Integration of Wireless Peer-to-Peer Sensor Networks with Embedded Web Services

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1 Fakultät für Elektro- und Informationstechnik Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Prof. Dr.-Ing. Christian Wietfeld with Embedded Web Services, Sebastian Rohde, Christian Wietfeld IST - EU Project in the 6 th Framework Program ITG Fachtagung - Mobilkommunikation Osnabrück

2 Agenda Motivation Anwendungsszenario Agrar- und Forstwirtschaft Web Services auf eingebetteten Geräten Device Profile for Web Services P2P Protokoll JTA zur Anbindung drahtloser Sensor Dienste Systemarchitektur Local Area Web Service Domain Wide Area Peer-to-Peer Domain Case Study zur Protokollevaluation Fazit und Ausblick Folie 2

3 Motivation Verknüpfung eingebetteter Web Services mit P2P basierten Diensten Anbindung von P2P Sensordiensten über das Mobilfunknetz Stationäre P2P Dienste in nicht erschlossenen Gebieten Wiederverwendung bestehender Kommunikationsinfrastruktur Sensor Messdatenerfassung und -übermittlung via z.b. GSM/GPRS Eingebettete drahtlose Sensornetz-Gateways Nutzung der P2P Service Discovery Mechanismen Lose Kopplung zwischen Diensten Dezentralisiertes Wide Area Service Provisioning Middleware Support für Integration in existierende IT Infrastruktur Folie 3

4 Szenario Agrar- und Forstwirtschaft GPS Wide Area Domain Soil Quality and GPS Sensor Fertilizer Dosing System Moisture Sensor Water Valve Water Valve Water Supply Moisture Sensor Internet P2P WS Gateway Wetterdienst Enterprise IT DataWarehouse / ERP Accounting Clients Local Services Lokale Wetterstation Local Domain Folie 4

5 Web Services Umsetzung einer Service Oriented Architecture (SOA) Grundidee: Nutzung der Web Infrastruktur für automatisierten Dienstezugriff Service Registration Discovery & Interface Description Service Access & Orchestration Service Provider Service Registry Service Provider Service Consumer Folie 5

6 Device Profile for Web Services (DPWS) Nachfolger von UPnP mit nahezu gleicher Funktionalität Addressing, Discovery, Description, Control, Eventing, Presentation DPWS spezifiziert Untermenge von WS-* Spezifikationen für eingebettete Systeme Nahtlose Anbindung an Web Service basierte Umgebungen (z.b. SAP) UPnP UPnP Vendor defined UPnP Forum Working Committee defined Templates UPnP Device Architecture HTTPU / SOAP HTTPMU HTTP SSDP GENA GENA UDP IPv4 / IPv6 TCP WS-Discovery WS-MetaData Exchange UDP DPWS WS-Addressing SOAP 1.2 & WSDL ML Schema IPv4 / IPv6 HTTP TCP WS-Eventing Folie 6

7 DPWS Nachrichtenfluss Multicast Announcement bei Start/Stop eines DPWS Servers Multicast-basierte Service Discovery Austausch von MetaDaten in zweifacher Iteration Remote Dienstezugriffe: One-way Request-reply Solicit-response Notify Abonnierung von Events Client Device Proxy Service Proxy Invoker Subscription Hello Probe Probe Match Get MetaData MetaData Get MetaData MetaData Subscribe Subscription UUID Request Response Renew / Status Duration Unsubscribe Subscription End Server Device Hosted Service Event Handler Notify Bye Notifier Folie 7

8 Szenario Agrar-und Forstwirtschaft GPS Wide Area P2P Domain Soil Quality and GPS Sensor Fertilizer Dosing System Moisture Sensor Water Valve Water Valve Water Supply Moisture Sensor Internet Wetterdienst Enterprise IT DataWarehouse / ERP Accounting Clients Local Services Lokale Wetterstation Local WS Domain Folie 8

9 JTA Peer-to-Peer Protokoll Netzwerk Abstraktion im Application Layer Peer Teilnehmer in einem JTA Netzwerk: Full Edge Peers Minimal Edge Peers Peer Peer Peer Peer Peer Peer Peer Peer Peer Super Peers: Rendezvous Peers (RDV): Verwalten Dienst- Advertisements Proxy/Relay Peers: NAT Traversal + Gateway für Minimal Edge Peers JTA Hierarchieebenen RDV Relay FE Proxy FE FE ME ME Folie 9

