Entwicklung verteilter Geräte und Anwendungen für die UPnP Plattform unter besonderer Berücksichtigung automatisch generierter User Interfaces

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1 Entwicklung verteilter Geräte und Anwendungen für die UPnP Plattform unter besonderer Berücksichtigung automatisch generierter User Interfaces Jakob S. Doppler DIPLOMARBEIT eingereicht am Fachhochschul-Masterstudiengang Digitale Medien in Hagenberg im Juni 2006

2 c Copyright 2006 Jakob S. Doppler Alle Rechte vorbehalten ii

3 Erklärung Hiermit erkläre ich an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die aus anderen Quellen entnommenen Stellen als solche gekennzeichnet habe. Hagenberg, am 26. Juni 2006 Jakob S. Doppler iii

4 Inhaltsverzeichnis Erklärung Vorwort Kurzfassung Abstract iii vii viii ix 1 Einleitung Motivation Abgrenzung Technische Begriffserklärungen Bluetooth Technische Details Architektur Profile Vergleichbare Funktechnologien Service-Plattformen JINI UPnP OSGi Geräte Szenario Konzept UPnP-Technologie Implementierung Sensor-Hardwaredevice Webcam Streaming-Server und Client UPnP-Winamp Media Player MIDI-Device iv

5 INHALTSVERZEICHNIS v 4 Generierung grafischer User Interfaces Anforderungen im GUI-Design Anforderungen im Pervasive Computing Kontext-sensitive und verteilte Anwendungen Geräteeigenschaften Techniken der GUI-Entwicklung Window Manager und Toolkits Web-basierte Entwicklungen Interaktive GUI-Builder XML GUI-Sprachen XAML XUL XForms UIML XIML Model-based User Interface User Interface Generierung Projekt Pebbles Personal Universal Controller Projekt Supple GUI-Builder Konzept System-Schnittstellen Setup Implementierung - PC Entwicklung mit OSGi Systemaufbau GUI-Generator UI-Erweiterungen Implementierung - Smart Phone Entwicklung mobiler Java-Anwendungen Gateway Mobile Client Fazit Erreichte Ziele Geräte GUI-Builder Ausblick A Inhalt der CD-ROM 82 A.1 Diplomarbeit A.2 Literatur A.3 Anwendungen

6 INHALTSVERZEICHNIS vi A.4 Quellcode Literaturverzeichnis 84

7 Vorwort Mit der Fertigstellung der vorliegenden Diplomschrift geht ein weiterer Abschnitt in meinem Leben zu Ende. Der Blick zurück an den Beginn des Studiums lässt mich kaum glauben, dass seither fünf Jahre vergangen sind. Auch wenn die Zeit an der Fachhochschule Hagenberg mit viel Arbeitsaufwand und Engagement verbunden war, möchte ich sie dennoch nicht missen. Viele gute Erinnerungen und lehrreiche Erfahrungen in fachlicher als auch in menschlicher Hinsicht tragen zu diesem positiven Eindruck bei. Die Faszination der Technik liegt für mich in ihrer gestalterischen Schaffenskraft, die, wenn sie mit Wissen und Gewissen eingesetzt wird, Großartiges vollbringen kann. Ich hoffe mit meiner Arbeit einen kleinen Teil zu einem technologischen Fortschritt beizutragen, der in Einklang mit den Bedürfnissen und Werten unserer Gesellschaft steht. Daher scheint es auch angemessen, jene Personen zu nennen, die mir das Gefühl geben eben dieses erreichen zu können. Im Rahmen einer mehrjährigen Forschungsarbeit konnten mit meinem Projektpartner und Freund Bernhard Wally neue Aspekte einer intelligenten und vernetzten Gerätelandschaft beleuchtet werden, wie sie in ein paar Jahren vielleicht in jedem Haushalt zu finden sein wird. Dafür und für die vielen, teils lustigen Stunden gemeinsamen Wirkens sei ihm gedankt. Auch meinem Betreuer DI Dr. Christoph Schaffer, der mir im Laufe meines Diplomstudiums in zahlreichen Gesprächen mit guten Ratschlägen und fachlichem Wissen zur Seite gestanden ist, gilt mein besonderer Dank. Die Erkenntnis, dass das Leben neben der Schönheit der Technik auch noch andere, ebenso wichtige Facetten zu bieten hat, habe ich zweifelsohne meiner Familie und den zahlreichen, guten Freundschaften in Hagenberg und Gallneukirchen zu verdanken. Insbesondere sind hier meine Eltern Regina und Erwin Doppler genannt, die mir in vielen richtungsweisenden Entscheidungen, denen ich im Laufe meines bisherigen Lebens begegnete bin, geholfen haben und mir meine Ausbildung ermöglichten. vii

