Kapittel 6: Arkitekturdesign Carl-Fredrik Sørensen

Innhold Arkitektoniske designbeslutninger Arkitektoniske synsvinkler Arkitekturmønstre/patterns Applikasjonsarkitekturer (web based ++ Chap. 18)

Arkitektur: Hvorfor? Er dette relevant kunnskap? Hvem etterspør slik kunnskap? Hvordan kan jeg lære mer? TDT4240 Programvarearkitektur

Programvarearkitektur Spesifikasjon Utvikling Validering Evolusjon Designprosess for å identifisere delsystemene som skal danne løsningen/systemet og rammeverket for delsystem kontroll og kommunikasjon er arkitekturdesign. Resultatet av denne designprosessen er beskrivelse av programvarearkitekturen.

Arkitekturdesign: når og hva? I et tidlig stadium av utvikling. Gjennomføres ofte parallelt med noen spesifikasjonsaktiviteter. Hva? Representerer koblingen mellom spesifikasjon- og designprosess. Det innebærer å identifisere viktige systemkomponenter og deres relasjoner og kommunikasjon.

Arkitekturen til et kontrollsystem for en pakkerobot

Arkitektonisk abstraksjon Arkitektur i det små omhandler arkitekturen i individuelle dataprogrammer. På dette nivået er vi opptatt av hvordan et individuelt program er splittet opp i komponenter. Arkitektur i det store omhandler arkitekturen i komplekse forretningssystemer (enterprise systems) som inkluderer andre systemer, programmer og programkomponenter. Forretningssystemer er distribuert over forskjellige datamaskiner som kan være eid og forvaltet av forskjellige bedrifter.

Fordeler med eksplisitt arkitektur Interessentkommunikasjon Arkitekturen kan bli benyttet som et fokus for diskusjon mellom systeminteressenter. Systemanalyse Analyse for å fastslå om det er mulig at systemet kan møte sine ikke-funksjonelle krav. Storskala gjenbruk Arkitekturen kan bli gjenbrukt over et utvalg av systemer. Det kan utvikles arkitekturer for produktlinjer.

Boks og linjediagrammer Veldig abstrakt – de viser verken naturen til relasjoner mellom komponenter eller de eksternt synlige egenskapene til delsystemene. Men, nyttig for kommunikasjon med interessenter og for prosjektplanlegging.

Arkitekturen til et kontrollsystem for en pakkerobot

Arkitektur-representasjoner Enkle, uformelle blokkdiagrammer som viser entiteter og relasjoner, er mest benyttet for å dokumentere programvarearkitekturer. Disse blir kritisert fordi de mangler semantikk, ikke viser typene av relasjoner mellom entiteter ikke viser synlige egenskaper til entitetene i arkitekturen. Avhengig av hvordan bruken er av arkitekturmodeller. Kravene til modellsemantikk er avhengig av hvordan modellene blir brukt.

Arkitektroller Enterprise arkitekt Forretningsarkitekt Informasjonsarkitekt  Applikasjonsarkitekt Infrastruktur/teknologiarkitekt Forandringsarkitekt IAM-arkitekt Dataarkitekt

Bruk av arkitekturmodeller Fasilitere diskusjon om systemdesign Et høynivås bilde av et system er nyttig som et hjelpemiddel i kommunikasjon med systeminteressenter og i prosjektplanlegging. Ikke overfylt med detaljer. Interessenter kan relatere seg til og forstå et abstrakt bilde av systemet. Interessenter kan diskutere systemet som en helhet uten å bli forvirret av alle detaljer. Dokumentere en allerede designet arkitektur Hensikten er å produsere en komplett systemmodell som viser de forskjellige komponentene i systemet, deres grensesnitt og deres koblinger.

Arkitektoniske designbeslutninger Kreativ prosess som er forskjellig avhengig av hvilken type system som skal utvikles. Men, en del generiske beslutninger omfatter alle designprosesser og påvirker ikke-funksjonelle karakteristikker til systemet Eks.: FEIDE som påloggingsløsning for alle web-baserte NTNU-løsninger.

Arkitektoniske designbeslutninger – spørsmål Finnes de en generisk applikasjonsarkitektur som kan benyttes? Hvordan vil systemet bli distribuert (servere)? Hvilke arkitekturstiler/mønstre er passende? Hvilken metodikk vil bli benyttet til å strukturere systemet? Hvordan vil systemet bli oppdelt i moduler/komponenter/tjenester? Hvilken kontrollstrategi bør bli brukt? Hvordan evaluere arkitekturdesignet? Hvordan bør man dokumentere arkitekturen?

