Detecção e configuração automática de hardware para ambientes multiterminais

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1 Detecção e configuração automática de hardware para ambientes multiterminais Abstract. One of the main problems in automatic hardware configuration for multiseat environments is the process of hardware detection and association. This process must be as automatic as possible, aiming to minimize the installation and maintenance costs. The devices present on a machine must be detected and associated to workstations, in a way that each one has at least a mouse, keyboard and monitor. This paper describes these problems and their main solutions, and also presents the Multiseat Display Manager (MDM), a open source tool that performs multiseat automatic configuration. Resumo. Um dos principais problemas na configuração automática de ambientes multiterminais é o processo de detecção e associação de hardware. Este processo deve ser o mais automático possível, visando minimizar os custos de instalação e manutenção. Os dispositivos presentes em uma máquina devem ser detectados e associados a pontos de trabalho de forma que cada um possua ao menos um mouse, teclado e monitor. Este artigo descreve tais problemas e suas principais soluções, além de apresentar o Multiseat Display Manager (MDM), uma ferramenta de código aberto que realiza a configuração automática de multiterminais. 1. Introdução Um multiterminal, ou multiseat, é um computador que possui múltiplos dispositivos de entrada e saída, como monitores, mouses e teclados, de maneira que possa ser utilizado por mais de um usuário de maneira independente, criando diversos pontos de trabalho 1 [Oliveira et al. 2006]. Entre as vantagens no uso de multiterminais estão a melhor utilização dos recursos computacionais, redução de custos, facilidade de manutenção, economia de energia e pontos de rede. Atualmente existem diversas maneiras de criar ambientes multiterminais, nas quais o que varia é basicamente o controle dos dispositivos de vídeo [Zanoni et al. 2008]. A detecção e associação dos dispositivos envolvidos permanece essencialmente a mesma em todas essas soluções. O processo de detecção e associação dos dispositivos consiste em detectar cada um dos dispositivos de entrada e saída que podem ser utilizados pelos usuários (tais como mouses, teclados, placas de vídeo, placas de som e impressoras), agrupá-los e associálos em pontos de trabalho. Em ambientes que não são multiterminais (monoterminais) essa associação é trivial pois há apenas um ponto de trabalho, logo todos os dispositivos detectados são automaticamente associados ao mesmo. Este artigo explica os problemas inerentes à associação e detecção de dispositivos em multiterminais e suas principais soluções. 1 Comumente chamado de estação de trabalho, cabeça, terminal, head ou seat.

2 Sob uma análise superficial, o processo de detecção e associação de dispositivos pode parecer bastante simples e fácil de resolver. Entretanto, ambientes computacionais como os do Projeto Paraná Digital [Castilho et al. 2006] e os laboratórios do Departamento de Informática da Universidade Federal do Paraná (UFPR) possuem inúmeros multiterminais, com hardware heterogêneo, sendo administrados por um número reduzido de pessoas. Em tais sistemas é inviável que cada multiterminal seja configurado separadamente. Portanto, o processo de detecção e associação dos dispositivos deve ser o mais automático possível, reduzindo ao máximo o trabalho dos usuários e administradores. Independentemente da solução multiterminal adotada, o processo de detecção e configuração de dispositivos permanece essencialmente o mesmo. A análise aqui apresentada é importante não só para a compreensão das tecnologias atuais, como também pode ser relevante no desenvolvimento de novas tecnologias. Ainda, como uma das principais vantagens dos ambientes multiterminais é o baixo custo, este artigo enfatiza as soluções livres, em especial as baseadas no conjunto Linux e X Window System. Além disso, é apresentado o Multiseat Display Manager (MDM) [C3SL 2009], um software livre que implementa soluções para alguns dos problemas descritos. O restante deste artigo está organizado da seguinte maneira. A seção 2 apresenta os problemas relacionados à detecção de dispositivos em ambientes multiterminais. A seção 3 explica o processo de associação dos dispositivos detectados. A maneira com que o MDM trata os problemas apresentados é descrita na seção 4. Por fim, a seção 5 apresenta as considerações finais e sugestões de trabalhos futuros. 