Темой мартовского номера журнала Computer за 2006 год (IEEE Computer Society, Vol. 39, No. 3, March 2006) являются мобильные устройства отображения. Этой теме посвящены три из шести больших статей номера.

Первая статья озаглавлена «Осведомленные о потреблении энергии пользовательские интерфейсы и адаптивные к ограничениям источников питания дисплеи» (Energy-Aware User Interfaces and Energy-Adaptive Displays). Ее авторы — Партасарати Ранганатан (Parthasarathy Ranganathan), Эрик Гилхоуд (Erik Geelhoed), Мира Манахан (Meera Manahan) и Кен Николас (Ken Nicholas).

Среди компонентов компьютера, участвующих в потреблении электроэнергии, важную роль играет подсистема отображения — электроника, связанная с визуальным представлением генерируемых системой данных, в частности, дисплей и его контроллер. По современным оценкам, подсистема отображения в ноутбуках и КПК часто потребляет более половины общей доступной энергии. Кроме того, мощность, потребляемая дисплеем, традиционно остается практически неизменной в процессе развития компьютерных технологий, что приведет еще к большему увеличению доли энергопотребления устройств отображения в будущих системах.

Разработчики оптимизируют конструкции дисплеев в традиционных системах в расчете на активное использование. Например, в карманном устройстве, которое поддерживает воспроизведение видео, обычно нужен дисплей с достаточно крупным экраном, обеспечивающий максимальное количество цветов и высокое разрешение. Известные подходы к снижению уровня энергопотребления таких устройств направлены на отключение устройства отображения в периоды отсутствия использования или на разработку систем с низкокачественными или малоэкранными дисплеями, которые могут не удовлетворять пользователей при работе со многими приложениями.

В отличие от этого, авторы принимают во внимание возможность управления отдельными частями дисплея или его свойствами энергопотребления, основанными на требованиях пользователей или конкретных приложений. Работа базируется на интуитивном предположении, что для разных рабочих нагрузок и пользователей свойственны разные потребности в качестве отображения. Наличие дисплея с фиксированным размером экрана, ориентированного на активную рабочую нагрузку или на активного пользователя, часто приводит к неэффективному энергопотреблению для других рабочих нагрузок или пользователей. В отличие от этого, конструкция с адаптивным энергопотреблением, в которой энергия потребляется только для частей и характеристик экрана, действительно используемых приложением и существенных для пользователей, позволяет достичь экономии энергии без подрыва ожиданий пользователей. Скажем, дисплей для КПК может быть адаптирован для низкого энергопотребления при работе приложения электронной почты, для которого не требуются высококачественные цвета, высокое разрешение и большой размер экрана.

Такой подход становится особенно выигрышным с развитием технологий эмиссионных дисплеев, таких как дисплеи на органических светодиодах (Organic Light-Emitting diode, OLED), которые допускают пониженный уровень энергопотребления при использовании уменьшенной части экрана. В работе выявляются, оцениваются и анализируются несоответствия потребностей приложений и пользователей и свойств современных дисплеев. Исследуя разные классы использования, авторы установили, что обычно пользователи не нуждаются в полном наборе возможностей дисплея; часто использование дисплея связано с контентом, отображение которого можно обеспечить при пониженном энергопотреблении. Предлагаются новые подсистемы отображения, в которых на аппаратном уровне поддерживается адаптивное энергопотребление, а на уровне программ — осведомленность об энергопотреблении. Это позволяет добиться значительной экономии энергии — от двух до десяти раз — при сохранении приемлемого для пользователей качества. Авторы утверждают, что пользовательские интерфейсы должны проектироваться с учетом осведомленности о энергопотреблении. Такие интерфейсы могут обеспечить хорошее сочетание преимуществ низкого потребления энергии и большей простоты использования.

Люка Читтано (Luca Chittaro) представил статью «Визуализация информации на мобильных устройствах» (Visualizing Information on Mobile Devices).

