Konzeption und Implementierung einer standortbezogenen Gruppen-Voic box auf Grundlage der Mobicents Communication

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1 Konzeption und Implementierung einer standortbezogenen Gruppen-Voic box auf Grundlage der Mobicents Communication Platform Klaus Schwarzkopf, Michael Massoth Fachbereich Informatik, Hochschule Darmstadt, Deutschland Kurzfassung Durch moderne Smartphones setzten sich Global Positioning System Empfänger großflächig auf dem Sektor der mobilen Endgeräte durch. Das Global Positioning System bietet den Location Based Services eine genaue Positionsbestimmung. Eine weitere Entwicklung ist die Verbreitung der Next Generation Networks. Sie verdrängen immer mehr die traditionellen Telefonnetze. Dabei müssen mindestens die gleichen Dienste bereit gestellt werden. Der Java Service Logic Execution Environment Application Server ist für asynchrone und eventbasierende Netzwerke, wie die Next Generation Networks, konzipiert und bietet ein standardisiertes Framework für Dienste. Es wurde ein ortsbezogener Gruppen-Voic box Dienst auf Basis der Java Service Logic Execution Environment entwickelt. Dieser Dienst setzt auf die zukunftsträchtigen Technologien Location Based Services und Next Generation Networks auf. Er ermöglicht es seinen Benutzern, eine Sprachnachricht für eine Gruppe auf dem Server zu hinterlegen. Nachdem diese aufgenommen wurde, kontaktiert der Dienst alle Teilnehmer dieser Gruppe, die sich in der näheren Umgebung des Benutzers befinden und übermittelt die Nachricht. Dabei erfolgt die Lokalisierung der Nutzer mittels Global Positioning System. Der entwickelte Dienst wurde Last- und Performanztests unterzogen, um die Teilnehmeranzahl zu ermitteln, die dieser Dienst effizient und erfolgreich verarbeiten kann. 1 Einleitung Der Markt für Smartphones mit integriertem Global Positioning System (GPS) Empfänger wächst rapide [2]. Location Based Services (LBS) sollen im Jahr 2012 den zweiten Platz der meistgenutzten mobilen Anwendungen erreichen [13]. Auch die Next Generation Networks (NGN) mit der Kernkomponente IP Multimedia Subsystem (IMS) setzen sich immer mehr durch [3][15]. Der in diesem Paper vorgestellte Dienst kombiniert LBS und NGN. Durch den Dienst kann bei zeitkritischen Ereignissen viel Zeit eingespart werden, da die Personen einer Gruppe parallel und nicht sequenziell kontaktiert werden. Dies ist besonders wichtig, wenn jede Sekunde zählt. Um weitere Zeit einzusparen, könnte ein Embedded System zum Einsatz kommen, das aus einem SIPund einem Webclient besteht. Durch eine Taste wird eine zuvor aufgenommene Sprachnachricht gesendet. Der Status der Calls lässt sich dabei auf dem Display ablesen. Auch im Geschäftsumfeld lassen sich, direkt durch die Arbeitszeitersparnis, Kosten reduzieren. Anwendungsgebiete sind beispielsweise Vereinbarung eines Termins oder einer Konferenz. Zudem kann der Dienst zur Steuerung von Service-Technikern im Außendienst genutzt werden. Hierzu wird die Gruppe nicht parallel angerufen, sondern sequenziell. Beispielsweise könnte sich die Reihenfolge nach der Entfernung zum Einsatzort richten, wobei nach einem erfolgreichen Call abgebrochen wird. Eventplattformen können ihre Mitglieder über Events informieren, die in ihrer näheren Umgebung stattfinden. Zur Teilnahme müssen sich die Mitglieder vorab in die jeweiligen Gruppen eintragen. Eine weitere Anwendung ist die Kontaktierung der sich im Umkreis befindenden Freunde und Bekannte, um beispielsweise gemeinsam ins Kino zu gehen oder sie zu einer Party einzuladen. 2 Related Work In den folgenden Unterabschnitten werden Arbeiten vorgestellt, die den ortsbezogenen Gruppen-Voic box Dienst betreffen. 2.1 Erstellung von Services mit BPEL Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurden Möglichkeiten gesucht, um Dienste schnell, einfach und kostengünstig bereitzustellen [8]. Dazu wurden wiederverwendbare Kommunikationsbausteine ermittelt und realisiert, welche unter Business Process Execu-