10 Verbindungsaufbau Komplexer Verbindungsaufbau zum P2P Netz: Anfrage einer neuen Peer ID Verbindungsanfrage beim RDV mittels Peer ID Suchanfrage nach eingehender Server Pipe Erstellung einer Pipe für Rückantworten aus dem P2P Netz Akitivierung der Weiterleitung von eingehenden Nachrichten an den Minimal Edge Peer Minimal Edge Peer Request new Peer ID New Peer ID Request Network Connection Connection Request ACK Search for Server Pipe Search ID Request Search Results Server Pipe Search Result Create Reply (Input) Pipe Input Pipe ID Activate Data Retrieval on Pipe Successful Proxy Publish Peer ID Successful Search for Server Pipe (ID) Server Pipe Search Result Publish new Input Pipe ID Successful RDV-Peer Wireless Link Backbone Link Folie 10

11 Systemarchitektur GPS Sensor Networks Actor Networks Embedded Wireless Data Concentrator P2P Proxies RDV Cloud P2P Network (Internet) Embedded Wireless Data Concentrator Wide Area P2P Domain DPWS Web Service Clients P2P DPWS Gateway Enterprise IT (ERP/DataWarehouse) Local Area DPWS Domain Virtual DPWS Domain Folie 11

12 Case Study zur Protokollevaluierung SOAP (ML-basiert) vs. SOAP (WBML-basiert) vs. JTA GPS JTA Approach Rendezvous Peers Service Publication P2P - WS Gateway Sensorik Wireless Data Concentrator Proxy WS Client ML Approach WBML Approach WBML DB Web Service Client Web Service Database Service WBML Proxy and Database Service Web Service Client Folie 12

13 Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Testbed Übersicht E-Plus Netz Internet Local Network Mobilfunk Emulator Web Service TestSet JTA TestSet VM NAT VM Folie 13

14 Testablauf Variation der Nachrichtengröße 1, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 32, und 64 Messwerte pro Nachricht Berücksichtigte Delays: Daten Serialisierung Round Trip Time über Mobilfunkkanal Daten Deserialisierung 250 Messreihen für jede Nachrichtengröße (E-Plus Netz + Agilent Testset) Wireless Data Concentrator Proxy Server Side T75 JME-Proxy Datenhaltungsprogramm Wireless Data Concentrator Send Data Server Side 1 Daten senden Send data to Server Pipe 2 Send Data Daten to senden Server Pipe Server Reply to Input Pipe Antwort an Antwort-Pipe senden Reply Message Daten Server der Reply Antwort-Pipe to Input empfangen Pipe Folie 14

15 Vergleich der Nachrichtengrößen in Byte Message Size (kbyte) Message Size (kbyte) Number of Measurements per Transaction ML WBML JTA Folie 15

16 Gesamt-Delay für ML-basierten SOAP Ansatz Delay (sec) Number of Measurements per Transaction Serialization RTT Deserialization Nachrichtentransfer mit größtem Anteil am Gesamt-Delay Sehr hoher Gesamt-Delay für größere Nachrichten Folie 16

17 Gesamt-Delay für WBML-basierten SOAP Ansatz Delay (sec) Number of Measurements per Transaction Serialization RTT Deserialization Nachrichtentransfer und Serialisierung mit nahezu gleichem Anteil am Gesamt-Delay Folie 17

18 Gesamt-Delay für JTA-basierten P2P Ansatz Delay (sec) Number of Measurements per Transaction Serialization RTT Deserialization Nachrichtentransfer mit größtem Anteil am Gesamt-Delay Sehr effiziente Serialisierung Folie 18

19 Gegenüberstellung der Protokolle Delay (sec) ML WBML JTA ML WBML JTA ML WBML JTA ML WBML JTA ML WBML JTA ML WBML JTA ML WBML JTA ML WBML JTA ML WBML JTA ML WBML JTA ML WBML JTA Number of Measurements per Transaction Serialization RTT Deserialization Kein Unterschied wenn Daten nicht gebündelt werden WBML profitiert von geringerem RTT bei höherer Bündelung JTA profitiert von effizienter Serialisierung bei hoher Bündelung Folie 19

