Proposta de Convergência entre o Middleware de Referência Brasileiro de TV Digital e Plataformas de Redes Residenciais

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1 Proposta de Convergência entre o Middleware de Referência Brasileiro de TV Digital e Plataformas de Redes Residenciais Vicente F. de Lucena Júnior 1, Waldir S. Silva Júnior 1, Nairon S. Viana 1, Orlewilson B. Maia 1 1 Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Tecnologia Eletrônica e da Informação (CETELI) Campus da Universidade Federal do Amazonas Setor Norte Faculdade de Tecnologia Pavilhão Rio Japurá Av. Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, no 3000 CEP Bairro Aleixo Manaus AM Brasil {vicente,waldirjr,nairon_viana,orlewilson_maia}@ufam.edu.br Abstract. Digital TV Systems open a new world of applications. Among them, are the applications that enable the Digital TV Appliances to work as a home network control center. This paper presents the most recent strategies to implement convergence models between Digital TV and Residential Gateways. Specially, is analyzed the convergence between two involved software platforms: the function-oriented MHP (Multimedia Home Platform) middleware, with large use in Digital TV and, on the Home Networks side, the services-oriented OSGi (Open Services Gateway Initiative) framework. The final goal is to identify the most appropriated features for the proposal of a new collaboration model compatible with the brazilian's middleware (Ginga). Resumo. Sistemas de TV Digital possibilitam uma variedade de aplicações, as quais se destacam as que permitem a operação da TV Digital como centro de controle em Redes Residenciais. estratégias mais recentes de convergência entre a TV Digital e Gateways Residenciais. Especificamente, são analisadas estratégias de convergência entre as duas plataformas de software envolvidas: o middleware MHP (Multimedia Home Platform) orientado a funções com vasto uso em TV Digital e, do lado das Redes Residenciais, o framework OSGi (Open Services Gateway initiative) orientado a serviços. A meta final é identificar as características mais relevantes para a proposta de um novo modelo de convergência compatível com o middleware brasileiro (Ginga). 1. Introdução No atual contexto de convergência tecnológica a TV Digital Interativa (TVDi) vem assumindo um papel muito importante. Suas funcionalidades estão sendo cada vez mais expandidas, passando de simples decodificadores de sinais digitais para dispositivos que permitem a execução de aplicações interativas relacionadas ou não ao conteúdo exibido. Os serviços oferecidos variam de acesso a internet, TV-Banking, TV-Mail, TV- Commerce, TV-Health, games entre outros [Morris and Smith-Chaigneau 2004, Piesing 2006]. Atualmente, a expansão das funcionalidades dos aparelhos de TV Digital e dos STBs (Set-Top Boxes) vem se dando por meio da integração destes com outros dispositivos com algum poder computacional, tais como os dispositivos eletrônicos de uma rede residencial. Isso está sendo possível principalmente pela utilização do STB

2 como centro de controle em Redes Residenciais, operando de forma semelhante aos atuais Gateways Residenciais disponíveis no comércio [Ge et al. 2007]. Os Gateways Residenciais exercem um papel importante como plataforma de execução de aplicações que promovem e utilizam serviços de dispositivos em uma residência, bem como centralizam a comunicação da casa com o mundo externo. Sua utilização para gerenciar os dispositivos da residência torna possível o monitoramento de atividades como: abrir uma porta, detectar a presença de pessoas, modificar a temperatura do ambiente, acionar um alarme, chamar a polícia, enviar uma mensagem para o proprietário da casa dentre outras [Marples and Kriens 2001]. A idéia de se utilizar STBs como Gateways Residenciais pode ser interpretada como a criação de um ambiente colaborativo, no qual aplicações de TVDi utilizem recursos de aplicações que representam dispositivos de automação residencial e viceversa. Com isso, muitos outros cenários poderiam ser visualizados, tais como enviar