2 tion Language (BPEL) mittels einer grafischen Benutzeroberfläche eingesetzt werden können [4]. Nach der Erstellung des Services analysiert ein Codegenerator den BPEL Prozess und erstellt die Java Klassen der Service Building Blocks (SBB) und die dazugehörigen Deployment Deskriptoren. Der kompilierte Service wird anschließend auf den Java Service Logic Execution Environment (JSLEE) Application Server (AS) deployed. User Equipment Location Transmitter Voic box Service MySQL DB JDBC JNDI / RMI-IIOP AS Java EE JAIN SLEE Webservice Diameter SIP HTTP IP Multimedia Subsystem HSS I-CSCF S-CSCF MGCP Media Server RTP Web-Browser 2.2 Location Based Social Networks SIP User Agent SIP P-CSCF Es existieren mehrere Location Based Social Networks (LBSN) [12]. Sie beinhalten den Aspekt der sozialen Netzwerke kombiniert mit den LBS. LBSN verfügen meistens über eine mobile Anwendung mit beispielsweise einer Karte, auf der die eigene Position und weitere Points of Interest (POI) wie Freunde oder Restaurants angezeigt werden. Die aktuelle geographische Position der Teilnehmer, kann der Dienstanbieter entweder durch die Anwendung oder den Location Server des Mobilfunkbetreibers ermitteln []. Die Cell ID des Mobilfunkbetreibers hat gegenüber des GPS den Nachteil der deutlich geringeren Genauigkeit (50 m bis 30 km). Im Gegensatz dazu ist es mit GPS nicht möglich Personen innerhalb eines Gebäudes zu ermitteln. Der Latitude Dienst von Google zieht, neben den GPS-Koordinaten und der Cell ID, auch Wireless Local Area Network (WLAN) Standorte zur Endgeräteortung heran [7]. Diese Koordinaten können anschließend von Google auf einer Karte visualisiert werden. Dazu unterhält Google entsprechende Datenbanken, um die Cell ID und WLAN Standorte in eine geographische Position abzubilden, dabei variiert die Abdeckung je nach Standort und ist nicht flächendeckend. So verfügt auch der vorgestellte Dienst über eine mobile Anwendung, die den aktuellen Aufenthaltsort an den Dienst übermittelt. Zudem kann der Dienst in die vorhandene Positionsermittlungsinfrastruktur der LBSN integriert werden. 3 Konzept Die folgenden Unterabschnitte beschreiben das System Design und den Ablauf des Services. 3.1 System Design Die Architektur der standortbezogenen Gruppen- Voic box ist in Bild 1 dargestellt und besteht aus dem Open IMS Core [5], dem Location Transmitter, einer MySQL Datenbank und der Mobicents Communication Platform [11]. Diese beinhaltet unter anderem die eingesetzten Komponenten JSLEE, den Java Enterprise Edition (Java EE) Server und den Media Server. Bild 1: Architekturübersicht. Der Location Transmitter ist mittels Java ME implementiert und befindet sich auf dem mobilen Endgerät. Er ermittelt unter Verwendung des GPS Empfängers die aktuelle Position. Diese wird auf vier Stellen nach dem Komma gerundet. Dies entspricht einem gewünschten Rundungsfehler von ca. 13,2 m in Darmstadt und variiert je nach Standort. Ein Locationupdate wird nur durchgeführt, wenn sich die geographische Postion ändert. Daraus ergibt sich eine Verringerung des Netzwerkverkehrs und der Belastung des Java EE. Die aktuellen Koordinaten werden per Webservice an den Java EE Server gesendet. Durch den Einsatz von Webservices können weitere mobile Plattformen integriert werden, wie beispielsweise Android [9] und iphone OS [1]. Der Java EE Server stellt ein Webinterface bereit, das mittels Java ServerFaces implementiert wurde. Dort können Gruppen angelegt und verwaltet werden. Des Weiteren kann der Benutzer sein Profil bearbeiten und beispielsweise weitere Endgeräte anmelden. Sofern kein GPS-Modul vorhanden ist kann deren geographische Position angeben werden. Enterprise JavaBeans enthalten die Geschäftslogik und stellen einen Webservice bereit. Hierüber wird der Service über die aktuelle Position des Benutzers informiert. Der Java EE Server speichert daraufhin diese Position mittels Java Persistence API (JPA) in einer MySQL Datenbank [14]. Der JSLEE AS der Mobicents Communication Platform steuert die Kommunikation sowie den Media Server durch das Media Gateway Control Protocol (MG- CP). Darüber werden die Sprachnachrichten aufgenommen und wiedergegeben. Das Open IMS Core des Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme (FOKUS) [5] dient zur Benutzerauthentifizierung und ordnet durch die Inital Filter Criteria dem Teilnehmer den AS des standortbezogenen Gruppen-Voic box Dienstes zu.

