Software Engineering. Software Systemstrukturen (Architekturansätze)

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1 Software Engineering Software Systemstrukturen (Architekturansätze) Die Inhalte der Vorlesung wurden primär auf Basis der jeweils angegebenen Literatur erstellt. Darüber hinaus finden sich ausgewählte Beispiele zur Softwareentwicklung aus dem Bereich der Telekommunikation Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 1

2 Inhaltsübersicht Grundlegende Systemstrukturen Komponentenarchitekturen Client/Service Architekturen Peer-to-Peer-Architekturen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 2

3 Grundlegende Systemstrukturen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 3

4 Einleitung Es werden grundlegende Architekturstrukturen, die in vielen Systemen zum Einsatz kommen, vorgestellt. Die ineffizienteste Form einer Architektur ist ein Monolith, hier ist das gesamte System in einem Systembaustein zusammengefasst. Ein Monolith kann die vorgestellten Prinzipien einer SW-Architektur so gut wie nie umsetzen. Die folgende Übersicht bietet einen Überblick über wichtige Vertreter für Architekturstrukturen in der heutigen Praxis Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 4

5 Zentralisierung vs. Dezentralisierung Grundlegende Frage beim Entwurf einer Architektur: - Alle Aspekte in einem Systembaustein bündeln (Zentralisierung) - oder diese auf mehrere Bausteine verteilen (Dezentralisierung). Ansätze für eine Verteilung mit Bezug auf: - Rechnersysteme und Prozessoren, - Prozesse (z.b. zum Zweck der Lastverteilung), - Geräte (z.b. Drucker), - Daten (z.b. verteiltes Dateisystem), - Funktionen (z.b. Namensdienst) Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 5

6 Zentralisierung vs. Dezentralisierung Vorteile der Dezentralisierung: - niedrigere Hardwarekosten (zentraler leistungsfähiger Rechner teuer), - Flexibilität gegenüber Veränderungen (Lokalisierung, Ausfälle etc.), - einfachere aufgabenorientierte Strukturierung des Systems. Vorteile der Zentralisierung: - einfachere Umsetzung von Daten- und IT-Sicherheit, - hohe Verfügbarkeit, - einfachere Auslieferung neuer oder aktualisierter Systembausteine, - als Konsequenz niedrigere Betreuungskosten Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 6

7 Übersicht zu Architekturansätzen Komponentenarchitekturen Client/Server Architekturparadigma Peer-to-Peer Architekturen Middlewarearchitekturen Aspektorientierte Softwareentwicklung Modeldriven Architecture (MDA) Serviceorientierte Architekturen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 7

8 Komponentenarchitekturen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 8

9 Komponentenarchitekturen Komponenten sind wiederverwendbare, in sich geschlossene Bausteine eines SW-Systems. Komponentenbegriff nach Szyperski: Eine SW-Komponente ist ein wiederverwendbares Stück Software, das eine wohldefinierte Schnittstelle hat, in nicht vorher geplanten Kontexten eingesetzt werden kann und auch von Dritten komponiert werden kann. Quelle: Szyperski, Clemens: Component Software Beyond Object-Orientied Programming. Addison-Wesley, Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 9

10 Komponentenarchitekturen Vielseitige Verwendung des Komponentenbegriffs wie z.b.: - Microsofts ActiveX Controls - JEE Enterprise Java Beans hier Betrachtung von Komponentenplattformen (z.b. EJB). Trennung von fachlichen und technischen Belangen (Verteilung, Sicherheit, Persistenz, Transaktionen, Nebenläufigkeit und Ressourcenmanagement). Es wird zwischen einem Container und den dort enthaltenen Komponenten unterschieden. Die fachlichen Anforderungen werden durch die Komponenten erbracht, die technischen Anforderungen durch den Komponentencontainer Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 10

11 Komponentenarchitekturen <<component>> Component Container <<delegate>> <<component>> Session Component <<delegate>> <<component>> Legacy System <<component>> Client <<delegate>> <<component>> Service Component <<component>> Entity Component <<component>> Entity Component <<delegate>> <<component>> Database System Unter Verwendung von: Faustmann, G.: Vorlesung Software Engineering, FHW Berlin Fachbereich II Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 11

12 Client/Server Architekturen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 12

13 Client-Server-Struktur Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 13

14 Client-Server-Struktur Vorteile: Verwendung hoch spezialisierter Serversysteme Vereinfachung administrativer Aufgaben Zentrale Zugriffskontrolle Gute Verwendbarkeit im statischen Prozesskontext Nachteile: Server ggf. als Flaschenhals bzw. Single Point of Failure Server bietet gezielten Angriffspunkt (Bedrohung) Schwierig anpassbar an sich dynamisch verändernde Umgebungen Strikte Trennung zwischen Produzenten und Konsumenten Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 14

15 Rich Clients vs. Thin Clients Zentrale Frage beim Entwurf einer Client-/Server-Architektur ist die Aufteilung der Funktionalität zwischen Client und Server. Das frühere Mainframe-Modell basierte auf Thin-Clients PCs und Filesharing-Konzept ebneten den Weg zu Rich-Clients: Berechnungen werden nur noch auf dem PC ausgeführt. Vorteil Thin-Clients: - Einfachere Wartung und Auslieferung von Software (nur am Server!) Vorteile Rich-Clients: - Weniger starke Belastung des Servers - Höhere Performanz beim Nutzer (Dauer des Netzzugriffs) - Geringere Abhängigkeit von der Funktionsfähigkeit des Netzwerk - Keine Einschränkungen bei Gestaltung der Nutzeroberfläche Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 15

