Модели и метод поддержки построения архитектуры программно-аппаратного обеспечения распределенной информационной системы предприятия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Князев, Михаил Владимирович

• Князев, Михаил Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Князев, Михаил Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ ПОДДЕРЖКИ ПОСТРОЕНИЯ АРХИТЕКТУРЫ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРЕДПРИЯТИЯ (РИСП) И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Место РИСП в структуре деятельности промышленного предприятия.

1.1.1. Типы производств и стандарты современных АСУП.

1.1.2. Производственная и коммерческая необходимость единого информационного пространства корпорации.

1.1.3. Особенности построения глобальных РИСП в России.

1.2. Использование промежуточного программного обеспечения и серверов приложений для построения РИСП.

1.2.1. Принципы построения глобальной интегрированной РИСП на базе Интернет серверов приложений.

1.2.2. Задача интеграции разрозненных корпоративных информационных систем

1.2.3. Обоснование использования промежуточного программного обеспечения для интеграции корпоративных информационных систем.

1.3. Анализ недостатков современных средств информационной поддержки построения и эксплуатации программно-аппаратного обеспечения глобальной РИСП.

1.3.1. Программотехнические комплексы (платформы) поддержки переносимых корпоративных приложений, многоязыкового программирования и их приспособляемость к учету гетерогенной вычислительной среды промышленного предприятия.

Стандарт переносимых корпоративных приложений J2EE.

Стандарт многоязыкового программирования .NET.

J2EE и .NET в контексте гетерогенной вычислительной среды предприятия.

1.3.2. Основные недостатки поддержки построения архитектуры программно-аппаратного обеспечения компонентно-ориентированной РИСП в среде Unified

Process и подхода прямого использования шаблонов проектирования Core J2EE Patterns.

1.4. Перспективные подходы поддержки построения компонентно-ориентированных РИСП и постановка задачи исследования.

1.4.1. Подход Model Driven Architecture.

1.4.2. Системы критикующей поддержки разработки программного обеспечения

1.4.3. Постановка задачи исследования.

1.5. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИ АБСТРАКТНОЙ КОМПОНЕНТНОЙ АРХИТЕКТУРЫ И КРИТИКУЮЩЕЙ ПОДДЕРЖКИ ПОСТРОЕНИЯ АРХИТЕКТУРЫ ПАО

2.1. Модель Абстрактной Компонентной Архитектуры (АКА) программно-аппаратного обеспечения РИСП (ПАО РИСП).

2.1.1. Определения.

2.1.2. Пример модели АКА ПАО РИСП: обобщенная система Интернет-торговли (ОСИТ).

2.1.3. Свойства модели АКА ПАО РИСП.

2.2. Модели критикующей поддержки построения архитектуры ПАО РИСП.

2.2.1. Статическая формальная модель критика.

2.2.2. Автоматная формальная модель критика.

2.2.3. Модели уровня реализации критикующей системы.

2.2.4. Пример: критик выбора Java сервера приложений в терминах статической модели.

2.2.5. Пример: критик выбора Java сервера приложений в терминах алгебры процессов.

2.3. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ АРХИТЕКТУРЫ ПАО РИСП НА ОСНОВЕ ПЛАТФОРМЫ J2EE (МЕТОД АКА)

3.1. Построение Абстрактной Компонентной Архитектуры ПАО РИСП.

3.1.1. Логические Компоненты.

Выявление абстрактных бизнес компонентов-функций (АБКФ).

Выявление абстрактных бизнес компонентов-сущностей (АБКС) и соответствующих связей.

Выявление абстрактных компонентов внешнего взаимодействия (АКВВ).

Выявление абстрактных презентационных компонентов (АПК).

3.1.2. J2EE Типы Клиентских Приложений.

3.1.3. Серверные Контейнеры.

Нужен ли Web контейнер для проектируемой РИСП?.

Нужен ли EJB контейнер для проектируемой РИСП?.

3.1.4. Серверные Операционные Системы.

