Um Estudo sobre Mobilidade em Sistemas Distribuídos

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE INFORMÁTICA CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO Um Estudo sobre Mobilidade em Sistemas Distribuídos por DÉBORA NICE FERRARI T.I. 780 CPGCC-UFRGS Trabalho Individual II Prof. Dr. Cláudio Fernando Resin Geyer Orientador Porto Alegre, fevereiro de 1999

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL Reitora: Profa. Wrana Panizzi Pró-Reitora de Pós-graduação: Profa. Lorena Holzmann da Silva Diretor do instituto de Informática: Philipe Oliver Navaux Coordenador do CPGCC: Carla Freitas Bibliotecária-Chefe do Instituto de Informática: Zita Prates de Oliveira

3 Sumário SUMÁRIO... 3 LISTA DE FIGURAS...4 LISTA DE TABELAS... 5 RESUMO... 6 ABSTRACT... 6 1 INTRODUÇÃO...7 1.1 TEMA... 7 1.2 MOTIVAÇÃO...7 1.3 OBJETIVOS...9 1.4 ESTRUTURA DO TEXTO... 9 2 MOBILIDADE... 10 2.1 CONCEITOS...10 2.2 MECANISMOS... 11 2.3 PARADIGMAS PARA MOBILIDADE...14 2.3.1 Avaliação Remota... 15 2.3.2 Código em Demanda... 15 2.3.3 Agentes Móveis... 16 2.4 CONCLUSÕES... 16 3 MOBILIDADE EM OBJETOS E AGENTES... 17 3.1 PARADIGMA ORIENTADO À OBJETOS... 17 3.2 PARADIGMA ORIENTADO A AGENTES... 18 3.3 AGENTES MÓVEIS... 20 3.4 CONCLUSÕES... 23 4 TECNOLOGIAS PARA SUPORTE À MOBILIDADE... 24 4.1 FERRAMENTAS PARA SUPORTE À MOBILIDADE... 24 4.1.1 Java... 24 4.1.2 Obliq... 25 4.1.3 Oz Distribuído... 26 4.1.4 CORBA...27 4.2 AMBIENTES QUE PERMITEM EXPLORAR MOBILIDADE...30 4.2.1 Voyager...30 4.2.2 Aglets... 33 4.2.3 Concordia...35 4.3 APLICAÇÕES...37 4.4 CONCLUSÕES... 38 5 ANÁLISE COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS QUE SUPORTAM MOBILIDADE...40 5.1 ANÁLISE COMPARATIVA DAS FERRAMENTAS... 40 5.2 CONCLUSÕES... 44 6 CONCLUSÃO...45 BIBLIOGRAFIA...47

4 Lista de Figuras FIGURA 2.1 - Mecanismos de Mobilidade 13 FIGURA 4.1 - Arquitetura de Gerenciamento de Objetos (OMA) 29 FIGURA 4.2 - Objeto Voyager 32 FIGURA 4.3 - Criação de um programa Voyager 32 FIGURA 4.5 - Arquitetura do Concordia 35

5 Lista de Tabelas TABELA 1 - Ferramentas para suporte à mobilidade 42 TABELA 2 - Ambientes para explorar mobilidade 44

6 Resumo O número de aplicações distribuídas criadas para serem usadas na Internet aumentou consideravelmente nos últimos anos. Uma das mais complexas questões nestas aplicações diz respeito à mobilidade das entidades envolvidas na computação distribuída. Neste texto define-se mobilidade como a capacidade das entidades computacional deslocar-se de um ambiente para outro, através do sistema distribuído. Os estudos sobre mobilidade intensificaram-se com o uso em grande escala da Internet. Atualmente, a maioria das aplicações de mobilidade são desenvolvidas utilizando ou baseando-se nos paradigmas de orientação a objetos ou de agentes. Pode-se observar que estes dois paradigmas, estão cada vez mais presentes no desenvolvimento de aplicações para Internet. Considerando os aspectos acima mencionados e o interesse crescente da comunidade científica com relação à mobilidade, este trabalho procura estudar aspectos referente à mobilidade em sistemas distribuídos envolvendo agentes e objetos. Neste texto são abordados assuntos importantes como os fundamentos que envolvem os estudos em mobilidade, resultados dos estudos envolvendo mobilidade em objetos e agentes, tecnologias e aplicações para suporte à mobilidade. Apresenta-se também uma análise comparativa referente à mobilidade dos sistemas distribuídos apresentados neste trabalho. Palavras-chave: Orientação a Objetos, Agentes Móveis, Mobilidade, Sistemas Distribuídos. Abstract In the last few years, the number of Internet-based distributed applications increased meaningfully. One of the most complex issues involving these applications are related to entity mobility. This text defines mobility as the capacity of an computational entity to relocate itself from an environment to another one, through the distributed system. Research on mobility had been intensified with the Internet large-scale use. Currently, the majority of mobility applications is developed using or being based on object oriented or agents paradigms. Note that these two paradigms are even more present in the development of applications for Internet. Considering the aspects mentioned above and the scientific community increasing interest with relation to mobility, in this work are presented mobility aspects in distributed systems involving agents and objects. These aspects include: the fundamental concepts of mobility research, results of studies involving mobility in objects and agents, technologies and applications for mobility support. An comparative analysis related to mobility in distributed systems is also presented in this work. Keyword: Objects, Mobile Agents, Mobility, Distributed Systems.

