4. Architektur Design im Grossen

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1 4. Design im Grossen Ziel Was ist eine in der IT..und speziell in der Software Was macht ein Architekt Was hat das mit Software-Enginering zu tun Überblick vom Groben bis zum (Anfang des) Feinen Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 1

2 Agenda im Unternehmenskontext Design im Grossen Software- Ein Beispiel Tätigkeiten der bildung Elemente, Frameworks, Stile Konkrete Stile (Beispiele) bis hin zum Code Design im Kleinen Einführung in das Software Engineering Kontext des RE Basis von überlegungen Unternehmenskontext Anwendungsbereich Funktionale Anforderungen Requirements Nicht-funktionale Anforderungen Spezifikation Design Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 2

3 und Strategie in einem Unternehmen Business IT Markt Marktbeobachtung (IT Produkte) Geschäftsvision Geschäftsarchitektur Wir wollen Geschäftsprozesse innert 1 Tag abwickeln statt 2 Wir verarbeiten IT Vision Transaktionen pro Tag Wir verbinden die Systeme mit einem hochperformanten Messaging-Bus IT Strategie Fortschreibung IT Vision Softwarearchitektur System- IT IST IT-Landschaft Planung der Umsetzung: Quick-Wins und Gross-Projekte (Projektportfolio) P1 Px Zeit Einführung in das Software Engineering Arten von Geschäfts- (Prozesse, Organisation, Anwendungsblöcke) Software- (Programme, Daten) Technische System- (Infrastruktur) Wir betrachten gleich ein Beispiel Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 3

4 Agenda im Unternehmenskontext Design im Grossen Software- Ein Beispiel Tätigkeiten der bildung Elemente, Frameworks, Stile Konkrete Stile (Beispiele) bis hin zum Code Design im Kleinen Einführung in das Software Engineering SW- aus Anforderungen (Pflichtenheft, Produktmodell, Konzept UI, Benutzerhandbuch, (SA,OOA)) Software- & Spezifikation der Systemkomponenten entwerfen ( Programmieren im Großen ) Software- Zerlegung in Systemkomponenten und Beziehungen hierzwischen Systemkomponente: Klasse, ADT, Datenobjekt, Funktionsmodul Struktur Verhalten bei vielen Komponenten ggf. Strukturierung durch Schichtenarchitektur Reale Welt OOA OOD OOP Modell Design Programm Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 4

5 Design (Entwurf) im RUP Inception Elaboration Construction Transition Requirements Analyse Design Implementation Test Design im Grossen = steht am Anfang des Design Prozesses Hernach sukzessive Verfeinerung bis zum Design im Kleinen (bis hin zum Code-Level) Ziel ist eine gute, stabile und ein Blueprint des zu bauenden Systems (UML-Modell) => allmähliche Verlagerung des Fokus auf die Implementierung Einführung in das Software Engineering Betrachtung des Begriffes beschreibt Funktionalitäten, Strukturen, Beziehungen und Schnittstellen auf abstrakten Niveaus Hierzu werden Komponenten (auch im nicht-technischen Sinne) miteinander in Beziehung gebracht. Detaillierung: Verfeinerung in Detailierungsgraden, wie Konzept logische physische Betrachtung. (vgl.) Ebenen & Sichten: Im Sinne der IT werden oft en auf verschiedenen Schichten betrachtet: Geschäftsarchitektur, Software-, System-. Aufgabe der : koordiniere Lösungen entlang einer IT-Strategie. Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 5

6 Nutzen von Definition klarer, nutzbarer, wiederverwendbarer Strukturen und Best-Practices Reduktion von Risiken Erhöhung der Wartbarkeit Geordnete, planbare, kalkulierbare Entwicklung Langfristige Planung Einführung in das Software Engineering Agenda im Unternehmenskontext Design im Grossen Software- Ein Beispiel Tätigkeiten der bildung Elemente, Frameworks, Stile Konkrete Stile (Beispiele) bis hin zum Code Design im Kleinen Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 6

