Salão de Ferramentas SBRC 2007 - Gerenciamento e Operação de Redes 1173 GRRA 1 : Ferramenta para Gerenciamento de Redes Utilizando Realidade Aumentada Tarciana Dias da Silva, Luciana Pereira Oliveira, Marco Antônio Domingues, Judith Kelner, Djamel Sadok Centro de Informática Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) {tarciana, lpo, marco, jk, jamel}@gprt.ufpe.br Abstract. With the growth of the networks and the need of managing them, the interest of using new tools in order to detect and analyze faults in a fast and efficient way has also arisen. The augmented reality technology represents a good alternative because it provides more dynamic computing interfaces and it uses more intuitive interaction devices. This work presents a new tool for network management, using the SNMP management model together with augmented reality techniques in order to provide the immediate diagnostic of equipment behavior, thus complementing the work, which is realized by current management tools. Resumo. Com o crescimento das redes e da necessidade de gerenciá-las, surge o interesse no uso de novas ferramentas para detecção e análise de falhas de forma rápida e eficaz. A tecnologia de realidade aumentada mostrase uma boa alternativa, porque oferece interfaces computacionais mais dinâmicas e usa dispositivos de interação mais intuitivos. Este trabalho apresenta uma nova ferramenta para gerenciamento de redes utilizando o modelo de gerência SNMP e técnicas de realidade aumentada com o objetivo de propiciar um diagnóstico mais imediato dos comportamentos dos equipamentos, complementando assim o trabalho realizado por ferramentas de gerenciamento de redes já existentes. 1. Introdução O aumento da utilização das redes de computadores e sistemas computacionais fez crescer também sua heterogeneidade e complexidade no que se refere aos equipamentos e sistemas operacionais. Atualmente existem várias ferramentas de auxílio à gerência de redes, contudo, sua utilização implica em custos elevados para organizações enquanto outras não atendem totalmente aos requisitos de gerência de redes necessários nas empresas. E ainda assim, mesmo com os grandes esforços realizados no desenvolvimento de ferramentas de gerência cada vez mais autonômicas, a necessidade 1 Este trabalho, disponível em http://www.grra.clic3.net, foi desenvolvido com o apoio do CIn UFPE, CNPq, CAPES, FAPEAM e GPRT (Grupo de Pesquisa em Redes e Telecomunicações da UFPE).
1174 25 Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos de intervenção humana ainda é indispensável, sobretudo na área funcional de gerenciamento de falhas, na qual o operador é parte atuante do ciclo de resolução de problemas - detecção, análise e solução de falhas. Além disso, o gerenciamento de eventos das áreas funcionais de segurança e configuração, bem como a execução de comandos para implantação de novos serviços são atividades que demandam atuação de operadores/gerentes de rede. Para que um administrador de redes e sistemas possa cobrir todas as áreas funcionais de gerência, normalmente é necessário utilizar várias ferramentas em conjunto. Tais ferramentas precisam ser configuradas e adaptadas para uma determinada plataforma operacional. Embora os sistemas de gerência atuais incorporem ferramentas de suporte que elevam a eficiência do administrador de redes, algumas atividades de gerência ainda consomem tempo relevante e requerem conhecimento específico para extrair informações a partir dos dados coletados pelos agentes. Nesse contexto, este trabalho apresenta a GRRA: uma ferramenta que utiliza o protocolo SNMP e técnicas de Realidade Aumentada (RA) e que pode ser facilmente integrada a outras ferramentas para auxiliar atividades de gerência de redes. A Realidade Aumentada consiste numa técnica avançada de interface computacional, que insere elementos virtuais em cenas de um ambiente real, envolvendo informações textuais, trajetórias e objetos virtuais [Ahlers et al. 1995]. Outro campo de estudo presente na GRRA é a área de Visualização de Informações que apresenta grande utilidade, uma vez que agrega técnicas que facilitam o entendimento de informações a partir de representações visuais de dados [Azuma 1997]. O principal diferencial da arquitetura apresentada neste trabalho é a facilidade e rapidez da visualização das informações do monitoramento dos equipamentos da rede, visto que a apresentação de eventuais problemas é feita através da visualização de objetos virtuais, projetados em marcadores do mundo real. Conseqüentemente, isso reduz o tempo gasto para o diagnóstico dos problemas encontrados. O artigo está estruturado como segue: a seção 2 apresenta os trabalhos relacionados e discute as principais aplicações de realidade virtual atualmente propostas; a seção 3 comenta a arquitetura do modelo de gerência SNMP adotado; a seção 4 apresenta os conceitos em RA, descreve a GRRA e sua arquitetura e validação, por fim a seção 5 finaliza este artigo apresentando conclusões e trabalhos futuros. 