Planos arquitectonicos el modelo de 4+1 vistas de la

Planos Arquitectńicos: El Modelo de “4+1” Vistas de la
o
Arquitectura del Software∗
Philippe Kruchten

Abstract
Este art´ıculo presenta un modelo para describir la arquitectura de sistemas de software, basńdose
a
en el uso de m´ ltiples vistas concurrentes. Este uso de m´ltiples vistas permite abordar los intereses
u u
de los distintos “stakeholders” de la arquitectura por separado: usuarios finales, desarrolladores, inge-
nieros de sistemas, administradores de proyecto, etc., y manejar los requisitos funcionales y no funcionales
separadamente. Se describe cada una de las cinco vistas descritas, conjuntamente con la notaciń para
o
captarla. Las vistas se dise˜ an mediante un proceso centrado en la arquitectura, motivado por escenarios
n
y desarrollado iterativamente.

1 Introducciń
o
Todos hemos visto muchos libros y art´ ıculos donde se intenta capturar todos los detalles de la arquitectura
de un sistema usando un unico diagrama. Pero si miramos cuidadosamente el conjunto de cajas y flechas que
´
muestran estos diagramas, resulta evidente que sus autores han trabajado duramente para intentar representar
m´s de un plano que lo que realmente podr´ expresar la notaciń. ¿Es acaso que las cajas representan
a ıa o
programas en ejecuciń? ¿O representan partes del c´digo fuente? ¿O computadores f´
o o ısicos? ¿O acaso meras
agrupaciones de funcionalidad? ¿Las flechas representan dependencias de compilaciń? ¿O flujo de control?
o
Generalmente es un poco de todo.
¿Ser´ que una arquitectura requiere un estilo unico de arquitectura? A veces la arquitectura del software
a ´
tiene secuelas de un diseõ del sistema que fue muy lejos en particionar prematuramente el software, o de un
n
ńfasis excesivo de algunos de los aspectos del desarrollo del software: ingenier´ de los datos, o eficiencia en
e ıa
tiempo de ejecuciń, o estrategias de desarrollo y organizaciń de equipos. A menudo la arquitectura tampoco
o o
aborda los intereses de todos sus “clientes”.
Varios autores han notado este problema, incluyendo a David Garlan y Mary Shaw [7], Gregory Abowd y
Robert Allen [1], y Paul Clements [4].
El modelo de 4+1 vistas fue desarrollado para remediar este problema. El modelo 4+1 describe la ar-
quitectura del software usando cinco vistas concurrentes. Tal como se muestra en la Figura 1, cada vista se
refiere a un conjunto de intereses de diferentes stakeholders del sistema.

• La vista l´gica describe el modelo de objetos del diseõ cuando se usa un m´todo de diseõ orientado a
o n e n
objetos. Para diseãr una aplicaciń muy orientada a los datos, se puede usar un enfoque alternativo
n o
para desarrollar algń otro tipo de vista l´gica, tal como diagramas de entidad-relaciń.
u o o
• La vista de procesos describe los aspectos de concurrencia y sincronizaciń del diseõ.
o n
• La vista f´
ısica describe el mapeo del software en el hardware y refleja los aspectos de distribuciń.
o
• La vista de desarrollo describe la organizaciń est´tica del software en su ambiente de desarrollo.
o a

Los diseãdores de software pueden organizar la descripciń de sus decisiones de arquitectura en estas
n o
cuatro vistas, y luego ilustrarlas con un conjunto reducido de casos de uso o escenarios, los cuales constituyen
la quinta vista. La arqutitectura evoluciona parcialmente a partir de estos escenarios.
∗ Art´
ıculo publicado en IEEE Software 12(6), Noviembre 1995. Traducido por Mar´ Cecilia Bastarrica en Marzo 2006
ıa

1

En Rational, aplicamos la f´rmula de Dwayne Perry y Alexander Wolf [9] de manera independiente para
o
cada vista:
Arquitectura del software = {Elementos, Formas, Motivaciń/Restricciones}
o
Para cada vista definimos un conjunto de elementos (componentes, contenedores y conectores), captamos
la forma y los patrones con que trabajan, y captamos la justificaciń y las restricciones, relacionando la
o
arquitectura con algunos de sus requisitos.
Cada vista se describe en lo que llamamos “diagrama” (blueprint) que usa su notaciń particular. Los
o
arquitectos tambiń pueden usar estilos de arquitectura para cada vista, y por lo tanto hacer que coexistan
e
distintos estilos en un mismo sistema.
El modelo de 4+1 vistas es bastante gen´rico: se puede usar otra notaciń y herramientas que las aqu´
e o ı
descritas, as´ como tambiń otros m´todos de diseõ, especialment para las descomposiciones l´gica y de
ı e e n o
procesos.

2 El Modelo de 4+1 Vistas
La arquitectura del software se trata de abstracciones, de descomposiciń y composiciń, de estilos y est´tica.
o o e
Trambiń tiene relaciń con el diseõ y la implementaciń de la estructura de alto nivel del software.
e o n o
Los diseãdores construyen la arquitectura usando varios elementos arquitectńicos elegidos apropiada-
n o
mente. Estos elementos satisfacen la mayor parte de los requisitos de funcionalidad y performance del sis-
tema, as´ como tambiń otros requisitos no funcionales tales como confiabilidad, escalabilidad, portabilidad y
ı e
disponibilidad del sistema.

