Funktionsorientierte Bausteine zur Integration kontinuierlicher Medien in verteilte Anwendungen

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer komfortablen Beschreibung verteilter Anwendungen, die kontinuierliche Medien integrieren. Die Klarheit des Ansatzes ergibt sich aus der Beschränkung auf die anwenderrelevanten Funktionalitäten. Weitere Gebiete, die systembezogen sind, wurden nur soweit wie nötig behandelt. Die Aufgaben anderer Bereiche, wie des Betriebssystems und des Managementsystems sowie der Kommunikationsdienste, konnten nur gestreift werden, indem die anwendungsabhängigen Anforderungen spezifiziert wurden. Durch deren Extraktion und die Zuordnung der Anforderungen an die einzelnen Bereiche, ergibt sich eine klarere Sicht auf Betriebssystem, Management und Kommunikationsdienste und deren notwendige Weiterentwicklung. Das entwickelte Funktionenmodell beschreibt zusammenhängend alle mit kontinuierlichen Medien verbundenen Arbeiten. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie aus den Funktionen auf kontinuierlichen Medien durch die Spezifikation geeigneter Schnittstellen Bausteine zur Integration der Medien in verteilte Anwendungen erstellt werden. Die Beschrei­ bung der Bausteine erfolgt durch diese Schnittstellen; es sind Steuer-, Daten- und Managementschnittstellen. Die Herauslösung der gesonderten Beschreibung der Multimedia-Datenflußstruktur schafft einerseits die Grundlage für eine Teilklassifikation der Anwendungen nach Medien-­Gesichtspunkten. Andererseits kann die Erstellung einer Anwendung aus einer bestimmten Anwendungsklasse, wie zum Beispiel ein einfaches Wiedergabesystem, durch die gesonderte Beschreibung der Multimedia-­Datenflußstruktur schneller in der Bausteinstruktur realisiert werden. Das Funktionenmodell wird auch in [Fritzsche96] beschrieben. Das in dieser Arbeit konzipierte Bausteinmodell gewährleistet eine integrierte Beschreibung von Geräten, Werkzeugen und Anwendungen kontinuierlicher Medien. Die verwendete Beschreibungstechnik erlaubt dabei nicht nur eine übersichtliche Darstellung sondern bietet auch hierarchische Strukturierungen an. Das Zusammenspiel der Bausteine erfordert zu­ sätzliche Komponenten zur Steuerung und Abstimmung der einzelnen Funktionen, die in dieser Arbeit neu eingeführt werden. Es lassen sich sowohl zentralistische als auch verteilte Steuerungen realisieren. Mit einer entsprechenden Schnittstelle versehen kann eine Steuerkomponente eine ganze Gruppe von Bausteinen dem Benutzer als Einheit zur Verfügung stellen. Somit lassen sich auch verschiedene Medien und/oder mehrere Funktionen gemeinsam mit einer Steuerkomponente zu einem Baustein zusammenfassen. Diese zusammenge­ setzten Bausteine bieten nun echte Multifunktionalität und Multimedialität. Durch die Komponenten- und Anwendungsmodellierung nach [Zimm93] wird darüber hinaus eine flexible, auch dynamisch änderbare Anwendungsstruktur vom Anwendungs-Management ermöglicht. Das Bausteinmodell wird auch in [Fritzsche96] behandelt. Bisherigen Ansätzen für Multimedia-Komponenten fehlt die allgemeine Interoperabilität der Komponenten. Diese kann nur durch eine umfassende, formale Spezifikation der Komponenten-Schnittstellen, insbesondere aber von Steuerschnittstellen, erfolgen. Zur Spezifikation der Schnittstellen ist die Integration der kontinuierlichen oder zeitabhängigen Medien als abstrakte Datentypen unabdingbar. Auf diese Art werden aus den Komponenten Bausteine. Im vorliegenden Ansatz wurden erstmalig Steuerschnittstellen für Multimedia-Komponenten spezifiziert und als Hierarchie dargestellt. Der neue Ansatz erlaubt es daher, multimediale Systeme nach einem Baukastensystem zu erstellen, indem Bausteine durch Bindung untereinander zu einer Anwendung zusammengesetzt werden. Nach der Verbindungsstruktur der multimedialen Anwendung können verschiedene Anwendungstypen unterschieden werden. Die