pri 0378 / 17. Oktober 1990



        25. TECHNISCHES PRESSE-COLLOQUIUM 17./18. OKTOBER 1990 TPC '90



F a c h r e f e r a t  von Dipl.-Ing. Michael H e i n z, Leiter der Abteilung 
für Kommunikationssoftware-Entwicklung bei der ATM Computer GmbH, Konstanz.


Kommunikations-Architektur für das offene, verteilte, heterogene 
Mehrprozessorsystem MODICON 32000 M

Rechnersysteme für den industriellen Einsatz müssen unterschiedlichste 
Anforderungen in einem breiten Leistungsspektrum von der Steuerungs- bis zur 
Leitrechnerebene abdecken. Ein herkömmlicher Einzelrechner ist nicht in dieser 
Breite einsetzbar. Die AEG bietet deshalb nach dem Baukastenprinzip 
konfigurierbare Mehrprozessorsysteme an, deren Komponenten gemeinsam die 
benötigten Funktionen erbringen. Die Integration von Teilsystemen zu einem 
solchen Funktionsverbund - vergleichbar einem lokalen Netzwerk (LAN) und deshalb 
"LAN in a box" genannt - benötigt eine äußerst effiziente Kommunikation.
Vernetzung von Rechnern ist heute Standard. Selbst Personal Computer werden über 
lokale Netze gekoppelt und greifen auf verteilte Filesysteme zu. Die PCs 
arbeiten also bei der Teilfunktion Filezugriff im Funktionsverbund am LAN. Ein 
solches LAN kann leicht erweitert werden, denn jeder neu angeschlossene 
Netzteilnehmer bringt die für seine Arbeit benötigte zusätzliche Rechenleistung 
ein. In ähnlicher Weise können auch Anwendungssysteme auf verschiedene 
Einplatinen-Rechner verteilt werden.

Funktionen und Eigenschaften eines Prozeßrechnersystems

Systeme zur Automatisierung von Industrieanlagen benötigen andere Funktionalität 
und Eigenschaften, als sie beispielsweise der Anwender von PCs oder Bürosystemen 
kennt. Wichtigste Merkmale sind Echtzeitfähigkeit, automatischer 
Betrieb ohne Bediener und Terminal, erhöhte Sicherheit durch Redundanz, 
automatische Umschaltung bei Ausfall und automatischer Restart zwischenzeitlich 
ausgefallener Teilsysteme. Diese Merkmale werden in unterschiedlichen 
Leistungsklassen von kleinen plattenlosen bis hin zu großen leistungsstarken 
Konfigurationen verlangt. Die Systeme müssen risikolos erweiterbar sein, wenn 
die Leistungsgrenze erreicht ist. Offene Kommunikation über Netze muß möglich 
sein. Der Anwender wünscht sich außerdem leichte Programmierbarkeit, eine 
komfortable Entwicklungsumgebung, Zukunftssicherheit der Softwareinvestitionen 
und Offenheit für zusätzliche Funktionen.
Es gibt Einzelrechner, die einen Teil dieser Anforderungen erfüllen. Die "Einer-
kann-alles"-Lösung für das gesamte Anforderungsspektrum ist jedoch am Markt 
nicht verfügbar. Die Lösung heißt, mehrere verschiedene Teilsysteme im 
Funktionsverbund zusammenarbeiten zu lassen. Für jede Anforderung gibt es eine 
geeignete Kombination aus Hardware, Betriebssystem und eventuell verfügbarer 
Anwendungssoftware, die die benötigte Funktionalität erbringt.
Als Systemarchitektur für das System MODICON 32000 M wurde deshalb 
folgende Struktur gewählt: ein verteiltes, heterogenes, offenes 
		Systemstruktur Verteilt+Heterogen
Mehrprozessorsystem integriert die Funktionen seiner Teilsysteme. Die 
Systemfunktionen sind verteilt auf mehrere, untereinander lose gekoppelte, 
eigenständige Einplatinen-Rechner mit unterschiedlichen Betriebssystemen, die 
gemeinsam die Systemanforderungen erbringen. Dieser Systemverbund ist durch 
Nutzung von Standards nach außen und innen offen. 


