Systemprogrammierung

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1 Systemprogrammierung Betriebsarten: Postskriptum Wolfgang Schröder-Preikschat Lehrstuhl Informatik 4 c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 1 / 24

2 B VII Postskriptum Gliederung 1 Netzbetrieb 1 Netzbetrieb Offene Systeme Verteiltes System Rechnernetze 2 Integrationsbetrieb Eingebettete Systeme Drahtlose Sensornetze 3 Zusammenfassung c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 2 / 24

3 B VII Postskriptum 1 Netzbetrieb 1.1 Offene Systeme Systeme mit offenen Schnittstellen und Spezifikationen Programme bekommen Zugriff auf Betriebsmittel eines Rechnerverbunds das Netzwerk ist in verschiedener Weise transparent Netzwerktransparenz (Zugriffs- und Ortstransparenz) Replikations-, Migrations-, Fehler-, Ausfall-, Leistungs-, Skalierungs-, Nebenläufigkeits-,..., X-transparenz ferne Betriebsmittel werden über lokale Repräsentanten virtualisiert Programmverarbeitung geschieht (ein Stück weit) verteilt verteilte Kompilierung, verteiltes make(1), ftp(1), rsh(1) Betriebssystemkerne enthalten Kommunikationsprotokolle (TCP/IP) Problem Heterogenität, netzwerkzentrische Betriebsmittelverwaltung c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 3 / 24

4 B VII Postskriptum 1 Netzbetrieb 1.1 Offene Systeme Prozessgrenzen überwindende Unterprogrammaufrufe Prozedurfernaufruf (engl. remote procedure call [5], RPC) liefert die Illusion des lokalen Zugriffs auf entfernte Prozeduren Stümpfe (engl. stubs) virtualisieren Aufgerufenen/Aufrufer a a Die Art eines Stumpfes bezeichnet seine Lage, nicht wovon er abstrahiert! beim Aufrufer (Klient): repräsentiert Aufgerufenen (Anbieter) Klientenstumpf (engl. client stub) beim Aufgerufenen (Anbieter): repräsentiert Aufrufer (Klient) Anbieterstumpf (engl. server stub) Klient/Anbieter verschiedene Fäden, Adressräume und/oder Rechner Interprozesskommunikation (engl. inter-process communication, IPC) Problem Parameterübergabe, Serialisierung von Datenstrukturen, Fehlermodell c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 4 / 24

5 B VII Postskriptum 1 Netzbetrieb 1.1 Offene Systeme Fernaufrufe mittels Stellvertreterfunktionen thread Anrufer(in) 3 Anforderungsnachricht empfangen 4 Eingabewerte auspacken 5 Funktion aufrufen 6 Ausgabewerte einpacken 7 Anforderungsnachricht beantworten call Kommunikationssystem thread send Klientenstumpf 1 Eingabewerte einpacken 2 Anforderungsnachricht versenden 8 Antwortnachricht entgegennehmen 9 Ausgabewerte auspacken 10 Funktionsrückkehr receive reply Anbieterstumpf call Angerufene(r) c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 5 / 24

6 B VII Postskriptum 1 Netzbetrieb 1.2 Verteiltes System Systeme von interagierenden Prozessen (Prozessoren) A distributed computing system consists of multiple autonomous processors that do not share primary memory, but cooperate by sending messages over a communication network. [1] A collection of independent computers that appears to its users as a single coherent system. [7] A distributed system is one in which the failure of a computer you didn t even know existed can render your own computer unusable. [4] c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 6 / 24

7 B VII Postskriptum 1 Netzbetrieb 1.2 Verteiltes System Verteilung wird (funktional) nicht wahrgenommen Verteiltes Betriebssystem... [6] A distributed operating system is one that looks to its users like an ordinary centralized operating system but runs on multiple, independent central processing units (CPUs). The key concept here is transparency. In other words, the use of multiple processors should be invisible (transparent) to the users. Another way of expressing the same idea is to say that the user views the system as a virtual uniprocessor, not as a collection of distinct machines. c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 7 / 24

8 B VII Postskriptum 1 Netzbetrieb 1.2 Verteiltes System Diensteschicht (engl. middleware) Als einzelnes System präsentierter Zusammenschluss vernetzter Rechner verteiltes System verteilte Programme Middleware Fernaufrufsystem Solaris Windows XP Linux Darwin sparc i686 StrongARM PowerPC Netz c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 8 / 24

