlich für den
Träger, wenn der Wearable sowohl für ihn
selbst als auch für Außenstehende so unsichtbar
wie möglich bleibt - er also praktisch
mit seinem Träger verschmilzt. Dies
lässt sich nur durch intelligente Bauweise
und konsequente Nutzung der immer weiter
voranschreitenden Miniaturisierung erreichen.
Den hierzu passenden Design-Aspekt
kann man unter dem Begriff „Wearability“ zusammenfassen
- dem Tragegefühl. Die meisten
aktuellen Wearables sind leider eher
noch am Körper getragene behindernde und
unhandliche Hardware als wirklich dafür entwickelte
Technik; dabei sollte der menschliche
Körper mehr als Unterstützung und nicht
als einschränkendes Hindernis verstanden
werden [Bab99]. Da man die Komponenten
bis auf wenige Ausnahmen (Headset, Head
Mounted Display) prinzipiell über den ganzen
Körper verteilen kann, sind hier die vielfältigsten
Modelle denkbar. Dazu passende
Aspekte, die bei der Entwicklung eines Wearables
eine besondere Rolle spielen sollten
sind: Platzierung, Form, menschliche Bewegung
und Wahrnehmung, Größe, Gewicht,
Zugänglichkeit (z.B. zur Wartung), Anbringung
und Langzeitwirkung.
Einen Wearable kann man durch seine physische
Nähe zum Benutzer und seine Aufgabenbereiche
quasi als Erweiterung des
menschlichen Körpers und seiner Sinne sehen.
Es sollte sich also auch wie diese
verhalten und somit ständig betriebsbereit
sein, was natürlich besondere Anforderungen
an die energieliefernden bzw. erzeugenden
Komponenten stellt. Natürlich sollte ein
Wearable niemals zu wörtlich als „Körperergänzung“
verstanden werden - dies würde
nur zu viel zu großen Abhängigkeiten führen.
Allerdings ist es unwahrscheinlich, daß sich
ein Benutzer wirklich wie ein hilfloses Kind
fühlen wird, falls sein Wearable eines Tages
ausfallen sollte; die Gefahr ist hier aber trotzdem
wesentlich größer als bei den bisher gewohnten
mobilen Lösungen und sollte nicht
unterschätzt werden.
154
Wearable Computing ist Technologie, mit der
man leben muss und die somit flexibel und
anpassungsfähig sein muss. Das schließt eine
gewisse Robustheit mit ein. Wenn man an
die meisten akutell verfügbaren mobilen Lösungen
wie Pocket PCs denkt, die meistens
nicht einmal einen kräftigen Stoß verkraften,
ist es also nicht einfach damit getan, solch
ein Gerät nur zu verkleinern und in die Kleidung
einzubauen.
Einen weiteren Design-Aspekt stellt die Kontextsensitivität
dar. Nur ein Gerät, das den
vollen Überblick über die Tätigkeiten seines
Besitzers hat, kann diesem ein wirklicher Assistent
sein. Im Idealfall sollte solch ein Wearable
also selbstständig erkennen, wie er
sich wann am nützlichsten verhalten kann.
Es erkennt dann semi-autonom, wenn sein
Benutzer nicht gestört werden will oder Informationen
braucht und meldet sich dann
entsprechend bei diesem. So macht es z.B.
keinen Sinn, beim Rennen oder Gehen Informationen
über Displays anzuzeigen, da dies
zu großer Ablenkung führen würde; stattdessen
könnte man aber Audioinformationen
über das Headset abspielen. So kann die Interaktion
mit dem Wearable auf das nötigste
verringert werden, was sowohl der Benutzerfreundlichkeit
dient als auch die Batterien
schont. Technisch ließe sich Kontextsensitivität
schon durch Kreiselsensoren zur
Bewegungserkennung und intelligente Stoffe,
die Druck und Druckstärke (z.B. vom Sitzen)
messen, verwirklichen.
All dies sind generell gültige Grundsätze.
Das konkrete Modell muss dann natürlich bei
der Gestaltung der Ein- und Ausgabemöglichkeiten
sowie der Technik die späteren
Einsatzbereiche der Zielgruppe berücksichtigen
(siehe 11.2).
Um die genannten Aspekte in einem Satz zusammenzufassen:
Der Träger sollte den maximalen
Nutzen aus der Aufmerksamkeit, die
er seinem Wearable schenkt, ziehen !

11.2 Einsatzgebiete
Die Funktionen und das Design eines Wearable
richten sich sehr stark nach dessen vorgesehenem
Einsatzgebiet. Diese - zum Teil
noch theoretischen Bereiche - sollen nun jeweils
kurz vorgstellt werden.
11.2.1 Berufliches Umfeld
Die meisten derzeit auf dem Markt erhältlichen
Wearables (siehe 11.4) sind im industriellen
und beruflichen Umfeld im Einsatz. Man
kann sich vorstellen, daß leichte am Körper
zu tragende Systeme die Arbeitseffizienz bei
Tätigkeiten ungemein erhöhen, in denen der
Zugriff und die Hilfe eines Computers nötig
wären, Pocket PCs oder Laptops aber einfach
zu unhandlich oder empfindlich sind.
Wearables sind hier teilweise schon länger
im Einsatz, z.B. bei Lieferdiensten 81 wie UPS
oder FedEx sowie bei Technikern auf Ölplattformen
oder in der Flugzeugwartung.
Die Hauptaufgaben von Wearables in der
Industrie, vornehmlich im Bereich Wartung
und Konstruktion, sind Daten zu protokollieren,
Zugriffe auf technische Datenbanken mit
Plänen oder Fehlerbeschreibungen zu bieten
und bei Problemen die Kommunikation
mit Spezialisten in der Zentrale zu ermöglichen;
nach Möglichkeit sollte der Träger dabei
natürlich seine Hände für die Arbeit frei
haben. Zusätzlich könnte man noch wichtige
Daten auf ein Head Mounted Display (HMD)
einblenden. Ein Techniker könnte so z.B. direkt
über den Kabeln oder Rohren in seinem
Sichtfeld die zugehörigen Daten abzulesen
(Augmented Reality) oder ein Architekt
direkt vor Ort die Wirkungsweise der geplanten
Bauten begutachten, die so für ihn in voller
Größe halbdurchsichtig an exakt dem geplanten
Orten stehen würden.
In diesen Umfeldern stellt der Wearable eine
ungemeine Erhöhung der Arbeitseffizienz
dar und scheint sich auch weiterhin auszubreiten,
da es hier abgesehen von der Einarbeitungszeit
keine gewichtigen Nachteile
11.2 Einsatzgebiete
gibt. Der „Return of Investment“-Wert ist dabei
häufig das Hauptüberzeugungsargument
für Firmen, die nach einer Testphase Wearables
weiterhin benutzen.
11.2.2 Ziviles Umfeld
Im zivilen Umfeld würden speziell angepasste
Wearables besonders die Arbeit von Rettungskräften
erleichtern. Diesen könnte direkt
in ihr HMD der Weg zum Einsatzort bzw.
zu der Hilfe benötigenden Person 82 eingeblendet
werden.
Für Feuerwehrleute wäre es denkbar, über
Displays in ihrem (geschlossenen) Helm
wichtige Punkte und Fluchtpläne der Gebäude
einzublenden, in denen sie gerade ihren
Einsatz haben, sowie Warnmeldungen über
Chemikalien in der Luft, ihren Sauerstoffvorrat
oder die Umgebungstemperaturen. Die
Wearables müssten in solch einem extremen
Umfeld natürlich besondere Anforderungen
erfüllen.
Polizisten könnten ebenfalls Wearables tragen,
über die sie ständig Zugriff auf die Datenbanken
der gesuchten Personen hätten.
Kameras an ihren HMDs würden dann vor
Ort z.B. Bilder von Verdächtigen aufnehmen
und mit der Liste der Gesuchten vergleichen.
Im medizinischen Bereich erscheint es allerdings
wahrscheinlicher, daß sich Wearables
verglichen mit den bisher genannten Bereichen
wesentlich schneller durchsetzen, da
man in diesem Umfeld neuen Techniken gegenüber
viel offener ist. Hier wird es Wearables
auf beiden Seiten geben:
Dem Arzt helfen sie bei seiner Arbeit z.B.
durch Zugriff auf umfangreiche Datenbanken,
als Monitorersatz bei Operationen oder
bei der Planung seiner komplexen täglichen
Aufgaben.
Auf Patientenseite könnten Wearables ebenfalls
enorme Verbreitung finden, speziell
durch ihre Fähigkeit Sinne zu verbessern
81 Vornehmlich in Form von ums Handgelenk getragener Scanner.
82 Deren Aufenthaltsort man wiederum durch ihren eigenen Wearable mittels GPS feststellen könnte.
155

Oliver Hagel
oder zu ersetzen:
Bei Sehbehinderten könnte man so mittels
Kameras und fokusierenden HMDs (siehe
auch 11.3.1) Bilder verstärken oder bearbeiten
und danach ins Auge spiegeln. Blinde
wiederum hätten den perfekten Blindenführer
in einem Wearable mit Headset und LBS.
Sie könnten sich so völlig eigenständig auch
in unbekannten Gebieten bewegen und sich
trotzdem sicher fühlen. Bei Gehörlosen wäre
es z.B. möglich, akustische Informationen
(Rufe, Durchsagen oder sogar Gespräche) in
visuelle Daten umzuwandeln und auf ihrem
HMD zu präsentieren.
Bei agnostischen Störungen 83 würde der
Wearable den defekten Teil des Gehirns ersetzen,
der sich sonst um die Einordnung
und Erkennung kümmern würde. Gedächtnis
und Erinnerungsprobleme (z.B. Verlust des
Kurzzeitgedächtnisses) wären duch den Einsatz
von Wearables ebenfalls recht einfach
zu lösen. Dieser würde dabei quasi als „2.
Gehirn“ dienen, indem er sich wichtige Dinge
für seinen Träger merkt und ihn daran erinnert.
Natürlich sind in alle diesen Bereichen auch
spezielle User Interfaces notwendig, die optimal
auf den Träger und seine Behinderung
abgestimmt sein sollten.
11.2.3 Privater Bereich
An Wearables für den privaten Bereich werden
wohl die vielfältigesten Anforderungen
gestellt, schon allein, weil hier so unzählige
Anwendugsmöglichkeiten denkbar sind.
So könnte es eines Tages möglich sein, wirklich
das gesamte Menschheiteswissen ständig
bei sich zu haben z.B. in Form eines
überall verfügbaren Internetzugangs oder einer
Enzyklopädie auf der Festplatte des
Wearable PCs. Würden diese Informationen
über ein HMD eingeblendet, wäre es für
einen Außenstehenden nicht unterscheidbar,
woher der Träger seine Informationen bezieht
- der Wearable wäre also in diesem
Fall tatsächlich eine immense Erweiterung
der geistigen Fähigkeiten seines Trägers.
Ein Wearable könnte auch bei Bedarf mittels
LBS sämtliche Karten der aktuellen Umgebung
laden und zusätzlich Informationen
zum Aufenthaltsort, interessanten Gebäuden
u.ä. einblenden bzw. mittels Headset abspielen.
So wäre es beispielsweise denkbar im
Urlaub ständig seinen privaten Reiseführer
dabei zu haben. In Großstädten und bei Sehenswürdigkeiten
erscheint ein solches Szenario
mit der zunehmenden Verbreitung von
WLAN-HotSpots schon fast absehbar. Die
Wearables könnte man zu diesem Zweck zunächst
als Leihgeräte zur Verfügung stellen
bis diese größere Verbreitung gefunden haben.
Ein Wearable würde natürlich auch die ganzen
„Gadgets“ überflüssig machen, die man
z.T. heute mit sich herumschleppt. Mit einer
Echtzeituhr, die sich ständig mit der
UTC abgleicht, einem GPS-/UMTS-Modul
und natürlich Terminplaner-Fähigkeiten versehen,
bräuchte der moderen Mensch dann
weder Armbanduhr, Handy, PDA noch GPS-
Empfänger. Die Kommunikationsfähigkeiten
wären einem Handy natürlich weit überlegen
mit denkbaren Services wie „LBS-
InstantMessaging“ oder spontanen lokalen
Communities, die sich über LBS und ihre
in den Wearable eingegebenen Informationen
zusammenfinden würden. Sprachbarrieren
würden ebenfalls der Vergangenheit angehören:
Der Wearable wird in absehbarer
Zeit Echtzeitübersetzung mittels Sprach- und
Schrifterkennung ermöglichen. Die Ausgabe
geschieht dann mittels synthetisierter Sprache
via Headset oder als Überblendung im
HMD.
11.2.4 Militär
83 Erkennungsprobleme von Formen und Objekten, vor allem aber von Gesichtern.
156
Die Wearables für den militärischen Bereich -
von denen die meisten allerdings nur als Prototypen
existieren - sind sicherlich die fortschrittlichsten,
da hier natürlich wesentlich
mehr Geld fließt, als in den wissenschaftlichen
Entwicklungslaboren. So werden z.B.

