BRisa: Um Arcabouço para o Desenvolvimento de Aplicações Baseadas no Padrão UPnP

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BRisa: Um Arcabouço para o Desenvolvimento de Aplicações

Baseadas no Padr˜ao UPnP

Leandro M. de Sales, Thiago B. M. de Sales, Hyggo O. Oliveira, Angelo Perkusich e Wendel Soares

1_{Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação}

Centro de Engenharia El´etrica e Inform´atica Universidade Federal de Campina Grande

Campina Grande – PB – Brasil

{leandro,thiagobruno,hyggo,perkusic,wendel}@embedded.ufcg.edu.br

Resumo. _{Neste artigo, apresenta-se o projeto BRisa, uma implementac¸˜ao do}

padrão UPnP (Universal Plug and Play) baseada em software livre. O BRisa é um arcabouço que permite o fácil desenvolvimento de aplicações que pre-cisam fazer descoberta de dispositivos e serviços em uma rede. Com o BRisa, é poss´ıvel controlar equipamentos residenciais, tais como televisores, portas, janelas, lâmpadas, câmeras de segurança, ar-condicionados, aparelhos de som,

impressoras, entre outros. A motivação deste projeto é construir uma

fer-ramenta que possa abstrair do desenvolvedor de aplicações de rede toda a complexidade de implementação do referido padrão, que inclui manipulação (criação e parsing) de arquivos XML, uso de implementações de protocolos de rede, tais como TCP, UDP e HTTP, bem como o desenvolvimento do protocolo especificado pelo padrão UPnP para descoberta e disponibilização de serviços, tais como o de descrição de dispositivo e disponibilização e acesso a serviços e eventos UPnP vinculados a um determinado dispositivo.

1. Introduc¸˜ao

A popularização dos dispositivos eletrônicos portáteis tais como PDAs, celulares e Inter-net tablets tem proporcionado o desenvolvimento de mecanismos para conectar e

com-partilhar informações. O padrão de conectividade Universal Plug and Play (UPnP)1 _é

considerado uma boa opção para prover serviços ub´ıquos por meio da utilização de dis-positivos móveis, fazendo uso de tecnologias já consolidadas da Internet, tais como o HTTP, o SOAP e o XML.

O conceito original de Plug and Play (PnP) era focado na conectividade dinâmica de dispositivos ao computador. Um driver de dispositivo controlado pelo sistema opera-cional detecta o periférico e o torna dispon´ıvel para o usuário através das chamadas de sistema. O padrão UPnP especifica uma abordagem diferente: os dispositivos se conec-tam à rede e são detectados pelos sistemas com o uso de protocolos de rede, em lugar dos drivers de dispositivos. Os protocolos de rede adotados pelo UPnP são todos con-siderados padrões na Internet [3], tais como HTTP, UDP e TCP. As chamadas ao sistema usadas no Plug and Play são substituidas por chamadas remotas de métodos com o uso de

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Webservices baseados no protocolo SOAP. Uma rede UPnP é um conjunto de computa-dores interconectados, aparelhos de rede e dispositivos que utilizam o padrão UPnP para descobrir, descobrir, anunciar e acessar serviços de rede.

O projeto BRisa [Guedes et al. 2008, Sales et al. 2011] visa prover um arcabouço para criar ferramentas que ofereçam suporte à comunicação entre dispositivos de rede. O arcabouço BRisa alcança este objetivo por meio da definição e publicação de protocolos que controlam os dispositivos UPnP, abstraindo do desenvolver de aplicações toda a com-plexidade de implementar as especificações do padrão UPnP. A proposta é que o padrão UPnP permita conexão transparente entre dispositivos eletrônicos usuais, tais como celu-lares, impressoras, reprodutores multim´ıdia, mas também outros dispositivos menos co-muns de se conectarem às redes, tais como periféricos convencionais como câmeras de segurança, aparelhos domésticos como luzes, portas, sensores de temperatura, cortinas etc.

Nesta perspectiva, a ferramenta descrita neste artigo pode ser utilizada no de-senvolvimento de aplicações de redes para diferentes contextos, tais como redes móveis e ub´ıquas, redes pervasivas, grids, cloud computing e redes de sensores sem-fio. Por exemplo, recentemente utilizou-se o BRisa para desenvolver um gateway UPnP para Representação de Serviços de Rede de Sensores sem Fio [Campos et al. 2010]. Este

gateway permite que os servic¸os fornecidos por todos os n´os sensores pudessem ser

de-scobertos e controlados por pontos de controle através de um dispositivo UPnP. Um outro exemplo é o UPnP-UP (User Profile) [Sales et al. 2009, Sales et al. 2010], uma extensão para o padrão UPnP para dar suporte à autenticação e autorização de usuários em redes UPnP.