7 1 Introdução 1.1 Tema O paradigma orientado a objetos e o paradigma de agentes são interesses constantes da comunidade científica, principalmente em ambientes distribuídos. Sendo assim, surgiram modelos para computação distribuída de objetos e agentes. Uma das mais complicadas questões envolvendo ambientes distribuídos com estas características diz respeito à mobilidade nesses dois paradigmas. O texto [GLA 98] define mobilidade como a habilidade de mover-se independentemente de um dispositivo para outro através da rede. Como é visto no capítulo 2, vários conceitos sobre mobilidade são encontrados na literatura. O tema deste trabalho é o estudo da mobilidade em sistemas distribuídos, principalmente envolvendo objetos e agentes. 1.2 Motivação A rápida disseminação de microcomputadores e estações de trabalho, o aumento nas suas capacidades de processamento, e o surgimento de redes de comunicação com grande largura de banda, têm levado ao desenvolvimento cada vez maior de aplicações distribuídas. Os sistemas distribuídos apresentam várias características que são objetos de constante pesquisa na busca de soluções, tais como: afastamento, concorrência, ausência de estado global, ocorrência de falhas parciais, assincronismo, heterogeneidade, autonomia e mobilidade. Diversos modelos de arquitetura distribuída têm sido desenvolvidos com o objetivo de oferecer conceitos que auxiliem o tratamento das características de distribuição citadas acima. A característica de heterogeneidade, presente em grande parte destes modelos, impõe a necessidade de especificações abertas, com interfaces padronizadas e públicas, levando ao desenvolvimento de middlewares abertos. Um middleware é uma camada de software, residente acima do sistema operacional e da camada de comunicação, que oferece abstrações de alto nível, com objetivo de facilitar a programação distribuída. As abstrações oferecidas fornecem uma visão uniforme na utilização de recursos heterogêneos existentes nas camadas de sistema operacional e redes[omg 95]. Ambientes de sistemas abertos permitem aos usuários escolherem entre um grupo de computadores e tecnologias, aqueles que se adequam a suas necessidades. Esses sistemas oferecem também uma crescente interoperabilidade, escalabilidade e portabilidade. A interoperabilidade permite que sistemas diferentes convivam juntos. Já a portabilidade permite que um software desenvolvido em uma plataforma possa executar em outra com adaptações mínimas. A escalabilidade permite que novos recursos, tanto hardware quanto software, sejam adicionados ao sistema a medida que há necessidade de novos recursos ou de aumento do poder de processamento. Juntamente com estes adventos quanto aos sistemas distribuídos, surgiram várias frentes de pesquisas para que as organizações pudessem explorar ao máximo os sistemas

8 distribuídos. Dentre estas linhas de pesquisa, este texto destaca à mobilidade em sistemas distribuídos como sendo a principal motivação para este trabalho. O estudo sobre mobilidade abrange tanto aspectos conceituais, quanto sistemas e linguagens. A orientação a objetos tornou-se um dos principais padrões no desenvolvimento de sistemas. As linguagens orientadas a objeto tentam propor a diminuição da distância semântica existente entre a modelagem computacional e o mundo real. Neste sentido, surgem os objetos e suas diversas características (herança, polimorfismo, encapsulamento, etc). Desta forma, a orientação a objetos tenta alcançar um nível de abstração que aproxima a programação de computadores à forma usual do homem interagir com o mundo. Da mesma forma, nos últimos anos vem crescendo o interesse dos cientistas da computação pelo paradigma orientado a agentes. O desenvolvimento orientado a agentes possui uma forte relação com o desenvolvimento orientado a objetos. O conceito de agentes introduz consciência no universo inanimado dos objetos. Esta é uma das contribuições do paradigma orientado a agentes [BAR 98]. Tanto objetos como agentes são amplamente usados pela comunidade científica em ambientes distribuídos. Sendo assim, surgiram modelos para computação distribuída de objetos e agentes. Um dos fatores principais nestes ambientes diz respeito à mobilidade destas entidades. Os estudos sobre mobilidade intensificaram-se com o uso em grande escala da Internet. Embora à mobilidade não seja uma concepção nova, pois redes locais já usam uma formas de mobilidade como migração, a Internet trouxe a possibilidade de explorar mobilidade através de redes heterogêneas, conectadas por diferentes links de comunicação e distantes uma das outras. Atualmente, a maioria das aplicações são desenvolvidas utilizando ou baseando-se na orientação a objetos. Da mesma forma, várias aplicações, principalmente na área de Informática na Educação e Inteligência Artificial, são desenvolvidas usando como entidade base o agente. O que pode-se observar é que estas duas entidades, objetos e agentes, estão cada vez mais presentes no desenvolvimento de aplicações para serem usadas na Internet. Talvez o que tenha auxiliado muito para que isto acontecesse é o uso cada vez maior da linguagem Java [SUN 96], como linguagem de programação destas aplicações. É importante observar que a exploração da mobilidade envolve muito a questão da localização. Uma premissa básica é que o usuário não necessita saber, se assim o quiser, onde a sua computação está sendo desenvolvida, pois a aplicação deve abstrair aspectos de localização do usuário. Outra questão importante em mobilidade é a segurança. Como a computação é distribuída através da rede, a integridade desta computação deve ser preservada. No desenvolvimento de aplicações que suportem mobilidade, a tolerância a falhas e segurança da computação deve sempre estar presente. Além destes aspectos, à mobilidade traz novos desafios ao desenvolvimento de aplicações distribuídas, como pensar à mobilidade durante o projeto de software. Para suportar mobilidade de forma transparente para o usuário, a noção de ambiente computacional deve estar presente. Este ambiente será elemento principal no suporte à mobilidade das entidades envolvidas.

9 Considerando os aspectos acima mencionados e o interesse crescente da comunidade científica com relação à mobilidade em ambientes distribuídos, este trabalho procura compreender o estado da arte e os problemas relacionados à mobilidade em sistemas distribuídos. 1.3 Objetivos O objetivo geral deste trabalho consiste em estudar os aspectos relacionados à mobilidade de objetos e agentes em ambientes distribuídos. Como objetivos específicos podem ser destacados: Pesquisar conceitos relacionados à mobilidade; Pesquisar o estado da arte relacionado à mobilidade em sistemas distribuídos, em especial envolvendo objetos e agentes; Estudar tecnologias para o desenvolvimento de aplicações que suportem mobilidade; Identificar características necessárias para que uma tecnologia de apoio ao desenvolvimento de aplicações que suportem mobilidade. 1.4 Estrutura do Texto Este texto é composto de seis capítulos. O capítulo 2 descreve os fundamentos que envolvem os estudos em mobilidade. O capítulo 3 apresenta o resultado dos estudos envolvendo mobilidade em sistemas distribuídos. Além disso, será apresentado, brevemente, os fundamentos dos paradigmas orientado a agentes e orientado a objetos. No capítulo 4 são apresentadas algumas tecnologias e aplicações para suporte à mobilidade. Merece destaque neste capítulo Voyager [OBJ 97] [OBJ 98]. No capítulo 5 é feita uma comparação referente à mobilidade em sistemas distribuídos apresentadas neste trabalho. Finalmente, o capítulo 6 contém as conclusões deste trabalho.