in das „Landwarrior“ 84 -Programm[oD02] der
U.S. Army jährlich 2 Milliarden Dollar investiert
und auch bei der Bundeswehr sind
Wearables in Planung. Durch die zunehmende
Änderung der Struktur der Kriege (präzise
Teameinsätze statt Massenkämpfe), bieten
sich hier Wearables natürlich besonders
an. Spezielle Anforderungen an diese sind
dabei Flexibilität, Mobilität und Zuverlässigkeit
auch in extremen Situationen. Das Interface
sollte dabei Informationen vor allem
als „Augmented Reality“ anzeigen, da Soldaten
zum eigenen Schutz den Blick möglichst
ständig auf dem Schlachtfeld lassen sollten.
Denkbare Features, die zum größten Teil
auch im Landwarrior-Projekt geplant sind,
wären:
Anzeige bzw. Markierung der Positionen
von Missionszielen, Landschaftspunkten
und Teammitgliedern zur Vermeidung
von „Friendly Fire“ und zur
besseren Koordination,
HMDs mit Nachtsicht und Infrarotsicht,
integriert in den Helm, für optimale Sicht
in jeder Situation
Helmkameras, die das Gesehene z.B.
an die Einsatzzentrale weiterleiten um
dort eine optimale Koordination zu ermöglichen
verbesserte Kommunikationsfähigkeiten
durch Funk und Headsets
effiziente Energieversorgung z.B. mittels
Solar, Hochleistungsbatterien oder
völlig neuen Energieerzeugern wie
kompakten Brennstoffzellen um auch
längere Einsätze bewältigen zu können
Daß das Militär in diesem Bereich Vorreiter in
Sachen Technik ist zeigen auch utopisch anmutende
aber durchaus ernstgemeinte Pläne,
wie die des Chamäleon-Kampfanzugs
[Sch02]: Dieser tastet durch einen Scanner
ständig die Umgebung ab; spezielle lichtleitende
Hohlfasern in dessen Gewebe werden
11.3 Technik
dann mit entsprechend angepasstem Licht
gespeist, so daß der Träger immer optimal
getarnt ist. Eine weitere in diese Kategorie
fallende Vision, ist die des aktivierbaren
„Exoskeletts“: Hier ist der Körper des Soldaten
mit Hartplastikplatten bedeckt, die bei
Bedarf über hydraulisch verbundene Gelenke
versteift werden können und so den Träger
unterstützen und schützen.
Platz für die Aufnahme des Wearables wäre
in den kugelsicheren Westen und Helmen
eines Soldaten ebenfalls genug vorhanden
[Onl01]. In Planung sind auch klimatisierte
Kampfanzüge 85 mit verschiedensten Sensoren,
die z.B. ständig die Lebensfunktionen
des Trägers überprüfen und sogar medizinsche
Versorgung gewährleisten können.
Auch die Erkennung von chemischen, atomaren
und biologischen Bedrohungen ließe
sich durch eingebaute Sensoren verwirklichen.
11.3 Technik
In diesem Abschnitt soll kurz auf die einzelnen
Komponenten und die dahintersteckende
Technik eingegangen sowie konkrete Modelle
vorgestellt werden, die entweder aus
der Forschung stammen oder schon auf dem
Markt erhätlich sind.
11.3.1 Ausgabe
Die Ausgabe von Audiodaten kann nur über
Kopfhörer oder winzige „Knöpfe im Ohr“, die
z.B. via Bluetooth ihre Daten vom Wearable
beziehen, erfolgen. Die Technik unterscheidet
sich dabei, abgesehen von der Größe,
nicht von den bekannten Realisierungen.
Vielfältiger gestaltet sich schon die Ausgabe
von visuellen Daten. Diese erfolgt je nach
Anforderungen entweder über an den Unterarmen
oder Handgelenken angebrachte
84 Andere Länder haben übrigens ähnliche Programme: In Großbritannien heißt es „FIST“(Future Infantry Soldier
Technology“), in Australien „Soldier Fight System“, in Frankreich „Felin“ und in Deutschland „Soldier System“.
85 Die Klimatisierung wird mittels in der Kleidung verwobener Kunststoffröhrchen erreicht, durch die Wasser zirku-
liert.
157

Oliver Hagel
Displays oder über „Head Mounted Displays“
(HMD) [Bun02] , die von Monitoren gewohnte
Darstellungsgrößen bieten. Faltbare Displays,
die sich aber alle noch in der Entwicklungsphase
befinden, lassen auf bessere Integration
in die Kleidung hoffen 86 . Generelle
Probleme bei Displays für Wearables sind
Gewicht, Kontrast, Helligkeit, Auflösung und
bei HMDs die Fokussierung (s.u.).
Die einfachsten HMDs bestehen aus LCD-
Displays bzw. LCoS-Displays 87 , die vor die
Augen gehängt und durch Linsen vergrößert
sowie von hinten beleuchtet werden.
Der große Nachteil bei diesen ist natürlich,
daß sie entweder gar nicht oder nur gering
transparent sind 88 , der Träger also auf einem
oder beiden Augen quasi blind ist. Verwirklicht
wurden solche Displays z.B. in den
Sony „Glasstron“ Modellen, die vornehmlich
für den mobilen DVD-Genuss entwickelt wurden.
Geschickter aber auch komplizierter ist die
direkte Spiegelung der darzustellenden Bilder
auf die Netzhaut. Die einfachen Varianten
verwenden dabei eine feste Fokussierung,
d.h. bei einer bestimmten Sehweite, ist
das Bild scharf und fast undurchsichtig, ansonsten
ist es prinzipiell durchsichtig; geplant
sind aber auch Techniken, die ständig die Fokussierung
des Auges überwachen und die
Bilder immer in der optimalen Schärfe darstellen,
so daß eine Fokussierung des Auges
darauf entfällt. Dies ist natürlich extrem
aufwändig, da ständig die Pupillenöffnung
gefilmt bzw. gescannt und analysiert werden
muss.
Mit festem Fokus gibt es kommerzielle Modelle
hauptsächlich von der „Micro Optical
Corp.“ [Cor02c]. Diese setzen auf sehr kleine
Projektoren, die in Brillengestelle eingebaut
sind und über eine Linse auf dem Brillenglas
das Bild ins Auge spiegeln. Micro Optical
stellt durch dieses Verfahren übrigens die
weltweit kleinsten und leichtesten Displays
dieser Art her.
Das aktuelle Spitzenmodell „SV-3“ 89 hat z.B.
eine Auflösung von 640x480, 6 Bit Farbtiefe,
60Hz Wiederholrate, einen Standard VGA-
Input und wiegt 35g. Zur Stromversorgung
dient ein 950 mW - 7.2 V LiIon-Akku.
Abbildung 91: Arbeiter mit dem SV-3 von Micro
Optical
Ein weiterer Anbieter von HMDs ist „Virtual
Vision Inc.“ [VV02], die mit dem „eGlass
II“ ein mono-okulares aber undurchsichtiges
HMD mit Headset herstellen. Die Auflösung
beträgt 800x600 und der Verbrauch weniger
als 0.6 W. Das Bild macht laut Hersteller den
Eindruck eines normalen 19 Zoll Monitors.
11.3.2 Eingabe
Die Eingabemöglichkeiten stellen wohl den
Aspekt eines Wearable dar, der dem Träger -
abgesehen vom Gewicht - bei falschem Design
am meisten auffallen wird. Sie sind die
Hauptschnittstelle zwischen Wearable und
Benutzer und sollten speziell an dessen Anforderungen
angepasst werden.
Die von der Realisierung in Hardware sicherlich
einfachste Eingabemöglichkeit stellt ein
Mikrofon dar. Allerdings gibt es bis heute keine
Software zur Spracherkennung, die als
alleinige Eingabemöglichkeit dienen könnte.
Hier sind aber sicherlich mittelfristig große
Fortschritte zu erwarten, so daß es durchaus
86Der aktuelle Entwicklungsstand sind Displays, die vergleichbar gewohntem Papier sind, aber nur schwarz-weiße
Pixel bieten.
87LCoS ist der Nachfolger der LCD-Technik und dieser in jeder Hinsicht, vor allem aber dem Gewicht, überlegen.
88Der Grund sind die lichtundurchlässigen Transistoren hinter der LCD-Schicht.
89 Der Preis beträgt zur Zeit um die 1000$.
158

in absehbarer Zeit möglich sein wird, einen
Wearable vollständig per Sprache ohne weitere
Eingabemöglichkeiten zu bedienen.
Eher klassische Eingabemöglichkeiten stellen
Tastaturen dar. Diese gibt es für Wearables
in den unterschiedlichsten Ausprägungen,
die von Ärmel- über Einhand- bis
zu Fingerspitzentastaturen reichen. Durch
die Miniaturisierung von technischen Komponenten
ist auch hier eines der Hauptprobleme
aus früheren Zeiten, das Gewicht, verschwunden;
aber das optimale Eingabegerät
für die jeweiligen Benutzeranforderungen zu
finden, ist immer noch eine der zu lösenden
Aufgaben.
Kommerziell erhältlich ist z.B. von der „Handykey
Corp.“ der „Twiddler“ [Cor02a], eine
Mischung aus Maus und Keyboard: Er hat 6
Tasten und einem IBM Trackpoint; der Nachteil
ist hier aber, daß das Gerät bei der Eingabe
fest in einer Hand gehalten werden
muss. Bei den meisten Wearables auf dem
Markt finden sich wahrscheinlich deshalb fast
nur „Ärmelkeyboards“, also kleine Tastaturen,
die man sich um den Unterarm oder
das Handgelenk schnallen kann und die die
Eingabe mit der gegenüberliegenden Hand
ermöglichen.
Abbildung 92: Das Twiddler2-Keyboard von
Handykey
11.3.3 Batterien und Energie
11.3 Technik
Ein immer noch großes Problem bei dem
Entwurf eines komfortablen Wearables stellt
allerdings die Batterielaufzeit dar. Zu versorgen
ist ja nicht nur die Recheneinheit an sich,
sondern auch alle Sensoren und Komponenten
wie Mikrofone, Kameras, HMDs, Displays
und Eingabegeräte. Diese könnnen schon
wegen der geforderten ständigen Verfügbarkeit
nicht komplett abgeschaltet werden. Hier
lässt sich ohne spezielles Design nur eine
Laufzeit von wenigen Stunden erreichen, wodurch
der Wearable natürlich nicht wirklich
zum täglichen Begleiter werden kann. Daß
es kompakte leistungsstarke Batterien nocht
nicht zu erschwinglichen Preisen auf dem
Markt gibt, sieht man beispielsweise daran,
daß viele der Wearables aus der Forschung,
die ja meistens auf Standardkomponenten
zurückgreifen, noch relativ schwere
Gürtel mit (Standard-)Batteriepacks dem Träger
aufbürden.
Einen Ansatz zur Verlängerung der Batterielaufzeiten
stellen z.B. Kontextsensitivität und
intelligentes StandBy-Management der einzelnen
Komponenten dar. Der Wearable erkennt
dabei selbstständig, welche Komponenten
gerade nicht gebraucht werden und
schaltet diese einstweilig ab - ein HMD stört
z.B. beim Kinobesuch und die Netzwerkkomponenten
brauchen nur mit Strom versorgt
werden, wenn auch ein WLAN erkannt wird.
Die Komponenten sollten idealerweise auch
nur global mit Strom versorgt werden, da
man so die Batterie leichter überwachen und
aufladen kann, als wenn jede Komponente
ihre eigenen Batterien hat.
Es gibt aber auch viele Ansätze zur Energiegewinnung
für „Unterwegs“, die von klassischen
Modellen mit auf der Kleidung verteilten
Solarzellen bis zu ungewöhnlicheren wie
Energiegewinnung über Körperhitze, Atem,
Blutdruck oder der normalen Bewegung reichen.
Die meisten sind dabei aber mit den
bisherigen Mitteln von der Ausbeute her einfach
zu gering oder schwierig zu verwirklichen.
Energiegewinnung mittels Blutdruck
159

