Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Die Reihe Xpert.press des Springer-Verlags vermittelt Professionals im Projektmanagement sowie in den Bereichen Betriebs- und Informationssysteme,Soft- ware Engineering und Programmiersprachen aktuell und kompetent relevantes Fachwissen über Methoden, Technologien und Produkte zur Entwicklung und Anwendung moderner Informationstechnologien. Schahram Dustdar Harald Gall Manfred Hauswirth Software-Architekturen für Verteilte Systeme Prinzipien,Bausteine und Standardarchitekturen für moderne Software Mit 91 Abbildungen und 22 Tabellen 123 Prof. Dr. Schahram Dustdar Technische Universităt Wien Institut fUr Informationssysteme E-Mail: [email protected] Prof. Dr. Harald Gall Technische Universităt Wien Institut fUr Informationssysteme E-Mail: [email protected] Dr. Manfred Hauswirth Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) Laboratoire de Systemes d'Information Repartis E-Mail: [email protected] ISSN 1439-5428 ISBN 978-3-642-62769-9 ISBN 978-3-642-55599-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-55599-2 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet iiber <http://dnb.ddb.de> abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbe sondere die der "Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbil dungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfiilti gung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfiiltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der ge setzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zuliissig. Sie ist grundsiitzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Ur heberrechtsgesetzes. http://www.springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2003 Softcover reprint ofthe hardcover lst edition 2003 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wiiren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Umschlaggestaltung: Kiinkel Lopka, Heidelberg Texterfassung durch die Autoren Datenaufbereitung: PTP-Berlin Protago-TeX-Production GmbH, Berlin Gedruckt auf siiurefreiem Papier 33/3142 ud 543210 Vorwort Software-Architektur ist ein aktuelles und wichtiges Gebiet sowohl in der Indu- strie als auch in der Forschung. Neue Technologien, Software-Plattformen oder Open-Source-Software bewirken zunehmende Komplexität der zu entwickelnden Software-Systeme, sodass eine wohl durchdachte Architektur immer bedeutender wird. Es gibt wenige – hauptsächlich englischsprachige – Bücher zum Thema Software-Architektur, die diese Fragen in klarer und komprimierter Weise behan- deln, aber unseres Wissens nach kein einziges, das sich auf Software- Architekturen für verteilte Systeme spezialisiert hat. Diese Lücke zu füllen, und Wissen aus der Forschung zum Anwender zu transportieren, stellt die Motivation dieses Buch dar. Aber wie erhält man die beste Architektur für ein konkretes Software-Projekt? Gibt es überhaupt „die beste“ Architektur für ein Problem? Welche Bestandteile haben Software-Architekturen und was sind die wirklich wichtigen Dinge, die man als Software-Architekt bedenken muss? Ein erster wesentlicher Aspekt, den wir in diesem Buch behandeln, ist, welche Fragen im Zusammenhang mit Soft- ware-Architekturen wichtig sind. Das Ziel der meisten Software-Projekte ist es, moderne und tragfähige Software zu entwickeln. Idealerweise sollte man mittels Komposition und Aggregation von Bausteinen in der Lage sein, sowohl Strukturen als auch Prozesse in Software zu gießen, und der Software-Architekt muss viele Entscheidungen bezüglich der Be- schaffenheit zukünftiger Software treffen. Der zweite wesentliche Aspekt, den wir behandeln, ist, Merkmale und Konsequenzen der Technologien und Bausteine kri- tisch zu beleuchten, um Software-Architekten ein besseres Fundament für die zu treffenden Entscheidungen zu bieten. Des Weiteren sind wir der Ansicht, dass Fragen nach benötigter Kommunikati- on und Koordination sich in Entscheidungen bezüglich der verwendeten Bausteine einer Software-Architektur manifestieren. Bausteine, die uns besonders wichtig erscheinen, wie Peer-to-Peer, Web-Services, Workflow, Push-Systeme, Event- basierte Systeme, Payment und andere, sind in den bisherigen Büchern viel zu kurz gekommen und werden von uns in der notwendigen Tiefe behandelt, was wiederum zur Folge hat, dass wir notwendigerweise einige Details weglassen mussten – die Experten in den jeweiligen Bereichen mögen uns verzeihen. Als Ausgleich gibt es zu jedem einzelnen Teilbereich vertiefendes Material, auf das wir verweisen. Unser Ziel ist es, die Zusammenhänge und Merkmale von Baustei- nen und Technologien für moderne und zukunftsfähige Software in einem Buch zu behandeln und miteinander in Beziehung zu setzen, sodass Sie als Software- Architekt in einem kompakten Buch die wichtigsten Aspekte vorfinden. vi Vorwort Eine realistische Fallstudie zu Beginn des Buches erläutert den Bezugsrahmen für Software-Architekturen. Weitere grundlagenorientierte Kapitel vertiefen die nötigen Kenntnisse, um moderne Software-Architekturen zu entwerfen. Schließ- lich analysieren die „technisch“orientierten Kapitel die möglichen Umsetzungen des zuvor Behandelten. Abschließend möchten wir uns noch bei einigen Menschen bedanken: Hermann Engesser (Springer-Verlag) für seinen Enthusiasmus in Bezug auf dieses Buchpro- jekt sowie seine organisatorische Unterstützung. Frau Beate Pannewig (Springer- Verlag) sei für ihre organisatorische Hilfe in der Planung und Umsetzung des Bu- ches herzlich gedankt. Des Weiteren möchten wir uns bei unseren Kollegen für die vielen interessanten Diskussionen (in alphabetischer Reihenfolge) bedanken: Karl Aberer, Pascal Fenkam, Michael