Tài liệu Nghiên cứu và thiết kế kiến trúc phần mềm cho các hệ thống lớn và phức tạp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ VĂN LĨNH NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ KIẾN TRÚC PHẦN MỀM CHO CÁC HỆ THỐNG LỚN VÀ PHỨC TẠP LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ VĂN LĨNH NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ KIẾN TRÚC PHẦN MỀM CHO CÁC HỆ THỐNG LỚN VÀ PHỨC TẠP Ngành Chuyên ngành Mã số CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM 60 48 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Ngọc Hùng Hà Nội - 2011 iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... v DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... vi CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................ 1 1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................. 1 1.2 Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 3 1.3 Cấu trúc luận văn ...................................................................................... 3 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ KIẾN TRÚC PHẦN MỀM........... 5 2.1 Định nghĩa về kiến trúc phần mềm ............................................................ 5 2.2 Các thành phần chính trong thiết kế kiến trúc phần mềm .......................... 5 2.2.1 Thành phần ......................................................................................... 7 2.2.2 Kết nối ................................................................................................ 7 2.2.3 Giao diện .......................................................................................... 10 2.2.4 Cấu hình ........................................................................................... 11 2.3 Một số kiểu kiến trúc điển hình ............................................................... 11 2.4 Các bƣớc thiết kế kiến trúc phần mềm .................................................... 13 2.5 Đánh giá ƣu nhƣợc điểm của SAD .......................................................... 22 CHƢƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ, XỬ LÝ ẢNH TRONG Y TẾ .................................................................................................. 24 3.1 Quy trình khám, chữa bệnh ..................................................................... 24 3.2 Phân tích xử lý nghiệp vụ ........................................................................ 25 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ KIẾN TRÚC CHO HỆ THỐNG QUẢN LÝ, XỬ LÝ ẢNH TRONG Y TẾ ......................................................................................... 29 4.1 Thiết kế kiến trúc tổng thể cho hệ thống .................................................. 29 4.2 Thiết kế cho chức năng lớn trong hệ thống .............................................. 34 CHƢƠNG 5: CÀI ĐẶT KIẾN TRÚC PHẦN MỀM ........................................ 40 5.1 Cách thức cài đặt kiến trúc phần mềm ..................................................... 40 5.2 Phƣơng pháp đi từ thiết kế kiến trúc tới thiết kế chi tiết .......................... 40 5.3 So sánh SAD và SDD ............................................................................. 43 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 47 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 48 iv BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Tiếng anh Nghĩa tiếng Việt 1 SAD Software Architecture Design Thiết kế kiến trúc phần mềm 2 SDD Software Detailed Design Thiết kế chi tiết phần mềm 3 SRS System Requirement Specification Đặc tả yêu cầu hệ thống 4 VB6 Visual Basic 6.0 Ngôn ngữ lập trình visual basic 6.0 5 SS Sub System Hệ thống con 6 UML Unifield Modeling Language Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình phát triển phần mềm hình chữ V [5] ..................................... 