2. Detecção de dispositivos Um dos desafios na configuração de ambientes multiterminais é detectar e separar corretamente os dispositivos de entrada e saída para que seja possível associá-los a estações de trabalho. A detecção consiste em decidir quais dispositivos serão utilizados a partir de um conjunto de hardware já detectado pelo sistema operacional, obtendo as informações necessárias para, posteriormente, realizar a associação dos dispositivos. Em ambientes monoterminais não há a necessidade de realizar uma detecção tão precisa, pois todos os dispositivos são simplesmente associados ao único usuário do sistema. Em ambientes Linux, toda a entrada referente a mouses e teclados monoterminais é simplesmente repassada ao servidor de janelas (Xorg), que as transmite às aplicações. Já em multiterminais cada dispositivo deve ser identificado e lido separadamente, para que suas as entradas sejam repassadas somente às aplicações que devem recebê-las. Portanto, o processo de detecção em multiterminais deve ser capaz não apenas de detectar os dispositivos, mas também separá-los de maneira segura. Nem sempre é possível identificar com precisão a função de um dispositivo, pois as informações fornecidas pelo hardware podem não ser suficientes para identificá-la. Os dispositivos podem não reportar o que realmente são, informando apenas como deve ser realizada a interação entre o hardware e o sistema [Zeuthen 2009]. Alguns teclados multimídia, por exemplo, possuem diversas funcionalidades e podem mostrar-se ao sistema operacional como sendo um conjunto de dispositivos de diversas funcionalidades. Em ambientes Linux, este problema é tratado associando as informações fornecidas pelo hardware a listas pré-definidas de informações de dispositivos. Uma das principais ferramentas utilizadas para detecção é o Hardware Abstraction Layer (HAL) [Zeuthen 2009].

3 O HAL é um software que obtém informações do kernel e provê a descrição de todo o hardware presente no sistema à aplicações em modo usuário. Na configuração de multiterminais devem ser identificados ao menos dispositivos de vídeo e de entrada (teclado e mouse). Além disso, o sistema pode prover suporte a outros tipos de dispositivos, como pendrives, placas e caixas de som, dispositivos de armazenamento externos, etc. O restante desta seção explica como é feita a detecção em cada caso Dispositivos de Vídeo Os dispositivos de vídeo são reconhecidos da mesma forma pelo Kernel Linux, independentemente do barramento utilizado (PCI, PCI Express ou AGP). Nestes ambientes, é possível obter a lista de todos os dispositivos de vídeo existentes em um computador através do sysfs. O sysfs é um sistema de arquivos virtual que exporta informações sobre drivers e dispositivos de dentro do kernel para o espaço usuário. Como o Kernel Linux exporta informações sobre dispositivos da mesma forma, a detecção de dispositivos de vídeo pode abstrair o barramento utilizado pela placa. Dispositivos de vídeo possuem um número de identificação (device id), número de identificação do fabricante (vendor id) e um número de classe (class). A partir dos números de identificação do dispositivo e do fabricante é possível identificar o modelo e informações técnicas sobre o hardware. O número de classe diferencia os dispositivos por funcionalidade. Placas de vídeo possuem números de classe e sub-classe específicos, 0x03 e 0x00 respectivamente [Shanley and Anderson 1999], utilizado para diferenciá-las de dispositivos com outras funções. Um problema exclusivo de dispositivos de vídeo é a associação entre hardware e driver. A maioria dos drivers de vídeo utilizados hoje em sistemas Linux faz parte do Xorg, e não do kernel. Por este motivo, o Xorg é responsável por fazer esta associação. Todo driver possui uma lista de dispositivos que suporta, utilizada pelo Xorg para descobrir a qual driver associar determinado dispositivo de vídeo. O driver fornece também informações sobre o número de saídas de vídeo que cada placa possui Dispositivos de Entrada A maioria dos dispositivos de entrada utilizam as interfaces PS/2 (Personal System/2) ou USB (Universal Serial Bus). A interface PS/2, atualmente em obsolescência, utiliza um protocolo bidirecional que atende tanto mouses como teclados. Teclados