Giáo trình Công nghệ phần mềm - Chương 6: Thiết kế kiến trúc

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ phần mềm - Chương 6: Thiết kế kiến trúc

1. Chương 6 THIẾT KẾ KIẾN TRÚC
2. Giới thiệu . Sau khi xác định và phân tích yêu cầu hệ thống, chúng ta chuyển sang pha thiết kế và cài đặt hệ thống. Thiết kế kiến trúc hệ thống là giai đoạn sớm nhất trong quy trình thiết kế hệ thống. Thiết kế kiến trúc cung cấp cho chúng ta bản đặc tả về kiến trúc hệ thống, bao gồm những hệ thống con nào, tương tác với nhau ra sao, framework hỗ trợ điều khiển tương tác giữa các hệ thống con như thế nào 11/12/2021 2
3. Thiết kế kiến trúc là gì? . Quy trình thiết kế nhằm xác định các hệ thống con cấu tạo lên hệ thống đề xuất và framework giúp điều khiển các hệ thống con và giao tiếp giữa chúng được gọi là quy trình thiết kế kiến trúc. Kết quả của quy trình thiết kế này là bản đặc tả về kiến trúc phần mềm. . Thiết kế kiến trúc là pha sớm nhất trong quy trình thiết kế hệ thống. Thiết kế kiến trúc thường được thực hiện song song với một số hành động đặc tả. Nó bao gồm có việc phát hiện các thành phần chính của hệ thống và giao tiếp giữa chúng. 11/12/2021 3
4. Thiết kế kiến trúc là gì? . Nếu chúng ta có được bản thiết kế kiến trúc rõ ràng thì ta sẽ thấy được các ưu điểm của nó trong những hoạt động sau: . Giao tiếp giữa các stakeholder: . kiến trúc hệ thống thường được sử dụng làm tâm điểm của các buổi thảo luận giữa các stakeholder. . Phân tích hệ thống: . tức là phân tích để xác định liệu hệ thống có thoả mãn các yêu cầu phi chức năng của nó hay không. . Tái sử dụng với quy mô lớn: . kiến trúc có thể được tái sử dụng trong nhiều hệ thống. 11/12/2021 4
5. Thiết kế kiến trúc là gì? . Các đặc điểm của kiến trúc hệ thống: . Hiệu năng: hạn chế các thao tác phức tạp và tối thiểu hoá giao tiếp. . Bảo mật: sử dụng kiến trúc phân lớp với nhiều kiểm soát chặt chẽ ở các lớp sâu hơn. . An toàn. . Sẵn dùng. . Có khả năng bảo trì. 11/12/2021 5
6. Thiết kế kiến trúc là gì? . Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế kiến trúc có thể xảy ra các xung đột về mặt kiến trúc như sau: . Sử dụng nhiều thành phần lớn sẽ tăng hiệu năng nhưng giảm khả năng bảo trì. . Nếu dữ liệu bị dư thừa thì sẽ cải thiện tính sẵn dùng nhưng làm cho việc bảo mật khó khăn hơn. . Hạn chế các thuộc tính có liên quan đến tính an toàn có nghĩa là nếu có nhiều giao tiếp thì sẽ làm giảm hiệu năng. 11/12/2021 6
7. Thiết kế kiến trúc là gì? . Thiết kế kiến trúc là một quy trình sáng tạo cho nên sự khác biệt của quy trình này phụ thuộc vào từng loại hệ thống được xây dựng. Tuy nhiên, các quy trình thiết kế đều dựa trên những quyết định sau: . Kiến trúc ứng dụng chung có được sử dụng lại hay không? . Hệ thống sẽ được phân tán như thế nào? . Những phong cách kiến trúc nào là thích hợp? . Hệ thống sẽ được phân rã thành những mô-đun nào? . Chiến lược điều khiển nào sẽ được sử dụng? . Cách đánh giá thiết kế kiến trúc . Kiến trúc sẽ được tư liệu hoá như thế nào? 11/12/2021 7
8. Thiết kế kiến trúc là gì? . Hơn nữa, cũng cần phải chú ý rằng các hệ thống có cùng miền ứng dụng có thể có các kiến trúc chung để phản ánh những khái niệm liên quan đến miền ứng dụng đó. Đồng thời, các dây chuyền sản xuất phần mềm được xây dựng quanh kiến trúc nền tảng cùng với các biến đổi tuỳ thuộc vào yêu cầu của khách hàng. Do đó, khả năng tái sử dụng lại kiến trúc hệ thống là rất cao. 11/12/2021 8