Figure 1: Modelo de “4+1” vistas

3 La Arquitectura L´gica
o
La arquitectura l´gica apoya principalmente los requisitos funcionales –lo que el sistema debe brindar en
o
t´rminos de servicios a sus usuarios. El sistema se descompone en una serie de abstracciones clave, tomadas
e
(principalmente) del dominio del problema en la forma de objetos o clases de objetos. Aqu´ se aplican los
ı
principios de abstracciń, encapsulamiento y herencia. Esta descomposiciń no s´lo se hace para potenciar el
o o o
an´lisis funcional, sino tambiń sirve para identificar mecanismos y elementos de diseõ comunes a diversas
a e n
partes del sistema.
Usamos el enfoque de Booch/Rational para representar la arquitectura l´gica, mediante diagramas de
o
clases y templates de clases [3]. Un diagrama de clases muestra un conjunto de clases y sus relaciones l´gicas:
o

2

asociaciones, uso, composiciń, herencia y similares. Grupos de clases relacionadas pueden agruparse en
o
categor´ de clases. Los templates de clases se centran en cada clase individual; enfatizan las operaciones
ıas
principales de la clase, e identifican las principales caracter´
ısticas del objeto. Si es necesario definir el com-
portamiento interno de un objeto, esto ser realiza con un diagrama de transiciń de estados o diagrama de
o
estados. Los mecanismos y servicios comunes se definen como utilities de la clase.

Notaciń. La notaciń para la vista l´gica se deriva de la notaciń de Booch [3]. Esta se simplifica consider-
o o o o
ablemente de tal modo de tener en cuenta solamente los items relevantes para la arquitectura. En particular,
los numerosos adornos disponibles son bastante in´tiles a este nivel de diseõ. Usamos Rational Rose para
u n
apoyar el diseõ l´gico de la arquitectura.
n o

Figure 2: Notaciń para la vista l´gica
o o

Estilo. El estilo usado para la vista l´gica es el estilo de orientaciń a objetos. La principal gui´ para el
o o ıa
diseõ de la vista l´gica es el intentar mantener un modelo unico y coherente de objetos a lo largo de todo el
n o ´
sistema, para evitar la especializaciń prematura de las clases y mecanismos particulares o de un procesador.
o

Ejemplos. La Figura 3 muestra las principales clases que forman parte de la arquitectura de una muestra
de PBX que desarrollamos en Alcatel.
Un PBX establece comunicaciones entre terminales. Un terminal puede ser un tel´fono, una l´
e ınea troncal
(i.e. una l´ınea a la oficina central), una l´ ınea de uniń (i.e. de un PBX privado a una l´
o ınea PBX), o una
caracter´ıstica de una l´
ınea telefńica.
o
Diferentes tarjetas de interfaz de l´ınea soportan distintas l´ıneas. El objeto controlador decodifica e inyecta
todas las seãles en la tarjeta de interfaz de la l´
n ınea, traduce las seãles espec´
n ıficas desde y hacia un conjunto
pequeõ y uniforme de eventos: comenzar, deterner, d´
n ıgito, etc. El controlador tiene tambiń todas las
e
restricciones hard de tiempo real. Esta clase tiene muchas subclases a las que proporciona distintos tipos de
interfaces.
El objeto terminal mantiene el estado de una terminal, y negocia los servicios para esa l´ ınea. Por ejemplo,
usa los servicios del plan de numeraciń para interpretar el discado.
o
El objeto conversaciń representa un conjunto de terminales que participan de una conversaciń. Usa los
o o
servicios de traducciń (directorio, mapeo de direcciones l´gicas a f´
o o ısicas, rutas), y servicios de conexiń para
o
establecer una ruta de voz entre los terminales.
Para sistemas mucho m´s grandes, que contienen varias docentas de clases de relevancia para la arquitec-
a
tura, la Figura 3b muestra un diagrama de clases de alto nivel para un sistema de control de tr´fico a´reo a e
desarrollado por Hughes Aircraft of Canada que contiene 8 categor´ de clases (i.e. grupos de clases).
ıas

3

Figure 3: (a) Diagrama l´gico del T´lic PBX; (b) Diagrama de un sistema de control de tr´fico a´reo
o e a e

4 La Vista de Procesos
La arquitectura de procesos toma en cuenta algunos requisitos no funcionales tales como la performance y la
disponibilidad. Se enfoca en asuntos de concurrencia y distribuciń, integridad del sistema, de tolerancia a
o
fallas. La vista de procesos tambiń especifica en cu´l hilo de control se ejecuta efectivamente una operaciń
e a o
de una clase identificada en la vista l´gica.
o
La arquitectura de procesos se describe en varios niveles de abstracciń, donde cada nivel se refiere a
o
distintos intereses. El nivel m´s alto la arquitectura de procesos puede verse como un conjunto de redes l´gicas
a o
de programas comunicantes (llamados “procesos”) ejecutńdose en forma independiente, y distribuidos a lo
a
largo de un conjunto de recursos de hardware conectados mediante un bus, una LAN o WAN. M´ltiples redes
u
l´gicas pueden usarse para apoyar la separaciń de la operaciń del sistema en l´
o o o ınea del sistema fuera de ´
ınea,
as´ como tambiń para apoyar la coexistencia de versiones de software de simulaciń o de prueba.
ı e o
Un proceso es una agrupaciń de tareas que forman una unidad ejecutable. Los procesos representan el nivel
o
al que la arquitectura de procesos puede ser controlada tćticamente (i.e., comenzar, recuperar, reconfigurar, y
a
detener). Adem´s, los procesos pueden replicarse para aumentar la distribuciń de la carga de procesamiento,
a o
o para mejorar la disponibilidad.

