IoT und OSGi: Die Entstehung einer kontinuierlich wachsenden Präsentationsplattform

Dr. Susan Schwarze , Fabian Pursche

© iStock / Dirtydog Creative

Was macht den OSGi-Standard so attraktiv für das Internet der Dinge? Die modulare dynamische Architektur mit integriertem Lebenszyklusmechanismus, die Wiederverwendbarkeit von Softwarekomponenten, eine Geräteabstraktionsschicht sowie die breite Auswahl an Gerätekommunikationsschnittstellen. Die breite Anwendbarkeit der modularen dynamischen Architektur ermöglicht es nicht nur, Produkt- und Geschäftslösungen – auch in der Cloud – erheblich zu skalieren; auch können durch eine End-to-End-Struktur verschiedene Industrien über den OSGi-Standard integriert werden. Anhand einer erweiterbaren OSGi-IoT-Demo sollen die Anwendungsvielfalt und die Möglichkeiten von IoT auf Basis von OSGi gezeigt werden. Eine erste Variante ist bereits auf dem letzten OSGi Community Event in Verbindung mit der EclipseCon Europe öffentlich gestartet worden.

Die OSGi Alliance bietet mit ihren Spezifikationen bereits seit mehr als einer Dekade eine Architektur für eine modulare Softwarearchitektur, die bereits von unterschiedlichen Industriemärkten genutzt und für die eigenen Anforderungen weiter standardisiert wurde. Die Spezifikationen umfassen nicht nur den Enterprise-Markt, sondern auch Smart Home, Telematik und Mobile. In Zeiten einer zunehmenden Industrieverflechtung und Anforderungen an End-to-End-Lösungen wird die Relevanz der OSGi-Spezifikationen – von der standardisierten modularen Ausführungsumgebung und vielfältigen Schnittstellen über eine Geräteabstraktion und eine Entwicklungsumgebung für Anwendungen bis hin zu Cloud-Architekturen für PaaS und SaaS – deutlich. So wächst nicht nur das OSGi-Ökosystem, sondern auch die Vielzahl der auf OSGi basierenden Produktlösungen. Um dieser Entwicklung Rechnung zu tragen, wurde die OSGi-IoT-Demo gestartet. Diese wurde erstmalig im Oktober 2014 auf dem OSGi Community Event in Ludwigsburg präsentiert und wird auch für Hackathons und Code-Demo-Camps eingesetzt. Der folgende Beitrag geht auf die OSGi-IoT-Demo, ihre Einsetzbarkeit und Erweiterung ein und bietet einen Ausblick auf die kommenden Jahre.

IoT als zukunftsträchtiger Markt

Firmen wie Cisco gehen im Industriebereich IoT von über 50 Milliarden internetfähigen Geräten bis 2020 und, abhängig von der Definition, von bedeutend mehr internetfähigen Geräten ab 2020 aus. Zudem erkennen Analysten wie die International Data Corporation (IDC) bereits für 2014 ein stärkeres Wachstum und sehen bei der Untersuchung des IoT-Ökosystems – dieses umfasst nach IDC intelligente und eingebettete Systeme, vernetzte Dienste, Infrastruktur, zielgerichtete IoT-Plattformen, Anwendungen, Sicherheit, Analysen und Professional Services – eine Transformation der vertikalen Märkte voraus, die den weltweiten Markt für IoT-Lösungen von 1,9 Milliarden US-Dollar auf 7,1 Milliarden US-Dollar in 2020 hochschnellen lässt.

Insofern ist es kein Wunder, dass IoT in aller Munde ist. Es bleiben jedoch noch einige Aufgaben auf dem Weg zum realen Internet der Dinge zu lösen. IoT umspannt verschiedene Industriezweige mit verschiedenen Akteuren und eigenen Herausforderungen: proprietäre Lösungen, unzählige Geräte und Maschinen und zum Teil große Unterschiede in Hard- und Software, wobei Anwendungen, Kommunikationsprotokolle und vorhandenen Speicherplatz mit eingeschlossen sind. Welche Geräte besitzt der Kunde, welche hingegen der Unternehmer und welche der Provider? Wer darf entsprechend autorisiert auf die verschiedenen Geräte zugreifen? Hinzu kommen Fragen zu Technologieplattformen und möglichen Apps, die in verschiedenen Industriezweigen und auf unzähligen Geräten Anwendung finden sollen. Auf welcher Ebene im IoT-Markt müssen welche Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden, um sie dann später dem Kunden garantieren zu können? Und gibt es eine oder mehrere Brückentechnologien, die als Integrationsplattform für den IoT-Markt benutzt werden können?

Standardisierte Softwareplattformen in eingebetteten Systemen spielen dabei eine immer wichtigere Rolle, da die Komplexität der Software unvermindert zunimmt und die Kluft des Lebenszyklus zwischen Hardware und Software immer größer wird. Darüber hinaus ändern sich aus Kostengründen immer wieder die Plattformeigenschaften (Prozessoren, Betriebssysteme etc.) bei eingebetteten Systemen. Das ist häufig mit zusätzlichem Entwicklungs- und Kostenaufwand verbunden, da Softwarekomponenten meist nicht mehr wiederverwendet werden können und somit ein großer Teil der Software neu implementiert werden muss.