Fischer, Mehdi Jazayeri, Clemens Kerer, Engin Kirda, Roman Kurmanowytsch, Joe Oberleitner, Martin Pinzger, Roman Schmidt und Gerald Reif. Einen wesentlichen Beitrag zum musikalischen Wohlbefinden der Autoren während der Stunden des Schreibens haben die vielen Musiksender im Internet ge- leistet. Unser besonderer Dank gebührt Anja, Birgit und Sabrina für ihre Geduld und ihre moralische Unterstützung, die wir für die (oftmals späten) Arbeitsstunden dringend benötigten, sowie ihre Toleranz einen großen Teil unserer Zeit diesem Buch widmen zu können. Wien und Lausanne, Mai 2003 Schahram Dustdar Harald Gall Manfred Hauswirth Inhalt 1 Was ist Software-Architektur?..........................................................................1 1.1 Software-Architektur als Abstraktion..........................................................2 1.2 Software-Architektur als Bauplan................................................................3 1.3 Software-Architektur-Terminologie............................................................5 1.4 Was ist Software-Architektur?.....................................................................7 1.5 Was ist eine „gute“ Software-Architektur?..................................................8 1.6 Software-Architektur versus System-Architektur......................................10 Literatur...........................................................................................................11 2 MobiTeam: Eine Design-Review-Fallstudie...................................................13 2.1 Fallstudie: Design Review von Mobiltelefonie-Software..........................14 2.1.1 Der Design-Review-Prozess...............................................................17 2.1.2 Softwaretechnische Unterstützung verteilter Produktentwicklung.....19 2.2 Architekturelle Konzepte und Abstraktionen.............................................23 2.2.1 Ein erster Blick auf die Architektur von MobiTeam..........................25 2.2.2 Die Software-Architektur von MobiTeam..........................................30 2.3 Abschließende Bemerkungen....................................................................36 Literatur...........................................................................................................36 3 Architektureller Entwurf.................................................................................39 3.1 Modellgeleitete Entwicklung.....................................................................39 3.2 Was ist Software-Architektur?...................................................................43 3.2.1 Das Ziel eines architekturellen Entwurfs............................................45 3.2.2 Der Entwurf einer Produkt-Familie....................................................46 3.2.3 Die Struktur komplexer Software-Systeme........................................46 3.3 Sichten auf ein Software-System...............................................................48 3.3.1 Konzeptuelle oder logische Sicht.......................................................49 3.3.2 Modul-Sicht........................................................................................51 3.3.3 Prozess-Sicht......................................................................................52 3.3.4 Physische Sicht...................................................................................52 3.3.5 Szenarien............................................................................................53 3.3.6 Anwendung des „4+1“-Sichten-Modells............................................53 3.4 Beschreibungen einer Software-Architektur..............................................54 3.4.1 Die Elemente einer Software-Architektur..........................................54 3.4.2 Architekturelle Beschreibungen.........................................................56 viii Inhalt 3.5 Acme – eine Architektur-Beschreibungssprache.......................................57 3.5.1 Architekturelle Struktur......................................................................57 3.5.2 Eigenschaften von Architektur-Elementen.........................................59 3.5.3 Design-Einschränkungen....................................................................60 3.5.4 Programm-Familien............................................................................62 3.5.5 Das Acme-Architektur-Design-Werkzeug.........................................63 3.5.6 Resümee.............................................................................................64 3.6 Die Dokumentation einer Software-Architektur........................................64 Literatur...........................................................................................................66 4 Architekturelle Prinzipien, Bausteine und Muster........................................69 4.1 Qualitätsattribute einer Software-Architektur............................................69 4.2 Architekturelle Stile...................................................................................74 4.2.1 Datenzentrierte Software-Architekturen.............................................76 4.2.2 Datenfluss-Architekturen...................................................................77 4.2.3 Virtuelle Maschinen-Architekturen....................................................78 4.2.4 Call-and-Return-Architekturen...........................................................79 4.2.5 Unabhängige Komponenten-Architekturen........................................80 4.2.6 Heterogene architekturelle Stile.........................................................82 