8 Kurzfassung Getragen von der rasanten Entwicklung mobiler und eingebetteter Geräte, bringen einheitliche Kommunikationsstandards eine neue Qualität für die im Netzwerk verteilten Anwendungen. Es existiert der Wunsch nach intelligenten Diensten, die in der eigenen Umgebung und in verschiedensten Lebenssituationen in Anspruch genommen werden können. Ein weitgehend ungeklärter Aspekt in diesem Zusammenhang sind Automatismen für die Darstellung und Interaktion mit diesen verteilten Diensten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden auf Basis der UPnP Service- Plattform verschiedene Geräte und Anwendungen für ein mögliches Mediensteuerungsszenario beleuchtet. Der erste Schwerpunkt liegt in der Entwicklung von Eingabemedien. Anhand eines sensorbasierten Hardwaredevices und einer Kamera mit Bewegungserkennung soll in Verbindung mit einem UPnP-basierten Framework zur Verknüpfung von Gerätediensten die Fähigkeit zur dynamischen Vernetzung und Ansteuerung anderer, verteilter Geräte demonstriert werden. Im zweiten Teil werden Anforderungen für die automatisierte Generierung von User Interfaces zur Fernsteuerung der Dienste ermittelt. Der Benutzer soll unabhängig vom Ort und der Plattform des darstellenden Endgerätes mit den netzwerkbasierten Anwendungen interagieren können. Anhand zweier Prototypen für den PC und für das Smart Phone wird die technische Machbarkeit dieses Ansatzes gezeigt. viii

9 Abstract Advances in mobile and embedded technology and communication standards for distributed device computing offer new opportunities for home appliances. This trends reflects a deep longing for smart and sophisticated services that help us in everyday life activities. But taking automated representation and interaction with these services into account, there are still a number of open issues. The present thesis deals with research and development of various applications and devices that are based on the UPnP service platform. The first idea places emphasis on prototyping input devices for a UPnP-based media control framework. Thus methods for integrating a sensor-based device and a monitoring camera for motion detection have to be found. The second part covers research on automated user interface generation for distributed network services. Since users should not be restricted in choosing their favorite environment for application usage, two GUI building applications to remotely control these services were implemented. The first one is based on the PC platform. The second one tries to employ the remote control metaphor by using a smart phone. ix

10 Kapitel 1 Einleitung Längst hat sich das Internet als globales Kommunikationsnetzwerk etabliert. Waren die Anfänge des Mediums vorrangig von der schnellen Verbreitung und Beschaffung von Informationen geprägt, so kam im Laufe der Zeit ein weiterer Aspekt zur Geltung: Die Nutzung von automatisierten Dienstleistungen in Echtzeit zeigte neue Qualitäten der Vernetzung auf und sicherte deren nachhaltigen Erfolg. Analog dazu vollzog sich auch im Softwaredesign ein grundlegender Wandel von maßgefertigten Einzellösungen zu der Idee von interoperablen Applikationen, die durch die gemeinsame Standardisierung von Technologien getragen wird. Erwähnenswert hierfür ist die universelle Beschreibungssprache XML (Extended Markup Language), diefür die Repräsentation verschiedenster Daten herangezogen wird. Diese Entwicklung entfacht den Wunsch nach intelligenten Diensten, die auch in der eigenen Umgebung und in verschiedensten Lebenssituationen in Anspruch genommen werden können [13]. Der Benutzer soll unabhängig von Ort und Zeit mit kontextsensitiven Anwendungen 1 interagieren können. Möglich wird dies durch die zunehmende Verbreitung von Embedded Systems 2 und mobilen Endgeräten wie dem PDA (Personal Digital Assistant), dem Mobiltelefon oder dem Laptop, die mit Nah- und Fernfunktechnologien ausgestattet sind. In diesem Zusammenhang spricht man von Ubiquitous Computing 3. Die Begriffe bezeichnen die alles durchdringende Vernetzung von intelligenten Gegenständen des Alltags [40]. Organisationen wie die Digital Living Network Association (DNLA) 4 beschäftigen sich mit den Anforderungen, die es am Weg zur universellen Vernetzung von Gerätediensten im Haushalt zu erfüllen gilt und dem möglichen Mehrwert, der daraus generiert werden kann. 1 Kontextsensitive Anwendungen besitzen die Fähigkeit, sich an aktuelle Gegebenheiten und Umwelteinflüsse anzupassen. 2 Eingebettete Computersysteme, die für den Benutzer - meist unsichtbar - Dienste verrichten und auf spezialisierter Hardware basieren und mit Sensoren ausgestattet sind. 3 auch Pervasive Computing 4 DNLA - 1