Definition der Komponentenschnittstellen bezieht sich auf ein abstraktes Datenmodell für kontinuierliche Medien. Das Datenmodell ist eine eigenständige Weiterentwicklung der Ansätze von [Herrtw91] und [Gibbs94] und kann auch zur Realisierung der Komponenten verwendet werden. Multimediadaten wurden zunächst auf zwei Ebenen als Sequenz und Sequenzelemente modelliert. Daraus lassen sich bereits einige Funktionen auf den Daten ableiten, die von den Bausteinen realisiert werden müssen. Kennzeichnend für die Sequenzelemente ist, daß sie die Zeitparameter Zeitpunkt und Dauer besitzen und damit eine explizite Integration der Zeit in das Datenmodell realisieren. Aus diesen Parametern der Elemente können auch für die Sequenz die Parameter Zeitpunkt und Dauer abgeleitet werden. Somit könnte eine Sequenz selbst wieder Element einer Sequenz werden. Da diese Sequenzen von Sequenzen aber zum Teil schwer zu handhaben sind und zum Aufbau von sehr komplexen Verschachtelungen verleiten, wird in dieser Arbeit eine andere Erweiterung der Datenhierarchie, eine Liste, vorgestellt. Diese Erweiterung führt nur eine weitere Hierarchieebene oder Granularitätsstufe ein, ist aber durch die vorgegebenen Funktionen gleichmächtig wie die Verschachtelung der Sequenzen, im Operationsablauf aber leichter nachzuvollziehen. Die Liste repräsentiert die gröbste Granularitätsstufe. Diese ist mit der Titelfolge einer Schallplatte oder einer CD vergleichbar. Die einzelnen Teile haben zueinander nur eine lose Ordnung. In der ersten Verfeinerung der Granularität wird in jedem einzelnen Listenelement eine strenge zeitliche Ordnung gefordert; ein Listenelement ist eine Sequenz. In der zweiten Stufe der Verfeinerung, der Unterteilung der Sequenzen, treten die bereits bekannten Se­ quenzelemente auf. Die Daten werden im Ticker-Schrittgeber-Modell interpretiert. Dieses Modell erhält zwei Zeitebenen, den Ticker als Bezugssystem der Funktionen untereinander und den Schrittgeber als Steuerung der einzelnen Funktionen. Ein zweistufiges Uhrenmodell mir festgesetzten Operationen und Uhrenbeziehungen wird in dieser Arbeit neu eingeführt. Die Beziehung zwischen Schrittgeber und Ticker ist, daß ein Schritt nach einer bestimmten Anzahl von Ticks erfolgt. Der Startwert des Tickers kann frei gewählt werden, ebenso der Startwert des Schrittgebers. Für den Schrittgeber bestimmt sein Start-Tick, wann er beginnt fortzuschreiten. Ein Schrittgeber ist mit genau einer Sequenz verbunden, deren Start-Schritt beschreibt, bei welchem Schrittwert das erste Sequenzelement gültig wird. Die Start-Zeitpunkte der Elemente und ihre Dauern werden in Schritten gemessen. Das Datenmodell für Multimedia wurde in [Fritzsche95] veröffentlicht. Implementierungen Als Grundlage für die Entwicklung der Bausteine zur Integration kontinuierlicher Medien in verteilte Anwendungen wurden die Funktionen auf den Medien herangezogen. Diese sind in ihren einfachsten Formen die Grundfunktionen Perzeption, Präsentation und Speicherung der Medien, wobei die Speicherung in die Funktionen Schreiben in den Speicher und Lesen aus dem Speicher geteilt wird. Die durch die Perzeption festgelegten, oder künstlich erzeugten Mediendaten können zwischen den einzelnen Funktionen übertragen werden. Eine Bearbeitung der Daten ist beim Austausch zwischen den Funktionen möglich. Die Veränderung der Daten und ihr Bezug zu den Grundfunktionen wird durch die Verarbeitungsfunktionen der Typen f 1 bis f 5 beschrieben. Die Funktionen werden durch Operationen gesteuert, die aus dem Datenmodell abgeleitet werden. Insbesondere wird so auch die explizite Veränderung der Zeitparameter möglich. Somit bietet das Datenmodell eine geeignete Grundlage für jede Art der Verarbeitung kontinuierlicher Medien. Das entwickelte Modell unterstützt die Anwendungserstellung durch objektorientierte Ansätze auf den Ebenen der Konzeption, der Anwendungsspezifikation