Asynchrone Kommunikation

Was ist asynchrone Kommunikation?

Asynchrone Kommunikation ist eine Form der Datenübertragung bei der die Daten nicht in einem kontinuierlichen Strom, sondern intermittierend übertragen werden. Als intermittierenden Datenfluss werden Datentransfers bezeichnet, die mit Unterbrechungen bzw. abwechselnd mit einem anderen Zustand auftreten.

Der wichtigste Aspekt der asynchronen Kommunikation ist, dass die Daten nicht in regelmäßigen Abständen übertragen werden, was eine variable Bitrate ermöglicht, und dass Sender und Empfänger nicht immer exakt synchronisiert sein müssen. Bei der asynchronen Übertragung werden Daten typischerweise byteweise gesendet, wobei jedem Byte ein Start- und ein Stoppbit vorangestellt werden.

Klassifizierung der asynchronen Kommunikation

Die asynchrone Kommunikation kann nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden:

• Basiert auf Medium: Drahtgebunden oder drahtlos.
• Basiert auf Datenrate: Hohe, mittlere oder niedrige Datenrate.
• Basiert auf Übertragungsmethode: Punkt-zu-Punkt, Broadcast oder Multicast.
• Basiert auf Zweck: Echtzeit-Streaming, Dateiübertragung oder Befehls- und Steuerkommunikation.

Bezug zur Software-Architektur – Das Konzept Asynchrone Kommunikation

In der Software-Architektur, besonders bei verteilten Systemen, spielt asynchrone Kommunikation eine entscheidende Rolle. Moderne Anwendungen nutzen Microservice-Architekturen, bei denen unabhängige Dienste asynchron kommunizieren, um hohe Verfügbarkeit und Skalierbarkeit zu erreichen. Event-driven Architekturen, bei denen Dienste auf Events oder Nachrichten reagieren, anstatt auf direkte Anfragen zu warten, sind stark auf asynchrone Kommunikationsmechanismen angewiesen.

Relevanz der Asynchronen  Kommunikation für die Softwareentwicklung

Asynchrone Kommunikation ist in der Softwareentwicklung von großer Bedeutung. Sie ermöglicht den Entwicklern:

• Flexibilität und Erweiterbarkeit: Dienste können unabhängig voneinander aktualisiert und skaliert werden, ohne die gesamte Anwendung zu beeinträchtigen.
• Fehlerresilienz: Wenn ein Service ausfällt, kann das System weiterhin in einem degradierten Modus funktionieren, anstatt vollständig zu versagen.
• Optimierte Performance: Durch die asynchrone Bearbeitung können Ressourcen effizienter genutzt und Latenzzeiten minimiert werden.

Methoden der asynchronen Kommunikation

Methoden der asynchronen Kommunikation bessern die User Experience indem sie  die Wartezeit  für den Benutzer reduzieren. Mit einer asynchronen Kommunikation können sich einzelne Elemente einer Website / App verändern. Bei einer Website können sich dank asynchroner Datentransfers einzelne Elemente verändern, ohne dass die gesamte Seite im Webbrowser neu geladen werden muss.

Beispiele für asynchrone Datenübertragung

Asynchrones JavaScript und XML (Ajax) sind Konzepte für die asynchrone Datenübertragung zwischen Internetbrowser und Server. Somit ermöglichen asynchrone Frontend- und Backend-Technologien dynamische Webinhalte. So steuert beispielsweise eine Ajax-Engine im Webbrowser das Nachladen von Content dezent im Hintergrund. 

Asynchrone Kommunikation – Ein Buffer zwischen Client und Server dient der Da­ten­puf­fe­rung (FIFO)

Auch bei einer RS232-Schnittstelle erfolgt die Datenübertragung asynchron. Was bedeutet nun asynchron? Im Gegensatz zur synchronen Schnittstelle, die sich eines Handshakes (Verabredung) zur Synchronisation bedient, besitzt dieser Interfacetyp einen Puffer in der Art einer Warteschlange (FIFO), in die die Daten geschrieben und zu gegebener Zeit vom Empfänger abgeholt werden können.