4.2.7 Architekturelle Stile in ihrer Anwendung..........................................82 4.3 Architekturelle Stile und Qualitätsattribute...............................................85 4.4 Architekturelle Stile und Muster................................................................89 4.4.1 Proxy..................................................................................................91 4.4.2 Broker.................................................................................................94 4.4.3 Master-Slave.......................................................................................97 4.4.4 Client-Dispatcher-Server..................................................................100 4.4.5 Publisher-Subscriber........................................................................103 4.4.6 Model-View-Controller (MVC).......................................................105 4.5 Abschließende Bemerkungen.................................................................109 Literatur.........................................................................................................110 5 Web-Services...................................................................................................113 5.1 Einführung...............................................................................................113 5.2 Simple Object Access Protocol (SOAP)..................................................117 5.2.1 Aufbau einer SOAP-Nachricht.........................................................118 5.3 Web Service Description Language (WSDL)..........................................120 5.3.1 Struktur von WSDL-Dokumenten....................................................121 5.3.2 Nachrichtenmuster............................................................................122 5.4 Universal Description, Discovery and Integration...................................125 5.4.1 Business-Registry.............................................................................127 5.4.2 Business-Registrations.....................................................................127 5.4.3 Service-Type-Registration................................................................128 5.4.4 Geschäftsinformation – businessEntity............................................128 5.4.5 Service-Information – businessService............................................129 5.4.6 Binding-Information – bindingTemplate..........................................129 5.4.7 Das tModel.......................................................................................130 5.4.8 Das Zusammenspiel von UDDI und SOAP......................................131 Inhalt ix 5.5 Komposition von Web-Services..............................................................135 5.5.1 Interaktionsmuster elementarer Web-Services.................................136 5.5.2 Interaktionsmuster zusammengesetzter Web-Services.....................138 5.6 Abschließende Bemerkungen..................................................................141 Literatur.........................................................................................................141 6 Workflows und Koordination........................................................................143 6.1 Einführung...............................................................................................143 6.2 Begriffe....................................................................................................144 6.3 Architektur-Sichtweisen von Workflow-Systemen..................................145 6.4 Systembeispiele........................................................................................147 6.4.1 Groove..............................................................................................147 6.4.2 Caramba............................................................................................150 6.5 Web-Services-Workflows........................................................................152 6.5.1 Business Process Execution Language for Web-Services................154 6.6 Abschließende Bemerkungen..................................................................159 Literatur.........................................................................................................159 7 Peer-to-Peer-Architekturen...........................................................................161 7.1 Einführung...............................................................................................161 7.2 Einordnung des Peer-to-Peer-Ansatzes....................................................163 7.2.1 Peer-to-Peer vs. Event-basiert..........................................................164 7.2.2 Peer-to-Peer vs. Push........................................................................164 7.2.3 Peer-to-Peer vs. Mobile Agents........................................................165 7.2.4 Peer-to-Peer vs. Distributed Databases.............................................166 7.2.5 Anwendungsbereiche.......................................................................167 7.3 Das Peer-to-Peer-Modell..........................................................................168 7.3.1 Charakteristische architekturelle Parameter.....................................169 7.3.2 Weitere Kriterien..............................................................................171 7.4 Beispiele für Peer-to-Peer-Architekturen.................................................171 7.4.1 Napster..............................................................................................171 7.4.2 