PSWoT: Uma plataforma para descoberta, publicação e autoconfiguração de serviços na web das coisas

PSWoT: Uma Plataforma para Descoberta, Publicação e
Autoconfiguração de Serviços na Web das Coisas
Nailton Vieira de Andrade Júnior - Discente
Prof. Cássio Vinicius Serafim Prazeres - Orientador
Departamento de Ciência da Computação - UFBA
LinkedIn Nailton: https://www.linkedin.com/in/nailton-andrade-msc-4a746143/
LinkedIn Cássio: https://www.linkedin.com/in/cassioprazeres/

Agenda
● Introdução
● Proposta
● Arquitetura do PSWoT
● Desenvolvimento do PSWoT
● Experimento: Descoberta, publicação e desempenho
● Estudo de caso
● Conclusão
2

Contexto
1 A Internet das Coisas tem por objetivo conectar dispositivos inteligentes à Internet por
meio do IP (CHRISTOPHE et al., 2011)
2 A Web das Coisas tenciona estender a Web por intermédio da incorporação desses
dispositivos à camada de aplicação, empregando o Protocolo (HTTP) da Internet
(GUINARD, 2011)
4
IoT

Contexto
5
WoT
IoT
1 A Internet das Coisas tem por objetivo conectar dispositivos inteligentes à Internet por
meio do IP (CHRISTOPHE et al., 2011)
2 A Web das Coisas tenciona estender a Web por intermédio da incorporação desses
dispositivos à camada de aplicação, empregando o Protocolo (HTTP) da Internet
(GUINARD, 2011)

Contexto
3 A Web Semântica tem por finalidade atribuir significado ao conteúdo da Web
(BERNERS-LEE et al., 2001)
4 A Web Semântica das Coisas está focada em fornecer interoperabilidade para
permitir o compartilhamento e a reutilização dessas coisas (JARA et al., 2014)
6
WoT
IoT
Web
Semântica

Contexto
7
SWoTWoT
IoT
3 A Web Semântica tem por finalidade atribuir significado ao conteúdo da Web
(BERNERS-LEE et al., 2001)
4 A Web Semântica das Coisas está focada em fornecer interoperabilidade para
permitir o compartilhamento e a reutilização dessas coisas (JARA et al., 2014)

Problemas
8
1 Em relação ao número de dispositivos, Evans (2011) declarou que, no ano de 2015, cerca de
25 bilhões de dispositivos devem estar conectados à Internet. E, de acordo com Bello e
Zeadally (2016), esse número pode crescer para 50 bilhões até o ano de 2020
2 A grande diversidade de mecanismos, com diferentes formas de acesso e com
funcionalidades distintas, dificulta a sua disponibilização como recurso na Web
(GUINARD; TRIFA, 2016)

Problemas
9

Problemas
10

Problemas
11
3 A elaboração de aplicativos para IoT ainda é laboriosa, na medida em que centenas de
protocolos incompatíveis coexistem e que dispositivos IoT tradicionais não estarem de
acordo com uma API unificada (CHEAH; LIAO, 2017)
4 Para que os dispositivos da IoT sejam utilizados por humanos e por máquinas, é essencial a
existência de uma interoperabilidade semântica. Para isso, devem existir ferramentas que
permitam anotação semântica, identificação, registro e descoberta de dados de dispositivos
na IoT (SERRANO et al., 2015)
!

Problemas
12
3 A elaboração de aplicativos para IoT ainda é laboriosa, na medida em que centenas de
protocolos incompatíveis coexistem e que dispositivos IoT tradicionais não estarem de
acordo com uma API unificada (CHEAH; LIAO, 2017)
4 Para que os dispositivos da IoT sejam utilizados por humanos e por máquinas, é essencial a
existência de uma interoperabilidade semântica. Para isso, devem existir ferramentas que
permitam anotação semântica, identificação, registro e descoberta de dados de dispositivos
na IoT (SERRANO et al., 2015)
?

