Internet of Things în universul Java

Dănuţ Chindriş
Java Developer
@Elektrobit Automotive

PROGRAMARE

Experții din domeniul IT au numit 2014 "anul Internet of Things ", acesta fiind unul dintre cele mai fierbinți subiecte ale anului care tocmai s-a încheiat. Titlul atribuit nu este deloc surprinzător dacă luăm în considerare faptul că site-uri importante precum dzone.com, jaxenter.com sau oracle.com au publicat câteva articole pe săptămână despre tehnologiile din sfera Internet of Things, iar blogger-ii nu au scăpat nicio ocazie să posteze despre ultimele lor proiecte IoT. Nici editurile nu au fost mai prejos, în 2014 fiind publicate zeci de titluri, multe altele așteptând să vadă lumina tiparului anul acesta.

Toate acestea s-au întâmplat în contextul lansării unei multitudini de noi gadgeturi sau dispozitive inteligente, dar și a numeroase platforme software sau implementări ale unor protocoale mai mult sau mai puțin cunoscute. Mulți împătimiți ai tehnologiei au auzit de produse populare, lansate în ultimii ani, precum Philips Hue sau Nest, însă începând cu 2014 e nevoie de un efort activ să putem ține pasul cu frecvența apariției de noi dispozitive, cum ar fi Sen.se Mother, Fitbit Charge sau SkyBell. IoT influențează din ce în ce mai mult domeniile din viața de zi cu zi, precum sănătatea cu dispozitive care monitorizează pacienții, îngrijire la domiciliu, prin gadgeturi pentru un stil de viață sănătos, transporturi, cu autovehicule conectate, automatizarea locuințelor, industrie etc. .

Înainte de a discuta despre modalitățile prin care comunitatea Java își poate face auzită vocea în sfera Internet of Things, suntem datori să descriem pe scurt ce înseamnă mai exact IoT.

Definiții

Internet of Things sau, pe scurt, IoT este un concept dezbătut din ce în ce mai mult în ultimii ani, dar semnificația sintagmei nu este întotdeauna pe deplin înțeleasă. CASAGRAS (Coordination and support action for global RFID-related activities and standardisation) ne dă o definiție destul de abstractă, care spune despre IoT următoarele: este "o infrastructură de rețea globală, care conectează obiectele fizice și virtuale prin intermediul exploatării capturii de date și a capacității de comunicare. Această infrastructură include dezvoltările existente și viitoare ale rețelelor și ale Internet-ului. Aceasta va pune la dispoziție modalități de identificare a obiectelor, senzori și capacitatea de conectare ca bază pentru dezvoltarea de servicii sau aplicații independente și cooperante. Acestea vor fi caracterizate printr-un grad înalt de autonomie pentru captura de date, transferul evenimentelor, conectivitatea în rețea și interoperabilitate" [1].

Definiția oferită de Stephen Haller de la SAP Research ne ajută să ne creăm o imagine mai concretă asupra Internet of Things, despre care spune că este "o lume unde obiectele fizice sunt integrate omogen în rețeaua informațională și unde aceste obiecte fizice pot deveni participanți activi în procesele business. Serviciile sunt gata să interacționeze cu aceste obiecte inteligente prin intermediul Internet-ului, să interogheze și să-și schimbe starea și orice informație asociată cu ele, luând în considerare securitatea și chestiunile ce țin de intimitate"[2].

O altă explicație este dată de Oracle, care afirmă că "Internet of Things se referă la colectarea și gestionarea cantităților masive de date provenite de la rețelele - aflate într-o rapidă expansiune - de dispozitive și senzori, procesarea acestor date și apoi partajarea lor cu alte obiecte conectate"[3]. Pentru a ne da seama care este ordinul de mărime al acestor cantități de date, ne putem uita la exemplul echipei de navigație Oracle Team USA, care lucrează cu ambarcațiuni echipate fiecare cu câte 300 de senzori, meniți să furnizeze informații despre o mulțime de parametri, cum ar fi eficacitatea reglajelor pânzelor, tăria și stabilitatea carenei sau tensiunea din catarg. Acești senzori măsoară 3000 de variabile de 10 ori pe secundă, producând 500 GB de date neprelucrate pe zi. Un alt aspect interesant este faptul că în prezent doar 11% din volumul total de date este generat de dispozitive, dar IDC estimează că până în 2020 procentul va crește la 40%[4].

