Frameworks e Middleware para Computação Ubíqua

MAC 57432o. Semestre de 2004

Fernando A. de Sousa

Road Map

Definição de conceitos básicosFrameworkMiddlewareComputação Ubíqua

Mas o que é mesmo essa tal de computação ubíqua?Breve histórico e proposta – Mark Weiser Infra-estruturaProblemas

Road Map

Projetos de Computação UbíquaGaiaOne.worldAura

Referências

Conceitos Básicos

O que é Framework?

O que é Middleware?

Pacotes de software que fornecem uma solução genérica para um determinado domínio de aplicação. Um framework define um projeto abstrato para soluções de problemas de uma família de aplicações dentro de um domínio.

Camada de software que não constitue diretamente uma aplicação, mas que é intermediária entre a camada da mesma e o ambiente de execução. A camada de middleware concentra serviços diversos cuja função é facilitar o desenvolvimento.

Conceitos Básicos

Computação UbíquaComputação Pervasiva ou Computação Ubíqua é o termo utilizado para referenciar a integração da computação móvel e onipresente com o espaço físico. É um tipo de computação distribuída realizada por dispositivos de computação que atuam de forma discreta nos ambientes onde estão implantados

Computação Ubíqua x Realidade VirtualIdéias Opostas: Uma baseia-se na inserção do homem em uma realidade simulada e a outra procura inserir e adaptar novos elementos à realidade humana.

Mas o que é mesmo essa tal Computação Ubíqua?

Idealizada por Mark Weiser que imaginou ambientes impregnados de computação, nos quais os dispositivos estão totalmente adaptados ao cotidiano.

Ambientes: espaços físicos quaisquer – salas de aula, escritórios, edifícios.

Calm Technology: a integração é tranqüila e até imperceptível (computação invisível).

O que é mesmo essa tal Computação Ubíqua?

Principais Características:OnipresençaAdaptaçãoSistemas Distribuídos e Intuitivos

- Contexto e ComunicaçãoMudança na relação homem – máquina

(o papel do homem passa a ser mais passivo x

computador deixa de ser o foco das atenções)

Infra-estrutura

Taxonomia de subsistemas ou serviços

Definida pela equipe do Georgia Techwww.cc.gatech.edu

A idéia de utilizar camada de middleware para conseguir minimizar o problema da heterogeneidade.

Taxonomia de subsistemas

Registro e Descoberta Registro, remoção e pesquisa de recursos

ou serviços Aspectos considerados para as operações

(palavra-chave, tipo, subtipo, fornecedor, custo; contexto – localização, conectividade, reserva de energia, etc.)

Elementos de diferentes abstrações podem ser registrados e descobertos (equipamentos, serviços, usuários... Qualquer objeto)

Taxonomia de subsistemas

Serviço e Assinatura (assinatura de serviços) Clientes assinam serviço disponibilizadoIntermediação:

Encapsula características de provedor de serviços propiciando interoperabilidade, troca de provedores, serviços distribuídos (balanceamento de carga, redução de latência,...)

Requisitos: Interface Extensível Escalabilidade Transparência em relação à rede Eficiência: rápida transferência de mensagens

Taxonomia de subsistemas

Armazenamento e envio de dados seriados Coordenação da transferência e

armazenamento distribuído de grandes estruturas de dados

Torna transparente o espalhamento, a redundância, a replicação

Resolve alguns problemas de conectividade, disponibilidade e latência

Taxonomia de subsistemas

Compartilhamento de Recursos Objetivo de tentar diminuir a subutilização de

recursos computacionais Funções básicas:

Procurar recursos adequados Alocar e desalocar recursos Contabilizar o uso Implementar políticas de utilização

Delegação de processamento sensível ao nível de energia

Taxonomia de subsistemas

Gerenciamento de ContextoFornecem uma abstração do contexto e

linguagemPossível dependência de sensoresRequisitos:

Linguagem simples e poderosa Inferência de fatos de nível mais alto

Problemas

Alguns dos desafios e problemas enfrentados pela UC: Tentar fazer das UCAs killer applications Criar sistemas tolerantes a falhas Interoperabilidade Sensibilidade ao Contexto Garantir Privacidade Custo dos dispositivos computacionais Baixo consumo de energia

Projeto Gaia

Universidade de Illinois Origem : Projeto 2K – também da Univ. de Illinois 2K tem origem no Choices

Projeto Gaia - Origens

Choices Um dos primeiros SODs Orientado a objetos – flexibilidade, extensibilidade Queriam provar que é possível construir um S.O. em C++ Arquitetura geral é definida como um framework Exokernel: radicalização da idéia de microkernel

2K Motivação: construir um Choices distribuído para a Internet Abordagem: middleware-level OS

Para resolver a questão da heterogeneidade de hardware e software / alguns problemas por causa da inflexibilidade e peso das plataformas

Projeto Gaia

Estender as idéias do 2K para computação Ubíqua: um SO para espaços ativos.