1 Hình 2.1: Thiết kế kiến trúc phần mềm hệ thống quản lý thông tin bệnh nhân. ... 6 Hình 2.2: Không gian tùy chọn của thủ tục gọi kết nối [2]. ................................ 8 Hình 2.3: Không gian tùy chọn của kết nối sự kiện [2]. ...................................... 9 Hình 2.4: Không gian tùy chọn của kết nối truy cập dữ liệu [2]. ....................... 10 Hình 2.5: Kiến trúc gọi trả lại [2]. .................................................................... 11 Hình 2.6: Kiến trúc phân tầng [2]. .................................................................... 12 Hình 2.7: Các bƣớc thiết kế kiến trúc phần mềm [3]. ....................................... 15 Hình 3.1: Quy trình khám chữa bệnh. ............................................................... 24 Hình 3.2: Sơ đồ ca sử dụng của chức năng quản lý thông tin bệnh nhân........... 26 Hình 3.3: Sơ đồ ca sử dụng của chức năng quản lý quá trình chụp ảnh............. 26 Hình 3.4: Sơ đồ ca sử dụng của chức năng thao tác với ảnh. ............................ 27 Hình 4.1: Kịch bản chụp ảnh. ........................................................................... 31 Hình 4.2: Kiến trúc tổng thể của hệ thống. ....................................................... 33 Hình 4.3: Tình huống ngƣời dùng, nghiệp vụ, hệ thống trên màn hình kết nối ảnh. .................................................................................................................. 36 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Các thành phần trong thiêt kế kiến trúc hệ thống quản lý thông tin bệnh nhân ........................................................................................................... 6 Bảng 2.2: Đặc điểm của kiểu kiến trúc gọi trả lại ............................................. 12 Bảng 2.3: Đặc điểm của kiểu kiến trúc phân tầng ............................................. 13 Bảng 2.4: Khung kiến trúc của các điểm nổi bật [3] ......................................... 18 Bảng 4.1: Đặc điểm của thiết kế kiến trúc tổng thể ........................................... 34 Bảng 4.2: Đặc điểm của các thành phần trong thiết kế kiến trúc khi mở màn hình kết nối .............................................................................................................. 38 Bảng 5.1: Ánh xạ các thành phần trong SAD với SDD .................................... 40 Bảng 5.2: So sánh SAD với SDD ..................................................................... 44 1 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Trong phát triển phầm mềm, có rất nhiều mô hình phát triển khác nhau nhƣ mô hình thác nƣớc, mô hình xoắn ốc, … Hiện nay, mô hình phát triển phần mềm đƣợc sử dụng rộng rãi là mô hình chữ V, đƣợc cải tiến từ mô hình thác nƣớc. Trong mô hình phát triển phần mềm hình chữ V, các công việc đƣợc chia thành các giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn sẽ thực hiện một số công việc cụ thể. Ví dụ giai đoạn thiết kế kiến trúc (Architecture Design - AD) sẽ thực hiện chuyển hóa các đặc tả yêu cầu phần mềm (Software Requirement Specification - SRS) thành các mô tả thiết kế kiến trúc đƣợc thể hiện thông qua các hình vẽ, tài liệu mô tả, … Dựa vào kết quả thiết kế kiến trúc đó, các nhà thiết kế chi tiết có thể tạo ra các bản thiết kế chi tiết cho phần mềm, phục vụ cho quá trình cài đặt chƣơng trình đƣợc dễ dàng, thuận tiện. Hình 1.1: Mô hình phát triển phần mềm hình chữ V [5]. Dựa vào hình 1.1 ta thấy thiết kế kiến trúc