Архитектура программного обеспечения

Архитектура программного обеспечения (software architecture) — совокупность важнейших решений об организации программной системы. Она включает в себя:

· структурные элементы и их интерфейсы;

· соединения элементов во всё более крупные системы;

· архитектурный стиль, который определяет способ организации элементов, и их соединений.

Архитектура ПО является одним из важных объектов проектирования программных систем. Она имеет несколько видов, как типы чертежей в строительстве зданий. В онтологии, установленной ANSI / IEEE 1471—2000, виды являются экземплярами точки зрения некоторого множества заинтересованных лиц.

Архитектурный вид состоит из двух компонентов:

· Элементы;

· Отношения между элементами.

Архитектурные виды можно разделить на три основных типа:

1. Модульные виды (module views), которые представляют систему как структуру из различных программных блоков.

2. Компоненты-и-коннекторы (component-and-connector views) — показывают систему как структуру из параллельно запущенных элементов (компонентов) и способов их взаимодействия (коннекторов).

3. Размещение (allocation views), отображающий размещение элементов системы во внешних средах.

Примеры модульных видов:

· Декомпозиция (decomposition view) — состоит из модулей в контексте отношения «является подмодулем»

· Использование (uses view) — состоит из модулей в контексте отношения «использует» (т.е. один модуль использует сервисы другого модуля)

· Вид уровней (layered view) — показывает структуру, в которой связанные по функциональности модули объединены в группы (уровни)

· Вид классов/обобщений (class/generalization view) — состоит из классов, связанные через отношения «наследуется от» и «является экземпляром»

Примеры видов компонентов-и-коннекторов:

· Процессный вид (process view) — состоит из процессов, соединённых операциями коммуникации, синхронизации и/или исключения;

· Параллельный вид (concurrency view) — состоит из компонентов и коннекторов, где коннекторы представляют собой «логические потоки»;

· Вид обмена данными (shared-data (repository) view) — состоит из компонентов и коннекторов, которые создают, сохраняют и получают постоянные данные;

· Вид клиент-сервер (client-server view) — состоит из взаимодействующих клиентов и серверов и коннектором между ними (например, протоколов и общих сообщений).

Примеры видов размещения:

· Развертывание (deployment view) — состоит из программных элементов, их размещения на физических носителях и коммуникационных элементов

· Внедрение (implementation view) — состоит из программных элементов и их соответствия файловым структурам в различных средах (разработческой, интеграционной и т.д.)

· Распределение работы (work assignment view) — состоит из модулей и описания того, кто ответственен за внедрение каждого из них

Несмотря на то, что было разработано несколько языков для описания архитектуры программного обеспечения, в настоящий момент нет согласия по поводу того, какой набор видов должен быть принят в качестве эталона. В качестве стандарта «для моделирования программных систем (и не только)» был создан язык UML.

Архитектурные шаблоны

Для упорядочения описания архитектур применяются архитектурные шаблоны (паттерны). Каждый шаблон решает свои задачи и имеет свои недостатки.

Наиболее распространенные типы архитектурных шаблонов:

· Многоуровневый шаблон (Layered pattern). Система разбивается на уровни, которые на диаграмме изображаются один над другим. Каждый уровень может вызывать только уровень на 1 ниже него. Таким образом, разработку каждого уровня можно вести относительно независимо, что повышает модифицируемость системы. Недостатками данного подхода являются усложнение системы и снижение производительности.

· Шаблон посредника (Broker pattern). Когда в системе присутствует большое количество модулей, их прямое взаимодействие друг с другом становится слишком сложным. Для решения проблемы вводится посредник (например, шина данных), по которой модули общаются друг с другом. Таким образом, повышается функциональная совместимость модулей системы. Все недостатки вытекают из наличия посредника: они понижает производительность, его недоступность может сделать недоступной всю систему, он может стать объектом атак и узким местом системы.

· Шаблон «Модель-Вид-Контроллер» (Model-View-Controller pattern). Т.к. требования к интерфейсу меняются чаще всего, то возникает потребность часто его модифицировать, при этом сохраняя корректное взаимодействие с данными (чтение, сохранение). Для этого в шаблоне Model-View-Controller (MVC) интерфейс отделён от данных. Это позволяет менять интерфейсы, равно как и создавать их разные варианты. В MVC система разделена на следующие составляющие:

a) Модель, хранящую и обрабатывающую данные;

b) Вид, отображающий часть данных и взаимодействующий с пользователем;

c) Контроллер, являющийся посредником между видами и моделью.