und der Komponentenentwicklung. Konzeptionell bietet das Funktionenmodell die schnelle und übersichtliche Darstellung der Anwendung. Die aus dem Funktionenmodell ableitbare Anwendungsspezifikation unterstützt die weitere Entwicklung durch Anwendungs- und Komponentenschablonen, sowie durch die vorgefertigte und erweiterbare Hierarchie der Schnittstellen und durch die Bibliotheken für Standardbausteine. Die Verwendung dieser Elemente der Anwendungsspezifikation läßt sich teilweise automatisieren. Das Ergebnis der Anwendungsspezifikation ist eine Menge von Komponenten, die alle vollständig spezifiziert sind. Diese Komponenten sind die funktionsorientierten Bausteine zur Integration kontinuierlicher Medien in verteilte Anwendungen. Im ersten Schritt wurde das vorgestellte Datenmodell mit seinen Operationen in einer objektorientierten Programmiersprache (C [Lipp91]) implementiert [Braun92]. Darauf aufbauend wurden verschiedene Anwendungsfunktionen und Normalisierungsoperationen entwickelt und für den Bereich Audio realisiert [Bast93]. Die von den Funktionen auf kontinuierlichen Medien abgeleiteten Bausteine werden, wie in der vorliegenden Arbeit ausführlich dargestellt, als Komponenten verteilter Anwendungen realisiert. Aus den verschiedenen Realisierungsebenen sollen hier zwei Beispiele hervorgehoben werden. Zunächst wird auf die Komponentenrealisierung eingegangen; danach folgt die Realisierung von Tickern und enger Kopplung. Diese beiden Punkte stellen zentrale Aufgaben des Ansatzes dar. Realisierung von Komponenten Die Realisierung der Komponenten gliedert sich in zwei Abschnitte. Der erste Abschnitt ist die Zerlegung einer Komponente in Standardobjekte nach [Zimm93]. Die Standardobjekte entstammen Kommunikationsklassen, Stub-­ und Dispatcherklassen, Anwendungsklassen und Kooperationsprotokollklassen. Die Objekte der Anwendungsklassen realisieren die Anwendungsfunktionalität der Komponente. Das Ausprogrammieren dieser Objekte stellt den zweiten Abschnitt der Komponentenrealisierung dar. Dazu liefert das entwickelte Datenmodell die Programmierunterstützung. Zur Abbildung der Spezifikationskonstrukte der Komponenten auf Implementierungskonstrukte wird in [Zimm93] eine Methode vorgestellt, die die unterschiedlichen Konstrukte für Schnittstellen, Kommunikationskontexte und Komponenten auf Klassen und Objekte abbildet. So entsteht eine Klassenhierarchie von C Klassen [Lipp91] für kommunikations-­, anwendung-s­ und managementorientierte Objekte. Weiterhin wird in [Zimm93] ein Verfahren vorgestellt, durch das in Abhängigkeit von den Eigenschaften einer Komponente parallel ablaufende Datenflüsse in ein System von leichtgewichtigen Prozessen (Threads) transformiert werden können. Als Resultat gewinnt man eine modulare Softwarearchitektur der Komponente, die sich aus interagierenden Objekten und zugehörigen Threads zusammen­ setzt. In [Zimm93] werden folgende Objektklassen unterschieden: . Kommunikationsklassen . Stub-­ und Dispatcherklassen . Anwendungsklassen . Kooperationsprotokollklassen. Eine elementare Objektarchitektur aus diesen Klassen ist in Abbildung 54 dargestellt. Es gibt jeweils eine Realisierung für eine Supplier-Komponente und eine Consumer- Komponente. Die Anwendungsobjekte können bezüglich ihrer Funktionalität in initiierende und akzeptierende Objekte eingeteilt werden. Im Falle unidirektionaler Schnittstellen sind die Anwendungsobjekte auf der Konsumentenseite (z.B. Benutzerkomponente) für die Initiierung von Methoden an Schnittstellenobjekten verantwortlich. Beispielsweise ist ein Anwendungsobjekt innerhalb der Benutzerkomponente für die Initiierung der Steueroperationen verantwortlich. Im Falle von interaktiven Komponenten [Zimm93] erfolgt dazu ein Benutzerdialog mit einem interaktiven Benutzer. Also realisiert innerhalb der Benutzerkomponente das Anwendungsobjekt einen solchen Benutzerdialog. Anwendungsobjekte