In der heutigen Informationsgesellschaft tragen von Computern verwaltete Daten maßgeblich zum Erfolg von Unternehmen bei. Entscheidend für sie ist der schnelle und flexible Zugriff auf nahezu beliebige Daten- und Informationsmengen. Dies erfordert eine Kopplung bestehender und neuer Computersysteme und somit den Einsatz von Netzwerken. Dabei geht der Trend zu immer größeren Netzen, die einer wachsenden Zahl von Anwendern den Zugriff auf Applikationen und Daten ermöglichen.

In den letzten Jahren ist es im Bereich der Computersysteme zu einer rasanten Leistungsentwicklung gekommen. Allein die Prozessorleistung sowie die Speichergröße der verfügbaren Rechnersysteme haben sich in den letzten zehn Jahren mehr als verhundertfacht. Immer mehr Menschen weltweit nutzen die Möglichkeiten eines Personalcomputers, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Die weite Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechnersysteme verstärkte das Bedürfnis nach arbeitsplatzübergreifender Kommunikation. Mit der Vernetzung von Einzelrechnern zu lokalen Netzen (LANs) und dem Zusammenschluss dieser zu flächendeckenden Kommunikationsstrukturen (WANs) war schnell eine Lösung des Problems des Datenaustausches gefunden. Doch schon bald erwies sich, dass die Weiterentwicklung der Datenkommunikationssysteme mit der Rechentechnologie nicht mehr Schritt halten konnte. Die meisten der eingesetzten lokalen Netze basieren nach wie vor auf den Anfang der achtziger Jahre definierten Standards Ethernet/IEEE 802.3 und Token-Ring/IEEE 802.5 mit einer maximalen Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s bzw. 16 Mbit/s. Doch sogar neuere LAN-Technologien, wie z.B. das Fast-Ethernet oder FDDI, welche jeweils eine Bandbreite von 100 Mbit/s zur Verfügung stellen, erwiesen sich für multimediale Anwendungen lediglich als sehr bedingt geeignet. Bei herkömmlichen LAN-Technologien kann tatsächlich nur ein Bruchteil der Bandbreite zur Datenübertragung genutzt werden. Insbesondere hängt die Leistungsfähigkeit der Netzwerke stark von der Anzahl der aktiven Netzknoten ab. Bei steigender Teilnehmerzahl wird die effektive Übertragungsrate schnell verringert. Garantien zur Bereitstellung einer bestimmten Qualität können seitens des Netzwerkes nicht gegeben werden. Daher war die Einführung eines neuen Netzwerkstandards notwendig, der auch den Anforderungen zukünftiger Anwendungen gerecht wird. Mit der Einführung des asynchronen Transfermodus (ATM), welcher im Jahre 1988 von der ITU (International Telecommunication Union) spezifiziert wurde, wird der Einsatz multimedialer Anwendungen nahezu uneingeschränkt möglich. Im Gegensatz zu den herkömmlichen LAN-Technologien handelt es sich bei ATM um ein verbindungsorientiertes Übertragungsverfahren, bei dem jeder Teilnehmer Verbindungspfade mit fester Bandbreite und garantierten Übertragungseigenschaften zugewiesen bekommt. Weiterhin sind mit ATM Übertragungsgeschwindigkeiten bis an die physikalischen Grenzen durchaus denkbar. In Forschungslabors wurden bereits ATM-Vermittlungen mit Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 1 Tbit/s realisiert. Trotz der signifikanten Vorteile von ATM war nicht zu erwarten, dass Unternehmen innerhalb kürzester Zeit ihre gesamte LAN-Installation sowie -Software komplett durch ATM-Technik ersetzen. Dies wäre mit einem derartigen Kostenaufwand verbunden, welcher wohl niemand zu investieren bereit wäre. Um dennoch die Geschwindigkeitsvorteile von ATM einem breiten Spektrum von Anwendungen zugänglich zu machen, wurden in den Spezifikationen RFC1483 'LAN-Emulation' und RFC1577 'Classical-IP' entsprechende Standards definiert, die es ermöglichen, ATM in bestehende LANs zu integrieren bzw. LAN-Software über ein ATM-Netzwerk zu verwenden. Diese Verfahren waren ursprünglich als provisorische Übergangslösung erdacht, bis sie durch eine weite Verfügbarkeit von ATM-Netzen und der entsprechenden Software abgelöst werden können. Allerdings beschränkt sich bis zum heutigen Tag in den allermeisten Anwendungsbereichen der Einsatz von ATM auf LAN-Umgebungen. Auch das experimentelle Videokonferenzsystem 'Visitphone' nutzte ursprünglich ausschließlich die IP-Transportdienste über ATM zur Übertragung der Video- und Audiodaten. 