Particiń. El software se particiona en un conjunto de tareas independientes: hilo de control separado que
o
puede planificarse para su ejecuciń independiente en un nodo de procesamiento.
o
Podemos entonces distinguir:
• tareas mayores son elementos arquitectńicos que pueden ser manejados en forma un´
o ıvoca. Se comu-
nican a trav´s de un conjunto bien definido de mecanismos de comunicaciń inter-tarea: servicios de
e o
comunicaciń sincrńicos y asincrńicos basados en mensajes, llamados a procedimientos remotos, di-
o o o
fusiń de eventos, etc. Las tareas mayores no debieran hacer suposiciones acerca de su localizaciń con
o o
otras tareas dentro de un mismo proceso o un mismo nodo de procesamiento.
• tareas menores son tareas adicionales introducidas localmente por motivos de implementaciń tales como
o
actividades c´
ıclicas, almacenamiento en un buffer, time-out, etc.). Pueden implementarse en Ada por
ejemplo, o como hilos de control liviano (threads). Pueden comunicarse mediante rendezvous o memoria
compartida.
El flujo de mensajes y la carga de procesos puede estimarse en base al diagrama de procesos. Tambiń es
e
posible implmentar una vista de procesos “vac´ıa”, con cargas dummy para los procesos y medir entonces su
performance en el sistema objetivo [5].

4

Notaciń. La notaciń que usamos para la vista de procesos se expande de la notaciń originalmente
o o o
propues por Booch para las tareas de Ada yse centra solamente en los elementos arquitectńicamente relevantes
o
(Figura 4).

Figure 4: Notaciń para el diagrama de procesos
o

Hemos usado el producto Universal Network Architecture Services (UNAS) de TRW para diseãr e imple-
n
mentar un conjunto de procesos y tareas (con sus respectivas redundancias) como redes de procesos. UNAS
contiene una herramienta –el Software Architects Lifecycle Environment (SALE)– el cual apoya dicha no-
taciń. SALE permite describir gr´ficamente la arquitectura de procesos, incluyendo la especificaciń de las
o a o
posibles rutas de comunicaciń inter-tareas del cual se puede generar autom´ticamente el correspondiente
o a
c´digo fuente Ada o C++. La generaciń autom´tica de c´digo permite hacer cambios fćilmente a la vista
o o a o a
de procesos.

Estilo. Varios estilos podr´ servir para la vista de procesos. Por ejemplo, tomando la taxonom´ de Garlan
ıan ıa
y Shaw [7] tenemos: tubos y filtros, o cliente/servidor, con variantes de varios clientes y un unico servidor
´
o m´ltiples clientes y m´ltiples servidores. Para sistemas m´s complejos, podemos usar un estilo similar a
u u a
la forma de agrupaciń de procesos del sistema ISIS descrito por Kenneth Birman con otra notaciń y otras
o o
herramientas [2].

Ejemplo. La Figura 5 muestra una vista de procesos parcial para el sistema PBX. Todas las terminales
son adminsitradas por un unico proceso terminal, el cual es manejado a trav´s de mensajes en sus colas de
´ e
input. Los objetos controladores se ejecutan en alguna de las tres tareas que componen el proceso controlador:
una tarea c´
ıclica de baja tasa que chequea todas las terminales inactivas (200ms), pone toda terminal que se
torna activa en la lista de b´squeda del la tarea c´
u ıclica de alta tasa (10ms), la cual detecta cualquier cambio
de estado significativo, y lo pasa a la tarea controladora principal la cual interpreta el cambio y lo comunica
mediante un mensaje con el terminal correspondiente. Aqu´ el mensaje pasa dentro del controlador a trav´s
ı e
de memoria compartida.

5 Vista de Desarrollo
La vista de desarrollo se centra en la organizaciń real de los m´dulos de software en el ambiente de desarrollo
o o
del software. El software se empaqueta en partes pequeãs –bibliotecas de programas o subsistemas– que
n
pueden ser desarrollados por uno o un grupo pequeõ de desarrolladores. Los subsistemas se organizan en
n
una jerarqu´ de capas, cada una de las cuales brinda una interfaz estrecha y bien definida hacia las capas
ıa
superiores.

5

Figure 5: Diagrama (parcial) de procesos para T´lic PBX
e

La vista de desarrolla tiene en cuenta los requisitos internos relativos a la facilidad de desarrollo, admin-
istraciń del software, reutilizaciń y elementos comunes, y restricciones impuestas por las herramientas o el
o o
lenguaje de programaciń que se use. La vista de desarrollo apoya la asignaciń de requisitos y trabajo al
o o
equipo de desarrollo, y apoya la evaluaciń de costos, la planificaciń, el monitoreo de progreso del proyecto,
o o
y tambiń como base para analizar reuso, portabilidad y seguridad. Es la base para establecer una l´
e ınea de
productos.
La vista de desarrollo de un sistema se representa en diagramas de m´dulos o subsistemas que muestran las
o
relaciones exporta e importa. La arquitectura de desarrollo completa s´lo puede describirse completamente
o
cuando todos los elementos del softare han sido identificados. Sin embargo, es posible listar las reglas que rigen
la arquitectura de desarrollo – particiń, agrupamiento, visibilidad– antes de conocer todos los elementos.
o

Notaciń. Tal como se muestra en la Figura 6, usamos una variante de la notaciń de Booch limitńdonos
o o a
a aquellos items relevantes para la arquitectura.