20 Fazit Prototyp Entwicklung zur nahtlosen Integration von Peer Services in das Device Profile for Web Services Sehr gut geeignet für schmalbandige, drahtlose Links durch SOAP-to-P2P Protokolltransformation P2P Ansatz sehr gut geeignet für große Datensets Komplexer P2P Verbindungsaufbau Eingeschränkt nutzbar für mobile Dienste Ausblick Ausbau des P2P Gateway zur generischen Kopplung verschiedener DPWS Inseln Nutzung der skalierbaren P2P Service Discovery Mechanismen für Web Services SOAP Binding für Efficient ML Interchange (EI) als Alternative zu WBML für Wireless Links Folie 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen? Folie 21

22 Nachrichtengröße in Byte Anzahl Messungen / Nachricht Web Service ML Web Service WBML JTA JME binary Req. Rsp. Overall Req. Rsp. Overall Req. Rsp. Overall Folie 22

23 Exemplary results for 250 Test Runs (JTA 16 Measurements) Lehrstuhl für Kommunikationsnetze Delay (ms) Number of Test Run Serialization Send Data Deserialization Folie 23

24 Mobile Network vs. Emulated Network (JTA) Coding Scheme: CS-4 Timeslot-Distribution: 3 Down-, 2 Uplink Folie 24

25 Mobile Network vs. Emulated Network (WBML) Folie 25

26 Median der RTT für alle Ansätze Median der Laufzeiten [ms] WS-ML WS-WBML JTA Anzahl der Testmessdaten Folie 26

27 Software Architecture Embedded Node Mobile Network Subsystem Server Side Client local Memory Wireless Link SOAP / JME SetValues SetValues SOAP / JME Subscription Management Database Subsystem SOAP / JTA GetValues Subscribe Notify Notify Subscribe GetValues SOAP / JTA Local Data Management Graphical User Interface Data Retrieval alarm Data- Transfer Database GPS- Subsystem Sensor- Subsystem HTTP Header Device ID Localization Information Time Stamp Temperature of ambient air Methane and oxygen content of ambient air Folie 27

28 Implementation Details GIS Client Utilizing SwingLabs library for map visualization OpenStreetMap NASA Maps Folie 28

29 Universal Plug and Play Plug & Play Funktionalität (wie USB) für IP basierte Devices Zero Configuration Protokollumfang: Addressing Discovery Description Control Eventing Presentation UPNP enableddevice Service Device Service Control Point Control Point Device Service UPNP enableddevice Folie 29

30 DPWS Introduction I Trend zu vernetzten eingebetteten Systemen Electronic devices are increasingly connected to standard networks Ethernet/WiFi and TCP/IP are widely available in many places Web Services have become simple, economical, widely available interaction means between information systems Leveraging the web infrastructure: IP, HTTP Applicable in a wide range of devices Home networking Building automation Industrial automation Automotive electronics Telecommunications equipment Monitoring solutions Folie 30

31 DPWS Introduction II Promotes Web Service-based interactions between: Devices, which act as service providers (servers) Service consumers, which can be other devices or clients running on a variety of platforms DPWS defines the extensions required for using Web Services in electronic devices Service Broker Taking into account their specific constraints: footprint, performance, Fulfilling the most common needs: security, plug&play, asynchronous and event-driven exchanges Service Provider Service Consumer Folie 31

32 DPWS Protocol Stack WS Addressing a SOAP extension for handling message addressing and routing in a transport-independent way WS Discovery P2P like discovery protocol for unmanaged networks WS Meta-Data Exchange Extensible Meta-Data description protocol WS Eventing WS-based Publish/Subscribe protocol WS-Discovery WS-Eventing WS Meta Data Exchange WS-Addressing SOAP 1.2 / WSDL 1.1 / ML Schema HTTP UDP TCP IPv4 / IPv6 Folie 32

33 Web Services for Embedded Devices Services are provided by two types of endpoints Devices, which can host other services, play an important role during the discovery phase Hosted services, which are deployed and discovered on devices, provide the functional behavior WS-Addressing WS-Eventing WS-Addressing WS-Discovery WS-Meta-Data Exchange Folie 33

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