Problemas
13
5 Em uma rede com grande número de dispositivos, a configuração e a implantação
automáticas são questões basilares que demandam soluções criativas e eficazes
(BARROS et al., 2016).
6 Um desafio é disponibilizar os serviços localmente para que, mesmo sem conexão à rede
externa, os serviços de descoberta, de autoconfiguração e de descrição semântica
continuem disponíveis para os dispositivos (BOTTA et al., 2016)
?

Problemas
14
5 Em uma rede com grande número de dispositivos, a configuração e a implantação
automáticas são questões basilares que demandam soluções criativas e eficazes
(BARROS et al., 2016).
6 Um desafio é disponibilizar os serviços localmente para que, mesmo sem conexão à rede
externa, os serviços de descoberta, de autoconfiguração e de descrição semântica
continuem disponíveis para os dispositivos (BOTTA et al., 2016)
?

Hipóteses
15
● (a) a auto-configuração de dispositivos, por intermédio da descoberta em nível de rede e de
serviço, pode viabilizar a disponibilização automática de dispositivos na WoT e em rede local
● (b) por meio da padronização de um modelo de dados e diretrizes para serviços da WoT, e
mediante enriquecimento semântico de dispositivos através de um vocabulário comum, é
possível obter interoperabilidade semântica e sintática com o fito de permitir a utilização de
dispositivos por humanos e por máquinas de forma interoperável

Hipóteses
16

Hipóteses
17

Objetivos
1. Propor a inclusão de dispositivos na WoT, utilizando-se de descoberta, de publicação e de
configuração automática.
a. Investigar o projeto e o desenvolvimento de uma plataforma que permita a descoberta, a
configuração e a publicação automática de dispositivos na WoT
b. Projetar para a plataforma uma ferramenta para publicação de dispositivos na LOD
c. Realizar o planejamento da avaliação
d. Disponibilizar na plataforma uma ferramenta para criação de aplicações para WoT
e. Analisar o comportamento quando instanciada em dispositivos limitados
18

Justificativa
● O trabalho de Cabrera, Palade e Clarke (2017) demonstra uma avaliação de performance
comparativa entre protocolos para descoberta de serviços, no nível de rede, em uma rede IoT
● Em Al-Fuqaha et al. (2015) é mostrado que o mDNS está na pilha de Esforços de
normalização no apoio à IoT que foi proposta no trabalho
19

Justificativa: Trabalhos relacionados
● O artigo de Cheah e Liao (2017) tem como objetivo projetar uma ferramenta de suporte, com
foco na pesquisa de recursos para desenvolvedores de aplicativos voltados à WoT
20
CoAP WTMSSDP
HTTP
rt=type

● O artigo de Cheah e Liao (2017) tem como objetivo projetar uma ferramenta de suporte, com
foco na pesquisa de recursos para desenvolvedores de aplicativos voltados à WoT
21
CoAP WTM
Semântica MQTT D. Limitado
Sintática Formal
SSDP
HTTP
rt=type

● Em Cirani et al. (2014) é implementada uma plataforma para descoberta e publicação de
dispositivos
22
CoAP
P2P
mDNS
_coap._upd
.well-know/core

● Em Cirani et al. (2014) é implementada uma plataforma para descoberta e publicação de
dispositivos
23
SemânticaSintática MQTT D. Limitado
Solução distribuída Descoberta Horizontal
CoAP
P2P
mDNS
_coap._upd
.well-know/core
Manutenabilidade

● A pesquisa de Kim, Choi e Rhee (2015) propõe a auto-configuração de dispositivos
24
MQTT DPWS/
SOAP
REST

● A pesquisa de Kim, Choi e Rhee (2015) propõe a auto-configuração de dispositivos
25
MQTT REST
Autoconfiguração de Tópicos
Sintática Semântica
DPWS/
SOAP

