Introducción a la ingeniería de software. Arquitectura de software (página 2)

13 Estilos, Patrones e Idioms Los patrones de diseño se agrupan en tres tipos Estilos arquitectónicos: Soluciones de organización a nivel del sistema

Patrones de diseño: Soluciones a problemas detallados de diseño de software

Idioms: Soluciones útiles para problemas específicos en algún lenguaje de programación

14 Estilos Arquitectónicos Un estilo arquitectónico expresa un esquema de organización estructural para sistemas de software. Provee un conjunto de tipos de elementos predefinidos, especifica sus responsabilidades e incluye reglas y guías para organizar las relaciones entre ellos (Gp:) Capa n (Gp:) Capa n – 1 (Gp:) Capa 2 (Gp:) Capa 1 (Gp:) . . . .

15 Patrones de Diseño Un patrón de diseño provee un esquema para refinar los elementos de un sistema de software o las relaciones entre ellos. Describe una estructura recurrente de elementos de diseño interconectados que soluciona un problema general de diseño dentro de un contexto particular

Mencionen algún patrón de diseño que conozcan

16 Idioms Un idiom es un patrón de bajo nivel, específico para un lenguaje de programación. Describe como implementar aspectos particulares de elementos o de las relaciones entre ellos usando las características de un lenguaje particular.

Arquitectura de Software SubEstilos Arquitectónicos

18 Beneficios de Usar Estilos Permite seleccionar una solución entendible y probada a ciertos problemas, definiendo los principios organizativos del sistema

Al basar la arquitectura en estilos que son conocidos las personas entienden más fácilmente las características importantes de la misma

19 Formas de Uso de los Estilos Solución para el diseño del sistema Algún estilo sirve. Se adopta y se usa como una de las estructuras centrales de la arquitectura.

Base para una adaptación Algún estilo soluciona parcialmente los problemas. Se puede buscar adaptar el estilo para las restricciones particulares que se tienen.

20 Formas de Uso de los Estilos (2) Inspiración para una solución relacionada Ningún estilo sirve. Sin embargo, entender problemas que solucionan ciertos estilos puede llevar a entender mejor el problema actual. Entonces, se puede encontrar una solución que de alguna forma está relacionada con estilos existentes

Motivación para un nuevo estilo El problema no es atacado por ningún estilo encontrado Es una buena oportunidad para encontrar una solución general al problema y crear un nuevo estilo

21 Algunos Estilos Shared Data (Datos Compartidos) Pizarrón (Blackboard) Cliente–Servidor Capas Jerárquicas Descomposición Orientada a Objetos Tubos y Filtros Control Centralizado Control Basado en Eventos Arquitecturas de Sistemas Distribuidos Cliente-Servidor Objetos Distribuidos Peer-To-Peer Service Oriented Architecture (SOA)

22 Shared-Data Generalidades Hay un almacenamiento central de datos y un conjunto de componentes que operan sobre éste.

Interacción – intercambio de datos persistentes Múltiples accesos a los datos Al menos un almacenamiento compartido Si se avisa al consumidor de nuevos datos de interés es un Pizarrón (Blackboard) Si es el consumidor quien busca los datos es un Repositorio

23 Ventajas y Desventajas Forma eficiente de compartir grandes cantidades de datos. No se transmiten datos de un componente a otro. Sin embargo, los subsistemas deben estar de acuerdo en el modelo de datos del repositorio. Las componentes que producen datos no necesitan conocer como van a ser usados esos datos. Actividades como respaldos, seguridad, control de acceso y recuperación están centralizadas. Sin embargo, diferentes componentes podría tener distintas políticas de recuperación, respaldo, etc.

24 Pizarrón (Blackboard) Fuentes de Conocimiento Procesos independientes que corresponden a particiones del conocimiento del mundo y del dominio dependientes de la aplicación Responden a cambios en el pizarrón Estructura de datos del Pizarrón Estado completo de la solución del problema único medio por el cual las Fuentes de conocimiento interactúan para llegar a la solución Control Guiado enteramente por el estado del pizarrón Las Fuentes de conocimiento responden oportunamente cuando los cambios en el pizarrón aplican Puede implementarse en las FC, en el pizarrón, en un componente separado o cualquier combinación de éstos.