9 B VII Postskriptum 1 Netzbetrieb 1.2 Verteiltes System Verteiltes Betriebssystem Virtualisierung aller im Rechnerverbund verfügbaren Betriebsmittel verteiltes System verteilte Programme verteiltes Betriebssystem Fernaufrufsystem µkern µkern µkern µkern sparc i686 StrongARM PowerPC Netz c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 9 / 24

10 B VII Postskriptum 1 Netzbetrieb 1.3 Rechnernetze Klassifikation nach Abdeckungsbereiche LAN (engl. local area network) typisch für die Vernetzung von Arbeitsplatzrechnern meist ein homogenes System: dieselben Rechner/Betriebssysteme MAN (engl. metropolitain area network) typisch für die Vernetzung von Großrechnern und LANs heterogenes System: verschiedene Rechner/Betriebssysteme WAN (engl. wide area network) typisch für die Vernetzung von LANs und WANs: Internet heterogenes System: verschiedene Rechner/Betriebssysteme Problem Skalierbarbeit, Echtzeitfähigkeit c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 10 / 24

11 B VII Postskriptum 1 Netzbetrieb 1.3 Rechnernetze Feldbus (engl. field bus) CAN (engl. control area network) typisch für die Vernetzung elektronisch gesteuerter Maschinen Netzknoten sind Steuergeräte (engl. electronic control units, ECU) je nach Anwendungsfall ein heterogenes System, z.b. KFZ (Quelle: Bosch Antriebsstrangnetz, Motorsteuerungsgerät und -anschlüsse) c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 11 / 24

12 B VII Postskriptum Gliederung 2 Integrationsbetrieb 1 Netzbetrieb Offene Systeme Verteiltes System Rechnernetze 2 Integrationsbetrieb Eingebettete Systeme Drahtlose Sensornetze 3 Zusammenfassung c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 12 / 24

13 B VII Postskriptum 2 Integrationsbetrieb 2.1 Eingebettete Systeme Spezialbetriebssystem (engl. special purpose operating system) Betriebssystem und Anwendungsprogramm(e) sind mit- bzw. ineinander verwoben, sie bilden eine (in sich geschlossene) Einheit: im Sinne der Funktionalität (obligatorisch) das Betriebssystem ist maßgeschneidert und anwendungsgewahr im Sinne der Repräsentation (optional) das Betriebssystem liegt in Form einer (Quelltext-) Bibliothek vor Eingebettetes System (engl. embedded system) Jedes in einem Produkt versteckte Rechensystem, wobei das Produkt selbst jedoch kein Rechner ist: Kühlschrank, Mikrowelle, Kochplatte, Backofen, Esse, Wasserkocher, Waschmaschine,... c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 13 / 24

14 B VII Postskriptum 2 Integrationsbetrieb 2.1 Eingebettete Systeme Wenn Kompromisslösungen impraktikabel sind c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 14 / 24

15 B VII Postskriptum 2 Integrationsbetrieb 2.1 Eingebettete Systeme Verteiltes System auf Rädern (Quelle: DaimlerChrysler [3]) c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 15 / 24

16 B VII Postskriptum 2 Integrationsbetrieb 2.1 Eingebettete Systeme Y2K Prozessorproduktion Where have all the processors gone? Einheiten (x 10^3) Einheiten (x 10^3) MPU empu DSP MCU Prozessoren Bit 8-Bit 16-Bit 32-Bit MCU über 8 Mrd. Prozessoren [8] 1.8 % (MPU) Server, Desk-/Laptops, % (empu, DSP, MCU) eingebettete Systeme c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 16 / 24

17 B VII Postskriptum 2 Integrationsbetrieb 2.2 Drahtlose Sensornetze Intelligenter Staub (engl. smart dust) µcontroller von Sand-/Staubkorngröße, die über Radiofrequenztechnik miteinander kommunizieren [2]: jeder einzelne Kleinstrechner bildet einen kubischen Sensor (mote) u.a. gedacht zur Überwachung menschenfeindlicher Umgebungen c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 17 / 24

18 B VII Postskriptum 2 Integrationsbetrieb 2.2 Drahtlose Sensornetze Sensorknoten: Referenzarchitektur und Technologie > 10 cm 3 gateway nodes < 100 MIPS < 32 MB Flash > 10 cm 3 < 512 KB RAM < 10 Mbps < 10 cm 3 < 10 cm 3 < 1 mm 3 host computers high bandwidth sensors generic sensors special purpose sensors > 100 MIPS > 32 MB Flash > 512 KB RAM > 10 Mbps < 50 MIPS < 10 MB Flash < 128 KB RAM < 500 Kbps < 10 MIPS < 500 KB Flash < 10 KB RAM < 100 Kbps < 5 MIPS < 100 KB Flash < 4 KB RAM < 50 Kbps c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 18 / 24

