Vergleich zwischen Client-Server-Modell und Producer-Consumer-Modell in der Datenkommunikation

In der Datenkommunikation und Netzwerkarchitektur spielen das Client-Server-Modell und das Producer-Consumer-Modell eine zentrale Rolle. Beide Modelle bieten verschiedene Ansätze zur Datenübertragung und -verarbeitung, die je nach Anwendungsfall ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Dieser Blog-Beitrag zielt darauf ab, einen Überblick über diese Modelle zu geben und ihre Anwendung auch im Kontext von Controller Area Networks (CAN) zu beleuchten.

„Client-Server-Modell“ und „Producer-Consumer-Modell“ sind die wichtigsten Paradigmen der Datenkommunikation. Während das Client-Server-Modell immer eine one-to-one Kommunikationsbeziehung zwischen einem Client und einem Server beschreibt (auch wenn mehrere Clients möglich sind), beschreibt das Producer-Consumer-Modell eine one-to-many Kommunikationsbeziehung zwischen einem Producer und einem oder mehreren Consumers. Alle modernen Datenkommunikationskonzepte der industriellen Automatisierung unterstützen sowohl das Producer-Consumer- als auch das Client-Server-Modell.

Das folgende Bild zeigt den Ablauf eines bestätigten Dienstes im Client-Server-Modell in Form eines Sequenzdiagramms. Hierbei symbolisieren die senkrechten Striche die lokalen bzw. entfernten Schichten des OSI-Modells der beiden beteiligten Teilnehmer, die schräg verlaufenden Linien die zeitbehaftete Übertragung von Protokolldateneinheiten über das Übertragungsmedium. Eine Dienstanforderung auf Ebene 7 könnte z. B. die Anforderung zum Lesen einer Variablen in einem entfernten Teilnehmer sein. In diesem Falle würde dem Client-Teilnehmer bei erfolgreichem Abschluss des Dienstes mit der Dienstbestätigung der angeforderte Variablenwert übergeben werden.

Sequenzdiagramm eines bestätigten Dienstes im Client-Server-Modell der Datenkommunikation in Form eines Sequenzdiagramms.

Kommunikationsdienste, bei denen ein Teilnehmer anderen Teilnehmern unaufgefordert oder nach vorheriger, einmaliger Anforderung (Subscription) Daten z. B. in Form einer Multicast- oder Broadcastnachricht bereitstellt, werden durch das sogenannte "Producer-Consumer"-Modell beschrieben (siehe folgendes Bild). Die vom Producer bereitgestellten Dienste (im allgemeinen Bereitstellung von Daten) werden anderen Teilnehmern über eine Dienstanzeige angeboten und können von diesen angenommen (konsumiert) werden oder unbeachtet bleiben. Da der Producer normalerweise die konsumierenden Teilnehmer nicht kennt, ist eine Dienstbestätigung nicht zweckmäßig. Dieses Modell beschreibt z. B. die Übertragung von CAN-Nachrichten.

Sequenzdiagramm einer Dienstanforderung im Producer-Consumer-Modell.

Vergleich der Modelle

Kommunikationsfluss

• Client-Server-Modell: Hier ist die Kommunikation oft anfragebasiert, d.h., der Client initiiert die Kommunikation durch eine Anfrage, auf die der Server antwortet.
• Producer-Consumer-Modell: Die Kommunikation wird durch die Produktion von Daten ausgelöst, wobei der Consumer auf das Eintreffen neuer Daten wartet, um diese zu verarbeiten.

Skalierbarkeit und Flexibilität

• Client-Server-Modell: Skalierbarkeit kann durch das Hinzufügen weiterer Server oder durch Lastverteilung erreicht werden. Die Flexibilität ist jedoch durch die zentrale Natur des Servers eingeschränkt.
• Producer-Consumer-Modell: Dieses Modell bietet eine hohe Skalierbarkeit und Flexibilität, da Produzenten und Konsumenten unabhängig voneinander skaliert werden können.

Fehlertoleranz

• Client-Server-Modell: Durch die zentrale Rolle des Servers ist durch dessen Ausfall das komplette System beeinträchtigt. 
• Producer-Consumer-Modell: Die Entkopplung von Produzenten und Konsumenten kann zu einer höheren Fehlertoleranz führen, da der Ausfall eines Elements das Gesamtsystem weniger beeinträchtigt.

Einsatz im Controller Area Network (CAN)

CAN verwendet für die grundlegende Kommunikation das Producer-Consumer-Modell, hierdurch wird eine effiziente Übertragung von Nachrichten zwischen z. B. verschiedenen Steuereinheiten (ECUs) oder Sensoren im Automobil ohne einen zentralen Server ermöglicht. Jede Steuereinheit kann sowohl als Produzent als auch als Konsument von Daten fungieren, was eine flexible und dezentralisierte Kommunikation ermöglicht. Die von Produzenten (Steuergeräte oder Sensoren) erzeugen Daten werden auf den Bus gesendet, ohne einen spezifischen Empfänger zu adressieren. Konsumenten (andere Steuergeräte oder Aktoren) hören auf den Bus und verarbeiten die für sie relevanten Daten. Diese Architektur ermöglicht eine effiziente und flexible Datenübertragung in Fahrzeugnetzwerken, da Nachrichten von jedem Knoten im Netzwerk abgerufen werden können, der sie benötigt, was die Komplexität der Datenübertragung reduziert, und die Systemzuverlässigkeit erhöht.

Zusammenfassung

Während das Client-Server-Modell eine zentrale, anfragebasierte Kommunikationsstruktur bietet, zeichnet sich das Producer-Consumer-Modell durch seine Entkopplung und Event-basierte Datenübertragung aus. In CAN-Systemen passt das Producer-Consumer-Modell gut zur dezentralen und robusten Natur des Netzwerks, indem es eine flexible und skalierbare Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten ermöglicht.