Acest titlu descriptiv, care încearcă să surprindă esența următorului mare trend în IT, reprezintă în principiu efortul de a regândi relația noastră cu obiectele pe care le folosim în fiecare zi, dar și a obiectelor între ele. Conform experților, IT-ul se va îndrepta puternic în această direcție. Ca dovadă, mai multe nume sonore ale tehnologiei secolului al XXI-lea, precum Cisco sau Bosch, au întreprins studii pe această temă, ajungând la concluzia că proiectele din sfera IoT vor depăși valoarea economică de 15 trilioane de dolari, până în 2020[5]. De asemenea, analiștii de la Cisco afirmă că în 2010 existau peste 12.5 miliarde de obiecte conectate la Internet și estimează că vor exista aproximativ 25 miliarde de "lucruri" inteligente, conectate la Internet, până la finalul anului 2015. Pentru anul 2020, previziunea lor este de 50 de miliarde de "lucruri"[6].

Oracle și Java Embedded

În acest context intră în scenă Java, atât ca platformă ce are la bază Java Virtual Machine, cât și ca limbaj de programare, cu o comunitate de peste 9 milioane de utilizatori. Facem această distincție între platformă și limbaj[7] întrucât un dispozitiv care rulează JVM nu este limitat la execuția de aplicații Java; acestea pot fi, în anumite condiții, aplicații scrise cu ajutorul Scala, Clojure etc. . În trecut, programarea dispozitivelor embedded se făcea preponderent în limbaje de nivel scăzut, precum C sau limbaj de asamblare.

În acest articol vom încerca să ne facem o părere despre soluțiile propuse de Oracle pentru IoT, companie a cărei implementare a platformei Java se bucură de cea mai mare popularitate printre programatori. Totuși, în articolele viitoare vom privi mai îndeaproape și caracteristicile altor proiecte Java pentru IoT, cum ar fi cele din stiva dezvoltată de Eclipse Foundation.

În ultimii ani, Oracle a investit masiv într-o linie de produse denumite sugestiv Java Embedded, lucru ce oferă posibilitatea programatorilor Java să scrie aplicații pentru astfel de dispozitive, de la smart card-uri și module wireless, până la single board computer-e (SBC), cum ar fi Raspberry PI. Platformele Java Embedded sunt principalul lucru pe care Oracle îl oferă dezvoltatorilor embedded și prin intermediul căruia contribuie la influența pe care o are Java în sfera Internet of Things.

Viziunea Oracle pentru Java 8 a fost să lanseze, pe lângă Standard Edition (SE), încă două variante importante ale platformei, mai exact Oracle Java ME Embedded 8 și Oracle Java SE Embedded 8, la care se adaugă Java Embedded Suite. Henrik Ståhl, vicepreședinte peste product management pentru Java și IoT la Oracle, afirmă în ediția noiembrie/decembrie 2014 a revistei Oracle Java Magazine că, prin lansarea acestor variante ale platformei au "făcut disponibile pe platforme embedded, care au doar câteva sute de KB de memorie, feature-urile cu care programatorii sunt obișnuiți în Java SE"[8].