10 2 Mobilidade Este capítulo descreve os fundamentos que envolvem os estudos de mobilidade. As seções contêm os conceitos necessários para compreender o universo que envolve as aplicações que utilizam mobilidade. A seção 2.1 analisa conceitos relacionados à mobilidade conforme vários autores. A seção 2.2 descreve os mecanismos que permitem explorar mobilidade. A seção 2.3 explora aspectos relacionados aos paradigmas que exploram mobilidade. Finalmente, a Seção 2.4 faz uma síntese das demais seções concluindo o capítulo. 2.1 Conceitos Por ser uma área de pesquisa relativamente nova, as pesquisas que envolvem mobilidade conceituam este termo de várias formas. A maioria refere-se à mobilidade através do termos código móvel (mobile code) [FUG 98] [CAR 97] [THO 97] [CUG 96] e agentes móveis (mobile agent) [DÖM 97] [CHE 96] [KNA 96]. Estes termos são conceituados de diferentes formas por diferentes pesquisadores: Mobilidade é a habilidade de mover-se independentemente de um dispositivo para outro através da rede [GLA 98]; Código móvel pode ser definido como a capacidade de dinamicamente trocar as ligações entre os fragmentos de código e a localização onde o código é executado [CUG 98] [FUG 98] [CAR 97]; Código móvel é um software que viaja através de redes heterogêneas, atravessando vários domínios, sendo que é automaticamente executado quando chega em seu destino [THO 97]; Agentes móveis são programas que podem ser disparados de um computador cliente e transportado para um computador remoto para ser executado [CHE 96]; Agentes móveis são programas que podem se mover através de uma rede de computadores conforme queiram seus usuários [DÖM 96]; Agentes móveis são programas inteligentes que podem ser transmitidos entre os diversos computadores de um sistema distribuído [KNA 96]. Observando os itens acima, pode-se notar um elemento presente em todos os conceitos: o deslocamento das entidades envolvidas (objetos ou agentes). Sendo assim, pode-se dizer que mobilidade é a ca pacidade das entidades envolvidas na computação deslocarem-se através de um sistema distribuído. Mobilidade não é uma concepção nova, embora sua aplicação na Internet seja. Um exemplo é a migração, pois migrar processos ou objetos é uma forma de mobilidade, que já é usada em pequena escala. As pesquisas em mobilidade vem crescendo muito atualmente devido principalmente a possibilidade de explorar código móvel em grande escala através da Internet, onde as redes interligadas são heterogêneas e gerenciadas por organizações diferentes.

11 2.2 Mecanismos Tecnologias que exploram mobilidade devem prover mecanismos que suportem o deslocamento de suas entidades. Estes mecanismos necessitam de uma estrutura computacional que suporte à mobilidade. Sendo assim, a concepção de um ambiente computacional (Computational Environment) deve ser introduzida para suportar os diversos mecanismos necessários à mobilidade. Um ambiente computacional retêm a identidade do nodo onde está localizado dando suporte para que as aplicações tenham a capacidade de recolocar dinamicamente seus componentes em diferentes ambientes computacionais. Um exemplo de ambiente computacional é a máquina virtual Java (Java Virtual Machine). O texto [FUG 98] trata mobilidade através do termo código móvel. O texto também destaca que um ambiente computacional é uma espécie de container para as entidades envolvidas na computação, chamadas componentes. Estes podem ser unidades de execução ou recursos. Unidade de execução representa a entidade básica da linguagem, um objeto por exemplo, através de um fluxo seqüencial da computação. Uma unidade de execução é composta pelo segmento de código, que contém a descrição estática do comportamento da computação, e um estado. Recursos representam entidades que podem ser compartilhadas por múltiplas unidades de execução, como uma variável do sistema operacional por exemplo. A princípio, cada unidade de execução pode mover-se independentemente. Em alguns sistemas que exploram código móvel, o código e o estado da unidade de execução podem estar em diferentes ambientes computacionais. À mobilidade é determinada pela característica do sistema. Por exemplo, em Java é possível mover somente o código de um Applet [SUN 96]. Já em Java Aglet [LAN 97], tanto o código quanto o estado são movidos. Podem ser identificadas duas formas de mobilidade [FUG 98]: mobilidade forte e mobilidade fraca. Mobilidade forte permite que a unidade de execução possa mover seu código e o estado da computação para diferentes ambientes computacionais. Neste caso, a execução é suspensa, transmitida para o ambiente computacional destino, e sua execução é retomada. Mobilidade fraca permite transferir código de um ambiente computacional para outro. O código pode conter alguns dados inicializados, mas o estado da unidade de execução não é movido. A figura 2.1 apresenta uma classificação dos mecanismos de mobilidade [FUG 98].

12 Mobility mechanisms Code and execution state management Strong mobility Migration Remote Cloning Proactive Reactive Proactive Reactive Data space management Weake mobility Binding removal Network reference Re-binding By copy By Move Code shipping Code fetching Stand-alone code Code fragment Stand-alone code Code fragment Synchronous Asynchronous Imediate Synchronous Deferred Asynchronous Imediate Synchronous Asynchronous Deferred Imediate Synchronous Deferred Asynchronous Imediate Deferred FIGURA 2.1 - Mecanismos de Mobilidade Mobilidade forte pode ser explorada através de dois mecanismos: migração (migration) e clone remoto (remote cloning). O mecanismo de migração suspende a execução de uma unidade de execução, transmite para o ambiente computacional destino e retoma sua execução. A migração pode ser proativa (proactive) ou reativa (reactive). Na primeira, o tempo e o destino da migração são determinadas pela unidade de execução migrante. Na segunda, a migração é acionada por diferentes unidades de execução que tenham alguma espécie de ligação com a unidade de execução migrante. O mecanismo de clone remoto cria uma cópia da unidade de execução no ambiente computacional remoto. A unidade de execução não é isolada do ambiente computacional origem. Como na migração, o clone remoto pode ser proativo ou reativo. Mecanismos que suportam mobilidade fraca têm a capacidade de transferir código através de ambientes computacionais e ligar-se dinamicamente com uma unidade de execução ativa ou criar uma nova unidade de execução no ambiente remoto para a execução. Estes mecanismos podem ser classificados de acordo com a direção da transferência do código, a natureza do código movido, a sincronização envolvida e o momento em que o código é executado no ambiente remoto. Conforme a direção do código a ser transferido, uma unidade de execução pode trazer (fetching) o código para ser dinamicamente ligado e/ou executado, ou pode levar (shipping) o código para outro ambiente computacional. Nos dois casos, o código a ser transferido pode ser um código autônomo (stand-alone code) ou fragmentado (code