diferenciam-se de mouses por não enviarem o código de identificação do dispositivo (device ID) após terminado o processo de inicialização por reset ou power-on [Chapweske 2009]. A interface USB proporciona uma conexão entre um hospedeiro e dispositivos periféricos [USB-IF 2009a]. Os dispositivos podem pertencer a classes pré-definidas, como dispositivos de visualização, comunicação, áudio, armazenamento e interface humana. A interface USB possui como característica importante ser hot-pluggable. Quando um dispositivo USB é conectado em uma porta USB ele é enumerado pelo subsistema USB do Linux e tem seu descritor lido. O descritor é uma estrutura hierárquica que contém informações sobre o dispositivo e suas propriedades, entre elas a classe, sub-classe e protocolo do dispositivo. Valores padrões são definidos pelo USB Device Working Group

4 [USB-IF 2009b]; por exemplo, mouses e teclados pertencem à classe 0x03 (Human Interface Device), sub-classe 0x01 (boot devices - significando que suportam protocolos pré-definidos implementados no BIOS), e código de protocolo 0x01 para teclados e 0x02 para mouses. 3. Associação de Dispositivos Realizar a associação de hardware em ambientes multiterminais é agrupar os dispositivos existentes fazendo-os trabalhar em conjunto, formando assim pontos de trabalho. A partir do momento em que são associados, esses dispositivos são destinados a atender a um único usuário, independentemente dos outros dispositivos e pontos de trabalho presentes na máquina. Existem três tipos essenciais de dispositivos em um ponto de trabalho: teclado, mouse e monitor. Além desses, existem dispositivos que geralmente são únicos mesmo em máquinas multiterminais, como impressoras, scanners e leitores de CD. Apesar de impressoras e scanners, em geral, serem dispositivos de uso comum a todos os usuários do sistema, no caso dos leitores de CD o sistema de associação deve garantir que apenas o usuário que inseriu o CD possa utilizá-lo. Um problema especial na associação de hardware são os dispositivos hotplug. Dispositivos hotplug são os que podem ser conectados ao sistema sem necessitar reiniciá-lo, como pendrives, telefones celulares, MP3 players, mouses e teclados USB. Para reconhecer estes dispositivos são necessários mecanismos de associação que possibilitem que ela seja feita não somente de maneira estática, antes de configurar os pontos de trabalho, mas à medida em que os dispositivos são inseridos e retirados da máquina. Existem duas maneiras principais de realizar a associação de dispositivos: dividindo os dispositivos em hubs USB e agrupando-os por request/reply Associação por hubs USB Uma solução adotada para realizar a associação de dispositivos é dividi-los por hubs USB. Cada hub USB é associado a uma placa de vídeo (monitor), formando um ponto de trabalho. Todos os dispositivos ligados em um determinado hub serão associados ao ponto de trabalho correspondente. Esta abordagem simplifica a utilização de quaisquer dispositivos USB, como pendrives, placas de som USB e dispositivos hotplug em geral, permitindo que sejam associados diretamente ao ponto de trabalho que utiliza o hub USB ao qual o dispositivo foi ligado. Apesar disso, são necessários tantos hubs USB quanto pontos de trabalho, e a associação de outros tipos de dispositivos, como PS/2 ou PCI, não é tratada Associação por request/reply Uma outra solução é a associação por request/reply. Neste tipo de associação, é exibido um request em cada monitor, por exemplo, o pedido de acionamento de determinada tecla ou botão do mouse. Cada monitor exibe um request diferente, de forma que ao receber o reply, enviado manualmente pelo usuário, o sistema possa reconhecer qual foi o monitor que o requisitou e associá-lo ao dispositivo. Para utilizar dispositivos hotplugs utilizando este tipo de associação, o sistema possui uma interface que garante a segurança