Для лучшего понимания проблем и ускорения их решения люди всегда полагаются на визуальные средства — карты, схемы, диаграммы и т.д. Постоянное наращивание вычислительной мощности компьютеров и их графических возможностей обеспечивает возможность внедрения широкого диапазона развитых методов визуализации в большинстве областей приложения компьютеров, включая бизнес, медицину, инженерию и науку. Приспособление этих методов к КПК, телефонам и другим мобильным устройствам способствовало бы использованию средств визуализации повсюду и в любое время. К сожалению, особенности мобильной среды и технические ограничения (в особенности, небольшой размер экрана) не позволяют просто перенести приложения из настольных компьютеров в мобильные устройства. Для понимания того, как разработать эффективные средства визуализации для мобильных устройств, требуются значительные исследования. Предложено немало конкретных методов, однако в литературе отсутствуют отчеты, предоставляющие широкое обсуждение проблем «мобильной» визуализации, которое могло бы быть полезно для разработчиков.

По сравнению с настольными ПК, в мобильных устройствах имеется много ограничений, которые следует учитывать разработчикам.

Дополнительные сложности вызывает сама мобильная среда. Во-первых, исключительно изменчива физическая среда. Например, мобильное устройство может использоваться в условиях освещенности от яркого света до полной темноты, что влияет на восприятие цветов и графики. Кроме того, в мобильных приложениях должны учитываться конкретные потребности пользователей. Скажем, клинический врач, использующие настольное приложение для выполнения эпидемиологического исследования 10 тыс. пациентов, или инженер, использующий САПР для проектирования двигателя самолета, столкнулись бы с неприемлемыми ограничениями при выполнении таких приложений на небольшом мобильном устройстве. Такие устройства в большей степени подходят для визуализации показателей состояния конкретного пациента или схематики устройства при его техническом обслуживании.

Внешние условия или активности, в которых участвуют мобильные пользователи, могут затруднять сосредоточение внимания на устройстве. К тому же, когда человек толкается в аэропорте или ведет автомашину, а не сидит за столом в офисе или дома, использование устройства часто становится вторичной, а не первичной задачей.

Автор утверждает, что следующий перечень шагов предоставляет разработчикам дисциплинированный процесс создания мобильного приложения визуализации.

Отображение. Как визуально кодируется информация? При визуализации числа, строки и другие данные превращаются в графическое представление, которое может характеризоваться рядом визуальных особенностей — линиями, цветами, длинами, позициями, искривлениями, анимацией и т.д. В графическом представлении должны хорошо восприниматься концептуально важные аспекты данных и связей между ними.

Выбор. Какие данные из числа доступных для визуализации являются уместными для данной задачи? С одной стороны, визуализация недостаточного числа данных может привести пользователей к принятию неоптимальных или просто неверных решений. С другой стороны, обременение пользователей излишними данными затруднит анализ соответствующей проблемы. Хотя выбор данных является важным аспектом любой визуализации, он критичен именно для визуализации на мобильных устройствах, поскольку размеры экрана ограничивают доступный для визуализации объем информации.

Представление. Как графические данные представляются на доступном пространстве экрана? Даже если разработчик нашел интуитивно понятный способ отображения и отобрал данные, которые действительно нужны пользователям, приложение все равно будет неэффективным при использовании небольшого дисплея, на котором нельзя показать все данные. Необходимо найти способ презентации данных на доступном экране.

Интерактивность. Какие средства поддерживаются на устройстве для исследования и трансформации визуализированных данных? Высокий уровень интерактивности является существенным для усиления контакта пользователя с исследуемыми данными и совершенствования возможностей исследования данных. Человеческий фактор. Принимаются ли во внимание в интерфейсе человеческие способности к восприятию и осмыслению? Пользователи должны быстро распознавать и интерпретировать визуализируемые данные.

Оценивание. Проверена ли на пользователях эффективность визуализации? Хотя практика оценивания качества интерфейсов с привлечением пользователей широко распространена в области человеко-машинного взаимодействия, в случае интерфейсов мобильных устройств требуется дополнительный анализ. К примеру, использование эмуляторов телефонов приводит к ненадежным результатам, и требуется оценивать такие сложные факторы, как отвлечение внимания.