Wesentliche Komponenten des Systems MODICON 32000 M sind: 80386 und 80486 als 
bevorzugte Prozessoren, iRMX DA (Distributed Architecture) als Echtzeit-
Betriebssystem, UNIX V als Betriebssystem für operationelle Aufgaben und als 
Entwicklungsplattform. Heterogenität und Offenheit erlauben es weitere 
Komponenten - auch mit anderen Prozessoren und Betriebssystemen - in den 
Funktionsverbund aufzunehmen. Dies können speicherprogrammierbare Steuerungen, 
Echtzeit-UNIX oder auch MS-DOS-Systeme sein. 

Kommunikation im heterogenen System: Die Client/Server-Architektur

Zwischen den Rechnern in einem LAN werden Datenblöcke, sogenannte Messages, 
ausgetauscht. Man spricht deshalb von "Message Passing". Ein 
Kommunikationspartner, der eine Dienstleistung von einem anderen Partner 
benötigt - ein sogenannter "Client" - sendet seine Anforderung als Message an 
den Diensterbringer - den "Server" - und erhält von diesem eine Antwort-Message 
Client/Server Architektur
mit dem Ergebnis zurück. Eine solche Client/Server-Architektur ist die Basis für 
die hier gewünschte Funktionsverteilung. Ihr besonderer Vorteil besteht darin, 
daß keinerlei Voraussetzungen an die beteiligten Prozessoren und Betriebssysteme 
gemacht werden müssen. Es genügt die Verabredung über die Formate und 
Reihenfolgen der auszutauschenden Messages, also das Kommunikationsprotokoll 
zwischen Client und Server. Dies macht die Client/Server-Architektur 
insbesondere für heterogene Kommunikationspartner besonders geeignet.

Multibus II - der Message Passing Bus

Die verschiedenen Einplatinen-Rechner des Systems MODICON 32000 M sind verbunden 
durch den Multibus II. Der Multibus II ist zum einen ein normaler Bus, 
vergleichbar mit Steckplätzen eines PC. Darüberhinaus ist für den Multibus II 
ein "Message Passing Protokoll" genormt und auf einem Chip verfügbar. Die 
Kommunikation zwischen den Teilnehmern am Multibus II erfolgt in gleicher Weise 
wie zwischen Rechnern an einem LAN. Man nennt deshalb den Multibus II 
auch ein "LAN in a box". Mit seiner Geschwindigkeit von 320 Mbit/s ist der 
Multibus II ein sehr schnelles "LAN". Er bietet sich deshalb für eine heterogene 
Client/Server Architektur an.
Multibus II - LAN in a Box
Alle Teilnehmer am Multibus II müssen mit dem Message Passing Coprozessor Chip 
und einer einheitlichen Programmierschnittstelle - dem "Multibus-Transport"- 
ausgestattet sein. Sie ermöglichen es, beliebig lange Nachrichten zwischen 
Programmen in verschiedenen Prozessoren auszutauschen.

Verteilte Anwendungen und Leistungsvermittlung

Auf Basis der Client/Server Architektur lassen sich Server und damit deren 
Dienste ansprechen, auch wenn sie nicht auf dem eigenen Prozessor verfügbar 
sind. Für eine Reihe von Systemgrundfunktionen sind Server vorhanden; dazu 
gehören das verteilte Filesystem, der Terminalzugriff, verteilte Kataloge und 
Zugänge zur Kommunikation mit externen Netzwerken. Weiterhin lässt sich mit 
dieser Methode eine Applikationssoftware verteilen, indem sie in einzelne 
Teilfunktionen mit klar definierten Schnittstellen zerlegt wird. Diese 
Teilfunktionen können auf unterschiedliche Rechner verteilt werden und verhalten 
sich wie Server. Wenn eine Teilfunktion benötigt wird, wird ihre Leistung für 
den jeweiligen Aufrufer erbracht. Deshalb nennt man diese Art der Verteilung 
auch Leistungsvermittlung.
Die bisher beschriebenen Message Passing Funktionen erlauben es zwar 
prinzipiell, eine Anwendung zu verteilen. Der Anwendungsprogrammierer müßte 
jedoch das Client/Server-Kommunikationsprotokoll zwischen den Teilfunktionen 
selbst spezifizieren und auf dem jeweiligen Betriebssystem selbst 
implementieren. Hier wird Systemunterstützung benötigt.
Als Lösung bietet sich die Technik des Remote Procedure Call an. Ein 
Unterprogramm wird auf einem Rechner aufgerufen, läuft auf einem anderen Rechner 
"remote" ab, und meldet die Ergebnisse an den Client so zurück, als ob die 
Remote Procedure Call
Funktion lokal erbracht worden wäre. Ein Remote Procedure Call vereinfacht die 
Verteilung von Applikationen, weil kein individuelles Kommunikationsprotokoll 
ausgedacht und implementiert werden muß, sondern durch standardisierte Tools 
erzeugt wird.


