Rechnernetze

Rechnerverbunde

Sobald ein System zur Datenkommunikation zwischen verschiedenen Rechnern gegeben ist, kann dieses Rechnernetz u.U. mit einem bestimmten Ziel eingesetzt werden. Rechner, die an einem gemeinsamen Ziel arbeiten, werden auch als Rechnerverbund (statt Rechnernetz) oder als verteiltes System bezeichnet. In der letzten Bezeichnung soll mit "System" das einheitliche ausgedrückt werden, mit verteilt die räumliche Verteilung. Hier sollen mögliche gemeinsame Ziele der Rechner in einem Rechnernetze kurz vorgestellt und Rechnernetze danach klassifiziert werden.

Man beachte jedoch, daß in der Regel keine eindeutigen Anwendungen für ein bestehendes Netz ausgemacht werden können, was verschiedene Gründe haben kann. So können von Anfang an verschiedene Anwendungen eingeplant gewesen sein, um daß Netz effizient auszunutzen; oder es kann sich der Schwerpunkt des Einsatzes eines Netzes im Laufe der Zeit geändert haben, z.B. vom Datenverbund hin zum Kommunikationsverbund (s.u.), so daß die genannten Merkmale auf das gleiche Netz zu verschiedenen Zeiten verschieden stark zutrafen. Insgesamt kann ein Rechnerverbund also auch auf einem Rechnernetz realisiert werden, welches auch für allgemeinere Anwendungen benutzt wird.

Kommunikationsverbund

Ziel: Übertragung von Daten, insbesondere Nachrichten, an verschiedene, räumlich getrennte Stellen
Methode: Erstellung eines Briefdienstes (Mail-Dienst)

 

Werden Rechner als persönliche Computer benutzt, so können auf diesen Nachrichten zwischen den Benutzern ausgetauscht werden. Dazu werden Postdienste (mail services) eingerichtet, die es einfach ermöglichen sollen, einem anderen Benutzer einen beliebigen Text zukommen zu lassen; dieser andere Teilnehmer kann sich in der gleichen Firma, oder auch irgendwo anders im Internet befinden. Darüber hinaus können auch Sprache, Bilder, Videosequenzen usw. in standardisierten Formaten übertragen werden, z.B. die MIME–Erweiterung im Internet.

Zur Teilnahme an den Postdiensten werden mehrere technische Voraussetzungen benötigt:

Ein Editor zum Erstellen und Lesen von Nachrichten;
ein Benutzeragent, der ein Adreßregister zur Verfügung stellt, Nachrichten empfängt, speichert und den Eingang einer Nachricht meldet;
Verschlüsselungsverfahren zum Schutz der Vertraulichkeit von Nachrichten;
ein Netzanschluß mit Protokollen zur Übertragung von Nachrichten.

Eine weitere Infrastruktur ist erforderlich, um die Nachrichten vom Sender zum Empfänger über den richtigen Pfad zu transportieren, neue Teilnehmer dem System bekannt zu machen und fehlgeleitete Meldungen zu bearbeiten. Personen, die ein solches Nachrichtensystem warten, werden meistens als Postmaster bezeichnet.

Viele internationale Netze werden gegenwärtig vorwiegend als Nachrichtennetze (mail networks) betrieben, bei denen einzelnen Benutzern die Möglichkeit gegeben wird, entweder selbst Post zu senden oder zu empfangen. Dabei kann die Information zentral abgelegt sein, so daß mehrere Teilnehmer solche allgemeinen Nachrichten jederzeit abrufen können (BBS = Bulletin Board System oder News System).