'Visitphone' wurde mit der Zielsetzung entwickelt, eine Video- und Audioübertragung mit bestmöglicher Qualität unter Verwendung handelsüblicher PC-Hardware zu ermöglichen. Bei praktischen Versuchen wurde jedoch festgestellt, dass mit der zur Verfügung gestellten Hardware lediglich ein Videostrom mit einem maximalen Bandbreitenbedarf von etwa 12 Mbit/s in einer Richtung fehlerfrei über das ATM-Netzwerk übertragen werden konnte. Diese Übertragungsrate entspricht einem Video-Kompressionsfaktor von 18, welcher eine deutliche Verfälschung des komprimiert übertragenen Videobildes bedingt. Doch in vielen Fällen, zum Beispiel im medizinischen Bereich, einem der möglichen zukünftigen Anwendungsgebiete von Online-Video/Audio-Datenströmen, ist aber die detailgetreue, flüssige Videobild-darstellung von großer Bedeutung. Da in zahlreichen vorangegangenen Versuchsreihen bereits die Leistungsbeschränkungen von LAN-Übertragungen über ATM gezeigt wurden, sollte die Verwendung eines sogenannten Native-Mode-ATM-Transportdienstes die gewünschten Übertragungsraten zur Verfügung stellen. Die Implementierung einer solchen Transportschnittstelle wurde aber erst durch die Verfügbarkeit des Fore-Winsock2-APIs für Fore-ATM-Adapterkarten möglich. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten ATM-Socket-Modul wurde eine Programmierschnittstelle geschaffen, die den Zugriff auf die volle Leistungsfähigkeit der ATM-Netzwerke ermöglicht. Die Daten können sowohl über eine vom ATM-Switch vermittelte SVC-Verbindung als auch über eine permanente PVC-Verbindung gesendet werden. Letzteres hat sich als eine sehr einfache, stabile und schnelle Methode zur direkten Datenübertragung zwischen zwei PC-Systemen erwiesen. Durch die Implementierung des ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Multicast-Servers konnte echte Multicast-Funktionalität auf ATM-Netze übertragen werden. Die einfache Struktur des ATM-Socket-Moduls ermöglicht eine problemlose Integration von Native-ATM-Transportdiensten in bestehende oder zukünftige Anwendungen. Darüber hinaus können die Transportmöglichkeiten verschiedener Kommunikationsprotokolle ohne größeren Implementationsaufwand gleichzeitig in einer Anwendung genutzt werden. Abschließende Leistungstests haben ergeben, dass insbesondere bei Verwendung leistungsschwacher Rechnersysteme Native-ATM-Datenübertragungen einen großen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber Datenübertragungen über LANs per ATM besitzen. Nur mit Native-ATM war es unabhängig von den eingesetzten Personalcomputern möglich, eine Übertragungsrate der Nutzdaten von mehr als 130 Mbit/s zu erreichen; eine Geschwindigkeit, welche die Grenze der physikalischen Möglichkeiten der verwendeten ATM-Systeme darstellt. Weiterhin ist derzeit nur bei Native-ATM-Transportdiensten die Vereinbarung bestimmter Dienstqualitäten seitens der Anwendungen möglich. Native-ATM ist in jedem Fall eine einfachere Alternative zur Verwendung des LAN-Transportdienstes über ATM-Netze, da die Einrichtung, Konfiguration und Pflege emulierter LANs einem gewissen Aufwand unterliegt.

Today’s embedded systems depend on the availability of hybrid platforms, that contain heterogeneous computing resources such as programmable processors units (CPU’s or DSP’s) and highly specialized hardware cores. These platforms have been scaled down to integrated embedded system-on-chip. Modern platform FPGAs enhance such systems by the flexibility of runtime configurable silicon. One of the major advantages that arises is the ability to use hardware (HW) and software (SW) resources in a time-shared manner. Though the ability to dynamically assign computing resources based on decisions taken at runtime is given.