2. Trabalhos Relacionados A utilização de realidade aumentada tem trazido auxílios significativos em diversas áreas, como pode ser visto em trabalhos na área de extração de petróleo em águas profundas [Barros et al. 2006] e na área industrial para o auxílio à montagem, manutenção e em reparos de equipamentos com mecânica/eletrônica complexas [Buccioli, Zorzal and Kirner 2006]. Em gerenciamento de redes, o projeto acadêmico [Battisti and Tarouco 1999] considera a utilização de realidade virtual através da aplicação de VRML 2 integrada com navegadores web, permitindo o desenvolvimento de uma ferramenta de visualização tridimensional da administração da rede. A grande desvantagem de aplicações utilizando 2 VRML. http://www.w3.org/markup/vrml
Salão de Ferramentas SBRC 2007 - Gerenciamento e Operação de Redes 1175 VRML é a necessidade de modelagem prévia de cenários. Estes cenários geralmente são mais complexos no que diz respeito à modelagem e execução à medida que se acrescentam mais detalhes do ambiente real à simulação. Essa característica deixa a aplicação inflexível e pouco adaptável a novos cenários, uma vez que os equipamentos gerenciados são fixados ao modelo simulado em VRML. Com relação à utilização de realidade aumentada em redes, existem alguns trabalhos recentes na área. Em [Zorzal et al. 2006] o trabalho faz a plotagem de informações referentes ao resultado do comando tracert do DOS, construindo um objeto virtual onde aparecem os nós origem e destino e os nós roteadores intermediários. Em [Jukemura, Nascimento and Costa 2006], o objetivo é auxiliar o aprendizado em gerenciamento de redes. Tal ferramenta utiliza marcadores para a projeção de resultados de comandos ping e nmap. Os dois últimos trabalhos descritos são os que apresentam uma proximidade maior com o GRRA. No entanto, apesar das informações coletadas serem úteis para o gerenciamento de redes, elas são simples de obter e visualizar via comandos e não demandam conhecimento mais aprofundado. Não é gerado um novo conhecimento a partir das informações coletadas nos comandos tracert, ping e nmap. Neste trabalho, as informações coletadas podem ser mais complexas devido ao uso do protocolo SNMP. Além disso, é realizado um processamento da informação coletada das MIBs dos agentes, e o resultado deste processamento é mostrado para o usuário de maneira bastante simples, de forma que o usuário não precisa sequer ter conhecimento prévio a respeito da arquitetura SNMP. Todavia, o conhecimento da arquitetura SNMP deve ser necessário se o operador ou administrador de rede desejar fazer uma análise mais profunda do resultado apresentado pelo GRRA. 3. Modelo de Gerência SNMP O modelo de gerência utilizado na ferramenta é baseado no protocolo SNMP [Case et al. 1990]. A arquitetura é composta por quatro elementos básicos - a estação de gerência, o agente de gerência, a base de informações de gerência (MIB), e o protocolo SNMP. No nosso cenário, a estação de gerência é tipicamente um computador - notebook ou handheld - acoplado a uma câmera ou óculos para realidade aumentada [Looser, Billinghurst and Cockburn 2004]. Essa estação implementa uma interface de gerência de alto nível, acoplável a outras ferramentas de gerência, possibilitando a análise de dados, recuperação de falhas, monitoramento e controle da rede. As consultas aos agentes são iniciadas através da detecção de marcadores (descritos na seção 4.1.). O agente se localiza nos dispositivos da rede como computadores, roteadores, hubs, switches, nobreaks, etc. Cada agente é associado a um marcador e atua mediante requisições da estação de gerência. Cada recurso da rede é uma variável que representa um aspecto do agente gerenciado. A MIB é um conjunto de objetos relacionados e padronizados para uma determinada classe de sistemas. Foram utilizadas nesta arquitetura as MIBS descritas nas RFC 1213 e RFC 1514. A estação de gerência executa a função de monitoramento recuperando valores de objetos da MIB, como também pode mudar a configuração do agente modificando parâmetros específicos dos objetos.