Однако, концепция MVC имеет и свои недостатки. В частности, из-за усложнения взаимодействия падает скорость работы системы.

· Клиент-серверный шаблон (Client-Server pattern). Если есть ограниченное число ресурсов, к которым требуется ограниченный правами доступ большого числа потребителей, то удобно реализовать клиент-серверную архитектуру. Такой подход повышает масштабируемость и доступность системы. Но при этом сервер может стать узким местом системы, при его недоступности становится недоступна вся система.

В курсовом проекте необходимо использовать одну из следующих типов архитектур:

1) Монолитную, которая реализуется в виде единой программы (файла), без вспомогательных файлов и модулей;

2) Клиент-серверную или двухзвенную, состоящую из двух частей (приложений) – клиентской и серверной. В ней сервер отвечает на клиентские запросы напрямую и в полном объеме, используя только собственные ресурсы. Общий вид такой архитектуры представлен нар рис. 5.1.

Рис.5.1

3) Трехзвенную, которая реализуется на основе модели сервера приложений, где сетевое приложение разделено на две и более частей, каждая из которых может выполняться на отдельном компьютере. Выделенные части приложения взаимодействуют друг с другом, обмениваясь сообщениями в заранее согласованном формате, как показано на рис. 5.2.

Рис. 5.2

4) Сервис-ориентированную (на основе веб-cервиса), обеспечивающую распределенное взаимодействие в среде Интернет (см. рис. 5.3). Взаимодействие осуществляется посредством HTTP протокола (Hyper Text Transfer Protocol). Веб-сервис – это программа, которая реализуется на на веб-сервере. В сервис-ориентированной системе выполняются следующие операции.

a) Владелец веб-сервиса размещает его на сервере, а также определяет формат запросов к сервису и его ответов.

b) Программа-потребитель веб-сервиса делает запрос на выполнение функции, предоставляемой веб-сервисом.

c) Веб-сервис отрабатывает запрос и возвращает ответ в заявленной ранее форме.

Рис.5.3

5) Распределенную, которая использует не менее 4 уровней (см. рис.5.4).

представления данных (пользовательский уровень);

a) обработки данных;

b) управления данными;

c)
хранения данных.

Рис. 5.4

Уровень представления данных - единственный доступный конечному пользователю. Клиентское приложение должно обеспечивать выполнение следующих функций:

- получение данных;

- представление данных для просмотра пользователем;

- редактирование данных;

- проверка корректности введенных данных;

- сохранение сделанных изменений;

- обработка исключительных ситуаций и отображение информации об ошибках для пользователя.

Функциями уровня обработки данных являются следующие.

- обработка потоков данных в соответствии с некоторыми правилами;

- взаимодействие с уровнем представления данных для получения запросов и возвращения ответов;

- взаимодействие с уровнем хранения данных для передачи запросов и получения ответов.

К функциям уровня управления данными относятся:

- управление частями распределенного приложения;

- управление соединениями и каналами связи между частями приложения;

- управление потоками данных между клиентами и серверами и между серверами;

- управление нагрузкой;

- реализация системных служб приложения.

Необходимо отметить, что часто уровень управления данными создается на основе готовых решений, поставляемых на рынок программного обеспечения различными производителями. Так, для платформы Windows, - используются разнообразные инструменты: технология COM+ (развитие технологии Microsoft Transaction Server, MTS), технология обработки очередей сообщений MSMQ, технология Microsoft BizTalk и др.

Уровень хранения данных объединяет серверы SQL и базы данных, используемые приложением. Он обеспечивает решение следующих задач:

- хранение данных в БД и поддержание их в работоспособном состоянии;

- обработка запросов уровня обработки данных и возврат результатов;

- реализация части логики распределенного приложения;

- управление распределенными базами данных при помощи административного инструментария серверов БД.

UML-ДИАГРАММЫ

UML (Unified Modeling Language- унифицированный язык моделирования) – это язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. Он является языком широкого профиля. Это открытый стандарт, использующий графические обозначения для создания абстрактной модели системы, называемой UML моделью. Язык был создан для определения, визуализации, проектирования и документирования программных систем.

Существует 13 официальных диаграмм UML 2.0, каждая из которых представляет собой различное представление разных аспектов системы. Наиболее распространенные из них представлены на рисунке 6.1.