Arkitektur og gjenbruk Systemer innenfor det samme forretningsdomenet har ofte lignende/like arkitekturer som reflekterer domenekonsepter. Lønnssystem, banksystem, forsikringssystem, biblioteksystem, etc. Applikasjonsproduktlinjer er bygget rundt en kjernearkitektur med varianter som tilfredsstiller særskilte kundekrav. ERP, CRM Systemarkitekturen kan bli designet rundt en eller flere arkitekturmønstre eller stiler. Disse fanger essensen av en arkitektur og kan bli instansiert på forskjellige måter.

Arkitektur og ikke-funksjonelle karakteristikker - designvalg Performance – Gjør kritiske operasjoner lokalt (på en datamaskin) og minimaliser kommunikasjon. Bruk store heller en små finkornede komponenter. Security – Bruk en lagdelt arkitektur med de kritiske aktiva I de innerste lagene Safety - Lokaliser sikkerhetskritiske funksjoner i lite antall delsystemer. Availability – Inkluder overflødige komponenter og mekanismer for feiltoleranse. Maintainability – Benytt finkornete, erstattelige komponenter. Simplicity – “når du kan velge, velg den løsningen som leder mot færre komponenter, relasjoner, kodelinjer, dupliseringer”

Arkitektoniske synsvinkler – representasjoner Hvilke synsvinkler eller perspektiver er nyttig når man designer og dokumenter et systems arkitektur? Hvilke notasjoner bør bli brukte for å beskrive arkitekturmodeller? Hver arkitekturmodell viser bare en side/perspektiv av systemet. Dekomposisjon i moduler Interaksjon mellom kjøretidsprosesser Forskjellige måter systemkomponenter er distribuert over et nettverk Behov for å vise mange perspektiver av arkitektur både I design og dokumentasjon.

4 + 1 view model of software architecture A logical view, which shows the key abstractions in the system as objects or object classes – Class Diagrams A process view, which shows how, at run-time, the system is composed of interacting processes - Activity Diagrams A development view, which shows how the software is decomposed for development – Objects; Sequence Diagrams A physical view, which shows the system hardware and how software components are distributed across the processors in the system (Boxes – Arrows) Related using use cases or scenarios (+1)

Mer om arkitekturdesign Carl-Fredrik Sørensen

Archimate

Arkitekturmønstre/ Architectural patterns Metode for å representere, dele og gjenbruke kunnskap. Et pattern er en stilisert beskrivelse av god designpraksis som har blitt utprøvd og testet I forskjellige miljøer. Patterns bør inkludere informasjon om når de er og ikke er nyttige. Patterns kan bli representert vha tabeller og grafiske beskrivelser. MVC Layered Repository Client-server Pipe and filter

The Model-View-Controller (MVC) pattern Name MVC (Model-View-Controller) Description Separates presentation and interaction from the system data. The system is structured into three logical components that interact with each other. The Model component manages the system data and associated operations on that data. The View component defines and manages how the data is presented to the user. The Controller component manages user interaction (e.g., key presses, mouse clicks, etc.) and passes these interactions to the View and the Model. See Figure 6.3. Example Figure 6.4 shows the architecture of a web-based application system organized using the MVC pattern. When used Used when there are multiple ways to view and interact with data. Also used when the future requirements for interaction and presentation of data are unknown. Advantages Allows the data to change independently of its representation and vice versa. Supports presentation of the same data in different ways with changes made in one representation shown in all of them. Disadvantages Can involve additional code and code complexity when the data model and interactions are simple.

The organization of the Model-View-Controller Java SWING PHP .NET Ruby on Rails osv

Web application architecture using the MVC pattern

Lagdelt arkitektur Benyttes til å modeller grensesnitt mellom delsystemer. Organiserer systemet i et sett av lag (eller abstrakte maskiner) som hver enkelt tilbyr et sett av tjenester. Supporter inkrementell utvikling av delsystemer i forskjellige lag. Når et grensesnitt i et lag endres, så er bare tilstøtende lag som blir påvirket. Det er imidlertid ofte kunstig å strukturere systemer på denne måten.

The Layered architecture pattern Name Layered architecture Description Organizes the system into layers with related functionality associated with each layer. A layer provides services to the layer above it so the lowest-level layers represent core services that are likely to be used throughout the system. See Figure 6.6. Example A layered model of a system for sharing copyright documents held in different libraries, as shown in Figure 6.7. When used Used when building new facilities on top of existing systems; when the development is spread across several teams with each team responsibility for a layer of functionality; when there is a requirement for multi-level security. Advantages Allows replacement of entire layers so long as the interface is maintained. Redundant facilities (e.g., authentication) can be provided in each layer to increase the dependability of the system. Disadvantages In practice, providing a clean separation between layers is often difficult and a high-level layer may have to interact directly with lower-level layers rather than through the layer immediately below it. Performance can be a problem because of multiple levels of interpretation of a service request as it is processed at each layer.

A generic layered architecture hvert lag tilbyr tjenester til laget over og bruker tjenestene som tilbys av den underliggende lag

The architecture of the MHC-PMS How to express a concept like this with UML?