● O Framework Eclipse Kura cuja finalidade é servir de elo entre os hardwares, a interface de
usuário e os data centers (centros de dados)
26
SemânticaSintática Descoberta
Grande conjunto de ferramentas para IoT

● (B2) Autor principal. Publicado.
Web of things gateway: A performance evaluation.
21st WEBMEDIA. ACM, 2015.
● (B2) Autor principal. Publicado.
Web of things: Automatic publishing and configuration of devices.
20th WEBMEDIA. ACM, 2014.
● (A2) Autor principal. Submissão prevista para 22 de Janeiro, 2018.
A Platform for Discovery and Publication Web Things Digital Entities
IEEE Symposium on Computers and Communications
Publicações
27

Contribuições
1. A principal contribuição desta dissertação é a extensão de um ESB com novas funcionalidades, de
forma a permitir a descoberta, publicação e auto-configuração de dispositivos na WoT
a. A implantação automática de dispositivos na WoT
b. Publicação de dispositivos físicos, com o vocabulário da ontologia Fiesta-IoT, na LOD
c. O desenvolvimento de uma extensão da plataforma Node-RED
d. Implantação do Gateway para a WoT em dispositivos com capacidades limitadas
e. O desenvolvimento de um estudo de caso para avaliar a consistência do PSWoT
28

Proposta
● Descoberta em nível de rede
○ Minimizar a necessidade de intervenção humana para a descoberta e a configuração
■ Metadados
● Descoberta em nível de serviço
○ Prover publicação automática
■ Modelo de funcionalidade
■ Modelo de Acesso
● Criação da Identidade Digital do dispositivo
○ Dispositivos da IoT sejam utilizados por humanos e por máquinas
■ Descrição sintática formal
■ Descrição semântica formal
30

31
Dispositivos Físicos
Descoberta
Publicação
Acesso
ESB

32
1
Descoberta
Publicação
Acesso
ESB

1
2
Descoberta
Publicação
Acesso
Componentes de Descoberta
em Nível de Rede

Componentes de Marcação
Semântica
LOD
1
2
3
Descoberta
Publicação
Acesso
em Nível de Rede

35
em Nível de Rede
Componentes de Gerenciamento de
Serviços e de Drivers
4
Descoberta
Publicação
Acesso
Componente de
Geração de Aplicações
Servidor de Modelos

36
em Nível de Rede
4
5
Descoberta
Publicação
Acesso
Componente de
Servidor de Modelos

LOD
Ferramenta
Mashup
Cliente HTTP e
Programador
6 7
Descoberta
Publicação
Acesso

LOD
Ferramenta
Mashup
Cliente HTTP e
Programador
6 7
8
Descoberta
Publicação
Acesso
Modelo de
funcionalidade

39
LOD
Ferramenta
Mashup
Cliente HTTP e
Programador
Modelo
de acesso
6 7
9
8
Descoberta
Publicação
Acesso
BROKER
Modelo de
funcionalidade

40
em Nível de Rede
Componentes de Marcação
Semântica
LOD
Ferramenta
Mashup
Cliente HTTP e
Programador
Modelo
de acesso
1
2
3
4
6 7
5
9
8
Descoberta
Publicação
Acesso
BROKER
Modelo de
funcionalidade
Componente de
Servidor de Modelos

Physical Entity
Resource
Virtual Entity

Physical Entity
Resource
Virtual Entity
Service IoT

Physical Entity
Resource
Virtual Entity
Service IoT
Digital Identity

Repositórios
Gateway PSWoT
Rede IoT
46
Physical Entity (IoT-A)
Resource (IoT-A) Publish Protocol
Discovery Service
Model and Driver Manager
Discovery Protocol
Cloud Models Repository
Modelos
TDB
Identidade Digital
Virtual Entity (IoT-A)
Metadados
Broker
Driver
Descrição Formal da unidade de medida
Linked Data Connector
Descrição Semântica Formal
Interface
Armazena em
Descobre
Interpreta
Utiliza
Utiliza
Requisita/Invoca
Utiliza
Service IoT (IoT-A)
Descrição Sintática Formal
Requisita/Invoca
Requisita e Interpreta
Acessa Acessa