11 KAPITEL 1. EINLEITUNG Motivation Der Grundstein für die Realisierung der Vision einer pervasiven Umgebung scheint mit den fortschreitenden Entwicklungen von mobilen und Embedded- Technologien gelegt. Ein weitgehend ungeklärter Aspekt hingegen sind Standards und Automatismen für die Darstellung und Interaktion mit verteilten Diensten. Service-Plattformen wie Universal Plug and Play (siehe Kapitel 2.2.2) sind plattformunabhängige Software-Bibliotheken, die dem Entwickler die große Verantwortung hinsichtlich einheitlicher Geräteschnittstellen und automatischer Erkennung der Netzwerkdienste abnehmen und diese von einem beliebigen Ort aus fernsteuerbar und überwachbar machen. Sie treffen jedoch keine Entscheidungen hinsichtlich der Repräsentation der Interaktionsdaten. Aus diesen Überlegungen entsteht die Idee sowohl Eingabegeräte für den Einsatz in einem Mediensteuerungsszenario zu entwickeln, als auch Forschung in Richtung der automatisierten Generierung von User Interfaces zur Fernsteuerung von verteilten Geräten zu betreiben. Erstere ist Teil eines lang ersehnten Wunsches, den PC als vorrangiges Interaktionsmedium für computerisierte Dienste ablösen zu können. In diesem Zusammenhang wird ein Weg gesucht, um Sensorik und die Bewegungserkennung einer Kamera als Auslöser zur Steuerung verteilter Netzwerkdienste nutzen zu können. Die zweite Idee befasst sich mit Interaktionen, in denen ein Display hingegen notwendig und sinnvoll ist. Hierfür muss ein Konzept zur automatisierten Generierung von User Interfaces im Kontext verteilter Geräte und Anwendungen erstellt werden. Möglich wird dies durch die Architektur von UPnP. Wird ein neues Gerät dem Netzwerk hinzugefügt, werden alle interessierten Teilnehmer darüber informiert und erhalten eine funktionale Beschreibung der Gerätedienste. Diese Beschreibung kann genutzt werden, um ein Interface zur Steuerung des Gerätes darzustellen. Da die Problemstellung der automatisierten Generierung von User Interfaces nicht alleine auf die Domäne der verteilten Netzwerke beschränkt ist, gibt es einige, vielversprechende Ansätze. Mehrere XML-basierte Sprachen und GUI-Building Systeme (siehe Kapitel 4) bieten Lösungsansätze auf verschiedenen Abstraktionsebenen an. Diese reichen von einer konkreten Beschreibung und Positionierung der Steuerelemente bis hin zu einer Verknüpfung zwischen den Interaktionsdatentypen der Gerätefunktion und abstrakten Elementen, denen abhängig von den Vorgaben der Plattform eine andere grafische Repräsentation zukommt. 1.2 Abgrenzung Ziel der Arbeit ist die Nutzung der UPnP Service-Plattform zur Erstellung netzwerkbasierter Geräte, die in einen Wohn- und Arbeitsraum integriert