Neste artigo será apresentado o arcabouço de desenvolvimento de aplicações UPnP chamado BRisa-UPnP. Trata-se de um projeto de software voltado para à construção de aplicações ad-hoc que acessam e fornecem serviços de rede. Estes serviços podem ser acessados e fornecidos de forma transparente entre os dispositivos através de uma API de programação simples de usar e portável: o BRisa funciona nos três princi-pais sistemas operacionais da atualidade, Linux, MacOS e Windows; além da plataforma Nokia/Maemo e Nokia/MeeGo, com versões iniciais para as plataformas Google/Android e Samsung/Bada.

Na próxima seção será apresentada uma visão geral do padrão UPnP. O BRisa-UPnP será apresentado na Seção 3, bem como instruções básicas de como utilizá-lo com instruções de instalação, documentação e exemplos. Na Seção 4, será apresentado alguns estudos de casos de aplicações desenvolvidas com o BRisa-UPnP. Por fim, na Seção 5 são apresentadas as considerações finais sobre o BRisa-UPnP e seus desdobramentos futuros.

2. Vis˜ao Geral do Padr˜ao UPnP

O padrão UPnP define uma arquitetura para conectividade entre diferentes dispositivos com diferentes tipos de interfaces de comunicação. Foi projetado para proporcionar flex-ibilidade e simplicidade na descoberta de dispositivos e serviços em uma arquitetura de rede ad hoc, distribu´ıda e aberta, a qual tem como base protocolos padrões da Internet, tais como o TCP/IP, HTTP e SOAP. O padrão foi inicialmente proposto pela Microsoft, em 1999, em conjunto com outras 28 empresas, incluindo Intel, Hewlett-Packard, Compaq e Samsung.

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Atualmente, mais de 800 empresas fazem parte do UPnP Forum2, o qual objetiva definir e publicar padrões, protocolos e modelos, permitindo a interoperabilidade entre diferentes dispositivos e serviços de rede em ambientes domésticos e corporativos. As empresas estão organizadas em comitês por áreas espec´ıficas, encarregadas de definir padrões para dispositivos e desenvolver implementações de testes que concretizem as especificações propostas. Os comitês existentes estão divididos nas seguintes áreas: automação residencial e segurança, Internet gateway, eletrodomésticos e áudio e v´ıdeo. Para permitir interoperabilidade entre diferentes dispositivos e fácil disponibilização de serviços, o padrão UPnP define 5 passos de conectividade.

Está ilustrado no cenário da Figura 1 um exemplo de aplicação na área de áudio e v´ıdeo do padrão UPnP. Nesta especificação, propõe-se uma abordagem para que dis-positivos móveis (pontos de controle) possibilitem a navegação por conteúdos multim´ıdia armazenados em um servidor de m´ıdias e os reproduzam num reprodutor de m´ıdias.

Nesse contexto, um ponto de controle inicialmente envia uma requisic¸˜ao

mul-ticast de descoberta UPnP (M-SEARCH) para obter uma lista de dispositivos UPnP

dispon´ıveis na rede (Etapas 1 e 2). Estas etapas permitem que pontos de controle obten-ham informações sobre os dispositivos na rede, dentre essas, os serviços disponibilizados pelos dispositivos. Uma vez obtida a lista de dispositivos e serviços, um ponto de controle pode invocar quaisquer serviços UPnP disponibilizados pelos dispositivos descobertos (Etapas 3 e 4). Um ponto de controle pode selecionar um conteúdo multim´ıdia disponi-bilizado pelo Servidor de M´ıdias (UPnP Media Server) e reproduz´ı-los (Etapas 5 e 6) em um Reprodutor de M´ıdias (UPnP Media Renderer). Dispositivos UPnP ainda podem lançar eventos de mudanças de estado na rede. Como exemplo, um Reprodutor de M´ıdias poderia informar aos pontos de controle sobre a mudança de volume na reprodução do conteúdo multim´ıdia, ou sobre novos conteúdos sendo reproduzidos nesse reprodutor.

