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Block 2 Interoperabilität für Geoinformationen

SeminarInteroperabilität für Geoinformationen

Grundlegendes zu Software-Architekturen 24.10.2003

Lars Bernard


Grundlegendes zu Software-Architekturen

Struktur

1. Motivation

2. Ursprung und Begriffsdefinition

3. Design und Architekturen

4. Überblick Mehrschicht- und Servicearchitekturen

Patterns und Frameworks

5. Aktuelle DCP

Eng und lose gekoppelte Services

CORBA/COM/RMI und Web Services

Fazit


1. Motivation – Wozu Architekturen ?

hierzu, nicht unbedingt....



hierzu bestimmt !



Überblick:

– Strukturierung komplexer Systeme ( Baupläne)– Kommunikation komplexer Systeme– Koordination– Kostenschätzung...

Kostenreduzierung, z.B. durch

– Wiederverwendung ( Standard-Fenster)– Gute Entwürfe recyclen ( Grundrisse)...

Der Architekt weiß, wie es geht !

....


2. Software-Architektur – Ursprung:

In programming, the term architecture was first used to mean a description of a computer system that applied equally to more than one actual system. In 1969, Fred Brooks and Ken Iverson called architecture the "conceptual structure of a computer...as seen by the programmer"...."Where architecture tells what happens, implementation tells how it is made to happen."

(Paul Clements, Software Engineering Institute;http://www.sei.cmu.edu/architecture/essays.html)


2. Software-Architektur – Definitionen:

There is no standard, universally-accepted definition of the term, for software architecture is a field in its infancy, although its roots run deep in software engineering.

(Software Engineering Institute / Carnegie Mellon University; http://www.sei.cmu.edu/architecture/definitions.html)



An architecture is the set of significant decisions about the organization of a software system, the selection of the structural elements and their interfaces by which the system is composed, together with their behavior as specified in the collaborations among those elements, the composition of these structural and behavioral elements into progressively larger subsystems, and the architectural style that guides this organization - these elements and their interfaces, their collaborations, and their composition.

(Booch, Rumbaugh, Jacobson (1999): The UML Modeling Language User Guide, Addison-Wesley).



The software architecture of a program or computing system is the structure or structures of the system, which comprise software components, the externally visible properties of those components, and the relationships among them

(Bass, Clements, Kazman (1997): Software Architecture in Practice, Addison-Wesley).


3. Design und Architekturen:

Der Schritt der Systemanalyse (z.B. domain analysis,...Literatur: z.B. Booch et al. (1999); Östereich (97-01)) mit dem elementaren Ziel: Systemanforderungen ermitteln und dazu passende Systemform finden

Ein grundlegendes Ziel des Software-Engineer ist die Wiederverwendung bestehender Konzepte/Komponenten bzw. Wiederverwendbarkeit der zu entwickelnden Komponenten


3. Design und Architekturen:

Techniken zur Wiederverwendung bzw. zum Teilen (sharing) eines Ansatzes über mehrere Projekte (nach Szyperski 1999):

– Konsistenz teilen: Programmiersprachen– Lösungsfragmente teilen: Programm-Bibliotheken– Absprachen teilen: Schnittstellen– Interaktions-Architekturen teilen: Pattern– Teilarchitekturen teilen: Frameworks– Gesamtstruktur teilen: Systemarchitektur


4. Systemarchitekturen - Schichtenmodelle

Beispiel Java:

JavaPlatform}

Java Program

Java API

Java V irtual Machine

SolarisW indows

NTO S n ...



Beispiel 2-tier; client/server (seit den 80‘ern):

Client:User Interface + Prozessmanagement

Server: DBMS + Prozessmanagement



Beispiel 3-tier; client/application-server/data-server(seit den 90‘ern):

Client:User Interface

Data Server: DBMS

Application Server: Prozessmanagement(Prozesslogik)



Beispiel ISO/OSI Referenzmodell für Netzwerkanwendungen:


4. Schichtenmodelle – Eigenschaften:

Ziel Abstraktion einzelner Schichten um diese austauschbar zu machen ( Interoperabilät):

Beschreibung von Schnittstellen

stricly layered versus non-strictly layered

Grundlegendes Prinzip der heute verwendeten Middleware-Ansätze


4. Systemarchitekturen – Service based architecture

Dynamische Systemintegration

– program to program communictaion– Zusammenfügen von Anwendungskomponenten

zur Laufzeit (z.B. freie Wahl bei der Inanspruchnahme kostpflichtiger Angebote im WWW)


4. Systemarchitekturen – Service based architecture Service

– Implementierung eines (standardisierten) Interfaces, das eine Menge von Operationen über ein Netzwerk verfügbar macht.

– Das Interface „versteckt“ Implementierungsdetails, so dass es unabhängig von der verwendeten Hard- und Softwareplattform genutzt werden kann (cross technology implementation).

– Wird durch eine service description beschrieben, welche alle Informationen enthält, die zur Interaktion mit dem Service erforderlich sind.


4. Systemarchitekturen – Service based architecture

Find-bind-publish; Basiert auf den Interaktionen dreier Rollen:

1.Service provider

2.Service registry

3.Service requestor


4. Patterns für Mehrschicht- & Servicearchitekturen Mehrschichtige Systeme sind aus einer Vielzahl von

Komponenten aufgebaut.

Daraus ergeben sich unterschiedliche, immer wiederkehrende Anforderungen:

– Transparenz, plattformneutrale Kommunikation

– Auffinden und Aktivierung von Komponenten

– Performance, Skalierbarkeit

Für viele dieser Probleme gibt es daher Lösungsmuster (patterns) die sich in vielen Systemen/Middlewares wiederfinden.