3.1.5. Серверные Аппаратные Средства.

3.2. Конкретизация Абстрактной Компонентной Архитектуры ПАО РИСП.

3.2.1. Логические Компоненты.

Конкретизация абстрактных презентационных компонентов (АПК).

Конкретизация абстрактных бизнес компонентов-функций (АБКФ).

Конкретизация оперативных абстр. бизнес компонентов-сущностей (АБКСО).

Конкретизация перманентных абстр. бизнес компонентов-сущностей (АБКСП).

Конкретизация абстрактных компонентов внешнего взаимодействия (АКВВ).

3.2.2. Серверные Контейнеры.

Выбор категории Серверного Контейнера.

Выбор конкретной реализации Серверного Контейнера по осн. характеристикам.

3.2.3. Серверные Операционные Системы.

Краткая классификация ряда современных ОС.

Системы критикующей поддержки и формализация ОС.

3.2.4. Серверные Аппаратные Средства.

Краткая классификация ряда современных АС.

Системы критикующей поддержки и формализация АС.

3.3. Сравнение метода АКА и подхода прямого использования Core J2EE Patterns

3.4. Интеграция метода АКА в Unified Process.

3.5. Интеграции метода АКА в критикующую подсистему среды проектирования

3.6. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА АКА

4.1. Поддержка метода АКА в адаптированной среде проектирования ArgoUML

4.1.1. Архитектура среды проектирования ArgoUML.

Графический интерфейс ArgoUML.

Модель (Model).

Критикующая подсистема (Critics).

4.1.2. Расширения поддержки метода АКА в ArgoUML.

Стереотипы поддержки метода АКА в среде языка UML.

Репозиторий конкретных ОС и АС.

Расширения Критикующей Подсистемы.

4.2. Обобщенная система Интернет-торговли (ОСИТ).

4.2.1. Требования к ОСИТ.

Подготовка Заказа.

Изменение Заказа.

Оценка Заказа.

Оплата Заказа.

4.2.2. Построение архитектуры ОСИТ с использованием метода АКА.

Выявление абстрактных бизнес компонентов-функций (АБКФ).

Выявление абстрактных бизнес компонентов-сущностей (АБКС) и соответствующих связей.

Выявление абстрактных компонентов внешнего взаимодействия (АКВВ).

Выявление абстрактных презентационных компонентов (АПК).

Выявление J2EE Типов Клиентских Приложений.

Выявление абстрактных Серверных Контейнеров.

Выявление абстрактных Серверных Операционных Систем.

Выявление абстрактных Аппаратных Средств.

Конкретизация абстрактных презентационных компонентов (АПК).

Конкретизация абстрактных бизнес компонентов-функций (АБКФ).

Конкретизация оперативных абстр. бизнес компонентов-сущностей (АБКСО).

Конкретизация перманентных абстр. бизнес компонентов-сущностей (АБКСП).

Конкретизация абстрактных компонентов внешнего взаимодействия (АКВВ).

Конкретизация абстрактных Серверных Контейнеров.

Конкретизация абстрактных Серверных Операционных Систем.

Конкретизация абстрактных Аппаратных Средств.

4.3. Пример использования метода АКА для построения компонентной архитектуры программного обеспечения интегрирующей подсистемы на промышленном предприятии.

4.3.1. Требования на взаимодействие.

4.3.2. Построение архитектуры ПАО РИСП с использованием метода АКА.

Выявление абстрактных компонентов внешнего взаимодействия (АКВВ).

Выявление абстрактных Серверных Контейнеров.

Конкретизация абстрактных компонентов внешнего взаимодействия (АКВВ).

Конкретизация абстрактных Серверных Контейнеров.