Just as packet switched networks constituted a major breakthrough in our perception of the information exchange in computer networks so have the decoupling properties of publish/subscribe systems revolutionized the way we look at networking in the context of large scale distributed systems. The decoupling of the components of publish/subscribe systems in time, space and synchronization has created an appealing platform for the asynchronous information exchange among anonymous information producers and consumers. Moreover, the content-based nature of publish/subscribe systems provides a great degree of flexibility and expressiveness as far as construction of data flows is considered. However, a number of challenges and not yet addressed issued still exists in the area of the publish/subscribe systems. One active area of research is directed toward the problem of the efficient content delivery in the content-based publish/subscribe networks. Routing of the information based on the information itself, instead of the explicit source and destination addresses poses challenges as far as efficiency and processing times are concerned. Simultaneously, due to their decoupled nature, publish/subscribe systems introduce new challenges with respect to issues related to dependability and fail-awareness. This thesis seeks to advance the field of research in both directions. First it shows the design and implementation of routing algorithms based on the end-to-end systems design principle. Proposed routing algorithms obsolete the need to perform content-based routing within the publish/subscribe network, pushing this task to the edge of the system. Moreover, this thesis presents a fail-aware approach towards construction of the content-based publish/subscribe system along with its application to the creation of the soft state publish/subscribe system. A soft state publish/subscribe system exposes the self stabilizing behavior as far as transient timing, link and node failures are concerned. The result of this thesis is a family of the XSiena content-based publish/subscribe systems, implementing the proposed concepts and algorithms. The family of the XSiena content-based publish/subscribe systems has been a subject to rigorous evaluation, which confirms the claims made in this thesis.

Die Dissertationsschrift stellt eine Methodik und die Infrastruktur zur Entwicklung von dynamisch verteilbaren Anwendungen für heterogene Computersysteme vor. Diese Computersysteme besitzen vielfältige Rechenwerke, die Berechnungen in den Domänen Software und Hardware realisieren. Als erster Schritt wird ein übergreifendes und integriertes Vorgehen für den Anwendungsentwurf auf Basis eines abstrakten “Single-Source” Ansatzes entwickelt. Durch die Virtualisierung der Rechenwerke wird die preemptive Verteilung der Anwendungen auch über die Domänengrenzen möglich. Die Anwendungsentwicklung für diese Computersysteme bedarf einer durchgehend automatisierten Entwurfsunterstützung. In der Arbeit wird der dazu vorgeschlagene Ansatz formalisiert und eine neuartige Unterbrechungspunktsynthese entwickelt, die ein hinsichtlich Zeit und Fläche optimiertes, präemptives Verhalten für beliebige Anwendungsbeschreibungen generiert. Das Verfahren wird beispielhaft implementiert und mittels einer FPGA- Prototypenplattform mit Linux-basierter Laufzeitumgebung anhand dreier Fallbeispiele unterschiedlicher Komplexität validiert und evaluiert. / This thesis introduces a methodology and infrastructure for the development of dynamically distributable applications on heterogeneous computing systems. Such systems execute computations using resources from both the hardware and the software domain. An integrated approach based on an abstract single-source design entry is developed that allows preemptive partitioning through virtualization of computing resources across the boundaries of differing computational domains. Application design for heterogeneous computing systems is a complex task that demands aid by electronic design automation tools. This work provides a novel synthesis approach for breakpoints that generates preemptive behaviour for arbitrary applications. The breakpoint scheme is computed for a minimal additional resource utilization and given timing constraints. The approach is implemented on an FPGA prototyping platform driven by a Linux based runtime environment. Evaluation and validation of the approach have been carried out using three different application examples.