Espaço Ativo: Ambiente de computação composto por um espaço físico qualquer enriquecido com dispositivos eletro-eletrônicos capazes de realizar algum tipo de computação útil aos freqüentadores do ambiente.

Projeto Gaia

Arquitetura do Gaia:

Projeto Gaia - GaiaOS

1) Alguns dos Serviços do Kernel Gerenciador de Eventos: distribuir informações

entre os componentes mantendo o fraco acoplamento

Repositório do Espaço: interface para a busca de entidades específicas baseadas em condições como localização, tipo de serviço e disponibilidade de recursos.

Serviço de Autenticação e Controle de Acesso: utilização de credenciais e papéis (perfis).

Projeto Gaia - GaiaOS

2) Unified Object Busprovê ferramentas para manipular uniformemente componentes heterogêneos que estão executando no sistema.

Manipulação do ciclo de vida dos componentes de sistema e de aplicação

Define 4 abstrações básicas: “Unified Component”, “Component Manager”, “Component Container” e o UOBHost.

Componente Unificado: são os elementos básicos do UOB. Seguem um esquema de nomenclatura comum e seu ciclo de vida pode ser gerenciado dinamicamente independentemente de seu modelo de componentes e sua localização .

Projeto Gaia - GaiaOS

2) Unified Object Bus Gerenciador de Componentes: determina a interface para

manipular o ciclo de vida de componentes e encapsula a funcionalidade de integrar diferentes modelos de componentes; entretanto há um gerenciador para cada modelo de componentes integrado.

Component Container: provê o ambiente de execução para os componentes e determina a funcionalidade de gerenciar as dependências dos componentes que contém.

UOBHost: qualquer dispositivo capaz de hospedar a execução de componentes. Determinam a funcionalidade de criar, remover Component Containers, bem como criar componentes em containers específicos.

Projeto Gaia – Modelo de Aplicações

Framework padrão para aplicações ubíquas

MVC para Espaços ativos: MPACC Model – O modelo é a implementação da estrutura central da aplicação, que normalmente consiste nos dados e na interface programável para manipulá-los.

Projeto Gaia – Modelo de Aplicações

Presentation – É a externalização física do modelo que permite aos usuários percebê-lo através de um ou mais sentidos.

Adapter – É o componente responsável por adaptar o formato dos dados do modelo às características de um dispositivo de saída.

Controller – Determina mecanismos para modificar o estado do modelo. Entretanto, diferentemente do controlador padrão do MVC, o controlador definido pelo MPACC coordena não apenas os dispositivos de entrada, mas qualquer origem de contexto físico e digital que pode afetar a aplicação.

Coordinator – O coordenador é um componente de meta-nível que gerencia a composição da aplicação e aplica políticas de adaptação baseadas nos aspectos funcionais e não funcionais da aplicação.

Projeto One.world

Projeto One.world

Metodologia de designFoco nos requisitos de aplicações

pervasivasExplorar requisitos mal atendidos nos

sistemas contemporâneosDefinir uma arquitetura de sistema que

atenda bem tais requisitosValidação com a construção de aplicações Iteração

Projeto One.world

Pontos Importantes: Aceitar a mudança de contexto – é impraticável

considerar isso problema do usuário Encorajar composição Ad Hoc – usuários

esperam que dispositivos e aplicações “pluguem” juntos.

Compartilhamento é default – as aplicações precisam compartilhar facilmente a informação através do tempo e dos dispositivos

One.world - Arquitetura

Projeto One.world – Características

Executa sobre a JVMO conceito de Ambientes:

Agem como espaços de endereços, armazenam dados persistentes, facilitam composição e migração

EventosTornam as mudanças explícitas para a

aplicação.

Projeto One.world - Cenário

One.world – Serviço de Descoberta

Mecanismo de Rendezvous: encontrar recursos com localização desconhecida ou em constante alteração

Provê um serviço de lookup que mapeia descrições de recursos à handlers de eventos

Eleições (auto-gerenciamento): Servidor se anuncia periodicamente através de

broadcasts UDP Eleição é convocada quando detecta-se 2 anúncios

perdidos, quando o servidor falha ou quando a máquina é desligada

Algoritmo de eleição simples

One.world – Outros destaques

Migração: cópia ou movimentação de ambientes e todo o seu conteúdo (operação atômica)

Emcee: Gerenciamento de usuários e aplicações.

Shell gráfico com interface drag and drop para o gerenciamento dos ambientes (árvore)Depende do serviço de migração e do serviço de descobertaFaz um scan do ambiente de destino para detectar a chegada da aplicação

Projeto Aura

Carnegie Mellon University

Projeto Aura - Objetivos

Prover ao usuário um ambiente de computação invisível, particular e repleto de serviços, que o acompanha onde quer que ele vá: sua Aura.

