Implementasi Cluster Message Broker Sebagai Solusi Skalabilitas Middleware Berbasis Arsitektur Publish-Subscribe pada Internet of Things (IoT)
Vol. 2, No. 12, Desember 2018, hlm. 6861-6867 http://j-ptiik.ub.ac.id
Implementasi Cluster Message Broker Sebagai Solusi Skalabilitas
Middleware Berbasis Arsitektur Publish-Subscribe pada Internet of Things
1 2,(IoT)
3 Jessy Ratna Wulandari , Eko Sakti Pramukantoro Heru NurwarsitoProgram Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya 1 2 3 Email: jessyratnawulandari@gmail.com, ekosakti@ub.ac.id, heru@ub.ac.id
Abstrak
Pada middleware IoT yang yang digunakan untuk mengatasi permasalahan syntactical
interoperability , ditemui permasalahan terbatasnya jumlah data yang mampu ditampung oleh sejumlah
memory karena menggunakan redis yang memanfaatkan memory RAM sebagai buffer data.
Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan penambahan cluster message broker yang berfungsi untuk membagi data ke dalam beberapa redis. Tujuan dari penelitian ini adalah membangun cluster message
broker dari beberapa redis yang telah dikonfigurasikan ke dalam mode cluster, di mana cluster tersebut
akan berfungsi membagi data atau topik ke dalam beberapa redis secara acak. Selain itu juga ditambahkan Ioredis pada middleware yang berfungsi untuk mengintegrasikan cluster dengan
middleware . Pengujian dilakukan untuk menguji kemampuan berjalannya node sensor sebagai
publisher , middleware yang telah menerapkan cluster message broker, dan subscriber serta untuk
menguji pembagian data atau topik dibeberapa redis. Berdasarkan pengujian yang dilakukan data yang dikirimkan oleh publisher dapat diterima oleh middleware dan middleware dapat mengirimkan data dari
publisher ke subscriber. Selain itu data atau topik yang diterima oleh middleware dapat didistribusikan
ke beberapa redis yang ada didalam cluster.Kata kunci: cluster, redis, skalabilitas, Middleware, Internet of Things (IoT)
Abstract
IoT middleware that used to solve syntactical interoperability, face a limited storage resource due to
Redis implementation which used RAM as a data buffer. This problem can be solved by adding a cluster
message broker to distributing data to several Redis. The goal of this research is to develop a cluster
message broker from several Redis that already configured into cluster mode, in order to randomly
distribute data or topic into several Redis. Besides that, Ioredis also added the middleware to integrate
cluster with the middleware. Testing was done to test the capability of the sensor node as a publisher,
cluster message broker in the middleware, and subscriber also to test the distributed data or topic in
several Redis. The results show that data sent from the publisher can be received by middleware and
middleware can send data from the publisher to the subscriber. Besides that, data or topic received by
middleware can be distributed to the several Redis in the cluster.Keywords: cluster, redis, scalability, Middleware, Internet of Things (IoT)
tersebut dilanjutkan oleh Rozi yang melakukan 1.
PENDAHULUAN pengujian performansi dan skalabilitas untuk
mengetahui kinerja Middleware. Berdasarkan Pada penelitian sebelumnya oleh Anwari hasil pengujian yang telah dilakukan, arsitektur telah dibangun sebuah Middleware yang
middleware dan penggunaan redis sebagai
berfungsi untuk mengatasi permasalahan
broker dapat mempengarui kinerja middleware syntactical interoperability protokol komunikasi
yang menghasilkan nilai delay yang tinggi. CoAP, MQTT, dan Websocket dengan cara
Kinerja redis bergantung pada space memory menerapkan gateway multi-protokol. Gateway yang tersedia untuk redis tersebut, oleh karena yang dibuat untuk masing-masing protokol itu akan terjadi permasalahan skalabilitas di komunikasi dihubungkan dengan sebuah broker mana data yang mampu ditangani oleh sejumlah yaitu Redis. Dalam implementasinya, penelitian
memory yang tersedia menjadi terbatas.