19 B VII Postskriptum 2 Integrationsbetrieb 2.2 Drahtlose Sensornetze Welt am Draht [verteiltes] grid [durchdringendes] pervasive [allgegenwärtiges] ubiquitous computing = ambient intelligence nahezu jedes Gerät ist mit Kleinstrechnern (Sensoren, Aktoren) bestückt, die die unbegrenzte globale Vernetzung ermöglichen die Gerätenetze sind so in die Umgebung eingebettet, dass ihre Konnektivität jederzeit verfügbar und höchst unaufdringlich ist Fiktion? Ja, noch... c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 19 / 24

20 B VII Postskriptum 2 Integrationsbetrieb 2.2 Drahtlose Sensornetze Einbettbare Betriebssysteme Kleinvieh macht Mist {BlueCat, HardHat} Linux, Embedix, Windows {CE, NT Embedded},... Problem Skalierbarkeit, Betriebsmittelbedarf (insb. RAM und Energie)..., BOSS, C{51, 166, 251}, CMX RTOS, C-Smart/Raven, ecos, ertos, Embos, Ercos, Euros Plus, Hi Ross, Hynet-OS, ITRON, LynxOS, MicroX/OS-II, Nucleus, OS-9, OSE, OSEK {Flex, Plus, Turbo, time}, Precise/{MQX, RTCS}, proosek, psos, PURE, PXROS, QNX, Realos, RTMOSxx, Real Time Architect, RTA, RTOS-UH, RTX{51, 166, 251}, RTXC, Softune, SSXS RTOS, ThreadX, TinyOS, VRTX, VxWorks,... Der Anteil proprietärer Lösungen liegt bei über 50%[9] in vielen Fällen wird das Rad neu erfunden... Softwaretechnik Wiederverwendbarkeit und Variantenverwaltung c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 20 / 24

21 B VII Postskriptum Gliederung 3 Zusammenfassung 1 Netzbetrieb Offene Systeme Verteiltes System Rechnernetze 2 Integrationsbetrieb Eingebettete Systeme Drahtlose Sensornetze 3 Zusammenfassung c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 21 / 24

22 B VII Postskriptum Resümee 3 Zusammenfassung Netzbetrieb räumlich voneinander getrennte Rechensysteme Interoperation wird erreicht durch offene Schnittstellen/Spezifikationen Rechnernetz und Dienst-/Funktionsverteilung sind transparent ferne Betriebsmittel werden über lokale Repräsentanten virtualisiert Integrationsbetrieb (tiefst) eingebetteter Rechensysteme Betriebssystem und Anwendungsprogramm bilden eine Einheit bzgl. Funktionalität (obligatorisch) und Repräsentation (optional) Spezialbetriebssysteme für echtzeitabhängige Anwendungsprogramme Over the past 40 years, computer science have addressed only about 2 % of the world s computing requirements. It s time to get physical, get real, and get out to build proactive a systems. [8] a [pro ac tive] Acting in advance to deal with an expected difficulty; anticipatory c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 22 / 24

23 B VII Postskriptum 3 Zusammenfassung 3.1 Bibliographie Literaturverzeichnis [1] Bal, H. E.: Programming Distributed Systems. Prentice Hall International, ISBN [2] Culler, D. E. ; Hong, W. : Wireless Sensor Networks Introduction. In: Communications of the ACM 47 (2004), Jun., Nr. 6, S [3] DaimlerChrysler AG: Der neue Maybach. In: ATZ/MTZ Sonderheft (2002), Sept., S. 125 [4] Lamport, L. : distribution. Mai 1987 [5] Nelson, B. J.: Remote Procedure Call. Pittsburg, PA, USA, Department of Comupter Science, Carnegie-Mellon University, Diss., Mai 1981 c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 23 / 24

24 B VII Postskriptum 3 Zusammenfassung 3.1 Bibliographie Literaturverzeichnis (Forts.) [6] Tanenbaum, A. S. ; van Renesse, R. : Distributed Operating Systems. In: ACM Computing Surveys 17 (1985), Dez., Nr. 4, S [7] Tanenbaum, A. S. ; van Steen, M. : Distributed Systems: Principles and Paradigms. Prentice Hall, ISBN [8] Tennenhouse, D. : Proactive Computing. In: Communications of the ACM 43 (2000), Mai, Nr. 5, S [9] Walls, C. : The Perfect RTOS. In: Proceedings of the embedded world 2004, Februar 2004, Nürnberg, 2004 c wosch (Lehrstuhl Informatik 4) Systemprogrammierung WS2010/11 24 / 24