Fachhochschule Köln University of Applied Sciences Cologne Abteilung Gummersbach Fachbereich Informatik. Diplomarbeit

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1 Fachhochschule Köln University of Applied Sciences Cologne Abteilung Gummersbach Fachbereich Informatik Diplomarbeit Konzeption und Realisierung eines Online-Praktikums sowie der Basis eines Internet-Portals für das TDI-Labor Frank Dopatka Rosenweg Reichshof-Buchen Tel.: / Fachrichtung: Technische Informatik Matr.-Nr.: Erstprüfer: Prof. Dipl.-Phys. Torsten C. E. Drescher Zweitprüfer: Prof. Dr. rer. nat. Holger Günther

2 Inhaltsverzeichnis Seite 1. Motivation, Problemstellung und Zielsetzung 4 2. Analyse der Infrastruktur Überblick über die Kommunikationswege Betrachtung eines zukünftigen lokalen Arbeitsplatzes Betrachtung des Web-Servers Betrachtung eines Frontend-PCs TCP/IP und das Echtzeitverhalten des Mikrorechners Definition der notwendigen Dienste Lösungsansätze Schwerpunkt Java-Technologie Entwicklung einer offenen Microsoft-basierten Lösung Vorstellung der verwendeten Programmiersprachen Microsoft Visual Basic Microsoft Visual C und Dynamic Link Libraries (DLLs) HTML und JavaScript über HTTP PHP und MySQL-Datenbankserver Beschreibung der Microsoft-basierten Lösung Nähere Betrachtung der realisierten Lösung Wartbarkeit des Systems Einordnung der Protokolle in das OSI-Referenzmodell Zeitdiagramme der Kommunikationsabläufe Format der Daten-, Steuer- und Melde-Datei Programmierung des Frontends Eingesetzte Steuerelemente von Visual Basic Auswertung der Ergebnisse und Erstellung von Modellen für das Praktikum Erstellung der serverseitigen Anwendungen Sicherheitsaspekte bei der Authentifizierung Beschreibung des Authentifizierungsvorgangs Einbindung der MySQL-Datenbank Auswahl eines Arbeitsplatzes 59

3 7. Programmierung des Software-Gateways für den Arbeitsplatz Eingesetzte Steuerelemente von Visual Basic Beschreibung des Interfaces von Visual Basic zur C++-DLL Grundlagen für das Internet-Portal Graphische Aufbereitung der Homepage Verwaltung der Benutzer und der lokalen Arbeitsplätze Realisierung der Aktuelles-Meldungen Ausblick Bereitstellung der Klausurergebnisse und der bestandenen Praktika Automatisierung der Benutzerverwaltung Chat room und Forum Schnittstellen zu Java Erhöhung der Sicherheit Einführung von Transaktionen Zusammenfassung Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis Anhang Installationsanleitungen Programme auf dem Web-Server Partitionierung der Festplatten Windows 2000 und Netzwerk-Einstellungen Web-Server Apache Datenbank-Server MySQL Max FTP-Server CesarFTP 0.99e Skript-Sprache PHP 4.05 und Einbindung der Homepage Installation des Software-Gateways auf dem Arbeitsplatz-PC Installation der Frontend-Software Verzeichnis- und Datei-Struktur der Homepage Formulare und Module des Software-Gateways Formulare und Module der Frontend-Software Erklärung 131

4 1. Motivation, Problemstellung und Zielsetzung Seite 4 1. Motivation, Problemstellung und Zielsetzung Das Labor für Technische Datenverarbeitung und Informationstechnik, im folgenden TDI-Labor genannt, bildet einen zentralen Bestandteil des Studiums der Technischen Informatik an der Fachhochschule Köln, Abteilung Gummersbach. Mit dem zentralen Bestandteil ist sowohl die Menge des Wissens, welches ein Student dort erhält, als auch die Menge an Zeit, die ein Student für die Aneignung dieses Wissens benötigt, gemeint. Ich als Student der Technischen Informatik habe dort im dritten Semester die Praktika des Faches Rechnerstrukturen, im vierten die des Faches Kommunikationstechnik und im sechsten und siebten Semester die des Faches Technische Datenverarbeitung absolviert. Die gestellten Aufgaben lassen sich unterteilen in Aufgaben der Digitaltechnik und der Mikrorechnertechnik. Es werden ähnliche Praktika in etwas geringerem Umfang für die Studenten der Allgemeinen Informatik und des Verbundstudienganges Wirtschaftsinformatik angeboten. Da nur wenige Praktikums-Plätze zur Verfügung stehen und die Einarbeitung in die Mikrorechnertechnik wesentlich mehr Zeit in Anspruch nimmt, als für das reine Praktikum vorgesehen ist, existiert seit längerem die Überlegung, Praktika von zu Hause aus über das Internet durchzuführen. Eine ähnliche Idee findet sich im Heim-Büro wieder, in dem Manager, Informatiker und Programmierer für einen Betrieb arbeiten und miteinander kommunizieren, ohne ihr Eigenheim verlassen zu müssen. Dies kann viel Fahrzeit sparen, einem berufsbedingten Wohnungswechsel entgegenwirken und ist bereits mit der heutigen Technik realisierbar. Als ersten Ansatz für ein solches Online-Praktikum im TDI-Labor ist die Diplomarbeit von Max Thelen mit dem Thema Erstellung einer exemplarischen Anwendung zur Nutzung von Mikrocontrollersystemen im Tele-Praktikum auf der Basis eines MC68332-Systems aus dem Jahre 2001 zu nennen, die auf Java-Technologie basiert und eine Anwendung auf Prototyp- Ebene hervorbrachte. Die Erstellung eines Online-Praktikums für eine Mikrorechner-Anwendung stellt eine besondere Herausforderung dar, weil dem Studenten Wissen über zeitkritische Vorgänge, für die Mikrorechner ja eingesetzt werden, vermittelt werden soll. Ein sinnvolles Online-Praktikum kann sich jedoch nur des Mediums Internet bedienen, das bekanntlich für eine zeitkritische Anwendung denkbar ungeeignet ist. Ziel dieser Diplomarbeit soll es sein, eine Lösung für diese Problematik anzubieten und umzusetzen. Es soll ein Online-Praktikum entwickelt werden, das für den Studenten leicht zu handhaben und für die Mitarbeiter des TDI-Labors auch bei größeren Studentenzahlen leicht zu administrieren ist. Ferner soll es sich natürlich um eine schnelle und robuste Anwendung handeln.