Fakultas Ilmu Komputer Universitas Brawijaya
6861
Dalam mengatasi permasalahan skalabilitas tersebut dibutuhkan sebuah metode yang mampu mendukung skalabilitas. Beberapa metode telah dilakukan dalam berbagai penerapan. (Son et al. 2015) mengatasi skalabiltas pada Smart Home dengan cara membangun sebuah Middleware terdistribusi yang dapat membuat perangkat cerdas dapat mempelajari perilaku pengguna dan bertindak secara otomatis dengan berkerja sama dengan perangkat lain melalui gateway. (Jutadhamakorn et al. 2017) membangun MQTT
4.1 Perancangan lingkungan sistem
Penelitian (Li, Jiang, and Shi 2017) membangun teknologi cluster web berbasis redis dalam menjaga konsistensi session web server dan meningkatkan ekspansi. Redis cluster tersebut berfungsi untuk menyimpan session. Hasil pengujian menunjukkan redis cluster menyediakan kecepatan read-write data dan memiliki tingkat availability yang tinggi dalam pengunaannya.
Hanafi, 2017) . Penelitian ini akan berfokus
pada bagian Redis yang berfungsi sebagai
broker yang bersifat scalable dengan metode clustering dalam menangani sejumlah besar
broker . Sistem yang dibangun terdiri dari dua
perangkat sensor yang mengirimkan data suhu dan kelembapan melalui protokol CoAP dan MQTT. Data tersebut akan diterima oleh
Middleware yang menerapkan cluster message broker dan kemudian akan dibagi secara acak ke
beberapa redis yang ada di cluster untuk disimpan dalam bentuk topik/key. Kemudian data akan dikirimkan ke subscriber yang telah melakukan subscribe dengan topik/key tertentu.
4. PERANCANGAN
Dalam penelitian ini menggunakan lingkungan IoT pada penelitian sebelumnya. Terdapat tiga komponen yang berinteraksi yaitu sensor suhu dan kelempaban, Middleware, dan
Penelitian ini merupakan implementasi pengembangan lanjut dari penelitian sebelumnya oleh (Anwari, Pramukantoro, and
menggabungkan beberapa redis. Selain itu dilakukan penambahan Ioredis yang berfungsi untuk mengintegrasikan cluster dengan middleware .
message broker tersebut dibangun dengan
data atau topik ke dalam beberapa redis. Cluster
Middleware . Cluster berfungsi untuk membagi
mengatasi permasalahan skalabilitas pada IoT
message broker yang digunakan untuk
Berdasarkan pembahasan diatas, maka dilakukan pengembangan pada penelitian sebelumnya dengan mengusulkan cluster
ekspansi. (Thomas, Alexander, and Pm 2017) membangun sistem menggunakan metode berbasis cluster menggunakan redis yang memiliki performa tinggi dalam menyimpan, memproses, dan mengambil data geospasial dinamis untuk mengatasi masalah tracking lokasi kendaraan pada lingkungan Smart City.
session dan meningkatkan kemampuan
perangkat IoT. (Li, Jiang, and Shi 2017) membuat teknologi cluster web server berbasis redis yang berfungsi untuk menjaga konsistensi
3. DESKRIPSI UMUM SISTEM
2. KAJIAN PUSTAKA
antara sensor sebagai publisher yang menggunakan protokol CoAP dan MQTT, middleware , serta subscriber yang menggunakan protokol Websocket.
dilakukan berkaitan dengan integrasi sistem
mengakses broker. Redis berada pada sisi service unit yang difungsikan sebagai broker.
unit difungsikan sebagai interface bagi sensor gateway dan application gateway untuk
Sensor gateway difungsikan sebagai interface bagi sensor yang mengirimkan data suhu dan kelembapan melalui CoAP dan MQTT. Service
gateway , service unit, dan application gateway.
membangun Middleware yang memiliki tiga komponen utama yaitu sensor
Hanafi, 2017)
Penelitian (Anwari, Pramukantoro, and
subscriber . Sensor berfungsi sebagai publisher yang mengirimkan data ke Middleware.
Kemudian subscriber yang akan menerima data dari Middleware.