Fig. 1 Privire de ansamblu asupra platformei Oracle Java ME Embedded 8[9]

Prin lansarea noii versiuni a distribuțiilor amintite mai sus, Oracle a încercat să le aducă la un grad cât mai înalt de compatibilitate una cu cealaltă și, în același timp, să le alinieze la Java SE 8. Pentru aceasta, s-a introdus conceptul de Compact Profiles, dezvoltatorii putând alege între setul complet de API-uri Java SE și alte trei subseturi care au la dispoziție doar acele API-uri care sunt necesare pentru use case-urile relevante. Un astfel de use case poate fi rularea unei stive OSGi (Open Service Gateway initiative). Așa cum vom vedea într-un articol viitor, OSGi joacă un rol important în cadrul eforturilor făcute de Eclipse Foundation pentru implementarea unei stive complete IoT, numită Open IoT Stack for Java.

Începând cu Java 8, versiune lansată în prima parte a anului 2014, am văzut că Oracle face eforturi considerabile pentru a aduce la zi varianta Micro Edition (ME) a platformei, lucru ce confirmă implicarea corporației în războiul soluțiilor IoT. Printre îmbunătățirile aduse platformei se numără eficientizarea procesului de deployment pe dispozitive de dimensiuni mici, cum ar fi senzorii inteligenți sau gateway-urile embedded. De asemenea, API-urile au fost actualizate pentru a răspunde nevoilor de programare a dispozitivelor țintă. Prin această nouă versiune Java ME, platforma are mult mai multe lucruri în comun cu Java SE, însă funcționalități precum reflection sau expresiile lambda urmează să fie adăugate. Acest aspect este important, întrucât în felul acesta, orice programator Java se va putea implica în proiecte embedded într-un timp scurt, fără a face eforturi considerabile. În 2015, Henrik Ståhl anunță că unii producători de hardware plănuiesc să integreze Java ME în dispozitivele lor, ceea ce va conduce la o mai mare rată de adopție a platformei.

Componentele construite cu soluțiile embedded despre care discutăm, livrate într-un context IoT, dau acces aplicațiilor business la resursele instalate în mediul înconjurător, atât pentru a primi input de la acestea cât și pentru a lansa comenzi. Un astfel de use case este orchestrarea sistemelor eterogene de control a temperaturii și a iluminării într-o clădire. Observăm că abilitatea Java ME de a controla echipamente cum ar fi senzori, valve sau servo-motoare, reprezintă unul dintre aspectele fundamentale ale obținerii unei infrastructuri IoT.

Privind lucrurile de la o oarecare distanță, putem observa că arhitectura Java ne permite să creăm aplicații pe verticală, după cum a arătat și Maulin Patel, liderul în soluții de procesare embedded de la Freescale[8]. Întâi colectăm datele de la obiectele inteligente cu Java ME, apoi trecem la Java SE pentru servicii de gateway, iar în final executăm gestiunea și procesarea datelor cu Java EE, în cloud.

Aproape de fiecare dată când se vorbește despre IoT, se aduce în discuție problema securității. Într-un mediu eterogen și deschis precum este o infrastructură Internet of Things, securitatea este esențială, dar greu de obținut. Este de ajuns ca un atacator să aibă acces la una dintre componentele soluției IoT pentru a fi capabil să exploateze posibilele breșe în sistemul defensiv al acesteia. Spre exemplu, în cazul contoarelor inteligente de utilități, cel mai interesat de compromiterea acestor unități poate fi chiar proprietarul locuinței în care au fost instalate. Astfel, potențialul atacator are chiar și acces fizic la echipament, lucru ce ridică întrebări cu privire la nivelele la care trebuie implementate mecanisme de securitate. Acum că am remarcat seriozitatea acestei chestiuni, putem veni cu o veste bună pentru dezvoltatorii IoT din universul Java, întrucât această platformă asigură securitatea datelor pe întreaga verticalitate a sistemului implementat. Securitatea este o caracteristică înglobată în arhitectura platformei, fiind dezvoltată și actualizată constant, cu fiecare nouă versiune. Vom reveni cu detalii referitoare la securitatea oferită de Java ME 8 într-unul dintre paragrafele următoare, când vom discuta câteva caracteristici tehnice ale platformei.