5 1. Motivation, Problemstellung und Zielsetzung Seite 5 Dabei wird ein Ansatz verfolgt, der sich zwar des gleichen Mediums bedient wie in der Diplomarbeit von Max Thelen vorgestellt, sich jedoch ansonsten stark von dem dort gewählten Ansatz unterscheidet. Aufgrund der hohen Komplexität des gewählten Ansatzes ist das Aufzeigen von Alternativen in den Hintergrund gerückt und wird lediglich im Kapitel 3.1. behandelt. Statt dessen soll die gewählte Lösung detailliert erläutert werden, was bei der Installation und Wartung der entwickelten Software von Nutzen ist. Als weiteren wichtigen Aspekt sind die in Kapitel 9 aufgezeigten Möglichkeiten zur Erweiterung dieser Lösung zu nennen, mit denen die bereits für das Online-Praktikum entwickelte Software zu einem komplexen Online-Portal ausgebaut werden kann. Ich hoffe, das Lesen dieser Arbeit bereitet Freude und weckt das Interesse für die Problematik sowie für die vorgeschlagene und umgesetzte Lösung.

6 2. Analyse der Infrastruktur Seite 6 2. Analyse der Infrastruktur Für die Entwicklung einer Lösung ist es zwingend erforderlich, die bereits vorhandene Infrastruktur unter den Aspekten der Hardware, der Software und der Kommunikationswege zu analysieren. Dabei ist es sinnvoll, die Möglichkeiten des bisher vorhandenen lokalen Systems zu berücksichtigen, da es in der kommenden Lösung angestrebt wird, diese ferngesteuert über das Internet zu nutzen. Eine durch die Lösung herbeigeführte Beschränkung der Möglichkeiten kann zur Folge haben, daß die erarbeitete Lösung für den Einsatz im Praktikum zumindest teilweise unbrauchbar wird Überblick über die Kommunikationswege Betrachtet man die Kommunikationswege, so stellt man fest, daß den Studenten momentan sechs voneinander unabhängige lokale Arbeitsplätze zur Verfügung stehen. Jeder Arbeitsplatz besteht aus einem Host-Target-System. Der Host besteht aus einem PC der Pentium II-Klasse mit dem Betriebssystem Microsoft Windows NT 4.0 und einer von mir im Rahmen eines Wahlpflichtprojektes entwickelten Assembler-Shell. Das Target, MOSES genannt, wurde im TDI-Labor entwickelt und basiert auf einem 65C02-Mikroprozessor mit dem Betriebssystem BLOS. Die Kommunikation mit der Assembler-Shell erfolgt über eine RS-232C-Schnittstelle mittels eines seriellen Kabels nach V.24/V.28. Über diesen Weg kann der Student seine assemblierten Daten auf das Target transferieren. Ferner ist es auf diese Weise möglich, einen Teil des Speichers vom Target auszulesen. Im laufenden Betrieb kann das Target außerdem über das Unterprogramm DSchreib ein Datum aus dem Akku an den Host senden. Der Anwender, der im folgenden auch als Teil der Kommunikation gesehen wird, ist in der Lage, in eingeschränktem Maße direkt mit dem Target zu interagieren. Über die in Abb.1 dargestellten linken drei Schalter werden die Parameter für die serielle Kommunikation festgelegt, über die vier daneben angeordneten Schalter kann eine sedezimale Zahl von 0 bis F kodiert werden, welche durch den Betriebssystemaufruf DigEin vom Target ausgelesen werden kann. Von Bedeutung ist weiterhin der Taster NMI, mit dem ein nicht maskierbarer Interrupt ausgelöst wird, sowie der Taster Reset, mit welchem das Betriebssystem des Mikrorechners zurückgesetzt wird.