Informationsverbund

Ziel: Verbreiten von Information an interessierte Personen
Methode: Erstellung eines Web-Dienstes (z.B. Intranet)

 

War früher die bilaterale Kommunikation dominierend, so wird heute die Verteilung von Information an mehrere Personen immer häufiger genutzt. Während dieses früher nur durch Zeitung oder Rundfunk möglich war, kann heute jeder eine "Homepage" im Web einrichten und dort Informationen für alle anderen oder zumindest eine interessierte Gruppe ablegen. Die Verbreitung der eigenen Meinung, Ziel jeder pluralistischen offenen Gesellschaft, ist offenbar heute jedem ohne großen finanziellen Einsatz möglich.

Das Intranet als betriebsinternes Kommunikationsmedium ist mittlerweile Standard und wird in vielen Unternehmen für verschiedene Zwecke eingesetzt. Beim Intranet handelt es sich um eine Art elektronisches Schwarzes Brett, von dem jeder Mitarbeiter Information wie Kantinenpläne, Urlaub, Betriebsergebnisse usw. abfordern kann. Zusätzlich können aber auch Formulare wie Materialanforderungen oder Reisekostenabrechnungen angefordert oder noch besser gleich elektronisch ausgefüllt und abgesendet werden, die dann automatisch weiter verarbeitet werden können. Natürlich kann ein Intranet auch für die Entwicklung der Unternehmenskultur verwendet werden, etwa um den Mitarbeiter des Monats zu küren oder Vorschläge und Diskussionen über den nächsten Betriebsausflug durchzuführen. In großen Unternehmen sind "Hobby-Gruppen", wie Sportvereine oder Skatrunden üblich, die sich ebenfalls über das Intranet organisieren und neue Mitglieder werben können.

Datenverbund

Ziel: Bessere Plattenauslastung, erhöhte Verfügbarkeit, erhöhte Sicherheit
Methode: Speicherung von Daten an verschiedenen Stellen

 

Daten werden häufig an verschiedenen Standorten unterschiedlich intensiv benötigt. Um die unnötige Datenübertragung im Netz zu vermeiden, werden die Daten mittels einer geographisch verteilten Datenbank an den jeweiligen Standorten gespeichert, ohne daß ihr logischer Zusammenhang mit anderen Daten, die vorwiegend an anderen Stellen benötigt werden, verlorengeht. Dazu ist es jedoch nötig, daß eine solche verteilte Datenbank logisch und technisch realisiert werden kann.

Man erhält mit diesem Verfahren zugleich eine wirksamere Zugriffskontrolle, da es mehrere Kontrollinstanzen gibt und die Residenz der Daten dem Benutzer verborgen bleibt. Auch vermindert man den Datenverkehr über größere Entfernungen, was die Sicherheit vor Ausspähung, Verlust oder Verfälschung der Daten erhöht, die Verfügbarkeit der Daten beim temporären Ausfall von Verbindungen usw. Bei lokalem Ausfall einzelner Komponenten kann u.U. mit den Daten, die auf nicht ausgefallenen Rechnern residieren, noch weiter gearbeitet werden.

Eine wichtige Aufgabe der Datenbanktechnik ist es, die Datenbestände konsistent zu halten. Dieses wird durch eine Verteilung der Daten stark erschwert; so kann es sein, daß zeitweilig nicht verfügbare Daten die Verfügbarkeit anderer Daten blockieren, nur weil die Konsistenz bei Änderungen nicht garantiert werden kann. Dieses Problem befindet sich noch in der Erforschung und wird nicht im Rahmen des Gebiets Rechnernetze behandelt.

Lastverbund

Ziel: Gleichmäßige Auslastung verschiedener Ressourcen
Methode: Aufteilung stoßweise anfallender Lasten auf verschiedene Rechner

 

Steht eine große Anzahl von Rechnern zur Verfügung, so ist es ein Betriebsziel, jeden dieser Rechner möglichst lange arbeiten zu lassen, um die Auslastung der Ressourcen zu erhöhen; dieses ist ein allgemeines Ziel jeder technischen Anlage, da nur eine hohe Auslastung die in der Regel hohen Beschaffungskosten rechtfertigt. Ein Rechnernetz vereinfacht die Verteilung der Aufgaben auf verschiedene Rechner, wozu es aber erforderlich, daß mehrere Aufgaben auf mehr als einem Rechner ausgeführt werden können.