Redução da exigência da atenção do usuário (lei de Moore)

Conseguir escalabilidade para cenário com usuários móveis em um ambiente propenso a falhas e com variabilidade de recursos

Projeto Aura...?

Desenvolvimento em todos os níveis:Camadas de hardware e redeSistema operacional e middleware Interface de usuário e aplicações

Projetos paralelos o compõe:Coda: sistema de arquivos distribuído que

apresenta replicação, segurança, tolerância a falhas, adaptação às mudanças de largura de banda

Projeto Aura - Composição

Projetos paralelos o compõe:Odissey: extensão do sistema operacional

que é responsável pela adaptação, sensibilidade a contexto – monitora recursos.

Spectra: mecanismo adaptativo para execução de chamadas remotas – também há sensibilidade ao contexto

Projeto Aura - Arquitetura

Projeto Aura – Alguns destaques

Pró-atividade / auto ajuste tentativa de inferir requisições de uma camada mais

alta. As camadas adaptam-se ajustando a sua performance e o uso de recursos observando a demanda – fatores que colaboram para reduzir a necessidade de atenção do usuário

Gerenciador de Tarefas - Prisma Processos que estavam sendo executados

anteriormente podem ter que se adaptar a um novo contexto – congelamento das aplicações e restauração quando os recursos estão novamente presentes

Projeto Aura – Task Manager

Outros Projetos de UC

Ninja (Berkeley) Oxygen (MIT) Future Computing Environments (Georgia Tech) Pervasive Computing (IBM) Ubicomp (Universität Karlsruhe) Multimodal Interfaces (CMU) Portolano (UW) Ubiquitous Computing (Xerox Parc) Endeavour (Berkeley) Cooltown (HP) Easy Living (Microsoft)

Referências

Gaia Project: http://gaia.cs.uiuc.edu/One.world: http://cs.nyu.edu/rgrimm/one.world/ Aura: http://www-2.cs.cmu.edu/~aura/

[AMCRC04] Jalal AlMuhtadi, Shiva Chetan, Anand Ranganathan, and Roy Campbell. Super spaces: A middleware for largescale pervasive computing environments. In Proceedings of the Second IEEE Annual Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops, page 198. IEEE Computer Society, 2004.

[DoCS] University of Illinois at UrbanaChampaign Departament of Computer Science. Gaia project, active spaces for ubiquitous computing. http://gaia.cs.uiuc.edu. [dW] Universidade de Washington. Projeto one.world. http://one.cs.washington.edu.

[ea04a] CarlFredrik et al. A contextaware middleware for applications in mobile ad hoc envirnments. In Proceedings of 2nd Workshop on Middleware for Pervasive and AdHoc Computing, pages 107--110. ACM Press, 2004.

[ea04b] Suskil K. Prasad et al. Syd: a middleware testbed for collaborative applications over small heterogeneous devices and data stores. In Proceedings of the International Middleware Conference, pages 352--371, Toronto, Canada, October 2004. Springer.

[Gri02] Robert Grimm. System Support for Pervasive Applications. PhD thesis, Washington University, October 2002.

Referências [HM04] Markus C. Huebscher and Julie A. McCann. Adaptive middleware for context aware

applications in smarthomes. In Proceedings of the 2nd workshop on Middleware for pervasive and adhoc computing, pages 111--116. ACM Press, 2004.

[MMH04] Mirco Musolesi, Cecilia Mascolo, and Stephen Hailes. Adapting asynchronous messaging middleware to ad hoc networking. In Proceedings of the 2nd workshop on Middleware for pervasive and adhoc computing, pages 121--126. ACM Press, 2004.

[RAM + 04] U. Ramachandran, Gregory Abowd, Martin Modahl, Bikash Agarwalla, and Scott Saponas. Toward a standad ubiquitous computing framework. In Proceedings of 2nd Workshop on Middleware for Pervasive and AdHoc Computing, pages 135--139. ACM Press, 2004.

[RBH04] Peter Rigole, Yolande Berbers, and Tom Holvoet. Mobile adaptive tasks guided by resource contracts. In Proceedings of the 2nd workshop on Middleware for pervasive and adhoc computing, pages 117--120. ACM Press, 2004.

[RHC + 02] Manuel Rom’an, Christopher Hess, Renato Cerqueira, Anand Ranganathan, Roy H. Campbell, and Klara Nahrstedt. A middleware infrastructure for active spaces. IEEE

Pervasive Computing, 1(4):74--83, 2002. [SG02] Jo”ao Pedro Sousa and David Garlan. Aura: an architectural framework for user

mobility in ubiquitous computing environments. In Proceedings of the IFIP 17th World Computer Congress TC2 Stream / 3rd IEEE/IFIP Conference on Software Architecture, pages 29--43. Kluwer, B.V., 2002.