Темой мартовского номера журнала Computer являются мобильные устройства отображения (Mobile Displays). Этой теме посвящены три из шести больших статей номера. Приглашенный редактор отсутствует. На этот раз я предпочитаю начать свой обзор номера с тематической подборки.

Первая статья называется «Осведомленные о потреблении энергии пользовательские интерфейсы и адаптивные к ограничениям источников питания дисплеи» («Energy-Aware User Interfaces and Energy-Adaptive Displays»). Авторы статьи: Партасарати Ранганатан, Эрик Грилхоуд, Мира Манахан и Кен Николас (Parthasarathy Ranganathan, partha.ranganathan@hp.com, Erik Geelhoed, Erik.Geelhoed@hp.com, Meera Manahan, Meer.Manahan@hp.com, Ken Nicholas, ken.nicholas@hp.com, Hewlett-Packard Labs).

Среди различных 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 лаптопах и карманных компьютерах часто потребляет более половины общей доступной энергии. Кроме того, мощность, потребляемая дисплеем, традиционно остается практически неизменной в процессе развития компьютерной технологии, что приведет еще к большему увеличению доли энергопотребления устройств отображения в будущих системах.

Разработчики оптимизируют конструкции дисплеев в традиционных системах в расчете на активное ожидаемое использование. Например, в карманном устройстве, которое поддерживает воспроизведение видео, обычно должен иметься дисплей с достаточно крупным экраном, обеспечивающий максимальное количество цветов и высокое разрешение. Имеющиеся подходы к снижению уровня энергопотребления таких устройств направлены на отключение всего 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, в подходе авторов принимается во внимание возможность управления индивидуальными подчастями 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 удовлетворение потребностей наиболее активных рабочей нагрузки или 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. Например, дисплей для карманного компьютера 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 в связи 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 авторов 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 программного обеспечения – осведомленность об энергопотреблении. Это позволяет добиться значительной экономии энергии – в диапазоне от 2-х до 10-ти раз – при сохранении приемлемого для пользователей качества. Работа авторов показывает, что пользовательские интерфейсы должны проектироваться с учетом энергопотребления. Такие интерфейсы, осведомленные об энергопотреблении, могут обеспечить хорошее сочетание преимуществ низкого потребления энергии и большей простоты использования.

Люка Читтано (Luca Chittaro, chittaro@dimi.uniud.it, University of Udine, Italy) 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 и диаграммы. Постоянное совершенствование 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 PDA, мобильным 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. Хотя многими исследователями предложены конкретные методы, в литературе отсутствуют отчеты, предоставляющие широкое обсуждение мобильной визуализации, которое могло бы быть полезно для разработчиков мобильных приложений.

По сравнению с настольными компьютерами, в мобильных устройствах имеется много ограничений, которые должны учитываться разработчиками приложений визуализации:

1. Дисплеи имеют небольшой размер, поддерживают более низкое разрешение, меньшее число цветов и т.д.
2. Соотношение ширины и высоты экрана существенно отличается от обычного 4:3.
3. Более низкими характеристиками обладают ЦП, память, шины и графическая аппаратура.
4. Периферийные устройства ввода, такие как малогабаритная клавиатура, микроджойстики и ролики часто не отвечают требованиям сложных задач.
5. Используются другие методы ввода – например, ввод и распознавание рукописного текста, ввод с помощью стилуса и т.д.
6. Пониженные возможности коннективности, что воздействует на эффективность устройства при использовании существенного объема внешних данных.
7. Конструктивные параметры, производительность и ассортимент устройств ввода у разных моделей мобильных устройств существенно различаются.
8. Доступные в настоящее время инструментальные средства, например, графические библиотеки, предоставляют лишь ограниченные возможности.

Вследствие этих и других факторов приложения визуализации, разработанные для настольных компьютеров, не масштабируются должным образом для мобильных устройств. К сожалению, некоторые из этих ограничений, по всей видимости, сохранятся в ближайшем будущем, поскольку мобильные устройства должны оставаться компактными.

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, и это влияет на восприятие цветов и графики. Кроме того, в мобильных приложениях должны учитываться конкретные потребности пользователей. Например, клинический врач, использующие настольное приложение для выполнения эпидемиологического исследования 10000 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 сопровождении.

Кроме того, внешние условия или активности, в которых участвуют мобильные пользователи, могут затруднять сосредоточение внимания на устройстве. У человека имеется меньше когнитивных ресурсов, когда он толкается в аэропорте или ведет автомашину, чем когда он сидит за столом в офисе или дома. В мобильных ситуациях использование устройства часто становится вторичной, а не первичной задачей.

Как отмечает автор, 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 несколькими визуальными особенностями – 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 (human-computer interaction, HCI), в случае интерфейсов мобильных устройств требуется дополнительный анализ. Например, использование эмуляторов телефонов приводит к ненадежным результатам, и требуется оценивать такие сложные факторы, как отвлечение внимания.

Визуализация является мощным средством, которое может сделать мобильные устройства более удобными и эффективными. С чисто технической точки зрения, создание усложненных мобильных приложений визуализации будет облегчаться наличием новых, возможно, стандартных API, таких как OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems), и все более мощных устройств. Хотя эти усовершенствования не устранят большинство ограничений мобильных устройств и не изменят мобильную среду, они облегчать создание новых подходов и выполнение соответствующих экспериментов.

