BlueVirus: Um middleware orientado a mensagem para computação móvel utilizando colaboração entre dispositivos

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1 BlueVirus: Um middleware orientado a mensagem para computação móvel utilizando colaboração entre dispositivos Julio C. Damasceno 1, Davi Junio S. de Oliveira 2 1 Centro de Informática Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) Caixa Postal Recife PE Brasil 2 Centro de Tecnologia da Informação e Comunicação Universidade Federal do Pará (UFPA) - Santarém - PA - Brasil Abstract. The networks composed of mobile devices are extremely dynamic, connections and disconnections of devices occur frequently, thus causing problems in communication and scalability. Given that it is necessary to the existence of an infrastructure of software suitable for these environments. This article presents the BlueVirus, a message oriented middleware for mobile computing. That treat from the issues of mobility, through the use of publish/subscribe communication model and a mechanism of spreading messages between mobile devices, called contamination. Resumo. As redes compostas por dispositivos móveis são extremamente dinâmicas, conexões e desconexões de dispositivos ocorrem freqüentemente, causando assim problemas de comunicação e escalabilidade. Diante disso fazse necessário a existência de uma infra-estrutura de software adequada para estes ambientes. Este artigo apresenta o BlueVirus, um middleware orientado a mensagem para computação móvel. Que trata as questões provenientes da mobilidade, através do uso do modelo de comunicação publish-subscribe e um mecanismo de propagação de mensagens entre dispositivos móveis, denominado contaminação. 1. Introdução Os dispositivos móveis tornaram-se bastante populares atualmente, assim como, a incorporação de diversas tecnologias de rede, além um maior poder computacional. Esses fatos impulsionam cada vez mais a demanda por novos serviços [Conti and Gregori 2005], que venham fazer uso dos recursos agora disponíveis na plataforma de computação móvel Esses serviços podem ser os mais variados possíveis e aplicados aos mais diversos domínios [Tschudin et al. 2005], como: o recebimento de informativos sobre temas que o usuário tem interesse, a troca de mensagens por meio de instant messengers, o compartilhamento de arquivos, entre outros. Entretanto são poucos os modelos de infra-estrutura de software para computação móvel, devido as formas tradicionais de comunicação, como o modelo request-response,

2 não serem bastante adequadas para as redes de dispositivos móveis. Pois estas têm características especiais, como uma grande dinâmica de rede, o que ocasiona constantes mudanças na topologia e problemas de escalabilidade[herrmann et al. 2007]. Este trabalho propõe então o BlueVirus, um middleware orientado a mensagem, que fornece um serviço de comunicação assíncrona, com base no modelo publish/subscribe [Eugster et al. 2003]. Onde é possível realizar a interação, usando Bluetooth, entre um host fixo, cujo papel é a publicação de mensagens, e um host móvel, que recebe as mensagens publicadas de acordo com interesse previamente estabelecido por determinados tópicos. Além disso, os hosts móveis podem propagar as mensagens recebidas para outros hosts móveis, sendo essa interação chamada de contaminação. O restante do artigo está organizado da seguinte forma. A Seção 2 apresenta os trabalhos relacionados. A Seção 1 apresenta os conceitos básicos de middleware orientado a mensagem e redes de dispositivos móveis. A Seção 4 apresenta a proposta de middleware, onde é definida a arquitetura, a função dos componentes, a interação entre estes. Na Seção 5 é apresentada uma avaliação da aplicabilidade do middleware e por fim na Seção 6 são apresentadas algumas conclusões e direções para trabalhos futuros. 2. Trabalhos Relacionados Alguns sistemas de middleware têm sido desenvolvidos para computação móvel. O RME (RMI for J2ME) [Pereira et al. 2004] é um middleware que fornece aos desenvolvedores de aplicações distribuídas um serviço de invocação remota de métodos para dispositivos que suportem a plataforma J2ME (Java 2 Platform Micro Edition) e o perfil MIDP/CLDC (Mobile Information Device Profile/Connected Limited Device Configuration), utilizando a mesma sintaxe do Java RMI (Remote Method Invocation), também oferece a possibilidade de reconfiguração estática e, assim como a solução proposta neste trabalho, permite heterogeneidade de dispositivos, podendo tanto ser executado em computadores pessoais quanto em dispositivos móveis. o ISAM (Infra-estrutura de Suporte a Aplicações Móveis Distribuídas) [Augustin et al. 2001] um middleware para aplicações móveis distribuídas, que aborda a adaptação de maneira uniforme, fornecendo-a nas dimensões temporal, espacial e pessoal, possibilitando assim, mecanismos para a execução de aplicações sensíveis ao contexto. Vale ainda ressaltar que a adaptação ocorre de maneira colaborativa, onde tanto o sistema quanto a aplicação colaboram na decisão de adaptação. E finalmente temos o EMMA (Epidemic Messaging Middleware for Ad hoc networks) [Musolesi et al. 2005], uma implementação do Java Message Service (JMS) [Richards et al. 2009], que incorpora um mecanismo epidemico de roteamento para facilitar a entrega de mensagem. Este middleware fornece comunicação peer-to-pear (pontoa-ponto) bem como mecanismos publish/subscribe. Todos os middleware mencionados procuram tratar de alguma forma os problemas que advêm da mobilidade. A solução abordado no EMMA é a única que adota o modelo de comunicação orientado a mensagem, a mesmo utilizada na abordagem proposta neste trabalho (chamada BlueVirus), porém o protocolo de roteamento epidemico não garante a confiabilidade na entrega de mensagens. O ISAM também faz uso da tecnologia Bluetooth [Augustin et al. 2001], que está bastante difundida em vários dispositivos móveis, em