7 Geschäfts- ein grobes Beispiel (Bank) Marktzugang / Vertriebskanäle Schalter Online Bankomat Frontoffice Geld Derivate Wertpapiere Information Devisen Kredite Kontokorrent/Giro Backoffice Zahlungsverkehr Depot Verträge Geschäftliche definiert Elemente der Bank Prozesse Organisation Partner/Integration.. Buchhaltung Reporting Risiko Management CRM Stammdaten Marktdaten Marktzugang / Integration und Austausch Einführung in das Software Engineering Software- ein weiteres Beispiel Information Schalter- Web CLient Push Service Service Provider Client Dynamic HTML (Applet/ActiveX) HTTP (public) / HTTPS (ssl, members) Firewall Web-Server HTTPS HTTPS Client Presentation Layer Server Presentation Layer Software architecture example structure: Names & elements partly changed for privacy reasons Firewall static content Servlet Engine: information - public service providers servlets - pages dynamic part Web-Server + Servlet Engine Server Business Logic Layer Helpdesk - admininistration application; CTI Firewall(s) RMI/IIOP EJB RMI/IIOP Container: online components Servlet Engine: other servlets, dynamic part JDBC Storage -EJBs - several kinds of data (online) DB Backoffice Business Applications Several administration editors Server/J2EE Persistency layer Online Backoffice Layer J2EE RV Servlet Engine & EJB Containter (clones) temporary Storage Billing DB Billing admin. Offline Backoffice Layer Online backoffice services "make" or buy RV Push Server (user online => push/notify, *1) Billing Server (*1) Further Servers ("make") Messaging System (for example MOM, use publish/subscribe; request/reply) Batch process "Host to Entity Bean" files host to message message to host files HOST Accounting, Ledger Authentication Service Information Feed Service Information Persistence Server Conversion Service Line Handler(s) Furthers Services ("buy") Storage Management Service DB Host based offline services Firewall Firewall(s) Firewall(s) Information Sommersemster Service 2002 Provider Connect B2B Einführung in das Software Engineering clearing systems, int. payment Dr. Walter Kuhn 7

8 Technische (und Aufgaben) - Beispiel Präsentation Clientseitig, B2C Präsentation Server-Seitig Geschäftslogik Datenhaltung Client Client B2C B2B Front End Load Balancing Web Server Web Server Session Load Balancing Appl. Server Cluster Appl. Server Resource & Connection Management DB Server Cluster DB Server Storage Raid Host w. Legacy EAI external System ext. System Interfaces CRM, DWH, Financial, Inventory, problem tracking,.. Einführung in das Software Engineering Software-Engineerung & Konzentration auf die mittlere Ebene (Software- ) Aber Berücksichtigung der wichtigen Aspekte der anderen Ebenen Geschäftsarchitektur geforderte Funktionalität wird hier eingesetzt, um ein (geschäftliches) Ziel zu erreichen Software User Interface System- Umsetzung einiger nicht-funktioneller Anforderungen erforder Software-Hardware-Co-Design Bsp.: Performance Last-Balancierung Verteilung von Software auf Knoten Sicherheitsfragen Firewall., Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 8

9 Agenda im Unternehmenskontext Design im Grossen Software- Ein Beispiel Tätigkeiten der bildung Elemente, Frameworks, Stile Konkrete Stile (Beispiele) bis hin zum Code Design im Kleinen Einführung in das Software Engineering Fragen, die ein Architekt im Entwurf zu klären hat Profundes Verständnis der Entwurfsziele notwendig: funktionale und nicht-funktionale Requirements, wie Performance versus Sicherheit Load-Balancing & Verteilung & Nebenläufigkeit Implementatorischer & Plattformrelevanter Constraints Wiederverwendung von Komponenten Datenbanken, Transaktionsbehandlung UI, Programmiersprachen, schlagen sich (auch) im Code & im Entwurf nieder Implementierung = Verfeinerung des Designs, unterstützt durch architekturellen Blueprint, Code-Generatoren & Round-Trip-Engineering Zerlegung des Systems in kleinere Elemente: durch Schnittstellen charakterisiert & von verschiedenen Gruppen realisierbar Eigentlich nix neues ABER Architekt betrachtet diese Fragen auch im Kontext mit anderen, vorhandenen Systemen Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 9