auf der Konsumentenseite stellen somit typischerweise keine eigenen Methoden bereit, sondern bestehen lediglich aus einem Konstruktor. Auf der akzeptierenden Seite, den Anbieter (Supplier), realisiert ein Anwendungsobjekt die Operationen an einer Schnittstelle. Dazu wird eine Methode accept benötigt, falls ein verbindungsorientierter Kommunikationskontext zugrunde liegt. Diese Methode dient der Behandlung eingehender Verbindungswünsche. In [Alireza94] werden verschiedene Komponentenrealisierungen ausführlich vorgestellt. Die Realisierung der Ticker und Schrittgeber stellt die Einbettung der zeitbezogenen Komponenten in ihre (Betriebssystem­) Umgebung dar. Ähnlich, wie eine Komponente über den Socketmechanismus Zugang zum Kommunikationssystem erhält, erhält eine zeitbezogene Komponente über den Ticker-Schrittgeber-Mechanismus Zugang zum Zeitbezugssystem. Denn die Schrittgeber beziehen sich auf Ticker, Ticker aber auf die Systemzeit. Da auch die Systemzeit als Takt zur Verfügung gestellt wird, können Ticker und Schrittgeber wegen ihrer ähnlichen Funktionalitäten aus einer gemeinsamen Zeitgeberklasse abgeleitet werden. Im Anhang C ist die Deklaration dieser gemeinsamen Klasse angegeben. In einer Anwendung beziehen sich die Schrittgeber verschiedener Komponenten auf einen gemeinsamen Ticker. Dieser Ticker liegt in der Systemumgebung der den Komponenten gemeinsamen interaktiven Benutzerkomponente. Die interaktive Benutzerkomponente verteilt die Ticks über die Steuerschnittstellen an die Komponenten und realisiert so die enge Kopplung der Komponenten. Bei einer Tickrate von 600 Hz ist es nur innerhalb eines Systems sinnvoll jeden Tick als Ereignis zu verteilen. Anstatt nun zu jedem Tick ein Ereignis zu verteilen werden bei der Tickverteilung Tickwerte mit fester Rate verteilt, wobei diese Rate in die Größenordnung der Schritte fällt. Um die Übertragungsraten gemäß den Anforderungen an der Steuerschnittstelle klein zu halten, wird zu jedem Schritt nur ein Teil (1 Byte) des Tickwertes übertragen. Begonnen wird mit der Übertragung des höchstwertigen Bytes, so daß im letzten Schritt einer Tickerübertragung mit dem letzten Byte der genaue aktuelle Tickwert übertragen wird. Ähnliche Verfahren werden bereits bei anderen Synchronisations­ verfahren verwendet. Eine genaue Beschreibung sowie die Kodierung für die verschachtelte Übertragung von Tickwerten und Schnittstellen­Aufrufen wird in [Hesme93] vorgestellt. Weitere Entwicklung Zur Realisierung verteilter multimedialer Anwendungen, muß man die einzelnen verteilten Komponenten bestimmen und ihre Funktion beschreiben. Die Komponenten tauschen unter­ einander Steuerungsinformationen und Multimediadaten aus. Diese Daten und das beim Austausch verwendete Protokoll sollten allgemein standardisiert sein, um den Zusammen­ schluß heterogener Systeme zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie sowohl die Daten als auch das Zusammenspiel der Komponenten festgelegt werden können. Obwohl alle Geräteklassen und Geräte­ funktionen sowie verschiedene Werkzeuge entwickelt wurden, und das vorgestellte Modell die gesamte Entwicklung verteilter multimedialer Anwendungen unterstützt, ist dieses große Gebiet noch lange nicht erschöpfend behandelt. Eine Erweiterung der Managementschnittstellen und die Realisierung von komplexen Werkzeugen sind die vordringlichsten Aufgaben. Damit entsteht ein mächtiges Entwicklungswerkzeug für Multimediaanwendungen. Funktionsorientierte Bausteine zur Integration kontinuierlicher Medien in verteilte Anwendungen Eine weitere Aufgabe ist die genauere Untersuchung der Nebenbedingungen, die zur Unterscheidung der Funktionen der Typen f 1 bis f 5 führten. Aus diesen Untersuchungen sowie aus den Ergebnissen der Ticker- und Schrittgeber-Realisierung lassen sich dann genauer spezifizierte Anforderungen an die Betriebs- oder Kommunikations-Systeme ableiten