12 KAPITEL 1. EINLEITUNG 3 werden können und entweder passiv Informationen über Personen in der Umgebung beziehen oder als physisches Interaktionsmedium einsetzbar sein sollen. Zudem müssen, um im Netzwerk verteilte Gerätedienste unter einem gemeinsamen User Interface Standard ansprechen zu können, bestehende User Interface-Auszeichnungssprachen und GUI-Building Systeme zur Fernsteuerung einer UPnP-Gerätelandschaft evaluiert werden. Anhand prototypischer Implementierungen soll der Einsatz der Technologie in einem Mediensteuerungsszenario gerechtfertigt werden. Dazu zählen mit einem Sensormodul und einer Kamera zur Bewegungserkennung mehrere UPnP-fähige Geräte. Weiters soll die Generierung grafischer User Interfaces zur Fernsteuerung der verteilten Anwendungen am PC und für die Smart Phone-Plattform demonstriert werden. Die Arbeit ist in zwei Bereiche unterteilt. Der erste befasst sich mit den technischen Vorrausetzungen und der Erstellung der Geräte. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse der Recherche zur automatisieren User Interface Generierung anhand zweier Prototypen beleuchtet. Die Schwerpunkte umfassen jeweils zwei Kapitel: Kapitel 2 stellt die technischen Vorraussetzungen für die Arbeit mit den Geräten vor. Es wird der Funkstandard Bluetooth beleuchtet und die Wahl UPnP als bevorzugte Service-Plattform vorgestellt. Kapitel 3 versucht mit einem pervasiven Szenario die Intention der Arbeit zu erklären und beleuchtet anhand der entwickelten Geräte den ersten Teil der Implementierung. Kapitel 4 beschäftigt sich mit vorhandenen Systemen und XML-Sprachdefinitionen rund um das Thema einer generischen Beschreibung und Generierung von grafischen Benutzeroberflächen. Kapitel 5 demonstriert und dokumentiert die praktische Anwendbarkeit einer generischen Mediensteuerung für verteilte Geräte anhand zweier prototypischer GUI-Builder Anwendungen für PC und Smart Phone. Kapitel 6 ist eine Zusammenfassung der gewonnenen Erkenntnisse und wagt einen Ausblick in die nahe Zukunft.

13 Kapitel 2 Technische Begriffserklärungen 2.1 Bluetooth Durch den Bedarf einer kostengünstigen Technologie mit niedrigem Energieverbrauch als Ersatz für kabelgebundene Kommunikation, wurde 1994 von dem Mobilfunkunternehmen Ericsson die Bluetooth-Technologie 1 ins Leben gerufen. Das rege Interesse namhafter Hersteller wie IBM, Intel und Nokia führte zur Gründung des Entwicklerkonsortiums Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) 2 und zur Erhebung von Bluetooth zum Industriestandard gemäß IEEE Wenngleich auch die flächendeckende Einführung von Anfang an in einer allgemeinen Euphorie prognostiziert wurde, vergingen einige Jahre bevor die Akzeptanz gegeben und eine genügende Verbreitung an Endgeräten mit Bluetooth-Hardware gegeben war Technische Details Die Datenübertragung bei Bluetooth erfolgt über das lizenzfreie ISM-Frequenzband im Bereich zwischen 2,400 GHz und 2,480 GHz [31]. Da dieses Band jedoch von einer Vielzahl an Funktechnologien, darunter auch der WLAN-Standard (IEEE ) oder die Schnurlostelefonie, genutzt wird, braucht es ein robustes Verfahren um die Übertragungsqualität zu gewährleisten. Diese Robustheit wird durch ein Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping) garantiert. Darunter versteht man den Wechsel des Trägersignals alle 625 µs zwischen den bei Bluetooth definierten 79 Frequenzstufen im 1-MHz Abstand. Die maximale Übertragungsrate liegt dabei in den Versionen 1.1 und 1.2 bei 723,1 kbit/s und in der verbesserten Version 2.0 EDR 1 Bluetooth - 2 Bluetooth SIG - https://www.bluetooth.org/ 3 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - eineinstitution zur Standardisierung von Computertechnologien 4