3 especial nos aparelhos celulares. Tendo em vista as lacunas deixadas por estas soluções, o BlueVirus surge como solução para a comunicação entre dispositivos heterogêneos em ambientes dinâmicos onde a confiabilidade na entrega das mensagens é necessária. 3. Conceitos Básicos Um Middleware Orientado a Mensagem (MOM), realiza a troca de mensagem através de uma comunicação assíncrona e indireta entre as aplicações cliente, dessa forma, os clientes devem interagir por meio de uma entidade intermediária, que é responsável pelo gerenciamento da troca de mensagem. Esse modelo de comunicação provê o desacoplamento no tempo, no espaço e no fluxo [Eugster et al. 2003], ou seja, os clientes que desejam se comunicar não precisam estar ativos ao mesmo tempo, não precisam possuir uma referência de endereço dos outros clientes da interação e não ficam bloqueados a espera de uma resposta ou confirmação de recebimento da solicitação enviada. Devido a essas características um MOM revela-se uma infra-estrutura de software bastante adequada para uso em redes de dispositivos móveis [Eisenhauer et al. 2006], cujo ambiente é bastante dinâmico. Onde a conexão e a desconexão de hosts ocorre freqüentemente, o que ocasiona problemas de comunicação, pois o par com que se deseja interagir pode não estar ativo no momento, e além disso, o endereço dos hosts provavelmente não é conhecido previamente. Outro ponto a ser destacado em um MOM é a possibilidade de uso do modelo de comunicação por troca de mensagem publish-subscribe, onde uma entidade produtora de mensagem, denominada publish, envia através de um canal virtual, chamado tópico, uma mensagem para entidades consumidoras de mensagem, denominadas subscribers [Fiege et al. 2006]. No modelo acima cada tópico é associado a um tema dentro da área para qual o middleware está sendo aplicado, com exceção de alguns tópicos usados para funções de gerenciamento e controle do próprio middleware. Por isso, uma mensagem enviada por um publish, por meio de determinado tópico, deve ter relação com o tema que este representa. Assim como, para que os subscribers recebam as mensagens enviadas, devem registrar previamente o seu interesse em determinados tópicos. 4. Proposta O BlueVirus é um middleware orientado a mensagem, que fornece para os aplicações clientes um serviço de troca de mensagem, de maneira assíncrona e baseado no modelo publish-subscribe, onde os clientes que são executados em dispositivos fixos e com suporte a plataforma J2SE (Java 2 Platform Standart Edition), atuam como publish, produzindo mensagens, já os clientes que são executados em dispositivos móveis e com suporte a plataforma J2ME [Li and Knudsen 2005] e Bluetooth [Hopkins and Antony 2008], tem o papel de subscribe, consumindo as mensagens produzidas. Para a realização das operações de produção e consumo de mensagem, as aplicações clientes do serviço devem fazer uso de uma API (Application Programming Interface) que engloba uma série de funções relacionadas aos componentes do middleware.