Figure 6: Notaciń para el diagrama de desarrollo
o

El ambiente de desarrollo Apex de Rational apoya la definiciń e implementaciń de la arquitectura de
o o

6

desarrollo, la estrategia de capas antes descrita, y el cumplimiento de las reglas de diseõ. Se puede dibujar
n
la arquitectura de desarrollo en Rational Rose a nivel de m´dulos y subsistemas, en ingenier´ hacia adelante
o ıa
y reversa a partir de c´digo fuente Ada y C++.
o

Estilo para la vista de desarrollo. Recomendamos adptar el estilo de capas para la vista de desarrollo,
definido en 4 a 6 niveles de subsistemas. Cada capa tiene una responsabilidad bien definida. La regla de
diseõ es que un subsistema en una cierta capa s´lo puede depender de subsistemas que estń o bien en la
n o e
misma capa o en capas inferiores, de modo de minimizar el desarrollo de complejas redes de dependencias
entre m´dulos y permitir estrategias de desarrollo capa por capa.
o

Ejemplo de Arquitectura de Desarrollo. La Figura 7 representa la organizaciń del desarrollo en cinco
o
capas de la l´
ınea de productos de sistemas de control de tr´fico a´reo desarrollados por Hughes Aircraft de
a e
Canad´ [8]. Esta es la arquitectura de desarrollo correspondiente a la arquitectura l´gica que se muestra en
a o
la Figura 3b.

Figure 7: Las 5 capas del Sistema de Tr´fico A´reo de Hughes (HATS)
a e

Las capas 1 y 2 constituyen la infraestructura distribuida independiente del dominio que es comń a toda
u
la l´
ınea de productos y la independiza de las variaciones de la plataforma de hardware, sistema operativo, o
productos comerciales tales como administradores de bases de datos. La capa 3 agrega a esta infraestrucura
un framework ATC para forma una arquitectura de software dependiente del dominio. Usando este framework,
en la capa 4 se construye una paleta de funcionalidad. La capa 5 es dependiente del cliente y del producto, y
contiene la mayor parte de las interfaces con el usuario y con sistemas externos. Tantos como 72 subsistemas
forman parte de la capa 5, cada uno de los cuales contiene entre 10 y 50 m´dulos, y puede representarse en
o
diagramas adicionales.

6 Arquitectura F´
ısica
Mapeando el software al hardware
La arquitectura f´ısica toma en cuenta primeramente los requisitos no funcionales del sistema tales como
la disponibilidad, confiabilidad (tolerancia a fallas), performance (throughput), y escalabilidad. El software
ejecuta sobre una red de computadores o nodos de procesamiento (o tan solo nodos). Los variados elementos
identificados –redes, procesos, tareas y objetos– requieren ser mapeados sobre los variados nodos. Esperamos
que diferentes configuraciones puedan usarse: algunas para desarrollo y pruebas, otras para emplazar el
sistema en varios sitios para distintos usuarios. Por lo tanto, el mapeo del software en los nodos requiere ser
altamente flexible y tener un impacto m´ ınimo sobre el c´digo fuente en s´
o ı.

7

Notaciń para la arquitectura f´
o ısica. Los diagramas f´ ısicos pueden tornarse muy confusos en grandes
sistemas, y por lo tanto toman diversas formas, con o sin el mapeo de la vista de procesos.

Figure 8: Notaciń para el diagrama f´
o ısico

UNAS de TRW nos brinda los medios de datos para mapear la arquitectura de procesos en la arquitectura
f´
ısica permitiendo realizar una gran cantidad de clases de cambios en el mapeo sin modificar el c´digo fuente.
o

Figure 9: Diagrama f´
ısico de PABX

Ejemplo de diagrama f´ ısico. La Figura 9 muestra una configuraciń de hardware posible para un gran
o
PABX, mientras que las Figuras 10 y 11 muestran el mapero de la arquitectura de procesos en dos arquitecturas
f´
ısicas diferentes, que corresponden a un PABX pequeõ y uno grande, respectivamente. C, F y K son tres
n
tipos de computadores de diferente capacidad que soportan tres tipos diferentes de ejecutables.

7 Escenarios
Todas las partes juntas

8

Figure 10: Una peque˜a arquitectura f´
n ısica de PABX con emplazamiento de procesos

Figure 11: Diagrama f´
ısico para un PABX m´s grande incluyendo emplazamiento de procesos
a

9

Los elementos de las cuatro vistas trabajan conjuntamente en forma natural mediante el uso de un conjunto
pequeõ de escenarios relevantes –instancias de casos de uso m´s generales– para los cuales describimos sus
n a
scripts correspondientes (secuencias de interacciones entre objetos y entre procesos) tal como lo describen
Rubin y Goldberg [10]. Los escenarios son de alguna manera una abstracciń de los requisitos m´s importantes.
o a
Su diseõ se expresa mediante el uso de diagramas de escenarios y diagramas de interacciń de objetos [3].
n o
Esta vista es redundante con las otras (y por lo tanto “+1”), pero sirve a dos prop´sitos principales:
o
• como una gu´ para descubrir elementos arquitectńicos durante el diseõ de arquitectura tal como lo
ıa o n
describiremos m´s adelante
a
• como un rol de validaciń e ilustraciń despu´s de completar el diseõ de arquitectura, en el papel y
o o e n
como punto de partido de las pruebas de un prototipo de la arquitectura.