uma mensagem para o celular do proprietário da residência ou controlar a temperatura de um ambiente usando apenas a interface do controle remoto da televisão. Os caminhos para a construção de um modelo de colaboração passam pela a análise de frameworks que representam os padrões das tecnologias envolvidas. Sob o ponto de vista da TVDi podem ser destacados o middleware europeu MHP, como uma das mais importantes especificações de middleware, o DTV Application Software Environment (DASE), middleware do modelo americano e, mais recentemente, o Ginga, especificação de middleware para o International Standard for Digital Television Terrestrial (ISDTV-T), padrão brasileiro de TV Digital. Como plataforma para aplicações de Redes Residenciais destaca-se o OSGi, um framework que representa uma importante organização que define padrões para dispositivos de Redes Residenciais. A proposta deste trabalho é analisar os principais ambientes de colaboração existentes que se utilizam dos middlewares de TVDi e da especificação OSGi, extraindo as características mais importantes e adequadas para a criação de um modelo próprio de colaboração Ginga OSGi. Especificamente, duas propostas, em [Ramos Cabrer et al. 2006, Yang et al. 2007], são escolhidas para a análise da colaboração Ginga OSGi a nível de software. O trabalho é organizado da seguinte forma: a Seção 2 faz uma revisão sobre as principais abordagens para o problema; a Seção 3 apresenta os dois métodos escolhidos para análise do modelo de colaboração MHP OSGi; a Seção 4 apresenta o middleware de referência brasileiro bem como algumas das características de um novo modelo de colaboração Ginga OSGi; por fim, a Seção 5 traz as conclusões. 2. Trabalhos Relacionados Aproveitando-se das potencialidades oferecidas pelos middlewares de TV Digital (MHP, DASE) e o framework de automação residencial (OSGi) alguns trabalhos proporam metodologias para implementar a convergência entre essas tecnologias, integrando STBs com Gateways Residenciais. A maioria destes trabalhos estabelece algum mecanismo de comunicação, divergindo principalmente na forma como esse mecanismo é implementado. No método descrito em [Tkachenko et al. 2004] a conexão entre um aplicativo de TVDi e um dispositivo de administração remota é realizada através de comandos especiais usando redes TCP/IP em diferentes dispositivos. Em [Tkachenko et al. 2005],

3 apresenta-se um framework, chamado DTV--HNF (Digital TV Home Network Framework), que gerencia solicitações dos aplicativos de TVDi para acessar serviços de um dispositivo conectado à rede residencial através do uso de services plugins. Nessas duas abordagens, os frameworks estão em ambientes separados, dependentes do sistema de comunicação, e os aplicativos de TVDi acessam os serviços de dispositivos através do Broadcast Carrousel. Uma desvantagem significante desses métodos é que eles não suportam uma comunicação bidirecional, ou seja, somente aplicativos de TVDi podem acessar serviços dos dispositivos. Um esquema para essa abordagem é mostrado na Figura 1. Figura 1. Esquema de integração STB Gateway Residencial em ambientes separados. Os serviços OSGi são encapsulados no Broadcast Carrousel. Os trabalhos apresentados em [Ramos Cabrer et al. 2006, Yang et al. 2007] propõem uma interação entre TVDi e HNF em um mesmo ambiente, integrando os componentes de software dos dois frameworks envolvidos. Há duas principais vantagens nesses trabalhos: (1) o modelo não está limitado à falhas de comunicação como em [Tkachenko et al. 2004, Tkachenko et al. 2005] e (2) a comunicação é permitida em ambas as direções (TVDi para HNF e vice-versa). A Figura 2 ilustra esse cenário. Figura 2. Esquema de integração STB Gateway Residencial no mesmo ambiente. Serviços OSGi são enviados separadamente pelos provedores, através da Internet. A Tabela 1 mostra uma comparação entre as abordagens apresentadas sob alguns aspectos relevantes, tais como: a tecnologia adotada para as plataformas HNF e TVDi; a modificação causada no framework pelo modelo corrente; e a existência de implementações reais da proposta.