Java ME Embedded 8

Platforma dedicată dispozitivelor cu cele mai puține resurse, cum ar fi cardurile, se numește sugestiv, Java Card. Totuși, primul produs din familia Oracle care aduce cu adevărat o contribuție importantă în spațiul IoT este Java ME Embedded 8. Prin urmare, în continuare ne vom concentra atenția asupra acestuia. Înainte de a ne uita la câteva detalii, trebuie să menționăm Java ME Embedded constă din două versiuni: Java ME Embedded și Java ME Embedded Client.

Java ME Embedded 8 este o platformă ce poate fi folosită de către dispozitive care au mai puțin de 1 MB de memorie. Astfel, este potrivită pentru "obiecte inteligente" fără interfață grafică, care au timp îndelungat de funcționare și resurse limitate.

Așa cum putem vedea în Figura 1, la baza Java ME Embedded 8 stă mașina virtuală, pe care o găsim sub denumirea Connected Limited Device Configuration sau, pe scurt, CLDC 8. Această componentă reprezintă un sub-set al Java SE 8, dedicat dispozitivelor embedded. După cum am menționat mai sus, o dată cu versiunea 8, CLDC reprezintă un prim pas spre o mai bună aliniere cu Java Standard Edition și totodată un important salt de la CLDC 1.1.1. Așadar, avem la dispoziție adnotații, generics și multe alte caracteristici Java, familiare tuturor dezvoltatorilor. Deși s-a realizat o evoluție foarte importantă prin lansarea CLDC 8, s-a reușit menținerea compatibilității binarelor cu versiunea anterioară.

Deasupra fundației pe care o reprezintă CLDC 8 stau mai multe componente definitorii pentru platformă. Una dintre ele este Generic Connection Framework 8 (GCF 8). Așa cum se poate intui, această componentă gestionează problemele de conectivitate. Acest framework este necesar întrucât în spațiul embedded posibilitățile de conectare sunt multiple, iar dispozitivele pe care rulează aplicația noastră au interfețe variate de comunicare cu lumea exterioară. Unele pot avea capacitate de conectare prin Wi-Fi, altele de tip cellular, Bluetooth sau prin cablu. De asemenea, pentru un control optimizat al conectivității GCF 8 expune AccessPoint API. Totodată, GCF 8 vine cu suport pentru IPv6, scăpând dezvoltatorii Java ME Embedded 8 de emoțiile epuizării adreselor IPv4.

Revenind la subiectul securității în lumea Internet of Things, putem da câteva detalii despre modul în care GCF 8 rezolvă această problemă. Java ME Embedded 8 vine echipat cu implementări ale celor mai noi standarde în materie de securitate, printre care se numără Transport Layer Security 1.2 și Datagram Transport Layer Security 1.2. Astfel, Oracle îi asigură pe utilizatorii platformei de faptul că aceasta oferă "cele mai înalte nivele de criptare la nivel de rețea și autentificare" [9].

Un alt bloc constructiv al Java ME 8 este Micro Edition Embedded Profile 8 (MEEP 8). Această componentă este responsabilă cu definirea modelului, a containerului în care rulează aplicația, în general cu ciclul de viață al acesteia. Prin intermediul MEEP 8 putem partaja cod între aplicații, putem actualiza componente în sistem sau aplica patch-uri aplicației. Partajarea bibliotecilor - denumite sugestiv, LIBlets - se face tot prin intermediul MEEP 8, contribuind la minimizarea necesarului de memorie și la modularizarea aplicațiilor. În plus, MEEP 8 oferă aplicațiilor posibilitatea de a comunica între ele atât sincron (Inter-MIDlet Communication sau IMC), cât și asincron, printr-un sistem de mesagerie bazat pe evenimente.