25 Pizarrón (Blackboard) Pizarrón FC 1 FC 7 FC 6 FC 2 FC 3 FC 4 FC 5 Cálculos Memoria (Compartida)

26 Cliente-Servidor El sistema se descompone en servicios y sus servidores asociados y en clientes que acceden y usan dichos servicios. Estilo compuesto por: Servidores que ofrecen servicios. Clientes que usan servicios ofrecidos por los servidores. Una red que permite que los clientes accedan a los servidores. Esto no es estrictamente necesario ya que clientes y servidores pueden estar en una misma máquina. Los clientes conocen a los servidores pero no a otros clientes y los servidores no tienen porqué conocer a los clientes la asignación de procesos a procesadores no tiene porqué ser 1:1

27 Cliente-Servidor (2) Ci = clientes Si = servidores

28 Capas Jerárquicas El sistema se organiza en capas. Cada una provee un conjunto de servicios a las capas superiores y requiere servicios de las inferiores. Capa n Capa n – 1 Capa 2 Capa 1 . . . .

29 Capas Jerárquicas (2) Modelo estricto: una capa sólo utiliza servicios de la inmediata inferior. Modelo relajado: se pueden “saltar” capas. Definición de protocolos mediante los que interactúan las capas

30 Ventajas y Desventajas Ventajas Facilita la comprensión Facilita mantenimiento Facilita reutilización Facilita portabilidad Desventajas No siempre es fácil estructurar en capas ni identificar los niveles de abstracción a partir de los Requerimientos. la interpretación de comandos en múltiples niveles puede afectar el desempeño.

31 Descomposición O.O. Se descompone el sistema en un conjunto de objetos que se comunican. Representación de datos y operaciones asociadas se encapsulan en un objeto. Herencia, polimorfismo, sobrecarga de operadores, enlace dinámico.

32 Ventajas y Desventajas Ventajas La implementación de los objetos puede ser cambiada sin afectar a otros objetos. Promueve la reutilización de componentes. Muchos objetos representan entidades de la realidad por lo que es fácil entender la estructura del sistema. Desventajas Para usar servicios se debe conocer el nombre de la interface de otro objeto. Los cambios en las interfaces afectan a todos los objetos que la usan.

33 Tubos y Filtros Se descompone el sistema en módulos funcionales Interacción – sucesiva transformación de flujos de datos Los datos llegan a un filtro, se transforman y son pasados a través de tubos al siguiente filtro Un único filtro puede pasar datos a múltiples tubos y recibir datos de múltiples tubos Cada filtro es independiente del resto y no conoce la identidad de los otros filtros La transformación del filtro puede comenzar antes de terminar de leer la entrada Respetando el grafo, no importa la secuencia (paralelismo) (Gp:) Filtro (Gp:) Tubo

34 Ventajas y Desventajas Ventajas Se pueden reutilizar los filtros. Es intuitivo pensar en secuencias de procesamientos de datos. Agregar nuevas transformaciones de forma que el sistema evolucione es sencillo. Desventajas Acordar cuál es el formato de los datos. Tiene que ser “genérico” si las componentes son reusadas. Sistemas interactivos son difíciles de construir con este estilo. Ineficiente si hace más de lo que debe o si los filtros repiten chequeos

35 Modelos de Control Modelos de control a nivel de la arquitectura se preocupan del flujo de control entre subsistemas

Control centralizado Un subsistema controla al resto

Control basado en eventos Cada subsistema puede responder a eventos externos Eventos generados por otros subsistemas Eventos generados por el ambiente del sistema

36 Control Centralizado (1) El control centralizado se puede dividir en dos clases Llamada-Retorno

(Gp:) Principal (Gp:) Subr. A (Gp:) Subr.B (Gp:) Subr.C (Gp:) Subsistema (Gp:) Llamado/Retorno

37 Control Centralizado (2) Modelo Gerente Una componente es el gerente del sistema y controla a los otros procesos del sistema Controlador del Sistema A B F E C D

38 Control Basado en Eventos En los modelos centralizados las decisiones de control suelen estar determinadas por valores de alguna variable de estado del sistema En cambio, el control basado en eventos es guiado por eventos generados externamente Ejemplos Modelos emisión (broadcast). Se emiten los eventos a todos los subsistemas. Modelos guiados por interrupciones. Se usan en sistemas de tiempo real. Las interrupciones son pasadas por un manejador de interrupciones a otras componentes para su procesamiento.