Oppsummering En programvarearkitektur er en beskrivelse av hvordan et programvaresystem er organisert. Beslutninger om arkitekturdesign inkludere beslutninger om applikasjonstype, systemdistribusjon og arkitekturstiler som skal benyttes. Arkitekturer kan bli dokumentert på mange forskjellige måter eller perspektiver, f.eks. conceptual, logical, process, and development view. Arkitekturmønstre er en metode for å gjenbruke kunnskap om generiske systemarkitekturer. De beskriver arkitekturen, når de kan bli brukt samt fordeler og ulemper med bruk.

Repository arkitektur Delsystemer må utveksle data. Dette kan bli gjort på to måter: Delte data blir holdt i en sentral database eller repository og kan bli aksessert av alle delsystemene;; Hvert delsystem vedlikeholder sin egen database og sender data eksplisitt til andre delsystemer.. Når store volum av data skal deles, så er repositorymodellen den mest vanlige siden denne er en effektiv mekanisme for deling av data.

The Repository pattern Name Repository Description All data in a system is managed in a central repository that is accessible to all system components. Components do not interact directly, only through the repository. Example Figure 6.9 is an example of an IDE where the components use a repository of system design information. Each software tool generates information which is then available for use by other tools. When used You should use this pattern when you have a system in which large volumes of information are generated that has to be stored for a long time. You may also use it in data-driven systems where the inclusion of data in the repository triggers an action or tool. Advantages Components can be independent—they do not need to know of the existence of other components. Changes made by one component can be propagated to all components. All data can be managed consistently (e.g., backups done at the same time) as it is all in one place. Disadvantages The repository is a single point of failure so problems in the repository affect the whole system. May be inefficiencies in organizing all communication through the repository. Distributing the repository across several computers may be difficult.

A repository architecture for an IDE

Klient-tjener arkitektur Distribuert systemmodell som viser hvordan data og prosessering er distribuert over et sett av komponenter. Sett av “stand-alone” tjenere som tilbyr spesifikke tjenester som f.eks. printing, data management, etc. Sett av klienter som kaller på disse tjenestene. Nettverk som tillater klienter å aksessere tjenere.

The Client–server pattern Name Client-server Description In a client–server architecture, the functionality of the system is organized into services, with each service delivered from a separate server. Clients are users of these services and access servers to make use of them. Example Figure 6.11 is an example of a film and video/DVD library organized as a client–server system. When used Used when data in a shared database has to be accessed from a range of locations. Because servers can be replicated, may also be used when the load on a system is variable. Advantages The principal advantage of this model is that servers can be distributed across a network. General functionality (e.g., a printing service) can be available to all clients and does not need to be implemented by all services. Disadvantages Each service is a single point of failure so susceptible to denial of service attacks or server failure. Performance may be unpredictable because it depends on the network as well as the system. May be management problems if servers are owned by different organizations.

“Pipe and filter” arkitektur Funksjonelle transformasjoner prosesserer sin input til å produser en output. Lignende som pipe and filter modell (UNIX shell). Varianter av denne metoden er veldig vanlig. Når transformasjoner kan utføres sekvensielt så er dette en modell som er veldig mye brukt i dataprosesseringssystemer. Lite passende i interaktive systemer.

The pipe and filter pattern Name Pipe and filter Description The processing of the data in a system is organized so that each processing component (filter) is discrete and carries out one type of data transformation. The data flows (as in a pipe) from one component to another for processing. Example Figure 6.13 is an example of a pipe and filter system used for processing invoices. When used Commonly used in data processing applications (both batch- and transaction-based) where inputs are processed in separate stages to generate related outputs. Advantages Easy to understand and supports transformation reuse. Workflow style matches the structure of many business processes. Evolution by adding transformations is straightforward. Can be implemented as either a sequential or concurrent system. Disadvantages The format for data transfer has to be agreed upon between communicating transformations. Each transformation must parse its input and unparse its output to the agreed form. This increases system overhead and may mean that it is impossible to reuse functional transformations that use incompatible data structures.

Applikasjonsarkitekturer Applikasjonssystemer er designet for å møte et organisatorisk behov. Siden organisasjoner har mye til felles, så tenderer applikasjonssystemene til å en felles applikasjonsarkitektur som reflekterer applikasjonskravene. F.eks. Telekommunikasjon, økonomi, arkiv, bibliotek En generisk applikasjonsarkitektur er en arkitektur for en type programvaresystemer som kan bli konfigurert og tilpasset til å lage et system som møter spesifikke krav.

Bruk av applikasjonsarkitekturer Som start for arkitekturdesign. Som en sjekkliste for design. Som en måte organiser arbeidet til utviklingsteamet. Som en metode for å vurdere komponenter for gjenbruk. Som et vokabular for å snakke om applikasjonstyper.