1176 25 Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos A estação de gerência e os agentes em cada dispositivo gerenciado se comunicam através do SNMP usando as diretivas básicas do protocolo: get (recuperação de valores de um determinado objeto no agente); set (atribuição de valores a um determinado objeto no agente); trap (notificação de um agente a uma estação de gerência sobre algum evento importante previamente configurado). 3.1. Consultas aos Objetos Gerenciáveis A arquitetura desta ferramenta é baseada em consultas SNMP estabelecidas sobre API AdventNet 3, como mostra a Figura 1, que tornou possível a utilização de operações diretamente sobre o protocolo SNMP a partir de classes Java por meio de uma sintaxe simples, manipulando os objetos gerenciados através dos identificadores dos objetos (OIDs). Neste código, o método settargethost(ip) é usado para estabelecer relação do alvo SNMP gerenciado com o respectivo endereço IP. Caso a comunidade SNMP do alvo não seja public, é possível fornecer a comunidade através do método setcommunity ( community ). O método loadmibs (mib) é usado para recuperar uma determinada MIB para um atributo target. Em seguida o método setobjetctid especifica qual o objeto da MIB será o alvo de operações SNMP. Posteriormente qualquer operação pode ser realizada sobre esse OID. Para realizar operações SNMP em outros objetos da mesma MIB é necessário alterar apenas o OID do atributo target e para iniciar operações sobre objetos de outras MIBS, tais MIB s devem ser carregadas. Figura 1. Exemplo de trecho de código para consultas SNMP Conforme o exemplo, a escolha dos objetos é relativamente simples. Contudo, dado que o objetivo da ferramenta é prover um mecanismo para detecção rápida de falhas não seria muito eficaz realizar a escolha dos objetos sob demanda. Para resolver esse problema, foram criados perfis de configuração nos quais um grupo de OIDs críticos são eleitos para verificação em um determinado agente. 4. Ferramenta Desenvolvida - GRRA 4.1. Realidade Aumentada Aplicações de realidade aumentada são aquelas que envolvem o rastreamento da direção em que usuários estão olhando o mundo real e a construção de overlays de imagens virtuais e reais. Esta detecção do ponto de visão pode ser realizada por meio de campo magnético, rádio, sinalizador de laser ou padrões de marcadores os quais são adicionados ao ambiente real para serem reconhecidos pelo sistema que projeta a imagem virtual sobre o marcador. Este último foi utilizado pela GRRA. Figura 2. Marcadores do Intersense, ARToolkit e ARTag Figura 3. Marcador kanji 3 AdventNet SNMP API - http://snmp.adventnet.com.
