Architecture Design (W)

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1 Sandro Schwedler Wolfram Richter Architecture of Business Systems The Process of Software Architecting: Architecture Design Lecture Outline Introduction (W) Lecture Overview Role of the Architect Views and Viewpoints Process of Software Architecting, Requirements (W) Building Block: Databases (S) Building Block: Content Management Systems (S) Building Block: Security Components (S) Architecture Design (W) Building Block: UI Server (S) SOA (W) Building Blocks: Introduction, Application Server (S) Building Block: Integration Technologies (W) Sandro Schwedler, Wolfram Richter 1

2 Goals of this presentation After this presentation, you should... Know the approach to design an architecture that meets the stated requirements Know the importance of asset reuse Know component modeling techniques Be able to describe the concept of a software component Be able to create and read component structure and component sequence diagrams Understand component quality metrics, to distinguish a good from a bad component model Know deployment modeling techniques Know the importance of and how to document architecture decisions Sandro Schwedler, Wolfram Richter Sandro Schwedler, Wolfram Richter 2

3 Solution Architecture usually refined iteratively Physical Application Technical Manageme Create a model complete enough to properly satisfy the concerns of the stakeholders, for example... Logical / Functional / Application: describes how the functional requirements are addressed in an implementation-neutral fashion, without cluttering it with technical details Logical / Functional / Technical: adds the infrastructure aspects and how the application components relate to them, in an implementationneutral fashion Logical Requirements Functional Application requirements Application requirements Components related to the business Components related to the business Deployment aspects related to the business Technical requirements Technical requirements Components related to technology Components related to technology Deployment aspects related to technology Systems management requirements Components related to systems management Physical / Functional / Technical: describes with which real-world pieces the logical components are implemented (1:N mapping) Physical / Deployment / Technical: describes an IT infrastructure and how the physical components are mapped to it Deployment Validation Deployment aspects related to the business Elements that validate business requirements Elements that validate business requirements Deployment aspects related to technology Elements that validate constraints on technical elements Elements that validate constraints on technical elements Deployment aspects related to systems management Elements that validate systems management requirements Sandro Schwedler, Wolfram Richter Architecture Design Survey Architecture Assets Identify Assets which are helpful in developing the solution architecture Previous projects Industry best practises Publications etc Sandro Schwedler, Wolfram Richter 3

4 Survey Architecture Assets Where do architectures come from? Sandro Schwedler, Wolfram Richter The Software Architect ; Philippe Kruchten, TC2 First Working IFIP Conference on Software Architectures, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS Survey Architecture Assets Asset Classification Sandro Schwedler, Wolfram Richter 4

5 Architecture Design Define Architecture Overview Sketch a draft/high-level description of the target architecture Freeform diagram(s): contents are depending on the stakeholders the diagram are discussed with Funcational and Deployment view Usually structure, not behavior Ensure that a consistent diagramming technique is used (use a legend!) Line styles and thickness Arrow heads, directions Colors and shapes Sandro Schwedler, Wolfram Richter Architecture Design Functional Architecture Component-based software engineering To decompose the system into parts which can be developed independently Allows the project to scale To be able to reuse existing components Outline: Component Identification From Entity Model From Functional Requirements Detail: Component Specification Evaluate and select assets Specify interfaces, operations and signatures, pre- and post-conditions Assign Business Rules to components Detail: Component Implementation Decide physical realization Sandro Schwedler, Wolfram Richter 5

6 凡 形 敗 治 名 眾 是 如 也 治 ; 寡 三 軍, 之 分 數 眾 是, 也 可 ; 使 鬥 必 眾 受 如 敵 鬥 而 寡 無, Sun-Tzu 者, 奇 虛 正 實 是 ; 兵 之 所 加, 如 以 碫 投 卵 said... 也 The control of a large force is the same principle as the control of a few men: it is merely a question of dividing up their numbers. -- Sunzi, The Art of War Sandro Schwedler, Wolfram Richter Functional Architecture A software component bundles related functionality and data (is modular and cohesive)... hides its implementation defines its behavior in terms of provided and required interfaces (is encapsulated)... is interchangeable with other components providing the same interfaces... enables the re-use of (previously constructed) components... is typically of coarse granularity... can be used to assemble a system (or: a system can be decomposed into components)... is robust, designed with an awareness that it will be put to unforeseen uses Sandro Schwedler, Wolfram Richter... can itself be implemented by assembling finer-grained components... is (most likely) not a (single) class 6

