Von Marcel Dix, Dr. Ralf Gitzel, Chris M. Stich

Bei Leitsystemen der ersten Generation war es einfacher, Verfügbarkeiten von 15 und mehr Jahren sicherzustellen. Als proprietäre Systeme konzipiert, lag die gesamte Wartung und Pflege von Hard- und Software beim Hersteller. Seit den 80er Jahren werden in Leitsysteme jedoch zunehmend Hard- und Software von Fremdherstellern integriert, in der Regel Microsoft Windows sowie Standard-PCs und -Server. Die Abhängigkeit der Leitsysteme von diesen Fremdprodukten stellt eine besondere Herausforderung an das Lebenszyklus-Management der Leitsysteme dar. Der Grund: Die PC-Plattformen und Betriebssysteme haben relativ kurze Produkt-Lebenszyklen und werden von ihren Herstellern meist lange vor Ablauf der geplanten Lebensdauer des Leitsystems nicht mehr unterstützt.

Durch die Überalterung integrierter Fremdprodukte besteht eigentlich die Notwendigkeit, Leitsysteme auf aktuellere Produkte zu migrieren. Nun ist eine Migration aber auch mit zusätzlichen Lebenszyklus-Kosten verbunden. Solange Anlagenbetreiber keinen zusätzlichen Nutzen durch die Migration erkennen, sind sie daran interessiert, die bestehende Systemkonfiguration weiter zu verwenden. Daher sind in vielen Anlagen nach wie vor längst abgekündigte Betriebssysteme wie Windows NT oder Windows 2000 im Einsatz. Fällt jedoch eine Hardware-Komponente aus, kann dies zu Ersatzteil-Problemen führen, da sich die veralteten Betriebssysteme selten auf aktueller PC-Hardware ausführen lassen. Eine der häufigsten Ursachen dafür ist, dass Hardware-Hersteller für neuere Komponenten keine Treiber mehr für die abgekündigten Betriebssysteme bereitstellen. Eine interessante Möglichkeit zur Reduzierung der daraus resultierenden Abhängigkeit zwischen Hardware und Software bietet die Virtualisierung.

Virtuelle Maschine – der PC im PC

Einsatzdauer verlängert: Mit Hilfe von virtuellen Maschinen können alte Betriebssysteme und Leittechnik-Applikationen auf modernen Hardware-Plattformen weiterhin betrieben werden.

Bei der Hardware-Virtualisierung simuliert ein Softwareprogramm – die virtuelle Maschine (VM) – den veralteten Computer mit sämtlichen Hardware-Komponenten wie CPU, RAM, Festplatten und Netzwerkkarten. In dieser Umgebung können abgekündigte Betriebssysteme wie Windows NT oder Windows 2000 als Gastsysteme ausgeführt werden. Das Wirtssystem, auf dem die virtuelle Maschine läuft, basiert dagegen auf einer aktuellen Rechnerplattform, beispielsweise mit Windows XP als Betriebssystem. Eine wichtige Eigenschaft virtueller Maschinen ist, dass die simulierte Hardware nicht der physikalischen Hardware des Wirtssystems entsprechen muss: Auf einem hochmodernen Rechner, zum Beispiel mit einer Quad-Core-CPU und SATA-Festplatten, können problemlos PCs mit klassischer Hardware als virtuelle Maschine simuliert werden, auf denen die alten Betriebssystem-Klassiker nach wie vor lauffähig sind. Diese Eigenschaft lässt sich bei Leitsystemen nutzen, um alte Systemanwendungen auf neuer Hardware ausführen und so länger einsetzen zu können. Dabei gibt es einige Aspekte zu beachten:

Viele der am Markt verfügbaren Virtualisierungstools sind ungeeignet, um ältere Betriebssysteme darauf auszuführen. Dies liegt unter anderem an deren unterschiedlichen Virtualisierungsansätzen: Virtualisierungstools, die beispielsweise das zugrundeliegende Wirts-Betriebssystem in unabhängige Gastbereiche partitionieren (Betriebssystem-Virtualisierung), können kein anderes und damit auch kein älteres Betriebssystem im Gastbereich ausführen. Die Hardware-Virtualisierung erlaubt dagegen die Ausführung anderer und damit auch älterer Betriebssysteme. Bekannte Vertreter dieser Kategorie sind beispielsweise VMware oder Microsoft Virtual Server.

Längere Laufzeit bei gleichen Risiken

Sicher, Virtualisierung ermöglicht es, notwendige Modernisierungen der Leitsystem-Software zu vermeiden beziehungsweise aufzuschieben. Die Ausführung eines abgekündigten Betriebssystems in einer virtuellen Maschine ändert jedoch nichts an der Tatsache, dass der Hersteller sein Betriebssystem nicht mehr unterstützt. Für Windows-Betriebssysteme bedeutet dies unter anderem: Microsoft liefert keine weiteren Updates. Ein bereits abgekündigtes Betriebssystem zu betreiben, ist auch ohne Virtualisierung mit Sicherheitsrisiken verbunden. Das virtualisierte System ist diesen Gefahren ebenso ausgesetzt, da der virtuelle Rechner eigenständig ins LAN eingebunden werden kann. Leitsysteme sind in der Regel jedoch nicht mit externen IT-Netzwerken verbunden.