Hier setzt die OSGi Alliance mit ihrem Standard (OSGi) an. Die OSGi Alliance ist ein global agierendes Industriekonsortium, das ein stetig wachsendes Ökosystem bedient. Die Mitglieder der OSGi Alliance kommen aus unterschiedlichen Industriemärkten – von Smart Home über Telematik zu Enterprise und Cloud. Die gemeinsam standardisierte modulare Architektur wird mit jeder neuen Spezifikation den Industrieanforderungen entsprechend modular ergänzt und von den Mitgliedern und entsprechenden Zulieferern in ihren Geschäftslösungen eingesetzt. Im Rahmen der erweiterbaren OSGi-IoT-Demo wird ein Lösungsansatz gezeigt, mit dem viele der zuvor genannten Problematiken gelöst werden können.

Die technische Umsetzung der OSGi-IoT-Demo

Die OSGi-IoT-Demo ist so aufgesetzt, dass sie – getreu ihrer eigenen modularen und dynamischen Architektur – zu jedem Zeitpunkt erweitert werden kann. Für das OSGi Community Event 2014 in Ludwigsburg, auf dem die OSGi-Kerndemo gezeigt werden sollte, kristallisierten sich schnell drei Unternehmen und ein weiteres Industriekonsortium heraus:

Paremus, OSGi Strategic Partner, die mit ihrer Expertise im Enterprise-Bereich schon viele OSGi-basierte Lösungen für große Unternehmen, u. a. im Finanzsektor, verwirklicht haben. Sie treiben viele Spezifikationen der Alliance und stellen für die IoT-Demo ihr OSGi-PaaS-Produkt ServiceFabric zur Verfügung.

ProSyst, OSGi Strategic Partner, mit über fünfzehn Jahren Erfahrung in den verschiedenen Industriemärkten, die in Kombination IoT realisieren können. In der IoT-Demo kommt das OSGi-basierte Gateway-Framework mBS Smart Home sowie für das Geräte- und Softwaremanagement der mPRM zum Einsatz. Des Weiteren hat ProSyst Open-Source-OSGi-Frameworks als weitere optionale Frameworks in die Demo integriert und damit die nahtlose Fernwartung aller Endgeräte über eine Backend-Plattform ermöglicht.

BitReactive, Mitglied der OSGi Alliance und Experte auf der Ebene der grafischen Softwareentwicklung mit dem Fokus auf Java und OSGi-Lösungen, bringt als Demoanteil seine Eclipse-basierte Entwicklungsumgebung Blocks SDK sowie eine prototypische Simulation eines Windrads mit verteilter Datenerfassung ein.

SD Card Association, Interessenverband der SD-Card-Hersteller, der den Teilnehmern der Demo die benötigten SD-Karten zur Verfügung stellte, auf denen die OSGi-IoT-Stacks laufen konnten.

Auf dem OSGi Community Event wurde dann nach einer Einführung und Vorstellung der OSGi-IoT-Demo und ihrer Architektur ein darauf aufbauender Hackathon mit interessierten Entwicklern vor Ort durchgeführt, bei dem die Entwickler mithilfe des zur Verfügung gestellten SDKs und der Demo selbst weitere Anwendungen entwickeln und in die OSGi-basierte Cloud laden sollten. Über die OSGi-basierte Administrationsplattform wurden die entwickelten Anwendungen dann wieder zur Verfügung gestellt.

Die Architektur und der Aufbau der OSGi-IoT-Demo

Als IoT-Edge-Plattform wurde der Raspberry Pi B(+) verwendet, da er im Prototyping-Umfeld stark verbreitet ist und durch seine kostensensitive Anschaffung einen BYOD-Ansatz (Bring Your Own Device) für Demos und Hackathons ermöglicht. Mit der neuesten Version des Raspberry-Pi-Betriebssystems Raspian wird als Java-Ausführungsumgebung die aktuellste Version von Oracles Java 8 JRE verwendet. Auf dieser Grundbasis wurden verschiedene Open-Source- (Apache Felix, Eclipse Equinox) und kommerzielle (mBS SH) Frameworks aufgesetzt, um die gleichzeitige Lauffähigkeit der unterschiedlichen OSGi-Implementierungen sowie die breite Einsetzbarkeit der Demoarchitektur zu präsentieren (Abb. 1).