5 no acesso ao dispositivo. Antes de conectar o dispositivo, o usuário deve sinalizar através desta interface, avisando ao sistema que o próximo dispositivo hotplug conectado deve ser associado ao seu ponto de trabalho. Por questões de segurança, esta interface deve possuir um timeout para a conexão do dispositivo e alertar os demais usuários do sistema sempre que um usuário utilizar esta interface. Um dos problemas da associação por request/reply é a necessidade de configurar uma interface antes de utilizá-la; após configurado um ponto de trabalho, não é possível trocar, remover ou adicionar dispositivos já associados, a menos que o sistema forneça uma forma de voltar à interface de configuração. Esta abordagem não permite também a associação de determinados tipos dispositivos, como placas de som, devido à dificuldade de implementar resposta do usuário para associação. 4. O Multiseat Display Manager O Multiseat Display Manager (MDM) [C3SL 2009] é um software que configura automaticamente computadores multiterminais. Ele foi elaborado de forma genérica, podendo suportar diversos tipos de soluções multiterminais para Linux, como as baseadas em Xnest, Xephyr, múltiplas instâncias do Xorg e outras. O MDM é um software livre e está sendo utilizado em centenas de multiterminais dos departamentos de Informática, Estatística e Matemática Industrial da Universidade Federal do Paraná (UFPR). O MDM detecta os dispositivos de entrada através do HAL; entretanto essa detecção não é completamente precisa. Um dispositivo físico com múltiplas funcionalidades, como por exemplo um teclado multimídia, pode ser mostrado pelo HAL como sendo mais de um dispositivo de entrada, fazendo com o que o MDM interprete que há mais dispositivos que os realmente existentes no computador. Porém, detectar mais dispositivos de entrada não é um problema, pois o MDM considera que o número de pontos de trabalho é igual à quantidade de dispositivos de vídeo detectados, e não de mouses ou teclados. A detecção de dispositivos de vídeo é feita através das informações device id e vendor id fornecidas pelos dispositivos. Esses identificadores são localizados em listas pré-existentes que informam quais drivers de vídeo suportam quais dispositivos. O problema desse método é que ele exige que as listas estejam corretas, e por isso será futuramente substituído por outro método que delegue toda a responsabilidade de detecção de drivers para o servidor X. A associação de dispositivos é feita pelo método descrito na seção 3.2. É importante também ressaltar que o MDM detecta e configura apenas mouses, teclados e placas de vídeo. Outros dispositivos como pendrives, placas de som e leitores de CD não são afetados pelo MDM. 5. Conclusão e trabalhos futuros Este trabalho analisa os problemas relacionados a detecção e associação automática de hardware em ambientes multiterminais, bem como descreve suas principais soluções. Além disso, foi apresentado também o MDM, um software livre responsável por configurar automaticamente computadores multiterminais, implementando algumas das soluções apresentadas.

6 Dentre os possíveis trabalhos futuros podem ser desenvolvidos melhores métodos de detecção de dispositivos de entrada e saída (sobretudo detecção de drivers de vídeo), bem como novos métodos de associação de dispositivos. Além disso, pouco trabalho foi desenvolvido com relação à detecção e a associação de dispositivos como os de som, microfones, leitores de CD e outros. O desenvolvimento nessas áreas pode gerar também resultados bastante relevantes para os usuários de multiterminais. Por fim, a utilização e o desenvolvimento das ferramentas já existentes também é um trabalho importante e que beneficiará o desenvolvimento dos multiterminais. Referências C3SL (2009). Multiseat Display Manager. multiseat/index.php/mdm. Acessado em 14 de abril de Castilho, M. A., Sunye, M. S., Weingaerter, D., Bona, L. C. E., Silva, F., Direne, A. I., Garcia, L. S., and Guedes, A. L. P. (2006). Making government policies for education possible by means of Open Source technology: a successful case, volume 1. Hershey - USA: Idea Group Publishing, 1st edition. Chapweske, A. (2009). The PS/2 Mouse Interface. computer-engineering.org/ps2mouse/. Acessado em 12 de abril de Oliveira, A. C., Vignatti, T., Weigaertner, D., Silva, F., Castilho, M., and Sunye, M. (2006). Um modelo de computação multiusuário baseado em computadores pessoais. VII Workshop de Software Livre, pages Shanley, T. and Anderson, D. (1999). PCI System Architecture. Addison-Wesley, 4th edition. USB-IF (2009a). USB 2.0 Specification. docs. Acessado em 14 de abril de USB-IF (2009b). USB Device Working Group. dwg_chapter/. Acessado em 14 de abril de Zanoni, P. R., Vignatti, T., Oliveira, A. C., Silva, F., and Bona, L. C. E. (2008). O Estado Atual dos Multiterminais. IX Workshop de Sofware Livre. Zeuthen, D. (2009). HAL Specification. org/ david/hal-spec/hal-spec.html. Acessado em 14 de abril de 2009.