14 KAPITEL 2. TECHNISCHE BEGRIFFSERKLÄRUNGEN 5 WAE WAP TCP/UDP SDP vcard/vcal IP TCS BIN OBEX PPP AT Command AUDIO RFCOMM L2CAP HCI LMP Baseband Bluetooth Radio Abbildung 2.1: Bluetooth Stack Architektur (siehe [31]). (Enhanced Data Rate) bei 2,1 Mbit/s. Um der Anforderung einer kostengünstigen und energiesparenden Funktechnologie gerecht zu werden, wurden drei Leistungsklassen für verschiedene Einsatzzwecke geschaffen. Klasse 1- Geräte sind für eine Reichweite von bis zu 100 m bei einer Leistung von 100 mw konzipiert. Am anderen Ende liegen Klasse 3-Geräte mit 1 m und 1 mw. Die breite Palette der Unterhaltungselektronik und mobilen Endgeräte arbeitet mit Klasse 2-Chips bei einem Verbrauch von 2,5 mw und einer Reichweite bis zu 10 m [31]. In einem Bluetooth Netzwerk (Piconet)können sich bis zu Geräte befinden, von denen jedoch nur acht aktiv sein dürfen. Ein Master-Gerät sorgt für sie Synchronisation der sieben Slaves. Ein Bluetooth-Teilnehmer kann sich in mehreren Netzwerken aufhalten, wodurch eine netzwerkübergreifende Kommunikation möglich wird. Der Zusammenschluss mehrerer Piconets bezeichnet man als Scatternet Architektur Der Bluetooth Protokollstack wurde von der Bluetooth SIG entworfen und enthält eine Sammlung hierarchisch angeordneter Protokolle (siehe Abbildung 2.1). Erklärte Designziele waren eine bindende Richtlinie für die Implementierung von Bluetooth-Geräten und maximale Interoperabilität durch die Wiederverwendung älterer Kommunikationsprotokolle in den höheren Schichten. Die Protokolle werden in vier grundlegende Schichten eingeteilt [31] (siehe Tabelle 2.1.2).

15 KAPITEL 2. TECHNISCHE BEGRIFFSERKLÄRUNGEN 6 Protocol Layer Bluetooth Core Protocols Cable Replacement Protocol Telephony Control Protocols Adopted Protocols Protocols Baseband, LMP, L2CAP, SDP RFCOMM TCS Binary, AT-commands PPP, TCP/UDP/IP, OBEX, WAP, vcard, ccal, IrMC, WAE Tabelle 2.1: Bluetooth-Architektur Protokollschichten (siehe [5]). Core Protocols: Das Baseband sorgt für die physikalische Verbindung und die Synchronisation der Netzwerkteilnehmer mittels des zuvor erwähnten Frequenzsprungverfahrens. Echtzeitkritische Audiodaten werden ebenfalls ohne zusätzlichen Overhead über dieses Protokoll übertragen. Das Link Manager Protocol (LMP) ist für den Verbindungsaufbau zwischen den Bluetooth-Geräten sowie Authentifizierung und Verschlüsselung zuständig. Das Logical Link Control and Adaption Protocol (L2CAP) fungiert als Vermittlungsschicht zwischen höherliegenden Protokollen und dem Host Controller Interface (HCI). Geräte- und Dienstinformationen können nach erfolgreicher Verbindung mit dem Simple Discovery Protocol (SDP) abgefragt werden. Cable Replacement Protocol - RFCOMM: Zur Emulation des seriellen Datenübertragungskanal RS232 wurde die RFCOMM -Schnittstelle geschaffen. Dadurch können eine große Anzahl an höherliegenden Protokollen ohne Anpassungsaufwand auch über Bluetooth Funk betrieben werden. Telephony Control Protocols: Auf Empfehlung der International Telecommunication Union (ITU-T) flossen AT-Steuerkommandos (AT-commands) in die Bluetooth-Spezifikation mit ein. Das zusätzliche Telephony Control Protocol - Binary (TCS Binary) zeichnet sich für den Verbindungsaufbau von Daten- und Sprachübertragung verantwortlich. Adopted Protocols: Um mit IP basierten Protokollen wie TCP und UDP kommunizieren zu können, wurde das Point-to-Point Protokoll (PPP) entwickelt. Es verwaltet den Paketversand des Bluetooth-Gerätes und ermöglicht die Darstellung von Internetinhalten mit dem Wireless Application Protocol (WAP) und der aufbauenden Wireless Application Environment (WAE) Anwendungen. Object Exchange (OBEX) ist der Infrarot- Spezifikation entnommen und ermöglicht den schnellen Austausch von Objekten ohne den Transportkanal, in diesem Fall RFCOMM, zu definieren. Ein Verwendungszweck ist das Synchronisieren von Kalendern (vcal) und das Austauschen von Business Cards (vcard).