Eksempler på applikasjonstyper Dataprosesseringsapplikasjoner Data driven applications that process data in batches without explicit user intervention during the processing. Transaksjonsprosesseringsapplikasjoner Data-centred applications that process user requests and update information in a system database. Hendelsesprosesseringssystemer Applications where system actions depend on interpreting events from the system’s environment. Språkprosesseringssystemer Applications where the users’ intentions are specified in a formal language that is processed and interpreted by the system.

Transaction processing applications Data-centred applications that process user requests and update information in a system database. E-commerce systems Reservation systems ATM Pipe and filter Input processing output

Informasjonssystem-arkitektur Informasjonssystemer har en generisk arkitektur som kan bli organisert som en lagdelt arkitektur. Disse er transaksjonsbaserte systemer siden interaksjon generelt involverer databasetransaksjoner. Typiske lag: Brukergrensesnitt Brukerkommunikasjon Informasjonsgjenfinning Systemdatabase

Layered information system architecture

The architecture of the MHC-PMS

Web-baserte informasjonssystemer Informasjons- og ressurshåndteringssystemer er i dag webbaserte systemer hvor brukergrensesnittet er implementert vha. en web-browser. eHandling: Amazon, komplett.no, etc. Applikasjonsspesifikt lag inkluderer tilleggs-funksjonalitet som håndterer ‘handlevogn’ hvor brukere kan plassere ønskede produkter som separate transaksjoner, og så betale for alle i en enkel transaksjon.

Server implementering Slike systemer er ofte implementert som et flerlags klient/tjener arkitektur. Web server er ansvarlig for all brukerkommunikasjon, brukergrensesnittet er en webleser; Applikasjonsserveren er ansvarlig for å implementere applikasjonsspesifikk logikk i tillegg til informasjonslagring og gjenfinning; Databaseserveren flytter informasjon til og fra databasen og håndterer transaksjoner.

Språkprosesseringssystemer Accept a natural or artificial language as input and generate some other representation of that language. May include an interpreter to act on the instructions in the language that is being processed. Used in situations where the easiest way to solve a problem is to describe an algorithm or describe the system data Meta-case tools process tool descriptions, method rules, etc and generate tools. XML, REST/SOAP/JSON

The architecture of a language processing system

Compiler components A lexical analyzer, which takes input language tokens and converts them to an internal form. A symbol table, which holds information about the names of entities (variables, class names, object names, etc.) used in the text that is being translated. A syntax analyzer, which checks the syntax of the language being translated. A syntax tree, which is an internal structure representing the program being compiled.

Compiler components A semantic analyzer that uses information from the syntax tree and the symbol table to check the semantic correctness of the input language text. A code generator that ‘walks’ the syntax tree and generates abstract machine code.

Language processing systems Applications where the users’ intentions are specified in a formal language that is processed and interpreted by the system. Compilers Command interpreters XML Database English Norsk

A repository architecture for a language processing system

Konklusjon Modeller av applikasjonssystemarkitekturer hjelper oss å forstå og sammenligne applikasjoner, validere applikasjonssystemdesign og vurdere stor-skala komponenter for gjenbruk. Transaksjonsprosesseringssystemer er interaktive systemer som tillater informasjon i en database til å bli aksessert utenfra og modifisert av mange brukere. Språkprosesseringssystemer blir benyttet til å oversette tekst fra et språk til et annet og til å gjennomføre instruksjoner spesifisert i input-språket. Disse systemene inkluderer en oversetter og en abstrakt maskin som eksekverer det genererte språket.

Konklusjon Google «model view control» gives 90.700 results «pipe and filter architecture» gives 27.000 results «layered architecture» 362.000 «repository architecture» 47.400 «client server architecture»  1.130.000 Video: a song about MVC http://www.youtube.com/watch?v=YYvOGPMLVDo

What are the advantage of explicitly designing and documenting a software architecture? It improves stakeholder communications It encourages a detailed analysis of the system with respect to its quality attributes It helps with large-scale reuse.

What are the two ways in which an architectural model of a system may be used? As a means of facilitating discussion about the most appropriate architecture for a system. As a means of documenting the architecture of an existing or an intended system.

List 5 fundamental questions that should be addressed in architectural design? Is there a generic application architecture that can be used? How will the system be distributed? What architectural style or patterns are appropriate? How should the system be structured? What control strategy should be used?

What are the fundamental architectural views proposed in Krutchen’s 4+ 1 model? A logical view that shows the key abstractions of the system. A process view that shows the interacting processes in the system A development view that shows how the system is decomposed for development A physical view that shows the distribution of software on the system hardware  Use Cases (+1)

What is an architectural pattern? A stylized abstract description of good practice in architectural design that has been tried and tested in different systems and environments. The pattern should include information on when it is and is not appropriate to use that architectural design.