9. Thiết kế kiến trúc là gì? . Các mô hình kiến trúc cơ bản: . Mô hình cấu trúc tĩnh: mô tả các thành phần hệ thống chính. . Mô hình quy trình động: biểu diễn quy trình cấu trúc của hệ thống. . Mô hình giao diện: định nghĩa tập hợp các giao diện của hệ thống con . Mô hình quan hệ: biểu diễn quan hệ giữa các hệ thống con. . Mô hình phân tán: biểu diễn cách cài đặt các hệ thống con trên máy tính. 11/12/2021 9
10. Tổ chức hệ thống . Tổ chức hệ thống phản ánh chiến lược cơ bản được sử dụng để cấu trúc hệ thống. Trong quá trình thiết kế kiến trúc hệ thống, hoạt động đầu tiên phải thực hiện là xây dựng mô hình tổ chức hệ thống. . Có 3 phương pháp tổ chức hệ thống thường được sử dụng: . Kho dữ liệu dùng chung . Server và các dịch vụ dùng chung (client-server) . Phân lớp hoặc máy trừu tượng . Ở các phần tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết ba phương pháp tổ chức hệ thống này. 11/12/2021 10
11. Tổ chức hệ thống (tt1) . Kho dữ liệu dùng chung . Các hệ thống con phải trao đổi dữ liệu và làm việc với nhau một cách hiệu quả. Việc trao đổi dữ liệu được thực hiện theo hai cách: . Dữ liệu chia sẻ được lưu ở CSDL trung tâm hoặc kho dữ liệu và được tất cả các hệ thống con truy nhập. . Mỗi hệ thống con bảo trì CSDL của chính nó và truyền dữ liệu một cách tường minh cho các hệ thống con khác. . Nếu số lượng dữ liệu dùng chung rất lớn thì mô hình kho dữ liệu dùng chung thường được sử dụng phổ biến nhất. Ưu điểm của mô hình này là: . Đây là phương pháp hiệu quả để chia sẻ số lượng lớn dữ liệu. . Các hệ thống con không cần quan tâm tới những hoạt động liên 11/12/2021 quan đến dữ liệu như: sao lưu, bảo mật, vì đã có bộ quản lý11 trung tâm thực hiện nhiệm vụ này.
12. Tổ chức hệ thống (tt2) . Kho dữ liệu dùng chung (tt1) . Tuy nhiên, việc sử dụng kho dữ liệu dùng chung cũng có một số nhược điểm sau: . Tất cả các hệ thống con phải chấp nhận mô hình kho dữ liệu. . Việc cải tiến dữ liệu rất phức tạp và tốn kém . Khó phân tán một cách hiệu quả . Không có giới hạn cho các chính sách quản lý cụ thể. 11/12/2021 12
13. Tổ chức hệ thống (tt3) . Mô hình client – server . Mô hình kiến trúc client-server là một mô hình hệ thống trong đó hệ thống bao gồm một tập hợp các server cung cấp dịch vụ và các client truy nhập và sử dụng các dịch vụ đó. Các thành phần chính của mô hình này bao gồm: . Tập hợp các server sẽ cung cấp những dịch vụ cụ thể như: in ấn, quản lý dữ liệu . Tập hợp các client truy nhập đến server để yêu cầu cung cấp dịch vụ. . Hệ thống mạng cho phép client truy cập tới dịch vụ mà server cung cấp. . Client phải biết tên của server và các dịch vụ mà server cung cấp. Nhưng server thì không cần xác định rõ client và hiện tại có bao nhiêu client. Client tạo ra một yêu cầu tới server và chờ server trả 11/12/2021 lời. 13
14. Tổ chức hệ thống (tt4) . Mô hình client – server (tt1) . Ưu điểm của mô hình client server là: . Phân tán dữ liệu rõ ràng . Sử dụng các hệ thống được kết nối mạng một cách hiệu quả và chi phí dành cho phần cứng có thể rẻ hơn. . Dễ dàng bổ sung hoặc nâng cấp server . Nhược điểm của mô hình client server là: . Không phải là mô hình dữ liệu dùng chung nên các hệ thống con có thể sử dụng các tổ chức dữ liệu khác nhau. Do đó, việc trao đổi dữ liệu có thể không hiệu quả. . Quản lý mỗi server không thống nhất, dư thừa. . Không đăng ký tên và dịch vụ tập trung. Điều này làm cho việc 11/12/2021 tìm kiếm server hoặc các dịch vụ rất khó khăn. 14