4 A arquitetura completa do BlueVirus, assim como a relação dos seus componentes pode ser observada na Figura 1. De acordo com esta figura também é possível verificar que o BlueVirus está localizado acima da JVM (Java Virtual Machine) [Richards et al. 2009], [Hitchens 2002] das plataformas J2ME ou J2SE, suportando assim a heterogeneidade de sistemas operacionais para os quais existe uma implementação disponível da JVM. Figure 1. Arquitetura do BlueVirus Os componentes do middleware estão dispostos em duas camadas, Camada de Distribuição e Camada de Comunicação, que cooperam para o fornecimento de serviços que atendam as necessidades das aplicações e se adeqüem aos aspectos do ambiente de computação móvel. A Camada de Distribuição tem a função de prover mecanismos para a interação entre aplicações fisicamente ou logicamente distribuídas. Seus componentes são os seguintes: InitialContext: usado pelas aplicações para acessar as funcionalidades do Naming Service; Naming Service: utilizado para armazena e gerenciar objetos tópicos, os quais contêm informações relativas aos tópicos existentes no Topic Manager; Topic Manager: gerencia e armazena os tópicos e as mensagens contidas nestes; SessionFactory: realiza a criação de uma Session para as aplicações cliente; Session: agrega funções para a produção ou consumo de mensagem; Profile: usado para registrar o interesse em determinados tópicos; Já a Camada de Comunicação é responsável por prover o transporte de mensagem (por exemplo, nas interações das aplicações cliente e operações de controle e gerenciamento do middleware). Seus componentes são os seguintes:

5 Marshalling [Liu 2001], [Voelter et al. 2004]: realiza a serialização ou deserialização das mensagens; Crypt: recebe um array de bytes para realizar neste a encriptação ou decriptação; TransportFactory: realiza a criação das conexões de rede para envio e recebimento de mensagens serializadas; TransportTCP: gerencia as conexões que usam o protocolo TCP (Transport Control Protocol); TransportBluetooth: gerencia as conexões que utilizam o protocolo Bluetooth; 5. Avaliação do BlueVirus Nesta seção foram definidos os passos para avaliação do BlueVirus. Inicialmente, apresentamos um cenário de aplicação do middleware, e as aplicações utilizadas na avaliação da aplicabilidade Cenário de Aplicação O cenário definido foi um sistema de divulgação de promoções para um shopping center, onde as lojas podem divulgar suas promoções enviando mensagens para os clientes interessados em determinadas categorias de produto (por exemplo, informática, papelaria e vestuário). Nesse cenário os tópicos são representados pelas diversas categorias de produto e as mensagens tornam-se os informativos promocionais. Cada loja é dotada de uma estação de trabalho, que comunica-se com o Topic- Manager utilizando o Naming Service para realizar a postagem dos informativos. Já os usuários do shopping center ao circularem com seus aparelhos celulares recebem as mensagens através de algum Gateway que atua como proxy possibilitando que estes possam acessar o Topic Manager e receber as mensagens dos tópicos nos quais tem interesse e, eventualmente, repassar para outros usuários. Na Figura 2 podemos observar a disposição dos elementos citados acima. Figure 2. Cenário de Avaliação 5.2. Aplicações do Sistema de Divulgação de Promoções Foram definidas duas aplicações para o Sistema de Divulgação de Promoções que fazem uso da API do BlueVirus. Uma a ser executada em ambiente desktop, implementada sobre

