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Il web service e i sistemi embedded - Tesi - cap2

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Nel capitolo secondo capitolo della tesi " SVILUPPO E IMPLEMENTAZIONE SU MICROCONTROLLORE DI UN’APPLICAZIONE WEB SERVER PER IL CONTROLLO DI UN SISTEMA EMBEDDED"sono presentati diversi prodotti commerciali impieganti Web Service , in modo particolare dispositivi di tipo embedded. Viene discusso, inoltre, su come le tecnologie Web entrino nel mondo industriale e della domotica e si pone l’attenzione sui fattori che impediscono il pieno sviluppo in questi ambiti. Infine vengono proposti diversi articoli che affrontano tematiche simili a quelle della tesi.

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Il web service e i sistemi embedded - Tesi - cap2

  1. 1. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2Capitolo 2Il Web Service e i sistemi embeddedNel capitolo sono presentati diversi prodotti commerciali impieganti Web Service , inmodo particolare dispositivi di tipo embedded. Viene discusso, inoltre, su come letecnologie Web entrino nel mondo industriale e della domotica e si pone l’attenzione suifattori che impediscono il pieno sviluppo in questi ambiti. Infine vengono propostidiversi articoli che affrontano tematiche simili a quelle della tesi.2.1 Il fenomeno della miniaturizzazioneIl progresso tecnologico vede molto spesso il nascere di una tecnologia per computerPC o server e dopo poco tempo il porting1 della stessa su architetture ridotte, embeddedo portabili. Nel 1995 nasce Apache Web Server e nel 1999 si assiste alla gara “TheWorld’s Smallest Server”: università e aziende si sforzano di semplificare edottimizzare il prodotto di Apache per arrivare a servire pagine Web tramite una piccolascheda elettronica.Il dispositivo più eclatante in quanto a dimensioni è iPic del Department of ComputerScience University of Massachusetts che utilizza una interfaccia SLIP e “gira” su unmicrocontrollore a 8 piedini, il PIC12509A.Molte aziende hanno iniziato a produrre schede di sviluppo basate su microcontrolloricon interfaccia Ethernet come la Picoweb Server (della Picoweb) oppure laPICDEM.net (della Microchip Technologies) o la RCM3750 RabbitCore (della Rabbit1 Porting: operazione con cui un programma, sviluppato originariamente per una piattaforma, vienemodificato nel suo codice sorgente (vd. compilatore) in modo da poter essere utilizzato in unaltrapiattaforma. 1
  2. 2. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2Semiconductor). Quest’ultimo prodotto è particolarmente interessante ed evoluto ma dicosto superiore ai precedenti: possiede 512KByte di memoria programma e supportaanche SSL.Vengono progettati processori che forniscono full duplex 10/100 Base-T Ethernet comeil NS9750 (della Netsilicon).Tra il 2001 e il 2002 nascono le prime piattaforme per Web Service con prodotticommerciali come gSOAP2, .NET e AXIS; pochissimo tempo dopo nascono le versioniembedded.Tra i primi troviamo Samsung e Thinkware che mettono sul mercato iPC: un System-On-Chip che implementa un Web Service standard, con moduli SOAP e XML. Il cuoredel progetto è il processore ARM7TDMI e il RTOS della VxWorks con un ANSI-Ccompatibile I/O system (per esempio, per creare socket TCP). Implementa lacrittografazione dei dati e, a livello fisico, offre un collegamento verso l’esterno di tiposeriale wired o di tipo wireless (IEEE802.11b).E’ un’architettura molto sofisticata: presenta canali DMA, porte USB, sistemi dirisparmio energetico, A/D converter ecc... . Viene fornita una evaluation boardcorredata di tutto software open-source e degli strumenti di sviluppo.Anche Ultimodule domina la scena col suo eSOAP [27], implementazione commercialeleggera di SOAP, appunto, orientato soprattutto al mercato dei PDA e degli smartphoneche esce nel 2004. Viene fornito con un toolkit ovvero un insieme di librerie C++ cheforniscono un SOAP engine in grado di dare ad un sistema embedded l’interoperabilitàtipica dei sistemi client/server basati su Web Service.L’occupazione di memoria del server SOAP è circa 150KByte ed è disponibile persistemi operativi real time o normali.2 in [22] si discute delle ottimizzazioni introdotte tali da poterlo utilizzare anche susistemi embedded 2