4 Tabela 1. Comparação entre os trabalhos relacionados [Tkachenko et al. 2004] [Tkachenko et al. 2005] [Ramos Cabrer et al. 2006] [Yang et al. 2007] Meio de comunicação entre os frameworks Aplicações MHP acessam serviços OSGi através do BroadcastCarrousel Aplicações MHP acessam serviços OSGi através do BroadcastCarrousel Ambiente comum Ambiente comum Alteração nos frameworks Nenhuma alteração Nenhuma alteração Alteração de Software Alteração de Software Formas de comunicação De MHP para OSGi De MHP para OSGi De MHP para OSGi e vice-versa De MHP para OSGi e vice-versa Framework para Redes Residenciais OSCAR (OSGi) e JEFFREE (OSGi) OSCAR (OSGi) OSCAR (OSGi) Knopflerfish (OSGi) Middleware para TVDi NIST (DASE) NIST (DASE) XleTView (MHP) XleTView (MHP) Implementação Simulação Real Simulação Real A proposta discutida nesse artigo passa primeiramente pela escolha das características apropriadas dos modelos estudados, revisando suas estratégias de implementação e adaptando-as ao middleware brasileiro. Espera-se que as potencialidades de cada método sejam adquiridas pela nova implementação considerando as características específicas do middleware Ginga. 3. MHP e OSGi: Um modelo de colaboração em software Conforme na Tabela 1, [Ramos Cabrer et al. 2006] e [Yang et al. 2007] utilizam um modelo de colaboração MHP OSGi que habilita a interação de aplicações MHP e aplicações OSGi. Os dois trabalhos modificam ou introduzem alguns componentesponte de software que interagem com os componentes elementares MHP e OSGi. A seguir os componentes de software MHP e OSGi são apresentados em uma visão geral, bem como sua utilização na construção dos modelos de colaboração desses trabalhos. O conhecimento desses componentes e técnicas é importante para a definição de um novo modelo de colaboração Ginga OSGi Visão Geral dos componentes elementares de software MHP e OSGi Os componentes de software básicos de ambas as especificações estão bem definidos: no MHP, um miniaplicativo (xlet) que atua sobre o middleware no STB é responsável por realizar as ações básicas no ambiente de execução, em interação com o Gerenciador de Aplicações (Application Manager) por meio de uma entidade Xlet- Context, tendo acesso às funcionalidades de um conjunto de APIs padronizadas [Morris and Smith- Chaigneau 2004]. Definido sob um modelo de uma máquina de estados, os xlets (interfaces Java) têm seu comportamento controlado por um Gerenciador de Aplicações que possui quatro estados: carregado, pausado, ativo e destruído. Em cada estado, o xlet

5 realiza operações em um contexto específico, como ativar uma conexão com a Internet, enviar uma mensagem de texto, apresentar opções de menu ao usuário ou liberar recursos para o ambiente. Xlets também podem interagir com outros xlets, através da entidade IXC Registry. No modelo OSGi, onde a idéia básica é o provimento e a utilização de serviços, o elemento-chave que fornece uma interface apropriada para o controle de dispositivos, seja ele local ou remoto é o bundle. Um bundle (um arquivo JAR Java ARchive) é uma entidade que encapsula aplicações e outros recursos a serem disponibilizados em um ambiente comum, onde outros bundles oferecem serviços e utilizam os disponíveis [Marples and Kriens 2001]. Cada serviço corresponde ao controle de um dispositivo específico da rede residencial, ou de alguma parte dele. Um bundle, em seu ambiente de execução sobre plataformas de Gateways Residenciais OSGi, também apresenta um ciclo de vida, definido como máquina de estados (desinstalado, instalado, pronto, iniciando, parando e ativo) em um contexto representado pelo componente BundleContext, interagindo com uma entidade denominada Service Registry. É através do Service Registry que os bundles notificam o ambiente da disponibilidade de seu serviço, bem como verificam as referências para os serviços providos por outros bundles [Marples and Kriens 2001]. As semelhanças existentes entre as duas arquiteturas, bem como entre seus componentes elementares de software, motivaram propostas de ambientes em que as duas estruturas agissem coordenadamente, de modo que ações do lado do xlet tenham implicações do lado do bundle e vice-versa. Um modelo colaborativo MHP OSGi deve implementar algum mecanismo de ligação entre as duas plataformas de tal forma que aplicações MHP possam acessar