6 a plataforma J2SE, e a outra um MIDlet (Mobile Information Device Profile Application) [Muchow 2001], implementado sobre a plataforma J2ME. A aplicação desktop implementa operações para manipulação de categorias de produtos e informativos promocionais. As operações destinadas a categorias de produtos são estas: criação, alteração e exclusão de uma categoria. Já as operações para tratamento de informativos promocionais são estas: postagem, alteração, remoção e recuperação de informativos, sendo definida ainda uma operação para obtenção do número de informativos contidos em determinada categoria. A Figura 3 mostra a postagem de um novo informativo promocional, com o preenchimento a qual categoria pertence à promoção, os seus detalhes e a sua validade. Figure 3. Postagem de Mensagem A outra aplicação cliente foi projetada para execução em dispositivos móveis. Um MIDlet que recupera os informativos promocionais de determinada categoria, além de conter também um Profile para realizar a contaminação entre dispositivos. Para ser contaminado, conforme mostrado na Figura 4, o dispositivo necessita, além do MI- Dlet instalado, ter a função Bluettoth ativada e estar previamente cadastro em algum dos tópicos disponíveis. Figure 4. Contaminação entre dispositivos móveis De posse das mensagens o usuário poderá repassá-las a outro usuário móvel que também tenha interesse comum naquela informação, realizando a contaminação,

7 que é o mecanismo usado para garantir a disponibilidade do serviço de troca de mensagens mesmo na ocorrência de alguma falha, pois os usuários contaminados são agora também potenciais servidores de mensagem. Além disso, também possibilita o crescimento do sistema, em termos de usuários do serviço, sem comprometer o desempenho, devido ao fato citado acima, onde os usuários tornam-se servidores também a medida que recebem mensagens, conforme podemos observar na Figura 5. Figure 5. Casos de Uso da Contaminação 6. Conclusão e Trabalhos Futuros Este artigo apresentou alguns aspectos do projeto, implementação, e avaliação de um middleware orientado a mensagem para computação móvel, o BlueVirus. O middleware proposto fornece o serviço de troca de mensagem, baseado no modelo publish-subscribe [Eugster et al. 2003], através de uma comunicação assíncrona, para interação entre dispositivos móveis e computadores pessoais, e entre dispositivos móveis. Em relação ao BlueVirus, alguns aspectos podem ser observados. Primeiramente, o middleware demonstra que o modelo publish-subscribe (comunicação assíncrona) é mais adequado para redes de dispositivos móveis que o tradicional modelo resquestresponse [Menasce 2005]. Em especial, como as mensagens estão armazenadas nos tópicos, no momento em que um dispositivo móvel ingressa na rede pode recuperar as mensagens dos tópicos cujo interesse está registrado no seu Profile. O segundo aspecto é o uso de Bluetooth como tecnologia de rede para os dispositivos móveis. Em particular, no caso dos aparelhos celulares, a tecnologia já é incorporada a diversos aparelhos e também bastante difundida. Com isso, é possível utilizar o BlueVirus em uma grande quantidade de dispositivos móveis. Por fim, a contaminação proporciona um certo nível de escalabilidade e tolerância a falhas. Pois os dispositivos móveis podem contaminar outros dispositivos móveis com as mensagens já recebidas, permitindo o crescimento do sistema de forma equilibrada, além de assegurar que o recebimento das mensagens já postadas não seja interrompido por falhas ocorridas com o Topic Manager. Os próximos passos no desenvolvimento do BlueVirus é tornar o mecanismo de contaminação mais robusto em relação aos problemas de inconsistências dos tópicos contidos no Profile e as mensagens armazenadas para repasse. Assegurando que tópicos ou mensagens já excluídos não estejam mais sendo utilizados nas interações entre dispositivos móveis. Além disso, permitir que os clientes executados em dispositivos móveis possam iniciar a interação com um Gateway, solicitando novas mensagens. Ampliando assim o conjunto de operações definidas para estes e permitindo adequar-se a aplicações com requisitos diferentes.

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