Thing
mDNS
TXT Record
Web Thing

Thing
mDNS
TXT Record
Web Thing
Web Thing Digital Identity
WTM + Fiesta-IoT

Repositórios
Gateway PSWoT
Rede IoT
53
Sensor
Cliente mDNS
Zeroconf Discovery Service
Model and Driver Manager
Cliente mDNS-SD
Cloud Models Repository
Modelos
Fuseki TDB
Identidade Digital
Device Publication Protocol
TXT Record
Broker
Driver
http://purl.org/NET/ssnx/qu/qu#Unit
Linked Data Connector
Fiesta-IoT
Interface
Armazena em
Descobre
Interpreta
Utiliza
Utiliza
Requisita/Invoca
Utiliza
Web Thing
Web Thing Model
Requisita/Invoca
Requisita e Interpreta
Acessa Acessa

Web Thing Model: Web Things requirements

Descoberta em nível de rede: Zeroconf
1. O endereçamento por meio do IPv4LL permite que um dispositivo possa especificar
um endereço IPv4 para ele mesmo, dentro da rede 169.254/16
2. O mDNS permite usar os mecanismos conhecidos de DNS numa rede local, na qual
não existe servidor DNS instalado para a resolução de nomes
3. A descoberta de serviços via mDNS-SD permite, de forma assíncrona, descobrir
serviços em rede local, assim como manter essa lista de serviços atualizada

hp_uddi.local

_ipp._tcp ?

Descoberta em nível de rede: Device Publication Protocol

Descoberta em nível de rede: Zeroconf Discovery

Descoberta em nível de serviço: Manager

66
Descoberta em nível de serviço: Web Thing - Driver
IDriver
IDriver
Things
Web Thing

67
IDriver
IDriver
Things
Web Thing

68
IDriver
IDriver
Things
Web Thing

69
IDriver
IDriver
Things
Web Things

70

71

http//PDPWoT.ufba/devices/temperature/1
SUJEITO
http://purl.oclc.org/NET/ssnx/ssn#onPlatform
PREDICADO
http//PDPWoT.ufba/furniture/desks/23
OBJETO
Identidade Digital

APACHE JENA
FUSEKI
RASPBIAN
BROKER
MQTT
MOSQUITTO
APACHE FELIX
(OSGi)
A
APACHE KARAF
(Gerenciador)
APACHE CXF
(Serviços WoT)
B
C D
UBUNTU 14.04 LTS
PSWOT WEB
APPLICATION
E
Infraestrutura

A
B
C
D
ESB
CLIENTE
HTTP
CLIENTE
MQTT
Cloud Model
Repository
F
Simulador
Thing’s
E

Experimento: Descoberta,
Publicação e Desempenho
77

E->F: Avaliação: Descoberta
78

E->F: Avaliação: Publicação
79

Tempoderesposta(ms)
Número de Threads ativas
T
100 500
A->B->C: Tempo de resposta X número de clientes simultâneos

Númeroderespostas/segundo
Tempo percorrido
PE 1
200 Timeout
A->B->C: Códigos de resposta X tempo para 100 serviços

Tempo percorrido
PE 1 PE 2
200 Exceção de conexão Timeout
A->B->C: Códigos de resposta X tempo para 500 serviços

Resultados para o fluxo A->B->C

Tempo percorrido
PE 1
200 Exceção de conexão Timeout
A->B->C->D: acesso e Desempenho com o dispositivo

