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Middlewares e Frameworks para Computação Ubíqua

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Computação Ubíqua

  Uma computação invisível/discreta, realizada por dispositivos no ambiente, e sem intervenção explícita do usuário.

  É o conceito dual de Realidade Virtual: Em vez de inserir o usuário em uma realidade simulada, procura inserir elementos computacionais no mundo real.

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Computação Ubíqua (cont.)

  Foi idealizada por Mark Weiser que imaginou ambientes impregnados de computação, nos quais os dispositivos fazem parte do ambiente (salas de aula, escritórios, edifícios).

  Os ambientes se auto-configuram de acordo com as preferências do usuário, a fim de o ajudar nas suas tarefas

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

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Computação Ubíqua

  Principais Características:   Onipresença   Adaptação   Sistemas Distribuídos e Intuitivos   Mudança na relação homem – máquina

(o papel do homem passa a ser mais passivo x

computador deixa de ser o foco das atenções)

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Infra-estrutura

  Taxonomia de subsistemas ou serviços

  Definida pela equipe do Georgia Tech

www.cc.gatech.edu

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

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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)

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Taxonomia de subsistemas

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

  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

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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

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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

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Taxonomia de subsistemas

  Gerenciamento de Contexto   Fornecem uma abstração do contexto e linguagem   Possível dependência de sensores   Requisitos:

  Linguagem simples e poderosa   Inferência de fatos de nível mais alto

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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

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Projeto Gaia

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

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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

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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.

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Projeto Gaia

  Arquitetura do Gaia:

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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).

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Projeto Gaia - GaiaOS

  2) Unified Object Bus provê 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 .

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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.

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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.

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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.

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Projeto One.world

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Projeto One.world

  Metodologia de design   Foco nos requisitos de aplicações pervasivas   Explorar requisitos mal atendidos nos sistemas

contemporâneos   Definir uma arquitetura de sistema que atenda bem tais

requisitos   Validação com a construção de aplicações   Iteração

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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

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One.world - Arquitetura

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Projeto One.world – Características

  Executa sobre a JVM   O conceito de Ambientes:

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

  Eventos   Tornam as mudanças explícitas para a aplicação.

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Projeto One.world - Cenário

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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

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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 descoberta Faz um scan do ambiente de destino para detectar a chegada da aplicação

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Projeto Aura

Carnegie Mellon University

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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

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Projeto Aura...?

  Desenvolvimento em todos os níveis:   Camadas de hardware e rede   Sistema 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

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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

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Projeto Aura - Arquitetura

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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

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Projeto Aura – Task Manager

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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)

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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.

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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.