10 Themen, Tätigkeiten und Fähigkeiten in der (1) Methoden des Software-Engineerings (Auswahl, Anpassung, Entwicklung) Projekt Management (Risiken, Änderungen, Schätzungen, Planung, Leadership & Team-Führung) Consulting (Kundenkontakt & Account-Management, Kommunikation, Führerschaft, Flexibilität, Kreativität) Marktkenntnisse (Methoden, Technologien, Werkzeuge) & Innovationsfreude Analyse, Entwurf, Design, Realisierungserfahrung (Abstraktion, Konzeptbildung & Validierung, Problemlösungsverfahren, Wiederverwendung bekannter Heuristiken & Lösungen, ) Modellierungsfähigkeiten Geschäftsprozesse & Organisationen Daten (Logisches / physisches ERM, Dokumenten-Management, DBMS) Anwendungen (OO, Komponenten, Schnittstellenkonzepte,..) Infrastruktur (Netzwerke, Betriebssysteme, Rechner,..) Einführung in das Software Engineering Themen, Tätigkeiten und Fähigkeiten in der (2) Distributed Computing (Partitionierung einer Anwendung, Kommunikations-muster & Verfahren, Technologien der Plattformen & Kommunikationsmedien) Middleware (RPC, Message Oriented Middleware, Datenbank-Zugriff, FTP, Distributed Objekt Computing) Enterprise Solutions (ERP Systeme, E-Business,..) System Management (Anwendungen & deren Output, Speicher- & Datenmanagement mit Backup & Recovery, Netzwerk & Systeme, Betrieb, Konfigurationsmanagement & Änderungsmanagement, Disaster Recovery,..) Sicherheitsfragen (Anwendungs-, System-, Netzwerk-, Daten-Sicherheit, Verwaltung, Umsetzung von Security- Policies) Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 10

11 -Entwurf Use Case Model Architecture Description Architect Subsystems,Classes, Interfaces outlined Analysis Model Architectural Design Deployment Model Design Model [Outlined] Supplementary Requirements Design Model: Identifikation der Subsysteme, Schnittstellen, Schichten, Design-Patterns, sonstige allgemeine Entwurfs-Aspekte (Sicherheit, Persistenz,..) Deployment Model (Verteilung,..) Architecture Description Completed Einführung in das Software Engineering Design Artefakte Design Model System Struktur = Menge von Subsystemen (in Packages) sowie deren Beziehungen und Schnittstellen Design Klassen Darauf aufbauende Realisierungen der Use Cases Deployment Model: Abbildung zwischen Software- & technischer System- Welche Komponenten laufen auf welchen Knoten? Welche Kommunikationspfade bestehen? Beschreibung der : Auswahl der signifikanten Artefakte aus Design- und Deployment Model Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 11

12 Design: Rollen, Verantwortlichkeiten und Artefakte Architekt Use Case Engineer Component Engineer Design Model Deployment Model Einführung in das Software Engineering Beschreibung Use Case Realisierung (Design) Design Klassen Subsystem Schnittstellen Prinzipien im Entwurf Entscheidungen Abstraktion und Hierarchiebildung Wiederverwendung von Verhalten Typisierung Modularisierung Lose Kopplung Geringer Nachrichtenaustausch Explizite Schnittstellen keine Seiteneffekte in Kommunikation Kapselung & Information Hiding keine Interna bekanntgeben Wenige, schmale Schnittstellen Ausprägung von Komponenten Design Patterns wiederverwendbare Muster in einem bestimmten Bezugsrahmen Verteilung, Vernetzung, Assoziation Starke Bindungen in Subsystemen Schwache Bindungen zwischen Subsystemen Subsysteme kapseln hochfrequente Kommunikationspfade Zuständigkeiten klar definieren Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 12

13 Weitere Entwurfsentscheidungen Verteilung auf vernetzte Computersysteme. Beispiel: Client / Server-Konzept Fat Client Database Server Thin Client Fat Server Distributed Data Distributed Logic N-tier Services System technische Hardwareplattform(en) Betriebssystem und DBMS (relational, OO, hierarchisch) Entwicklungsumgebung & Programmiersprache Datenhaltung (Persistenz), Transaktionen und Isolation Anwendungslogik Benutzungsoberfläche (GUI). Bsp.: Web-Based, Fat-GUI,. Einsatzbedingungen sequentiell / nicht sequentiell (nebenläufig, verteilt, in Echtzeit, parallel) Anzahl Benutzer (ein oder mehrere) Rechte Einführung in das Software Engineering Ergebnis des entwurfs modell statische Struktur der Komponenten eines System Zentrale Abläufe zwischen den Komponenten Beispiele Netzwerktopologie (Hardware) Funktionsbaum (Software) Moduldiagramm (Hard/Software) Einsatzdiagramm, Paketdiagramm (Software) Organigramm in einem Unternehmensmodell Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 13

14 Beschreibung von en mit UML logische Strukturen Pakete, Paketdiagramme Subsysteme Schnittstellen physische Strukturen Komponenten Komponentendiagramme Knoten Einsatzdiagramme Einführung in das Software Engineering Agenda im Unternehmenskontext Design im Grossen Software- Ein Beispiel Tätigkeiten der bildung Elemente, Frameworks, Stile Konkrete Stile (Beispiele) bis hin zum Code Design im Kleinen Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 14