39 Publicar-Suscribir Sistema de componentes independientes que anuncian y se suscriben a eventos Interacción vía eventos anunciados Los componentes se suscriben a eventos Es trabajo del run-time asegurarse que cada evento publicado sea entregado a todos los suscriptores de dicho evento Una forma es la invocación implícita

40 Arquitecturas de Sistemas Distribuidos Ventajas Se comparten recursos. Apertura. Normalmente estos sistemas están diseñados con protocolos estándar. Concurrencia. Escalabilidad Tolerancia a fallas

El procesamiento de la información es distribuido entre varias computadoras.

41 Arquitecturas de Sistemas Distribuidos (2) Desventajas Complejidad Seguridad Difíciles de gestionar Muy poco predecibles

Ejemplos Cliente-servidor Objetos distribuidos Peer-to-peer Service oriented architecture (SOA)

42 Middleware Las componentes pueden ser Implementadas en diferentes lenguajes Ejecutarse en distintos tipos de procesadores Usar diferentes modelos de datos Representar de forma diferente la información Usar distintos protocolos de comunicación Entonces, se necesita software para gestionar la comunicación y el intercambio de datos entre componentes Dicho software se denomina middleware Esta en el medio de las diferentes componentes distribuidas

43 Middleware (2) Normalmente son usados middleware que son comprados comercialmente ya que son de propósito general.

44 Cliente-Servidor El diseño de sistemas cliente-servidor debería reflejar la estructura lógica de la aplicación. Una forma de mirar a una aplicación es la siguiente: Capa de Presentación Capa de Procesamiento Capa Gestión de Datos

45 Cliente-Servidor (2) Capa de presentación Presentación de información al usuario e interacción con el mismo Capa de procesamiento Implementación de la lógica de la aplicación Capa gestión de datos Operaciones de bases de datos y archivos En sistemas distribuidos es importante distinguir claramente esta separación ya que es posible distribuir cada capa en computadoras diferentes

46 Cliente-Servidor en 2 Niveles Es la arquitectura más simple cliente-servidor Varios clientes y un servidor (o varios servidores idénticos) 2 formas diferentes: Cliente fino El procesamiento de la información y la gestión de los datos ocurre en el servidor. El cliente sólo es responsable de ejecutar el software de presentación. Cliente grueso El servidor es responsable sólo de la gestión de los datos. El cliente ejecuta el procesamiento de la aplicación (la lógica de la aplicación) y la presentación.

47 Cliente Fino, Grueso y Applet Cliente fino Procesamiento pesado del lado del servidor Procesamiento pesado en la red Cliente grueso Mejor distribución del procesamiento La administración del sistema es más compleja Cuando el software de aplicación cambia hay que reinstalar la aplicación en cada computadora cliente Java Applets descargables Están en el medio entre cliente fino y grueso Luego de descargar el applet se ejecuta parte de la lógica de la aplicación en el cliente

48 Algunos Problemas En 2 niveles hay que distribuir las tres capas (presentación, lógica y datos) en dos sistemas de computadoras Pueden surgir problemas de escalabilidad y rendimiento con el cliente fino o de gestión del sistema si se usa cliente grueso

Para evitar estos problemas una alternativa es usar una arquitectura cliente-servidor en 3 niveles

49 Cliente-Servidor en 3 Niveles La presentación, la lógica y los datos se separan como procesos lógicos diferentes distribuidos en distintas máquinas Ejemplo: Sistema bancario por internet Cliente Cliente Cliente Cliente Servidor web Provisión de servicios de cuenta Servidor de BD SQL Base Datos Cuenta Cliente HTTP Consulta SQL

50 Comparación La arquitectura en 3 niveles Es más escalable que la de 2 niveles Reduce el tráfico en la red en comparación con cliente fino La capa de procesamiento de la aplicación es fácilmente actualizada ya que está localizada centralmente

Cliente servidor en múltiples niveles Ejemplo: aplicación que necesita acceder a múltiples fuentes de datos (integración de datos)