chính là một giai đoạn trong mô hình phát triển phần mềm. Khi xây dựng và phát triển phần mềm nếu phát triển đúng và đầy đủ theo các giai đoạn của mô hình phần mềm đang áp dụng, đặc biệt là giai đoạn thiết kế, phần mềm sẽ tránh đƣợc sự rủi ro và có chất lƣợng tốt. Trên thực tế chúng ta thƣờng làm việc không có kế hoạch cụ thể, làm tới đâu nghĩ tới đó, xem nhẹ bƣớc thiết kế, coi trọng cài đặt mã nguồn. Kết quả mà chúng ta thu đƣợc thƣờng là một khối mã nguồn rối rắm hoặc nếu có thì cũng chỉ là một chƣơng trình nhỏ 2 với vài chức năng cần thiết, rất khó cho bảo trì và tái sử dụng. Đôi khi, chúng ta làm việc có phần chủ quan và mang tính tự phát, nhƣng nếu bình tĩnh nghiên cứu, làm việc có kế hoạch và áp dụng các tiến trình thiết kế phần mềm vào trong bài toán của mình, chúng ta có thể thấy đƣợc nhiều hƣớng đi, nhiều cách giải quyết, mà có thể đó là những lời giải tối ƣu mà trƣớc đó chúng ta không thấy hoặc đã bỏ qua. Điều quan trọng hơn cả là chúng ta có thể theo dõi và kiểm soát đƣợc những gì đang xảy ra. Thiết kế là đồng nghĩa với việc tiết kiệm thời gian và tiền bạn. Nếu không có bản thiết kế hoặc thiết kế không tốt, khi có thay đổi yêu cầu một vài chức năng trong phần mềm hoặc nâng cấp, cải tiến các chức năng đó, chúng ta phải làm lại một chƣơng tình hoàn toàn mới hoặc phải nghiên cứu lại toàn bộ mã nguồn, điều đó đồng nghĩa với việc tiêu tốn của chúng ta khá nhiều thời gian và tiền bạc. Mặt khác dƣới một góc nhìn rộng và bao quát hơn, thông qua việc phản ánh các kết quả của quá trình phân tích, thiết kế thƣờng xác định cho chúng ta nhiều hƣớng đi, nhiều cách thức giải quyết trên cùng một bài toán, từ đó cho phép chúng ta chọn đƣợc cách thức tốt nhất và con đƣờng ngắn nhất để đi tới đích [1]. Với sự phát triển nhanh của công nghệ thông tin, ngày nay nhiều lĩnh vực trong đời sống đã đƣợc tin học hóa, giúp cho quá trình xử lý công việc nhanh và đơn giản hơn, giúp cho tiết kiệm rất nhiều thời gian và tiền bạc. Với sự phát triển của kinh tế, ngày nay cuộc sống con ngƣời đƣợc cải thiện rất nhiều. Nhu cầu về chăm sóc, khám chữa bệnh, phát hiện, chuẩn đoán và chữa trị bệnh sớm đƣợc tăng lên, khi đó tin học là cánh tay đắc lực giúp cho việc này. Năm 2009, khi tôi đang làm việc tại công ty phần mềm FPT, chúng tôi nhận đƣợc đơn đặt hàng của khách hàng bên Nhật Bản, yêu cầu nâng cấp, xây dựng chức năng mới cho hệ thống quản lý, xử lý ảnh trong y tế. Khi nhận đƣợc bài toán, chúng tôi đã tiến hành khảo sát và phân tích thấy hệ thống cũ có một số hạn chế nhƣ sau: Thứ nhất hệ thống là một chƣơng trình hoàn chỉnh, với mã nguồn rất lớn, hỗn độn nhƣng rất ít tài liệu mô tả về hệ thống. Kiến thức về các chức năng, xử lý nghiệp vụ của hệ thống không đƣợc viết thành tài liệu, mỗi ngƣời hiểu một phần rời rạc. Khi phát triển, phần mềm đƣợc phát triển dựa trên hai công nghệ, môi trƣờng lập trình khác nhau. Phần giao diện giao tiếp với ngƣời dùng đƣợc viết bằng VB6, sử dụng nhiều thành phần sẵn có trong VB6. Ngoài ra sử dụng rất nhiều các thƣ viện của hãng thứ ba nên tính đồng nhất không cao, thƣờng xuyên phải nâng cấp các phiên bản. Cùng với thời gian phần cứng đƣợc thay đổi nhiều, khi đó VB6 không thể đáp ứng với phần cứng với các phiên bản mới hơn. Mặt 3 khác có nhiều loại màn hình kích thƣớc khác nhau, chƣơng trình phải đáp ứng sự tùy biến sao cho phù hợp với các loại màn hình đó, việc này VB6 làm rất khó khăn, gần nhƣ không thể. Hơn nữa, VB6 là ngôn ngữ lập trình hƣớng thủ tục nên khả năng mở rộng kém, khi thêm các chức năng mới rất khó khăn. Phần thuật toán xử lý, lƣu trữ, thao tác với ảnh thì viết bằng C++. Các phần viết rời rạc, sự sử dụng lại kém, hình nhƣ không có. Hạn chế thứ hai là quá