15 Weitere Aspekte Fokus auf Software Framework (was, wer, wie, wann,..) Stile (spezifische Ausprägungen und Constraints verwendet Framework Patterns Idioms Library Einführung in das Software Engineering Frameworks Bsp Zachmann Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 15

16 Agenda im Unternehmenskontext Design im Grossen Software- Ein Beispiel Tätigkeiten der bildung Elemente, Frameworks, Stile Konkrete Stile (Beispiele) bis hin zum Code Design im Kleinen Einführung in das Software Engineering elle Stile Beispiele Schichtenbildung Heterogeneous Architectures Data Abstraction & Object-Oriented Organization Pipeline & Filter Event-based, Implicit Invocation Repositories Table Driven Interpreters Virtual Machine Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 16

17 Schichtenarchitekturen Zerlegung eines Systems in mehrere Schichten Zugriffe innerhalb einer Schicht beliebig Zugriffe zwischen Schichten nur auf niedrigere Schichten Direkt oder transitiv, baumartig, Vor- und Nachteile + Wiederverwendbar, Wartbar, Testbar - Effzienzverlust (z.b. Fehlermeldungen durchreichen) typisch: 3 Schichten (das sollte im Praktikum auch rauskommen) 1. UI 2. Anwendungslogik 3. Persistenzschicht Einführung in das Software Engineering Software Schichtenmodell Beispiel (Community-Server) Präsentation CASSIOPEIA Community Application Server XML HTML WML Dyn. Page Generation XSL Proc. Dyn. Page Generation XSL Proc. HTTP(s) CAPP Dyn. Page Generation XSL Proc. Application Component API External XML over HTTP HTTP CAPP Buddy List Application (XML Gateway) Request Disp. Calendar Administration File Access Rating Conferencing Anwendung Document Workgroup Function Container Discussion Info Unit Session Event Disp. Mail Center Webspace Data Access User Templates Style Sheets XMLParser DataBroker SQL LDAP 3.Party Module JDBC LDAP Daten LDAP SQL DB Einführung in das Software Engineering Server Anwendungs- Bausteine (Komponenten) Dr. Walter Kuhn 17

18 Web-en Anforderungen Typischerweise Client: offen, Browser-basiert (HTML, Applet, Thin-Client,..) Basis HTTP/HTTPS, zustandslose Standardprotokolle Server: einfach statisch bis hoch-komplex und dynamisch (HTML, CGI, Application-Server, EAI, B2B,...) Verarbeitung (Geschäftslogik, Datenhaltung) auf Server- Seite Hohe Anforderungen an Sicherheit (offene Systeme) & Vertauenswürdigkeit (?) Hohe Verfügbarkeit (24 X 7 X 365) Skalierbarkeit (viele User, Sprachen) Time-To-Market ( schnelles Business ) Integration (Heterogenes Angebot) Aufbau einer Web-: Systeme & Software... Das hatten wir am Anfang als Beispiel Einführung in das Software Engineering J2EE: Komponentenmodell Servlet Engine Fat Client View (Servlet/JSP) Controller-Servlet Client Model (Bean) EJB Container Session Beans Entitiy Beans Database Server Data Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 18

19 J2EE: EJB Home Interface 1: Create/find/ remove Home Stub Home Implementa tion create/find/remove Client 2: remote stub Remote Interface EJB Contain er 3. business methods, Remove Remote Object Stub Remote Object Implementa tion business methods, remove Bean Implementa tion Einführung in das Software Engineering Common Object Request Broker Architecture CORBA Komponenten in verschiedene Sprachen ( Heterogene Welt ) Interface-Definition für Zugriff auf (entfernte) Komponenten Dazu Transportmechanismus (Codeerzeugung für Transport, etc.) Service-Unterstützung System Mgmt Naming, Lifecycle, Licensing, Infrastruktur Security,.. Task Management Events, Concurrency, Transaction,.. Einklinken von Komponenten via Directory Service, Interface und Implementation Repository, ORB zur Laufzeit Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 19

20 CORBA Client Object Implementation Interface Repository Dynamic Client IDL ORB Static Dynamic Invocation Stubs InterfaceSkeletons Skeleton Interface Portabl e Object Adapter Einführung in das Software Engineering Implementation Repository Object Request Broker Message Orientiere Middleware (MOM) Messaging: lose Kopplung von Anwendungen; (selbstbeschreibende) Nachrichten werden übertragen Komponenten werden somit die eine wohldefinierte Menge an Nachrichten ausgezeichnet. Message Oriented Middleware (MOM) nutzt publish/subscribe (Topic basierend) message queuing (Kanal basierend) Tupel-Spaces (Topic-basierend) Ein Request/Reply ist ebenfalls möglich. Asynchronität (Message kann durable sein) Einfache, standardisierte Interfaces, vielfältige Nachrichten (zu interpretieren, XML, name-value) Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 20