7 Caution: Component Model is an overloaded term! Component Model can mean An architectural model detailing which components a system is composed of, their relations and their dynamic behavior. This can be a logical or a physical model. A (physical) technology which describes how components are realized and used, such as COM, DCOM, EJB, Eclipse Plugins/OSGI,... This lecture refers to the former! Sandro Schwedler, Wolfram Richter Danger sign photograph by Jan Willem Geertsma Functional Architecture Component Sequence Diagram depicts behavior in a specific scenario Shows the dynamic invocations between actors and components for a specific scenario Each component is represented by a life line Each message sent between components is represented by an arrow between life lines Whenever a component is active, this is depicted by a thickened life line Allows to understand the flow of control, concurrency, creation and destruction of components There are also other diagram types to model behavior Collaboration diagram Timing diagram Sandro Schwedler, Wolfram Richter 7

8 Functional Architecture Component Structure Diagram shows the static relationships between components Can be inferred from (a set of) sequence diagrams depicts the superset of all relationships stemming from all scenarios, or just a subset of it Depicts only one instance of each component Sandro Schwedler, Wolfram Richter Functional Architecture Component and Component Model Quality Metrics High Cohesion: the responsibilities assigned to a component must make sense, they should be grouped around the same theme/topic Bad (Low) Cohesion sample: Database which also renders end user error messages in HTML. Low Coupling: Ensure there are no unnecessary dependencies between components Bad (High) Coupling sample: Component ProductCatalog has an unecessary dependency on AddressManager. Appropriate Granularity: A component should be allocated sufficient responsibilities Inappropriate Granularity sample: Web Shop (too coarse), Image Resizer (too fine) Good Isolation: Product/technology dependencies must be confined to a few places Bad Isolation sample: Every component needs to import javax.swing.* since the interface descriptions are based on UI components. Layering: Component Models should be layered according to their generality special-purpose components can call general-purpose components but not vice versa! Application-specific Business-specific Business-independent Well-layered systems are more loosely coupled, more easily maintained and its components can be reused easily Sandro Schwedler, Wolfram Richter 8

9 Functional Architecture Component Identification Component Identification is a creative process. It can be aided but not automated by the methods suggested on the following slides Sandro Schwedler, Wolfram Richter Component Identification Technique: CRC ClassComponent, Responsibility, Collaboration and Logical Component Stereotypes Describe for each component: What the component knows (the data it owns or manages) What the component does (the behavior it exhibits), especially which functional and nonfunctional requirements guide its behavior (traceability) What the component asks other components to do on its behalf (the components it needs to collaborate with to perform some function) Logical Components can be stereotyped into three categories «entity» components primary responsiblity is encapsulating information represented in the system «boundary» components represent the boundary between the system and its environment, i.e. human or external system actors «control» components primary represent the control and coordination logic of the system (... sounds a bit like the Model-View-Controller design pattern...) Sandro Schwedler, Wolfram Richter 9

10 Component Identification Identifying Logical Components from Business Entities If you have a business entity model, assign the responsibility to manage related business entities relevant to the solution to a component Add further (e.g. behavioral) responsibilities to the component as the analysis progresses Sandro Schwedler, Wolfram Richter Component Identification Identifying Logical Components from Use Cases Repeat for each use case description: Define «boundary» components for each primary and secondary actors of use cases Define a «control» component with the same name as the use case Nouns in the use case description indicate data. Create «entity» components for each cluster of related data elements The image on the right depicts the result of one iteration Sandro Schwedler, Wolfram Richter 10