7 2. Analyse der Infrastruktur Seite 7 Über die BLOS-Anzeige teilt das Betriebssystem BLOS des Mikrorechners dem Benutzer seinen aktuellen Zustand mit, während die zweite 7-Segment-Anzeige, die Anwender- Anzeige, durch den Betriebssystemaufruf DigAus vom Benutzer beeinflußt werden kann. Abb.1: Frontblende des jetzigen Targets auf der Basis des 65C02 An das Target können Modelle angeschlossen werden, die im Praktikum zu programmieren sind, beispielsweise ein Lauflicht, s. Abb. 2, oder eine Eisenbahn-Kreuzung, wie in Abb. 3 dargestellt. Diese Modelle verfügen teilweise über mechanische Eingaben, wie Schalter, Taster, oder Drehschalter sowie über Ausgaben, beispielsweise Leuchtdioden. Abb.2: Modell eines Lauflichtes Gut zu erkennen sind in der Abb. 2 die vier Eingänge des Modells, mit dem die LEDs über den PIAT (Peripheral Interface Adapter with Timer) des Targets angesprochen werden, sowie die vier negierten Ausgänge, mit denen die momentane Stellung des Drehschalters ausgelesen werden kann.

8 2. Analyse der Infrastruktur Seite 8 Abb.3: Modell einer Eisenbahn-Kreuzung Auch bei dem Modell in Abb. 3 existieren vier Eingänge, L 1 bis L 4, diesmal zum Steuern der Eisenbahn-Signale, und vier Ausgänge, K 1 bis K 4, zur Simulation von vorbeifahrenden Zügen. Die Verbindung zum Target wird über die PIAT-Schnittstelle realisiert, von der meist nur der Port A belegt wird, sowie über eine Portbox zwischen dem Target und dem Modell. Der Port verfügt über ein Datentor, über das bis zu acht Bits eingelesen bzw. ausgegeben werden können. Die Richtung der Bits kann frei programmiert werden. Zusätzlich existieren zwei Steuerleitungen C1 und C2, wobei C1 stets als Eingang verwendet wird und C2 wahlweise als Eingang oder als Ausgang des Mikrorechners programmiert werden kann. Diese Leitungen können, vom Target gesehen als Eingang definiert, Unterbrechungs- Anforderungen, sogenannte IRQs, an den Mikrorechner weiterleiten. Schließlich existiert noch ein CNTR-Anschluß, der für spezielle Funktionen des Zeitgebers verwendet wird. In den Praktika des Faches Kommunikationstechnik werden die PIAT-Schnittstellen zweier Mikrorechner miteinander verbunden mit dem Ziel, ein Protokoll auf Hardware-Ebene zu realisieren. Dabei sendet ein Mikrorechner eine Byte-Folge zu dem zweiten Mikrorechner, dieser bearbeitet diese Byte-Folge und sendet das Ergebnis zurück.

9 2. Analyse der Infrastruktur Seite 9 Ziel ist es nun, die Funktionalität des lokalen Arbeitsplatzes über das Internet nach außen zu führen. Die Basis dafür ist auf dem Host-PC bereits vorhanden. Er verfügt über eine 10MBit-Ethernet-Karte. Alle Host-PCs sind Bestandteil des internen TDI-Netzwerkes und verfügen über öffentliche IP-Adressen vom Typ x. Der Web-Server des TDI-Labors ist ebenfalls Teil dieses Netzes mit der IP-Adresse Nur diese Adresse ist nach außen unter dem Domain-Namen sichtbar. Die anderen Adressen werden durch den Router oder durch die Firewall der Fachhochschule vom Internet abgeschnitten. Zukünftig ist es auch denkbar, daß diese Adressen durch ein privates Netzwerk, z. B. vom Typ 10.x.y.z, welches vom Internet nicht geroutet wird, ersetzt werden. Der Web-Server muß dazu zwei Netzwerkkarten besitzen, eine mit der öffentlichen Adresse sowie eine mit der privaten Adresse im 10er-Adressraum. Erfolgt eine Kommunikation von außen in das private Netz, so hat der Web-Server die Aufgabe eines Routers. Es ist in der zu entwickelnden Lösung anzustreben, daß die Kommunikation vom Internet aus zu den Arbeitsplätzen ausschließlich zentral über den Web-Server zu erfolgen hat. Dies kann erreicht werden, indem die Arbeitsplätze nur Kommandos von der IP-Adresse des Web-Servers entgegennehmen, sodaß auch bei einem Ausfall des Routers bzw. der Firewall der Fachhochschule immer noch ein gewisser Schutz besteht. Außerdem soll die Lösung so flexibel sein, daß sie sowohl auf der bisherigen Infrastruktur, als auch auf eine Infrastruktur mit einem privaten Netzwerk aufsetzen kann. Ein wichtiger Aspekt ist noch bezüglich des Web-Servers und seiner Kommunikation mit dem Internet zu erwähnen. Es ist geplant, daß nur noch die Protokolle HTTP über den TCP- Port 80 und FTP über den TCP-Port 21 zugelassen werden. Während bei einer HTTP- Kommunikation der besagte Port 80 einfach bidirektional geöffnet ist, muß man bei FTP zwischen zwei Modi unterscheiden. Der Port 21 wird immer verwendet und dient dem Austausch von FTP-Kommandos wie GET zum Senden einer Datei zum FTP-Client und PUT zum Senden einer Datei zum FTP-Server. Die Dateien selbst werden jedoch über einen Daten-Kanal transferiert, wozu ein weiterer Socket notwendig ist. Beim traditionellen aktiven FTP wird diese Portnummer vom Client bestimmt und an den Server übertragen. Dieser öffnet dann einen Kanal zu dem Port, dessen Nummer größer ist als 1024; der Port liegt also außerhalb der in der RFC genormten Ports. 1 s. Reynolds, J.; Postel, J.; October 1994; <http://www.cis.ohio-state.edu/cgi-bin/rfc/rfc1700.html> ( ), Seite 16 bis 39; oder als Kurzform unter <http://www.telekrue.de/body_well_known_ports.html> ( )