Resultados para o fluxo A->B->C->D

119
Geração da consulta SPARQL

120
Resposta da consulta SPARQL

126
Trabalho realizado
● (a) a autoconfiguração de dispositivos, por intermédio da descoberta em nível de rede via
Zeroconf, e em nível de serviço via repositório de modelos de acesso e funcionalidade, pode
viabilizar a disponibilização automática de dispositivos na WoT e em rede local, via ESB.
○ Esta hipótese foi validada com o experimento de Descoberta, Publicação e Desempenho
● (b) por meio da padronização de um modelo de dados e diretrizes para serviços da WoT via Web
Thing Model, e mediante enriquecimento semântico de dispositivos através do vocabulário
Fiesta-IoT, é possível obter interoperabilidade semântica e sintática com o fito de permitir a
utilização de dispositivos por humanos e por máquinas de forma interoperável.
○ Esta hipótese foi validada com o experimento de estudo de caso

127
Limitações
● Local de aplicação do instrumento da avaliação, ou seja, a um Gateway centralizado
● A não marcação semântica das Web Things com uma linguagem para marcação semântica de
Serviços Web, impossibilitando a busca e a indexação das Web Things por repositórios de Serviços
Web Semânticos
● A não marcação semântica dos dados gerados pelas Things
● Não foram efetuadas consultas em outros repositórios semânticos a partir dos componentes do
PSWoT, apesar de a ontologia Fiesta-IoT prover esta interoperabilidade
● Não foi realizada uma avaliação de interação humano-computador entre Programadores e a
plataforma PSWoT
● Estratégia para retirada de Modelos não mais utilizados

128
Trabalhos futuros
● Um modelo para autenticação, identificação e autorização para a WoT
● A integração da Plataforma PSWoT ao projeto Soft-IoT do Wiser Research Group
● A facilitação da criação dos modelos por meio de uma metodologia que permita a extensão dos
modelos de acesso e funcionalidade já existentes, podendo ser implementada como uma extensão
em alguma ferramenta de programação
● A integração do PSWoT com o Framework Eclipse Kura

129
Referências Bibliográficas
● CHRISTOPHE, B. et al. The web of things vision: Things as a service and interaction patterns. Bell Labs Technical Journal, 2011.
● GUINARD, D. A Web of Things Application Architecture – Integrating the Real-World into the Web. 220 p. Tese (Ph.D.) — ETH Zurich, 2011.
● BERNERS-LEE, T. et al. The semantic web. Scientific american, New York, NY, USA:, 2001.
● JARA, A. J. et al. Semantic web of things: an analysis of the application semantics for the iot moving towards the iot convergence. International Journal
of Web and Grid Services, Inderscience Publishers Ltd, v. 10, n. 2-3, p. 244–272, 2014.
● BELLO, O.; ZEADALLY, S. Intelligent device-to-device communication in the internet of things. IEEE Systems Journal, IEEE, 2016.
● GUINARD, D.; TRIFA, V. Building the web of things: with examples in node. js and raspberry pi. [S.l.]: Manning Publications Co., 2016.
● GYRARD, A.; SERRANO, M.; ATEMEZING, G. A. Semantic web methodologies, best practices and ontology engineering applied to IoT. 2015.
● BARROS, E. B. C. et al. A self-configuration web-api for the internet of things. In: Information Technology: New Generations. [S.l.]: Springer, 2016.
● BOTTA, A. et al. Integration of cloud computing and internet of things: a survey. Future Generation Computer Systems, Elsevier, 2016.
● CABRERA, C.; PALADE, A.; CLARKE, S. An evaluation of service discovery protocols in the internet of things. In: ACM. Proceedings of the Symposium on
Applied Computing. [S.l.], 2017.
● AL-FUQAHA, A. et al. Internet of things: A survey on enabling technologies, protocols, and applications. IEEE Communications Surveys 2015.
● KIM, S.-M.; CHOI, H.-S.; RHEE, W.-S. Iot home gateway for auto-configuration and management of mqtt devices. In: IEEE. Wireless Sensors 2015

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