Ist diese Voraussetzung gegeben, so bilden die Rechner einen Betriebsmittel-Pool. Soll eine Aufgabe erledigt werden, so wird zunächst angefragt, welcher Rechner dafür zur Verfügung steht; einem dieser Rechner wird diese Aufgabe dann übertragen. Die Verteilung der Aufgaben kann entweder automatisch von einem zentralen Lastmanager erledigt werden, oder sie kann von jedem Benutzer selbst durchgeführt werden.

Mit einem Lastverbund erreicht man insbesondere eine Verringerung der Leerlaufzeiten von Rechnern. Im Lastverbund können aber auch Speicher, Drucker und andere Geräte betrieben werden.

Leistungsverbund

Ziel: Verringerte Antwortzeiten
Methode: Aufteilung einer Aufgabe in Teilaufgaben

 

Man kann die Geschwindigkeit der Ausführung einer Aufgabe u.U. dadurch erhöhen, daß man die Aufgabe in Teilaufgaben zerlegt und diese gleichzeitig auf verschiedenen Rechnern ausführen läßt; wodurch die gesamte Bearbeitungszeit für die Aufgabe verringert wird. Dazu ist es erforderlich, daß die Aufgabe in möglichst unabhängige Teilaufgaben zerlegt werden kann.

Ist diese Voraussetzung gegeben, so könnte man eine Prozeßsteuerung implementieren, die möglichst viele Teilaufgaben auf möglichst viele Rechner verteilt, die Ergebnisse wieder einsammelt und ein Protokoll über den erfolgreichen Ablauf der Bearbeitung erstellt. Die Prozeßsteuerung kann entweder vom Benutzer manuell erstellt werden, oder automatisch aus dem Programm generiert werden. Letzteres ist i.allg. zur Zeit und aus prinzipiellen Überlegungen heraus noch nicht möglich.

Man erreicht mit dieser Vorgehensweise insbesondere eine Verringerung der Antwortzeit. Zwar werden die Rechner auch besser ausgelastet, als wenn die Aufgabe nur auf einem Rechner liefe; aber dieses ist weder das Ziel dieses Vorgehens noch wird das auch immer erreicht. Außerdem kann dieser Ansatz nur dann zum Erfolg führen, wenn der Verwaltungs-Overhead deutlich geringer ist als die Einsparung an Antwortzeit, was auch nur bei sehr langen Teilaufgaben gegeben sein dürfte.

Stehen mehrere Aufträge zur Bearbeitung an, so kann durch geschickte Auswahl der Aufträge und Verteilung auf verschiedene Rechner ebenfalls die mittlere Antwortzeit aller Aufträge verringert werden. Die mittlere Antwortzeit wird z.B. minimal, wenn immer der Auftrag mit der kürzesten Bearbeitungszeit vorgezogen wird. Dadurch werden jedoch Aufträge mit langer Bearbeitungszeit u.U. stark benachteiligt, so daß differenzierte Strategien angewendet werden sollten. Bei Einprozessorsystemen wird dieses Ziel annähernd durch das Zeitscheibenverfahren (processor sharing) erreicht. Bei Rechnerverbunden ist diese Methode vermutlich erfolgversprechender als die Zerlegung einer Aufgabe in verschiedene Teilaufgaben.

Wartungsverbund

Ziel: Schnellere und billigere Wartung verschiedener Rechner
Methode: Zentrale Störungserkennung und -behebung

 

Die Wartung von Geräten kann leicht teurer werden als die Beschaffungskosten der Geräte; insbesondere das dafür zuständige Personal ist häufig sehr kostenintensiv. Mit einer zentralen Überwachung eines Rechnernetzes versucht man zum einen, das vorhandene Personal effizienter einzusetzen, zum anderen das Wartungspersonal bei seiner Arbeit effektiv zu unterstützen. Diese Problematik wurde erst vor kurzer Zeit in vollem Umfang erkannt und wird unter dem Stichwort Netzwerkmanagement behandelt.