3 3.2 Serviceablauf Der Ablauf des standortbezogenen Gruppen Voic box Services wird durch Bild 2 dargestellt JNDI Java EE JSLEE MGCP Media Server Bild 2: Übersicht des Serviceablaufs. Im Folgenden wird der Ablauf im Detail beschrieben: 1. Zu Beginn müssen die Gruppen der beteiligten Benutzer im Webinterface des Java EE Servers angelegt werden. 2. Die aktuelle Position aller Personen wird automatisch und kontinuierlich von den mobilen Endgeräten der Benutzer durch einen Webservice an den Java EE Server übermittelt und in einer Datenbank hinterlegt. 3. Ein Benutzer baut eine Telefonverbindung zum JSLEE AS auf und 4. übermittelt seine Nachricht an den in der Sitzung vereinbarten Media Server. 5. Befinden sich die Teilnehmer innerhalb einer definierten Umgebung, werden sie vom Service angerufen (nicht dargestellt) und die aufgenommene Nachricht wird abgespielt. Die Aufnahme und Wiedergabe der Nachricht übernimmt der Media Server. 3.3 Nachrichtenablauf Zur besseren Übersicht wird der Verlauf der Nachrichten innerhalb des IMS weggelassen. Es wird nur die Kommunikation zwischen einem User Agent (UA) und dem AS dargestellt. Damit ein Benutzer eine Nachricht für eine Gruppe hinterlegen kann, muss er zuvor eine Sitzung mit dem AS aufbauen. Dies geschieht durch den SIP Three Way Handshake und beinhaltet die drei SIP Nachrichten INVITE, OK und ACK. Die provisional Responses Trying und 180 Ringing sind optional. Nach erfolgreichem Aufbau der Sitzung fordert der Dienst den Benutzer durch eine Ansage auf, das gruppenspezifische Passwort einzugeben. Dieses gibt der Benutzer über die Tastatur seines Endgerätes ein. Bei korrekter Passworteingabe, kann eine Nachricht aufgenommen werden. Wird das falsche Passwort eingegeben, beendet der Dienst die Sitzung. Nachdem der Benutzer seine Nachricht aufgesprochen hat, beendet er die Sitzung durch das Senden eines BYE Requests (vgl. Bild 3). User Agent Sitzung INVITE Trying 180 Ringing ACK Passwort? Passwort Passwort OK Nachricht BYE Application Server Bild 3: Sprachnachricht speichern. Der Ablauf des Nachrichtenversands funktioniert analog zum Nachrichtenempfang. Anstelle des Gruppenpasswortes muss der Empfänger der Nachricht sein persönliches Nutzerkennwort verwenden. Zudem unterstützt der Dienst SIP Forking. Das heißt, alle Endgeräte des Benutzers werden gleichzeitig vom Dienst kontaktiert und der Anruf kann an einem dieser Endgeräte entgegen genommen werden. 4 Evaluation Der implementierte Gruppen-Voic box Dienst wurde Performanz- und Lasttests unterzogen, die im Folgenden beschrieben werden. 4.1 Das System under Test Bild 4 zeigt den Aufbau des System Under Test (SUT). Es besteht aus zwei Computern, die über einen Switch miteinander verbunden sind. Für die Performanz- und Lasttest wurde SIPp [6] auf TestPC1 installiert. TestPC2 enthält den Dienst, der auf dem JS- LEE AS ausgeführt wird. Des Weiteren enthält dieser Computer den Java EE Server, die Datenbank und den Media Server. SIPp TestPC1 Switch JSLEE Java EE TestPC2 Bild 4: Aufbau des System under Test. 4.2 Testzenario Media Server MySQL Datenbank Das Szenario, das mittels SIPp abgearbeitet wird, beginnt mit dem Sitzungsaufbau (vgl. Bild 5). Hiernach erfolgt eine Ansage des Services. Daraufhin sendet