trình bảo trì và nâng cấp vô cùng khó khăn, khi mở rộng thì mất nhiều công sức, thậm chí làm ảnh hƣớng tới chức năng đã có, có thể dẫn tới xử lý sai. Những khó khăn này đặt ra cho chúng tôi phải có phƣơng pháp đánh giá, hƣớng tiếp cận phù hợp để có thể nâng cấp, xây dựng chức năng mới cho phù hợp và xử lý chính xác. Cuối cùng, sau một thời gian phân tích, đánh giá nghiêm túc, chúng tôi đã tìm ra đƣợc hƣớng đi phù hợp, đó là phải làm tốt ngay từ giai đoạn phân tích, thiết kế, đặc biệt là thiết kế kiến trúc phần mềm. 1.2 Nội dung nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu lý thuyết về thiết kế kiến trúc phần mềm, các thành phần chính trong thiết kế kiến trúc phần mềm, đặc điểm của một số kiểu kiến trúc phần mềm tiêu biểu, các bƣớc thiết kế kiến trúc phần mềm và đánh giá ƣu nhƣợc điểm của thiết kế kiến trúc phần mềm. Sau đó luận văn tập trung vào quá trình khảo sát, phân tích hệ thống quản lý, xử lý ảnh trong y tế. Từ kết quả khảo sát, phân tích đó, luận văn trình bày chi tiết quá trình áp dụng các bƣớc thiết kế kiến trúc phần mềm vào bài toán quản lý, xử lý ảnh trong y tế. Luận văn cũng mô cách thức cài đặt thiết kế kiến trúc phần mềm, đề xuất phƣơng pháp, các bƣớc đi từ thiết kế kiến trúc tới thiết kế chi tiết sau cho hiệu quả. 1.3 Cấu trúc luận văn Các phần còn lại của luận văn có cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 2 trình bày các khái niệm cơ bản về kiến trúc phần mềm, thiết kế kiến trúc phần mềm, một số kiểu kiến trúc phần mềm tiêu biểu. Sau đó trình bày các bƣớc thiết kế kiến trúc phần mềm và đánh giá ƣu nhƣợc điểm của thiết kế kiến trúc phần mềm. Chƣơng 3 mô tả về quy trình khám chữa bệnh trong y tế. Phân tích xử lý nghiệp vụ của hệ thống quản lý, xử lý ảnh trong y tế. Chi tiết quá trình áp dụng các bƣớc thiết kế kiến trúc phần mềm đã nêu ở 4 chƣơng 2 để thiết kế kiến trúc cho hệ thống quản lý, xử lý ảnh trong y tế đƣợc mô tả chi tiết trong chƣơng 4. Chƣơng 5 mô tả cách thức cài đặt kiến trúc phần mềm. Đề xuất phƣơng pháp, các bƣớc đi từ thiết kế kiến trúc tới thiết kế chi tiết sao cho hiệu quả. Tóm tắt kết quả đã đạt đƣợc, trình bày những hạn chế và hƣớng nghiên cứu phát triển trong tƣơng lai sẽ đƣợc trình bày trong phần kết luận. 5 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ KIẾN TRÚC PHẦN MỀM 2.1 Định nghĩa về kiến trúc phần mềm Kiến trúc của hệ thống phần mềm là tập hợp các quyết định thiết kế cơ bản về hệ thống [2]. Có ba hiểu biết cơ bản về kiến trúc phần mềm là mỗi ứng dụng có một kiến trúc, mỗi ứng dụng có ít nhất một kiến trúc sƣ và kiến trúc không phải là một giai đoạn của phát triển phần mềm. Kiến trúc phần mềm là các kế hoạch chi tiết xây dựng một hệ thống phần mềm và tiến hóa. Các quyết định thiết kế bao gồm mọi khía cạnh của hệ thống đƣợc phát triển bao gồm: i. Kiến trúc hệ thống: Ví dụ các thành phần kiến trúc nên đƣợc bố trí và tổng hợp chính xác. ii. Hành vi chức năng: Ví dụ tiến trình xử lý dữ liệu, lƣu trữ, sự ảo hóa sẽ đƣợc thực hiện một cách tuần tự chính xác. iii. Sự tƣơng tác: Ví dụ sự giao tiếp bao quanh tất cả các phần tử hệ thống sẽ đƣợc phát tỏa chỉ cần dùng một sự kiện thông báo. iv. Thuộc tính phi chức năng: Ví dụ sự phụ thuộc hệ thống sẽ đƣợc đảm bảo bởi sự nhân bản chức năng xử lý. v. Triển khai hệ thống: Ví dụ thành phần giao diện ngƣời dùng sẽ đƣợc xây dựng bởi công cụ Java Swing hay Visual C#. Kiến trúc phần mềm có phạm vi rộng lớn, xuyên suốt trong quá trình phát triển phần mềm. Luận văn chỉ tập trung chủ yếu vào một thành phần quan trọng trong kiến trúc phần mềm là thiết kế kiến trúc phần mềm. 2.2 Các thành phần chính trong thiết kế kiến trúc phần mềm Thiết kế kiến trúc phần mềm gồm bốn thành phần