estruturas do framework OSGi e utilizar os serviços oferecidos por elas, ao mesmo tempo em que aplicações OSGi possam localizar funcionalidades MHP relacionadas. Esse ambiente colaborativo, da forma como descrito, oferece implicações práticas muito interessantes, com alguns cenários podendo ser desenvolvidos através da idéia de se controlar dispositivos residenciais por meio de aplicativos de TVDi de uma maneira bem definida. A seguir, são descritas duas propostas de modelos de colaboração entre os componentes apresentados, em [Ramos Cabrer et al. 2006] e [Yang et al. 2007], utilizadas como base para a criação de um modelo híbrido de colaboração entre o middleware Ginga e o framework OSGi A primeira solução proposta A primeira proposta sugere a criação de uma estrutura híbrida, que contemple características tanto de xlets MHP quanto de bundles OSGi. Chamada XBundLET, essa entidade obedece comumente às especificações que definem xlets e bundles: ao mesmo tempo em que é controlada por um gerenciador de aplicações, utilizando e liberando recursos e comunicando-se com outros xlets via IXC (Inter-Xlet Communication), o XBundLET pode prover e/ou utilizar serviços de outros bundles, em interação com o Service Registry. O XBundLET definido segue um modelo de execução como máquina de estado que contém todos os estados de xlet e bundle e obedece às mesmas regras de mudança de estado das duas entidades das quais deriva. Adicionalmente, como forma de melhoria da proposta apresentada, os autores elaboram um processo de descrição semântica para auxiliar a descoberta e utilização de serviços OSGi no ambiente pelo aplicativo híbrido XBundLET.

6 3.3. A segunda solução proposta A segunda proposta analisa a estratégia de implementação de um modelo colaborativo que modifique o mínimo possível as características dos componentes nativos dos dois frameworks. Embora ainda se utilize a idéia de criar uma estrutura ponte entre os dois ambientes, esta não se constitui de um componente híbrido e sim de uma entidade que explora as potencialidades da Máquina Virtual Java. A idéia da proposta é a criação de estruturas-ponte entre as duas plataformas que permitam a passagem de parâmetros de contexto (XletContext, IXC Registry e BundleContext) de xlets MHP para bundles OSGi e vice-versa. Essas estruturas exploram as características dos Java ClassLoaders, assim como implementam um mecanismo de segurança para garantir que acessos indevidos não aconteçam [Yang et al. 2007]. 4. Proposta desse trabalho: Colaboração Ginga OSGi O middleware Ginga é composto basicamente de três estruturas: um ambiente declarativo Ginga-NCL, representado pela linguagem NCL (Nested Context Language) [Soares et al. 2007]; um ambiente procedural Ginga-J, representado pelos aplicativos Java [de Souza Filho et al. 2007]; e um Common Core. O Ginga-NCL é uma máquina de apresentação responsável pelo processamento e produção de documentos NCL. O Ginga-J é uma máquina de execução que provê o ambiente para o desenvolvimento de xlets. O Common Core é responsável pela decodificação e apresentação de tipos comuns de conteúdos como JPEG e MPEG para as aplicações procedurais e declarativas. Levando-se em consideração a atual fase de definição do middleware Brasileiro, como uma forma de validação dessa implementação, é interessante investigar como suas características irão influenciar na definição de um modelo de colaboração entre Ginga e OSGi. Seguindo as idéias básicas propostas em [Ramos Cabrer et al. 2006, Yang et al. 2007], propõe-se desenvolver componentes elementares de software baseados na especificação do Ginga, modificando ou adequando as suas características na melhor forma possível no sentido de permitir a verificação de alguns cenários de convergência. Em um primeiro momento, a principal tarefa será estabelecer uma estrutura de software comum aos dois frameworks, compatível tanto com as máquinas de apresentação e execução Ginga quanto com o OSGi. Nesse modelo, as aplicações Ginga-NCL, Ginga-J e bundles estariam inseridas em um mesmo contexto, compartilhando recursos através da estrutura ponte de software. Com isso, algumas potencialidades oferecidas pelo Ginga poderiam ser incorporados ao modelo de colaboração, especialmente aquelas relacionadas as aplicações Ginga-NCL, como as que permitem sincronização espaço-temporal entre mídias e aplicativos. A idéia inicial do modelo é mostrada na Figura 3. Nessa figura, a estrutura ponte Ginga OSGi se comunica com a ponte padrão Ginga-NCL Ginga-J e com o middleware OSGi, permitindo a interação entre eles. Algumas características são desejadas para essa nova abordagem híbrida, como: Criar um ambiente colaborativo a nível de software; Explorar as potencialidades das máquinas de execução e apresentação Ginga; Criar uma estrutura ponte que permita a comunicação entre os aplicativos Ginga-