Oliver Hagel
wäre z.B. nur eine Lösung für Implantate. Am
vielversprechendsten von den genannten Lösungen
ist dabei die Energiegewinnung mittels
Solar oder Körperbewegung, die ja beispielsweise
schon in den Armbanduhren von
Seiko seit längerer Zeit eingesetzt wird. So
könnte man laut einer Studie von IBM [Sta96]
durch die Bewegung der Beine beim Laufen
mittels mechanischer Teile wie Federn
oder Rotationsgeneratoren im Fersenbereich
bis zu 4 W erzeugen. Piezoelektrische Elemente
in den Schuhsohlen kämen ebenfalls
auf bis zu 5W pro Sekunde. Auch das Tippen
der Finger könnte die zugehörige kabellose
Tastatur laut den Berechnungen komplett
mit Strom versorgen. Allerdings gibt es
bei der Speicherung dieser unregelmäßigen
Stromzufuhren natürlich wieder Probleme,
aber auch hier sind zumindest schon theoretische
Lösungen vorhanden. Solche eher ungewöhnlichen
Arten der Energieversorgung
bieten sich natürlich speziell für längere Einsatzgebiete
im Freien an, wo der Benutzer
keine Möglichkeit zum Aufladen über eine
Steckdose hat, ständig unter freiem Himmel
und in Bewegung ist - also z.B. bei militärischen
Einsätzen.
11.3.4 Vernetzung
Bei der Venetzung gibt es eigentlich drei Ausprägungen:
160
1. Da wäre zum einen die Vernetzung der
einzelnen Komponenten eines Wearable
untereinander. Ist das HMD z.B. in
der Brille integriert, wäre es recht unpraktisch,
wenn Kabel aus den Bügeln
am Hals entlang zur Hauptkomponente
führen würden. Hier würde sich z.B.
Kurzstreckenfunk wie Bluetooth oder
Infrarotlösungen anbieten. Ein Vorteil
wären dann die dadurch leicht austauschbaren
und flexiblen Komponenten.
Bei der Vernetzung von Komponenten
innerhalb desselben Kleidungsstückes
(z.B. Tastatur und Wearable in
der Jacke), wären aber auch leitende
Fasern im Kleidungsgewebe, die dann
praktisch einen Bus darstellen würden,
eine Möglichkeit.
2. Für die Vernetzung der Wearables untereinander,
also von Träger zu Träger,
spielt natürlich die Reichweite eine
Rolle. Befinden sich beide im gleichen
Gebäude oder Raum bietet sich
ebenfalls Bluetooth an, das ja eine
Reichweite bis zu 100 m haben kann.
Allerdings kommt im Moment wegen
des Stormverbrauchs wohl nur die Lösung
bis 10 m Reichweite in Frage.
Hier sind aber prinzipiell alle Ansätze
von Ad-Hoc-Netzwerken denkbar. Sollte
die Entfernung mehr betragen bietet
sich, falls vorhanden, WLAN an
oder eben die klassischen bzw. zukünftigen
Handy-Kommunikationsprotokolle
wie GPRS oder UMTS.
3. Die dritte Art der Vernetzung ist die
der Basisstation (z.B. des Mobilfunkanbieters)
mit dem Wearable um diesem
Dienste wie LBS, Zugriff auf Datenbanken
oder einen ganz normalen Internetzugang
zu bieten. Auch hier kämen wiederum
WLAN oder GPRS bzw. UMTS in
Betracht.
Bei all diesen Vernetzungsmöglichkeiten ist
aber ein besonderes Augenmerk auf die Sicherheit
zu richten. So ist es ohne ausreichende
Vorkehrungen relativ leicht möglich
bei der Vernetzung über die Luft nicht
nur den kompletten Datenverkehr eines Benutzers
abzufangen sondern auch auf alle
in dessen Wearable gespeicherten persönlichen
Daten zugreifen. Sollten sich hier
Sicherheitslücken auftun, wären solche Abhörversuche
umso einfacher, da ein anderer
Wearable-Träger dann seinen eigenen nur
entsprechend zu modifizieren bräuchte.
11.3.5 Prozessoren
Das Herz eines Wearable bildet der Mikroprozessor.
Die Anforderungen an diesen

sind kleine Abmessungen, geringer Stromverbrauch,
Robustheit und geringe Wärmeabstrahlung,
da man natürlich keine herkömmlichen
Kühlmöglichkeiten wie Lüfter
oder Kühlkörper verwenden kann. Denkbar
wären auch bei erhöhtem Rechenbedarf der
Einsatz mehrerer über den Träger verteilter
Prozessoren, die parallel arbeiten. So könnte
man im Endeffekt bei gleicher oder mehr Rechenkraft
mehr Strom sparen und würde weniger
Abwärme erzeugen. Außerdem könnten
die Prozessoren relativ autonom arbeiten
und bei Nichtgebrauch in den Stand-By Modus
wechseln.
Der Markt bietet schon jetzt aufgrund der
zahlreichen PDAs eine große Auswahl an
einsetzbaren Prozessoren. Aktuelle Beispiele
sind Intel’s „XScale“ und „StrongARM“ sowie
Motorola’s „Dragonball“ oder Texas Instrument’s
„OMAP“.
11.3.6 Speichermedien
Speichermedien für Wearables sollten möglichst
robust sein und auch kräftige Stöße
abfangen können; ideal wäre auch leichte
Austauschbarkeit. Hier bieten sich alle kompakten
derzeit auf dem Markt erhältlichen
Speichermedien an, die ohne mechanische
Teile auskommen bzw. speziell für den mobilen
Bereich entwickelt wurden. Beispiele sind
„SmartMedia“,„Compact Flash“ oder IBM’s
„MicroDrive“ 90 , die alle mittlerweile Kapazitäten
bis zum Gigabyte-Bereich bieten.
11.3 Technik
Abbildung 93: Größenvergleich und Innenansicht
des MicroDrive von
IBM
11.3.7 Sensoren
Soll ein Wearable wirkliche Kontextsensitivität
bieten muss dieser über diverse Sensoren
natürlich jederzeit ein volles Verständnis
davon haben, was der Träger gerade macht
und was in dessen Umgebung geschieht.
Zur Erkennung der Aktionen des Trägers
werden in den meisten Modellen Bewegungssensoren
oder Kreiselsensoren verwendet.
Diese unterscheiden mit Hilfe der
richtigen Software dann, ob der Benutzer
gerade läuft oder sitzt; drucksensitive Stoffe
der Kleidung könnten dabei weitere Anhaltspunkte
liefern. Über die körperliche Verfassung
des Trägers würden Sensoren Auskunft
geben, die den Pulsschlag und die Körpertemperatur
messen. Der Wearable kann
so erkennen, wann er z.B. das Display ausschalten
kann oder der Träger einfach seine
Ruhe haben will.
An externen Sensoren wären kleine Kameras,
Thermometer, Mikrophone, GPS-
Empfänger (problematisch in Gebäuden !)
und natürlich Funk-Uhren denkbar. Diese
würden Aufschluß über die äußeren Umstände
des Trägers geben und zu entsprechendem
adaptiven Verhalten des Wearables
weiter beitragen, also z.B. im Theater
den StandBy-Modus veranlassen.
90 Das Microdrive ist ein Festplattenlaufwerk für „Compact Flash II“-Slots. Es ist allerdings wegen seiner beweglichen
Teile nur bedingt für den mobilen Einsatz geeignet.
161

Oliver Hagel
11.4 Konkrete Modelle
Im folgenden Abschnitt sollen kurz Komplettsysteme
vorgestellt werden, die entweder
schon auf dem Markt erhältlich, visionäre
Modelle aus der Forschung oder interessante
Prototypen sind.
BARS Das „BARS“ (Battlefield Augmented
Reality System) [oNRYB00, Ros00] ist ein
noch weitgehend in der Planungsphase befindlicher
Wearable der US-Army, über den
es allerdings seit 2000 keine offiziellen Neuigkeiten
mehr gibt. Die Entwicklung kam aus
dem Bedürfnis auch in komplexen Szenarios
(z.B. Einsätzen in Städten mit Hochhäusern,
Kanalisation und Trümmern) dem Soldaten
eine ausreichende Übersicht zu geben und
Teameinsätze besser abstimmen zu können;
auch die verbesserte Kommunikation mit der
Einsatzzentrale spielte eine Rolle.
Die Daten werden dabei als „Augmented
Reality“ (AR) mittels eines HMD im Helm
des Soldaten für ihn direkt über den betrachteten
Objekten eingeblendet. Vorstellbar
sind Informationen über die Umgebung,
Aufenthaltsorte der Teammitglieder, Zielobjekte,
Stadtpläne oder Gebäudepläne, Routinginformationen,
Übersetzungen von Schildern
und Warnungen (z.B. über mögliche
Scharfschützenpositionen). Auch Daten oder
Modelle von nicht sichtbaren Objekten könnten
eingeblendet werden; so wäre es z.B.
möglich, dem Soldaten quasi einen Röntgenblick
zu verschaffen, indem man den Verlauf
der Kanalisation unter seinen Füßen als
Drahtgittermodell einblendet.
Das System hat 2 Seiten: Zum einen
das „Wearable Augmented Reality System“
(WARS) auf Seite des Soldaten und zum anderen
das „3D Interactive Command Center“
(3Dice) auf Seite des Kommandostabs. Dieses
soll eine dreidimensionale Abbildung der
Einsatzsituation ermöglichen, um dem Commander
eine optimale Übersicht und Entscheidungshilfe
zu geben. Auch der Einsatz
von CAVE-Systemen 91 wurde in die Überlegungen
mit einbezogen. Als technische
Grundlage für die ersten Schirtte diente ein
Wearable aus dem akademischen Umfeld,
die „Virtual Touring-Maschine“ [Höl97] der
Columbia Universität. Mit dieser war es z.B.
möglich auf dem Campus spazieren zu gehen
und sich AR-Daten zu den betrachteten
Gebäuden einblenden zu lassen. Auch
zerstörte Gebäude konnte man durch diese
Technik für den Träger auferstehen lassen.
Als Programmiersprache wurden hierbei Java
und Java3D verwendet.
Der erste Prototyp des BARS verwendete als
Hardware einen Pentium II 366 MHz Laptop,
Dual-GPS (US Navstar + russische GLO-
NASS) mit Basisstation um Zentimetergenauigkeit
zu erreichen, Bewegungssensoren,
Funkmodem (115kbit/s auch über 20 Meilen
im Freien bzw. auf mehrere 100m aus dem
Inneren eines Gebäudes) und ein halbdurchsichtiges
Sony Glasstron HMD.
FAST Der FAST (Factory Automation
Support Technology) ist ein Test-
Modell des Georgia Reasearch Institute
[OJJNLJTJCTCJA96] aus Atlanta, das ca.
1000 Beschäftigte hat. Es ist ein Wearable in
der mittlerweile 3. Generation, der zur Optimierung
und Kontrolle von typischen Fabrikabläufen
dienen soll. Er wurde zu Testläufen
auch schon erfolgreich in einer Nahrungsmittelfabrik
eingesetzt, wo er vornehmlich zur
komfortablen Überwachung von Solldaten
diente.
Er besteht aus einem PC-Card-großen Mainboard
mit einem 486er 75 MHz CPU, 16
MB RAM, 500 MB Festplatte, einem monochromen
VGA-HMD, Win 95 und Ni-Mh-
Batteriepacks, die eine Laufzeit von bis zu 8
Stunden ermöglichen. Zusätzliche Merkmale
sind Spracherkennung und eine Kopfkamera,
um Bilder zur Zentrale zu übermitteln.
91 Würfel auf dessen Seiten von außen Bilder projeziert werden und in dessen Zentrum der Benutzer steht. Dieser
hat mit Hilfe einer 3D-Brille einen dreidimensionalen Eindruck der Situation; wird vornehmlich im Automobilbau
verwendet.
162