Авторы еще одной статьи тематической подборки — Нирадж Толия (Niraj Tolia), Дэвид Андерсен (David Andersen) и М. Сатьянарайанан (M. Satyanarayanan). Статья называется «Измерение опыта интерактивных пользователей тонких клиентов» (Quantifying Interactive User Experience on Thin Clients).

После нескольких неудачных стартов в прошлое десятилетие компьютерные системы на основе тонких клиентов наконец получают серьезное внимание и признание. Так, год назад Wall Street Journal предсказывал, что к 2008 году 3 млн. корпоративных настольных систем (10% рынка) станут тонкими клиентами. В качестве предприятий, принимающих на вооружение технологию тонких клиентов, упоминались Time-Warner, Wal-Mart и Пентагон. В Microsoft планируют выпустить удешевленную версию Windows XP, которая преобразует старые персональные компьютеры в тонкие клиенты.

Тонкий клиент состоит из дисплея, клавиатуры и мыши, соединенных с достаточно мощными процессором и памятью для предоставления графических средств и сетевого взаимодействия по специализированному протоколу с вычислительным сервером. Весь код приложений и операционной системы выполняется на сервере. На клиенте не поддерживается долговременное состояние пользователя, и отсутствуют потребности в диске. Стандартный ПК может выполнять функцию тонкого клиента при использовании, специального программного обеспечения, например, Virtual Network Computing (www.realvnc.com).

Авторы описывают подход к количественной оценке влияния сетевых задержек на время реакции и показывают, что пригодность систем на основе тонких клиентов является изменчивой и зависит как от приложения, так и от качества сети. Если гарантируются близкие к идеальным сетевые условия (низкие задержки и высокая пропускная способность), то тонкие клиенты обеспечивают хорошие условия для работы. При деградации качества сети эффективность интерактивной работы снижается. Основной проблемой являются именно задержки, а не пропускная способность. Тесно связанные задачи, такие как графическое редактирование, страдают в большей степени, чем слабо связанные задачи, например, использование Web-браузеров. Комбинация наименее допустимого качества сети и наиболее тесно связанных задач определяет, является ли удовлетворительным для организации подход тонких клиентов.

Альтернативу тонким клиентам представляет подход, основанный на толстых клиентах без состояния (Stateless Thick Clients). При использовании этого подхода сохраняются многие преимущества компьютерных систем на основе тонких клиентов, но устраняется его сильная чувствительность к задержкам в сети. Это достигается за счет асинхронной передачи на клиента большего объема данных о состоянии выполнения приложения и выполнения на основе этого состояния части приложения на локальном процессоре.

Вне тематической подборки опубликованы еще три большие статьи. Первая из них называется «Использование RFID в розничной торговле» (Enabling RFID in Retail); написал статью Джордж Руссос (George Roussos).

Последние два года продемонстрировали взрыв интереса к радиочастотной идентификации (Radio-Frequency Identification, RFID) и поддерживающим ее технологиям. Главным образом это было связано с быстро расширяющимся использованием этого подхода при отслеживании бакалейных продуктов в рамках цепочек поставок. В настоящее время такие приложения отслеживают так называемые «учетные единицы» магазинов, а не индивидуальные товары, поскольку относительно высокая стоимость внедрения RFID и очень низкий размер прибыли супермаркетов делают непрактичной маркировку отдельных товаров.

В то же время, если оставить в стороне экономические и технические аспекты, легко представить себе супермаркет, в котором каждая единица товара маркирована RFID-этикеткой, а все тележки оборудованы считывающими устройствами. Потенциально в тележки могли бы быть встроены компьютеры, распознающие положенные в них продукты и отображающие информацию, полученную от сервера по беспроводной сети. Ту же функцию могли бы исполнять интеллектуальные телефоны, поддерживающие RFID, которые уже сегодня коммерчески доступны и все более популярны.

В статье обсуждаются технические аспекты RFID и проблемы конфиденциальности, возникающие при ее использовании в розничной торговле.