16 KAPITEL 2. TECHNISCHE BEGRIFFSERKLÄRUNGEN Profile Im Vergleich zu anderen Funktechniken wie WLAN, die einmal spezifiziert werden und eine starre Auslegung verlangen, lebt die Bluetooth-Spezifikation vor allem durch ihre hochgradige Flexibilität und Erweiterbarkeit. Verantwortlich dafür ist der vielschichtige Aufbau der Bluetooth-Architektur. Um den verschiedenartigen Anwendungsmöglichkeiten für unterschiedliche Geräteklassen gerecht werden zu können, bedarf es eines komponentenbasierten Ansatzes, der es durch einfachen Austausch von Protokollen schafft, die gewünschten Szenarien abzudecken. Aufbauend auf einem generischen Protokollstack setzen spezifischere Protokolle auf, die in einer Vererbungshierarchie angeordnet sind [20]. Profile sind Kombinationen dieser Komponenten, die bestimmte Rückschlüsse auf den Aufbau und die Zusammensetzung des Bluetooth Protokollstacks zulassen. Die Interoperabilität zwischen zwei Bluetooth-Geräten ist von der Unterstützung der gemeinsamen Profile abhängig. Beim Verbindungsaufbau tauschen die Teilnehmer diese aus und ermitteln, ob sie zueinander kompatibel sind. Es existiert eine Vielzahl an Profilen, die unter anderem die Synchronisation und Vernetzung, den Austausch von Daten und Dokumenten, die Ein- undausgabe auf Endgeräten (FAX, Drucker) oder die Übertragung von Audiodaten über Headset und Mobiltelefon definieren. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang eine Reihe an Profilen, die für die Mediensteuerung interessant sind. Das Personal Area Network-Profil definiert, wie sich alle in Reichweite befindlichen Geräte zu einem Ad-Hoc PAN-Netzwerk zusammenschließen können und Zugang zu einem LAN erhalten. Einen weiteren Schritt in Richtung Vernetzung von Diensten geht die Bluetooth SIG mit dem Entwurf für das Extended Service Discovery Protocol (ESDP), daszur Erkennung von UPnP Geräten herangezogen werden soll. Die Liste der Profile ist einer ständigen Veränderung unterworfen und wird von der Bluetooth SIG verwaltet Vergleichbare Funktechnologien Im den letzten Jahren entwickelte sich rund um die Idee des Mobile Computing und die dadurch gewonnene Ortsunabhängigkeit ein kompetitives Geschäft. Neben Bluetooth drängen eine Menge ähnlicher Technologien auf den Markt und eine steigende Anzahl an multifunktionalen Endgeräten mit unterschiedlichsten Anforderungen tragen ihren Teil dazu bei, dass die Wahl nicht immer leicht fällt. Waren die Grenzen zwischen Wireless LAN und Bluetooth anfangs noch relativ klar definiert, kann eine Überschneidung mit Technologien wie ZigBee, Near Field Communication (NFC) und Radio Fre- 4 Eine aktuelle Liste der Bluetooth Profil-Spezifikationen findet sich unter bluetooth.com/bluetooth/learn/technology/specifications/. Eine Liste der Entwürfe ist unter https://www.bluetooth.org/spec/ abrufbar