10 2. Analyse der Infrastruktur Seite 10 Problematisch wird es, wenn zwischen dem Server und dem Client ein statischer Paketfilter oder ein Router installiert ist, der die Ports über 1024 grundsätzlich sperrt. Der Daten-Kanal kann dann nicht etabliert werden. Andererseits ist ein Paketfilter unsinnig, der alle Ports über 1024 öffnet, da dies keine sinnvolle Filterung mehr bedeutet. Beim neueren und leider weniger verbreiteten passiven FTP wählt der FTP-Server den serverseitigen Daten-Port, teilt dies dem Client mit und dieser öffnet den Kanal. Somit kann die FTP-Daten-Kommunikation mit dem Paketfilter abgestimmt werden, der weiterhin - fast - alle Ports geschlossen hält und dennoch eine FTP-Verbindung ermöglicht. Hochwertige Firewalls hingegen sind in der Lage, den Wunsch zum Aufbau einer passiven FTP-Verbindung zu erkennen und den angeforderten Server-Port des Clients dynamisch freizuschalten. Befindet sich also zwischen dem TDI-Server und dem Internet eine solche hochwertige Firewall, ist das FTP-Problem automatisch gelöst. Über das Internet soll der Student in der Lage sein, den neuen Mikrorechner von zu Hause aus zu steuern. Dabei ist noch zu beachten, daß die Art der Verbindung des Studenten-PCs mit dem Internet durchaus unterschiedlich sein kann. Während der TDI-Server über die 2MBit-Standleitung der Fachhochschule Gummersbach an das Internet angebunden ist, kann der Student über die gleiche Standleitung eine Verbindung aufnehmen, sofern er im angeschlossenen Studentenwohnheim wohnt, oder über einen DSL-Kanal, über ISDN oder über ein analoges Modem. Damit wird ausgedrückt, daß die Datentransferrate vom TDI- Server mit dem PC des Studenten ausgesprochen unterschiedlich ist und nicht näher bestimmt werden kann. Zum Abschluß dieses Kapitels werden in der Abb. 4 alle Kommunikationswege zusammenhängend dargestellt. Web-Server lokale Arbeitsplätze im TDI-Labor Mikrorechner HTTP und FTP Firewall Internet PC des Studenten Abb.4: Kommunikationswege im TDI-Labor mit der Anbindung an das Internet

11 2. Analyse der Infrastruktur Seite Betrachtung eines zukünftigen lokalen Arbeitsplatzes Während in 2.1. der Ist-Zustand eines lokalen Arbeitsplatzes dargelegt wurde, soll nun der Blick auf den neuen, fernbedienbaren Arbeitsplatz gerichtet werden. lokaler Arbeitsplatz X Software-Gateway Ethernet-Karte TCP/IP-Socket-Verbindung Digital-I/O RS 232-C RS 232-C Digital-I/O Mikrorechner X Abb.5: Konfigurationsplan eines Arbeitsplatzes für das Online-Praktikum Der Host-PC der Pentium II-Klasse mit dem Betriebssystem Microsoft Windows NT 4.0 bleibt bestehen. Über dessen Ethernet-Karte ist der PC mit dem Intranet verbunden, die RS232-C-Schnittstelle wird auch weiterhin für die Kommunikation mit dem Mikrorechner verwendet. Zusätzlich wird eine Kommunikation über eine Digital-I/O-Karte notwendig sein. Der Grund dafür liegt darin, daß z.b. ein Hardware-Reset über das Internet realisiert werden soll, wodurch der Mikrorechner unter Umständen ausgeschaltet und nach einigen Sekunden wieder eingeschaltet werden soll. Das Senden eines solchen Reset-Kommandos über die RS-232-C-Schnittstelle ist dann problematisch, wenn das Betriebssystem des Mikrorechners abgestürzt ist. Das Kommando wird nicht mehr interpretiert und die Arbeitsstation ist für das Online-Praktikum nicht mehr verwendbar. Die Digital-I/O-Karte soll ferner dazu verwendet werden, die Eingaben und Ausgaben des Mikrorechners aufzuzeichnen. Diese Daten werden anschließend als Resultate des Praktikums über die TCP/IP-Socket-Verbindung bis zu dem Frontend-PC gesendet. Als Digital-I/O-Karte ist zunächst die ME300 von Meilhaus vorgesehen. Mitgeliefert wird unter anderem eine dynamische (DLL) und eine statische (LIB) Funktionsbibliothek zur Einbindung in Applikationen der Programmiersprachen Visual C++