21 MOM: Topic basierte Schnittstellen als Beispiel Producer1 Producer2 Message Broker Consumer X Consumer Y publish(a) subscribe (a,b) publish(a) publish(b) publish(b) subscribe(a,b) publish(b) Einführung in das Software Engineering Tupel Space / Schwarzes Brett Participant2 Participant3 write take Message2 Message1 Tupel-Space write read Participant1 Participant4 write Message3 read Participant5 Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 21

22 Webservices als Beispiel Service-Orientierte en Funktionsaufruf via standardisiertem Mechanismus übers Internet Naming Service UDDI Backend Components Component register WSDL J2EE-component lookup Web Service CORBA-CCM Legacy Client Access SOAP/HTTP JMS-Component Component DB Einführung in das Software Engineering Sonstige Software-en und -Stile Nur noch ein paar bekannte Beispiele: ISO/OSI: International Standard Organization's Open Systems Interconnection Reference Model (Ein Netzwerk-Schichten-) X Window System (ein verteiltes Fenster-basiertes UI mit Callbacks und Event-Triggering) Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 22

23 Agenda im Unternehmenskontext Design im Grossen Software- Ein Beispiel Tätigkeiten der bildung Elemente, Frameworks, Stile Konkrete Stile (Beispiele) bis hin zum Code Design im Kleinen (und das wird uns demnächst schwer beschäftigen) Einführung in das Software Engineering Idioms und Patterns Frameworks Generische (Teil-)en mit Bibliotheken sowie Erweiterungsmöglichkeiten, die durch Zufügen oder Ableiten von Klassen realisiert werden Aufruf: Framework Benutzerkomponenten( Don t call us, we call you ). Frameworks nutzen i.d.r. Idioms und Patterns Patterns allgemeine Lösungskonzepte für Design-Fragen Sprach-Unabhängig Idioms allgemein anerkannte, nützliche Programmiertechniken und Konventionen Oft Sprachspezifisch Libraries Sammlung von Implementierten Funktionen, Prozeduren, Objekten, Komponenten, die vielfältig Einsatz finden sollen Aufruf: Benutzerprogramm Library. Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 23

24 Design im Kleinen Wie soll Code entworfen werden Frage nach dem Programmierstil KISS: So einfach wie möglich (aber nicht einfacher) Don't over-design Dinge genau einmal realisieren, nicht an verschiedenen Orten First do it, then do it right, then do it fast (don t optimize too early) Kleine Methoden Sprechende Namen selbstdokumentierte Code wo möglich Absicht soll klar erkennbar sein Benenne Methoden anhand ihres Zweckes Eine Methode hat einen Zweck Modelliere zuerst Interfaces und programmiere darauf Einführung in das Software Engineering Umsetzung der Modellierung in Code - Beispiel Ihre eigenen Ideen? Class Kunde { Konto k = ; public Double getbalance() { return k.getbalance(); } } // Scope abank: akunde = new Kunde( Meier ); System.out.println( a.getbalance()); Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 24

25 Literatur Len Bass, u. a., Software Architecture in Practice, Addison Wesley, 1998 Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson and John Vlissides, Design Patterns, Addison Wesley, Reading, MA, Frank Buschmann, et al., Pattern-Oriented Software Architecture A System of Patterns, Wiley, 1996 Mark Grand, Patterns in Java, Volume 1, Wiley, 1998 Kent Beck, Smalltalk Best Practice Patterns, Prentice Hall, 1997 Zachmann Framework: Togaf: Einführung in das Software Engineering Übung Wie können Sie die Modelle aus der vorhergehenden Übung umsetzen in ein technisches Design? Nutzen Sie Schichtenbildung in 3 Layers, erstellen Sie ein technisches Klassenmodell, mit den notwendigen Interaktionen und ein Datenmodell. Schätzen Sie aus dem Bauch heraus, wie gross Sie den Aufwand für Ihre Gruppe sehen, um das Modell zu realisieren. Halten Sie Ihre Schätzannahmen fest! (Sie brauchen diese noch) Einführung in das Software Engineering Dr. Walter Kuhn 25

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