Xybernaut „Xybernaut“ [Cor02b] ist der
Marktführer bei anziehbarer Computer-
Hardware 92 . Das aktuelle Spitzenmodell ist
der „Mobila Assistant V“ (MA V), der an einem
Gürtel getragen wird. Er läuft mit den
meisten aktuell verfügbaren Betriebssystemen,
besitzt einen 500 MHz Intel Celeron
Prozessor, 128 MB SDRAM, Soundkarte, eine
5 GB Festplatte, Compact Flash, USB,
Firewire, Li-Ion-Akku, PC Card Steckplätze
und ein kompaktes Flat-Panel-Display. Die
Eingabe erfolgt entweder mittles Mikrofon
und Spracherkennung oder über das 60-
Tasten-Keyboard am Handgelenk.
Ein weiteres Modell ist der „poma“: Er besitzt
einen Hitachi SH-4 128 MHz RISC Prozessor,
ein mono-okulares 640x480 HMD,
32 MB ROM/RAM, Compact Flash 2, Windows
CE 3.0, USB, Kopfhörer, Li-Ion-Akku
und wiegt 310g. Er unterstützt auch WLAN
und ein Modem (über den CF-Slot). Die Eingabe
erfolgt per Handeingabe über ein per
USB angeschlossenes blau schimmerndes
kompaktes Touchpad; es sind aber auch andere
tragbare Keyboards anschließbar. Dieses
Modell gibt es auch von Hitachi unter
dem Namen „Wearable Internet Appliance“
[Hit01] mit teilweise anderen Komponenten
(z.B. ein 800x600, 18-bit HMD).
Abbildung 94: Headset, Hauptkomponente
und Touchpad des poma
Die Wearables von Xybernaut werden schon
längere Zeit erfolgreich in der Industrie eingesetzt.
Sie finden z.B. Verwendung bei „Bell
Kanada“, einem großen Kommunikationsunternehmen,
das sie zur Unterstützung von
11.4 Konkrete Modelle
Feldtechnikern verwendet: Über eingebaute
Handys erfolgt die Kommunikation mit der
Zentrale, Pläne sind über den „MA V“ anzeigbar
und neue Daten können direkt ins
Zentral-System eingeben werden - auch unter
schwierigen Bedingungen (z.B. in engen
Schächten). Auch zur Flugzeugwartung bei
„FedEx“, der Navy und der Air Force werden
wegen der z.T. extrem kurzen Zeitfenster die
Modelle von Xybernaut eingesetzt.
MIThril Der „MIThril“ 93 [Tec02b] ist eine
Forschungsplattform des MIT, die allerdings
wegen der umgebauten Standardkomponenten
noch eher wie am Körper getragene
Hardware aussieht. Sie basiert auf Linux und
hat noch kein kabelloses Bussystem, da man
sich bisher nicht mit Problemen der Abhörsicherheit
befassen wollte und die zentrale
Batterieversorgung im Vordergrund stand.
Als Hardware [Lab02] eingesetzt werden
USB (für den BUS und die Peripherie), eine
Kamera, ein IR-Sender, ein „BrightStar Engineering“
ipEngine1 Board (für das HMD), ein
CERF-Board (an dem das Compact Flash
und ein IBM MicroDrive hängen), ein Ethernet
HUB (verbindet das CERF und das
BrightStar-Board untereinander und mit einer
802.11b Brücke) sowie ein „MicroOptical“-
HMD in einer Brille. Als Akkus werden Li-Ion
Polymer Akkus eingesetzt.
ViA ViA [ViA02] ist neben Xybernaut eine
der großen Firmen, die Wearables vornehmlich
für das berufliche Umfeld herstellen. Mit
General Electrics, Ford, Northwest Airlines
und McDonalds als Partner hat man auch
schon ein festes Standbein in der Industrie.
Das aktuellste Modell ist der „ViA II PC“
[ViA], ein robuster Wearable der normalerweise
wie ein Gürtel umgeschnallt wird. Er
ist ausgestattet mit Windows 98 (andere Betriebssysteme
sind aber auch möglich), Li-
Ion-Akkus (während dem Betrieb austausch-
92 Die Wearables von Xybernaut werden übrigens von IBM gebaut. Diese haben so ein vielversprechendes zukünftiges
Standbein, müssen aber auch nicht um ihren guten Namen fürchten, wenn das Geschäft floppen sollte.
93 Der Name ist übrigens eine Verschmelzung von MIT und dem Namen für ein elbisches Metall aus „Herr der
Ringe“.
163

Oliver Hagel
bar), Slot für 802.11b PC Card, USB, 6 GB
Festplatte und PS/2-Port. Zur Aus- und Eingabe
dient ein leichtes 640x480 Display mit
Touchscreen, das bei Nichtgebrauch im Gürtel
verstaut wird und auch unter direktem
Sonnenlicht sehr gut lesbar ist. Ein HMD ist
optional, wird aber in den bisherigen Anwendungsgebieten
nicht eingesetzt. Der „ViA II“
ist in 2 Varianten erhältlich: Entweder mit
einem 166 MHz Cyrix Media GSI Prozessor
oder einem 600 MHz Transmeta Crusoe
5600 Prozessor und jeweils zugehörigem
Chipsatz. Das Gewicht des Computers an
sich beträgt 650g. Zur Steuerung kann man
auch Spracherkennung benutzen und sogar
Übersetzungssoftware für gesprochene
Sprache ist lieferbar.
Die Nachteile sind allerdings laut c’t [Zie02],
das nicht unerhebliche Gewicht (quasi ein
ständiger Werkzeuggürtel), der nicht gerade
lautlose Lüfter der Zentraleinheit sowie die
extra am Gürtel zu tragende Batterie.
Eingesetzt wird der „ViA II PC“ neben den
genannten Firmen auch in verschiedenen
Betrieben zum Test. So sparte z.B. ein mit
einer Helmkamera ausgestatteter ViA bis zu
70% der Zeit der Inspekteure auf einer Werft,
da diese die Bilder vor Ort direkt an die Spezialisten
in der Zentrale übertragen bzw. auf
Datenbanken zugreifen konnten.
Abbildung 95: Die Hauptkomponente des
ViA II
164
eSleeve An der Universität Bristol entstanden
in Zusammenarbeit mit der HP-
Forschung mehrere Wearables [Ran02] ,
bei denen das außergewöhnlichste wohl das
„eSleeve“ ist, ein komplett am Unterarm zu
tragender Computer.
Als Grundlage dient der „onHandPC“ von
„Matsucom“ [Mat02], ein PC in Armbanduhrform.
Er besitzt 2 MB RAM, eine 16 Bit 3,6
MHz CPU, DOS als Betriebssystem, einen
IR-Port und ein 102x64 Display. Die Eingabe
erfolgt über 3 Tasten und einen kleinen
Joystick. Die Lithium-Batterien sollen 2-3
Monate halten. Außerdem ist er wasserfest
und wiegt nur 52g. An Software reicht das
umfangreiche Angebot vom Browser, über
Bildbetrachter und Organizer bis zu Übersetzern
und es kommt ständig neue hinzu, da
viele Benutzer ihre selbstgeschriebenen C-
Programme dafür veröffentlichen.
Zum „eSleeve“ [CR02] wurde der onHandPC
durch externe Erweiterungen wie GPS oder
Spracherkennung, die natürlich auch ein eigenes
Mainboard (zur Koordination des Polling)
mitbringen, das ebenfalls um den Unterarm
geschnallt wird. Der Prozessor des
onHandPC dient dabei nur noch zur Behandlung
von Ereignissen, die die Datenbank abfragen
sowie zur Darstellung von Daten.
Auch die Kontextsensitivität spielt bei den
Modellen aus Bristol eine Rolle. So kann
man z.B. mittels Beschleunigungssensoren
und neuronalen Netzen feststellen, ob der
Träger sitzt, steht, geht oder rennt und das
immerhin mit einer Genauigkeit von ca. 90%.
Diese Kontextsensitivität nutzten auch schon
zwei Test-Anwendungen: „Pub Crawl“ zeigt
den Weg (mittels Piepstönen) und die Entfernung
zu den nächsten 3 Pubs in Bristol sowie
nähere Details. Ein weiteres Programm zeigt
zur Orientierung, quasi als Augmented Reality,
die Schemen und Namen von bekannten
Gebäuden auf dem kleinen Display an, in deren
Sichtweite sich der Träger befindet.

Abbildung 96: Das eSleeve der Universität
Bristol
Charmed „Charmed Technology“ [Tec02a]
ist eine aufstrebende Firma, die vornehmlich
Erfahrungen aus der Forschung des MIT Media
Lab in ihre kommerziell erhältlichen Wearables
einfließen lässt. Das Ziel ist es, einen
mobilen Internetzugang über ihre günstigen
Wearables zu bieten.
Das aktuelle Vorzeigeprodukt ist der „CharmIT“,
ein Wearable in einem Aluminiumgehäuse,
der versucht aus Gründen der einfachen
Erweiterbarkeit mit offengelegter Standardhardware
auszukommen. Diese ist deshalb
relativ flexibel und auch austauschbar,
allerdings ist der Wearable dadurch auch etwas
sperrig geraten 94 . Der höchstgetaktete
dafür erhältliche Prozessor ist ein 800 MHz
Transmeta Crusoe TM5800. Speicher ist bis
zu 265 MB SDRAM erhältlich. Weitere Auststattungsmerkmale
sind Stereo Audio, 4 serielle
Ports, 4 USB Ports, 1 paralleler Port
sowie 10/100 Ethernet. Ein 32-bit MiniPCI
Schacht ermöglicht zusätzliche Erweiterungen
und eine 20 GB Festplatte (bis zu 120
GB möglich) ist ebenfalls enthalten. Die Batterielaufzeit
mittels Li-Ion Camcorder Batterien
(ohne Verbrauch des Displays) soll bis zu
12 Stunden betragen.
Der CharmIT ist ab ca. US $2000 in vielen
Kits erhältlich, z.B. mit verschiedenen
Betriebssystemen, HMDs oder Eingabegeräten.
11.5 Fazit und Ausblick
Burton MD Jacket Eines der wenigen auf
dem Markt erhältlichen anziehbaren elektronischen
Kleidungsstücke ist das „Analog Clone
MD Jacket“ [min02] von Burton Snowboards
in Zusammenarbeit mit der britischen
Firma SOFTswitch. Letztere entwarfen das
elektronische Leitungssystem auf Textilbasis
für die Bedienung des in einer Snowboardjacke
verstauten MD-Players. Dieser
lässt sich so auch mit Handschuhen über
eine Bedienleiste im Jackenärmel steuern,
für deren Knöpfe textile „Quantum Tunneling
Composite“-Schalter verwendet wurden,
die nur bei Druck, elektrischen Strom leiten.
Allerdings muss dieser Druck leider teilweise
noch sehr hoch sein, was das Ganze
laut c’t [Zie02] wiederum etwas unkomfortabel
macht.
11.5 Fazit und Ausblick
94 Das Gewicht wird dementsprechend auch auf der Internetseite verschwiegen.
Der Erfolg von Wearables erschien vor wenigen
Jahren noch als pure Utopie - zu unhandlich
und sperrig waren die damals noch
eher an Cyborgs erinnernden vorgestellten
Lösungen. Für viele war es nur ein Hype und
technische Spielerei, denn sinnvolle Anwendungen
konnte man sich ebenfalls nicht vorstellen.
Dies alles hat sich aber nun mit der Verfügbarkeit
der nötigen Technik, dem teilweisen
industriellen Einsatz und den aktuellen Prototypen
geändert. Die zunehmende Verbreitung
von PDAs lässt die Hemmschwelle weiter
sinken und auch sinnvolle Anwendungsgebiete
absehen. Hinzu kommt, daß vernünftige
Wearables immer billiger werden: Modelle
wie der ViA II PC kosten in der Zwischenzeit
ungefähr genauso viel wie ein guter
Laptop. Neue Techniken zur einfachen
und schnelleren Vernetzung wie Bluetooth
und UMTS werden weitere Impulse besonders
im privaten Bereich geben.
Trotzdem scheinen sich in den nächsten Jahren
Wearables weniger im privaten Bereich
165