11 Component Identification Identifying Logical Components from system-wide functional requirements, business rules and non-functional requirements Do not forget to review the system-wide functional requirements, business rules and non-functional requirements to identify components Many non-functional requirements primarily impact the deployment model. Nevertheless there are some non-functional requirements which may result in additional components to be identified, such as: Security: encryption of data -> Key management component Constraint: use of an existing system for data storage -> new «boundary» component Sandro Schwedler, Wolfram Richter Component Specification Specify externally visible/relevant aspects Develop component interfaces from Use Cases: Create a sequence model for each use case. For each component message specify which operation is called and the payload transferred Existing interfaces Design by Contract makes the component model robust Pre- and post-conditions specify the effect of an operation without prescribing an algorithm or implementation. The post-condition specifies what the effect of the operation will be (on the components data or state), provided the pre-condition is true The pre-condition is the condition under which the operation guarantees that the post-condition will be true If the pre-condition is false when the operation is invoked, the result is unspecified (and dealt with by some form of exception handling) Preconditions: the tour referenced is currently offered Postconditions: the number of participants of the tour is increased Sandro Schwedler, Wolfram Richter 11

12 Component Realization Choosing physical realizations for logical components Logical elements can be mapped to physical elements 1:1 if a physical component can fulfill all the responsibilities of the logical component without sacrifiying the quality metrics coupling, cohesion and granularity 1:M many physical components are required to realize the logical component. May be a combination of products and custom development M:1 a single physical component (e.g. a product) encapsulates the responsibilities of several assigned logical components Choices needed to be made Technology: runtime environments Products: build vs. buy Reusable assets: packaged applications, existing components, legacy applications Custom development: flexibility vs. cost Work products Create physical component structure diagram! Not suggested: physical component sequence diagrams Document your architectural decisions!! Sandro Schwedler, Wolfram Richter Architecture Design Deployment Architecture Deployment = the act of placing (pieces of) the solution on (execution) nodes Affects NFRs Key input required to operate the system Outline Deployment Elements Location Model Node Model Detail Deployment Elements Place Nodes in Locations Decompose Components into Deployment Units Deploy DUs to Nodes Sandro Schwedler, Wolfram Richter 12

13 Deployment Architecture Location Model The Location model depicts the geography over which the target IT system will be deployed Logical/Physical: LL_Branch Office vs. PL_IBM Herrenberg, PL_IBM Ehningen Actors and Nodes will later be placed into the various locations Actor locations have already been collected while creating the System Context Hot candidate for asset reuse: Locations don t change that frequently for a company Sandro Schwedler, Wolfram Richter Deployment Architecture Node Model Node = Hardware: a server, computer, etc.. The Node Model represents the execution environment for the target solution What servers are there and how are they connected Logical/Physical: LN_Web Server vs. PN_Web Server HP Proliant DL 120 Also hot candidate for asset reuse Can be modeled into the location model, or independently of it Sandro Schwedler, Wolfram Richter 13

14 Deployment Architecture Placing application components directly onto nodes is too limited to describe the real world Example: Which nodes are affected/need to comply with requirements when deploying the Shopping Cart VirtueMart, an extension to Joomla! CMS? A component has requirements against/affects multiple nodes The node its executable files are copied to The node it actually executes on The node it displays its UI on The node its data resides at Sandro Schwedler, Wolfram Richter Deployment Architecture A Deployment Unit......specifies details about the organization and runtime behavior of an application component...exists on a physical or logical level, depending on the component it represents DU...can hosts additional information. Example: Installation Deployment Unit Name/Link of the artifact to be installed The component(s) it represents Version Prerequisites... There are other DU types useful for planning Data DUs: Describes the storage and growth characteristics of the component s data Execution DUs: Describes the runtime (CPU, RAM,...) requirements of the component Presentation DUs: Describes the user interface requirements (e.g. Screen resolution) of the component Sandro Schwedler, Wolfram Richter m.ccl.soa.deploy.uml.doc%2ftopics%2fuml_deployment_units_cpt.html 14

15 Deployment Architecture Deployment Model The deployment model depicts how the component DUs are deployed onto the nodes within the backdrop of the location model DU placement based on component stereotype or NFR: DUs of boundary components are typically placed on edge nodes DUs of entity components are typically placed close to the node hosting the database DUs of components with high availability requirements are placed on highly available nodes, or multiple redundant nodes with a failover mechanism Sandro Schwedler, Wolfram Richter Architecture Design Verify Architecture Verification as defined by the Carnegie Mellon Software Engineering Institute (SEI) Review step to ensure that the individual work products are consistent and address the requirements raised in the previous step Especially when created by different people Runs in parallel with the other tasks / after each significant iteration Sandro Schwedler, Wolfram Richter 15