13 fragment). No primeiro caso, no ambiente computacional destino é criada uma unidade de execução para executar o código que chega. No segundo caso, a unidade de execução deve ligar-se com um contexto que esteja executando o código ou que eventualmente o tenha executado. Além disso, tanto no código autônomo como no fragmentado, estes mecanismos podem ser síncronos (synchronous) ou assíncronos (asynchronous), dependendo se a unidade de execução que solicita a transferência fica suspensa ou não até que o código seja executado. No modo assíncrono, a execução do código transferido pode ser imediata (imediate), isto é, o código é executado logo que recebido ou postergada (deferred), isto é, espera alguma condição ser satisfeita para iniciar a execução. Após a migração de uma unidade de execução para um novo ambiente computacional, sua ligação com os recursos que acessa deve ser reorganizada. Por exemplo, a unidade de execução pode necessitar acessar um arquivo, portanto, ela deve estar apta a acessar este arquivo mesmo que este esteja em outro local. Isto pode envolver novas ligações ou sempre migrar alguns recursos necessários a computação junto com a unidade de execução, dependendo da natureza do recurso e da aplicação. Por isto é necessário o gerenciamento do espaço de dados. Os recursos podem ser transferíveis ou não-transferíveis através da rede. Por exemplo, um recurso do tipo arquivo pode ser transferível mas um recurso do tipo impressora não. Recursos transferíveis podem ser marcados como livres ou fixos. O primeiro pode migrar para outro ambiente computacional, enquanto que o último deve sempre permanecer associado ao ambiente computacional. Na reorganização dos recursos, duas classes de problemas devem ser analisados quando uma unidade de execução desloca-se através da rede: realocação de recursos e reconfiguração das ligações. Para isto deve ter um gerenciamento do espaço de dados (data space management). A estratégia para gerenciar os recursos e os dados envolvidos na transferência de código pode variar de sistema para sistema. Os mecanismos mais usados são: remoção das ligações (binding removal) - quando a unidade de execução migra, as ligações são simplesmente descartadas. Pode-se observar que esta estratégia geralmente é usada quando há migração da entidade envolvida na computação, portanto, num tipo de mobilidade forte; referência na rede (network reference)- quando um recurso é não transferível, a ligação na unidade de execução com o recurso é modificada para referenciar o recurso no ambiente computacional fonte, depois que a unidade de execução tenha alcançado o ambiente computacional destino. Referência na rede geralmente é usada quando à mobilidade forte é explorada, através do clone remoto; re-ligação (re-binding) - no ambiente computacional remoto há um recurso do mesmo tipo que é referenciado na unidade de execução que chega. Sendo assim, a ligação com o recurso no ambiente computacional fonte é desfeita, e uma nova ligação apontando para o recurso no ambiente computacional destino é criada. Esta estratégia é usada quando à mobilidade fraca é explorada, na forma de levar ou trazer código fragmentado;

14 por cópia (by copy)- uma copia do recurso é criada, e a ligação é modificada para referenciar a cópia e esta é transferida junto com a unidade de execução para o ambiente computacional destino. Pode-se observar que o mecanismo por cópia é associado ao clone remoto, portanto explorando uma mobilidade forte; por movimento (by move)- o recurso é transferido junto com a unidade de execução para o ambiente computacional destino mas a ligação com o ambiente computacional fonte não é desfeita. Esta estratégia é usada em aplicações que exploram mobilidade fraca. 2.3 Paradigmas para mobilidade Abordagens tradicionais para projeto de software não são suficientes quando necessitase projetar aplicações distribuídas em larga escala que exploram código móvel e reconfiguração dinâmica dos componentes do software. Neste caso, a distribuição dos componentes para diferentes ambientes deve ser pensada durante o projeto de software. Também deve-se considerar os aspectos que diferenciam a interação entre componentes locais em ambientes remotos. Dentre esses aspectos cita-se uma maior latência de comunicação, maior tempo para acesso a memória não local, mais pontos de falha e necessidade de utilização de mecanismos para controle de concorrência e sincronização. Portanto, é importante identificar paradigmas para projeto de sistemas distribuídos explorando código móvel. Além disso, deve-se identificar a tecnologia mais adequada para implementação do paradigma. Os paradigmas apresentados a seguir podem ser vistos como um guia de referência para o projeto de aplicações distribuídas que comportam mobilidade. Antes de introduzir os paradigmas, é necessário apresentar algumas concepções básicas que abstraem as entidades envolvidas no sistema como arquivos, variáveis, código executável ou processos. As abstrações básicas são as seguintes [CAR 97]: Componentes - são os elementos que compõem a arquitetura. Podem estar dividos em : componente recurso: é o componente embutido na arquitetura que representa dados passivos ou dispositivos físicos; componente computacional: representa o fluxo de controle da computação. É caracterizado por um estado e ligações com outros componentes; Interações - são eventos que envolvem dois ou mais componentes. Por exemplo, uma mensagem trocada entre dois componentes computacionais pode ser considerada como uma interação entre eles; Sites - são os ambientes de execução. Eles suportam a execução dos componentes computacionais. Sites tem ligados a si a noção de localização [FUG 98]. Interações entre componentes no mesmo site são consideradas pouco expressivas se relacionadas com interações em sites diferentes, pois como os recursos estão locais, as interações acontecem de forma mais rápida e sem problemas de latência da rede, acesso aos recursos, tempo de acesso, etc.

15 O paradigma é descrito em termos de padrões de interações que definem a re-colocação e a coordenação entre componentes necessários para realizar um serviço. Conforme [FUG 98], são três os principais paradigmas que exploram código móvel: Avaliação Remota, Código em Demanda e Agentes Móveis. Estes paradigmas são caracterizados pela localização dos componentes antes e depois da execução dos serviços, pelo componente computacional que é responsável para execução do código e onde a computação acontece. Paradigmas para código móvel tem explicitamente a noção de localização. Assim, é possível modelar, a nível de projeto, custos para interações entre componentes. Em geral, conforme [FUG 98], interações entre componentes que compartilham a mesma localização tem um custo considerado negligenciável quando comparado a interações entre sites através da rede. A escolha do paradigma a ser explorado deve ser pensado caso a caso, de acordo com o tipo de aplicação. 2.3.1 Avaliação Remota De acordo com o paradigma de Avaliação Remota, um componente de um sistema que suporta mobilidade pode invocar serviços providos por outros componentes, que estão distribuídos pelos nodos da rede, através do fornecimento dos dados necessários para desenvolver o serviço bem como o código que descreve como o serviço é feito. Avaliação Remota pode ser explicada da seguinte forma: um componente A, no site A, sabe (conhecimento) como realizar uma determinada tarefa (serviço) mas não tem os recursos necessários para que ela seja feita. Estes recursos estão localizados em outro site (site B). Conseqüentemente, A envia o conhecimento de como fazer o serviço para o componente computacional localizado no site remoto. O componente B realiza o serviço utilizando os recursos nele contidos. Após a execução, há novamente uma interação entre os dois componentes para enviar o resultado da computação de volta para A. Este paradigma é semelhante a abordagem cliente-servidor, onde os serviços são executados em um servidor que contém os recursos e o conhecimento necessário para executar uma tarefa. A semelhança pode ser verdadeira se todos os recursos, e a forma de manipulação destes, estão ligados a um servidor da rede. No paradigma de Avaliação Remota, o cliente sabe como executar uma tarefa, mas o recurso pode encontrar-se em outro computador da rede. Neste caso, o conhecimento é transmitido para onde está o recurso, sendo que no computador destino pode existir somente o recurso em si, mas não o conhecimento necessário para manipulá-lo. 2.3.2 Código em Demanda Na abordagem de Código em Demanda, o código que descreve o comportamento de um componente em um sistema que suporta mobilidade pode ser buscado em um site remoto para ser executado localmente. Exemplificando este paradigma, um componente A tem acesso aos recursos localizados no Site A mas não tem o conhecimento de como manipular estes recursos. Portanto, A interage com o componente B no Site B, requisitando o conhecimento para acessar o recurso. Uma segunda interação acontece

16 quando B envia o conhecimento para A e este realiza a computação (abordagem contraria a Avaliação Remota). 2.3.3 Agentes Móveis No paradigma Agentes Móveis, onde os agentes são considerados unidades de execução [CUG 96], todo o componente computacional é movido para o site remoto, inclusive o seu estado, o código e alguns recursos necessários para o desenvolvimento da tarefa. Para exemplificar, um componente A é dono do conhecimento, que esta no Site A, para realizar alguns serviços. Só que em um determinado momento da execução, ele necessita de alguns recursos que estão no Site B. Então A migra para o Site B carregando o conhecimento necessário para executar uma tarefa. Ao mover-se para o site remoto, A completa o serviço neste site. Este paradigma é diferentes dos outros paradigmas, pois nestes o foco é a transferência de código entre componentes enquanto que no paradigma de agentes móveis o código e o estado da computação são movidos para o site remoto (migração). 2.4 Conclusões Este Capítulo descreveu os fundamentos que envolvem os estudos em mobilidade, necessários para compreender o universo que envolve as aplicações que utilizam mobilidade. Pode-se observar que o conceito de mobilidade não é consenso entre a comunidade científica que se dedica a estudar o assunto. Vários autores entendem mobilidade de forma diferenciada, embora sejam unânime em um aspecto: o deslocamento da entidade envolvida na computação móvel. Desta forma, pode-se dizer que mobilidade, como o próprio nome diz, pressupõe que a entidade base da computação possa mover-se de um ambiente computacional para outro. O texto [FUG 98] apresenta uma estrutura conceitual para compreender código móvel. O texto tem várias contribuições. Entre elas, um conjunto de termos e conceitos para compreender e comparar as abordagens baseadas na noção de código móvel, através de mecanismos e paradigmas que auxiliam o desenvolvimento de aplicações para código móvel. Além disso, apresenta algumas tecnologias que suportam mobilidade e algumas aplicações. A capítulo 3 aborda aspectos de mobilidade em sistemas distribuídos.