Авторы последней статьи тематической подборки – Нирадж Толия, Дэвид Андерсен и М. Сатьянарайанан (Niraj Tolia, ntolia@cmu.edu, David G. Andersen, dga@cs.cmu.edu, M. Satyanarayanan, satya@cs.cmu.edu, Carnegie Mellon University). Статья называется «Измерение опыта интерактивных пользователей тонких клиентов» («Quantifying Interactive User Experience on Thin Clients»).

После нескольких неудачных стартов в прошлом десятилетии компьютинг на основе тонких клиентов наконец-то получает серьезное внимание и признание в больших и средних компаниях. Например, год назад Wall Street Journal предсказывал, что к 2008 г. 3 миллиона корпоративных десктопов (10% рынка) станут тонкими клиентами. В качестве предприятий, принимающих на вооружение технологию тонких клиентов, упоминались Time-Warner, Wal-Mart и Pentagon. Компания Microsoft сообщает о намечающемся выпуске удешевленной версии Windows XP, которая преобразует старые персональные компьютер в тонких клиентов.

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 персональный компьютер может выполнять функцию тонкого клиента при использовании, например, программного обеспечения Virtual Network Computing (VNC).

Авторы описывают подход к количественной оценке влияния сетевых задержек (network latency) на время реакции и показывают, что пригодность компьютинга на основе тонких клиентов является изменчивой и зависит как от приложения, так и от качества сети. Если гарантируются близкие к идеальным сетевые условия (низкая латентность и высокая пропускная способность), то тонкие клиенты обеспечивают хорошие условия для работы. При деградации качества сети эффективность интерактивной работы снижается. Основной проблемой является именно латентность, 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 компьютингу на основе тонких клиентов представляет подход толстых клиентов без состояния (stateless thick clients). При использовании этого подхода сохраняются многие преимущества компьютинга 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, g.roussos@bbk.ac.uk, Birkbeck College, University of London).

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 цепочки поставок. В настоящее время такие приложения отслеживают учетные единицы магазинов (store-keeping units, SKU), а не индивидуальные товары, поскольку относительно высокая стоимость внедрения RFID и очень низкий размер прибыли продуктов 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, и все тележки оборудованы считывающими устройствами RFID. 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 являются сегодня коммерчески доступными и все более популярными.

Внедрение технологии RFID на уровне отдельных продуктов позволило бы также организовать быстрые контрольно-кассовые пункты, которые сканировали бы все товары сразу и способствовали бы устранению очередей, являющихся одним из наиболее отрицательных аспектов супермаркетов. Простым расширением этой системы было бы встраивание RFID-устройств в дисконтную карту для идентификации покупателей. Это позволило бы взимать плату за товар прямо со счета покупателя. В статье обсуждаются технические аспекты технологии 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 и Джоао Эдуардо Феррейрой (Isabel Cristina Italiano, ici@ime.usp.br, João Eduardo Ferreira, jef@ime.usp.br, University of São Paulo, Brazil).

В последние годы использование хранилищ данных существенно расширилось, и теперь они играют основную роль в процессах поддержки принятия решений многих организаций. Поскольку многие предприятия теперь 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 данных, представляющих разные бизнес-модели, имеются собственные требования к синхронизации, изменяющиеся во времени. По мере развития хранилища данных администраторы IT должны отслеживать изменения среды для регулировки синхронизации хранилища данных.

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

Последняя статья номера – «Аутентификация методом обмена ключами с использованием секретных ключей» («Key-Exchange Authentication Using Shared Secrets») – написана Мохамадом Бадрой и Ибрагимом Хаджехом (Mohamad Badra, badra@enst.fr, Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications, Paris, Ibrahim Hajjeh, ibrahim.hajjeh@esrgroups.org, Engineering and Scientific Research Groups).

Стандарт безопасности транспортного уровня (Transport Layer Security, TLS, RFC 2246) обеспечивает безопасность соединения на основе использования аутентификации однораговых объектов, конфиденциальности и целостности данных, генерации и распределения ключей и согласования параметров безопасности. Естественная интеграция в браузерах и Web-серверах делает TSL наиболее часто используемым протоколом безопасности. Многие разработчики предлагают использовать TSL в беспроводных сетях, таких как 802.11.1. В действительности, большинство методов протокола расширяемой аутентификации (Extensible Authentication Protocol, EAP, RFC 3748), включая EAP-TLS (RFC 2716) 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 (RFC 2459). При их использовании применяется несколько криптографических операций. Использование сертификата – это 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 списке аннулированных сертификатов (certificate revocation list, CRL – это регулярно обновляемый список аннулированных сертификатов) и проверить цепочку сертификатов, которая, в свою очередь, может включать несколько сертификатов.

Кроме того, объем данных, связанных с сертификатом, может превышать несколько килобайт 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 Global System for Mobile Communications (GSM) и General Packet Radio Service (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, называемом TLS Key-Exchange Method (KEM), обеспечивается сквозной аутентифицированный обмен ключами сессии, и допускаются защита индивидуальности, полная безопасность пересылки (perfect forward secrecy, PFS) и анонимность.