15. Tổ chức hệ thống (tt5) . Mô hình client – server (tt1) 11/12/2021 15
16. Tổ chức hệ thống (tt6) . Phân rã hệ thống . Sau khi cấu trúc hệ thống đã được lựa chọn, ta cần phải xác định phương pháp phân rã các hệ thống con thành các mô-đun. . Hệ thống con là một hệ thống có thể vận hành một cách độc lập, có thể sử dụng một số dịch vụ được cung cấp bởi các hệ thống con khác hoặc cung cấp dịch vụ cho các hệ thống con khác sử dụng. . Mô-đun là một thành phần hệ thống cung cấp các dịch vụ cho các thành phần khác, nhưng nó thường không được coi như là một hệ thống riêng rẽ, độc lập. . Có hai cách để phân rã các hệ thống con thành các mô-đun: . Phân rã hướng đối tượng: hệ thống được phân rã thành các đối tượng tương tác với nhau. . Pipeline hướng chức năng hoặc luồng dữ liệu: hệ thống được phân rã thành các mô-đun chức năng chịu trách nhiệm chuyển đổi thông tin đầu vào thành kết quả đầu ra. 11/12/2021 16
17. Tổ chức hệ thống (tt7) . Phân rã hướng đối tượng . Mô hình kiến trúc hướng đối tượng cấu trúc hệ thống thành một tập hợp các đối tượng gắn kết lỏng dựa trên các giao diện đã được định nghĩa. . Phân rã hướng đối tượng liên quan tới việc xác định lớp đối tượng, các thuộc tính và phương thức của nó. Khi cài đặt lớp, các đối tượng sẽ được tạo ra từ các lớp này và có một số mô hình điều khiển được sử dụng để kết hợp các phương thức của đối tượng. . Ưu điểm của mô hình hướng đối tượng: . Đối tượng được gắn kết lỏng nên khi thay đổi cách cài đặt chúng có thể không ảnh hưởng tới các đối tượng khác. . Đối tượng phản ánh thực thể trong thế giới thực. . Các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng được sử dụng rộng rãi. 11/12/2021 17
18. Tổ chức hệ thống (tt8) . Phân rã hướng đối tượng (tt1) . Tuy nhiên, khi giao diện của đối tượng thay đổi có thể gây ra những vấn đề hết sức khó khăn và rất khó biểu diễn các thực thể phức tạp trong thế giới thực như là các đối tượng. . Ví dụ: các đối tượng trong hệ thống xử lý hoá đơn 11/12/2021 18
19. Tổ chức hệ thống (tt9) . Pipeline hướng chức năng . Mô hình pipeline hướng chức năng hoặc mô hình luồng dữ liệu là quy trình chuyển đổi thông tin đầu vào thành kết quả đầu ra. Việc chuyển đổi thông tin đầu vào thành kết quả đầu ra có thể được thực hiện tuần tự hoặc song song. Dữ liệu được xử lý trong quy trình có thể là riêng lẻ hoặc theo lô. . Ưu điểm của mô hình: . Hỗ trợ tái sử dụng quy trình chuyển đổi . Cung cấp tài liệu để giao tiếp với stakeholder . Dễ dàng bổ sung thêm quy trình chuyển đổi mới. . Dễ dàng thực hiện, kể cả với hệ thống tuần tự hoặc song song. . Tuy nhiên, mô hình này yêu cầu phải có định dạng dữ liệu chung để truyền qua các pipeline và rất khó hỗ trợ cho các tương tác 11/12/2021 hướng sự kiện. 19
20. Tổ chức hệ thống (tt10) . Pipeline hướng chức năng (tt1) . Ví dụ: Mô hình luồng dữ liệu của hệ thống xử lý hoá đơn 11/12/2021 20