3. BRisa

O BRisa é um framework de código aberto dispon´ıvel para ser utilizado em duas lingua-gens de programação: Python e C++, além de uma versão em Java em desenvolvimento. Para oferecer suporte à construção de dispositivos e serviços UPnP, o BRisa é separado nos seguintes módulos:

• uma API para o desenvolvimento de dispositivos e serviços UPnP. Estas classes abstraem toda a complexidade da implementação do padrão descrita na especificação principal do referido padrão, como processamento de conteúdos XML, tratamento de excessões, disponibilização de Webservices através do pro-tocolo SOAP e implementação de um servidor Web;

• uma API de ponto de controle, que permite o desenvolvimento de pontos de con-trole personalizados. Neste módulo é implementado um cliente Web para down-load de arquivos XML, cliente para Webservices para realizar chamadas remotas de métodos disponibilizados pelos dispositivos UPnP através do protocolo SOAP, processamento de XML, descoberta de dispositivos e gerenciamento de eventos UPnP;

• um conjunto de aplicações exemplos e aplicações de gerenciamento do arcabouço. Neste módulo são implementadas a BRisa Configuration Tool para controlar 2_{UPnP Forum: http://www.upnp.org}

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Network Navegação (browsing) Controle Streaming de mídia Requisição de mídia Ponto de Controle 1 2 3 4 5 6 Descoberta Dispositivos Descobertos Servidor de Mídia Renderizador de Mídia

Figura 1. Exemplo de cen ário de aplicaç ão UPnP na área de áudio e v´ıdeo.

parâmetros de configuração do arcabouço; aplicações exemplos que podem aju-dar o desenvolvedor a desenvolver suas próprias aplicações: uma TV UPnP, Ar-Condicionado UPnP, Calculadora UPnP, Lâmpada Binária UPnP e um ponto de controle UPnP universal, o qual permite descobrir qualquer dispositivo UPnP, ex-ecutar seus serviços e se registrar aos eventos UPnP gerados pelos dispositivos encontrados.

3.1. Hist´orico do Projeto

O projeto BRisa foi iniciado em 2006 na Universidade Federal de Campina Grande como um projeto em parceria com o Instituto Nokia de Tecnologia. Atualmente o projeto tem sido desenvolvido em parceria com a Universidade Federal de Alagoas no contexto de um projeto de cooperação entre as duas instituições. Por ser um projeto de código aberto, o projeto BRisa tem recebido atenção dos desenvolvedores de todas as partes do mundo, que enviam atualizações de correções, implementação de novas funcionalidades, exemplos de aplicações etc.

Na Figura 2, apresenta-se um histórico do projeto e os principais acontecimentos desde então. Note-se que o projeto BRisa tem recebido apoio da comunidade, tem sido utilizado em grandes projetos, como pelo projeto KDE, assim como apoio de empresas, como a Sony, que doou recentemente um PS3 ao projeto, uma vez que o mesmo suporta o padrão UPnP.

3.2. Instalação e documentação do BRisa UPnP

O processo de instalação do projeto BRisa é muito simples. Atualmente, disponibiliza-se pacotes de instalação para Windows, Linux e MacOS. Todos os passos de instalação do BRisa está dispon´ıvel na documentação oficial do projeto. Note-se que apenas a versão do BRisa em C++ está dispon´ıvel para as plataformas mencionadas, embora seja poss´ıvel,

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Figura 2. Hist ´orico do projeto BRisa UPnP.

com alguns ajustes, fazer com que a vers˜ao em Python tamb´em funcione em Windows e MacOS.

O site oficial do projeto ´e http://brisa.garage.maemo.org/,

onde é poss´ıvel que o usuário obtenha toda a documentação necessária para

instalação, utilização e desenvolvimento de aplicações. Recomenda-se o uso da

última versão do projeto BRisa desenvolvida em C++, cuja documentação está

dispon´ıvel no enderec¸o http://brisa.garage.maemo.org/downloads/

qt-brisa-2.0-documentation.pdf. Al´em disso, disponibiliza-se a

documentação completa da API do arcabouço através do endereço http: //brisa.garage.maemo.org/apidoc/qt/html/index.html.

3.3. Demonstração do BRisa-UPnP no Salão de Ferramentas do SBRC

Pretende-se apresentar o funcionamento geral da ferramenta, assim como diversos exem-plos de aplicações desenvolvidas utilizando o BRisa-UPnP. Também, serão explorados durante a apresentação da ferramenta diversos exemplos já dispon´ıveis no repositório do projeto. Além disso, pode-se explorar diversos cenários de aplicações, a depender do tempo dispon´ıvel para apresentação e interesse do público presente, como, por exemplo, pode-se desenvolver exemplos simples de aplicações durante a sessão do salão de ferra-mentas, estes exemplos podem ser baseados em idéias fornecidas pela própria audiência.

