PDF de programación - Lucrn: Un middleware para el desarrollo de aplicaciones en redes espontáneas de dispositivos móviles Bluetooth

Centro de Investigación y de Estudios Avanzados

del IPN

Departamento de Ingeniería Eléctrica

Sección de Computación

Lucrn: Un middleware para el desarrollo de aplicaciones
en redes espontáneas de dispositivos móviles Bluetooth

Tesis de Maestría

Jorge Alfonso Briones García

Supervisada por: Dr. José Oscar Olmedo Aguirre

Mayo 2004

ii

Contenido

Agradecimientos

Resumen

1. Introducción

VII

IX

1

1.1. Dispositivos móviles y tecnología

1
inalámbrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.2. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.2.1. Planeación y configuración de la red . . . . . . . . . .
5
1.2.2. Nodos móviles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.2.3. Dispositivos de recursos limitados . . . . . . . . . . . .
7
1.3. Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Contribuciones
9
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Organización del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2. Computación móvil y Bluetooth

13
2.1. Computación móvil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2. Redes Ad-Hoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3. Redes Espontáneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4. Principales problemas de las redes espontáneas . . . . . . . . . 16
2.5. Tecnología inalámbrica Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.1. La pila de protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.2. El medio de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.3. Formación de la piconet
. . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.4. Mecanismos para el ahorro de energía . . . . . . . . . . 26
2.5.5. Descubrimiento de servicios
. . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.6. Perfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

iii

iv

CONTENIDO

3. El middleware Lucrn

33
3.1. Una vista general del middleware . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2. Las capas del middleware Lucrn . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1. Formato de los mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.2. Protocolo de anuncio de dispositivos
. . . . . . . . . . 39
3.2.3. Protocolo de ruteo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.4. Protocolo de movilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.5. Mecanismos de colaboración . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4. Implementación del middleware

61
4.1. Selección de la plataforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2. Ambientes de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.
Implementación en Mac OS X . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4. Diagrama de clases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Implementación en Palm OS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5.
4.5.1. Diseño de aplicaciones para Palm . . . . . . . . . . . . 72
4.5.2. Componentes de la implementación . . . . . . . . . . . 73
4.6. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5. Pruebas y Resultados

79
. . . . . . . 79
5.1. Escenarios que pueden ser construidos con Lucrn.
5.2. Aplicaciones desarrolladas con Lucrn . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.1. Un sistema de envío de mensajes
. . . . . . . . . . . . 82
5.2.2. Un pizarrón electrónico compartido . . . . . . . . . . . 87
5.2.3. Un control remoto para la aplicación iTunes . . . . . . 90
5.3. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6. Conclusiones

93
6.1. Perspectivas a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

A. La pila de protocolos en Mac OS X y Palm OS

97
A.1. La pila de protocolos en Mac OS X . . . . . . . . . . . . . . . 97
A.1.1. IOBluetooth.framework . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
A.1.2. IOBluetoothUI.framework . . . . . . . . . . . . . . . . 99
A.2. La pila de protocolos de Bluetooth en Palm OS . . . . . . . . 100

Lista de Figuras

1.1. Capacidad máxima de memoria de una Apple iMac G4 y un

asistente digital Palm m515.

1.2. Rango de comunicación de una red de área personal.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .

2
3

2.1. Una red ad-hoc entre 3 computadoras portátiles. . . . . . . . . 15
2.2. Comparación de diferentes estándares inalámbricos de la fa-

milia IEEE 802. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3. La relación entre las capas OSI, las capas IEEE 802 y Bluetooth. 20
2.4. Pila de protocolos de Bluetooth. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5. Estados operacionales de un dispositivo Bluetooth.
. . . . . . 24
2.6. Mecanismo de acceso al medio (FH/TDD). . . . . . . . . . . . 25
2.7. Un ejemplo de una scatternet.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
. . 30
2.8. Perfil de transferencia de archivos y objetos en Bluetooth.