chính là thành phần (component), kết nối (connector), giao diện (interface) và cấu hình (configuration). Hình 2.1 mô tả một ví dụ về kiến trúc của hệ thống quản lý thông tin bệnh nhân đƣợc thiết kế theo mô hình ba lớp gồm lớp trình diễn (Presentaion), lớp xử lý nghiệp vụ (Business) và lớp truy cập, xử lý dữ liệu (Data Access Layer ADL). Lớp trình diễn sẽ có nhiệm vụ giao tiếp với ngƣời dùng, nhận yêu cầu từ ngƣời dùng và hiển thị kết quả cho ngƣời dùng. Khi nhận đƣợc yêu cầu của ngƣời dùng (thêm mới thông tin về bệnh nhân), lớp trình diễn sẽ yêu cầu lớp xử lý nghiệp vụ xử lý và nhận kết quả trả về từ lớp nghiệp vụ, sau đó hiển thị kết 6 quả cho ngƣời dùng. Lớp xử lý nghiệp vụ có nhiệm vụ xử lý nghiệp vụ của bài toán, lớp này sẽ nhận các yêu cầu của lớp trình diễn, xử lý các thao tác liên quan tới nghiệp vụ, gửi yêu cầu tới tầng truy cập dữ liệu để lấy, cập nhật dữ liệu nếu cần, sau đó trả kết quả về cho lớp trình diễn. Lớp truy cập dữ liệu có nhiệm vụ đọc, cập nhật dữ liệu từ các file hoặc cơ sở dữ liệu (CSDL). Sau đó trả về kết quả cho lớp xử lý nghiệp vụ. In: PatientInfo Out: ErrorCode Procedure call Business (SaveData) In: PatientInfo Out: ErrorCode Procedure call DAL (SaveData) In: PatientInfo Out: ErrorCode In: PatientInfo Out: ErrorCode Data Access Presentation (Button Save) Data Access Database (Server 2) Database (Server 1) Component Connector Configuration Interface Hình 2.1: Thiết kế kiến trúc phần mềm hệ thống quản lý thông tin bệnh nhân. Các thành phần ở hình 2.1 đƣợc mô tả chi tiết trong bảng 2.1 dƣới đây. Bảng 2.1: Các thành phần trong thiêt kế kiến trúc hệ thống quản lý thông tin bệnh nhân Kiểu kiến trúc Layered Thành phần Các lớp Presentaion, Business, DAL và CSDL (Server 1, Server 2). Kết nối Lớp trình diễn, lớp xử lý nghiệp vụ, lớp truy cập dữ liệu kết nối với nhau theo cơ chế truyền thông điệp của lập trình hƣớng đối tƣợng. Riêng lớp truy cập dữ liệu sẽ kết nối với 7 CSDL theo cơ chế truy cập dữ liệu để thực hiện truy vấn, cập nhật dữ liệu. Giao diện Đầu vào của lớp xử lý nghiệp vụ, lớp truy cập dữ liệu và CSDL là các thông tin về bệnh nhân (PatientInfo) nhƣ: Mã bệnh nhân, tên bệnh nhân… Đầu ra tƣơng ứng của các lớp đó là các mã lỗi. Khi các phƣơng thức (SaveData) thực thi xong sẽ trả về các mã lỗi để cho các thành gọi tới nó có thể biết đƣợc trạng thái của quá trình thêm mới dữ liệu là thành công hay thất bại. Cấu hình Cấu hình sẽ thiết lập các quy định để các thành phần hoạt động với nhau. Cấu hình sẽ đƣợc thể hiện một file cấu hình của hệ thống, dựa vào đó lớp truy cập dữ liệu sẽ tƣơng tác với dữ liệu thuộc thành phần nào (Server hay Server 2). Sau đây mô tả chi tiết khái niệm về thành phần, kết nối, giao diện và cầu hình. 2.2.1 Thành phần Thành phần tóm lƣợc một tập các chức năng con hoặc dữ liệu của hệ thống và giới hạn sự truy nhập tới các tập con (thành phần con) thông qua định nghĩa các giao diện. Thành phần có thể là các hệ thống con (Sub System - SS) trong một hệ thống lớn, hoặc các dựa án (project), gói (package) trong một SS. 2.2.2 Kết nối Kết nối là phƣơng tiện trung gian lắp ghép các thành phần với nhau và hỗ trợ tƣơng tác giữa các thành phần đó. Kết nối cũng thực hiện truyền điều khiển và dữ liệu giữa các thành phần. Dựa trên cách thức mà các kết nối thực hiện các dịch vụ tƣơng tác, các loại kết nối và đặc điểm của kết nối đƣợc trình bày trong [2], có tám loại kết nối: thủ tục gọi kết nối (Procedure call), sự kiên (Event), truy cập dữ liệu (Data Access), kết hợp (Linkage), luồng (Stream), phân xử (Arbitrator), thích nghi (Adaptor), phân tán (Distributor). Dƣới đây sẽ mô tả các kết nối điển hình 8 Thủ tục gọi kết nối (Procedure call connectors): Thủ tục gọi kết nối là mô hình luồng điều khiển giữa các thành phần thông qua các kĩ thuật gọi khác nhau, là các tọa độ kết nối (coordination connectors). Ngoài ra chúng còn thực hiện truyền dữ liệu giữa các thành phần tƣơng tác qua việc sử dụng các tham số và giá trị trả về. Ví dụ phƣơng thức hƣớng đối tƣợng, phân nhánh và thực thi trong Unix nơi mà có môi trƣờng giống nhau, hay sự gọi lại (call back) trong sự kiện hệ thống. Các thủ tục gọi thƣờng đƣợc dùng làm cơ sở cho kết nối hỗn hợp, chẳng hạn nhƣ các thủ tục gọi từ xa. Không gian tùy chọn của thủ tục gọi kết nối đƣợc mô tả trong hình 2.2. Service Type Dimension Subdimension Data transfer Parameters Semantics Return values Invocation record Communication Procedure call Coordination Entry point Invocation Multiple Single Explicit Implicit Synchronicity Cardinatily Fan out Fan in Value Reference Value Name Default values Keyword parameters Inline parameters Push from L to R Push from R to L Has table Asynchronous Synchronous Private Accessibility Protected Public Hình 2.2: Không gian tùy chọn của thủ tục gọi kết nối [2]. Kết nối sự kiện (Event Connector) Tƣơng tự nhƣ kết nối thủ tục, kết nối sự kiện tác động lên luồng xử lý giữa các thành phần và cung cấp các dịch vụ phối hợp. Các kết nối sự kiện cũng khác nhau từ các thủ tục gọi trong đó kết nối ảo đƣợc hình thành giữa các thành phần quan tâm đến các chủ đề cùng một sự kiện, những kết nối đó có thể xuất hiện và biến mất tự động tùy thuộc vào sự quan tâm thay đổi của các thành phần trong các chủ đề của cùng một sự kiện của các 9 thành phần. Không gian tùy chọn của kết nối sự kiện đƣợc mô tả chi tiết trong hình 2.3. Service Type Dimension Cardinatily Subdimension Producers Observers Event patterns Best effort Exactly once At most once At least once Delivery Communication Coordination Event Priority Outgoing Incoming Asynchronous Synchronous Time out Asynchronous Synchronicity Notification Cardinatily Value Fan out Fan in Causality Polled Publish/subscribe Center update Queued dispatch Absolute Relative Hardware Page faults Interrupts Traps Software Signals GUI input/output Triggers Mode Hình 2.3: Không gian tùy chọn của kết nối sự kiện [2]. Kết nối truy cập dữ liệu (Data access Connector) Kết nối truy cập dữ liệu cho phép các thành phần truy cập dữ liệu đƣợc duy trì bởi thành phần lƣu trữ dữ liệu, do đó chúng cung cấp các dịch vụ truyền thông. Trƣớc khi quyết định lƣu trữ dữ liệu phải tính đến cách thức sẽ truy cập vào dữ liệu đó ra sao và sẽ dọn dẹp dữ liệu thế nào sau khi truy cập đƣợc hoàn thành, dữ liệu đƣợc lƣu trữ liên tục hoặc tạm thời. Ví du truy cập dữ liệu liên tục bao gồm cơ chế truy vấn nhƣ dữ liệu để truy cập CSDL, truy cập dữ liệu trong kho nhƣ một kho chứa dữ liệu. Truy cập dữ liệu tạm thời bao gồm truy cập vùng nhớ (heap hoặc stack) và thông tin vùng đệm. Không gian tùy chọn của kết nối truy 10 cập dữ liệu đƣợc mô tả chi tiết trong hình 2.4. Service Type Dimension Subdimension Thread specific Process specific Global Locality Accessor Mutator Access Communication Data Acces Coordination Transient Availability Persistent Accessibility Register Cache DMA Heap Stack Repository access File I/O Dynamic data exchange Database Access Private Protected Public Initialiaztion Life Cycle Mode Value Termination Defines Uses Hình 2.4: Không gian tùy chọn của kết nối truy cập dữ liệu [2]. 