4. Estudos de Caso

Nesta seção é apresentado um estudo de caso no contexto do projeto BRisa. No estudo de

caso ser´a apresentado o UPnPFS, um sistema de arquivo que utiliza o projeto FUSE3_.

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4.1. UPnP-FS

O UPnPFS é um sistema de arquivos baseado no FUSE que permite a descoberta de dispositivos UPnP, execução de serviços e notificação de eventos de cada dispositivo encontrado como se fossem arquivos comuns. O sistema é composto de dois módulos principais, que são executados em paralelo:

• O módulo FUSE, que consiste no sistema de arquivos propriamente dito exportado para o usuário e responsável pelas operações básicas de um sistema de arquivos, tais como escrita e leitura;

• O módulo UPnP, desenvolvido utilizando o BRisa, que permite a descoberta de dispositivos UPnP e o acesso aos serviços providos pelos dispositivos encontra-dos. Na prática, o módulo BRisa é um ponto de controle UPnP, o qual realiza as chamadas remotas de método, gerenciamento e leitura de arquivos XMLs etc. A idéia do UPnPFS é utilizar as operações de sistema de arquivo para mapear a lista de dispositivos em diretórios, a lista de serviços do dispositivo em sub-diretórios de cada dispositivo e a lista de ações de cada serviço em arquivos dentro do sub-diretório do respectivo serviço. Quando um usuário monta um sistema de arquivo UPnPFS, ele

informa um ponto de montagem. ´E nesse ponto de montagem que o UPnPFS criar´a a

es-trutura de diretórios correspondente aos dispositivos UPnP encontrados na rede de acordo com o descrito anteriormente. A estrutura de diretórios constru´ıda no ponto de montagem é dinâmica, surgindo e ocultando diretórios representando dispositivos conforme os mes-mos são encontrados na rede ou dispositivos se desconectam dela, respectivamente.

Na prática, o UPnPFS é um ponto de controle UPnP transformado em um sistema de arquivo. Neste caso, todas as vezes que um dispositivo é encontrado, o sistema de arquivo UPnPFS cria a estrutura de diretório descrita anteriormente para o dispositivo encontrado (diretório do dispositivo, sub-diretórios de serviços e respectivos arquivos de ações de cada serviço). O sistema de arquivos UPnPFS deve permitir a execução de ações, que basicamente consiste em permitir que um usuário abra o arquivo da ação que ele desejar executar e o conteúdo do arquivo seja a lista dos parâmetros necessários para a execução da ação, cada parâmetro por linha, especificado no formato parametro =

<valor>, onde <valor> deve ser especificado pelo usu´ario. Ap´os preencher todos os

val-ores dos parâmetros o usuário deverá salvar o arquivo. Cada operação, feita pelo usuário, de salvar um arquivo de ação, corresponde ao interesse do usuário de executar a ação cor-respondente. Note-se que é permitido que o usuário também execute ações não abrindo o arquivo, mas redirecionando uma sa´ıda qualquer para o arquivo da ação correspon-dente. Desta forma, o sistema de arquivo UPnPFS suporta uma operação similar a echo parametro1 = valor1; parametro2 = valor2; parametro3 = valor3 >> arquivo da acao. Uma operação similar deve ser feito para permitir que o usuário se registre a um determi-nado evento UPnP, executando um comando como echo subscribe >> arquivo do evento ou echo unsubscribe >> arquivo do evento.

Após a implementação do UPnPFS utilizando o arcabouço BRisa via FUSE foi poss´ıvel montar o sistema de arquivo utilizando o comando “mount -t upnpfs nodev /m-nt/network upnp devices”. A palavra reservada nodev permite montar um sistema de ar-quivo que não necessitam de um dispositivo de bloco ou um dispositivo de caracter.

No momento que o comando de montagem do sistema de arquivo UPnPFS é exe-cutado, os dois módulos supracitados são carregado. Ao ser carregado, por padrão o

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sis-tema de arquivo automaticamente procura por dispositivos na rede e constrói a estrutura de diretórios correspondentes no ponto de montagem. Embora o UPnPFS busque por dis-positivos no momento que ele é montado, quando ele for iniciado, o usuário tem a opção de informar para o FUSE que não seja feita busca de dispositivos automaticamente. Neste caso, a opção nosearch deve ser especificada como uma opção disponibilizada pelo sis-tema de arquivo UPnPFS, por exemplo, da seguinte forma: ‘mount -t upnpfs -o nosearch nodev /mnt/upnp”.