12 2. Analyse der Infrastruktur Seite 12 und Visual Basic unter Microsoft Windows 2. Der Einsatz dieser Karte steht jedoch noch nicht endgültig fest. Auch die Frage, ob weiterhin Modelle an den Mikrorechner angeschlossen werden oder ob diese Modelle in Zukunft am Host-PC simuliert werden, ist noch offen. Des weiteren ist es wünschenswert, daß ein solcher Arbeitsplatz neben dem Online-Praktikum auch in Zukunft lokal verwendet werden kann. Als neuer Mikrorechner wird der auf dem Motorola basierende NF300 eingesetzt, welcher an der Fachhochschule Nürnberg entwickelt wurde. Es stehen bereits acht NF300 zusammen mit den dazugehörigen Eval-Boards zur Verfügung. Die Eval-Boards haben den Zweck einer Entwicklungsplattform auf der Basis des und beinhalten eine Vielzahl von Schnittstellen, unter anderem eine BDM- (Background Debug Mode) und eine RS-232-C- Schnittstelle sowie TPU-Kanäle 3. Es ist also eine Art von Software-Gateway zu erstellen, welches die Kommunikation zwischen dem Ethernet-Interface und dem Mikrorechner steuert. Da die Inbetriebnahme des Mikrorechners und dessen Kommunikation mit dem Host-PC nicht Gegenstand dieser Diplomarbeit ist, sondern in einer zukünftigen Arbeit von Frau Monika Strack realisiert werden soll, kann das Gateway in dieser Diplomarbeit nicht bis auf die Hardware-Ebene realisiert werden. Statt dessen wird ein Interface 4 innerhalb des Gateways definiert, welches Dienstanforderungen, die über den Socket-Kanal eintreffen, aus den oberen Schichten an den Mikrorechner weiterleiten soll. Die Antworten des Mikrorechners werden über das Software-Interface und über das Gateway an den Socket-Kanal weitergegeben. 2 weitere Informationen zu dieser Karte finden Sie unter <http://www.meilhaus.de/download/me-boards/me300.htm> ( ) 3 zusätzliche Informationen über den Mikrorechner finden Sie unter <http://www.elektronik.vhf.de/nf300/nf300.html> ( ) 4 vgl. Kapitel 7. 3.

13 2. Analyse der Infrastruktur Seite Betrachtung des Web-Servers Während die Hardware-Komponenten des Web-Servers bereits vorhanden sind, wird die Software erst im Verlauf dieser Diplomarbeit auf dem Web-Server installiert. Die Aufgabe des Servers liegt in der Präsentation der Homepage des TDI-Labors in Verbindung mit der Realisierung des Online-Praktikums. Zusätzlich soll er zur Datensicherung der Mitarbeiter des Labors verwendet werden. Es handelt sich um einen PC mit Intel Pentium 4 Prozessor und 768MB RAM. Die Festplatten bestehen aus einem SCSI-RAID-Verbund und liefern eine Speicherkapazität von jeweils 35 GB. Ausgestattet wird der Web-Server mit zwei 3Com-Netzwerkkarten, wobei eine für die Anbindung an das Internet verwendet wird, während die andere Netzwerkkarte mit den internen Arbeitsplatz-PCs verbunden ist. Diese Hardware-Ausstattung sollte für die Realisierung der Aufgaben mehr als ausreichend sein. Software-Gateway Datenbank Web-Server HTTP und FTP Ethernet-Karte(n) TCP/IP-Socket-Verbindung Ethernet-Verbindung in das Internet Ethernet-Verbindung zu den Arbeitsplätzen Abb.6: Konfigurationsplan des Web-Servers Als Betriebssystem kommt die Server-Version von Microsoft Windows 2000 zum Einsatz, als Web-Server wird aufgrund seiner besonderen Stabilität der Apache verwendet. Die eingesetzte Datenbank wird durch die Wahl des in Kapitel 3 diskutierten Lösungsansatzes bestimmt. Zu erstellen ist ein weiteres Software-Gateway, welches Zugriffe vom Internet aus zu den Arbeitsplätzen über eine Benutzer-Verwaltung steuert. Dabei muß gewährleistet werden, daß nur über genau einem Internet-PC ein Arbeitsplatz bedient werden kann. 5 Informationen und Download des Web-Servers unter <http://www.apache.org> ( )