Pada gambar 1 sensor suhu dan kelembapan yang menggunakan module dht 11/22 akan mengirimkan data melalui protokol CoAP dengan topik home/kitchen dan MQTT dengan topik home/garage ke Middleware. Selanjutnya Middleware akan menyimpan data tersebut ke Redis yang tersedia di cluster ke dalam bentuk topik/key. Apabila subscriber telah melakukan subscribe ke Middleware dengan topik/key tertentu maka Middleware akan mengirimkan data dengan topik/key tersebut secara real-time.
Application gateway difungsikan sebagai interface bagi aplikasi untuk membaca data dari Middleware melalui Websocket. Pengujian yang
Gambar 1 Lingkungan sistem
6381, 6382, 6382, dan 6384. Port tersebut berguna untuk mengidentifikasi node redis dalam penyimpanan data.
Raspberry pi yang saling terhubung
Redis tersebut diimplementasikan pada tiga
5.1 Implementasi Cluster Cluster dibangun dari beberapa Redis yang dikonfigurasikan kedalam mode cluster.
5. IMPELEMENTASI
Tabel 1 Payload data Var payload = { protocol: string, //nama protokol yang digunakan timestamp: string, //time server topic: string, //nama topik yang digunakan sensor: { tipe: string, //tipe sensor index: string, //index sensor ip: string, //ip yang digunakan untuk sensor module: string, //modul yang digunakan dht11/22 } humadity: { value: number, // nilai humadity unit: string, //satuan humadity } temperature: { value: number, //nilai temperature unit: string, //satuan temperature } }
dikirimkan sensor ke Middleware. Data yang dikirimkan berupa format JSON menggunakan protokol CoAP dan MQTT. Pada tabel 1 menunjukkan Payload data berupa nama protokol, timestamp, topik, tipe sensor, index sensor, IP sensor, modul yang digunakan (dht11/22), dan nilai suhu dan kelembapan yang dicatat oleh sensor.
4.3 Perancangan Payload Data sensor Payload berisi informasi data yang
Gambar 2 Perancangan cluster
cluster . Redis terdiri dari port 6379, 6380,
4.2 Perancangan Cluster
Pada gambar 2 merupakan gambar topologi mesh yang digunakan pada
yang terhubung mampu saling berkomunikasi.
master . Cluster menggunakan topologi mesh TCP connection di mana setiap node
kerja master jika master mengalami kegagalan sistem. Selama redis berperan sebagai slave maka slave tersebut hanya diberikan ijin untuk Read sehingga tidak bisa mengubah data yang disimpan pada
slave . Slave berfungsi untuk menggantikan
ditanam pada tiga Raspberry pi. Setiap redis tersebut berperan sebagai master atau
Cluster menggunakan enam Redis yang
Dalam penelitian ini cluster berfungsi dalam pembagian data yang disimpan dalam bentuk topik/key. Cluster dibangun dengan menggunakan beberapa redis yang dikonfigurasikan ke dalam mode cluster.
menggunakan koneksi wlan0. Masing-masing redis memiliki identitas berupa IP dan Port.
Penelitian ini menggunakan sensor suhu dan kelembapan yang dikirimkan melalui protokol CoAP dan MQTT. Program sensor menggunakan framework node.js dan dijalankan
Pada penelitian ini Redis yang berperan sebagai slave yang dibuat memiliki port 6380, 6383, dan 6384. Node Redis slave akan ditambahkan sebagai anggota Cluster dengan perintah ./ redis- trib add-node
5.3 Implementasi Sensor
port 6382 dan 6383, dan node dengan IP 192.168.42.28 dengan port 6379 dan 6384.
192.168.42.100 dengan port redis 6380 dan 6381, node dengan IP 192.168.42.41 dengan
Port dan IP host redis terdiri dari node dengan IP
Integrasi yang dilakukan adalah dengan menambahkan library Ioredis. Selain itu juga dilakukan inisialisasi semua port dan IP host redis yang ada pada cluster. Hal tersebut dilakukan agar Middleware mengetahui redis mana saja yang ada pada daftar node cluster.
Middleware terletak pada Raspberry pi dengan IP 192.168.42.100.
berfungsi sebagai broker dan sekaligus melakukan penyimpanan data secara persistent.