Notaciń para escenarios. La notaciń es muy similar a la vista l´gica para los componentes(ver Figura 2),
o o o
pero usa los conectores de la vista de procesos para la interacciń entre objetos (ver Figura 4). N´tese que
o o
las instancias de objetos se denotan con l´
ıneas s´lidas. Para el diagrama l´gico, capturamos y administramos
o o
los diagramas de escenarios de objetos usando Rational Rose.

Ejemplo de escenario. La Figura 12 muestra un fragmento del PABX pequeõ. El script correspondiente
n
podr´ ser:
ıa
1. el controlador del tel´fono de Joe detecta y valida la transiciń desde colgado a descolgado y env´ un
e o ıa
mensaje para despertar la objeto terminal correspondiente.
2. el terminal reserva recursos y le indica al controlador que emita cierto tono de discado.
3. el controlador recibe los d´
ıgitos y los transmite hacia el terminal.
4. el terminal usa el plan de numeraciń para analizar el flujo de d´
o ıgitos.
5. cuando se ingresa una secuencia v´lida de d´
a ıgitos, el terminal abre una conversaciń.
o

Figure 12: Embriń de un escenario de una llamada local–fase de selecciń
o o

8 Correspondencia entre las Vistas
Las distintas vistas no son completamente ortogonales o independientes. Los elementos de una vista estń
a
conectados a los elementos de las otras vistas siguiendo ciertas reglas y heur´
ısticas de diseõ.
n

10

De la vista l´gica a la vista de procesos.
o Identificamos varias caracter´
ısticas importantes de las clases
de la arquitectura l´gica:
o

• Autonom´ ¿Los objetos son activos, pasivos o protegidos?
ıa:
– un objeto activo toma la iniciativa de invocar las operaciones de otros objetos o sus propias op-
eraciones, y tiene el control completo sobre la invocaciń de sus operaciones por parte de otros
o
objetos.
– un objeto pasivo nunca invoca espontńeamente ninguna operaciń y no tiene ningń control sobre
a o u
la invocaciń de sus operaciones por parte de otros objetos.
o
– un objeto protegido nunca invoca espontńeamente ninguna operacioń pero ejecuta cierto arbitraje
a o
sobre la invocaciń de sus operaciones.
o
• Persistencia: ¿Los objetos son permanentes o temporales? ¿Qu´ hacen ante la falla de un proceso o un
e
procesador?
• Subordinaciń: ¿La existencia o persistencia de un objeto depende de otro objeto?
o
• Distribuciń: ¿Estń el estado y las operaciones de un objeto accesibles desde varios nodos de la arqui-
o a
tectura f´
ısica, ydesde varios procesos de la arquitectura de procesos?

En la vista l´gica de la arquitectura consideramos que cada objeto es activo y potencialmente “concur-
o
rente”, i.e. teniendo comportamiento en paralelo con otros objetos, y no prestamos m´s atenciń al grado
a o
preciso de concurrencia que requerimos para alcanzar este efecto. Por lo tanto, la arquitectura l´gica tiene en
o
cuenta s´lo el aspecto funcional de los requisitos.
o
Sin embargo, cuanto definimos la arquitectura de procesos, implementar cada objeto con su propio thread
de control (e.g., su propio proceso Unix o tarea Ada) no es muy prćtico en el estado actual de la tecnolog´
a ıa
debido al gran overhead que esto impone. M´s ań, si los objetos son concurrentes, deber´ haber alguna
a u a
forma de arbitraje para invocar sus operaciones.
Por otra parte, ser requiere m´ltiples threads de control por varias razones:
u

• para reaccionar r´pidamente a ciertas clases de estmulos externos, incluyendo eventos relativos al tiempo
a ´
• para sacar partido de las m´ltiples CPUs en un nodo, o los m´ltiples nodos en un sistema operativo
u u
• para aumentar la utilizaciń de la CPU, asignando la CPUa otras actividades mientras algń thread de
o u
control est´ suspendido esperando que otra actividad finalice (e.g., acceso a cierto dispositivo externo,
a
o acceso a otro objeto activo)
• para priorizar actividades (y potencialmente mejorar la respuesta)
• para apoyar la escalabilidad del sistema (con procesos adicionales que compartan la carga)
• para separar intereses entre las diferentes ´reas del software
a
• para alcanzar una mayor disponibilidad del sistema (con procesos de backup)

Usamos dos estrategias concurrentemente para determinar la cantidad correcta de concurrencia y definir
el conjunto de procesos que se necesitan. Considerando el conjunto de posibles arquitecturas f´
ısicas, podemos
proceder o bien:

Inside-out Comenzando a partir de la arquitectura l´gica: definir las tareas agentes que multiplexan un unico
o ´
thread de control entre m´ltiples objetos activos de una clase; los objetos cuya persistencia o vida est´
u a
subordinada a un objeto activo tambiń se ejecutan en ese mismo agente; muchas clases que requieren ser
e
ejecutadas con mutua exclusiń, o que requieren s´lo un pequeõ procesamiento comparten el mismo
o o n
agente. Este clustering prosigue hasta que se reducen los procesos hasta un n´mero razonablemente
u
pequeõ que ań permite distribuciń y uso de los recursos f´
n u o ısicos.