. . . . . . . . . . 34
3.1. El middleware en un contexto de alto nivel.
3.2. Los protocolos que componen al middleware Lucrn.
. . . . . . 36
3.3. Encabezado de los mensajes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4. Un mensaje de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5. Formato del mensaje LUCRN NEW DEVICE. . . . . . . . . . 41
3.6. Formato del mensaje LUCRN SYNC DEVICES. . . . . . . . . 42
3.7. Primera parte del diagrama de flujo del protocolo de anuncio

de dispositivos.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.8. Segunda parte del diagrama de flujo del protocolo de anuncio

de dispositivos.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
. . . . . . . . . . 47
3.9. Formato del mensaje LUCRN DATA MSG.
3.10. Diagrama de flujo del protocolo de ruteo. . . . . . . . . . . . . 48
3.11. Nodos simples y complejos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.12. Formato del mensaje LUCRN DISCONNECTING DEVICE. . 51

v

vi

LISTA DE FIGURAS

. . 53
3.13. 1a. parte del diagrama de flujo del protocolo de movilidad.
3.14. 2a. parte del diagrama de flujo del protocolo de movilidad.
. . 54
3.15. Un pizarrón electrónico compartido por varios usuarios. . . . . 55
3.16. Formato de un mensaje LUCRN COLL ACTION. . . . . . . . 57
3.17. Diagrama de flujo del mecanismo de colaboración. . . . . . . . 58

4.1. Componentes principales de la implementación en Mac OS X.
66
4.2. Diagrama de clases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3. Componentes principales de la implementación en Palm OS.
. 74
. . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4. Conexiones entre los componentes.

5.1. La interfaz de usuario del sistema de envió de mensajes en el

sistema Mac OS X y Palm OS.

. . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.2. Buscando dispositivos que ofrezcan el servicio de envió men-

sajes en Palm OS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.3. Los menús Pop-Up muestran los dispositivos que componen la

red. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Intercambiando mensajes entre los diferentes dispositivos. . . . 86
5.4.
Integración de un nuevo dispositivo. . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.5.
88
5.6. La interfaz de usuario del pizarrón compartido en Mac OS X.
89
5.7.
Intercambiando figuras geométricas entre dispositivos móviles.
90
5.8. La interfaz de usuario del control remoto del iTunes en Palm.
5.9. Buscando un dispositivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

A.1. Pila de Protocolos de Bluetooth en Mac OS X. . . . . . . . . . 98
A.2. Componentes de la implementación de Bluetooth en Palm.
. . 100

Agradecimientos

Este trabajo está dedicado especialmente a mis padres y a mi hermano, de
quienes he recibido y continuo recibiendo enseñazas las cuales son invaluables
y me han servido como una luz que siempre me acompaña e ilumina mi
camino.

También está dedicado a mi esposa Silvana con quien siempre estoy ini-

ciando sueños y juntos hemos logrado convertirlos en realidad.

De manera especial agradezco al Dr. Jose Oscar Olmedo Aguirre por

haber creido, apoyado y enriquecido este proyecto.

De igual forma agradezco al Dr. Sergio V. Chapa Vergara y al Dr. Adriano
de Luca Pennacchia por el tiempo invertido en la revisión de este documento
y por sus valiosos comentarios para mejorar el mismo.

Finalmente el agradecimiento al CINVESTAV y en especial al Departa-
mento de Aplicación de Microcomputadoras de la Universidad Autónoma de
Puebla por el apoyo brindado para la culminación de este trabajo.

vii

Resumen

Con la reciente proliferación de dispositivos móviles –asistentes digitales,
computadoras portátiles– equipados con tecnología inalámbrica Bluetooth es
posible la creación de redes ad-hoc, es decir, redes de dispositivos inalámbri-
cos los cuales cooperan para formar una red sin depender de una infraes-
tructura física o de servicios. Estas redes han sido propuestas para una gran
variedad de escenarios: militares, zonas de desastre, colaboración digital, etc.
Sin embargo, para las aplicaciones la movilidad de los nodos provoca que se
tengan que enfrentar a nuevos problemas y su ejecución en este entorno se
vuelva compleja.

Considerando esta problemática, este documento explica el diseño y la
implementación del middleware Lucrn que está compuesto por mecanismos:
para anunciar la entrada y la salida de un nodo simple de la red, para el
intercambio de información en una red de canales de comunicación punto a
punto y para facilitar el desarrollo de aplicaciones de colaboración, los cuales,
en conjunto, proporcionan a las aplicaciones de los dispositivos móviles los
elementos para enfrentar una topología de red dinámica.

El middleware diseñado extiende la pila de protocolos de Bluetooth y fue
implementado en los sistemas operativos Mac OS X y Palm OS, por tanto,
puede ser instalado en computadoras de escritorio, portátiles y en asistentes
digitales que estén equipados con tecnología Blueto