Middleware terletak pada sisi service unit yang
Penelitian ini menggunakan Middleware pada penelitian sebelumnya. Setelah cluster redis sudah terbentuk maka perlu di integrasikan dengan Middleware tersebut. Redis pada
5.2 Implementasi Middleware
Gambar 4 Penambahan node slave pada Cluster
Pada gambar 4 menunjukkan perintah dalam menambahkan slave pada masing-masing master menggunakan redis-trib.rb add-node
node -master] IP-slave:port-slave IP-master:port-master .
Selanjutnya setiap node master akan diberikan satu slave yang berfungsi untuk menggantikan master jika master mengalami kegagalan sistem.
- –slave
Gambar 3 Implementasi Cluster
IP 192.168.42.42 dengan port 6382, dan IP 192.168.42.100 dengan port 6381. Ketiga Redis tersebut akan memiliki peran sebagai master pada Cluster.
IP 192.168.42.28 dengan port 6379,
./redis-trib.rb create. Perintah redis-trib juga akan mengkonfigurasi key slot secara otomatis untuk ketiga Redis tersebut. Pada gambar 3 menunjukkan perintah redis- trib untuk membuat cluster dengan
Selanjutnya membuat Cluster dengan menggunakan redis-trib yang disediakan oleh redis. Perintah yang digunakan yaitu
sudah active (running) maka redis sudah dapat digunakan.
sudo service [namafileservice] status . Jika status
Setelah dilakukan konfigurasi pada masing- masing file redis, selanjutnya dilakukan pengecekan status redis tersebut dengan perinta
Tabel 2 File konfigurasi redis port 6379 cluster-enabled yes cluster-config-file node - 6379.conf cluster-node -timeout 5000 appendonly yes
beberapa hal yang ada pada file konfigurasi redis agar redis berjalan pada mode cluster:
file konfigurasi sendiri yang terletak di /etc/redis. Tabel 2 berikut ini merupakan
Masing-masing Redis tersebut memiliki
IP 192.168.42.100. Redis master_2 dengan port 6382 dan dan slave_2 dengan port 6383 terletak pada Raspberry pi dengan IP 192.168.42.41.
Redis master_3 dengan port 6379 dan slave_3 dengan port 6384 terletak pada Raspberry pi dengan IP 192.168.42.28. Redis master_1 dengan port 6380 dan slave_1 dengan port 6381 terletak pada Raspberry pi dengan
- –slave –master-id [id-
middleware , sedangkan ketika menggunakan
dilakukan.
menunjukkan bahwa middleware dengan mode
cluster mampu menerima data suhu dan
kelembapan melalui protocol CoAP untuk topik
home /kitchen dari klien publisher dengan IP
192.168.42.41. Berdasarkan hasil pengujian PF_001 disimpulkan bahwa integarasi
middleware yang mengimplementasikan cluster message Broker dengan node sensor berhasil
6.2 Middleware mampu menerima data melalui protokol MQTT Gambar 6 Pm2 logs middleware dari MQTT
Gambar 5.3 menunjukkan tampilan pm2Gambar 6 menunjukkan tampilan pm2
logs pada middleware . Hasil pengujian
menunjukkan bahwa middleware dengan mode
cluster mampu menerima data suhu dan
kelembapan melalui protocol MQTT untuk topik
home /garage dari klien publisher dengan IP
logs pada middleware . Hasil pengujian
6.1 Middleware mampu menerima data melalui protokol CoAP Gambar 5 Pm2 logs middleware dari CoAP
MQTT sensor harus terhubung dahulu ke
SET async = require async SET MQTT = require mqtt SET payload = payload data and read humidity and temperature from sensor DO async (1, next) DO print Date in String DO connect to MQTT Gateway using ip and port DO publish (topik, payload in JSON, use qos 1) END DO next (err) DO print “terkirim” END
Middleware
sebelum mengirimkan data yang telah berhasil terbaca oleh sensor. Tabel 3 merupakan Pseudocode program sensor yang mengirimkan data suhu dan kelembapan melalui protokol CoAP ke
Middleware dengan IP 192.168.42.100 dan port
5683. Pada proses ini data akan langsung dikirimkan ke Middleware tanpa sensor harus terhubung ke Middleware terlebih dahulu.