Literatur
als im beruflichen Umfeld weiter durchzusetzen,
weil man hier einfach eher bereit
bzw. gewohnt ist, ein relativ unhandliches
Werkzeug für die Arbeit zu tragen. Mit den
aktuell erhältlichen Wearables und passenden
Headsets würde man im normalen Leben
einfach noch viel zu sehr auffallen, was
natürlich viele potentielle Interessenten abschreckt.
Hier sind aber auch schon Entwicklungen
in Sicht, die dieses Problem beseitigen
dürften: So könnte man sich in nächster
Zeit z.B. durchaus einen PDA in der Jackentasche
vorstellen, der GSM und UMTS Fähigkeiten
hat und auch auf LBS-Dienste zugreifen
kann. Mittels Bluetooth könnte man
ihn mit einem kleinen Headset sowie einem
unauffälligen Brillen-HMD (z.B. einem zukünftigen
Modell von „Micro Optical“) drahtlos
verbinden. Solche Modelle können sich
allerdings schon wegen der LBS- und UMTS-
Fähigkeiten nur durchsetzen, wenn sie von
den Mobilfunkanbietern eingeführt werden,
was allerdings erfahrungsgemäß seine Zeit
dauern kann: Zwar haben sich Handys relativ
schnell durchgesetzt, neue Techniken
wie EMS, UMTS und WAP werden aber nur
sehr zaghaft angenommen, was vor allem an
der Preispolitik der Mobilfunkanbieter selbst
liegt. Diese haben also den Erfolg von Wearables
maßgeblich mit in der Hand !
Realistische Prognosen wie die der „Venture
Development Corporation“ [Zie02] prophezeien
übrigens bis 2006 ein Wachstum
von jährlich 50%. Allerdings hieße das, daß
in 4 Jahren gerade einmal bescheidene 560
Millionen US Dollar für Wearables ausgegeben
würden und dies vornehmlich im beruflichen
Umfeld.
Schaut man in die weitere Zukunft, kann man
Literatur
nur schwer sagen, wie Wearables dann aussehen
werden. Die Menschen, die sie regelmäßg
brauchen, werden sich wahrscheinlich
an sie gewöhnt haben, ähnlich wie an das
Handy heutzutage. Eine Abhängigkeit oder
Diktatur der Wearables ist relativ unwahrscheinlich,
man wird sie wohl eher als nützliche
Accessoires begreifen und akteptieren.
Für zukünftige Techniken gibt es schon heute
Ansätze die wie Utopie wirken, langfristig
aber durchaus vorstellbar wären. So existieren
beispielsweise schon einfache Eingabemöglichkeiten
über die durch entsprechende
Gedanken erzeugten Gehirnwellen
sowie Cursorsteuerungen über die Pupillenbewegung.
Sogar Implantate wurden zu
Testzwecken schon eingesetzt.
Und schließlich haben auch noch die Kleidungshersteller
mitzureden um Wearables
wirklich tragbar zu machen. Ob sich aber
tatsächlich intelligente Fasern und mit der
Kleidung verwobene Elektronik durchsetzen
oder diese nur zunehmend für die Aufnahme
von separaten technischen Geräten vorbereitet
wird, bleibt abzuwarten. Im Moment
kann man nur sagen, daß auch hier
die Hemmschwelle, sich Kleidungsstücke zu
kaufen, die fest eingebaute elektronische Fähigkeiten
haben, viel zu hoch ist. Kleidung
sollte in den Augen der Mehrheit modisch,
robust, beständig und, nicht zu vergessen,
waschbar sein - Eigenschaften, die man allgemein
nicht gerade mit Technik verknüpft.
Wirkliche Vorhersagen kann man in der heutigen
Zeit immer schnellerer technischer Revolutionen
in dieser Hinsicht aber kaum treffen.
Hier bleibt schlicht abzuwarten was die
Zukunft bringt.
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168

12 Einführung Physical-Virtual Integration
Zusammenfassung
Diese Einführung zum Thema Physical-
Virtual Integration befasst sich damit, was
unter dem Begriff zu verstehen ist und
wozu sie dient. Sie gibt außerdem Beispiele
für derzeit mögliche Formen von
Physical-Virtual Integration, behandelt in
Zukunft denkbare Entwicklungen in dieser
Richtung und geht auf das Thema Ubiquitous
Computing im Zusammenhang
mit Physical-Virtual Integration ein.
12.1 Was ist Physical-Virtual Integration?
Physical-Virtual Integration bezeichnet die
Verbindung zweier Welten. Dabei handelt es
sich um die physische, sprich reale Welt, in
der sich sowohl der Benutzer als auch die
Hardware eines Computers befindet, und um
die künstliche, also virtuelle Welt, die im „Innern”
des Computers durch die Ausführung
der Software auf der Hardware entsteht. Mit
Physical-Virtual Integration ist die Anbindung
der physischen an die virtuelle Welt gemeint.
12.2 Wozu dient sie?
Durch Physical-Virtual Integration ist es möglich,
Informationen zwischen den beiden
Welten auszutauschen. Sie erlaubt der realen
Welt, den Zustand der künstlichen Welt
zu beeinflussen. Und sie erlaubt der künstlichen
Welt, sich der realen Welt mitzuteilen
und gegebenenfalls auch auf sie einzuwirken.
Insbesondere für das Feld Ubiquitous
Computing ist Physical-Virtual Integration ein
wichtiger Aspekt. Wenn Rechner allgegenwärtig
sind beziehungsweise ihre Dienste
überall und jederzeit abrufbar sind, dann sollten
sie und ihre Dienstleistungen gut in ih-
Ingo Grüll
ingo.gruell@informatik.uni-ulm.de
re Umwelt, also das jeweilige Anwendungsumfeld,
integriert sein. Ist das nicht der Fall,
artet Ubiquitous Computing für die Benutzer
schnell in Ubiquitous Frustration aus.
12.3 Wesentliche Abstufungen von
Physical-Virtual Integration
Physical-Virtual Integration kann sehr unterschiedlich
ausgeprägt und somit mal eher lose,
mal eher stark vorhanden sein. Es lohnt
sich jedoch, einige ”Trennlinien” zu ziehen,
denn diese markieren unterschiedliche Qualitätsstufen
von Physical-Virtual Integration.
12.3.1 Keinerlei Physical-Virtual
Integration
Absolut gar keine Verbindung zwischen
künstlicher und wirklicher Welt ist unmöglich.
Ohne die wirkliche Welt kann die künstliche
nicht existieren. Erst müssen Hardware und
Software erschaffen werden, bevor sich die
virtuelle Welt entfalten kann - und der Ablauf
der Berechnungen erfolgt in den Schranken,
die die Naturgesetze der realen Welt vorgeben.
Aber selbst wenn man einen Schritt
darüber hinaus geht und einen Rechner mit
fest verdrahtetem Programm ohne Informationsaustausch
zwischen künstlicher und realer
Welt betrachtet, ist dieser allenfalls als
Türstopper, Briefbeschwerer oder ähnliches
von Nutzen. Wenn die reale Welt nicht erfährt,
was sich als Ergebnis der Berechnungen
in der künstlichen Welt ergeben hat, ist
es für sie ohne Belang, ob die Berechnungen
durchgeführt wurden oder nicht.
169

Ingo Grüll
12.3.2 Prinzipielle Physical-Virtual
Integration in Form von Ein- und
Ausgabe
Die ersten Allzweckrechner, die gebaut wurden,
waren recht teuer. Ihr Einsatz als Türstopper
oder Briefbeschwerer war demzufolge
nicht nur wegen ihrer vergleichsweise riesigen
Ausmaße nicht zweckmäßig. Also erhielten
sie eine einfache Form von Physical-
Virtual Integration - und einfach bedeutet in
diesem Zusammenhang definitiv nicht „einfach
zu bedienen” - mit der es möglich war,
Programme und Daten in den Rechner einzugeben
und Rechenergebnisse aus dem
Rechner auszugeben. Der 1943 fertiggestellte
Mark 1 wurde beispielsweise über Lochstreifen
und hunderte von Schaltern mit Programm
und Daten versorgt [TL86].
Abbildung 97: Eingabepanel des Mark 1
[TL86]
Und auch der Computerpionier Charles
Babbage hatte im Entwurf seiner „Analytical
Engine” Eingabemöglichkeiten in Form
von Lochkarten vorgesehen und im Entwurf
seiner „Difference Engine No. 2” findet
sich schon ein Drucker als Ausgabegerät
[Swa93]. Fast hundert Jahre vor den
ersten funktionsfähigen Rechnern hat sich
Charles Babbage bereits mit dem Thema
Ein- und Ausgabe befasst, um die Verbindung
von Maschine und Umwelt zu errei-
170
chen. Die ursprünglich von Joseph-Marie
Jacquard zur Steuerung automatischer Webstühle
entwickelte Lochkarte wurde später
tatsächlich wie von Babbage vorgesehen
eingesetzt.
Abbildung 98: HighTech des 19. Jahrhunderts
[FS99]
Sehr zur Erleichterung der Benutzer haben
Tastatur und Maus die Lochkarte mittlerweile
als Eingabemedium abgelöst, doch der
Drucker ist uns in unterschiedlichen Formen
bis heute erhalten geblieben; neben dem
Bildschirm gehört er mit zu den wichtigsten
Ausgabemöglichkeiten [Cle91]. Damit also
ein Computersystem überhaupt als solches
von Nutzen ist, muss es zumindest über
grundlegende Physical-Virtual Integration in
Form von Ein- und Ausgabe verfügen.
12.3.3 Physical-Virtual Integration
mitsamt Weltmodell
Bei rein auf Eingabe und Ausgabe basierenden
Systemen muss der Benutzer oder ein
externes System jede Zustandsveränderung
anstoßen: Das System erhält eine Eingabe,
verarbeitet diese und gibt das Ergebnis aus.
Wenn ein System jedoch den Weltausschnitt
der Realität, der für sein Anwendungsgebiet
wichtig ist, intern in geeigneter Weise repräsentiert,
sprich diesen Weltausschnitt modelliert,
ermöglicht das, die verarbeitbaren Eingaben
besser zu interpretieren und sogar zu
erweitern. Wenn das System Zustandsveränderungen
der realen Welt erkennen kann

12.4 Welche Formen von Physical-Virtual Integration sind derzeit möglich?
und seinen Zustand analog „mitentwickelt”,
können nun auch Daten und Ereignisse als
Eingaben dienen, die nicht vom Benutzer direkt
an das System gerichtet sind - das System
wird in die Lage versetzt, die Umgebung
und die Interaktion des Benutzers mit
der Umgebung in gewissem Umfang zu beobachten
und darauf zu reagieren. Dadurch
wird dem Benutzer Arbeit abgenommen, die
Benutzung des Systems wird für ihn im Idealfall
einfacher, produktiver und zweckgerichteter.
Und auch auf der Ausgabeseite ergeben
sich Verbesserungen. Wenn das System
den Zustand der Welt kennt, kann es seine
Ausgaben dafür maßschneidern, bzw. zwar
grundsätzlich korrekte, aber im Kontext gerade
unpassende Ausgaben unterlassen.
Ein Weltmodell kann implizit oder explizit
sein. Implizite Weltmodelle sind in die Struktur
des Systems eingebaut - um ein Beispiel
abseits der Computertechnologie zu geben:
Ein Hammer repräsentiert ein Weltmodell
für „einschlagbare” Gegenstände durch seine
Form. Solange er für Nägel und Ähnliches
verwendet wird, stimmt das „Weltmodell”.
Wird er für Schrauben benutzt, stimmen
Weltmodell und Welt nicht mehr überein,
worunter die Performance leidet. Explizite
Weltmodelle benutzen ausgeformte Objekte
und Regeln, um die Welt zu repräsentieren.
Um das vorige Beispiel weiterzuführen könnte
man nun das „System” Mensch betrachten.
Der Mensch beobachtet seine Umwelt.
Wenn er eine Schraube eindrehen möchte,
erkennt er, daß es sich um eine Schraube
handelt, d.h. in seinem Denken entsteht eine
Repräsentation für die Schraube, und das
Regelwerk, das sich Erfahrung nennt, führt
dazu, daß der Mensch zum Schraubenzieher
und nicht zum Hammer greift.
Ganz so strikt wie eben beschrieben lässt
sich die Trennung in explizit und implizit in
der Praxis häufig nicht vornehmen, meist
dürfte für Computersysteme und computerisierte
Systeme eine Mischform zweckdienlich
sein. Feststehende Sachverhalte oder
feststehenden Mustern folgende Sachverhalte
kann man in die Struktur des Systems
einfließen lassen, während sich stark wandelnde
Sachverhalte mit vielen verschiede-
nen Zuständen, die komplizierten Gesetzmäßigkeiten
folgen, davon profitieren dürften,
daß ihre Bestandteile explizit im System modelliert
werden. Im Einzelfall mag es schwierig
sein, festzustellen, ob ein System tatsächlich
seine reale Umgebung beziehungsweise
sein Anwendungsgebiet modelliert, denn ein
solches Weltmodell kann beliebig rudimentär
oder unrealistisch sein. Doch die allgemeine
Unterscheidung in „Weltmodell/kein Weltmodell”
ist durchaus sinnvoll, und zwar nicht
nur bei der Analyse von Systemen, sondern
besonders bei der Entwicklung neuer Systeme.
Wenn sich die Entwickler bewusst sind,
daß das zu erstellende System die Realität
nicht nur in dem Maße modellieren soll, wie
sie selbst die Problemstellung untersucht haben,
können sie sorgfältiger festlegen, was
das System beobachten soll, wie es die Beobachtungen
intern repräsentieren und wie
es darauf reagieren soll.
Physical-Virtual Integration mitsamt Weltmodell
setzt die grundlegende Integration mittels
Ein- und Ausgabe voraus, geht aber in
ihren Möglichkeiten über sie hinaus.
12.4 Welche Formen von Physical-Virtual
Integration sind derzeit möglich?
Mehrere Jahrzehnte Entwicklung der Computer
haben dazu geführt, daß das Gebiet
der Ein- und Ausgabe intensiv bearbeitet
wurde und viele Lösungen ausprobiert
und verfeinert oder wieder verworfen
wurden. Und auch der Einsatz von
Weltmodellen ist lange erprobt. Dieser Abschnitt
gibt einige Beispiele, welche Formen
von Physical-Virtual Integration in der Forschung
schon heute möglich beziehungsweise
in der Praxis schon in Gebrauch
sind. Diese Beispiele stellen mitnichten eine
vollständige Bestandsaufnahme des Feldes
Physical-Virtual Integration dar. Dennoch unterstreichen
sie dadurch, daß sie den unterschiedlichsten
Anwendungsgebieten und
Forschungsfeldern entstammen, wie grundlegend
Physical-Virtual Integration für den
Einsatz von Computersystemen ist.
171