21. Các chiến lược điều khiển . Giới thiệu . Các mô hình cấu trúc hệ thống có liên quan tới cách phân rã hệ thống thành nhiều hệ thống con. Để hệ thống làm việc tốt, ta phải điều khiển được các hệ thống con; cho nên, các dịch vụ của chúng phải được thực hiện đúng chỗ và đúng thời điểm. . Có 2 loại chiến lược điều khiển: . Điều khiển tập trung: một hệ thống con chịu trách nhiệm kiểm soát, khởi tạo hoặc dừng các hệ thống con khác. . Điều khiển hướng sự kiện: mỗi hệ thống đáp ứng với các sự kiện xảy ra từ các hệ thống con khác hoặc từ môi trường của hệ thống. 11/12/2021 21
22. Các chiến lược điều khiển (tt1) . Điều khiển tập trung . Hệ thống con điều khiển chịu trách nhiệm quản lý việc thực hiện của các hệ thống con khác. . Chiến lược điều khiển tập trung gồm 2 loại mô hình: . Mô hình gọi trả lời (call-return) . Gồm các thủ tục con được sắp xếp phân cấp, thủ tục điều khiển nằm ở đỉnh của cấu trúc phân cấp và di chuyển dần xuống dưới. Mô hình này thường được áp dụng cho các hệ thống tuần tự. 11/12/2021 22
23. Các chiến lược điều khiển . Điều khiển tập trung . Mô hình gọi trả lời (call-return) 11/12/2021 23
24. Các chiến lược điều khiển (tt3) . Điều khiển hướng sự kiện . Mô hình lan truyền (Broadcast) . Trong mô hình lan truyền, sự kiện được lan truyền tới tất cả các hệ thống con. Bất kỳ hệ thống nào nếu có thể bắt được sự kiện này thì sẽ xử lý nó. . Mô hình này có hiệu quả đối với việc tích hợp các hệ thống con trên nhiều máy tính khác nhau trong cùng một mạng. . Các hệ thống con phải đăng ký những sự kiện mà nó có thể bắt. Khi những sự kiện này xảy ra, điều khiển sẽ được truyền cho hệ thống con có thể bắt được sự kiện đó. Những quy tăc điều khiển không được gắn với sự kiện và bộ bắt sự kiện. Các hệ thống phải quyết định sự kiện nào là sự kiện mà nó đã đăng ký. Nhưng nó không cần phải biết khi nào sự kiện sẽ được bắt. 11/12/2021 24
25. Các chiến lược điều khiển . Điều khiển hướng sự kiện . Mô hình lan truyền (Broadcast) 11/12/2021 25
26. Các chiến lược điều khiển . Điều khiển hướng sự kiện . Mô hình hướng ngắt (Interrupt-driven) . Mô hình hướng ngắt được sử dụng trong các hệ thống thời gian thực trong đó các ngắt được phát hiện bởi bộ bắt ngắt (interrupt handler) và được truyền cho một số các thành phần khác để xử lý. . Các kiểu ngắt và bộ bắt tương ứng được định nghĩa trước. Mỗi kiểu ngắt được gắn với một vị trí nhớ và một bộ chuyển mạch để đưa ngắt tới bộ bắt tương ứng của nó. . Mô hình này cho phép đáp ứng rất nhanh, nhưng lập trình khá phức tạp và khó đánh giá. 11/12/2021 26
27. Các chiến lược điều khiển . Điều khiển hướng sự kiện . Mô hình hướng ngắt (Interrupt-driven) 11/12/2021 27
28. Các kiến trúc tham chiếu . Các kiến trúc tham chiếu . Mặc dù các hệ thống có cùng một miền ứng dụng có khác nhau về chi tiết nhưng kiến trúc chung của nó khá giống nhau. Do đó, khi xây dựng một hệ thống mới, ta có thể sử dụng lại kiến trúc của hệ thống tương tự đã tồn tại. . Có 2 loại mô hình kiến trúc cho một miền ứng dụng cụ thể: . Mô hình chung: là sự trừu tượng hoá từ một số các hệ thống thực và bao hàm các thuộc tính quan trọng của các hệ thống này. Mô hình chung là mô hình bottom-up. . Mô hình tham chiếu: là mô hình trừu tượng hoá và lý tưởng. Các mô hình tham chiếu thường kế thừa từ những nghiên cứu về miền ứng dụng hơn là từ các hệ thống đang tồn tại. Mô hình tham chiếu là mô hình top-down. Mô hình tham chiếu được sử dụng như một phần cơ bản để cài đặt hệ thống hoặc để so sánh với các hệ thống khác. Nó đóng vai trò là một mô hình chuẩn để đánh giá các hệ thống khác. 11/12/2021 28