  3. 3. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2La stessa azienda commercializza Smart Controller Module: una scheda di ridottedimensioni basata su FPGA che, oltre l’implementazione di Web Service , forniscepraticamente tutti i bus wired attualmente utilizzati in campo controllistico. Offre dueprincipali soluzioni: programma l’FPGA per applicazioni tipiche predefinite oppurefornisce il codice VHDL che gestisce le funzioni base della scheda che poi può esserepersonalizzato dall’utente.Per quanto riguarda il mondo Java, segnaliamo kSOAP [28] di Enhydra.org (progettonato nel 2001). E’ una API SOAP open source da integrare all’interno di Java 2Microedition. Dato il suo ridotto footprint è ideali per la creazione di Java-appletSOAP-enabled da eseguire su telefoni cellulari o smart phone.Infine citiamo .NET Embedded dellaMicrosoft per lo sviluppo diWeb Service su sistemiembedded. Quest’ultimo richiede che sul dispositivo target sia installato Windows CE equindi è una soluzione altamente platform-dependent.Tutti questi dispositivi, come l’architettura proposta possono essere utilizzati tra l’altroin scenari di automazione industriale e di domotica. E’ importante sottolineare cometutti i Web Service commerciali appena presentati abbiano come piattaforma-obiettivo isistemi embedded ma richiedano comunque un certo ammontare di risorsehardware/software.2.2 I Web Service nello scenario industrialeNell’ambito dell’automazione industriale si diffonde sempre più il trend di averedispositivi e macchinari “intelligenti”, cioè in grado di controllare il proprio stato e diprendere opportune decisioni. Il tipico scenario in cui un impianto industriale si puòtrovare è di avere un gran numero di macchinari, ognuno con compiti specifici e,soprattutto, con propri standard di comunicazione verso i sistemi di controllo (computer, 3
  4. 4. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2stazioni operative, ecc. . . ). Nascono limitazioni dovute al fatto che i vari protocollisono proprietari e quindi rendono difficile la strutturazione di una rete “omogenea” e diun sistema per supervisionare e agire sui dispositivi in maniera remota.Le prime limitazioni sono dovute agli standard industriali di trasmissione dati (di tiposeriale) come Profibus, Foundation Fieldbus, CanBus. Si è allora pensato che fossepossibile utilizzare Ethernet [29]; i vantaggi sono considerevoli a costo di una maggiorecomplessità del protocollo [30]: • grande scalabilità della rete; • possibilità di gestire un grandissimo numero di nodi; • le velocità di trasmissione aumentano notevolmente dai 9.6 kbit/s con una RS232 a 1 Gbit/s con una IEEE 802 su cavi Cat5e o su fibra ottica; • possibilità di incrementare la lunghezza delle reti di controllo; • migliorano le performance e l’interoperabilità; • possibilità di utilizzare switches, hubs, cavi e fibre ottiche che sono estremamente più economici rispetto ai corrispettivi dispositivi per porte seriali.Questi vantaggi sono determinanti, infatti sono state sviluppate versioni Ethernet diquesti vecchi protocolli, ad esempio Profinet (vedere [31] per le sue caratteristiche direal time) o Foundation Fieldbus High Speed Ethernet su cui si basa la cosiddettaIndustrial Ethernet . Conseguentemente aziende come la Korenix, MOXA, Acromag,ecc. . . lanciano sul mercato prodotti mirati all’adattamento dei tradizionali componentiEthernet (switch, hub, cavi, adattatori, ecc. . . ) allo scenario industriale; sonocaratterizzati da sistemi di ridondanza, operatività in ampi range di temperatura, altaconfigurabilità, sistemi avanzati di controllo dei guasti con allarmi.Ciò che inizialmente ha rallentato l’adozione di Ethernet nel settore industriale è stata lasua mancanza di determinismo che non poteva garantire il soddisfacimento di vincoli di 4
  5. 5. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2real-time. Questo ostacolo è stato superato grazie ad accorgimenti particolari comel’adozione di meccanismi di full duplex-switched [32] che evitano collisioni di pacchettie pongono un limite massimo ai ritardi di trasmissione e l’applicazione di algoritmi discheduling ottimizzati [33]. Lo standard de facto del protocollo di comunicazione perl’Industrial Ethernet è il TCP/IP (livello 4 dello stack ISO-OSI). Comunque non bastastabilire un canale di comunicazione comune tra i dispositivi ma occorre definire unprotocollo applicazione (livello 7 dello stack ISO-OSI) che garantisca l’interoperabilitàtra dispositivi; esempi di protocollo applicazione sono SMTP, FTP, HTTP.In ambito industriale un protocollo applicazione utilizzato per la comunicazione tradispositivi è DCOM (Distributed Component Object Model), (è il protocollo comune inProfinet).DCOM ma anche OPC e CORBA sono protocolli standard per la definizione di modellidi oggetti trasmessi su una rete: ogni nodo appartenente alla rete è vista come una unità“chiusa” che comunica con altre unità attraverso un’interfaccia.Il distributed computing garantito da tali standard è limitato dal fatto che i dispositiviche comunicano devono “parlare” con lo stesso protocollo applicazione e questoprevede la conoscenza delle caratteristiche di tutti i dispositivi collegati alla rete, ciò èpossibile se la rete è di tipo locale.L’estensione da una rete locale a una rete mondiale (Internet) dove esistel’imprevedibilità dei nodi connessi pone dei freni al distributed computing e in questocaso vengono in aiuto i Web Service . Questi adottano come protocollo applicazionel’HTTP che è uno standard molto usato per la comunicazione su Internet, inoltreutilizzano l’XML come formato di “marshalling” e “un-marshalling” dei dati tra client eserver, quindi con un parser XML è possibile l’interpretazione dell’informazionemigliorando l’interoperabilità. 5