4.4. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и метод поддержки построения архитектуры программно-аппаратного обеспечения распределенной информационной системы предприятия»

Структура.174

Участники и обязательства.174

Стратегии.177

Результаты.178

Пример кода.180

Родственные шаблоны проектирования.185

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ОПИСАНИЯ РЕШЕНИЙ БАЗОВЫХ ШАБЛОНОВ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ J2EE.187

Business Delegate.187

Composite Entity.187

Composite View.187

Data Access Object.187

Dispatcher View.187

Front Controller.188

Intercepting Filter.188

Service Activator.188

Service Locator.188

Service to Worker.189

Session Fa?ade.189

Transfer Object.189

Transfer Object Assembler.189

Value List Handler.189

View Helper.190

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

J2EE - Java(tm) 2 Platform, Enterprise Edition

ПСП - программный сервер приложений

Java ПСП - в этой работе, ПСП частично или полностью поддерживающий спецификацию J2EE версии 1.3 и выше. JRE -Java runtime environment. Среда выполнения стандартных Java приложений. MDA - Model Driven Architecture

АКА - абстрактная компонентная архитектура

Метод АКА - метод построения и конкретизации АКА АС - аппаратные средства(во); аппаратный сервер

АСУП - автоматизированная система управления предприятием

ГИП - графический интерфейс пользователя

ИС - информационная система

ОС - операционная система

ОСИТ - обобщенная система Интернет-торговли

ПАО - программно-аппаратное обеспечение

ПАО РИСП - ПАО распределенной информационной системы предприятия.

Под таким обеспечением будем понимать набор технически связанных программных приложений и аппаратных средств, которые обеспечивают обработку информации в масштабах предприятия. ПО - программное обеспечение

Промежуточное - связующее ПО, обеспечивающее взаимную работу приложений ПО в распределенной неоднородной сетевой среде

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время, в связи с глобализацией бизнеса предприятий, необходимостью интеграции территориально распределенных производств, задача интеграции корпоративных информационных систем (КИС) становиться все более актуальной. При этом один из наиболее зарекомендовавших себя подходов состоит в установлении централизованного управления над элементами информационной инфраструктуры предприятия. Стандартом де-факто для решения этой задачи во многих областях применения является использование специализированного промежуточного программного обеспечения (middleware), особенно разработанных третьими фирмами компонентно-ориентированных программных серверов приложений.

Распределенные гетерогенные вычислительные среды предприятий часто характеризуются наличием аппаратных средств различной процессорной архитектуры и разнотипных операционных систем. Несмотря на это, существующие среды поддержки построения информационных систем имеют ограниченную поддержку архитектурного проектирования программно-аппаратного обеспечения распределенной информационной системы предприятия (ПАО РИСП), например процесса выбора и компоновки целевых аппаратных средств, операционных систем и серверов приложений. В то же время, разработка архитектуры ПАО РИСП является одним из ключевых этапов построения последних. Допущенные в выборе архитектуры системы ошибки трудноисправимы и сопряжены со следующими наиболее значимыми негативными последствиями: (1) низкие надежность и удобство сопровождения системы; (2) поддержка РИСП в режиме эксплуатации требует значительных дополнительных финансовых вложений.

Поэтому актуальным является разработка и внедрение моделей, методов и программных средств, которые упрощают и формализуют переход от требований к РИСП к спецификациям архитектур их ПАО, а также автоматизируют выбор технологий реализации таких спецификаций.

Возникает проблема: как на основе неформализованных требований для РИСП, описанных на некотором вербальном языке, учитывая разрозненные данные о множестве возможных разнотипных технологиях реализации ее ПАО, эффективно синтезировать корректную спецификацию последнего. При этом предлагаемый способ поддержки построения такой спецификации должен опираться на существующие стандарты и интегрироваться с существующими средствами поддержки проектирования ПАО РИСП.

К сожалению, на сегодняшний день такой способ отсутствует.