17 3 Mobilidade em Objetos e Agentes A maioria das tecnologias distribuídas que suportam mobilidade são construídas a partir do paradigma orientado a agente. Como em alguns ambientes um agente é considerado um objeto especial [OBJ 97] [OBJ 98], os conceitos da orientação a objetos são amplamente utilizados por tecnologias que suportam mobilidade. Sendo assim, este Capítulo apresenta aspectos relacionados à mobilidade em sistemas distribuídos, especialmente envolvendo objetos e agentes. Para isto, são abordados aspectos referentes a orientação a objetos, orientação a agentes e agentes móveis. A seção 3.1 aborda o paradigma orientado a objetos. A seção 3.2 apresenta o paradigma orientado a agentes. A Seção 3.3 apresenta aspectos referentes a agentes móveis. Finalmente, a seção 3.4 apresenta as conclusões do capítulo. 3.1 Paradigma Orientado à Objetos O objetivo desta seção é lembrar vários aspectos relacionados à objetos que são importantes para entender porque mobilidade é explorada usando objetos e agentes. Além disso, em tecnologias como Voyager [OBJ 97], um agente é visto como um objeto especial. Desta forma, os conceitos da orientação à objetos são muito utilizados no que se refere a agentes. Amandi no texto [AMA 97], diz que observando as definições de objeto e de agente, vê-se que existem características em comuns entre estas entidades e entre sistemas multi-agentes e sistemas orientado à objetos. Segundo [AMA 97], objetos são representações de entidades físicas ou abstratas do mundo real, que pertencem ao contexto do sistema a ser projetado. Este possui como características fundamentais: os atributos, os métodos e as mensagens. Conceitos importantes relacionados com o paradigma orientado a objetos, tais como: mensagem, encapsulamento, classe, instância, herança, associação dinâmica, polimorfismo e reusabilidade devem ser observados em tecnologias que exploram mobilidade em objetos. Estes conceitos podem ser encontrados, de forma descritiva, no livro de James Rumbaugh ([RUM 96]), um clássico da orientação a objetos. Outra característica importante é a concorrência. Quanto a concorrência em objetos, existem dois tipos naturais: Concorrência intra-objetos - a concorrência surge da existência de vários acessos concorrentes a um mesmo objeto, que pode implicar a execução concorrente de métodos de um mesmo objeto; Concorrência inter-objetos - a forma de concorrência mais natural, que está associada ao fato de vários objetos poderem executar simultaneamente. Havendo concorrência, deve haver sincronização. Em objetos, é necessário sincronizar os vários objetos, no caso de concorrência inter-objetos e as várias threads em um objetos, no caso de concorrência intra-objetos. A comunicação entre objetos pode ser feita de duas formas: síncrona e assíncrona. Na síncrona, após o envio de uma mensagem a um objeto, a execução do emissor fica suspensa enquanto não houver retorno por parte do receptor. Num contexto concorrente,

18 deve-se tomar precauções para evitar que o emissor de uma mensagem fique indefinidamente bloqueado caso não receba resposta. Este tipo de problema levou a utilização de mecanismos de mensagens assíncronas. Neste caso, o emissor ao enviar uma mensagem ao um objeto não fica bloqueado, podendo seguir sua execução. A associação entre concorrência e paralelismo é bastante natural, pois a concorrência pode ser visto como paralelismo lógico entre tarefas. Embora sejam conceitos independentes, na prática a diferença entre os dois torna-se difuso, pois cada vez mais os sistemas concorrentes apoiam-se em sistemas paralelos. Isto acontece porque grande parte dos conceitos associados a concorrência tem correspondência nos sistemas paralelos: mecanismos de troca de mensagens, mecanismos de sincronização, etc. Sendo assim, a passagem de um modelo de objetos concorrente para um modelo de objetos paralelo é relativamente natural, pois o objeto como unidade de execução concorrente assegura a localidade em termos de código e dados (encapsulamento). Além disso, a troca de mensagens permite grande liberdade em termos de implementações em ambientes paralelos. Com referência a objetos distribuídos, pode-se dizer que um objeto distribuído é uma espécie de código que pode viver em qualquer lugar de uma rede. Eles são uma espécie de pacotes com código independente que podem ser acessados por clientes remotos via invocação de métodos. O cliente não precisa saber em que lugar, na rede, o objeto distribuído reside. Os objetos podem ser executados em sistemas operacionais diferentes e podem trocar mensagens com outros objetos em qualquer parte da rede [ORF 96]. Existe recentemente uma tendência de se construir sistemas computacionais abertos utilizando objetos distribuídos. Estes possuem as mesmas características principais dos objetos das linguagens de programação: encapsulamento, polimorfismo e herança, tendo, dessa forma, as mesmas principais vantagens: fácil reusabilidade, manutenção e depuração, só para citar algumas. 3.2 Paradigma Orientado a Agentes A comunidade científica têm proposto uma variedade de definições, cada qual tentando explicar o seu uso da palavra agente. Essas definições vão de um nível elementar até um nível mais elaborado. Pesquisadores inventaram também novos termos para referenciar seus agentes, tais como: agentes inteligentes, interfaces inteligentes, interfaces adaptativas, knowbots, softbots, userbots, taskbots, personal agentes e network agentes. Durante o estudo, observou-se que não há uma definição unificada e universal a respeito do termo "agente". Vários pesquisadores salientam a dificuldade para criação de uma definição de agente. Amandi em [AMA 97] afirma que um agente representa uma entidade computacional com um comportamento autônomo, que pode comunicar-se com outros agentes com o fim de participar na realização de uma tarefa. Os agentes podem auxiliar outros agentes e usuários de diferentes formas: eles ocultam a complexidade de tarefas difíceis, podem treinar ou ensinar, ajudam em diferentes colaborações, monitoram eventos e procedimentos, etc. Um sistema multiagentes é

19 definido por um conjunto de agentes que colaboram entre si para cumprir com as responsabilidades do sistema. Um agente deve apresentar algumas propriedades. Elas definem qual é a classificação do agente, ou seja, um agente inteligente, reativo, capaz de aprender, etc. Propriedades de agentes correspondem a características de um sistema que são resultados diretos da arquitetura do sistema ou são níveis de operação que existem sobre a arquitetura que tem um efeito no comportamento global do sistema. Por arquitetura se entende a porção do sistema que fornece e gerência os recursos primitivos de um agente [FLE 98]. Para que o sistema seja considerado agente, ele não necessita apresentar todas as propriedades mas algumas delas são recomendáveis. Algumas propriedades são: Autonomia - é a capacidade de perseguir uma agenda independentemente de seu usuário. Isso requer aspectos de ação periódica, execução espontânea e iniciativa, em que o agente precisa ser capaz de tomar ações preemptivas (optativas) e independentes que eventualmente beneficiarão o usuário [FLE 98]. Em outras palavras, a autonomia permite ao agente ter algum tipo de controle sobre suas ações e estado interno. Mobilidade - conforme [FLE 98], é a habilidade para mover-se de uma localização para outra, enquanto preservam seu estado interno. Comunicabilidade - é a capacidade de trocar informações com outras entidades (agentes, humanos, objetos, seu ambiente) [FLE 98]. Nas interfaces entre os agentes, é necessário decidir que tipo de declaração os agentes serão capazes de gerar e compreender. Obviamente, o projeto da interface é cuidadosamente relatado para o projeto da arquitetura de todo o sistema. Há ainda um outro problema na comunicação que é a interpretação e significado das declarações do agente. Um termo pode ter diferentes significados para diferentes agentes, o que é chamado de conflito. Diferentes termos podem, entretanto, ter significado similar, o que significa uma correspondência. Aprendizagem - agentes são capazes de examinar o ambiente externo (por exemplo, a Web) e o "sucesso" de ações prévias levam condições similares, e adaptam suas ações para melhorar a probabilidade de atingir prosperamente suas metas. Reatividade - um agente está inserido em um ambiente que pode ser o mundo físico, um usuário via uma interface gráfica, uma coleção de agentes, a Internet, ou talvez todos esse combinados. A reatividade é a capacidade de um agente responder de uma maneira oportuna à mudanças que ocorre nele e no ambiente. Iniciativa - Possuir iniciativa é a habilidade de exibir comportamento direcionado ao objetivo, oportunístico e que não reage simplesmente ao seu ambiente. Sociabilidade - significa interagir com outros agentes (e possivelmente humanos) através de algum tipo de linguagem para comunicação de agente. Racionalidade - é a suposição de que um agente atuará para atingir seus objetivos, e não atuará de modo que impeça que seu objetivo seja alcançado - pelo menos até onde sua opinião permitir.