7 NCL e Ginga-J com os bundles OSGi e vice-versa; Implementar mecanismos de sincronização de mídias integradas ao controle de dispositivos de uma rede residencial. (a) O modelo de comunicação usando a ponte Ginga OSGi proposta (b) Arquitetura do modelo Figura 3. Modelo básico de colaboração Ginga OSGi. O processo para o desenvolvimento do projeto deste trabalho envolve algumas etapas definidas a seguir: (1) estudo dos modelos de colaboração entre padrões de TVDi (MHP) e Home Network (OSGi); (2) simulação dos modelos descritos na seção 3, observando-se as características relevantes de cada um deles; (3) implementação de um modelo próprio de colaboração MHP OSGi, baseado nas características potenciais identificadas na etapa anterior; (4) modificação do modelo, no sentido de criar um novo modelo de colaboração entre o middleware GINGA e o framework OSGi; (5) validar o modelo de colaboração GINGA OSGi através da simulação de um cenário de comunicação entre a TVDi e um dispositivo de monitoramento de temperatura; (6) comparação entre os resultados obtidos neste trabalho e os trabalhos relacionados. 5. Conclusões Nesse trabalho foram apresentados os principais modelos de colaboração entre plataformas de TV Digital e Gateways Residenciais existentes na literatura. Dois modelos específicos de colaboração em software foram analisados dando suporte à criação de um novo modelo de convergência. Esse modelo funcionará entre o middleware da TV Digital Brasileira (Ginga) e a plataforma OSGi, introduzindo um novo elemento de software, como uma estrutura-ponte que conecta aplicações Ginga- NCL e Ginga-J com aplicações OSGi. Com isso, pretende-se validar o modelo com a verificação de alguns cenários de convergência em situações típicas do cotidiano do usuário tais como o envio de informações sobre o monitoramento dos dispositivos da rede doméstica para o celular do proprietário. Nos próximos meses algumas aplicações serão construídas e testadas sobre a proposta e os resultados serão divulgados assim que possível.

8 Referências de Souza Filho, G. L., Leite, L. E. C., and Batista, C. E. C. F. (2007). Ginga-j: The procedural middleware for the brazilian digital tv system. In Journal of the Brazilian Computer Society, pages Ge, C., Li, Y., Zhi, X., and Tong, W. (2007). The intelligent stb - implementation of next generation of residential gateway in digital home. In 2nd IEEE International Conference on Pervasive Computing and Applications, pages Marples, D. and Kriens, P. (2001). The open services gateway initiative: An introductory overview. In IEEE Communications Magazine, pages Morris, S. and Smith-Chaigneau, A. (2004). Interactive TV Standards. A Guide to MHP, OCAP and JavaTV. Focal Press. Piesing, J. (2006). The dvb multimedia home platform (mhp) and related specifications. In Proceedings of The IEEE, pages Ramos Cabrer, M., Díaz Redondo, R. P., Fernández Vilas, A., and Pazos Arias, J. J. (2006). Controlling the smart home from tv. In IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE), pages Soares, L. F. G., Rodrigues, R. F., and Moreno, M. F. (2007). Ginga-ncl: The declarative environment of the brazilian digital tv system. In Journal of the Brazilian Computer Society, pages Tkachenko, D., Kornet, N., Dodson, A., Li, L., and Khandelwal, R. (2005). A framework supporting interaction of idtv applications and ce devices in home network. In Consumer Communications and Networking Conference, pages Tkachenko, D., Kornet, N., and Kaplan, A. (2004). Convergence of idtv and home network platforms. In Consumer Communications and Networking Conference, pages Yang, M.-C., Sheng, N., Huang, B., and Tu, J. (2007). Interoperability between set-top box and residential gateway platforms. In IEEE International Symposium on Communications and Information Technologies, pages