Таким образом, существует противоречие между необходимостью поддержки процесса принятия решений по созданию архитектуры (в частности - возможности эффективного выбора технологий реализации) компонентно-ориентированного ПАО РИСП и отсутствием моделей, методов и программных средств поддержки, позволяющих обеспечить решение этой задачи с учетом нужд и возможностей проектировщика. Наличие этого противоречия определяет существование актуальной научно-технической задачи - необходимости разработки моделей, методов и программных средств, реализующих автоматизированную поддержку построения архитектуры ПАО РИСП.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка моделей, метода и прототипов программных средств, которые будут использоваться на этапе архитектурного проектирования, обеспечивая автоматизированное построение корректных формальных UML спецификаций архитектуры программно-аппаратного обеспечения распределенной информационной системы предприятия (ПАО РИСП).

В соответствии с поставленной целью, в работе формулируются и решаются следующие основные задачи:

1. Анализ известных методов автоматизированного проектирования ПАО РИСП.

2. Построение модели абстрактной компонентной архитектуры ПАО РИСП.

3. Построение математических моделей подсистемы критикующей поддержки процесса проектирования ПАО РИСП.

4. Разработка метода построения и конкретизации абстрактной компонентной архитектуры ПАО РИСП, который повышает эффективность перехода от требований к спецификациям ПАО РИСП (метод АКА).

5. Прототипирование метода АКА.

Предмет и методы исследования. Предметом исследования являются модели и методы архитектурного проектирования ПАО РИСП. При решении поставленных задач использовались подходы и методы теории множеств, теории автоматов, лингвистического анализа, алгебры процессов, математической логики, структур данных и системного программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Построена формальная модель абстрактной компонентной архитектуры ПАО РИСП, которая отличается минимально-полным составом набора элементов ее ПАО, реализуемого средствами J2EE, что позволяет проектировать РИСП без привязки к конкретным программно-аппаратным средствам реализации.

2. Разработаны математические модели критикующей поддержки построения архитектуры информационных систем, отличающиеся учетом особенностей функционирования РИСП на основе J2EE, что позволяет сформировать множество вариантов улучшений архитектуры проектируемой РИСП.

3. Разработан метод построения архитектуры ПАО РИСП на основе J2EE (метод АКА), отличающийся применением модели АКА для связи требований к РИСП с вариантом ее программно-аппаратной реализации, что позволяет сократить время проектирования архитектуры РИСП.

4. Предложены стереотипы языка UML, которые отличаются использованием понятия модели АКА, что позволяет применять оригинальные модели и метод в стандартных средах проектирования РИСП.

Практическая значимость работы заключается в разработке моделей, метода и прототипов программных средств, применение которых, на этапе архитектурного проектирования ПАО РИСП, приводит к повышению эффективности синтеза его спецификаций, соответствующих требованиям к работе РИСП.

Разработанные модели подсистемы критикующей поддержки процесса проектирования ПАО РИСП и их прототипная реализация могут быть использованы для повышения эффективности при проектировании ПАО РИСП как в формальных средах, например с использованием автоматных моделей, так и в прикладных средствах поддержки, например в программном продукте со свободно-распространяемым исходным кодом ArgoUML.

Предложенные XML схемы формального описания серверных операционных систем и аппаратных средств, а также широкий набор примеров формального описания таких элементов могут быть использованы и в других программных системах, например при обмене информацией по схеме «предприятие-предприятие» между производителями аппаратных средств и операционных систем, при создании торговых площадок соответствующей направленности в сети Интернет, а также в области системной интеграции и в целях стандартизации описаний конфигураций для соответствующих бенчмарков.

Достоверность результатов исследования обеспечена корректным комплексированием известных подходов к построению архитектурных решений информационных систем, использованием апробированных математических аппаратов, а также подтверждается достаточной апробацией и публикацией полученных результатов и положительным внедрением результатов работы.

Внедрение результатов работы заключается в использовании разработанных метода построения и конкретизации абстрактных компонентных архитектур (метода АКА), а также модели репозитория конкретных операционных систем и аппаратных средств и критикующей подсистемы проектирования при адаптации свободно-распространяемой среды проектирования ArgoUML для обеспечения поддержки построения архитектур ПАО компонентно-ориентированных РИСП.