17 KAPITEL 2. TECHNISCHE BEGRIFFSERKLÄRUNGEN 8 quency Identification (RFID) nur schwer geleugnet werden 5. Dies ruft auch unweigerlich Probleme in der Standardisierung durch die IEEE auf den Plan, wie sie im aktuellen Formatstreit um UltraWideBand(UWB), das als Basis für das zukünftige drahtlose USB gilt, ersichtlich sind. Bluetooth wird dennoch an den Spezifikation der beiden gegensätzlichen Konsortien WiMedia Alliance 6 und dem UWB Forum 7 mitwirken, verspricht UWB doch große Datenübertragungsraten bei niedrigstem Energieverbrauch. 2.2 Service-Plattformen Technologien wie Jini 8 und Universal Plug and Play (UPnP) 9 wurden entwickelt, um Ordnung in die heterogene Landschaft verteilter Geräte und Dienste zu bringen und die gegenseitige Kommunikation zu ermöglichen. Neben der einheitlichen Kommunikationsschnittstelle ist auch die automatisierte Ad-Hoc-Vernetzung und Diensterkennung (Service Discovery) einvorrangiges Ziel 10.UnterAd-Hoc versteht man in der Informatik-Terminologie die Vernetzung meist mobiler Geräte ohne das Vorhandensein einer festen Infrastruktur. Die Konzepte und Unterschiede der beiden Standards werden im folgenden Kapitel näher erläutert. Im Anschluss wird mit OSGi ein generisches Service-Framework Open Service Gateway Initiative (OSGi) 11 vorgestellt, das die beiden konkurrierenden Netzwerk-Technologien in einem gemeinsamen Standard zu vereinen versucht JINI Allgemeines Jini wurde 1999 als verteilte Netzwerktechnologie schon viele Jahre vor UPnP ins Leben gerufen. Die Architektur wurde von Sun entworfen und verwendet gängige Java-Technologien [35]. Jini kann auf einem beliebigen Netzwerkprotokoll aufsetzen, ist aber an eine vorhandene Laufzeitumgebung, die Java Virtual Machine (JVM), und dadurch an die Konzepte der Programmiersprache Java gebunden. Dies ist ein entscheidender Nachteil im Vergleich zur generischeren Auslegung des Konkurrenten UPnP (siehe Kapitel 2.2.2) Auf Basis der Virtual Machine setzten Jini s eigene Netzwerkprotokolle und das Java Remote Methode Invocation-Modell (RMI) für den Aufruf von entfernten Objekten im Netzwerk auf. Die Jini-Bibliothek umfasst die oberen 5 Eine Gegenüberstellung verschiedener Wireless-Technologien und deren Einsatzzwecke findet sich unter 6 WiMedia Alliance - 7 UWB Forum - 8 Jini - 9 UPnP Ein Überblick über bestehende Protokolle zur Diensterkennung finden sich in [25] 11 OSGi -

18 KAPITEL 2. TECHNISCHE BEGRIFFSERKLÄRUNGEN 9 Java Spaces Other Services Lookup Discovery & Join Jini RMI Java Virtual Machine Abbildung 2.2: Jini Architektur (siehe [24]). Schichten: das Discovery-Managment, dendarüber liegenden Lookup-Service und die Applikationsschicht, die sich in Client-Anwendungen, den dazugehörigen Services und unabhängigen Netzwerkservices genannt JavaSpaces gliedert (siehe Abb. 2.2). Kommunikationsmodell Das Jini-Kommunikationsmodell wird von drei Komponenten getragen. Ein Service Provider, im Java Jargon auch als Djinn bezeichnet, stellt einem Netzwerk seine Dienste zur Verfügung. Dazu wird für jeden Dienst ein Dienstobjekt und eine Liste von Attributen mit Serviceinformationen in einer speziell dafür vorgesehenen Java-Klasse erstellt. Dienstobjekte stellen für den Service Provider ein Interface zur Verfügung, mit der er seine Fähigkeiten präsentieren kann. Der Service Provider sendet diese Information an einen Lookup Service und wird dort registriert. Jeder Lookup Service ist ebenfalls ein Dienst und die Anlaufstelle für Jini-Clients die nach Services Ausschau halten. Will ein Client einen Service in Anspruch nehmen, so erhält er aus dem Index des Lookup Services die benötigte Information, um den Dienst am Service Provider eigenständig aufrufen zu können. Die Kommunikation zwischen den Teilkomponenten (Abb. 2.3) wird in die Phasen Discovery, Join, Lookup und Service Call eingeteilt: Discovery: Eine Netzwerkkomponente oder ein Service nutzen das Multicast Request Protocol um beim Start nach Jini Netzwerken und speziell Lookup Services suchen und durchsuchen zu können. Das Multicast Announcement Protocol findet beim Start eines neuen Lookup Services Verwendung, damit dieser potentiellen Clients seine Verfügbarkeit mitteilen kann. Auch beim Ausfall und neuerlichen Eintreten eines Lookup Services in das Jini-Netzwerk kommt dieses Protokoll zum Einsatz. Das Unicast Discovery Protocol wird von Netzwerkteilnehmern verwen-