Salão de Ferramentas SBRC 2007 - Gerenciamento e Operação de Redes 1177 A Figura 2 apresenta alguns padrões de marcadores com suas respectivas ferramentas ou bibliotecas de software. As características dos marcadores, como formato das bordas (curvas ou quadrilaterais) ou o padrão interno do marcador bem como o processamento desse padrão interno (método de correlação ou método de símbolo digital) são fatores determinantes para o reconhecimento dos marcadores pelas ferramentas e comparação entre as ferramentas [Fiala 2004]. Neste trabalho, usou-se a ferramenta open source ARToolKit que utiliza o método de correlação comparando o padrão interior com suas posições variadas conforme mostra a Figura 3. O ARToolKit usa algoritmos de visão de computadores para resolver o problema de detecção de marcadores, e suas bibliotecas de rastreamento de vídeo calculam a posição da câmera real e a orientação relativa para marcadores físicos, em tempo real. Como vantagens do ARToolKit podemos citar: simplicidade e robustez para aplicações de RA em tempo real e distribuição com código fonte completo. Outras vantagens são sua biblioteca multiplataforma e uma biblioteca gráfica simples. Além disso, possibilita uma rápida renderização, suporta VRML 3D e linguagens como C, C++ e Java. 4.2. Descrição da GRRA A GRRA pode ser descrita como uma ferramenta que permite ao administrador de rede visualizar, com rapidez, o estado normal ou alterado dos equipamentos de uma rede utilizando-se da facilidade de visão que a RA proporciona. Para isso, um marcador, associado ao IP do equipamento, deverá estar posicionado em cada um dos equipamentos da rede. O usuário deve dispor de uma estação de gerência móvel juntamente com uma câmera de vídeo para visualizar o estado de cada equipamento. Dessa forma, tem-se um gerente móvel ou presencial que realiza atividades de gerenciamento com o reconhecimento automático de informações dos equipamentos. Situações como problemas em relação ao nível de voltagem e autonomia das baterias em nobreaks, quantidade de pacotes perdidos em interfaces de rede, memória e espaço em disco em computadores podem ser detectados facilmente pelo GRRA sem que seja necessária qualquer interação, manual ou de comandos SNMP, do administrador com o equipamento que está sendo observado. O usuário sequer precisa conhecer o modelo de gerência SNMP, bem como não precisa acessar e trabalhar com diversas ferramentas para identificar uma falha. Por isso, a interface dessa ferramenta apresenta um caráter inovador em relação às outras ferramentas de gerenciamento de redes existentes. A seção 4.4 apresenta mais detalhes do funcionamento da GRRA. Na versão atual da ferramenta, o mundo real e o virtual (as imagens, já descritas acima, projetadas no marcador) são apresentados no monitor de um notebook. Através da captura do marcador, associado ao IP do equipamento da rede, são realizadas várias consultas SNMP para capturar os atributos dos OID s dos equipamentos gerenciados. Estes valores são comparados com os valores tidos como normais e então o diagnóstico pode ser apresentado através de uma imagem projetada. Portanto, tem-se um diagnóstico rápido e eficaz a respeito da situação dos equipamentos da rede, facilitando a identificação de alguma falha e controle dessas máquinas. Ainda, é importante salientar que as informações sobre os equipamentos são geradas e visualizadas em tempo real, possibilitando a manipulação dos marcadores e
1178 25 Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos imediatamente visualizar as reações. Isso facilita a análise e interação com as informações, resultando num uso mais natural e abrangente da visualização de dados. 4.3. Arquitetura O projeto da ferramenta GRRA é um sistema cuja arquitetura é constituída basicamente em quatro módulos e pode ser observado na Figura 4. Dois módulos locais: AG (aplicação de gerenciamento desenvolvida) e MIRA (Módulo de Interação com Realidade Aumentada); e dois módulos que podem ser remotos ou locais: MCD (Módulo de Consulta aos Dispositivos) e MGG (Módulo Gerador de Gráficos). Figura 4. Arquitetura da Ferramenta O módulo AG é responsável pela coordenação das atividades dos módulos. Ele solicita continuamente ao MIRA os conjuntos de marcadores identificados no ambiente (ou campo de visão da câmera). De acordo com os marcadores entregues pelo MIRA, a aplicação poderá solicitar ao MCD que obtenha informações sobre os dispositivos ou ao MGG que gere o gráfico do comportamento de um equipamento. O MGG possui a funcionalidade