In der Abteilung für Informationssysteme ist der Begriff “Virtualisierung” häufig zu hören. Vor allem, wenn Sie mit dem Aufbau und der Wartung von Servern zu tun haben, sollte Ihnen dieser Begriff sehr vertraut sein. Wenn Sie jedoch ein Ingenieur in der Fertigungsindustrie sind, werden Sie vielleicht sagen: “Ich höre die Worte oft, aber ich kenne die Details nicht”. Werfen wir einen Blick auf die Beziehung zwischen Produktionssystemen und edge computing Virtualisierung, mit Definitionen und konkreten Beispielen für Virtualisierung.
Virtualisierung Definition
Die Definition von Virtualisierung lautet “die technischen Details des Systems verbergen und abstrahieren”.
In Informationssystemen ist es durch die Abstraktion von Systemressourcen möglich, Unterschiede im Betriebssystem und in der Hardware auszugleichen, so dass dasselbe Programm auch auf verschiedenen Betriebssystemen und unterschiedlicher Hardware ausgeführt werden kann. Dies wird als Gewährleistung der Portabilität bezeichnet. Wenn mehrere Programme gleichzeitig ausgeführt werden, sollte man außerdem versuchen, die Programme ohne Kenntnis der anderen Programme laufen zu lassen. Solche Techniken sind sehr wichtig für Multitasking-Betriebssysteme und Server, auf denen mehrere Programme auf einer einzigen Hardware laufen.
Gerade bei Servern sind Systemressourcen wie Speicher- und CPU-Belegung oft überschüssig, so dass es denkbar ist, mehrere Server-Software auf einer Hardware zu installieren, um die Ressourcen effektiv zu nutzen. Je nach Serversoftware können sich jedoch die Betriebsumgebung, die Benutzer und die erforderliche Sicherheitsstufe unterscheiden, so dass es unter Umständen nicht möglich ist, auf einer Hardware gleichzeitig zu arbeiten. Daher wird in vielen Fällen Virtualisierungssoftware auf dem Server installiert. Durch die Einführung von Virtualisierungssoftware können verschiedene Softwareprogramme gleichzeitig und unabhängig voneinander betrieben werden, ohne dass die Betriebsbedingungen der jeweils anderen Software bekannt sind.
Die Virtualisierung in Produktionssystemen ist hingegen ein relativ neues Konzept, das erst in jüngster Zeit zum Einsatz kommt. Im Grunde handelt es sich dabei um das “Verstecken und Abstrahieren der technischen Details des Systems”, wobei diese Abstraktionen von der IT-Technologie vorgenommen werden.
Konkret geht es darum, die Produktionslinie einer Fabrik auf einem Computer nachzubilden und die Bewegung, den Ertrag, das Layout usw. der Arbeiter zu simulieren, bevor die Produktionslinie tatsächlich aufgebaut wird. Außerdem werden IT-Ausrüstungen zur Steuerung der Produktionslinien und zur Kontrolle der Produktion eingesetzt. Man kann also sagen, dass die Produktionslinie durch IT-Ausrüstung “virtualisiert” wird.
Vorteile und konkrete Beispiele der Virtualisierung in Informationssystemen
Der Vorteil der Virtualisierung liegt schließlich in der Freiheit des Systems. Die Portabilität ermöglicht es zum Beispiel, bestehende Software auf verschiedenen Betriebssystemen und neuer Hardware laufen zu lassen. Es ist auch möglich, mehrere Programme gleichzeitig laufen zu lassen, ohne das Verhalten der jeweils anderen Programme zu kennen. Dadurch können die Gesamtkosten des Systems gesenkt werden, was vor allem bei Servern von Vorteil ist.
Auf der anderen Seite besteht der Nachteil darin, dass der Virtualisierungsmechanismus kompliziert wird und sich verlangsamt. Beim Aufbau eines Systems mit dem Ziel der Virtualisierung ist daher eine ausreichende Hardwarekapazität erforderlich.
Betrachten wir nun ein konkretes Beispiel für die Virtualisierungstechnologie.
- MVS
MVS (Multiple Virtual Storage) ist ein von IBM entwickeltes Betriebssystem für Mainframes, das als das schnellste und praktischste Betriebssystem der Welt bekannt ist. Virtueller Speicher ist eine Technologie, die man als “Speicherplatzvirtualisierung” bezeichnen kann und die für Multitasking-Betriebssysteme unerlässlich ist. Nehmen wir zum Beispiel an, dass mehrere Programme gleichzeitig laufen, wenn virtueller Speicher nicht unterstützt wird. Nehmen wir an, Programm A schreibt in dieser Umgebung Daten X in einen Speicherbereich. Was passiert dann, wenn Programm B Daten Y in denselben Speicherbereich schreibt? Selbst wenn Programm A danach versucht, die Daten zu lesen, wird es die Daten Y lesen, und die Daten werden nicht konsistent sein, so dass Programm A nicht richtig funktioniert.