Just as packet switched networks constituted a major breakthrough in our perception of the information exchange in computer networks so have the decoupling properties of publish/subscribe systems revolutionized the way we look at networking in the context of large scale distributed systems. The decoupling of the components of publish/subscribe systems in time, space and synchronization has created an appealing platform for the asynchronous information exchange among anonymous information producers and consumers. Moreover, the content-based nature of publish/subscribe systems provides a great degree of flexibility and expressiveness as far as construction of data flows is considered. However, a number of challenges and not yet addressed issued still exists in the area of the publish/subscribe systems. One active area of research is directed toward the problem of the efficient content delivery in the content-based publish/subscribe networks. Routing of the information based on the information itself, instead of the explicit source and destination addresses poses challenges as far as efficiency and processing times are concerned. Simultaneously, due to their decoupled nature, publish/subscribe systems introduce new challenges with respect to issues related to dependability and fail-awareness. This thesis seeks to advance the field of research in both directions. First it shows the design and implementation of routing algorithms based on the end-to-end systems design principle. Proposed routing algorithms obsolete the need to perform content-based routing within the publish/subscribe network, pushing this task to the edge of the system. Moreover, this thesis presents a fail-aware approach towards construction of the content-based publish/subscribe system along with its application to the creation of the soft state publish/subscribe system. A soft state publish/subscribe system exposes the self stabilizing behavior as far as transient timing, link and node failures are concerned. The result of this thesis is a family of the XSiena content-based publish/subscribe systems, implementing the proposed concepts and algorithms. The family of the XSiena content-based publish/subscribe systems has been a subject to rigorous evaluation, which confirms the claims made in this thesis.

Today’s embedded systems depend on the availability of hybrid platforms, that contain heterogeneous computing resources such as programmable processors units (CPU’s or DSP’s) and highly specialized hardware cores. These platforms have been scaled down to integrated embedded system-on-chip. Modern platform FPGAs enhance such systems by the flexibility of runtime configurable silicon. One of the major advantages that arises is the ability to use hardware (HW) and software (SW) resources in a time-shared manner. Though the ability to dynamically assign computing resources based on decisions taken at runtime is given.

Es wurde eine Datenbankmanagementsystem-Anwendung zur Dokumentation von Patienten mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalten entwickelt. Ziel des Computerprogramms ist, anhand großer Patientenzahlen weitere statistisch abgesicherte Daten zur Heredität, anderen ätiologischen Faktoren, Epidemiologie und Therapiebewertung zu gewinnen. Besonderes Augenmerk wurde auf Angaben zu möglichen ursächlichen Faktoren der Spaltentstehung gelegt. Möglicherweise ergeben sich doch einmal durchgreifende präventive Maßnahmen bei Risikoschwangerschaften. Die Auswertung großer Patientenkollektive (seit 1948 etwa 3000 Spaltpatienten an der Charité) im objektiven Vergleich mit anderen Behandlungszentren kann zur Therapieoptimierung beitragen. Zur Analyse werden die funktionellen und aesthetischen Behandlungsresultate in Abhängigkeit vom Therapieverfahren eingeschätzt. Die Gesamtbehandlung erstreckt sich über 20 Jahre. Eine endgültige Ergebnisbeurteilung kann erst nach dieser Zeit erfolgen. Es muß von einer großen Variationsbreite der Behandlungsmodelle ausgegangen werden. Diese müssen an großen Patientenkollektiven statistisch in ihrem Erfolg abgesichert werden. Das Projekt steht im Konsens mit den Empfehlungen des interdisziplinären Arbeitskreises Dokumentation der Arbeitsgemeinschaft Lippen-Kiefer-Gaumenspalten der Deutschen Gesellschaft für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Die Anwendung wurde auf Basis eines relationalen Datenbankmanagementsystems entwickelt. Das Programm zeichnet sich durch einfache Bedienbarkeit und schnelle Datenerfassung aus. Es ist als detaillierte Erfassung konzipiert. Verschiedenartige Eingabeerleichterungen wurden eingearbeitet. Die Datenerfassung ist weitgehend standardisiert und skaliert. Voraussetzung für diese Eigenschaften, die in ihrer Gesamtheit einen Fortschritt im Vergleich zu vorgenannten anderen Systemen darstellen, war die rasante Entwicklung der Hard- und Softwaretechnik. Nunmehr ist es problemlos möglich, die Datenfülle zu bewältigen. Schon für den einzelnen Patienten besteht durch die vielen beteiligten Fachgebiete, diverse Behandlungsmaßnahmen und wiederholte Kontrolluntersuchungen ein beachtlicher Dokumentationsbedarf. Bei den für die statistische Auswertung nötigen hohen Patientenzahlen resultieren tausende Datensätze. Der