Ingo Grüll
12.4.1 Ohne Weltmodell
Im Hinblick auf die Software benötigen viele
Anwendungen kein Weltmodell, für sie reicht
es völlig aus, die Datenformate, die Verarbeitungsverfahren
und die Protokolle für die von
ihnen benötigten Ein- und Ausgabezwecke
zu verstehen und einsetzen zu können. Und
im Bereich der digitalen Computertechnik ist
Hardware ohne Softwareunterstützung nicht
wirklich von Interesse, weshalb in dieser Hinsicht
in Hardware gegossene Weltmodelle
keine Rolle spielen.
Generell steht heute für die Ein- und Ausgabe
von Daten die unterschiedlichste Hardware
zur Verfügung. Per Tastatur lassen sich
Zeichen eingeben, Maus und Touchscreen
dienen als Zeigewerkzeuge, per Grafiktablett
lässt sich zeichnen und malen, digitale Kameras
fangen Bilder und Videos ein, der
Rechner kann per Soundkarte Töne und Geräusche
aufzeichnen, der Datenhandschuh
erlaubt die Erfassung von Handbewegungen,
der Laserscanner die von ganzen Gegenständen
in 3D und, und, und ... grundsätzlich
lässt sich dank Analog-Digital-Wandler alles
digitalisieren, was sich in elektrische Spannung
umwandeln lässt - und das ist bis hin zu
Druck und Beschleunigung oder radioaktiver
Strahlung eine ganze Menge. Einige Sensoren
beziehungsweise Messgeräte sind ohne
Verarbeitung der von ihnen gelieferten Daten
ziemlich nutzlos - die Teilchenphysiker haben
beispielsweise nahezu hausgroße Messgeräte,
die so viele Daten erfassen, daß die
Auswertung von Hand gar nicht mehr möglich
ist.
Auch die Ausgabe von Rechenergebnissen
gestaltet sich vielfältig, sie erledigen Farbbildschirm
oder Videobeamer, oder auch der
Drucker, wenn man es Schwarz auf Weiß,
beziehungsweise „Rapid Prototyping”, wenn
man es in 3D braucht (Rapid Prototyping
bezeichnet die Erstellung von Werkstücken
aus am Computer erzeugten Entwürfen ohne
speziell an die Form des Werkstücks angepasste
Werkzeuge und Maschinen). Die Soundkarte
verhilft dem Computer zum Prädikat
„nicht schön, aber laut” (zugegeben, das
172
trifft in zunehmenden Maße auch auf PC-
Lüfter zu, aber außer Geräuschen geben die
hauptsächlich heiße Luft aus). Rechner können
Motoren ansteuern und so weiter und so
fort. Allgemein gestattet der Digital-Analog-
Wandler, alles zu steuern, was sich mit elektrischer
Spannung beeinflussen lässt (der
freundliche E-Techniker oder Maschinenbauer
wird Ihnen bestätigen, daß das einiges ist).
Abbildung 99: Die modernsten Grafiktabletts
kombinieren Ein- und Ausgabe
[Gmb02]
Benutzerschnittstellen, also die Verbindung
zwischen Mensch und Computer, sind natürlich
eine wichtige Form von Physical-Virtual
Integration. Die Bedienung einer grafischen
Benutzeroberfläche mittels Maus und Tastatur
verfügt aber über kein oder zumindest
ein vernachlässigbares Weltmodell. Implizit
„weiß” eine GUI, daß es einen oder mehrere
Benutzer gibt und daß Schreibtische, Abfalleimer
und so fort existieren. Aber im Grunde
handelt es sich dabei nur um Metaphern,
die die Bedienung des Computers für den
Menschen vereinfachen. Der Abfalleimer der
GUI ist ein Abbild des Konzeptes des Abfalleimers,
er ist kein Abbild des realen Abfalleimers
des jeweiligen Benutzers. Und der
Computer beobachtet auch nicht den echten
Schreibtisch seines Benutzers, um das dort
herrschende Chaos im Rechner nachzuvollziehen
(Windows fühlt sich zwar manchmal
so an, als ob es das könnte, aber dennoch
gehört das - zum Glück - noch nicht zu seinen
Features).

12.4 Welche Formen von Physical-Virtual Integration sind derzeit möglich?
Eine ebenfalls sehr bekannte Anwendung,
die zwar sehr viel Ein- und Ausgabe aber
kein Weltmodell aufweist, ist der digitale
Videoschnitt. Selbst wenn die Videoströme
komprimiert sind, werden sehr große Datenmengen
in den Rechner transferiert und
der fertig geschnittene Film paßt normalerweise
auch nicht gerade auf eine Diskette -
wobei anzumerken ist, daß dank Kompressionsverfahren
wie MPEG die Datenmenge
nach Vollendung des Schnitts weit kleiner
sein kann als das Ausgangsmaterial. Für
den Schnitt eingesetzte Programme wie Adobe
Premiere weisen praktisch keinerlei Wissen
über die gefilmte Welt auf, sie haben
„keine Ahnung” WAS in den Filmen zu ist.
Ähnlich wie der Videoschnitt verhalten sich
die meisten digitalen Videokonferenzsysteme.
Bei ihnen dienen Computer nur als Bindeglied,
Videobilder werden aufgenommen,
übertragen und beim Gesprächspartner wiedergegeben.
Die eingesetzten Rechner dienen
zum großen Teil dazu, durch Datenkompression
etc. die Videoübertragung zu optimieren.
Abbildung 100: Videoschnitt stellt große Anforderungen
an Ein- und
Ausgabe [Gmb02]
Virtual Reality stellt unter dem Aspekt Weltmodell
eine Art Zwitter dar. Die Subsysteme,
die die dreidimensionale Darstellung der
virtuellen Realität, die Erfassung der Kopfposition
und -bewegungen etc. übernehmen,
verfügen durchaus über ein Modell der Realität,
nämlich darüber, wie beim Menschen
die dreidimensionale Umwelt durch die Augen
wahrgenommen wird, wie sich die Finger
der Hand bewegen können und so weiter.
Aber die künstliche Welt, die diese Subsysteme
für den Menschen erfahrbar machen,
muss nichts mit der wirklichen Welt und insbesondere
nichts mit dem den Benutzer umgebenden
Ausschnitt der Wirklichkeit zu tun
haben. Ein Vorteil der Virtual Reality ist genau
die Eigenschaft, daß sich Welten modellieren
lassen, die real gar nicht möglich
wären. Demzufolge können die Weltmodelle
für die darzustellenden Welten bei der Virtual
Reality beliebig weit weg von der Realität
sein, solange sie für den Benutzer noch
verständlich und benutzbar sind. Die meisten
immersiven Virtual Reality Systeme beschränken
sich auch darauf, den Benutzer
zu beobachten und ignorieren die Umgebung
des Benutzers, da der Teil ihres Weltmodells,
der die Realität nachbildet, sich größtenteils
auf den Benutzer beschränkt (es empfiehlt
sich daher nicht, mit einem undurchsichtigen
Head-Mounted Display durchs Zimmer
zu hüpfen, man kann sich nämlich dabei sehr
reale blaue Flecken einhandeln - durch Gegenstände,
die im Computer nicht repräsentiert
sind) [Rhe95].
Abbildung 101: VR löst Benutzer häufig aus
173

Ingo Grüll
ihrer Umgebung heraus anstatt
sich in diese zu integrieren
[NAS00]
12.4.2 Mit entsprechendem Weltmodell
Schon ein kleines und abstraktes Weltmodell
kann die Herangehensweise an ein Anwendungsgebiet
sehr verändern. In ihrem Artikel
„Informative Things” beschreiben Rob Barrett
und Paul P. Maglio, daß vielen Menschen
der Zugang zu Daten in einem Computer
oder einem Netzwerk über Verzeichnisbäume
und ähnliche Hilfsmittel fremd ist [BM98].
In der Erfahrungswelt vieler Leute sind Informationen
eher an einen Gegenstand gebunden
als in einem körperlosen Informationsraum
zu finden. Kochrezepte findet man in einem
Buch, Gedichte in einem anderen. Und
wenn man Freunden seine Urlaubsfotos zeigen
möchte, greift man zum Fotoalbum und
nimmt es mit. Man hat den Informationsträger
bei sich, wenn man ihn braucht. Barrett
und Maglio entwarfen ein System, das die Informationen
auf dem Rechner belässt, aber
den Zugang zu ihnen an einen realen Gegenstand
bindet. Das kann z.B. auch eine
Diskette sein. Wenn man also als Homo Sapiens
Digitalis seinen Freunden beim Kaffeetrinken
seine Urlaubsbilder zeigen möchte,
schiebt man die entsprechende Diskette ins
Laufwerk ihres Rechners und der stellt selbständig
den Kontakt zum heimischen Server
her und bringt die Fotos auf den Bildschirm,
man muss nicht von Hand den Server anwählen,
sich einloggen und dann die Bilder
auf der Festplatte suchen - das simple Weltmodell
„Informationen sind an Dinge gebunden”
mit einem geeignet programmierten System
nimmt einem diese Arbeit ab. Die Grenze
zu reinen Ein-/Ausgabe-Szenarien ist jedoch
fließend, da das Weltmodell in diesem
Fall geradezu winzig ist. Systeme für andere
Anwendungsgebiete, die man in Bezug
auf ihre Hauptaufgabe eher als ein- und ausgabebasiert
charakterisieren würde, können
durchaus in Teilsystemen über ausgefeiltere
Weltmodelle verfügen. Und ob die Herangehensweise
von Barrett und Maglio - insbe-
174
sondere bei vielen zu unterscheidenden Informationseinheiten
- wirklich die sinnvollste
ist, sei einmal dahingestellt.
Anwendungen, die heute noch ohne Weltmodell
auskommen, könnten schon bald eines
besitzen: Daß Videoschnittprogramme
die Filme, die sie verarbeiten, nicht verstehen,
bedeutet nicht, daß das derzeit grundsätzlich
nicht machbar ist. Spezialanwendungen
können Bilder und Bildsequenzen auf
ihren Inhalt hin analysieren, das setzt jedoch
ein Weltmodell voraus, um überhaupt
zu funktionieren. Das Weltmodell solcher Anwendungen
ist zwar sehr speziell, aber unbedingt
notwendig, um die Objekte erkennen zu
können, die erkannt werden sollen. So haben
Systeme zur Gesichtserkennung (besser gesagt,
Personenunterscheidung anhand der
Gesichter) eine lange Entwicklung durchlaufen,
die dazu führte, daß ihre Datenbasis und
ihre Algorithmen auf den Teil der Realität zugeschnitten
sind, den wir Gesichter nennen.
Das heißt, daß das Weltmodell nicht unbedingt
explizit vorliegt (das System weiß nicht,
was eine Nase ist), aber es ist zumindest implizit
im Programm enthalten, um verschiedene
Bilder einer Person korrekt zu klassifizieren.
Und derartige Systeme können als
Zugangskontrollen an Pforten direkt auf die
reale Welt zurückwirken.