Gemeinsame Schnittstelle für externe und interne Kommunikation

Für den Fall, daß eine Anwendung nicht nur am lokalen Systembus verteilt ist, 
sondern auch Teilfunktionen aus externen Netzen benötigt, muß der Netzzugang bei 
der Verteilung berücksichtigt sein. Die Zugänge zu externen Netzwerken werden im 
System MODICON 32000 M von "Kommunikations-Servern" als Standardfunktionen für 
alle Teilnehmer am Multibus II bereitgestellt. Sie unterstützen alle 
wesentlichen lokalen Netzwerke und Wide Area Networks (WAN) mit ihren 
verschiedenen Protokollen: im LAN-Bereich Ethernet mit TCP/IP und mit ISO/OSI-
Protokollen inklusive Filetransfer oder virtuellem Terminal, sowie den MAP-Token 
Bus mit MMS oder FTAM; im WAN-Bereich X.25 (DATEX-P), X.21 (DATEX-L) und ISDN.

Die Programmierschnittstelle für den Zugang zu externen Netzwerken auf 
Transportebene ist im System MODICON 32000 M einheitlich und netzunabhängig.
Die Schnittstelle ist unter UNIX V und iRMX DA weitgehend identisch. 
OTS-TLI-Schnittstelle
Es ist die am ISO/OSI-Referenzmodell orientierte und von X/OPEN genormte UNIX-
Standard-Schnittstelle "TLI" (Transport Layer Interface) beziehungsweise deren 
Pendant "OTS" unter iRMX DA. Die gleiche Schnittstelle wird auch für die 
Multibus II-lokale Kommunikation eingesetzt. Das heißt: buslokale Kommunikation 
am "LAN in a box" - im Sonderfall auch prozessorlokale Kommunikation - und die 
Kommunikation mit externen Netzwerken werden aus iRMX DA und UNIX V mit 
einheitlichen Aufrufen abgewickelt. Damit ist das System betriebssystem- und 
netzwerktransparent. Ersteres bedeutet, daß man in einfacher Weise portable 
Kommunikationsprogramme schreiben kann, die unter iRMX DA und unter UNIX 
lauffähig sind. Netzwerktransparenz beinhaltet, daß es für ein Programm keinen 
Unterschied macht, ob sein Kommunikationspartner sich auf der gleichen CPU, im 
gleichen Multibus-Chassis, an einem LAN oder entfernt an einem WAN befindet. Die 
einheitliche Kommunikations-Schnittstelle erfordert keine unterschiedlichen 
Implementierungen für die verschiedenen Einsatzfälle. 