16 Schichtenarchitekturen mit Rich- und Thin-Clients Unter Verwendung von: Faustmann, G.: Vorlesung Software Engineering, FHW Berlin Fachbereich II Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 16

17 Peer to Peer Architekturen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 17

18 P2P-Anwendungsbereiche Content Sharing Nutzung verteilter Speicherkapazitäten Musik- und Video-Tauschbörsen Bespiele: Napster, Gnutella, Flickr, Youtube Social- & Business-Networks Interessensvereinigungen Kontaktbörsen, Publikationen, Veranstaltungen Beispiele: XING, BPM-Netzwerk, stayfriends; studivz Virtual Universities Lern- und Lehrplattformen Virtuelle Klassenräume, Diskussionsforen, Podcasts Beispiele: BlackBoard, ILIAS, CLIX (bei etlichen Hochschulen) Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 18

19 P2P-Anwendungsbereiche Distributed Computing Nutzung verteilter Rechenkapazitäten Aufteilung eines rechenaufwändigen Problems Bespiele: Cancer Research Project Collaboration and Communication Austausch von Nachrichten Instant-Messaging-Programme Beispiele: ICQ - I seek you, Ad-hoc-Netzwerke z.b. Mobiltelefone Web 2.0 Applications Mitmach Web & Online-Anwendungen Anwender generierte Inhalte im Web (always beta) Beispiel: BLOGS, Wikis, Google Maps, Google Earth, Skype Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 19

20 Hybride Struktur Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 20

21 Hybride Struktur Mischform aus Client/Server-Ansätzen und P2P-Struktur (auch als Super-Peer-Netzwerk bezeichnet) Vorteile: - Zentraler Dienst zur Referenzierung von z.b. Daten der Peers - Super-Peer als Gateway zum Netzwerk - Super-Peers können ohne normale Peers arbeiten - Möglichkeiten zur Bildung von Rechnerfarmen Möglichkeiten zur Leistungssteigerung Etablierung geschützter Bereiche z.b. zentrale Datenhaltung - Vereinfachtes IT-Servicemanagement Nachteile: - Normale Peers können nicht ohne Super-Peers arbeiten - P2P-Netze mit hybriden Strukturen zeigen hierarchische Ebenen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 21

22 Peer-to-Peer-Struktur Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 22

23 Peer-to-Peer-Struktur Vorteile: - Möglichkeit der Kommerzialisierung des Internets zu entgehen - Vereinfachter Umgang mit dem Urheberrecht (dezentraler Ansatz) - Höhere Skalierbarkeit für parallelisierbare Probleme - Reduzierte Gefahr des Informationsverlustes - Unabhängigkeit von fixed network infrastructures Nachteile: - Redundanz sorgt für inkonsistente Informationsobjekte - Langwierige Suche nach strukturierten Datenobjekten - Hohe Komplexität des IT-Managements - Schwierigkeit der Fehlersuche - Problem nachvollziehbarer fachlicher Prozessabläufe Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 23

24 P2P-Datenhaltung und Suche P2P-Datenhaltung (nach [Li et al. 2002]): - Strukturierte Datenhaltung (Regeln zu Datenablage) - Teilstrukturierte Datenhaltung (Hinweise zu abgelegten Daten) - Unstrukturierte Datenhaltung (unbekannte Position gesuchter Daten) P2P-Suchmethoden (nach [Milojicic et al. 2002]): - Zentrales Verzeichnis (Suche entsprechend dem C/S-Prinzip) - Flooding (Suchanfrage eines Peers an alle ihm bekannten Peers) - Document Routing (Suche über Hash-Funktionen Position im Netz) Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 24

25 P2P-Systemebenen Anwendung des P2P-Paradigmas auf unterschiedlichen Systemebenen Quelle: Dustdar, S.; Gall, H.; Hauswirth, M.; Software-Architekturen für Verteilte Systeme, Springer Verlag, Juli Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 25

26 JXTA Standard JXTA -Projekt zur Standardisierung von Peer-to-Peer- Anwendungen - Open Source Projekt ursprünglich von SUN Microsystems - Ziel: Spezifikation und Architektur einer P2P-Plattform - JXTA-Protokolle als Kern des Standards Programmiersprachenunabhängig Betriebssystemunabhängig Übertragungsprotokollunabhängig - Libraries für Java, C und andere Sprachen Referenzimplementierung für J2SE bzw. JSE Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 26

27 JXTA Architektur Quelle: Becker, R.; Liebsch, F.; Michel, Y. R.; Müller, D.: JXTA: Einführung und Überblick, Freie Universität Berlin, Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 27

28 JXTA Standard Ein Peer implementiert ein JXTA-Protokoll. Das kann beispielsweise ein PDA, Handy oder Server sein. Jeder Peer erhält eine weltweit eindeutige ID. Eine Peer Group ist eine zusammenarbeitende Menge von Peers. Peer Groups werden ebenfalls durch eine eindeutige ID in einem JXTA-Netzwerk identifiziert. Messages in JXTA werden als Objekte zwischen Peers verschickt. Eine Pipe ist ein Kommunikationskanal um Messages zu versenden oder empfangen zu können. Ein Advertisement ist ein XML-Dokument, das alle JXTA- Ressourcen benennt, beschreibt und deren Existenz bekannt gibt. Ressourcen sind Peers, Peer Groups, Pipes oder Services. Ein Service ist ein Dienst, der von jedem Peer oder einer Peer Group bereitgestellt werden kann. nach juxtapose (Nebeneinanderstellung), siehe Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 28

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