14 2. Analyse der Infrastruktur Seite Betrachtung eines Frontend-PCs Zu dem Frontend-PC ist nicht viel zu sagen. Der Student muß über eine Internet-Anbindung verfügen, die entweder über eine Ethernet-Verbindung einer Standleitung bzw. eines DSL- Kanals, oder über eine ISDN- bzw. über eine analoge Leitung realisiert wird. Die Geschwindigkeit kann daher, wie in 2.1. erwähnt, nicht abgeschätzt werden. Über das Internet kann der Student via HTTP und FTP mit dem Web-Server des TDI-Labors kommunizieren. Aussagen über das Betriebssystem und die CPU-Leistung des Frontend- PCs können nicht getroffen werden, jedoch kann man sagen, daß die CPU zumindest vom Typ eines Intel Pentium I sein sollte. Die Anforderungen an die Hardware sollte von der Frontend-Software nicht unnötig erhöht werden. Die Softwareseite ist abhängig von dem Lösungsansatz, der in 3. gewählt wird. Verwendet man Java-Applets, so muß keine weitere Software installiert werden, da das Praktikum über den bereits installierten Internet-Browser absolviert wird. Bei einer Java-Applikation oder einer separaten Frontend-Lösung ist es in jedem Fall notwendig, neue Software auf den Frontend-PC zu installieren. HTTP und FTP Ethernet-Karte / ISDN-Karte / Modem PC des Studenten Es stellt sich die Frage, wie das Verhalten von TCP/IP bezüglich der Echtzeit- Anforderungen des Mikrorechners in Einklang gebracht werden kann. Das Ethernet, auf dem das TCP/IP-Protokoll ausgeführt wird, basiert auf dem CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection)-Verfahren. Demnach werden Kollisionen beim Datentransfer erkannt, eine Weile abgewartet und dann das Daten-Paket nochmals abgeschickt. Daher Frontend- Software Abb.7: Konfigurationsplan eines Frontend-PCs TCP/IP und das Echtzeitverhalten des Mikrorechners

15 2. Analyse der Infrastruktur Seite 15 kann nicht mit Sicherheit gesagt werden, zu welchem maximalen Zeitpunkt ein Daten- Transfer vollständig abgeschlossen ist. Abb.8: CSMA/CD-Verfahren 6 Mit dem Ethernet steht also ein Kommunikations-Medium zur Verfügung, das für Echtzeit- Anwendungen nicht geeignet ist. Aus diesem Grunde wird auf ein Verfahren zurückgegriffen, daß ich aus dem Digitaltechnik-Praktikum bei der Verwendung der Hardware- Beschreibungssprache VHDL (VHSIC Description Language) kennengelernt habe. Dort kann das Verhalten von digitalen Schaltungen auf einem PC simuliert werden. Da die Laufzeitverzögerungen von Gattern im ns-bereich liegen, kann ein PC das Verhalten eines Gatters nicht in Echtzeit simulieren. Die Ursache dafür ist, daß das VHDL-Programm auf einer Windows-Plattform eingesetzt wird, wodurch bestenfalls Reaktionszeiten im ms- Bereich erfaßt werden können. Die tatsächliche Reaktionszeit ist natürlich noch abhängig von der CPU-Leistung und den nebenläufigen Anwendungen auf der Multitasking-Plattform. Deterministische Aussagen sind also auch hier nicht möglich. Um dieses Problem zu umgehen, wurde in VHDL die d -Zeit eingeführt, die im fs-bereich liegt. Bevor die Simulation einen d -Schritt fortschreitet, wird quasi eine Moment-Aufnahme der Schaltung generiert, was selbstverständlich länger als einige Femto-Sekunden dauert. Man erhält jedoch einen Signal-Plan, welcher das Verhalten der Schaltung darlegt, und zwar mit einer Abtastrate im fs-bereich. Diese Auflösung ist für die Simulation von Schaltungen zumeist ausreichend. Die Dauer der gesamten Simulation ist einstellbar. Diese Idee kann nun für die Lösung des Kommunikations-Problems des Mikrorechners über das Medium Internet genutzt werden. Die Digital-I/O-Karte im PC kann Momentaufnahmen der Ein- und Ausgänge des Mikrorechners erfassen und als Datei zunächst auf dem Arbeitsplatz-PC speichern. Die d -Zeit und damit die Abtast-Rate wird 6 Dumke, Reiner; Winkler, Achim; Vorlesungsskript Rechnernetze; Universität Magdeburg; 2000; S. 69

