Block 2Interoperabilität für Geoinformationen Seminar Interoperabilität für Geoinformationen Grundlegendes zu Software-Architekturen 24.10.2003 Lars Bernard.

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1 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen Seminar Interoperabilität für Geoinformationen Grundlegendes zu Software-Architekturen 24.10.2003 Lars Bernard

2 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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

3 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 1. Motivation – Wozu Architekturen ? hierzu, nicht unbedingt....

4 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 1. Motivation – Wozu Architekturen ? hierzu bestimmt !

5 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 1. Motivation – Wozu Architekturen ? 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 !....

6 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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)

7 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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)

8 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 2. Software-Architektur – Definitionen: 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).

9 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 2. Software-Architektur – Definitionen: 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).

10 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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

11 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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

12 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 4. Systemarchitekturen - Schichtenmodelle Beispiel Java:

13 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 4. Systemarchitekturen - Schichtenmodelle Beispiel 2-tier; client/server (seit den 80ern): Client: User Interface + Prozessmanagement Server: DBMS + Prozessmanagement

14 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 4. Systemarchitekturen - Schichtenmodelle Beispiel 3-tier; client/application-server/data-server(seit den 90ern): Client: User Interface Data Server: DBMS Application Server: Prozessmanagement (Prozesslogik)

15 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 4. Systemarchitekturen - Schichtenmodelle Beispiel ISO/OSI Referenzmodell für Netzwerkanwendungen:

16 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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

17 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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)

18 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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.

19 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 4. Systemarchitekturen – Service based architecture Find-bind-publish; Basiert auf den Interaktionen dreier Rollen: 1.Service provider 2.Service registry 3.Service requestor

20 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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.

21 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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)

22 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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 11

23 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 4. Patterns Beispiele: Ablauf S-RPC

24 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 4. Patterns Beispiele: Broker Wie lokalisiert man Komponenten? Wie initiiert man die Kommunikation? Client +locate_service() +register_service() Broker +service() -marshal() -unmarshal() Proxy * 1 calls *1 message exchange +service() -marshal() -unmarshal() Proxy * 1 message exchange +service() Service * 1 calls

25 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 4. Patterns Beispiele: Ablauf Broker

26 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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

27 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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.

28 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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

29 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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, …

30 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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

31 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 5. Aktuelle DCP - CORBA

32 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 5. Aktuelle DCP - CORBA 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….

33 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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

34 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 5. Aktuelle DCP - Web Service

35 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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

36 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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

37 Block 2Interoperabilität für Geoinformationen 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 ….