12.4 Welche Formen von Physical-Virtual Integration sind derzeit möglich?
Abbildung 102: Gesichtsmodelle dieser Art
könnten Videokonferenzsysteme
revolutionieren [RS99]
Videokonferenzsysteme können durch ein
Weltmodell stark verbessert werden. Wenn
ein solches System Mimik und Kopfbewegungen
eines Menschen in Echtzeit erkennen
kann und der Teil des Systems beim
Gesprächspartner über ein Modell des Kopfes
der Person am anderen Ende der Leitung
verfügt, ist es nicht mehr nötig, Videobilder
zu übertragen. Stattdessen werden
die erkannte Mimik/Kopfbewegungen gesendet,
mittels derer beim Gesprächspartner ein
künstliches Bild aus dem Modell des Kopfes
generiert wird. Das System kann dadurch,
daß es seine Umwelt beobachtet und sein
internes Modell diesen Beobachtungen anpasst,
mit vergleichsweise lächerlicher Übertragungskapazität
auskommen.
Sehr hoher Aufwand für die Entwicklung von
Weltmodellen wird im Bereich der Simulation
getrieben, doch die Aspekte der Beobachtung
und Rückwirkung der modellierten Welt
sind oft sehr gering ausgeprägt beziehungsweise
nur indirekt vorhanden. Ein System
zur Simulation von Atombombenexplosionen
mag zwar über ein präzises physikalisches
Modell von spaltbarem Material verfügen, es
beobachtet jedoch seine Umgebung nicht.
Und die Rückwirkungen auf die reale Welt
halten sich ebenfalls in Grenzen (die Simulation
alleine hinterlässt glücklicherweise keine
radioaktiven Krater; allerdings lassen sich
die Ergebnisse zum Bau von Kernwaffen verwenden,
somit kann die Simulation indirekt
doch wieder „landschaftsgestaltend” wirken).
Doch es gibt auch Simulationen, die enger
an die Realität angebunden sind, zum Beispiel
die Simulationen zur Wettervorhersage.
Hier werden relativ aktuelle Daten zumindest
teilweise automatisch erfasst und die Simulationsergebnisse
liegen zeitig genug vor,
um für viele Menschen von Interesse zu sein
und damit auch das Verhalten vieler Menschen
direkt zu beeinflussen. Falsche Wettervorhersagen
belegen aber auch, daß das
Abbild der realen Welt im Rechner von der
Realität ein ganzes Stück weit entfernt sein
kann, und das insbesondere auch gerade in
dem Bereich, für den das System überhaupt
entwickelt wurde.
Abbildung 103: Simulationen modellieren
häufig die Realität, ohne
direkt auf sie zurückzuwirken
[Cor91a]
Das Paradebeispiel für Physical-Virtual Integration
sind Anlagensteuerungen von Fabriken.
Denn solch eine Anlagensteuerung ist
dafür gebaut, einen bestimmten Teil der realen
Welt sehr genau zu beobachten UND auf
ihn einzuwirken. Reaktionen auf Zustandsveränderungen
der Anlage erfolgen notgedrungen
in Echtzeit. Und zumindest ein rudimentäres
Weltmodell ist ebenfalls gegeben.
Ein PC kann einen Pufferüberlauf ignorieren,
aber die Steuerung, die einem Druckanstieg
in einer chemischen Fabrik tatenlos zusieht,
steuert diese Fabrik nicht mehr lange.
Anders ausgedrückt, eine Anlagensteuerung
sollte nicht nur die Zustände kennen, die erwünscht
sind, sondern auch die, die es zu
vermeiden gilt. Sie sollte darüber hinaus in
der Lage sein, zu erkennen, wenn sich die zu
steuernde Anlage auf einen ungewünschten
Zustand zubewegt, und entsprechende Gegenmaßnahmen
einleiten. Die Weltmodelle
solcher Fabriksteuerungen sind allerdings
noch durchaus verbesserungsfähig. Häufig
175

Ingo Grüll
werden Objekte ignoriert, die weder Werkstück
noch Bestandteil der Maschinen sind
(und es kann für einen Fabrikarbeiter ziemlich
unangenehm werden, wenn ein Industrieroboter
versucht, durch ihn hindurchzugreifen).
In dem Maße, in dem die Weltmodelle
verbessert werden, steigt die Fähigkeit
der Steuerungsanlagen, auf unvorhergesehene
Ereignisse und Zustände zu reagieren.
Abbildung 104: Kein guter Ort für Dinge, die
im System nicht repräsentiert
sind [Lim02]
Vorwiegend passive Systeme können gleichfalls
über ein sehr ausgefeiltes Weltmodell
verfügen. Expertensysteme, deren Weltmodell
meist explizit vorliegt, werden häufig in
Einsatzgebieten verwendet, in denen Fehlentscheidungen
schwerwiegende (z.B. in der
Medizin) oder zumindest kostspielige Folgen
(z.B. in der erdöl- und erdgasfördernden Industrie)
haben. Daher wird von den Entwicklern
solcher Systeme die Integration mit der
Umwelt bewußt auf ein bestimmtes Maß begrenzt,
Expertensysteme werden meist als
„Berater” von menschlichen Experten eingesetzt,
die sowohl die Eingabedaten für das
System aufbereiten als auch die endgültige
Interpretation der verarbeiteten Daten vornehmen.
Augmented Reality und Mixed Reality Systeme
gehen oft über vergleichbare Virtual
Reality Systeme hinaus (vereinfachend betrachtet
kann der Benutzer bei Mixed Reality
seine Umgebung durch die Ausgaben des
Rechners hindurch sehen und bei Augmented
Reality beziehen sich diese Ausgaben
176
auf die Umgebung, die sie überlagern), und
das auch im Bereich ihrer Weltmodelle. Sie
erfassen bevorzugt den Bereich der Realität,
den auch ihr Benutzer beobachtet, und passen
Objekte und Informationen daran an, sowie
die Ausgabe in die Umwelt ein. So ist es
beispielsweise möglich, daß ein solches System
einen realen Gegenstand erkennt und
Veränderungen seiner Position und Ausrichtung
auf virtuelle Gegenstände überträgt. Die
DaimlerChrysler-Forschung in Ulm verwendet
ein derartiges System, das virtuelle Motorblöcke
an realen ausrichtet, die über eine
Kamera am Kopf des Benutzers erfasst
werden. Eine Videobrille erlaubt dem Benutzer,
den virtuellen Motorblock in einer realen
Umgebung zu sehen. Ein denkbarer Anwendungsfall
für dieses System wären Reparaturen
am Auto, bei denen Informationen zu den
zu reparierenden Teilen oder dem Reparaturvorgang
selbst vom Computer an passender
Stelle präsentiert wird. Außer DaimlerChrysler
arbeiten auch noch weitere Institutionen,
etwa das amerikanische Militär, an Systemen
für dieses oder ähnliche Anwendungsszenarien.
Ein anderes Beispiel aus der Forschung ist
das von Canon entwickelte „Contact Water”
[Can01]. Ein Benutzer erhält einen Sensor an
seiner Hand als Eingabegerät und als Ausgabegerät
ein Head-Mounted Display, das Bilder
der Umgebung zu den Augen des Benutzers
durchlässt. Das System stellt auf der
nach oben gerichteten Handfläche des Benutzers
eine Wasserfläche dar und ermöglicht
ihm, Tierfiguren im Wasser, wie z.B.
einen Delphin, einen Orca oder einen Beluga,
mit Handbewegungen aus dem Wasser
herauszukatapultieren und wieder einzufangen.
Es lässt sich auch ein feststehendes virtuelles
Wasserbassin über einen realen Gegenstand
in der unmittelbaren Umgebung legen.
Mehrere Benutzer können miteinander
interagieren und sich ihre Tierfiguren gegenseitig
zuwerfen (wenn man mal danebenwirft,
verschwindet das betroffene Tier einfach).
Contact Water verfügt zur Ausübung seiner
Funktion über ein gewisses Weltwissen. Mit
einer normalen Computermaus kann man
zwar auch einen Cursor bewegen (also ein

12.4 Welche Formen von Physical-Virtual Integration sind derzeit möglich?
reales und ein virtuelles Objekt miteinander
koppeln), aber Contact Water geht darüber
hinaus, da es die Bewegungen der
Wasserfläche nicht nur auf einem Bildschirm
mit den Bewegungen der Hand synchronisiert,
sondern über das Head-Mounted Display
das Bild der Wasserfläche an der den
Erfahrungen und den optischen Gesetzen
entsprechenden Position wieder in die reale
Welt einfügt. Außerdem folgt das Verhalten
der Tierfiguren beim Werfen einigermaßen
der Schwerkraft und der Trägheit der
physischen Welt. Die Integration beider Welten
wird durch die Modellierung der virtuellen
Welt nach Gesetzmäßigkeiten der realen
Welt für den Benutzer viel intensiver.
Abbildung 105: Aus der Sicht eines Benutzers
sieht Contact Water in
Aktion so aus [Can01]
Ein interessanter Mixed-Reality-Forschungsprototyp
aus dem Bereich Architektur ist die
Urban Planning Workbench, kurz Urp [UI99].
Ihre virtuelle Welt verfügt über Regeln, um
Effekte wie den Schattenwurf von Gebäuden
oder Luftbewegungen zwischen Gebäuden
und um sie herum zu simulieren. Das
ist jedoch nicht der einzige Ausschnitt der
Realität, der modelliert wurde, auch die Interaktion
der Benutzer mit dem System geht
über herkömmliche Methoden hinaus. Die Simulationsergebnisse
werden auf einen Tisch
projiziert und die Bedienung erfolgt unter anderem
über physische Modelle, die von den
Benutzern auf diesem Tisch, mithin direkt in
der Abbildung des inneren Zustands des Sy-
stems, bewegt werden können. Das System
erkennt diese realen Gegenstände und verschiebt
die durch sie repräsentierten Gebäude
entsprechend innerhalb der simulierten
Welt und startet eine erneute Simulation unter
den veränderten Bedingungen. Hiroshi Ishii,
einer der Entwicklung von Urp beteiligten
Forscher, war ursprünglich auf dem Gebiet
der Virtuellen Realität tätig. Um eine verbesserte
Integration in die Erfahrungswelt und
damit die Umgebung der Benutzer zu erreichen,
beschäftigt er sich aber mittlerweile mit
„Tangible Bits”: Sie sollen die Welt im Rechner
„begreifbar” machen, indem sie sie an
Gegenstände koppeln, die die Benutzer aus
ihrem Alltag kennen [tmg02].
Shinkuro Honda, Hironari Tomioka, Takaaki
Kimura, Takaharu Ohsawa, Kenichi Okada
und Yutaka Matsushita haben ein virtuelles
Büro erdacht, das mehrere real existierende
Arbeitsplätze - dies könnten beispielsweise
Heimarbeitsplätze von Telearbeitern sein - so
über Rechner vereinigt, daß man als Arbeiter
in diesem Büro sich sowohl seiner Mitarbeiter
bewußt sein kann als auch sich auf seine
Arbeit konzentrieren kann, denn das System
überträgt bzw. erzeugt Geräusche und
Bewegtbilder, die anzeigen, was die Mitarbeiter
gerade machen [HTK 97]. Der Clou
ist, daß im System verankert ist, daß auf die
eigene Arbeit konzentrierte Menschen ihre
sonstige Umgebung ignorieren. Es beobachtet
seine Benutzer, um festzustellen, wie bewußt
sie sich ihrer Umgebung im Moment
sind und schwächt die Signale von den Mitarbeitern
entsprechend ab. Erstaunlicherweise
lässt sich an den Mustern, wie ein Benutzer
seinen Stuhl bewegt (besser gesagt,
wie häufig und wie stark er ihn um seine
Mittelsäule dreht), sein Grad an Konzentration
ablesen. Ein Benutzer muss also weder
manuell einstellen, wieviel er aus dem virtuellen
Büro im Moment mitbekommen möchte,
noch muss er irgendwelche störende Eingabehardware
am Körper tragen, um dem
System zu ermöglichen, seinen Konzentrationsgrad
zu bestimmen. Das virtuelle Büro
ist übrigens dreidimensional, Signale von
„weiter entfernten” Mitarbeitern werden stärker
abgeschwächt als die von „näheren” Kol-
177