4. Patterns – Kommunikationsmuster

Sowohl die einzelnen Schichten als auch Komponenten innerhalb einer Schicht müssen durch Kommunikationsmechanismen verbunden werden

Arten der Kommunikation:

1. Lokaler Server (native procedure call)

2. Synchroner RPC (Remote Procedure Call)

3. Asynchroner RPC

4. Message-basiert (Publish-Subscribe)


4. Patterns Beispiele: Synchrone Kommunikation (S-RPC) Alle Komponenten sollten gleich angesprochen

werden können, egal ob sie lokal oder verteilt sind

Proxy-Pattern

+service()

AbstractService

+service()

Service

+service()-marshal()-unmarshal()

Proxy

Client

1 1


4. Patterns Beispiele: Ablauf S-RPC

c : Client p1 : Proxy s : Service

service()

marshal()

service()

unmarshal()


4. Patterns Beispiele: Broker

Wie lokalisiert man Komponenten?

Wie initiiert man die Kommunikation?

Client

+locate_service()+register_service()

Broker


Proxy

*

1

calls

* 1

message exchange


Proxy*1message exchange

+service()

Service

*

1

calls


4. Patterns Beispiele: Ablauf Brokerc : Client client : Proxy b : Broker server : Proxy s : Service

service()

service()

marshal()

locate_service()

register_service()

unmarshal()

service()

marshal()

unmarshal()


4. Frameworks - Eigenschaften

Frameworks:

– fassen Patterns zu logischen Einheiten zusammen– sind nicht nur abstrakte Konzepte sondern sind

durch Implementierungen realisiert – zielen meist auf einen speziellen

Anwendungsbereich– Bspe: Klassenbibliotheken, GUI-Toolkits, ...– Systemarchitekturen bedienen sich eines oder

mehrere frameworks


4. Frameworks - Eigenschaften

white box framework

– Strukturierte Sammlung von Quelltexten– Interoperabilität zur Kompilierzeit– Implementierung transparent

black box framework

– Strukturierte Sammlung von binären Entitäten (components)

– plug-and-play zur Laufzeit– Implementierung unbekannt

vgl.Szyperski, C. (1999): Component Software - Beyond Object-Oriented Programming. Addison-Wesley.


5. Aktuelle DCP

Distributed Computing Platform (DCP) bzw. Plattfomen für Distributed Object Computing (DOC)

Nachfolger der plattformspezifischen und implemetierungsaufwändigen Socket-Techniken bzw. der Remote Procedure Calls (RPC) die die direkte Implementierung auf Basis des Transmission Control Protocol (TCP) ablösten

Es wird heute (nicht wirklich trennscharf) unterschieden in:

– Eng gekoppelte Dienste– Lose gekoppelte Dienste


5. Aktuelle DCP

Eng gekoppelte Dienste:

– Die eingebunden Ressourcen sind weitgehend bekannt

– Struktur der übertragenen Informationen ist weitgehend bekannt

– Kopplung erfolg in der Regel im Intranet (bzw. hinter einer gemeinsamen firewall)

Architekturen für eng gekoppelte Dienste:

– CORBA– DCOM– Java RMI, …


5. Aktuelle DCP - CORBA

Die Common Request Broker Architecture (CORBA) wurde Anfang der 90er Jahre durch die Object Management Group (OMG) erstmalig vorgestellt

Generelle Idee:

– Interfaces eines Objektes werden durch die Interface Definition Language beschrieben

– Der Objekt Request Broker realisiert die Kommunikation zwischen Client- und Serveranwendungen

– Client müssen Stubs implementiern– Server müssen Skeletons implementieren– Dafür gibt es sprachspezifische IDL-Übersetzer



CORBA lieferte damit zunächst auch nur rudimentäre Lösung Weiterhin bleibt eine Menge von Absprachen notwendig um wirklich plattformunabhängige Lösungen zu realisieren

Die OMG versucht zu reagieren, mit der

– Erweiterung zur Object Management Architecture (OMA)

– Spezifikation grundlegender Dienste in CORBA 2.0 (pesistent object services, security services, etc.)

Implementierungen gibt es erst Ende der 90er Jahre

Da kommen die Web-Services auf….


5. Aktuelle DCP

Lose gekoppelte Dienste:

– Die eingebunden Ressourcen sind weitgehend unbekannt

– Struktur der übertragenen Informationen ist selbstbeschreibend

– Kopplung erfolgt in der Regel im Internet

Architekturen und Protokolle für lose gekoppelte Dienste:

– WEB/HTTP; HTTPS– XML, SOAP, WSDL– UDDI


5. Aktuelle DCP - Web Service


Fazit

Architekturen dienen:

– der Strukturierung, – der Kommunikation von Designentscheidungen, – des Systementwurfes, – der Beschreibung der Interaktionen und

Schnittstellen.

Auf unterschiedlichen Granularitätsebenen finden sich mit höher werdender Granularität: Systemarchitekturen, Frameworks und Patterns


Fazit

In Architekturen finden sich wiederkehrende Muster (patterns)

Frameworks erlauben die dynamische Konfiguration eines aus patterns aufgebauten Anwendungsgerüsts (toolbox)

Systemearchitekturen beschreiben das Gesamtsystem, dies sind in der Regel multi-tier Architekturen Abstraktion durch Schichten Interoperabilität durch definierte Schnittstellen

und Protokolle


Fazit

Dienstearchitekturen sind Mehrschichtarchitekturen die speziell auf eine ad-hoc Zusammenstellung ausgerichtet sind

Es kann zwischen Dienstearchitekturen für eng und lose gekoppelte services unterschieden werden

Der aktuelle Hype konzentriert sich auf die lose gekoppelten Web Services ….

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