16 Architecture Design Build Architecture Proof-of-Concept Goal is to reduce risk Ensure early on that the created architecture is feasible Anything between a very conceptual work to a physical sample realization List of known technologies that seem appropriate... Physical prototype Depends on the level of uncertainty/novelty of the system in question Sandro Schwedler, Wolfram Richter Architecture Design Document Architecture Decisions Key work product of architecture process Documents major decisions The issue to be decided Assumptions Pros and Cons of Options... Allows independent validation of the architecture Can be revisited later when reasons for doing things a certain way are forgotten Or by new team members Sandro Schwedler, Wolfram Richter 16

17 Architecture Design Validate Architecture Validation as defined by the Carnegie Mellon Software Engineering Institute (SEI) Review step to ensure that finished architecture is free of failures and addresses all requirements Sandro Schwedler, Wolfram Richter Traceability In a good architecture model, the various model elements are interlinked This way, it is possible to determine... which requirements drive which element (Component -> Requirements) which test cases need to be rerun for regression testing when a bug is fixed (Component -> Requirements -> Test Cases) which business requirements are impacted, if a piece of technology fails (Node -> Deployment Units -> Components -> Requirements) Sandro Schwedler, Wolfram Richter 17

18 Further Reading ISBN Understanding architectural assets (alternative architecture modeling approach, e.g. used at SAP) Software Engineering Radio Episode 87: Software Components Episode 51: Design by Contract Sandro Schwedler, Wolfram Richter Sandro Schwedler, Wolfram Richter 18

19 Projekt World Domination Architekturentscheidungen Kunde: Autoren: Owner: MegaCorp, Inc. Archie Tekt, Susann Specialist Archie Tekt

20 Dokumentenhistorie Speicherort des Dokuments Dies ist ein Schnappschuss eines on-line Dokuments. Ausdrucke sind nur am Tag des Ausdrucks gültig. Bitte wenden Sie sich an den Autor, wenn Sie die Aktualität dieses Dokuments anzweifeln. Dieses Dokument ist unter P:\PFAD\AUF\DEM\FILE\SHARE\ABS 06 Architectural Decisions.doc abgelegt. Änderungshistorie Datum dieser Änderung: Datum der nächsten Änderung: (date) Revisionsnummer Revisionsdatum Autor Zusammenfassung der Änderungen Änderungen markiert? Archie Tekt Erste Version N Archie Tekt Entscheidung IF1 hinzugefügt und N Kommentiert (#) (-) (Describe change) (N) Freigaben Dieses Dokument erfordert die folgenden Freigaben. Unterzeichnete Freigabeformulare werden in der Sektion Qualität des PCB abgelegt. Name (name) Titel (title) Verteilung Dieses Dokument wurde an folgende Personen verteilt: Name Titel (name) (title)