19 KAPITEL 2. TECHNISCHE BEGRIFFSERKLÄRUNGEN 10 Lookup Service Service Reference Lookup Discovery and Join Client Service Call Service Provider Abbildung 2.3: Das Jini-Kommunikationsmodell (vereinfachte Darstellung aus [24]). det, um gezielt mit einem Lookup Service kommunizieren zu können. Als Vorraussetzung für eine erfolgreichen Discovery-Prozess gilt die Netzwerkunterstützung von Multicast und Broadcast-Nachrichten. Join: Diese Phase beschreibt die Prozedur der Service-Registrierung bei verschiedenen Lookup Services. Der Service Provider meldet ein Dienstobjekt und die Attributliste an und gibt bekannt, über welche Zeitdauer der Dienst dem Netzwerk zur Verfügung steht. Um die Netzlast zu reduzieren können mehrere Lookup Services auch in logische Gruppen zusammengefasst werden, die der Service Provider einheitlich mit einer Mulitcast Discovery Nachricht ansprechen kann. Jeder Dienst weiß welcher Gruppe er zugeordnet ist. Lookup: Mit Lookup bezeichnet man den Vorgang den ein Client anstößt, wenn er auf der Suche nach einem Dienst ist. Wird er bei einem Lookup Service fündig, so erhält er eine Kopie des Dienstobjektes. Für die Kommunikation wird eine RMI-Verbindung hergestellt, die das dynamisch Laden von Programmteilen und das Ausführen von nicht-lokalen Prozessen auf einer anderen Virtual Machine erlaubt. Service Call: Mit dem Erhalt des Dienstobjektes bekommt der Client die Möglichkeit, direkt mit dem Service Provider zu kommunizieren und den Service in Anspruch zu nehmen. Weitere Konzepte Eventing: Ähnlich dem UPnP-Modell könnensichobjektealsservice Listener bei einem Dienst eintragen und werden beim Eintreten eines Ereignisses über die Zustandsänderung informiert.

20 KAPITEL 2. TECHNISCHE BEGRIFFSERKLÄRUNGEN 11 Leasing: In Jini wird die temporäre Nutzung der Ressourcen eines Services als Leasing bezeichnet. Ein Client kann nach Absprache mit dem Service Provider einen Zeitrahmen definieren, in dem er den Dienst in Anspruch nehmen darf. Wird bis zum Ablaufs des Abonnements keine Erneuerung der Vereinbarung beantragt, so gibt der Provider die Ressourcen wieder frei UPnP Allgemein Universal Plug and Play ist eine offene, verteilte Netzwerkarchitektur, die automatischen Verbindungsaufbau, Steuerung und Datenaustausch zwischen Geräten im Heim- und Office-Bereich auf Basis von TCP/IP und Internettechnologien ermöglicht. Die Entwicklung des Gerätesteuerungssystems wird von namhaften Firmen unterstütztundversuchtdie Charakteristika desplug and Play-Paradigmas auf bestehenden Netzwerkstandards umzusetzen und mit verteilter und unabhängiger Applikationslogik zu verbinden. Ein beliebiges Gerät kann somit dynamisch einem Netzwerk hinzugefügt werden, seine Dienste offerieren und über die Verfügbarkeit und Serviceleistungen anderer Geräte lernen. Die Merkmale von UPnP umfassen: Automatische Geräte- und Serviceerkennung, Konfiguration und Integration (zero configuration). Abstraktion der Netzwerktopologie zugunsten einer einfachen Bedienung ( invisible networking). Plattform-, protokoll- und geräteunabhängige Kommunikation und Datenaustausch. Bedingt durch die Flexibilität der Architektur ist auch eine Anpassung von Technologien und Mediengeräten mit nicht IP-konformen Protokollen möglich. Der Implementierungsaufwand für herstellerspezifische Gerätetreiber ist damit ebenfalls überflüssig, da standardisierte Protokolle verwendet werden und dem Entwickler im Gegensatz zu Jini die freie Wahl der Programmiersprache und des Betriebssystems garantieren. Das UPnP Forum ist ein Konsortium das sich mit dem Design der Weiterentwicklung der UPnP-Kommunikation zwischen den Produkten verschiedener Hersteller beschäftigt. Praktisch alle namhaften Firmen in der IT- Branche sind in diesem Forum vertreten 12. Komponenten Die UPnP-Architektur definiert zwei Komponententypen - das Gerät (Device) und die Steuerinstanz (Control Point). 12 UPnP Implementers Corporation -

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