11

Outside-in Comenzando con la arquitectura f´ ısica: identificar los est´
ımulos externos (requerimientos) al
sistema, definir los procesos cliente para manejar los est´ımulos y procesos servidores que s´lo brindan
o
servicios y que no los inician; usar la integridad de los datos y las restricciones de serializaciń del
o
problema para definir el conjunto correcto de servidores, y asignar objetos a los agentes cliente y servidor;
identificar cu´les objetos deben ser distribuidos.
a
El resultado es el mapeo de las clases (y sus objetos) en un conjunto de tareas y procesos de la arquitectura
de procesos. T´ıpicamente existe una tarea agente para una clase activa con algunas variaciones: varios agentes
para una clase dada para aumentar el throughput, o varias clases mapeadas en un mismo agente porque sus
opraciones se no se invocan frecuentemente o para garantizar su ejecuciń secuencial.
o
N´tese que esto no es un proceso lineal y determin´
o ıstico que nos lleva a una arquitectura de procesos
o
´ptima; requiere una serie de iteraciones para lograr un compromiso aceptable. Hay numerosas otras formas
de hacerlo, tal como lo establecen por ejemplo Birman et al. [2] o Witt et al. [11]. El m´todo preciso a usar
e
en la contrucciń del mapeo est´ fuera del alcance de este art´
o a ıculo, pero podemos ilustrarlo con un pequeõn
ejemplo.
La Figura 13 muestra c´mo un pequeõ conjunto de clases de un sistema de control de tr´fico a´reo
o n a e
hipot´tico puede mapearse en procesos.
e

Figure 13: Mapeo de la vista l´gica a la vista de procesos
o

La clase vuelo se mapea a un conjunto de agentes de vuelo: existen muchos vuelos a procesar, una alta
tasa de est´
ımulos externos, el tiempo de respuesta es cr´ıtico, la carga debe distribuirse entre m´ltiples CPUs.
u
M´s ań, los aspectos de persistencia y distribuiń del procesamiento a´reo se difieren a un servidor de vuelos,
a u o e
el cual est´ duplicado por motivos de disponibilidad.
a
Un perfil de vuelo o una liquidaciń siempre estń subordinadas a un vuelo, y a pesar que son clases
o a
complejas, ellas comparten los mismos procesos que la clase vuelo. Los vuelos se distribuyen en varios
procesadores, de forma notable para el despliegue y las interfaces externas.
Una clase sectorizaciń, que establece una particiń del espacio a´reo para la asignaciń de jurisdicciń de
o o e o o
controladores de vuelos, debido a sus restricciones de integridad puede ser manejada solamente por un agente
unico, pero puede compartir el proceso servidor con el vuelo: las modificaciones son infrecuentes.
´
Localizaciń y espacio a´reo y otra informaciń aeronútica est´tica son objetos protegidos, compartidos
o e o a a
entre muchas otras clases, y raramente modificados; se mapean en su propio servidor, y se distribuye a otros
procesos.

De la l´gica al desarrollo. Una clase se implementa generalmente como un m´dulo, por ejemplo un tipo de
o o
la parte visible de un paquete Ada. Las clases grandes se descomponen en m´ltiples paquetes. Colecciones de
u

12

clases ´
ıntimamente relacionadas –categor´ de clases– se agrupan en subsistemas. Deben tambiń considerarse
ıas e
otras restricciones para la definiciń de subsistemas tales como la organizaciń del equipo de desarrollo, el
o o
tamaõ esperado del c´digo (t´
n o ıpicamente 5K a 20K SLOC por subsistema), grado de reuso y comonalidad
esperado, principio de distribuciń en capas (visibilidad), pol´
o ıticas de liberaciń, y administraciń de la
o o
configuraciń. Por lo tanto, generalmente terminamos con una vista que no tiene necesariamente una relaciń
o o
uno a uno con la vista l´gica.
o
Las vistas l´gica y de desarrollo son muy cercanas, aunque se refieren a distintos asuntos. Hemos encontrado
o
que cuanto mayor es el proyecto, mayor es tambiń la distancia entre estas dos vistas. Similarmente para las
e
vistas de procesos y f´ ısica: cuanto mayor el proyecto, mayor es la distancia entre estas vistas. Por ejemplo,
si comparamos las figuras 3b y 7, no existe una correspondencia uno a uno de las categor´ de clases y las
ıas
capas. Si tomamos la categor´ “Interfaces externas–Gateway”, su implementaciń se distribuye a lo largo
ıa o
de varias capas: los protocolos de comunicaciń estń en los subsistemas dentro o debajo de la capa 1, los
o a
mecanismos generales de gateways estń en los subsistemas de la capa 2, y los gateways espec´
a ıficos reales
estń en los subsistemas de la capa 5.
a

De procesos a f´ ısico. Los procesos y grupos de procesos se mapean sobre el hardware f´ ısico disponible
en varias configuraciones para testing o distribuciń. Birman describe algunos esquemas eleaborados para
o
realizar este mapeo dentro del proyecto Isis [2].
Los escenarios se relacionan esencialmente con la vista l´gica, en t´rminos de cu´les clases se usan y con
o e a
la vista de procesos cuando las interacciones entre objetos involucran m´s de un thread de control.
a

9 Confeccionando el Modelo
No toda arquitectura de software requiere las “4+1” vistas completas. Las vistas que no son utiles pueden
´
omitirse de la descripciń de arquitectura, tales como la vista f´
o ısica si hay un unico procesador, y la vista de
´
procesos si existe un solo proceso o programa. Para sistemas muy pequeõs, es posible que las vistas l´gica
n o
y de desarrollo sean tan similares que no requieran descripciones independientes. Los escenarios son utiles en
´
todas las circunstancias.