de gerar gráficos dos comportamentos dos equipamentos de acordo com as solicitações do módulo AG. Após a geração do gráfico, este é armazenado no diretório compartilhado em rede, recuperado pelo AG que posteriormente encaminha para o MIRA. Existem diversas ferramentas que realizam consultas SNMP a MIBs para gerar gráficos dos estados dos equipamentos. Utilizou-se neste módulo o MRTG 4, mas outra ferramenta poderia ter sido utilizada. O MCD é responsável por buscar informações na MIBs dos agentes dos dispositivos, através de consultas SNMP. Após obter o comportamento do dispositivo, este é transferido para o diretório compartilhado em rede. O AG acessa esse diretório para decidir se o MIRA deve criar uma figura correspondente ao estado do dispositivo ou criar um texto a ser sobreposto ao marcador. Na implementação do MCD foi utilizada a API AdventNet 2.1. O MIRA é responsável pela identificação dos marcadores e construção dos objetos virtuais sobre os marcadores. Esses objetos podem ser uma descrição textual, um gráfico ou uma figura do estado do equipamento (seção 4.4). Essa construção é realizada de acordo com o controle realizado pela aplicação de gerenciamento. Em razão da grande interação entre o MIRA e o AG, estes módulos são executados em uma mesma máquina. No MIRA foram usadas as APIs Java3D e JARToolkit 5. Java3D fornece métodos em Java para a criação dos objetos virtuais em 2D e 3D, bem como a aplicação de texturas e variação de iluminação. JARToolkit é uma biblioteca que fornece as funções da biblioteca ARToolkit para a implementação de aplicações de RA 4 MRTG - http://oss.oetiker.ch/mrtg 5 JAVA3D: http://java.sun.com/products/java-media/3d e JARToolKit: http://jerry.c-lab.de/jartoolkit
Salão de Ferramentas SBRC 2007 - Gerenciamento e Operação de Redes 1179 em Java. Dessa forma, ela abstrai o acesso a API do ARToolkit utilizando a Java Native Interface (JNI). Em conseqüência da arquitetura modularizada, a GRRA é flexível e adaptável, tornando mais fácil e rápida a realização de alterações no framework. Além disso, os módulos MCD e MGG podem ser executados em máquinas distintas, caso se queira diminuir o processamento numa máquina. Essa segunda opção melhora o desempenho, porque o custo computacional das atividades de geração de gráfico e consulta aos dispositivos de uma rede é alto, quando comparado ao tempo de transmissão de resultados pré-processados em uma rede local. 4.4. Validação da Ferramenta Atualmente, a ferramenta GRRA contempla os cenários de verificação do comportamento do nobreak e de máquinas participantes de um testbed - Figura 5. Os marcadores são colocados junto às máquinas e neles aparece uma projeção 3D de uma esfera vermelha - caso o equipamento esteja defeituoso ou com parâmetros abaixo dos normais -, ou uma esfera verde - caso o equipamento esteja funcionando corretamente. Com o uso do marcador específico para texto na Figura 5.a, é possível identificar a descrição do estado do equipamento. Há também outro marcador reservado para apresentação de gráficos que pode detalhar o comportamento da máquina através da projeção de um gráfico sobre o marcador semelhante à Figura 5.d. (a) Descrição (b) Anormal (c) Normal (d) Nobreak (estado anormal) Figura 5. Cenário de equipamentos A vantagem de ser possível identificar o problema no computador pessoal através dessa ferramenta é que, no cenário apresentado, as simulações do testbed não precisariam ser interrompidas para verificar qual a máquina está com algum problema. É importante destacar que os cenários representam uma maneira de validar o protótipo. Um cenário ideal, já permitido pela GRRA, seria utilizar um conjunto de câmeras em posições estratégicas e com movimentos rotacionais de forma que elas possam detectar os marcadores de todos os equipamentos e assim monitorá-los e encaminhar notificações de falhas detectadas para o administrador. 5. Conclusões e Trabalhos Futuros O trabalho abordou o projeto e o desenvolvimento de um software que usa RA para auxiliar atividades de gerenciamento de redes de computadores. Ela possibilita uma interação dinâmica do usuário com o sistema através dos marcadores, nos quais são projetados, em tempo real, objetos virtuais representando o estado dos equipamentos gerenciados o que possibilita um uso abrangente da visualização dos dados. Assim, há uma detecção rápida e visualização eficaz de problemas que possam ocorrer na rede de computadores de uma organização. Outro diferencial é a análise e o processamento das informações no módulo AG (seção 4.3).