  6. 6. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2Tra i Web Service si è ormai affermato lo standard SOAP che, oltre al già citatovantaggio di risolvere il problema di eterogeneità delle comunicazioni tra dispositivi cheutilizzano protocolli applicazione diversi, riesce a fornire un’astrazione dei modellidegli oggetti ancora superiore garantendo un meccanismo di trasmissione indipendentedagli ambienti in cui i client e i server “girano” e dalle loro implementazioni. Inoltreutilizzando il protocollo HTTP si evitano i problemi dovuti alla gestione del traffico daparte dei firewalls quindi i messaggi SOAP viaggiano sulla porta 80 senza ostacoli.Tra le maggiori società che hanno sviluppato Web Service di tipo SOAP per estendere iloro servizi ci sono Google, Ebay e Amazon. Tutte forniscono delle API (descritte in undocumento WSDL pubblico) utilizzabili sulla base di diversi tipi di registrazione chepongono differenti limitazioni all’uso. Alternativamente ai servizi di tipo SOAPvengono messi a disposizione servizi di tipo REST.2.3 La domotica e i Web ServiceLa home-automation non è più considerata come un accessorio di lusso adatto solo anuove realizzazioni di altissimo livello ed improponibile nella maggior parte delleapplicazioni, al contrario diventa un insieme di soluzioni che possono essere offerteanche in realizzazioni di medio livello ed in ristrutturazioni di impianti esistenti, graziealla disponibilità di prodotti dal costo ridotto sempre più semplici nell’installazione enel funzionamento.La home-automation è una realtà che non serve soltanto per rendere la vita comoda epiù sicura ma sta creando una grande svolta per anziani e disabili. Negli anni precedentiè stato un campo non in grande evoluzione a causa della moltitudine di standardutilizzati (X10, CEBus, BACnet, INSTEON, ZigBee), nessuno dei quali riusciva adimporsi sul mercato. Una grande svolta è iniziata con Windows Media Center, lagrande box multimediale di Microsoft, che ha deciso di integrare alcuni moduli software 6
  7. 7. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2per gestire (anche attraverso Internet) reti domotiche di alcuni produttori tra cui HAI,BTicino e ABB. I protocolli gestiti da questi produttori diventano quindi gli standardper chi realizza dispositivi da integrare nelle reti di automazione domotica.Negli ultimissimi tempi Ethernet viene impiegato anche in campo domotico grazie allesue doti di versatilità, di economicità e al grande numero di dispositivi ed applicazionidisponibili sul mercato. La scalabilità di questo bus permette inoltre di graduarefacilmente il peso (e la spesa!) di un intervento in quanto è possibile in una prima faseoccuparsi del controllo delle funzioni principali (impianto luce, motorizzazioni,termoregolazione) e poi nel tempo aggiungere funzioni accessorie quali il controllotramite telecomandi, la supervisione, il controllo remoto, senza modificare nulladell’impianto già realizzato.In generale, ci si sta muovendo verso l’utilizzo di protocolli aperti anche nel settoredella domotica. Prova di ciò è il fatto che la Cimetrics produce un adattatore cherealizza una interfaccia Web Service a partire da un protocollo BACNET [34];adattatori di questo tipo per altri bus sono ampiamente disponibili sul mercato.Questo trend è dovuto al fatto che si incomincia a sentire la necessità di usare interfaccepubbliche (come quelle realizzate dai Web Service ) perché, non solo il padrone di casama anche altre entità fornite delle dovute autorizzazioni possano interfacciarsi agliimpianti di casa. Uno scenario di questo genere potrebbe essere costituito da un serviziodi video-sorveglianza centralizzato con operatori umani che supervisionano diverseabitazioni; una volta percepito un allarme, il centro cattura lo streaming videodell’abitazione coinvolta e attua le dovute misure di sicurezza. Oppure il gestoredell’energia elettrica, per esempio, in accordo con un contratto stipulato con il cliente,potrebbe attuare delle ottimizzazioni sui consumi dell’abitazione. Oppure pensiamo adun forno microonde che riceve le istruzioni per la cottura da un servizio su Internetgestito dagli esperti mondiali del settore. Anche in questo caso, le interfacce pubbliche 7
  8. 8. Il Web Service e i sistemi embedded Capitolo 2concorrono all’integrazione dei servizi: la casa non è più gestita solo dal padrone di casama da varie entità (servizi) che collaborano con lui. 8

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