Após o UPnPFS começar a encontrar dispositivos, o conteúdo do diretório do ponto de montagem (no caso, /mnt/upnp) deve parecer similar como segue:

$ ls /mnt/upnp

+ DeviceFriendlyName1 (diret´orio) + ServiceName1 (diret´orio)

- Action1 (arquivo) - Action2 (arquivo) - (...) (mais ações) - Event1 (arquivo) - Event2 (arquivo) - (...) (mais eventos) + ServiceName2 (diretório) + (...) (mais serviços) + DeviceFriendlyName2 (diretório)

+ ServiceName1 (diretório) - Action1 (arquivo) - Action2 (arquivo) - (...) (mais ações) - Event1 (arquivo) - Event2 (arquivo) - (...) (mais eventos)

+ ServiceName2 (diret´orio) + ServiceName3 (diret´orio)

+ (...) (mais servic¸os)

+ (...) (mais dispositivos)

Para desmontar o sistema de arquivos UPnPFS o usuário utiliza a forma tradi-cional: “umount /mnt/upnp/ ”. Isto faz com que o ponto de montagem seja liberado e, consequentemente, o descarregamento dos módulos BRisa e do FUSE. Para a execução de uma ação, o usuário tem duas opções, editar um arquivo de ação com um editor de pre-ferência e em seguida preencher os parâmetros necessários para a execução da ação. Após salvar, o UPnPFS será responsável por executar a ação. Por exemplo, o usuário pode uti-lizar o gedit e editar o arquivo /mnt/upnp/DeviceFriendlyName1/ServiceName1/Action2. Isto abrirá um arquivo contendo um texto similar ao apresentado a seguir. Para se reg-istrar ou cancelar o registro a um determinado evento de um serviço UPnP, o usuário deve realizar uma operação similar, porém escrevendo a palavra subscribe ou

unsub-scribe no arquivo de eventos, por exemplo localizado em

/mnt/upnp/DeviceFriendly-Name1/ServiceName1/Action2. parameterName1 = <valor1> parameterName2 = <valor2>

A grande vantagem do uso do UPnPFS, desenvolvido no contexto do projeto BRisa, é que este sistema de arquivo abstrai ainda mais a complexidade do uso do padrão UPnP por parte do usuário. Note que neste caso até mesmo um usuário final poderá utilizar os recursos providos pelo UPnP sem precisar ter conhecimentos de programação.

5. Conclus˜oes

Neste artigo, apresentou-se os conceitos básicos do padrão UPnP. Apresentou-se o projeto BRisa, uma implementação de software livre do padrão UPnP, que permite o

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desenvolvi-mento de aplicações baseadas neste padrão de forma rápida, pois o BRisa abstrai toda a complexidade de se implementar todas as caracter´ısticas previstas pelo padrão UPnP.

O projeto BRisa tem sido utilizado tanto no contexto acadêmico quanto no âmbito comercial, com um grande suporte da comunidade de desenvolvimento de software livre, que tem respondido e participado do seu desenvolvimento com contribuições espec´ıficas de correções e novas funcionalidades, que são aplicadas ao projeto à medida que estas são revisadas e testadas.

Como trabalhos futuros do projeto, existem diversas funcionalidades ainda a serem implementadas, tais como melhoria da solução em C++ para dispositivos mul-tim´ıdia UPnP, adaptação e testes do arcabouço em plataformas móveis, como android e bada, assim como construção de mais exemplos de utilização do projeto BRisa.

Referˆencias

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Sales, L., Sales, T., Almeida, H., and Perkusich, A. (2011). Upnp and smart controlling with qt brisa framework. Smart Developer Magazine: Electronic and Printed.

Sales, T., Sales, L., Almeida, H., and Perkusich, A. (2009). Enabling user authentication and authorization to support context-aware upnp applications. In Proceedings of the XV Brazilian Symposium on Multimedia and the Web, WebMedia ’09, pages 3:1–3:8, New York, NY, USA. ACM.

Sales, T., Sales, L., Almeida, H., and Perkusich, A. (2010). A upnp extension for enabling user authentication and authorization in pervasive systems. Journal of the Brazilian Computer Society, 16:261–277. 10.1007/s13173-010-0022-2.