Tabel 3 Pseudocode program sensor dengan protokol CoAP SET sensorlib = require node -dht- sensor SET temp = read temperature from sensor SET hum = read humidity from sensor DEFINE coapp () SET coap = require coap SET cron = require node -cron SET payload = payload data from sensor DO send payload in JSON with method POST
DO print Date and “terkirim” END Tabel 4 Pseudocode sensor dengan protokol MQTT
Pada tabel 4 merupakan Pseudocode program sensor yang mengirimkan data suhu dan kelembapan melalui protokol MQTT ke
IP 192.168.42.12 untuk mengirim data suhu dan kelembapan melalui MQTT ke Middleware dengan IP 192.168.42.100.
Middleware
dengan IP 192.168.42.100 dan port 1883. Proses ini akan mengirimkan data sensor setelah sensor melakukan koneksi dan terhubung ke MQTT Gateway pada middleware. Pada program ini juga ditentukan menggunakan QoS 1 pada MQTT.
6. PENGUJIAN DAN HASIL PENGUJIAN
Pengujian fungsional dilakukan untuk mengetahui apakah sensor sebagai publisher,
middleware yang menerapkan cluster message
broker serta subscriber sudah dapat saling berkomunikasi dan apakah data yang diterima oleh middleware mampu dibagi ke dalam beberapa redis. Pengujian dilakukan berdasarkan prosedur pengujian yang telah ditentukan. Pada pengujian akan dilakukan pengiriman data suhu dan kelembapan dari sensor dengan IP 192.168.42.41 untuk CoAP dan sensor dengan
192.168.42.41. Berdasarkan hasil pengujian
- –scan. Perintah tersebut berfungsi
redis . Hasil pengujian menunjukkan pada redis
7. KESIMPULAN
Pada Gambar 11 menunjukkan topik dht/A1 ada di redis dengan port 6382 dan IP 192.168.42.41 sedangkan topik dht/A4 ada di redis dengan port 6379 dan IP 192.168.42.79. Kemudian redis dengan port 6381 dengan IP 192.168.42.100 mencoba mengakses topik-topik tersebut dengan melakukan perintah MGET [nama_topik]. Hasilnya dapat dilihat pada gambar bahwa redis dengan port 6380 dapat mengakses data di redis dengan port 6382 dan 6379. Hal tersebut ditunjukkan dengan keterangan “Redirected” yang berarti redis port 6380 dialihkan ke port 6382 dengan lokasi data untuk topik dht/A1 di slot 7738, dan redis port 6380 juga dialihkan ke port 6379 dengan lokasi data untuk topik dht/A2 berada di slot 3743. Data yang ditampilkan berupa Buffer.
6.7 Redis dapat saling terhubung satu sama lain Gambar 11 Pm2 logs akses data redis
. Payload data yang berisi data suhu yang bernilai 30 o C dan kelembapan yang bernilai 20% tersebut dikirimkan oleh publisher dengan IP 192.168.42.41 melalui protokol MQTT dengan topik home/garage. Berdasarkan hasil pengujian PF_006 disimpulkan bahwa integrasi middleware yang mengimplementasikan cluster message Broker dengan subscriber berhasil dilakukan.
subscriber
Pada Gambar 10 menunjukkan sebuah tampilan payload data yang diterima oleh
6.6 Middleware mampu mengirimkan data dengan protokol MQTT ke subscriber melalui protokol Websocket Gambar 10 Pm2 logs MQTT dan Websocket
Broker dengan subscriber berhasil dilakukan.
middleware yang mengimplementasikan cluster message
yang bernilai 30 o C dan kelembapan yang bernilai 20% tersebut dikirimkan oleh publisher dengan IP 192.168.42.41 melalui protokol CoAP dengan topik home/kitchen menggunakan module dht11. Berdasarkan hasil pengujian PF_005 disimpulkan bahwa integrasi
subscriber . Payload data yang berisi data suhu
Pada Gambar 9 menunjukkan sebuah tampilan payload data yang diterima oleh
6.5 Middleware mampu mengirimkan data dengan protokol CoAP ke subscriber melalui protokol Websocket Gambar 9 Pm2 logs CoAP dan Websocket
dengan IP 192.168.42.41 dan port 6382 menyimpan topik home/garage, sedangkan redis dengan IP 192.168.42.100 dan port 6380 menyimpan topik home/kitchen yang berarti bahwa middleware dengan mode cluster mampu membagi data yang diterima ke dalam beberapa redis yang terdapat pada cluster.
untuk melihat topik apa saja yang ada pada suatu
PF_002 disimpulkan bahwa integarasi
cluster mampu menerima data suhu dan
middleware yang mengimplementasikan cluster message Broker dengan node sensor berhasil
dilakukan.