Gnutella............................................................................................172 7.4.3 FastTrack..........................................................................................177 7.4.4 Freenet..............................................................................................177 7.4.5 P-Grid...............................................................................................183 7.4.6 Weitere Systeme...............................................................................190 7.5 Anwendungsdomänen..............................................................................193 7.6 Abschließende Bemerkungen..................................................................195 Literatur.........................................................................................................195 8 Komponentenmodelle.....................................................................................199 8.1 Einführung...............................................................................................199 8.2 Komponententechnologie........................................................................199 8.2.1 Komponenten und Objekte...............................................................200 8.2.2 Verteilte Objektmodelle...................................................................200 x Inhalt 8.3 Business-to-Business-Architekturen und Komponentenmodelle.............204 8.4 Architektur von J2EE und .NET..............................................................205 Literatur.........................................................................................................209 9 Security............................................................................................................211 9.1 Sicherheit im Software-Lebenszyklus.....................................................211 9.2 Kryptographische Grundlagen.................................................................212 9.2.1 Hash-Funktionen..............................................................................212 9.2.2 Symmetrische und asymmetrische Verschlüsselung........................213 9.2.3 Zertifikate und elektronische Unterschrift........................................214 9.2.4 Public Key Infrastructure.................................................................216 9.3 Sicherheitsaspekte....................................................................................216 9.4 Architekturelle Aspekte...........................................................................219 9.4.1 Abhörsichere, authentifizierte Datenübertragung.............................220 9.4.2 Secure Socket Layer.........................................................................222 9.4.3 Firewalls...........................................................................................224 9.5 Abschließende Bemerkungen..................................................................226 Literatur.........................................................................................................227 10 Push- und Event-Architekturen..................................................................229 10.1 Push-Systeme.........................................................................................229 10.1.1 Komponentenmodell für Push-Systeme.........................................230 10.1.2 Ein Anwendungsszenario für Push-Systeme..................................237 10.1.3 Mögliche Anwendungsfälle............................................................239 10.1.4 Abschließende Bemerkungen.........................................................240 10.2 Event-basierte Systeme..........................................................................240 10.2.1 Grundlagen Event-basierter Systeme.............................................241 10.2.2 Vergleich Event-basierter Systeme mit Push-Systemen.................242 10.3 Abschließende Bemerkungen................................................................243 Literatur.........................................................................................................243 11 Electronic Payment......................................................................................245 11.1 E-Payment-Szenario..............................................................................246 11.2 Klassifikationsparameter........................................................................247 11.3 Bezahlungsinstrumente..........................................................................248 11.3.1 Kreditkarten....................................................................................248 11.3.2 Elektronisches Geld........................................................................250 11.3.3 Elektronische Schecks....................................................................251 11.4 Sicherheitsanforderungen......................................................................252 11.5 Beispiel-Architekturen...........................................................................253 11.5.1 Secure Electronic Transaction........................................................254 11.5.2 Millicent.........................................................................................255 11.6 Rechtliche Aspekte................................................................................257 Literatur.........................................................................................................258 Sachverzeichnis..................................................................................................259