16 2. Analyse der Infrastruktur Seite 16 festgelegt durch die Schnelligkeit der Digital-I/O-Karte. Bei einer genügend schnellen Karte kann somit eine Echtzeit-ähnliche Aufzeichnung des Programmablaufs stattfinden, welche den notwendigen Anforderungen für das Online-Praktikum gerecht werden sollte. Die Aufzeichnung findet über einen gewissen Zeitraum statt, welcher der Simulations-Zeit in VHDL entspricht. Im Anschluß daran kann die Datei über den Web-Server von dem Frontend-PC abgeholt und ausgewertet werden. Diese Datei wird im Folgenden als Melde- Datei 7 bezeichnet Definition der notwendigen Dienste Zur Definition der notwendigen Dienste auf dem Frontend-PC werden zunächst die Dienste betrachtet, welche auch die heutige MOSES-Software anbietet. Dies sind in der Assembler- Shell für Windows die Dienste:? Assemblieren Dieser Dienst wird nicht in die Frontend-Software eingebunden, da der verwendete Assembler noch nicht feststeht. Für den Motorola existieren eine Vielzahl von kostenlos erhältlichen Assemblern. Welcher von ihnen letztendlich eingesetzt wird, oder ob für den Studenten sogar eine Wahlmöglichkeit besteht, wird erst durch die Diplomarbeit von Frau Strack bestimmt. Ein solcher kostenloser Assembler muß zusätzlich zu der Frontend-Software als separates Programm installiert werden.? Herunterladen Ein Assembler erzeugt aus dem Klartext-Quellcode einen Binärcode in einer Datei, welche aus der Sicht des Frontend-PCs zu dem Target hochgeladen wird. In der zu erstellenden Lösung muß also ein Dienst implementiert werden, welcher die Binärcode-Datei, im Folgenden als Daten-Datei bezeichnet, vom Frontend-PC über den zentralen Web-Server und über den Host-PC des gewählten Arbeitsplatzes zum Mikrorechner transportiert.? Programm starten und ggf. Antwort des Mikrorechners interpretieren Der explizite Befehl zum Programmstart ist auch in der zu entwickelnden Lösung notwendig. Im Online-Praktikum wird im Unterschied zum heutigen lokalen Arbeitsplatz auf jeden Fall eine Antwort des Mikrorechners erfolgen. Dies ist notwendig, da die letztendliche Ausführung des Start-Kommandos vom Benutzer des Frontend-PCs ansonsten nicht wahrgenommen werden kann. Der Online-Benutzer sitzt ja nicht mehr lokal vor dem Arbeitsplatz.? Speicher auslesen 7 der Inhalt der Datei ist kommunikationstechnisch äquivalent mit der Definition von Melde-Leitungen; s. Drescher, Prof. Dipl.-Phys. T.; Skript Kommunikationstechnik; FH Köln, Abt. Gummersbach; 2000;Kapitel 3, S. NOS-20ff.

17 2. Analyse der Infrastruktur Seite 17 Die Assembler-Shell in Verbindung mit dem MOSES-Target bietet die Möglichkeit, nach Beendigung des Programms einen Teil des Target-Speichers auszulesen. Dieser Dienst wird im Online-Praktikum nicht mehr separat verfügbar sein. Statt dessen soll die Möglichkeit bestehen, auch während der Programm-Ausführung einen Speicher-Bereich auszulesen. Dadurch können Abbilder einzelner Bereiche zu unterschiedlichen Zeiten erfaßt werden. Dies hilft sowohl der Fehlersuche, als auch dem Verständnis für die Vorgänge in einem Mikrorechner. Der Dienst des Auslesens eines Speicher-Bereiches soll also in einer neuen Form existieren. Das Auslesen eines Speicher-Bereiches zu einer gewissen Zeit stellt für das Online- Praktikum ein Problem dar. Der Benutzer des Frontend-PCs muß nun vor dem Start seines Programms in der Lage sein zu definieren, zu welchem Zeitpunkt welcher Speicher-Bereich ausgelesen wird. Unabhängig davon kann der Benutzer auch an dem heutigen, lokalen Arbeitsplatz während des laufenden Programms mit dem Mikrorechner interagieren. Er kann unter anderem jederzeit eine sedezimale Zahl von 0 bis F kodieren und mit DigEin in sein Programm einlesen oder nach einer beliebigen Zeit einen NMI auslösen 8. Das soll natürlich auch im Online-Praktikum umgesetzt werden. Zu diesem Zweck muß der Benutzer zusätzlich zu der Daten-Datei eine Steuer-Datei 9 zum Target hochladen, in der unter anderem die Zeiten festgelegt werden, in welchen bestimmte Speicher-Bereiche ausgelesen werden sollen, eine Zahl kodiert oder ein NMI ausgelöst wird. Auch die Ausführungszeit des Programms kann in dieser Datei festgelegt werden. Neben der Realisierung der heutigen lokalen Dienste erfordert die Problematik des Online- Praktikums also die Definition von neuen Diensten. Diese Dienste werden im Folgenden erläutert:? Steuer-Datei hochladen Die Steuer-Datei kann in jedem Editor erstellt werden und wird in diesem Dienst bis zum Host-PC transferiert und dort interpretiert. Während das Programm auf dem Mikrorechner abgearbeitet wird, führt der Teil des Software-Gateways, welcher für die Kommunikation mit dem Mikrorechner zuständig ist, die Kommandos der Steuer- Datei aus.? Reset Dieser Dienst setzt den Mikrorechner in einen definierten Startzustand zurück. Dies geschieht auch dann, wenn der Mikrorechner aufgrund einer programmierten Endlosschleife nicht mehr reagiert. 8 vgl. Kapitel der Inhalt der Datei ist kommunikationstechnisch äquivalent mit der Definition von Steuer-Leitungen; s. Drescher, Prof. Dipl.-Phys. T.; Skript Kommunikationstechnik; FH Köln, Abt. Gummersbach; 2000; Kapitel 3, S. NOS-20ff.