9.1 Proceso Iterativo
Witt et al. indican 4 fases para el diseõ de arquitectura: bosquejo, organizaciń, especificaciń y opti-
n o o
mizaciń, subdivididos en 12 pasos [11]. Indican que puede ser necesario algń tipo de backtrack. Creemos
o u
que este enfoque es muy “lineal” para proyectos ambiciosos y novedosos. Al final de las cuatro fases se tiene
muy poco conocimiento para validar la arquitectura. Abogamos por un desarrollo m´s iterativo, donde la
a
arquitectura se prototipa, se prueba, se mide, se analiza y se refina en sucesivas iteraciones. Adem´s de a
permitir mitigar los riesgos asociados a la arquitectura, este desarrollo tiene otros beneficios asociados para
el proyecto: construcciń en equipo, entrenamiento, familiarizaciń con la arquitectura, adquisicińn de her-
o o o
ramientas, ejecuciń de procedimientos y herramientas, etc. (Hablamos de un prototipo evolutivo, que crece
o
lentamente hasta convertirse en el sistema, y no de un prototipo desechable, exploratorio.) Este enfoque
iterativo tambiń permite refinar los requisitos, madurarlos y comprenderlos m´s profundamente.
e a

Un enfoque dirigido por escenarios La funcionalidad m´s cr´ a ıtica del sistema se captura en forma de
escenarios (o casos de uso). Cr´
ıticos se refiere a: funciones que son las m´s importantes, la razń de existir del
a o
sistema, o que tienen la mayor frecuencia de uso, o que presentan cierto riesgo tćnico que debe ser mitigado.
e
Comienzo:
• Se elige un pequeõ n´mero de escenarios para cierta iteraciń basado en el riesgo y la criticidad. Los
n u o
escenarios pueden sintetizarse para abstraer una serie de requisitos de usuario.
• Se bosqueja una arquitectura. Los escenarios se describen para identificar las abstracciones mayores
(clases, mecanismos, procesos, subsistemas) como lo indican Rubin y Goldberg [10] –descomponińdolos
e
en secuencias de pares (objeto, operaciń).
o

13

• Los elementos de la arquitectura descubieros se ponen en las 4 vistas de arquitectura: l´gica, de procesos,
o
de desarrollo y f´
ısica.
• Se implementa la arquitectura, se prueba, se mide, y se analiza para detectar errores o potenciales
mejoras.
• Se recogen las lecciones aprendidas.
Loop:
La siguiente iteraciń puede entonces comenzar mediante:
o
• reestudiando los riesgos,
• extendiendo la paleta de escenarios a considerar,
• seleccionando una serie de escenarios que permitirń mitigar el riesgo o cubrir una mayor parte de la
a
arquitectura.
Entonces:
• Intentar describir los escenarios de la arquitectura preliminar,
• descubrir elementos de arquitectura adicionales, o algunos cambios que es necesario aplicar a la arqui-
tectura para dar cabida a estos escenarios,
• actualizar las 4 vistas de arquitectura,
• revisar los escenarios existentes basńdose en los cambios,
a
• actualizar la implementaciń (el prototipo de la arquitectura) para dar apoyo al nuevo conjunto exten-
o
dido de escenarios,
• probar y medir bajo sobrecarga en lo posible en el ambiente de ejecuciń objetivo,
o
• las 5 vistas se revisan para detectar potenciales simplificaciones, reutilizaciń, y comonalidades,
o
• actualizar las gu´ de diseõ y justificaciń del mismo,
ıas n o
• recoger las lecciones aprendidas.
End loop
El prototipo inicial de la arquitectura evoluciona hasta convertirse en el sistema real. Con suerte, luego
de 2 o 3 iteraciones, la arquitectura se vuelve estable: no se encuentran nuevas abstracciones mayores, ni
subsistemas, ni procesos, ni interfaces. El resto de la historia est´ dentro de la tńica del diseõ, donde de
a o n
hecho, el desarrollo puede continuar usando m´todos y procesos muy similares.
e
La duraciń de estas iteraciones var´ considerablemente: con el tamaõ del proyecto, con el n´mero de
o ıa n u
personas involucradas y su familiaridad con el dominio y el m´todo, y con el grado de novedad del sistema con
e
respecto a la organizaciń de desarrollo. Por lo tanto la duraciń de una iteraciń puede ser de 2 a 3 semanas
o o o
para un pequeõ proyecto (e.g. 10KSLOC), o entre 6 y 9 meses para un gran sistema de comando y control
n
(e.g. 700KSLOC).