Ortstransparente Leistungsvermittlung

Die Kommunikation funktioniert immer gleich. Der Aufrufer muß nur die 
Netzwerkadresse des gewünschten Kommunikationspartners vorgeben. Das hört sich 
einfacher an als es ist, denn der Benutzer kennt normalerweise die 
Rechnerkonfiguration und die Verteilung der Server nicht. Weiterhin enthält eine 
rein funktional formulierte Anforderung, etwa "gib mir Satz 3 aus File mit Namen 
ABC", keine Parametriermöglichkeit für die Adressierungsaussage "von Rechner 
XYZ". Deswegen besteht das Bedürfnis, die Leistungsvermittlung unabhängig vom 
Ort der Leistungserbringung zu machen. 
Die Ortsunabhängigkeit (Location Transparency) der Funktionsverteilung 
wird bei dem System MODICON 32000 M der AEG folgendermaßen erreicht: Der 
Anwendungsprogrammierer spricht den gewünschten Server nicht über dessen 
Adressen, sondern über seinen Namen an. Falls bei der Leistungsvermittlung die 
zugehörige Adresse nicht bekannt ist, ruft der Client in der Eröffnungsphase der 
Kommunikationsbeziehung den Name-Server auf, der ihm - ähnlich der 
Location Transparency
Telefonauskunft - die Adresse des gesuchten Servers beschafft. Der Vorteil des 
Verfahrens ist evident. Es müssen nicht alle Diensterbringer mit ihren Adressen 
überall bekannt sein. Es genügt, wenn die Adresse des Name-Servers allgemein 
bekannt ist. Die so erreichte Transparenz bei der Adressermittlung vereinfacht 
auch eine Umkonfigurierung; beispielsweise ermöglicht sie bei Teilausfällen eine 
dynamische Umschaltung auf redundante Server.


Drehscheibe des Systems MODICON 32000 M

Die Kommunikations-Architektur mit ihrer Netzwerk-, Betriebssystem- und 
Ortstransparenz ist die zentrale Drehscheibe des Systems MODICON 32000 M.
Die Anforderungen an die  Funktionalität des Systems werden durch die 
Integration der Teilfunktionen der heterogenen Teilnehmer erreicht. 
Echtzeitfähigkeit steuert iRMX bereits in der Standardversion bei. Von AEG wurde 
es zudem um die Funktionen automatischer Betrieb, Redundanz und Restart 
erweitert. Die leichte Programmierbarkeit und die komfortable 
Entwicklungsumgebung ist durch UNIX gegeben. 
Die globalen Eigenschaften Offenheit, Erweiterbarkeit und Zukunftssicherheit 
ergeben sich aus dem Systemkonzept. Beispielsweise enthält ein kleines System 
mehrere Funktionen oder Server auf einer Prozessorkarte. Bei entsprechendem 
Bedarf wird eine weitere Prozessorkarte in das Chassis gesteckt. Die Funktionen 
lassen sich problemlos umverteilen. 
MODICON 32000 M
Weil die Teilfunktionen der verteilten Applikation definierte Schnittstellen - 
nämlich Messages am Multibus II - haben, lassen sie sich einfach ersetzen durch 
leistungsfähigere Prozessoren oder verbesserte Software, die nur diese 
Schnittstellen einzuhalten haben. Weiterhin beruht die Zukunftssicherheit auf 
dem durchgängigen Einsatz von Normen und Industriestandards. Standards nach 
außen von TCP/IP bis zur ISO/OSI-Kommunikation sind selbstverständlich. 
Standards nach innen sind insbesondere die Betriebssysteme iRMX DA und UNIX V, 
das Message Passing Protokoll, UNIX-Schnittstellen zur Kommunikation auch unter 
iRMX DA, einheitliche Schnittstellen für lokale und externe Kommunikation und 
die Ortstransparenz.
Für einen Teil der hier genannten Basisfunktionen der Leistungsvermittlung - 
insbesondere für den Remote Procedure Call - ist die Phase der internationalen 
Normung bei ISO/OSI noch nicht abgeschlossen. Hier mußte die AEG vorläufig 
eigene Wege beschreiten. Das System MODICON 32000 M lebt von der Offenheit für 
heterogene Teilnehmer und wird mit fortschreitender Normung diesen Anspruch 
immer aufrecht erhalten. Damit wird es mit den Erfordernissen des Anwenders 
mitwachsen und dessen Investitionen in die Zukunft schützen.





Der Autor:
Michael Heinz
Dipl.-Ing. Michael Heinz, (46) leitet die Abteilung für Kommunikationssoftware-
Entwicklung bei der ATM Computer GmbH, Konstanz. Er studierte Nachrichtentechnik 
an der Technischen Hochschule Darmstadt und kam 1969 als Entwicklungsingenieur 
zu AEG. Seine Schwerpunkte sind Betriebssysteme und Kommunikationssoftware. Er 
war unter anderem für die Softwareentwicklung des neuen Postdienstes CITYRUF 
zuständig.

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