21 Inhaltsverzeichnis Architekturentscheidungen... 3 IF1: Aufgabenverteilung Datenvalidierung... 3 Architekturentscheidungen IF1: Aufgabenverteilung Datenvalidierung Problembereich Schnittstelle Portal<->Prozess Thema Aufgabenverteilung Design Aufgabenverteilung Datenvalidierung Id. IF1 Entscheidung Problembeschreibung Validierung von Eingabedaten abgebildet wird. Dies hat Einfluß auf die Es geht um die Definition einer einheitlichen Richtlinie, wo die Größe der Arbeitspakete der AP Portal und AP MW/WF. Annahmen Es gibt eine zentrale Portal- und eine zentrale Prozessengine-Instanz. Technische prüfung = prüfung ob Datentypen richtig eingegeben werden, z.b. Keine Buchstaben bin Zahlenfeldern; Inhaltliche Prüfung = Übermenge von Technischer Prüfung: Prüfen ob die Werte gültig sind (z.b. ist die Kostenstelle zur Bebuchung freigegeben?) Motivation Dieselbe Logik kann in unterschiedlichen Schichten in der Architektur abgebildet werden. Alternativen 1. Gar nicht 2. Technische + Inhaltliche Prüfung im Portal, Direktzugriff auf Stammdaten in den Backendsystemen 3. Technische + Inhaltliche Prüfung Im Portal, Zugriff auf Stammdaten über Services, die von der Middleware zur Verfügung gestellt haben 4. Technische Prüfung im Portal, Inhaltliche Prüfung als Service, der von der Middleware zur Verfügung gestellt wird. 5. Komplett als Service, der von der Middleware zur Verfügung gestellt wird. Entscheidung Vorschlag: 4. Technische Prüfung im Portal, Inhaltliche Prüfung als Service, der von der Middleware zur Verfügung gestellt wird. Bewertung 1. Gar nicht Um die Prozesse so effizient wie möglich zu gestalten, ist es notwendig, die Validierung so früh wie möglich durchzuführen. Daher ist keine Validierung keine Option. 2. Technische + Inhaltliche Prüfung im Portal, Direktzugriff auf Stammdaten in den Backendsystemen Einfachste Variante aus Sicht der Middleware: Integrationsproblematik mit multiplen Backends von Middleware auf Portal verlagert; voraussichtliche Duplikation von Schnittstellen zwischen Portal<->Backend und MW/WF<- >Backend (hohe Initial und Folgekosten); keine Wiederverwendung von Schnittstellen/Logik bei anderen Frontends. Inhaltliche Prüfung auf Feldebene zum Zeitpunkt der Eingabe möglich. 3. Technische + Inhaltliche Prüfung im Portal, Zugriff auf Stammdaten über Services, die von der Middleware zur Verfügung gestellt haben Höherer Aufwand in MW/WF: Integrationsproblematik mit multiplen Backends in Middleware; keine Duplikation von Schnittstellen zwischen Portal und MW/WF; Wiederverwertung von Schnittstellen, aber keine Wiederverwertung von Validierungslogik bei anderen Frontends. Inhaltliche Prüfung auf Comment [WR1]: Problembe reich, Thema und der eigentliche Titel wirken sehr redundant, ermöglicht aber in größeren Projekten, die Übersicht zu behalten. Comment [WR2]: Titel Comment [WR3]: ID Kürzel, ändert sich nach Vergabe nicht mehr. Über dieses Kürzel kann schnell aus anderen Entscheidungen auf diese Entscheidung verwiesen werden. Comment [WR4]: Es gab zwei Subsysteme, das Portal (UI) und Integration/Workflow Comment [WR5]: Hintergrun dinformation, um die Entscheidung nachzuvollziehen Comment [WR6]: Warum muss eine Entscheidung getroffen werden? Comment [WR7]: Ausgewähl te Alternative

22 Implikationen Abgeleitete Anforderungen Verwandte Entscheidungen Feldebene zum Zeitpunkt der Eingabe möglich. 4. Technische Prüfung im Portal, Inhaltliche Prüfung als Service, der von der Middleware zur Verfügung gestellt wird. Höchster Aufwand in MW/WF: Integrationsproblematik und Validierungslogik in MW/WF; keine Duplikation von Schnittstellen; Wiederverwertung von Schnittstellen und Validierungslogik bei anderen Frontends. Nur technische Prüfung auf Feldebene zum Zeitpunkt der Eingabe möglich. 5. Komplett als Service, der von der Middleware zur Verfügung gestellt wird. Höchster Aufwand in MW/WF: Integrationsproblematik und Validierungslogik in MW/WF; keine Duplikation von Schnittstellen; Wiederverwertung von Schnittstellen und Validierungslogik bei anderen Frontends. Keine Prüfung auf Feldebene zum Zeitpunkt der Eingabe möglich. Neuabschätzung der Projektaufwände notwendig Caching von häufig benutzten Stammdaten, um Antwortzeitvorgaben zu erfüllen Comment [WR8]: Was bedeutet das für das Projekt Comment [WR9]: Entstehen dadurch neue Anforderungen? Caching ist eine Lösungsstrategie für eine einzelne Komponente, keine neue Anforderung an das Projekt daher in der Zeile drüber aufgeführt. Comment [WR10]: Hier könnte via ID auf andere Entscheidungen verwiesen werden.

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