Protokolle die asynchrone Datenübertragung realisieren nutzen typischerweise Kennzeichen wie ein Startbit (Initial oder auch 0-Bit). Nach diesen Starbits erfolgt optional ein Prüfbit, auch Paritybit genannt, und mindestens ein Stopbit (1-Bit). Das Prüfbit kann entweder gerade oder ungerade sein. Wenn also die Zahl der 1en in dem übertragenen Byte gerade ist, so muss das Prüfbit 0 (bei ungerade) oder 1 (bei gerade) sein, sonst war die vorangegangene Übertragung nicht korrekt. Mechanismen wie diese gewährleisten dann bei asynchronen Datentransfers eine zuverlässige Übertragung.

Methoden zur asynchronen Datenübertragung

Folgende Methoden haben sich für die asynchrone Datenübertragung etabliert:

• REST (REpresentational State Transfer)
• JSON (JavaScript Objekt Notation) 

Ältere Verfahren wie SOAP oder proprietäre Datenformate kommen bei modernen Cloud- oder Microservice-Architekturen nur vereinzelt zum Einsatz und gelten inzwischen als technologisch überholt. 

Asynchroner versus synchroner Datentransfer

Neben asynchronen Verfahren gibt es die Methode der synchronen Kommunikation.

Fazit

Asynchrone Kommunikation ist nicht nur ein technisches Konzept, sondern beeinflusst auch die Art und Weise, wie Software entwickelt und bereitgestellt wird. Sie ermöglicht es Teams, flexibler zu arbeiten, die Systemverfügbarkeit zu maximieren und ein besseres Benutzererlebnis zu bieten. In Bezug auf die Softwareentwicklung führt sie zu einer schnelleren Markteinführung, reduzierten Kosten und verbesserten Dienstleistungen. Das Verständnis asynchroner Kommunikationskonzepte ist daher für Entwickler, Architekten und Geschäftsleute gleichermaßen von entscheidender Bedeutung.

Herausforderungen mit asynchroner Kommunikation

Asynchrone Kommunikation bietet viele Vorteile, aber sie bringt auch Herausforderungen mit sich, die bei der Implementierung berücksichtigt werden müssen:

1. Komplexität im Systemdesign:
   • Das Handling von Nachrichten und Ereignissen kann komplex werden, besonders in Systemen mit mehreren Microservices.
   • Entwickler müssen sicherstellen, dass Nachrichten nicht verloren gehen, doppelt verarbeitet oder in der falschen Reihenfolge empfangen werden.
2. Fehlerbehandlung und Resilienz:
   • Wenn ein Dienst ausfällt, müssen Nachrichten zwischengespeichert und später erneut verarbeitet werden können.
   • Mechanismen wie Retry-Strategien oder Dead Letter Queues sind essenziell, um die Datenintegrität zu gewährleisten.
3. Transaktionen und Konsistenz:
   • In einer asynchronen Architektur ist es schwierig, transaktionale Konsistenz über mehrere Dienste hinweg zu gewährleisten.
   • Konzepte wie Saga Pattern oder Eventual Consistency helfen, diese Herausforderung zu bewältigen.
4. Monitoring und Debugging:
   • Asynchrone Systeme erfordern spezialisierte Tools für das Monitoring, um Fehler in der Nachrichtenverarbeitung oder Verzögerungen zu erkennen.
   • Log-Analyse und verteilte Tracing-Tools wie Jaeger oder Zipkin sind entscheidend für die Fehleranalyse.

Best Practices für die Implementierung asynchroner Kommunikation

Asynchrone Kommunikation bietet Flexibilität und Skalierbarkeit, doch ohne klare Strategien kann sie schnell unübersichtlich werden. Entdecke bewährte Methoden, um Deine Systeme effizient zu gestalten, Fehler zu minimieren und maximale Performance zu erreichen.