Материалы диссертации использовались в ходе разработки корпоративного Интернет-сайта АОЗТ «ОТИДО», а также используются в Центре Высоких Технологий Sun Microsystems (ООО «Сан Майкросистемс СПБ») при создании программных средств поддержки проектирования ПАО РИСП, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Формальная модель абстрактной компонентной архитектуры программно-аппаратного обеспечения распределенной информационной системы предприятия (ПАО РИСП).

2. Математические модели критикующей поддержки построения архитектуры ПАО РИСП.

3. Метод построения архитектуры ПАО РИСП на основе J2EE (метод АКА).

4. Стереотипы поддержки метода АКА в среде языка UML.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на I Международной Научно-технической Конференции ИПИ (CALS)-2003 «Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий» (Санкт-Петербург, ноябрь 2003), очередном семинаре на базе государственного научного центра России ЦНИИ робототехники и технической кибернетики посвященном вопросам интеграции информационных систем (Санкт-Петербург, декабрь 2004), очередной конференции «Java Days в Санкт-Петербурге» проведенной совместно Санкт-Петербургском Государственным Университетом и Центром Высоких Технологий Sun Microsystems (ООО «Сан Майкросистемс СПБ») (Санкт-Петербург, ноябрь 2005). Доклад по теме «Automated Development of Distributed IT Systems Architectures» принят на X Международный Симпозиум IEEE «International Symposium on Consumer Electronics» (Санкт-Петербург, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 научные статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 113 наименований, и 4-х приложений. Основная часть работы изложена на 92 страницах машинописного текста. Работа содержит 28 рисунков и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Князев, Михаил Владимирович

4.4. Выводы по главе 4

1) Разработанные на базе исследовательской среды проектирования ArgoUML прототипные расширения поддержки метода АКА демонстрируют возможность эффективной интеграции этого метода в существующие средства поддержки проектирования ПАО РИСП. а. Прототипная реализация поддержки ЯОАА через UML стереотипы «QAserver» и «QAos» и соответствующие именованные значения (tagged values) показала что работа с Абстрактной Компонентной Архитектурой может быть реализована без качественных изменений языка UML; б. Опробованная в прототипе реализация репозитория конкретных ОС и АС демонстрирует формализуемость конкретных реализаций Абстрактных Компонентов; в. Программно реализованные критики и мастера-визарды поддержки метода АКА подтверждают высокую эксплуатационную готовность такого способа организации пользовательского интерфейса для поддержки процесса проектирования ПАО РИСП с использованием концепций Абстрактной Компонентной Архитектуры.

2) На примере построения программно-аппаратной компонентной архитектуры Обобщенной системы Интернет-торговли (ОСИТ) показана общая большая эффективность метода АКА в сравнении с подходом прямого использования шаблонов проектирования Core J2EE Patterns: а. Переход от терминов текста требований к ОСИТ к терминам метода АКА осуществлен с большей эффективностью за счет специальных алгоритмизированных руководств выявления Абстрактных Логических Компонентов; б. Переход от требований к спецификации программно-аппаратной компонентной архитектуры ОСИТ осуществлен более организованно и эффективно. Вместо анализа и возможного последующего применения 15 шаблонов проектирования Core J2EE Patterns (одно только полное описание шаблона проектирования Business Delegate насчитывает 14 страниц текста и диаграмм) к построению архитектуры пользователь следовал алгоритмизированным руководствам метода АКА объемом 22 страницы. в. Алгоритмизированные руководства метода АКА, наряду с определением логических программных компонентов, формализовали выбор операционных систем, аппаратных средств и реализаций серверных J2EE контейнеров ОСИТ.