erreichte Stand ist nicht endgültig. Das Programm kann ständig weiterentwickelt und angepaßt werden. Bezugnehmend auf andere Systeme soll der interdisziplinäre Charakter noch einmal betont werden. Dafür spricht unter anderem die Netzwerkkompatibilität. Im Wechselspiel mit der Kieferorthopädie, der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Pädiatrie, Logopädie sowie der konservierenden Zahnheilkunde ergibt sich eine gegenseitige Beeinflussung. Das fand Berücksichtigung bereits im anamnestischen Bereich, setzt sich bei der Diagnose und Befunddokumentation fort. Auch die Menügestaltung ist darauf abgestimmt. Die Wechselwirkung der beteiligten Fachgebiete zu optimieren, ist das Ziel der Auswertung großer Patientenkollektive. Dazu sind ausgezeichnete Voraussetzungen geschaffen worden. Größte Patientenkollektive können nach beliebigen Kriterien und deren Verknüpfung in beeindruckender Schnelligkeit ausgewertet werden. Die Anwendung moderner Erfassungssysteme und insbesondere die Archivierung und Bearbeitung visueller Befunde besitzt nicht nur wissenschaftlichen Wert in ihrer Auswertung oder der Therapieplanung, sondern kann im Praxisbetrieb motivierende Wirkung auf den Patienten haben. Er fühlt sich optimal mit modernsten Mitteln betreut, was die Compliance erhöhen kann. Die eingehende Beschäftigung mit seinen Befunden beziehungsweise mit den Eltern bezüglich der Krankengeschichte vermittelt dem Einzelnen, daß sein Schicksal nicht nur für ihn wichtig ist, sondern sich in die Gesamtheit der Bemühungen einordnet, die Prävention und Therapie der Spaltbildungen zu verbessern. / The efforts in the past to improve the treatment of patients suffering from cleft lip and palate as well as to better understand the etiology of clefts have shown that a large number of cases with very large amount of data will normally have to be assessed considering the natural variation of the cleft lip and palate and the true effects to be apparent clinically and statistically. With the help of computer supported databases it is possible to keep comprehensive records about anamnestic information and results of clinical examination before and after all types of treatment including the assessment of the standard of outcome. If necessary the future treatment approaches can be altered. Therefore a computer supported database system using the latest features of object orientated relational database management systems was developed. The efforts of the German Society Of Maxillofacial Surgery to standardize the clinical records and treatment evaluations were considered. The introduced system features network compatibility, high performance query tools and can be managed by average computer users. Running it on actual customary hardware the processing speed considering the very large amount of data to be collected from thousands of patients with often more than 18 years of treatment is excellent. The introduced system contributes to the general approach to improve the treatment outcome and to better understand the etiology of cleft lip and palate.

Die Dissertationsschrift stellt eine Methodik und die Infrastruktur zur Entwicklung von dynamisch verteilbaren Anwendungen für heterogene Computersysteme vor. Diese Computersysteme besitzen vielfältige Rechenwerke, die Berechnungen in den Domänen Software und Hardware realisieren. Als erster Schritt wird ein übergreifendes und integriertes Vorgehen für den Anwendungsentwurf auf Basis eines abstrakten “Single-Source” Ansatzes entwickelt. Durch die Virtualisierung der Rechenwerke wird die preemptive Verteilung der Anwendungen auch über die Domänengrenzen möglich. Die Anwendungsentwicklung für diese Computersysteme bedarf einer durchgehend automatisierten Entwurfsunterstützung. In der Arbeit wird der dazu vorgeschlagene Ansatz formalisiert und eine neuartige Unterbrechungspunktsynthese entwickelt, die ein hinsichtlich Zeit und Fläche optimiertes, präemptives Verhalten für beliebige Anwendungsbeschreibungen generiert. Das Verfahren wird beispielhaft implementiert und mittels einer FPGA- Prototypenplattform mit Linux-basierter Laufzeitumgebung anhand dreier Fallbeispiele unterschiedlicher Komplexität validiert und evaluiert. / This thesis introduces a methodology and infrastructure for the development of dynamically distributable applications on heterogeneous computing systems. Such systems execute computations using resources from both the hardware and the software domain. An integrated approach based on an abstract single-source design entry is developed that allows preemptive partitioning through virtualization of computing resources across the boundaries of differing computational domains. Application design for heterogeneous computing systems is a complex task that demands aid by electronic design automation tools. This work provides a novel synthesis approach for breakpoints that generates preemptive behaviour for arbitrary applications. The breakpoint scheme is computed for a minimal additional resource utilization and given timing constraints. The approach is implemented on an FPGA prototyping platform driven by a Linux based runtime environment. Evaluation and validation of the approach have been carried out using three different application examples.