51 Ejemplos

52 Objetos Distribuidos En la arquitectura cliente-servidor los clientes y los servidores son distintos Los clientes reciben servicios de los servidores y no de otros clientes Los servidores pueden actuar como clientes de otros servidores pero no requieren servicios de clientes Los clientes deben conocer los servicios ofrecidos por servidores específicos y deben conocer como contactar a estos servidores Enfoque más general Remover la distinción entre clientes y servidores Diseñar la arquitectura como una de objetos distribuidos

53 Objetos Distribuidos (2) Se compone de objetos que proveen servicios a otros objetos y usan servicios de otros objetos No hay distinción entre clientes y servidores Pueden ser distribuidos entre distintas computadoras en una red y se comunican a través de middleware Este tipo de middleware se conoce como Object Request Broker (ORB), por ejemplo, CORBA. Es más complejo de diseñar que cliente-servidor

54 Peer-to-Peer Sistemas descentralizados donde las computaciones pueden ser realizadas en cualquier nodo de la red En principio no hay distinción entre clientes y servidores El sistema se diseña para usar el poder de almacenamiento y procesamiento de múltiples computadoras en una red Los protocolos que permiten la comunicación entre nodos están embebidos en la propia aplicación Cada nodo debe correr una copia de la aplicación

55 Peer-to-Peer (2) Ejemplos Sistemas para compartir archivos Mensajería instantánea Seti@home Y otros @home Se está comenzando a usar también en el área de negocios Intel y Boeing han implementado sistemas intensivos en las computaciones con arquitecturas p2p Se pueden clasificar en sistemas descentralizados o semi-centralizados

56 Peer-to-Peer (3) Algunos problemas Overhead Seguridad Confianza Entonces, son más usados en sistemas que no son críticos respecto a la información

57 Service Oriented Architecture (SOA) Organizaciones que quieren hacer su información accesible a otros programas pueden hacerlo definiendo y publicando una interface de servicio web

Un servicio web es una representación estándar para algún recurso computacional o de información que puede ser usado por otros sistemas

58 SOA (2) El servicio es independiente de las aplicaciones que lo usan Se pueden construir aplicaciones mediante el uso de distintos servicios Hay varios modelos de servicios distintos. Conceptualmente todos operan de acuerdo al siguiente modelo

59 Comparación SOA y Objetos Distribuidos Propaganda pública de la disponibilidad del servicio Potencialmente el enlace con el servicio puede ser en tiempo de ejecución Oportunidad de crear nuevos servicios a través de composición de otros servicios Pago por uso de servicios, por su uso más que por su provisión Esto sustituye componentes caras raramente usadas Aplicaciones más chicas y compactas Aplicaciones que pueden ser reactivas y adaptar su operación de acuerdo a su medio mediante el cambio de enlaces a servicios durante la ejecución

60 Web Services Estándares Los servicios se basan en estándares basados en XML Entonces, pueden funcionar en cualquier plataforma y ser escritos en cualquier lenguaje

Estándares más conocidos: SOAP – Simple Object Access Protocol WSDL – Web Services Description Language UDDI – Universal Description, Discovery and Integration.

61 Ejemplo Un sistema de información para un auto provee al conductor con información acerca del clima, las condiciones del tráfico, información local, etc. Esto está vinculado con la radio del auto de forma que la información es entregada como una señal en un canal específico de la radio El auto está equipado con un recibidor GPS para conocer su posición y, basado en esa posición, el sistema accede a un rango de servicios de información. La información debe ser entregada en el lenguaje especificado por el conductor

62 Ejemplo (2)

63 Evaluación de Arquitecturas Cambiar la arquitectura de un producto ya construido requiere mucho esfuerzo Entonces, es importante evaluar la arquitectura antes de implementarla completamente Verificar los requisitos de calidad establecidos Evaluaciones a posteriori resultan útiles como forma de aprendizaje y estudio de posibilidades de mejora, por ej. para una nueva versión del producto Software Engineering Institute (SEI) propone: Architecture Tradeoff Analysis Method (ATAM) Software Architecture Analysis Method (SAAM)

64 Bibliografía Software Engineering 7ed Addison WesleyIan Sommerville Documenting Software Architectures – Views and Beyond Addison-WesleyPaul Clements et al. Software Systems Architecture – Working with stakeholders using viewpoints and perspectivesAddison-WesleyNick Rozanski y Eoin Woods