Virtuelle Maschinen können nur Standard-Hardwarekomponenten wie CPU, RAM, Festplatten und Ethernet-Karten simulieren. Auch wenn moderne Leitsysteme mittlerweile Standard-PCs von Fremdherstellern einsetzen, müssen diese zum Teil mit speziellen Hardware-Komponenten der Leitsystemhersteller erweitert werden. Dies können zum Beispiel spezielle Kommunikationskarten zur Anbindung der Bedienstationen an ein proprietäres Netzwerk im Feld sein. Solche Rechner lassen sich nicht vollständig virtualisieren.

Generell laufen Anwendungen in einer virtuellen Maschine langsamer, als direkt auf derselben Hardware ohne Virtualisierung. Leitsysteme müssen allerdings ebenso unter einer virtuellen Maschine bestimmte Performance-Anforderungen erfüllen, etwa hinsichtlich der Bildaufschaltzeiten und der Anzahl zu verarbeitenden Alarme und Meldungen je Zeiteinheit. Daher ist es wichtig, die Performance-Verluste einer VM gegenüber der zu ersetzenden Hardware zu ermitteln.

Die von ABB in umfangreichen Untersuchungen ermittelten Performance-Verluste einer virtuellen Maschine werden durch die leistungsfähigere Hardware kompensiert.

Der Performance-Verlust durch Virtualisierung ist je nach Virtualisierungstool unterschiedlich und wird von den Tool-Herstellern in einer Größenordnung zwischen 5 und 30 % angegeben. In praxisnahen Tests am ABB Forschungszentrum in Ladenburg wurden noch größere Unterschiede zwischen verschiedenen Virtualisierungstools festgestellt: Untersucht wurde die Performance der VMs von VMware ESX Server 3.0.1, VMware Server 1.0.1 und Microsoft Virtual Server 2005 R2. Die Messungen mit einer „Out-of-the-Box“-Installation (automatische Installation) der drei virtuellen Maschinen wurden auf identischer Hardware durchgeführt: einem IBM xSeries 346-Server mit zwei Intel Xeon-3.6-GHz-Prozessoren und 4 GByte RAM. Innerhalb der VMs wurde jeweils der gleiche Engineering-Arbeitsplatz des ABB-Leitsystems „System 800xA“ installiert. Für die Messungen wurde dann ein Testskript mit einer Serie von Engineering-Vorgängen abgearbeitet. Die Mess-Ergebnisse zeigen den relativen Performance-Verlust durch die VMs.

Für den diskutierten Anwendungsfall, alte Systemanwendungen mit Hilfe von Virtualisierung auf neuer Hardware auszuführen, wird der Performance-Verlust der Virtualisierung wieder durch die leistungsfähigere Hardware des Wirtssystems kompensiert. Denn nach dem Moorschen Gesetz verdoppelt sich die Leistung neuer Rechner etwa alle zwei Jahre.

Virtualisierung in zwei Schritten

Der Aufwand einer Migration bestehender Systemanwendungen in eine virtuelle Umgebung ist weitaus geringer als ein Wechsel zu einer neuen Leitsystemversion. Der Migrationsprozess, physikalische PCs in virtuelle zu überführen, wird auch Physical-to-Virtual-Migration oder P2V-Migration genannt. Die P2V-Migration umfasst die gesamte Software des zu virtualisierenden Rechners – also sein Betriebssystem, alle Anwendungen und Daten – und gliedert sich im Prinzip in die zwei Schritte:

• Erstellung einer virtuellen Maschine auf dem neuen Rechner;
• Kopieren der Software des alten physikalischen Rechners in die virtuelle Maschine.

Bei der Erstellung der VM spezifiziert der Benutzer deren Hardware-Ausstattung, unter anderem die Größe des virtuellen RAM oder die Anzahl virtueller Netzwerkkarten. Diesen Vorgang unterstützen meist komfortable Wizards (Konfigurations-Assistenten) der Virtualisierungslösungen. Die Software des Alt-Systems wird mit einem Datensicherungs-Werkzeug kopiert, das von dem physikalischen Rechner ein Festplatten-Abbild (Image) erstellt und anschließend innerhalb der virtuellen Maschine wiederherstellt. Dazu muss dieses Tool allerdings in der Lage sein, seine Images auch auf Rechnern mit unterschiedlicher Hardware wiederherzustellen. Schließlich stellt die simulierte Hardware der VM nur eine angenäherte Version des ursprünglichen physikalischen Rechners dar.

Spezielle P2V-Migrationswerkzeuge erledigen den beschriebenen Virtualisierungsprozess automatisiert und erstellen betriebsfertige virtuelle Maschinen. Der weitere Vorteil dieser Migrationstools: Der Virtualisierungsprozess ist nahezu online durchführbar, das heißt während der Laufzeit des zu virtualisierenden Rechners. Lediglich für das Umschalten zwischen dem Original und seinem virtuellen Abbild entsteht tool-abhängig eine kurze Unterbrechung im Bereich von wenigen Sekunden. Gerade bei Leitsystemen mit ihren hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit ist die Möglichkeit, Wartungsarbeiten online durchzuführen, besonders wichtig.

Autoren

Marcel Dix ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsprogramm Industrial Software Systems am ABB Forschungszentrum in Ladenburg.

Dr. Ralf Gitzel ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsprogramm Industrial Software Systems am ABB Forschungszentrum in Ladenburg.

Chris M. Stich ist Gruppenleiter Life Cycle Science am ABB Forschungszentrum in Ladenburg.