18 2. Analyse der Infrastruktur Seite 18? Ping Der Ping-Dienst ist vergleichbar mit dem Ping-Kommando das ICMP-Protokolls. Dabei wird das Ping-Kommando über den zentralen Web-Server und die angewählte Arbeitsstation bis zum Mikrorechner gesendet. Dieser antwortet dem Host-PC. Das Software-Gateway leitet die Antwort an den zentralen Web-Server bis zum Frontend- PC weiter. Durch ein erfolgreiches Ping kann festgestellt werden, daß die Kommunikation bis zum Mikrorechner bidirektional funktioniert und der Mikrorechner einsatzbereit ist.? Melde-Datei herunterladen Während das Programm auf dem Target abgearbeitet wird, protokolliert der Host-PC alle Eingaben und Ausgaben des Targets in einer Melde-Datei 10. Nach Beendigung des Programms transferiert das Software-Gateway die Melde-Datei automatisch zu dem zentralen Web-Server. Mit diesem Dienst wird nun diese Melde-Datei auf den Frontend-PC übertragen. Nach Abschluß des Online-Praktikums befindet sich also die Melde-Datei auf dem Frontend-PC, die offline ausgewertet werden kann. Außerdem muß sich der Benutzer vor dem Online-Praktikum erst einmal mit dem zentralen Web-Server verbinden und nach dem Praktikum die Verbindung wieder trennen. Für diese Zwecke ist eine dritte Gruppe von Diensten zuständig.? verbinden Verbindet die Frontend-Software mit dem Login-Bildschirm des TDI-Labors. Nach dem Login kann über ein Menü das Online-Praktikum angewählt werden. Nach der Auswahl einer Arbeitsstation stehen die Online-Dienste zur Verfügung? trennen Gibt eine evtl. belegte Arbeitsstation wieder frei und führt den Logout-Prozeß auf dem Web-Server durch. Im Anschluß daran kann eine analoge Verbindung oder eine ISDN-Verbindung in das Internet beendet werden.? Melde-Datei ansehen Stellt die Signale einer heruntergeladenen Melde-Datei dar. Dies kann in einer VHDLähnlichen Darstellung geschehen. 10 vgl. Kapitel 2.5.

19 2. Analyse der Infrastruktur Seite 19 Abb.9: Signal-Darstellung des VHDL Simulators 11? Melde-Datei anwenden Da es für den Anwender umständlich ist, die Signale einzeln auszuwerten, werden die in Abb. 2 und Abb. 3 dargestellten Modelle als Simulations-Module in die Frontend-Software integriert. Wendet man die Melde-Datei auf eines dieser Modelle an, so wird das Verhalten des Mikrorechners an diesem Modell simuliert, sofern die Eingaben und Ausgaben der Melde-Datei mit den Ausgaben und Eingaben des Modells übereinstimmen. Durch die softwaremäßige Abtastung der Einträge in der Melde-Datei wird sich beispielsweise das Software-Modul Lauflicht im Rahmen der möglichen d -Zeit 12 genauso verhalten wie das an dem Mikrorechner angeschlossene Lauflicht-Modell. 11 Screenshot aus dem Programm Accolade PeakVHDL 5.11a Demonstration Edition 12 vgl. Kapitel 2.5.

20 3. Lösungsansätze Seite Lösungsansätze Schwerpunkt Java-Technologie Bevor ein Java-basierter Lösungsansatz diskutiert wird, sollen zunächst einmal die besonderen Eigenschaften von Java festgehalten werden. Im Anschluß daran wird der Ansatz von Max Thelen 13 kurz skizziert und die Möglichkeiten zur Verbesserung dieses Ansatzes diskutiert. Java orientiert sich an der C++-Syntax, wurde jedoch völlig neu entwickelt. Als Neuerung ist auf die traditionelle prozedurale Programmierung verzichtet worden. Es kann ausschließlich streng objektorientiert programmiert werden, wobei das Klassen-Konzept mit Vererbung vollständig umgesetzt wurde. Auch der Zugriff auf die Hardware-Ebene, wie auf die RS232-C-Schnittstelle eines PCs, wird durch Klassen realisiert. Durch die Kompilierung des Quelltextes wird ein plattformunabhängiger Byte-Code erzeugt, der durch den jeweiligen maschinenspezifischen Interpreter ausgeführt wird. Durch die Notwendigkeit eines Interpreters besitzt Java einen Performance-Nachteil gegenüber kompilierten Binär-Dateien. Abb.10: Plattformunabhängiger Quelltext 14 Es können grundsätzlich drei verschiedene Java-Ansätze verfolgt werden, nämlich die der Applet-, Servlet- und Applikations-Programmierung. Java-Applets werden in herkömmlichen HTML-Code eingebunden und werden zusammen mit der angeforderten HTML-Datei übertragen 15. Applets werden also clientseitig ausgeführt. Im Gegensatz dazu arbeiten Servlets auf dem Web-Server und realisieren unter anderem die Anbindung von Datenbanken an das Internet. Bei Java-Applikationen handelt es sich um vollständige Anwendungen, welche 13 s. Thelen, Max; Erstellung einer exemplarischen Anwendung zur Nutzung von Mikrocontrollersystemen im Tele-Praktikum auf der Basis eines MC68332-Systems; Diplomarbeit an der FH-Köln, Abt. Gummersbach; Lemay, Laura; Cadenhead Rogers; Java 1.2 programmieren in 21 Tagen; Markt & Technik Verlag; 1998; ISBN ; S vgl. Kapitel

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