20 Percepção - os agentes sentem o mundo e geram conhecimentos acessíveis para processar o que a razão está dizendo para perceber no mundo. Cooperação - agentes inteligentes precisam ter um "espírito" cooperativo para existir e ter sucesso em "sistemas orientados a agentes". O que se quer é que agentes inteligentes trabalhem juntos para que possam executar tarefas mutuamente benéficas mais complexas. Dentro das propriedades, tem-se observado que os agentes as possuem em níveis. Por exemplo: a autonomia de um agente é demonstrada diferentemente de agente para agente, o que leva a considerar que os agentes apresentam níveis de propriedades. Da mesma forma que as definições de agente ainda não estão estabelecidas pelo meio científico de forma homogênea, as propriedades também apresentam esta característica. As definições das propriedades parecem ser mais convergentes, porém oferecem margem à várias interpretações. Dependendo das característica que um agente apresenta ele pode ser classificado em categorias distintas de agentes. Para poder dizer que um agente é desta ou daquela forma, é necessário que o agente atenda algumas características peculiares. Por exemplo, para um agente ser considerado um agente móvel, ele precisa possuir a propriedade de mobilidade. Algumas classificações de agentes, como agentes inteligentes, agentes autônomos, agentes reativos, etc, podem ser encontradas no texto [FLE 98]. 3.3 Agentes Móveis Agentes móveis são programas que podem ser disparados em um computador e enviados para executar em um computador remoto. Chegando no computador remoto ele apresenta suas credenciais e obtêm acesso aos serviços locais e aos dados [LAN 97]. É uma tecnologia emergente que promete tornar sistemas distribuídos mais fáceis de projetar, implementar e manter. Agentes móveis não estão restritos aos sistemas em que iniciaram sua execução, pois eles têm a habilidade de se transportar de um sistema para outro através de uma rede. Este recurso permite a um agente móvel mover-se para o sistema que possui um objeto com o qual o agente deseja interagir, obtendo a vantagem de residir na mesma máquina ou rede do objeto. Agentes móveis podem oferecer um paradigma uniforme para objetos distribuídos, englobando passagem de mensagens síncronas e assíncronas, passagem de objetos e objetos móveis e estacionários. Além de suportar os serviços existentes em uma rede, agentes móveis também tornam possíveis novos serviços e novas oportunidades de negócios. Características como cooperação, autonomia e representatividade foram herdadas da própria origem de agentes, entretanto, foram acopladas outras a fim de suprir as necessidades exigidas para o bom funcionamento de modelos que utiliza o paradigma de agentes móveis, tais como objetos passantes, assincronismo, interação local, operações sem conexão e execução paralela. Estas características são definidas como [LAN 97]: Objetos passantes - quando um agente móvel é transferido, todo o objeto é movido, ou seja, o código, os dados, o itinerário para chegar ao servidor necessário, o estado de execução, etc;

21 Assincronismo - o agente móvel possui sua própria thread de execução e esse não precisa ser executado sincronamente; Interação local - o agente móvel interage com outros agentes móveis ou objetos estacionários locais. Se necessário, um agente mensageiro é enviado para facilitar a interação com agentes remotos; Operações sem conexão - o agente móvel pode executar tarefas mesmo com a conexão fechada. Quando se faz necessário transferência de agentes, aguarda-se até que a conexão seja restabelecida; Execução paralela - múltiplos agentes podem ser disparados para diferentes servidores a fim de executar tarefas em paralelo. Apesar de conter semelhanças entre esse novo paradigma e outros métodos de despacho remoto, os agentes móveis primam por segurança, uma característica fracamente explorada em sistemas antigos. Isso deve-se, principalmente, ao fato dos sistemas anteriores não terem sido projetados para utilização em redes geograficamente distribuídas, sem opções, que hoje fazem parte do cotidiano, como o uso de cartões de crédito em algum tipo de comércio eletrônico. A nível de segurança os agentes móveis realizam tarefas relacionadas à autenticação de usuário/servidor e autorização de serviços no servidor. Aplicações que utilizam os conceitos de agentes seguem o paradígma atual de funções/procedimentos ou Orientação a Objetos como paradígma de implementação. A aplicação cliente é um ambiente de interação com o usuário que utiliza os conceitos de agentes móveis. Além disso, essa aplicação tem interface com o ambiente agente. Logo, quando as tarefas são executadas, o ambiente agente de execução envia o agente móvel, através do subsistema de mensagens. No servidor, ocorre a ação contrária: o agente é recebido através do subsistema de mensagem e é encaminhado ao ambiente agente de execução, que deve ser compatível com o ambiente do cliente. Daí, as tarefas são realizadas a nível de aplicação servidora e se necessário, um agente mensageiro é disparado. Segundo [LAN 97], agentes móveis apresentam uma série de vantagens como: Redução do tráfego da rede - Sistemas distribuídos demandam um grande volume de comunicação (interação) para realizar uma determinada tarefa, principalmente quando há restrições de segurança envolvidos. Agentes móveis permitem reduzir o tráfego da rede, pois permitem despachar tarefas que podem executar suas interações localmente. Agentes móveis podem ainda reduzir o tráfego de dados da rede, pois permitem mover o processamento para o local onde os dados estão armazenados ao invés de transferir os dados para depois processá-los. O princípio é simples: "Mover o processamento para os dados ao invés de mover os dados para o local de processamento". Oculta a latência da rede - Sistemas críticos necessitam de respostas em tempo real para mudanças no ambiente. O controle desses sistemas através de uma rede substancialmente grande ocasiona uma latência inaceitável. Agentes móveis oferece uma solução, pois podem ser enviados pelo controlador central para realizarem suas tarefas localmente.