6.3 Middleware mampu menerima data melalui protokol CoAP dan MQTT Gambar 7 Pm2 logs middleware CoAP dan MQTT
Pada Gambar 7 menunjukkan tampilan
pm2 logs pada middleware. Hasil pengujian
menunjukkan bahwa middleware dengan mode
kelembapan melalui protocol CoAP untuk topik
[IP] -p [port]
home /kitchen dari klien publisher dengan IP
192.168.42.41 dan melalui protokol MQTT untuk topik home/garage dari klien publisher mqtjs_a2830b21. Berdasarkan hasil pengujian PF_003 disimpulkan bahwa integarasi
middleware yang mengimplementasikan cluster message Broker dengan node sensor berhasil
dilakukan.
6.4 Cluster mampu membagi data yang diterima oleh Middleware Gambar 8 pm2 logs pembagian data/topik
Pada Gambar 8 merupakan tampilan yang menunjukkan hasil perintah redis-cli -h
Berdasarkan hasil perancangan, implementasi dan pengujian dapat disimpulkan penerapan metode cluster message Broker menggunakan Redis dapat diimplementasikan pada Middleware IoT. Dengan penambahan Ioredis maka cluster dapat diintegrasikan dengan
middleware
. IoT middleware yang telah menerapkan cluster message broker dapat berkomunikasi dengan sensor melalui protokol CoAP dan MQTT serta dapat berkomunikasi dengan subscriber melalui protokol Websocket. Selain itu data yang terima oleh middleware dapat dibagi ke dalam beberapa redis dalam bentuk topik/key.
2017. “Design of High PerformanceClusterbased Map for Vehicle Tracking of Public Transport Vehicles in Smart City.” Ieee, 2–6.
8. DAFTAR PUSTAKA
Middleware Berbasis Event-Based
https://doi.org/10.1109/ICACSIS.2017.83 55008. Rozi, Mohammad Fahrur, Eko Sakti Pramukantoro, and Kasyful Amron. 2017.
Anwari, H, Pramukantoro, Eko Sakti, and Hanafi, Hanats
23 –32. https://doi.org/10.1109/COMPSAC.2015. 101. Thomas, George, G Alexander, and Sasi Pm.
Proceedings - International Computer Software and Applications Conference 2:
Dongman Lee, Soon J. Hyun, Junsung Lim, and Hyunseok Lee. 2015. “A Distributed Middleware for a Smart Home with Autonomous Appliances.”
” 1 (7): 593 –601. Son, Heesuk, Bjorn Tegelund, Taehun Kim,
“Analisis Performansi Dan Skalabilitas Pada Event-Based IoT Middleware
Conference on Advanced Computer Science and Information Systems (ICACSIS) 00.
Denga n Protokol” 1 (12): 1560–67. Jutadhamakorn, Pongnapat, Tinnapat Pillavas,
“Perform Evaluation of IoT Middleware for Syntactical Interoperability.” International
. 2017. “Pengembangan Iot
13th International Conference on Natural Computation, Fuzzy Systems and Knowledge Discovery (ICNC-FSKD) ,
7. “Redis-Based Web Server Cluster Session Maintaining Technology.” 2017
ing System.” Li, Songhuan, Hong Jiang, and Mingkang Shi. 201
Cluster
Vasaka Visoottiviseth, Ryousei Takano, Jason Haga, and Dylan Kobayashi. 2017. “A Scalable and Low-Cost MQTT Broker
3065 –69. Pramukantoro, Eko Sakti, Widhi Yahya, and Fariz Andri Bakhtiar. 2017.