Статья «Варианты синхронизации для проектов хранилищ данных» (Synchronization Options for Data Warehouse Designs) представлена Изабель Кристиной Итальяно (Isabel Cristina Italiano) и Джоао Эдуардо Феррейрой (Joao Eduardo Ferreira).

В последние годы использование хранилищ данных существенно расширилось, и теперь они играют основную роль в процессах поддержки принятия решений многих организаций. Поскольку предприятия часто должны интегрировать данные по установленному графику, важной проблемой стали обновления аналитических баз данных на основе транзакционных источников. Для достижения максимальной эффективности в некоторых бизнес-моделях требуется перенос транзакционных данных в хранилище данных в реальном времени или через изменяющиеся интервалы времени, более короткие, чем интервалы традиционной статической загрузки.

Во многих проектах хранилищ данных по отношению к синхронизации все хранилище трактуется как единственная, однородная сущность. Все хранимые данные обновляются в одно и то же время, в течение одной и той же периодической загрузки. Однако этот подход больше не является правомерным, поскольку для частей хранилища, представляющих разные бизнес-модели, имеются собственные требования к синхронизации, изменяющиеся во времени. По мере развития хранилища данных ИТ-администраторы должны отслеживать изменения среды для настройки синхронизации хранилища.

Обратившись к этой проблеме, авторы создали среду, в которой используются наборы параметров для определения подходящего варианта обновления для конкретной бизнес-модели. Части хранилища синхронизируются через разные интервалы времени в зависимости от источника информации в среде оперативной транзакционной обработки данных, а также в зависимости от требований аналитического приложения.

Последняя статья номера — «Аутентификация методом обмена ключами с использованием разделяемых секретов» (Key-Exchange Authentication Using Shared Secrets) — написана Мохамадом Бадрой (Mohamad Badra) и Ибрагимом Хаджехом (Ibrahim Hajjeh).

Стандарт безопасности транспортного уровня (Transport Layer Security, TLS) обеспечивает безопасность соединения на основе использования аутентификации одноранговых объектов, конфиденциальности и целостности данных, генерации и распределения ключей и согласования параметров безопасности. Естественная интеграция в браузеры и Web-серверы делает TSL наиболее часто используемым протоколом безопасности. Многие разработчики предлагают использовать TSL в беспроводных локальных сетях. Большинство методов протокола расширяемой аутентификации (Extensible Authentication Protocol, EAP), включая EAP-TLS и Protected-EAP2, основываются на обменах TSL.

В спецификациях TLS для взаимной аутентификации и ввода в действие ключа используются сертификаты открытого ключа. Эти сертификаты должны правильно поддерживаться и основываться на инфраструктуре открытых ключей. При их использовании применяется несколько криптографических операций. Использование сертификата — палка о двух концах. Поскольку сертификаты позволяют клиенту и серверу аутентифицировать один другого, требуемое для этого процессорное время влияет на общую производительность и клиента, и сервера. В действительности, когда клиент или сервер получает сертификат, он должен его прочитать и расшифровать, проверить подпись эмитента сертификата, проверить отсутствие сертификата в регулярно обновляемом списке аннулированных сертификатов и проверить цепочку сертификатов, которая, в свою очередь, может включать несколько сертификатов.

Кроме того, объем данных, связанных с сертификатом, может измеряться килобайтами в зависимости от длины открытого ключа. Соответственно возрастает время двухсторонней передачи, требуемой для обмена такими данными по радиоканалу. Это возрастание будет влиять на развертывание и эффективность таких беспроводных сетей как GSM и GPRS, в которых узким местом является пропускная способности.

Авторы расширяют протокол TLS новой схемой аутентификации, основанный на внеполосном разделяемом секретном ключе (Out-of-Band Shared Secret). В предлагаемом расширении TLS, называемом Key-Exchange Method (KEM), обеспечивается сквозной аутентифицированный обмен ключами сессии, и допускаются защита индивидуальности, полная безопасность пересылки и анонимность.

Всех вам благ, Сергей Кузнецов, kuzloc@ispras.ru