1180 25 Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos O ARToolKit apresentou um desempenho satisfatório para o número de marcadores utilizado no protótipo. Todavia, ele pode apresentar um desempenho não desejável dependendo do número de marcadores cadastrados para reconhecimento no protótipo. Por isso, pretende-se utilizar futuramente bibliotecas mais robustas e escaláveis, com as mesmas funcionalidades requeridas pelo módulo MIRA do GRRA. Esta alteração não seria árdua devido à modularização da arquitetura do GRRA. Inicialmente o sistema foi desenvolvido para Windows XP. Logo, outro trabalho futuro seria portá-lo para funcionar em outros SOs, bem como o seu uso em outros equipamentos portáteis (ex. palms) ou mais sofisticados (ex. Óculos para RA). Referências Ahlers, H. et al. (1995) Distributed Augmented Reality for Collaborative Design Applications. In: CONFERENCE OF THE EUROPEAN ASSOCIATION FOR COMPUTER GRAPHICS, Maastricht. Proceedings: Eurographics, p. 3-14. Azuma, R. (1997) A Survey of Augmented Reality. In: Presence Teleoperators and Virtual Environments. v. 6, n. 4, p. 355-385. Barros, P. et al. (2006) Three-dimensional oil well planning in ultra-deep water. In: SYMPOSIUM ON VIRTUAL REALITY, Belém. Proceedings: SVR,p. 285-296. Battisti, G.; Tarouco, L. (1999) Telepresença com Realidade Virtual para Gerenciamento de Rede. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE REDES DE COMPUTADORES, Salvador. Proceedings: SBRC, p. 437-452. Buccioli, A.; Zorzal, E.; Kirner, C. (2006) Usando Realidade Virtual e Aumentada na Visualização da Simulação de Sistemas de Automação Industrial. In: SYMPOSIUM ON VIRTUAL REALITY, Belém. Proceedings: SVR, p. 1-4. Case, J. et al. (1990) Simple Network Management Protocol. RFC 1157, Maio, MIT Laboratory of Computer Science. Fiala, M. (2004) ARTag: An Improved Marker System Based on ARToolkit. NRC/ERB-1111 NRC 47166, National Research Council Canada. Jukemura, A.; Nascimento, H.; Costa, F. (2006) Exploração da Realidade Aumentada no Aprendizado e Gerenciamento de Redes de Computadores. In: WORKSHOP DE REALIDADE AUMENTADA, Rio de Janeiro. Proceedings: WRA. p. 39-42. Looser, J.; Billinghurst, M.; Cockburn; A. (2004) Through the looking glass: the use of lenses as an interface tool for Augmented Reality interfaces. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPUTER GRAPHICS AND INTERACTIVE TECHNIQUES, Singapore. Proceedings: SIGGRAPH. p. 204-211. Zorzal, E. et al. (2006) Usando Realidade Aumentada para Visualização de Informações de Tráfego em Redes de Computadores. In: WORKSHOP DE REALIDADE AUMENTADA, Rio de Janeiro. Proceedings: WRA, p.27-30.