3) На примере построения компонентной архитектуры программного обеспечения интегрирующей подсистемы на предприятии, показана возможность эффективного применения метода АКА и средств платформы J2EE при выполнении типичных задач интеграции в условиях существующей развитой информационной инфраструктуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование предлагаемых в диссертационной работе моделей и метода поддержки построения архитектуры программно-аппаратного обеспечения распределенной информационной системы предприятия (ПАО РИСП) позволяет существенно повысить эффективность построения корректных формальных UML спецификаций компонентных архитектур ПАО РИСП на базе платформы J2EE. В ходе исследований, представленных в работе, были получены следующие основные результаты:

1) Построена формальная модель абстрактной компонентной архитектуры ПАО 12ЕЕ-совместимой РИСП, которая развивает методологию разработки программного обеспечения OMG Model Driven Architecture. Такая форма описания проектируемого ПАО РИСП позволяет отделить процесс распределения обязанностей за выполнение требований к системе между подсистемами и компонентами ее ПАО от выбора технологий его реализации, используемых программных контуров (frameworks), операционных систем и аппаратных средств, а также в значительной степени формализовать и упорядочить процесс построения его компонентной архитектуры.

2) Построены математические модели критикующих подсистем поддержки процесса проектирования ПАО РИСП (статическая, автоматная и процессная модели), что позволяет использовать соответствующую математику в процессе построения и реализации таких подсистем. На основе этих моделей разработаны примеры математически описанных критикующих компонентов (критиков), поддерживающих принятие решений при проектирования ПАО РИСП.

3) Разработан метод построения и конкретизации абстрактной компонентной архитектуры ПАО РИСП (метод АКА), повышающий эффективность перехода от требований к РИСП к спецификациям компонентной архитектуры ее ПАО за счет унифицированных формализованных руководств построения компонентной структуры ПАО РИСП; автоматизированного и упорядоченного процесса выбора программно-аппаратных средств поддержки и способов реализации РИСП; интегрируемости в Rational Unified Process и в критикующую подсистему среды проектирования.

-1234) На основе предлагаемых моделей и оригинального метода разработаны и прототипированы в исследовательской среде проектирования ArgoUML базовые модули критикующей поддержки процесса проектирования ПАО РИСП. Разработаны и опробованы стандартные расширения UML, поддерживающие работу метода АКА. Эти экспериментальные исследования показали возможность эффективной интеграции метода АКА в существующие средства поддержки проектирования информационных систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Князев, Михаил Владимирович, 2006 год

1. Официальный сайт J2EE. http://iava.sun.com/javaee/index.isp

2. Microsoft .NET Homepage. httpV/www.microsoft com/net/default.mspx

3. Буч Г., Якобсон А., Рамбо Дж. UML. Перевод с английского, Питер, 2006, ISBN: 5-469-00599-2

4. Philippe Kruchten; The Rational Unified Process: An Introduction, Third Edition; Addison-Wesley Professional, 2003, ISBN: 0321197704

5. Stephen J. Mellor, Kendall Scott, Axel Uhl, Dirk Weise; MDA Distilled; Addison-Wesley Professional, 2004, ISBN: 0201788918

6. Леонид Мазур. Системы управления для промышленных предприятий.

7. Марина Аншина. «Предприятие как единый объект автоматизации. Размышления на тему».

8. Крылович А.В. Информационные технологии в управлении предприятием. Сайт «Корпоративный менеджмент».

9. Кирилл Вавилов, Сергей Щербина. Web-интеграция корпоративных систем. www.profi-club.kiev.ua

10. Dave Ensor, Ian Stevenson "Oracle Design", O'Relly, 1997

11. Сайт Sun Microsystems, http://www.sun.com/

12. Inderjeet Singh, Beth Stearns, Mark Johnson; Designing Enterprise Applications with the J2EE Platform; Addison-Wesley Professional, 2002, ISBN: 0201787903

13. Сайт Microsoft, http://www.microsoft.com/

14. Платт Д.С., Знакомство с Microsoft .NET. Перевод с английского. Русская редакция, 2001, ISBN: 5-7502-0186-4/0-7356-1377-Х

15. Официальный сайт J2SE. http://java.sun.com/javase/index.isp16.