Ingo Grüll
legen. Und ein Benutzer kann sich anderen
Benutzern zuwenden, wiederum durch Drehung
seines Stuhles.
Unter dem Stichwort „Affective Computing”
befassen sich die Forscherinnen Rosalind
W. Picard und Jennifer Healey unter anderem
damit, den Gefühlszustand des Benutzers
zu ermitteln [Gro01, Foe97]. Durch
Messung von Hautwiderstand, Anspannung
der Gesichtsmuskulatur, Puls, Blutdruck,
Körpertemperatur und Atmung lässt sich
die Gefühlslage eines Menschen zumindest
im Wesentlichen ermitteln, allerdings sind
die den jeweiligen Emotionen zugeordneten
Messwerte von Person zu Person verschieden.
Die besten Ergebnisse erhält man,
wenn das System auf den jeweiligen Benutzer
trainiert wird. Personal Computerïst
hierbei wörtlich zu nehmen, das System beobachtet
seinen Benutzer genau und kann,
je nach Anwendung entsprechend programmiert,
seine Ausgaben an dessen momentane
Laune anpassen (so ist es zum Beispiel
möglich, Rückmeldungen zu geben, wenn
der Anwender bei einer längeren Aktion des
Rechners anfängt, ungeduldig zu werden.
Oder man kann eine Stereoanlage bauen,
die von sich aus auf ein neues Lied wechselt,
wenn sie feststellt, daß dem Benutzer der gerade
gespielte Song nicht gefällt).
12.5 Was bringt die Zukunft?
Da meine Kristallkugel gerade in der Reinigung
ist und ich mich mit Astrologie nicht so
sonderlich auskenne, ist dieser Abschnitt im
zum vorigen eher vage. Der geneigte Leser
möge verzeihen, wenn hier auch Aussagen
vorkommen, die er als allgemein bekannt ansieht.
12.5.1 Entwicklung der Hardware
In Bezug auf die Verbesserung der Rechenleistung
ist zumindest für die nächsten
zehn Jahre kein Ende abzusehen. Schnellere
Rechner ermöglichen Systeme mit umfangreicherem
Weltmodelle bei gleichblei-
178
benden Reaktionszeiten oder mit schnelleren
Reaktionszeiten bei gleichbleibender
Komplexität des Weltmodells. Zusätzlich erlauben
sie die Verarbeitung umfangreicherer
Eingaben und die Erzeugung ausgefeilterer
Ausgaben (die Grafikbeschleuniger sind
hierfür ein gutes Beispiel; in einigen Jahren
dürften wir auf unseren Bildschirmen Computeranimationen
sehen, die in ihrer Qualität
denen, die wir heute im Kino betrachten,
in nichts nachstehen werden). Contact Water
beispielsweise könnte mit mehr Rechenleistung
die Stellung der Hand ohne Sensor
an der Hand sondern stattdessen über Videobildanalyse
erkennen und grafisch ausgefeilteres
Wasser darstellen.
Abbildung 106: Contact Water deLuxe
[Can01]
Ausgefallenere Sensoren beziehungsweise
Eingabehardware wird ihren Weg in die Praxis
finden, hier ist jedoch mit deutlichen Wartezeiten
zu rechnen, da die momentan in der
Forschung verfügbaren Eingabegeräte nicht
unbedingt robust genug für den Alltagseinsatz
und preiswert genug für die Massenproduktion
sind. Es ist durchaus damit zu
rechnen, daß dabei Jahrzehnte und nicht nur

Jahre vergehen. So schnellebig die Informatik
auch ist, der Wissenstransfer braucht vergleichsweise
lange. Das gilt natürlich auch
für Ausgabehardware, aber was Verbesserungen
bereits eingeführter Ausgabetechniken
anbelangt, ist mit schnelleren Ergebnissen
zu rechnen. So ist davon auszugehen,
daß innerhalb der nächsten Jahre Systeme
zur Einspiegelung von Grafiken in die Brille
oder direkt in die Augen in auch für Privatanwender
bezahlbare Regionen gelangen
werden. Sollte dies auf Basis von Lasertechnologie
geschehen, ist sogar vergleichsweise
gute Qualität, sprich deutlich höhere Auflösung
als VGA, zu erwarten. Ausgabehardware
dürfte auch insofern einfacher zu perfektionieren
sein, als bekannte Daten aus
dem Rechner in die Umwelt überführt werden
müssen, während die Eingabeseite unbekannte
Daten aus der Umwelt erfassen
und dem Rechner verfügbar machen muss.
Neuartige Materialien und Bauweisen werden
sehr dazu beitragen, Computerhardware
allgegenwärtig werden zu lassen. Derzeit
ist die Hardwarevoraussetzung für Ubiquitous
Computing der Einbau von Chips in die
betroffenen Gegenstände. In Zukunft könnte
die Computerhardware über diese Art der
Einbettung hinauswachsen, wenn das Material,
aus dem ein Gegenstand gefertigt wird,
selbst zu Berechnungen in der Lage ist. So
ist es derzeit schon möglich, elektronische
Schaltkreise auf Plastik aufzudrucken und es
gibt auch schon leitfähiges Plastik. In Zukunft
müsste man in einen Gegenstand aus Plastik
keinen Chip mehr einbauen, das Plastik
wird dessen Funktionen übernehmen. Auch
im Bereich Wearable Computing wird intensiv
daran gearbeitet, den Stoff, aus dem Kleidungsstücke
geschneidert werden, zur Computerkomponente
aufzuwerten (so gibt es
bereits leitfähige Textilien [Bli01]).
Darüber hinaus würden andere Bauweisen,
wie z.B. komplett optisch arbeitende Computer
es ermöglichen, auch unter extremen
Bedingungen (wie z.B. großer Hitze) zu arbeiten,
die herkömmliche Halbleiterbausteine
nicht ertragen können.
12.5 Was bringt die Zukunft?
Abbildung 107: Alan MacDiarmid entwickelte
leitende Polymere (die Folien
sind aus Polyanilin, die
rechte ist dotiert und leitfähig)
[Cor91b]
12.5.2 Entwicklung der Software
Eine besondere Art der Physical-Virtual Integration,
an der seit langem heftig geforscht
wird, ist die Künstliche Intelligenz [Kur93].
Ein System, das in der Lage wäre, den
Turing-Test zu bestehen, müsste vermutlich
über ein enormes Weltwissen, sprich ein extrem
ausgefeiltes Weltmodell, verfügen. Allerdings
wäre das nicht nur eine Form von
Physical-Virtual Integration, sondern auch eine
Form von Virtual-Virtual Integration, also
eine Verbindung des Weltmodells im Computer
mit dem Weltmodell im Kopf des Benutzers.
Um im Gespräch mit beliebigen Menschen
wirklich bestehen zu können, muss
das System in der Lage sein, sich zumindest
teilweise in die Gedankenwelt seiner Gesprächspartner
hineinzuversetzen und möglichst
auch deren Gefühle nachvollziehen
können. Nachvollziehen geht jedoch über
das bloße Ermitteln des momentanen Gefühlszustandes
hinaus: Ein langfristiges Ziel
von Affective Computing ist die Entwicklung
von Maschinen beziehungsweise Software
179

Ingo Grüll
mit eigenen Gefühlen, das Gebiet ist also
eng mit der Künstlichen Intelligenz verzahnt.
Doch es ist ungewiss ob es jemals derartige
Computer mit richtigen Gefühlen und menschenähnlicher
Intelligenz geben wird. Zumindest
werden wir noch lange Zeit darauf
warten müssen.
Was uns aber schon in naher Zukunft erwartet,
ist die zunehmende Verwendung von
Methoden aus der Fachrichtung der Künstlichen
Intelligenz im Bereich Physical-Virtual
Integration. Computer, die ihre Umwelt beobachten
und ihren Zustand daran anpassen
sind zwar schön und gut, richtig interessant
wird Ubiquitous Computing aber erst, wenn
die Computer beginnen, zu verstehen, was
sie beobachten. Und gerade die Verbindung
von Wearable und Affective Computing verspricht,
schon bald Früchte zu tragen, da die
für Affective Computing benötigten Sensoren
unauffällig und vor allem für den Träger einigermaßen
unaufdringlich in die Kleidung integriert
werden können.
Abbildung 108: Computer und Sensoren
„verschwinden” in der Jacke
- ideal für Affective Computing
[Bli01]
Vermutlich ist auch mit einer weiteren Verbreitung
von Expertensystemen oder besser
gesagt mit einer weiten Verbreitung der Einbettung
von Expertensysteme im Rahmen
von Physical Virtual Integration zu rechnen.
Denn die Erstellung von expliziten Weltmodellen
ist bei Expertensystemen schon länger
üblich. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse
und Erfahrungen dürften auch bei Sy-
180
stemen von Nutzen sein, die sehr viel stärker
in ihre reale Umgebung integriert sind
als dies bei Expertensystemen üblicherweise
der Fall ist.
12.5.3 Entwicklung der Anwendungen
Gerade Ubiquitous Computing wird von immer
ausgefeilteren Weltmodellen profitieren.
Nehmen wir das Beispiel der Location Based
Services. Heute ist es bereits möglich, Informationen
an Koordinaten der realen Welt zu
knüpfen, die sich an den jeweiligen Koordinaten
oder im Umkreis davon mit geeigneten
Endgeräten abrufen lassen. Zum Teil lässt
sich diese Information schon heute an einzelnen
Objekten festmachen. So wäre es möglich,
Leuten, die auf dem Münsterplatz in Ulm
stehen und in Richtung Münster schauen, Informationen
darüber zu geben. Wenn sich
aber jemand mit einer Person unterhält, die
zufälligerweise vor dem Münster steht, dürfte
er diese Information nicht wünschen. Mit verbesserter
Mustererkennung könnte ein zukünftiges
System erkennen, was sein Benutzer
gerade betrachtet, und nur dazu Informationen
geben. Ein derartiger Location Based
Service könnte innerhalb Ulms sogar zu Souveniren
in Form des Münsters die Informationen
über das Münster geben. Ein flexibles
System dieser Art liegt allerdings angesichts
der derzeitigen Leistungen von Computern
auf dem Gebiet der Bilderkennung noch in
weiter Ferne.
Möglicherweise werden einige Anwendungen
für Wearable Computing schon vorher
durch analoge Anwendungen intelligenter
Zimmer vorweggenommen [Pen96]. Zimmer
und Kleidungsstücke haben nämlich eines
gemeinsam: Menschen halten sich in ihnen
auf. Intelligente Zimmer können zwar mehrere
Benutzer gleichzeitig aufweisen (was bei
intelligenter Kleidung normalerweise nicht
der Fall sein dürfte), aber wenn es sich um
private Räume handelt, werden sie genauso
persönlich werden können wie ein Kleidungsstück.
Und da sich in einem Zimmer
größere und leistungsfähigere Hardware unterbringen
lässt, die dann ausgefeiltere Soft-

ware ausführen kann, lassen sich gleichartige
Anwendungen in dieser Hinsicht einfacher
und früher für intelligente Zimmer realisieren.
Es ist sogar wahrscheinlich, daß die
beiden miteinander verbunden werden, zumindest
für Affective Computing bietet sich
das an. Hierbei könnte die Kleidung die Laune
des Trägers identifizieren und sie an das
Zimmer übermitteln, das entsprechend reagiert.
Mögliche Anwendungen reichen von
sich selbst regelnden Heizungen über die
bereits erwähnte persönliche Stereoanlage
bis hin zum Anrufbeantworter, der nicht nur
weiß, wen er durchstellen darf, sondern auch
nachvollziehen kann, wann er das tun darf,
unter Berücksichtigung des Gemütszustandes
des Angerufenen und des Anrufers.
Voraussagen über sich in Zukunft aus der
Entwicklung von Hard- und Software in Bezug
auf Physical-Virtual Integration ergebende
neuartige Anwendungen sind noch ungewisser
als Voraussagen über die zukünftige
Entwicklung der Hard- und Software für
sich. Denn selbst wenn sich letztere so verändern,
wie vorausgesehen (was wohl auch
nur zum Teil der Fall sein wird), ist noch lange
nicht gesagt, daß absehbare Anwendungsmöglichkeiten
auch wirklich von den Benutzern
akzeptiert werden beziehungsweise
überhaupt den erwarteten Nutzen erbringen.
Und es wird garantiert wichtige und weitverbreitete
Anwendungen geben, die sich jetzt
noch gar nicht absehen lassen - was zumindest
die Voraussage erlaubt, daß das Feld
Physical-Virtual Integration auch und gerade
im Bereich Ubiquitous Computing noch
für lange Zeit interessant bleiben wird. Zum
Abschluß wage ich sogar die Behauptung,
daß man als Entwickler für Ubiquitous Com-
Literatur
puting nicht nur die entsprechende Fachliteratur,
sondern unbedingt auch Science Fiction
lesen sollte. Denn einige der momentan
eher abgefahren erscheinenden Ideen aus
der Science Fiction können als Grundlage
für die Entwicklung zukünftiger Anwendungen
dienen, sobald Hard- und Software einen
Entwicklungsstand erreicht haben, der die
Ideen technisch möglich macht. Und bei guten
Science Fiction Autoren wird man gleich
noch einige der positiven und negativen Auswirkungen
finden, die sich aus der Realisierung
der jeweiligen Idee ergeben könnten.
Abbildung 109: Das System erfasst Benutzer
und ermöglicht, mit virtuellen
Objekten zu interagieren
[Pen96]
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