Abb. 1: Die Architektur und Inbetriebnahme der OSGi-IoT-Demo

Abb. 1: Die Architektur und Inbetriebnahme der OSGi-IoT-Demo

Um IoT in der Gänze von „Edge“ zu „Core“ abzubilden, wurde die ServiceFabric mit ihrem Discovery-Mechanismus aufgesetzt. Sie ermöglicht den Raspberry Pis den entfernten Zugriff auf verschiedene Dienste, die vom PaaS zur Verfügung gestellt werden. Hierzu gehört der mPRM, der sich mit den Raspberry Pis über die aufgespielten OSGi-Frameworks verbindet, um dann ihre Gerätestruktur im Backend abzubilden. Dadurch deckt der mPRM das gesamte Softwaremanagement ab und ermöglicht nach Autorisierung anderen Diensten den Zugriff auf die Geräte. Über das Software-Repository des mPRM wird das Simulator-Bundle an jeden neu angeschlossenen Raspberry Pi ausgeliefert, wodurch ein simulierter Windpark verteilt über die einzelnen Geräte hin entsteht. Um dessen Daten noch zu verarbeiten und zu visualisieren, stellt die ServiceFabric eine Instanz des MQTT-Servers Mosquitto zur Verfügung, die über den eigenen Discovery-Prozess für die Windradsimulatoren bereitsteht. Eine von BitReactive entwickelte Visualisierung zeigt den aktuellen Windpark mit den einzelnen Energieinformationen an.

Setup und Hackathon

Nachdem die Entwickler ihren eigenen, nun OSGi-basierten, Raspberry Pi über die ServiceFabric mit dem mPRM verbunden haben und durch die Installation der Windraddemo Teil des virtuellen Windparks geworden sind, können sie mithilfe des Blocks SDK von BitReactive weitere IoT-Applikationen entwickeln. Hierfür bietet sich z. B. ein Z-Wave-Multisensor an, der per aufsteckbarer Z-Wave-GPIO-Platine am Raspberry Pi eingebunden wird und per Softwareschnittstelle (z. B. der HDM-Anbindung des mBS SH) für weitere Use Cases benutzt werden kann (Abb. 2).

Abb. 2: Setup und Ablauf des Hackathons

Abb. 2: Setup und Ablauf des Hackathons

Über das Block SDK können hierfür vordefinierte grafische Blöcke verwendet werden. Diese werden logisch miteinander verknüpft und können als Bausteine für größere Funktionsblöcke genutzt werden. Hierfür bietet BitReactive schon eine größere Sammlung an Open-Source-Blöcken für die Entwicklung von IoT-Anwendungen an. Die entsprechende Anwendung wird als OSGi Bundle kreiert, über einen Application Wizard des mBS SH SDK von ProSyst mit benötigten Ressourcen zu einem Application Deployment gebündelt und dann im Software-Repository des mPRM abgelegt. Nun können sich alle interessierten Entwickler diese neue Anwendung zum Testen auf ihre eigenen Raspberry Pis herunterladen und mit anderen Anwendungen gegebenenfalls kombinieren. Hauptgewinner des Hackathons wurde Tobiasz Dworak, System & Software Architect, Research & Engineering Center Polen.

Ausblick

Die OSGi-IoT-Demo zeigt nicht nur erste Anwendungsmöglichkeiten einer End-to-End-IoT-Lösung auf Basis der standardisierten OSGi-Architektur, sondern eröffnet auch die Option, die eigenen Produktlösungen dynamisch einzubinden und durch weitere Anwendungen und Funktionalitäten zu erweitern. In den kommenden Jahren werden weitere OSGi-Spezifikationen im Bereich IoT entstehen und in der OSGi-IoT-Demo abgebildet werden. Um den Mehrwert der eigenen Produktlösungen der Öffentlichkeit zu präsentieren, wird die OSGi-IoT-Demo in Absprache mit der OSGi Alliance kontinuierlich erweitert. Erste Anfragen an einer Beteiligung und Erweiterung der Demo liegen bereits vor und werden auf dem nächsten OSGi Community Event in Ludwigsburg vom 3.-5-November 2015 zu sehen sein. Bei Interesse an einer Beteiligung melden Sie sich bitte bei info@osgi.org.

Geschrieben von
Dr. Susan Schwarze

Dr. Susan Schwarze ist Director Standards bei ProSyst und arbeitet dort in der Geschäftsentwicklung. Seit mehr als einer Dekade repräsentiert Susan ihren Arbeitgeber im Vorstand der OSGi Alliance. Hier fokussiert sie sich auf strategische Aktivitäten, die sowohl die Positionierung und Ausrichtung der Organisation, als auch damit verbundene Partnerschaften umfassen. Alle Aktivitäten rund um OSGi und das Internet der Dinge laufen bei ihr zusammen. Des Weiteren leitet sie das Marketing und ist Sprecherin der OSGi Alliance.

Fabian Pursche

Fabian Pursche arbeitet seit über sechs Jahren im OSGi-Umfeld und dessen Märkten. Seit seinem Eintritt bei ProSyst im Jahr 2010 hat er sein Wissen durch seine maßgebliche Mitarbeit in verschiedene nationale und internationale geförderte Projekte in den Bereichen Logistik (Intelligenter Container), Smart Energy/Smart Grid (E-DeMa), Smart Home (Sedicma) und Cloud-Entwicklung (EASI-CLOUDS) erweitert und setzt dieses Wissen in weiteren Projektentwicklungen gewinnbringend ein.

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