22 Encapsulamento de protocolo - Cada máquina em um sistema distribuído possui seu próprio código necessário para implementar a transferência de dados. Porém, novos requisitos de segurança e eficiência demandam mudanças no protocolo que podem ocasionar problemas na manutenção do código existente. Agentes móveis, por outro lado, podem mover-se para máquinas remotas a fim de estabelecer canais de comunicação baseados em protocolos proprietários. Execução assíncrona e autônoma - Tarefas podem ser embutidas em agentes móveis que podem ser enviados pela rede. Após serem enviados, os agentes são autônomos e independentes da criação de processo, podendo executar assincronamente. Este recurso é útil principalmente porque um dispositivo móvel (ex. laptops) pode se reconectar na rede para coletar o agente mais tarde. Adaptação dinâmica - Agentes móveis possuem a habilidade de perceber mudanças no ambiente de execução e reagir autonomamente. Múltiplos agentes podem interagir entre si e se distribuir pela rede, de modo a manter uma configuração ótima para resolver um problema em particular. Independência de plataforma - Redes de computadores, geralmente são heterogêneas, tanto na perspectiva de hardware como a de software. Agentes móveis são independentes da máquina e também da rede, sendo dependentes somente do seu ambiente de execução, não dificultando a integração de sistemas. Mas é necessário que o ambiente de execução do agente esteja disponível para um determinado hardware ou software. Robustez e tolerância a falhas - A habilidade dos agentes móveis de reagirem dinamicamente a situações e eventos desfavoráveis torna fácil a construção de sistemas distribuídos robustos e tolerantes a falhas. Por exemplo, se uma máquina está para ser desligada, todos os agentes em execução na máquina podem ser advertidos para que possam ser enviados e continuar suas tarefas em outra máquina da rede. Para comunicação entre os agentes, merece destaque o Protocolo de Transferência de Agentes (ATP - Agent Transfer Protocol). Este é um protocolo a nível de aplicação para sistemas distribuídos baseados em agentes. Enquanto agentes móveis podem ser programados em diferentes linguagens e para diferentes plataformas, através de uma máquina virtual e de bibliotecas, o ATP oferece a oportunidade de manejar agentes móveis através de uma forma geral e uniforme. Uma máquina que suporta agentes tem um serviço de agente baseado em ATP, que é um componente capaz de enviar e receber agentes de um computador remoto via protocolo ATP. O serviço de agente é identificado por um endereço único, independente da plataforma específica de agente suportada pela máquina. Uma máquina pode rodar múltiplos serviços de agentes. Além disso, uma mensagem ATP carrega informações suficientes para identificar a plataforma de agente específica, na máquina receptora, e um gerenciador ATP é chamado para gerenciar a mensagem. O protocolo ATP é baseado no paradigma de requisição/resposta entre serviços ATP. Um serviço ATP A estabelece uma conexão com um serviço ATP B, e envia uma requisição para B esperando uma resposta. ATP/0.1 pode ser obtido no endereço http://www.trl.ibm.co.jp/aglets/ e faz parte do IBM Aglets Workbench.

23 Além disso, para que os agentes possam se comunicar com outros agentes distribuídos através da rede, é desejável que eles se comuniquem através de um protocolo comum. Desta forma, existe um esforço da comunidade científica no sentido de normalizar a linguagem de comunicação entre os agentes. Uma proposta é a linguagem KQML (Knowledge Query Manipulation Language) [FIN 94] e um outro para a representação e intercâmbio do conhecimento adquirido pelos agentes através do formato KIF (Knowledge Interchange Format). Estes padrões são importantes para haver um consenso no desenvolvimento de aplicações com suporte a agentes móveis. A linguagem Java viabilizou a concepção de diversos sistemas experimentais de agentes móveis. Numerosos sistemas estão atualmente em desenvolvimento ou já comercializados tais como: Voyager [OBJ 97] [OBJ 98], Aglets [LAN 97] e Concordia [WONG 97] [CAS 98]. Estes são apresentados no capítulo 4. Os sistemas citados acima possuem muitas características em comum, como a utilização da máquina virtual Java padrão, mecanismos de serialização de objetos e arquitetura baseada em servidor. Contudo, os mecanismos de transporte de agentes e interação variam consideravelmente. Estas diferenças são apresentadas no capítulo 5. 3.4 Conclusões Este capítulo apresentou aspectos de mobilidade em sistemas distribuídos, especialmente envolvendo objetos e agentes. Como a maioria das aplicações distribuídas que suportam mobilidade são construídas a partir do paradigma orientado a agente e algumas aplicações consideram o agente um objeto especial, os conceitos da orientação a objetos são amplamente utilizados por tecnologias que suportam mobilidade. Pode-se concluir que não há diferença entre objetos e agentes móveis que justifiquem um estudo separado destas duas entidades. A filosofia da orientação a objetos é absorvida pela orientação a agentes, portanto, um agente pode ser considerado um objeto, mas com autonomia, isto é, pode-se dizer que um agente é uma evolução do objeto. Um exemplo do uso deste conceito é Voyager [OBJ 97] [OBJ 98]. Esta é uma tecnologia promissora para desenvolvimento de aplicações com suporte à mobilidade que considera agente um objeto especial, isto é, que tem autonomia. O Capítulo 4 apresenta as tecnologias usadas para implementar mobilidade e algumas aplicações que utilizam mobilidade.