4 STOP STOP SIPp das Passwort und die Sprachnachricht und beendet anschließend die Sitzung. 3,0 s,0 s SIPp JSLEE Start Trigger Point INVITE Trying und Service Time 180 Ringing ACK Ansage DTMF 1 DTMF 2 DTMF 3 DTMF 4 DTMF 5 DTMF 6 DTMF Stern Nachricht BYE End Trigger Point End Trigger Point Service Time Bild 5: Ablauf des Testszenarios. Um die Testergebnisse bewerten und vergleichen zu können, wurden die folgenden Key Performance Indicators (KPI) festgelegt: Service Time Calls per Second Service Success Ratio Die Start Trigger Points der Service Time und der Service Access Time befinden sich beim INVITE und starten jeweils die Zeitmessung (vgl. Bild 5). Der Service steht nach dem Eintreffen der ersten Response bereit. Die Service Time umfasst die gesamte Ablaufdauer des Dienstes. Das Verhältnis zwischen den erfolgreich aufgenommen Sprachnachrichten zu den erwarteten Nachrichten ist die Service Success Ratio. 4.3 Performanztests Es wurden für den Performanztest Calls nacheinander durchgeführt, dabei konnte gezeigt werden, dass in 95 % der Fälle die Zugriffszeit auf diesen Dienst unter 70 ms liegt (vgl. Tabelle 1). alle weiteren Tests deaktiviert, da zukünftig die performanteren Profile des JSLEE eingesetzt werden. Bild 6 zeigt den Verlauf der und der Service Time des Performanztests ohne Datenbankanbindung. Für das Diagramm wurde eine logarithmische Skalierung gewählt, um beide Zeiten sinnvoll darstellen zu können. Es zeigt, dass die Service Access Time in den meisten Fällen unter ms liegt und der Dienst eine kurze Anlaufzeit braucht, um Objekte zu erzeugen, die die Anfrage verarbeiten und um den internen Cache des JSLEE aufzubauen. Dieses Verhalten ist deutlicher in Bild 7 zu erkennen. Der Ausreißer wurde vermutlich durch den Java Garbage Collector verursacht. 4.4 Lasttests Die Lasttests wurden mit Calls durchgeführt, dabei wurde die Anzahl der parallelen Calls bei jedem Durchlauf um erhöht. Tabelle 2 zeigt die statistischen Größen bei 30, 70 und parallelen Calls. Durch den Lasttest konnte bei diesem SUT die Anzahl der gleichzeitgen effektiv zu bearbeitenden Calls auf 30 ermittelt werden (vgl. Bild 7). Der Voic Dienst kann auch kurze Spitzen von 70 parallelen Calls in akzeptabler Zeit verarbeiten. Das hat jedoch unter anderem negative Auswirkung auf das 95 % Perzentil der (SAT), der von 145 ms auf ms steigt. Ebenso verschlechtert sich die Service Success Ratio von ca. 98 % auf ca. 94 %. Bild 8 zeigt die Entwicklung dieses Verhältnisses von bis parallelen Calls. Merkmal Arithmetisches Mittel [ms] Gestutztes Mittel [ms] Minimum [ms] Median [ms] Maximum [ms] 95 % Perzentil [ms] Standardabweichung [ms] Varianz [ms²] 95 % Konfidenzintervall [ms] 30 Calls 144,13 38,42 5,13 12,22.012,60 145,58 972, ,79 60,26 70 Calls 360,88 197,38 5,31 37, , , , ,71 99,18 Calls 441,77 238,84 4,30 47, , , , ,65 Tabelle 2: der Lasttests. 1,56 Merkmal Arithmetisches Mittel [ms] Gestutztes Mittel [ms] Minimum [ms] Median [ms] Maximum [ms] 95 % Perzentil [ms] Standardabweichung [ms] Varianz [ms²] 95 % Konfidenzintervall [ms] ohne DB 132,13 32,06 8,73 32,55.038,90 68, , ,95 196,22 mit DB 501,95 501,95 335,12 433, ,15 723,77 292, ,44 57,32 Tabelle 1: der Performanztests. Zudem konnte die Datenbankanbindung als Verursacher einer wesentlich erhöhten ausgemacht werden. Deshalb wurde die Datenbank für Prozent fehlerfreier Dateien % 95 % 90 % 85 % 80 % 75 % 98,2 % 97,9 % 98,0 % 95,8 % 94,1 % 94,7 % 92,5 % 88,4 % 80,5 % 80,9 % Anzahl paralleler Calls Bild 8: Service Success Ratio.