1. Verwendung von Nachrichten-Brokern:

   • Tools wie Apache Kafka, RabbitMQ oder Amazon SQS bieten robuste Mechanismen für asynchrone Kommunikation.
   • Diese Systeme unterstützen Funktionen wie garantierte Nachrichtenlieferung, Partitionierung und Skalierbarkeit.

2. Idempotenz sicherstellen:

   • Nachrichten sollten so gestaltet werden, dass ihre wiederholte Verarbeitung keinen negativen Effekt hat. Dies minimiert die Auswirkungen von Fehlern und verhindert Inkonsistenzen.

3. Timeouts und Circuit Breakers:

   • Asynchrone Kommunikation kann zu Verzögerungen führen. Timeouts und Circuit Breakers verhindern, dass ein System durch langsame oder ausgefallene Dienste blockiert wird.

4. Nachrichtenformate standardisieren:

   • Die Verwendung von JSON, Avro oder Protobuf erleichtert die Interoperabilität zwischen verschiedenen Diensten und Technologien.

Anwendungsfälle für asynchrone Kommunikation

1. E-Commerce-Plattformen:

   • Bestellprozesse, bei denen Aufträge asynchron verarbeitet und Lagerbestände, Zahlungsstatus und Versanddetails separat aktualisiert werden.

2. IoT-Systeme:

   • Sensoren, die Daten asynchron an zentrale Server senden, um Echtzeit-Analysen oder Berichte zu ermöglichen.

3. Event-driven Architekturen:

   • Anwendungen, die auf Nutzeraktionen oder Systemereignisse reagieren, z. B. bei Benachrichtigungen, Push-Updates oder Streaming-Diensten.

Anwendungsfälle asynchroner Kommunikation in der Telematikinfrastruktur

Die Telematikinfrastruktur (TI) im Gesundheitswesen ist ein Paradebeispiel für den Einsatz asynchroner Kommunikation. Sie ermöglicht eine effiziente, sichere und skalierbare Übertragung sensibler Gesundheitsdaten zwischen verschiedenen Akteuren, wie Ärzten, Apotheken, Krankenhäusern und Patienten.

E-Rezept

Asynchrone Übertragung von Verordnungen zwischen Arztpraxis, Apotheken und Krankenkassen, ohne dass alle Parteien gleichzeitig online sein müssen.

Elektronische Patientenakte (ePA)

Datenaustausch zwischen Leistungserbringern und Versicherten, bei dem Dokumente und Befunde asynchron hochgeladen und abgerufen werden können.

Qualitätsberichte und Abrechnungsdaten

Asynchrone Kommunikation ermöglicht die Übermittlung großer Datenmengen, z. B. bei der Qualitätssicherung oder der Abrechnung von Leistungen, ohne die Systeme zu überlasten.

Notfalldatenmanagement

Notfalldaten können jederzeit aus der TI abgerufen werden, unabhängig davon, ob der ursprüngliche Datengeber online ist.

Telemedizinische Anwendungen

Video- und Datenübertragungen für telemedizinische Konsultationen, die oft asynchrone Komponenten wie Vorab-Diagnosen und Berichtserstellung enthalten.

Warum asynchrone Kommunikation für die Telematikinfrastruktur entscheidend ist

Daten in Bewegung: In einer absehbar hochvernetzten Welt in unserem Gesundheitswesens sorgt asynchrone Kommunikation dafür, dass Daten effizient und sicher fließen – unabhängig von Zeit und Verfügbarkeit. Sie ermöglicht nicht nur den reibungslosen Austausch sensibler Gesundheitsinformationen, sondern legt auch die Grundlage für Innovationen wie E-Rezepte und telemedizinische Dienste.

Datenschutz und vertrauensvolle TI-Services stehen hier ebenso im Fokus wie die Bedürfnisse und Anforderungen der Nutzer*innen und User Experience.

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