Daher werden die Daten X in einem externen Speichergerät gespeichert, bevor Programm B die Daten Y per MVS schreibt. Anschließend werden die Daten X in den Speicher zurückgegeben, bevor Programm A sie liest. Das Prinzip des virtuellen Speichers besteht darin, diesen Vorgang so durchzuführen, dass die Programme A und B davon nichts mitbekommen. Dadurch kann das Programm unabhängig vom Verhalten der anderen Programme arbeiten. - Java VM
Ichglaube, Java wird oft von Leuten gehört, die sich mit eingebetteten Systemen beschäftigen. Java ist eine Programmiersprache, aber gleichzeitig hat sie den Aspekt einer “virtuellen Maschine”. In der Regel gibt der Java-Compiler keinen nativen Code aus (Code, der direkt von der CPU ausgeführt werden kann), sondern einen Zwischencode. Dieser Zwischencode ist eine Form von Code, der von der Java VM (Java Virtual Machine) ausgeführt werden kann. Zwischencode ist in der Ausführung langsamer als nativer Code, aber selbst wenn das Betriebssystem und die Hardwarekonfiguration unterschiedlich sind, können Sie gemeinsamen Zwischencode ausführen, wenn Sie eine Java VM für dieses Betriebssystem und diese Hardware vorbereiten.
Es gibt verschiedene Arten von Betriebssystemen für eingebettete Systeme für unterschiedliche Zwecke, und es ist oft einfacher, eine Java VM zu entwickeln als einen Compiler für alle Betriebssysteme vorzubereiten. Die JavaVM hat den Vorteil, dass sie Unterschiede im Betriebssystem und in der Hardware ausgleicht und gemeinsamen Zwischencode ausführt. Aus diesem Grund wird Java häufig in eingebetteten Systemen eingesetzt. - WINE
“WINE” ist eine Software, die Windows-Anwendungen unter Linux ausführt. Es handelt sich um eine Art Emulator, der zwischen Linux- und Windows-Anwendungen geschaltet wird und als Brücke zwischen den APIs (Application Programming Interfaces) fungiert. Unter dem Gesichtspunkt der Absorption von Betriebssystemunterschieden kann man diese Art von Emulator als Virtualisierung bezeichnen.
Virtualisierung von Produktionssystemen und konkrete Beispiele
Welche Vorteile bietet die Virtualisierung von Produktionssystemen?
Indem man die Produktionslinie der Fabrik auf einem Computer nachbildet und die Produktionslinie simuliert, ist es möglich, verschiedene Probleme zu untersuchen und zu verbessern, bevor die Produktion tatsächlich beginnt. Es ist auch möglich, die Produktionseffizienz zu verbessern und Arbeit einzusparen, indem die Produktion mit Hilfe von IT-Ausrüstung verwaltet wird.
Bei der Virtualisierung von Produktionssystemen, insbesondere bei der Überwachung und Produktionssteuerung mit Hilfe von IT-Geräten, besteht das Problem darin, dass die Steuerungsprotokolle und Datenformate der Produktionsanlagen unterschiedlich sind. Hersteller von Produktionsanlagen verwenden oft optimale Steuerungsprotokolle und Datenformate, um die Leistung ihrer Produktionsanlagen zu maximieren. Es gibt Bestrebungen, diese einheitlichen Standards zu schaffen, aber die aktuelle Situation ist, dass sie noch nicht verwirklicht wurden.
Daher ist es denkbar, einen edge Server zwischen das Steuerungssystem der Fertigungsanlage und den cloud Server zu schalten und Operationen auf dem edge Server durchzuführen, um diese Unterschiede aufzufangen. Auf diese Weise sehen die Datenformate und Steuerungsprotokolle aus der Sicht des cloud Servers alle gleich aus. Daher kann ein solches System auch als “Virtualisierung” bezeichnet werden, da es die Unterschiede zwischen den Produktionsanlagen auffängt. Die Einführung von edge computing zu diesem Zweck hat den Vorteil, dass sowohl die Überwachung als auch die Geschwindigkeit der Produktionsanlagen erreicht wird.
Wenn der edge Server selbst virtualisiert ist, können mehrere Produktionsgeräte unabhängig voneinander mit einer einzigen Hardware für den edge Server überwacht werden, und die Software kann später hinzugefügt werden. Dadurch werden auch die Betriebskosten gesenkt.
Virtualisierungstechnologie und edge computing
Wir haben uns die Bedeutung und konkrete Beispiele der Virtualisierung sowohl im Bereich der Informationssysteme als auch der Produktionssysteme angesehen. Unterschiede in den Steuerungsprotokollen und Datenformaten der Fertigungsanlagen in der Produktion sind in der Praxis oft ein Problem, das aber durch edge computing ist eines der wirksamen Mittel. Wenn der Server edge selbst virtualisiert wird, ist es außerdem möglich, ein flexibles System rund um die Produktionslinie aufzubauen. Da der Server edge nachgerüstet werden kann, ist es außerdem möglich, die Fabrik schrittweise zu virtualisieren und dabei die vorhandene Ausrüstung zu nutzen. Vor diesem Hintergrund ist die Unterstützung der Virtualisierung eine wichtige Überlegung beim Einsatz von edge.