5 000 Dauer in ms 00 0 Service Time Anzahl der Calls Bild 6: Performanztest ohne Datenbank. 000 Dauer in ms 00 0 Service Time Anzahl der Calls Bild 7: Lasttest mit 30 parallelen Calls. Wie Bild 9 zeigt, skaliert der Gruppen-Voic box Dienst fast linear, in Bezug auf die Anzahl paralleler Calls und Calls per Second. Calls per Second 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0, ,595 1,185 1,775 2,300 2,873 3,409 3,844 Anzahl paralleler Calls 4,317 Bild 9: Calls per Seconds. 4.5 Bottleneckanalyse 5,243 4,962 Durch die Performanz- und Lasttests konnten Ausreißer festgestellt werden, die vermutlich durch den Java Garbage Collector verursacht wurden. Des Weiteren konnte der Datenbankzugriff als Bottleneck ermittelt werden. Dieser sollte durch Profile, die der JSLEE bereitstellt, ersetzt werden. 5 Fazit und Ausblick Der standortbezogene Gruppen-Voic box Dienst verteilt eine Sprachnachricht an Personen, die sich innerhalb eines definierbaren Umkreises befinden. Das Zentrum dieses Gebietes kann im Vorfeld festgelegt werden. Durch die parallele Nachrichtenübermittlung wird im Gegensatz zur sequenziellen Übermittlung viel Zeit eingespart. Die Einsatzmöglichkeiten für diesen Dienst sind vielfältig. So kann er beispielsweise bei Eventplattformen eingesetzt werden, um über Neuigkeiten zu informieren. Es konnten Bottlenecks durch die Performanz- und Lasttests aufgedeckt und behoben werden. Des Weiteren zeigt die statistische Auswertung, dass der Dienst gut skaliert und die Zugriffszeiten des Dienstes gering sind. Der Zielwert für die Service Success Ratio ist 99,999 %. Die Ursache für die Ausreißer muss abschließend geklärt werden. Zukünftig wird eine Geodatenbank (z. B. PostGIS) eingesetzt, um die Berechnungen der Distanz zwischen zwei geografischen Punkten zu beschleunigen. Darüber hinaus werden die Passwörter aus der Datenbank in die Profile des JSLEE verschoben. Der Dienst könnte um Standortalarme ergänzt werden. Wenn sich eine Person einer bestimmten Gruppe einem zuvor definierten POI nähert, wird sie angerufen und eine Nachricht abgespielt. Dieser erweiterte Dienst könnte beispielsweise für Touristeninformationen, Geocaching und für das Spiel Schnitzeljagd eingesetzt werden.

6 Literatur [1] APPLE: iphone Dev Center. ple.com/iphone/, besucht am [2] BITKOM: Smartphones erobern den Massenmarkt aspx, besucht am [3] DOMKE, Dagmar: IBM gibt Entwicklungspartnerschaft mit der Deutschen Telekom AG/T-Com bekannt. /de/worktogether/ngncc/de/casestudies.html, besucht am [4] EICHELMANN, T. ; FUHRMANN, W. ; TRICK, U. ; GHITA, B.: Support of parallel BPEL activities for the TeamCom Service Creation Platform for Next Generation Networks. In: Collaborative Research Symposium on Security, E-learning, Internet and Networking. Plymouth : CSCAN, 2009, S [5] FRAUNHOFER FOKUS: The Open Source IMS Core Project. besucht am [6] GAYRAUD, R. ; JACQUES, O.: Welcome to SIPp. besucht am [7] GOOGLE: Google Latitude. com/intl/en us/latitude/intro.html, besucht am [8] HÜDEPOHL, Günter: TeamCom IMSoder P2P-basierte Dienstebereitstellung und -entwicklung für kundenspezifische Kommunikationsprozesse. besucht am [9] OPEN HANDSET ALLIANCE: Android. besucht am [] QIRO: Hilfe FAQ. cations/help/, besucht am [11] RED HAT: Mobicents. besucht am [12] SCHAPSIS, C.: Location Based Social Networks Links A list of Location Based Social Networking sites. besucht am [13] SHEN, S. ; HART, T. J. ; INGELBRECHT, N. ; ZIMMERMANN, A. ; EKHOLM, J. ; JONES, N. ; EDWARDS, J. ; FRANK, A.: Dataquest Insight: The Top Consumer Mobile Applications in 2012 / Gartner Studie [14] SUN MICROSYSTEMS: MySQL Die populärste Open-Source-Datenbank der Welt. besucht am [15] WILLIMOWSKI, Ingo: Dienstplattformen in der Mobilkommunikation Status und Trends aus Netzbetreibersicht. In: 14. VDE/ITG Mobilfunktagung Osnabrück, VDE, 2009, S