Securitatea este un subiect important și pentru MEEP 8, deoarece se pot defini politici de securitate pentru autentificare și autorizare, în funcție de situația specifică. Astfel, încărcarea codului și execuția lui se realizează într-un mediu securizat, întrucât fiecare componentă este asociată unui client, având permisiuni specifice. Acestea trebuie verificate la fiecare încercare de acces.

O componentă de o importanță crucială pentru Java ME Embedded 8 este Device Access API, care oferă aplicațiilor acces la dispozitive periferice, cum ar fi senzori, comutatoare sau LED-uri. Această componentă exista și în versiunile anterioare, însă acum vine cu funcționalități noi, printre care late binding, care permite adăugarea de noi periferice, fără a fi necesară modificarea API-ului.

Alături de aceste blocuri constructive, Java ME Embedded 8 vine cu o multitudine de API-uri, precum cel pentru servicii web sau localizare.

Având toate aceste componente Java ME Embedded la dispoziție, este la îndemâna noastră, a dezvoltatorilor, să construim aplicații embedded, contribuind la spațiul Internet of Things.

În ajutorul nostru vine Java ME SDK 8, un toolkit complet creat pentru a întâmpina orice nevoie avem în procesul creării și întreținerii unei aplicații. Acest SDK oferă inclusiv un mediu de emulare, având posibilitatea să ne testăm aplicațiile chiar dacă dispozitivele pe care vor fi distribuite nu sunt disponibile în timpul dezvoltării. De asemenea, putem face debugging atât în modul de emulare, cât și atunci când aplicația rulează pe dispozitiv. Pentru a întregi acest set de unelte, Oracle oferă plugin-uri pentru Netbeans IDE și Eclipse IDE, care încorporează toate funcționalitățile SDK-ului. Vom discuta mai multe detalii și vom exemplifica modul de utilizare al Java ME SDK 8 într-unul dintre articolele viitoare.

Java ME Embedded Client este o implementare CDC (Connected Device Configuration) care, în principiu, este configurația destinată dispozitivelor mobile cu ceva mai multe resurse, cum ar fi smartphone-urile. Pentru Java ME Embedded Client, această configurație a fost restrânsă și optimizată, pentru a se potrivi sistemelor embedded de categorie joasă înspre medie. Deși amprenta acestei configurații este redusă, oferă mare parte din limbajul Java. Astfel, Java ME Embedded Client este destinată obiectelor inteligente cu mai puțin de 10 MB de memorie și fără interfață grafică.

Concluzii

Industria IT autohtonă nu este străină de spațiul Internet of Things, începând să fie lansate produse Made in Romania, precum Pocketo sau Tintag. De asemenea, există companii în România, implicate în proiecte care se integrează în paradigma IoT. De exemplu, regăsim astfel de proiecte la Brașov în domeniulautomotive, cu al său concept de connected car . Un alt lucru îmbucurător este faptul că au început să se organizeze evenimente despre IoT, unul dintre acestea fiind ALT Festival, care a avut loc în noiembrie 2014, la Brașov.

Un obiectiv important pentru Oracle în ultima perioadă este afirmarea platformei Java în lupta care se dă între soluțiile IoT. Mai mult decât atât, corporația și-a exprimat dorința de a câștiga această bătălie, astfel încât Java să devină alegerea majorității specialiștilor implicați în astfel de proiecte. Totuși, răspunsul a venit rapid din partea oponenților, existând multe voci care și-au exprimat scepticismul cu privire la potrivirea platformei în sfera IoT. Există multe argumente, atât pro, cât și contra acestei idei, însă un lucru e cert: Java a străbătut un drum lung pentru a ajunge la gradul actual de maturitate, diversitate și aplicabilitate. Eforturile din ultimii ani au dat naștere unei noi familii de produse, care se dovedesc promițătoare și, mai mult, încep să-și dovedească valoarea în cadrul proiectelor reale IoT. Vom vedea clar acest lucru în articolul viitor, când vom atinge, prin exemple concrete, partea practică a platformei Java ME Embedded 8.