Jedem zu überwachenden Gerät ist ein Kontrollprozeß zugeordnet, der meist als Agent bezeichnet wird. Dieser sammelt 'vor Ort' für das Management notwendige Information in einer genormten Datenstruktur (MIB=Management Information Base). Im Fehlerfall oder auf Anfrage benachrichtigt er den zentralen 'Netzwerkmanager', welcher weitere Aktionen einleitet. Störungen sollen möglichst durch den Netzwerkmanager automatisch, oder falls nötig durch das Wartungspersonal manuell erledigt werden. Die Gründe für die Störung sollten diagnostiziert und protokolliert werden. Hersteller verschiedener Rechner bieten ihren Kunden bereits ferndiagnostische Wartungsdienste an.

Weitere Aufgaben des Netzwerkmanagers könnten es sein, Hard- und Software-Tests durchzuführen, Verbindungen (Leitungen oder auch logische Verbindungen) zu testen, Systemaktivitäten zu überwachen, (neue) Software zu installieren oder Hilfestellungen bei der Bedienung zu geben.

Funktionsverbund

Ziel: Bereitsstellung spezieller Funktionen an verschiedenen Stellen
Methode: Verteilung spezieller Aufgaben auf spezielle Rechner (Feldrechner, Superrechner, Transputer)

 

Für bestimmte Aufgaben können bestimmte Rechner effizienter eingesetzt werden als andere. Ein Rechnernetz kann benutzt werden, um die Aufgaben an solche Spezialrechner heranzubringen. Dazu ist es notwendig, daß die Aufgaben so implementiert werden, daß sie auf dem Spezialrechner ablaufen können.

An Beispielen für diese Anwendungen sind insbesondere 'Superrechner' zu nennen, die alleine bestimmte Aufgaben in vertretbarer Zeit erledigen. Einfachere Beispiele sind spezielle Hardware (Plotter, graphische Farbterminals, besondere Drucker) oder spezielle Programme, die z.B. für einen Transputer geschrieben sind. In der Regel muß der Benutzer bei solchen Systemen selbst dafür sorgen, daß seine Aufgabe an den richtigen Rechner übertragen wird.

Kapazitätsverbund

Ziel: Ausnutzung sämtlicher zur Verfügung stehender Rechenkapazität
Methode: Versendung von Aufgaben an möglichst viele verschiedene Rechner

 

Im Vordergrund steht hier die Ausnutzung sämtlicher Ressourcen, wie Rechenleistung, Speicher, besondere Software (mathematische Bibliotheken, Service- und Dienstfunktionen) usw. Hier muß der Benutzer wissen, wo welche Ressourcen zur Verfügung stehen, ob diese gerade frei verfügbar sind, und wie diese benutzt werden können. Dieses erfordert zumeist einen erheblichen Verwaltungsaufwand, der von einem durchschnittlichen Benutzer nicht erbracht werden kann, da dieses nicht seine Aufgabe ist (er soll Programme implementieren und laufen lassen, aber nicht das Rechnernetz verstehen und verwalten). Für diesen Zweck könnte ein zentrales Auskunftsystem erstellt werden, welches einem Anwender z.B. mitteilt, auf welchem Rechner eine spezielle Funktion verfügbar ist, z.B. ein Programm, welches lineare Gleichungssysteme löst.

Der Kapazitätsverbund ist am schwierigsten von anderen Rechnernetztypen abgrenzbar, z.B. vom Lastverbund, oder auch vom Datenverbund oder verteilten System. Hier kommt mehr die Sichtweise des Betreibers zum Tragen als die eigentlichen funktionellen Unterschiede.