2.2.3 Giao diện Giao diện là điểm giao tiếp giữa hai thành phần với nhau. Các thành phần sẽ hạn chế sự truy cập vào các thành phần con trong đó bằng cách chỉ đƣa ra một số giao diện chính. Giao diện cũng thể hiện sự liên kết lỏng lẻo hay chặt chẽ giữa các thành phần. Trong thiết kế kiến trúc chúng ta thƣờng tuân thủ các nguyên lý hƣớng đối tƣợng, các thành phần và mô đun (module) rất linh động và độc lập với nhau. Tuy nhiên, chúng cũng đem lại một số rắc rối do sự linh động và khả năng tái sử dụng trong phần mềm cũng đồng nghĩa với việc xuất hiện hàng loạt các lớp trừu tƣợng, các phân tầng trong mô hình thiết kế. Các phân tầng trừu tƣợng này sẽ làm giảm hiệu năng và tốc độ của hệ thộng. Do đó trong quá trình thiết kế kiến trúc phần mềm phải cân nhắc phần mềm nào cần ƣu tiên sự linh động và khả năng tái sử dụng, phần mềm nào ƣu tiên tốc độ và hiệu năng để đƣa ra thiết kế phù hợp nhất. 11 2.2.4 Cấu hình Cấu hình là một bộ các thiết lập cụ thể giữa các thành phần và kết nối của một hệ thống kiến trúc phần mềm. Một cấu hình có thể đƣợc biểu diễn nhƣ một đồ thị trong đó các nút đại diện cho các thành phần và kết nối. 2.3 Một số kiểu kiến trúc điển hình Một kiểu kiến trúc là một tập các quyết định thiết kế kiến trúc áp dụng trong một ngữ cảnh phát triển phần mềm hoặc dựa trên sự ràng buộc của các quyết định thiết kế kiến trúc cụ thể cho một hệ thống cụ thể trong phạm vi thiết kế đó. Tập các quyết định thiết kế cũng dựa trên sự suy luận lợi ích chất lƣợng trong mỗi kết quả hệ thống. Kiểu kiến trúc đƣợc trình bày trong [2], có tám kiểu kiến trúc cơ bản là: Main Program and Subroutines, Layered, Data-flow styles, Shared memory, Interpreter, Implicit invocation, Peer-to-peer, “Derived” styles. Trong khi đó, kiểu kiến trúc đƣợc tình bày trong [4] và [6], phân chia các kiểu kiến trúc theo nhóm dựa trên đặc điểm của kiểu kiến trúc. Kiểu kiến trúc gọi – trả lại (Main Program and Subroutines) Đây là kiểu kiến trúc truyền thống bao gồm: Mô hình gọi – trả lại (Main program and subroutines) và hƣớng đối tƣợng (object-oriented). Hình 2.5 minh họa kiểu kiến trúc gọi – trả lại. ll ca e r u ed oc r P In: IValu2 Out: OValue2 In: none Out: Ovalue1 ec all ur ce d Hình 2.5: Kiến trúc gọi trả lại [2]. l Routine 3.1 l ca l Routine 1.2 e l ca In: none Out: none In: none Out: noe Pr o e Routine 3 ur ur In: IValue3 Out: OValue3 d ce e ce d ca ll o Pr ur Pr o u re Routine 2 d ce Routine 1.1 Pr oc ed o Pr ca ll Routine 1 Procedure call Main program In: IValue32 Out: OValue32 Routine 3.2 12 Đặc điểm của kiểu kiến trúc gọi trả lại đƣợc mô tả chi tiết trong bảng 2.2. Bảng 2.2: Đặc điểm của kiểu kiến trúc gọi trả lại Kiểu kiến trúc Program and subroutines Đặc điểm Theo phong cách hƣớng thủ tục, chức năng lớn đƣợc phân rã thành các chức năng con. Chƣơng trình gồm một chƣơng trình chính và gọi tới các chƣơng trình con. Thành phần Chƣơng trình chính và các chƣơng trình con. Kết nối Lời gọi hàm. Lý do lựa chọn Đơn giản, dễ hiểu. Dễ sử dụng với các hệ thống vừa và nhỏ, độ phức tạp không lớn. Kiểu kiến trúc phân tầng (Layered) Client 2 Client n Procedure call Procedure call Client 1 Procedure call Kiểu kiến trúc phân tầng là phân chia các mối quan tâm của ứng dụng thành các lớp độc lập. Hình 2.6 minh họa kiểu kiến trúc phân tầng. Procedure call Network Server Hình 2.6: Kiến trúc phân tầng [2]. 13 Đặc điểm của kiểu kiến trúc phân tầng đƣợc mô tả chi tiết trong bảng 2.3. Bảng 2.3: Đặc điểm của kiểu kiến trúc phân tầng Kiểu kiến trúc Layer Đặc điểm Phân chia các mối quan tâm của ứng dụng thành lớp độc lập. Thành phần Các tầng (layer). Các tầng này có thể là các hệ thống con trong hệ thống lớn hoặc là các dự án (project) hoặc gói (package) trong hệ thống nhỏ. Kết nối Các giao thức của tầng tƣơng tác. Lý do lựa chọn Với ứng dụng phức tạp, ta muốn giảm thiểu sự phức tạp bằng cách nhóm các chức năng có nhiệm vụ và tính chất giống nhau vào chung một tầng. Để cải thiện khả năng bảo trì và mở rộng ứng dụng bằng cách giảm thiểu phụ thuộc. Khi đã có những ứng dụng trƣớc đó, cung cấp sẵn tình huống xử lý nghiệp vụ thông qua các giao diện dịch vụ. Ứng dụng phải hỗ trợ nhiều loại máy khách (client) và thiết bị khác nhau. Muốn thực hiện các quy tắc nghiệp vụ phức tạp vào quá trình. 2.4 Các bƣớc thiết kế kiến trúc phần mềm Đầu năm 2009, khi đó tôi may mắn đƣợc tham gia vào dự án về xử lý ảnh trong y tế cho khách hàng Nhật Bản. Hệ thống này rất lớn, cực kì phức tạp nên có sự tham gia phát triển của nhiều công ty phần mềm ở Nhật Bản, Trung Quốc và Việt Nam. Công ty tôi chịu trách nhiệm cho một số hệ thống con trong hệ thống lớn này. Trƣớc đó chúng tôi chỉ quen với việc làm thiết kế chi tiết (Software Detailed Desgin – SDD) rồi thực hiện viết mã nguồn. Khi khách hàng yêu cầu chúng tôi viết tài liệu về thiết kế kiến trúc phần mềm (Software Architecture Design – SAD) cho phần của mình thì tất cả đều bỡ ngỡ, không biết SAD là gì. Ngƣời quản trị dự án của chúng tôi đã xin sự hỗ trợ từ phía tổng 14 công ty, hi vọng với một công ty phần mềm lớn nhất Việt Nam nhƣ Fsoft thì có nhiều ngƣời biết. Nhƣng câu trả lời chúng tôi nhận đƣợc là không nhiều ngƣời biết về vấn đề này, ngƣời có kinh nghiệm thì rất ít và đang tham gia các dự án khác nên không thể hỗ trợ. Tự thân vận động, chúng tôi cũng thử làm, nhƣng kết quả thì tạo ra một thứ SAD mà nhƣ SDD, SAD đƣợc tạo ra sau khi có SDD (điều này đi ngƣợc với quy trình bình thƣờng). Sau lần thất bại này, chúng tôi đã cử ngƣời sang làm việc trực tiếp với khách hàng để học hỏi. May mắn cho chúng tôi là khách hàng là công ty phần mềm lớn của Nhật Bản, nơi đó có những bậc thầy về SAD. Với sự cố gắng hết mình tìm hiểu, tham khảo SAD của hệ thống cũ, cộng với sự giúp đỡ nhiệt tình của khách hàng, khoảng một năm sau chúng tôi có sản phẩm SAD hoàn chỉnh, đƣợc khách hàng đánh giá cao, rất tin tƣởng vào khả năng thành công. Cá nhân tôi trƣớc đó là lập trình viên, thực hiện tạo SDD và viết mã nguồn. Sau đó tôi đƣợc hƣớng dẫn, chỉ bảo về SAD, đọc tham khảo và tìm hiểu kĩ về các tài liệu SAD trƣớc đó. Do hệ thống lớn và phức tạp, có nhiều công ty tham gia phát triển nên hệ thống đƣợc chia ra làm nhiều SS, mỗi bên chịu trách nhiệm vài SS. Và mỗi SS này cũng rất lớn và phức tạp, nên chúng đƣợc phân chia ra thành các mô đun lớn. Mỗi SS đều có SAD tổng quan, sau đó mỗi mô đun lớn trong SS này sẽ có SAD riêng, dựa vào SAD tổng quan đó. Tôi đƣợc giao phụ trách một nhóm gồm gần mƣời thành viên, chịu trách nhiệm viết SAD cho nhiều mô đun lớn, sau đó sẽ đƣa kết quả của mình nhờ các chuyên gia bên phía khách hàng xem xét, đánh giá. May mắn cho tôi là khách hàng chấp nhận và đánh giá cao về sản phẩm này. Sau đó SAD đƣợc chuyển cho các thành viên trong nhóm để tạo SDD và thực hiện viết mã nguồn. Kết quả sản phẩm cuối cùng của chúng tôi gặp rất ít lỗi khi kiểm thử, sau khi sửa chạy rất ổn định, đáp ứng đủ tính năng, vƣợt trên cả mong đợi vì đây là mô đun lớn và khó nhất trong dự án. Sản phẩm của chúng tôi đã hoàn thiện vào cuối năm 2010 và đầu năm 2011 sản phẩm đó đã đƣa vào sử dụng rộng rãi tại nhiều bệnh viện lớn tại Tokyo, Nhật Bản. Cùng thời gian này, trên lớp cao học chúng tôi đƣợc học môn các vấn đề hiện đại trong phát triển phần mềm của thầy Trƣơng Anh Hoàng. Trong môn này thầy Hoàng đã nói về định nghĩa SAD, các kiểu SAD … Chúng tôi tìm tòi tài liệu tham khảo trên mạng, thảo luận sôi nổi trong lớp học để hiểu rõ thêm vấn đề. Tôi cố gắng ngồi suy luận, đánh giá mối liên hệ giữa những gì mình đã làm thực tế và lý thuyết trong sách vở. Cuối cùng từ những gì đã làm trong thực tế, cộng với việc đọc tài liệu tham khảo [2] và [3], tôi xin tóm lƣợc lại, làm rõ các bƣớc thiết kế kiến trúc phần