10 Documentaciń de la Arquitectura
o
La documentaciń producida durante el diseõ de la arquitectura se captura en dos documentos:
o n
• un Documento de Arquitectura del Software, cuya organizaciń sigue las “4+1” vistas (ver la figura 14
o
por un punteo t´
ıpico)
• un documento de Gu´ del Diseõ del Software, que captura (entre otras cosas) las decisiones de diseõ
ıas n n
m´s importantes que deben respetarse para mantener la integridad de la arquitectura del sistema.
a

14

Pagina de titulo
Historia de cambios
Tabla de contenidos
Lista de figuras
1. Alcance
2. Referencias
3. Arquitectura del software
4. Objetivos y restricciones de la arquitectura
5. Arquitectura logica
6. Arquitectura de procesos
7. Arquitectura de desarrollo
8. Arquitectura fisica
9. Escenarios
10. Tama˜ o y performance
n
11. Cualidades
Apendices
A. Siglas y abreviaturas
B. Definiciones
C. Principios de dise˜ o
n

Figure 14: Punteo de un documento de Arquitectura de Software

11 Conclusiń
o
El modelo de “4+1” vistas ha sido usado con´xito en varios proyectos grandes con o sin ajustes locales en
e
su terminolog´ [3]. Realmente permiti´ a los distintos stakeholders encontrar lo que quer´ acerca de la
ıa o ıan
arquitectura del software. Los ingenieros de sistemas se enfocaron en la vista f´ ısica, y luego en la vista de
procesos. Los usuarios finales, los clientes, y los especialistas en datos en la vista l´gica. Los administradores
o
de proyectos, las personas de configuraciń del software en la vista de desarrollo.
o
Se han propuesto y discutido otra serie de vistas, tanto dentro de Rational como en otras partes, como por
ejemplo Meszaros (BNR), Hofmeister, Nord y Soni (Siemens), Emery y Hilliard (Mitre) [6], pero en general
hemos visto que estas otras vistas propuestas pueden reducirse a una de las cuatro vistas aqu´ propuestas.
ı
Por ejemplo una vista de costo&planificaciń puede verse como una vista de desarrollo, una vista de datos
o
puede verse como una vista l´gica, una vista de ejecuciń puede ser una combinaciń de las vistas f´
o o o ısica y de
procesos.
Vista L´gica
o Proceso Desarrollo F´ısica Escenarios
Componentes Clase Tarea M´dulo, subsistema
o Nodo Paso, script
Conectores asociaciń,
o rendez-vous, dependencia de medio de
herencia, mensaje, broadcast, compilaciń, sentencia
o comunicaciń,
o
contenciń
o RPC, etc. “with”, “include” LAN, WAN, bus
Contenedores Categor´ de clase
ıa Proceso Subsistema Subsistema Web
(biblioteca) f´
ısico
Stakeholders Usuario Dise˜ ador,
n Desarrollador, Dise˜ ador
n Usuario,
final integrador administrador de sistema desarrollador
Intereses Funcionalidad Performance, Organizaciń,
o Escalabilidad, Comprensibilidad
disponibilidad, reuso, portabilidad, performance,
tolerancia a fallas, l´
ıneas de productos disponibilidad
integridad
Herramientas Rose UNAS/SALE DADS Apex, SoDA UNAS, Rose
Openview, DADS

Table 1: Resumen del modelo de “4+1” vistas

Agradecimientos
El modelo de “4+1” vistas debe su existencia a varios colegas de Rational, de Hughes Aircraft de Canad´, de
a
Alcatel, y de otras partes. En particular quisiera agradecer por sus contribuciones a Ch. Thompson, A. Bell,
M. Devlin, G. Booch, W. Royce, J. Marasco, R. Reitman, V. Ohnjec, y E. Schonberg.

15

References
[1] Gregory D. Abowd, Robert Allen, and David Garlan. Using Style to Understand Descriptions of Software Archi-
tecture. In Proceedings of the First ACM SIGSOFT Symposium on Foundations of Software Engineering, pages
9–20, Los Angeles, California, USA, 1993.
[2] Kenneth P. Birman and Robbert Van Renesse. Reliable Distributed Computing with the Isis Toolkit. Wiley-IEEE
Computer Society Press, April 1994.
[3] Grady Booch. Object-Oriented Analysis and Design with Applications. Benjamin-Cummings Pub. Co., Redwood
City, California, 2nd edition, 1993.
[4] Paul Clements. From Domain Model to Architectures. In A. Abd-Allah et al., editor, Focused Workshop on
Software Architecture, pages 404–420, 1994.
[5] A. R. Filarey, W. E. Royce, R. Rao, P. Schmutz, and L. Doan-Minh. Software First: Applying Ada Megapro-
gramming Technology to Target Platform Selection Trades. In TRI-Ada, pages 90–101, 1993.
[6] David Garlan. Proceedings of the ﬁrst internal workshop on architectures for software systems. Technical Report
CMU-CS-TR-95-151, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, 1995.
[7] David Garlan and Mary Shaw. An Introduction to Software Architecture. Advances in Software Engineering and
Knowledge Engineering, 1, 1993. World Scientiﬁc Publishing Co.
[8] Phillipe Kruchten and Ch. Thompson. An object-oriented, distributed architecture for large scale ada systems.
In Proceedings of the TRI-Ada’94 Conference, pages 262–271, Baltimore, November 1994. ACM.
[9] Dewayne E. Perry and Alexander L. Wolf. Foundations for the study of software architecture. SIGSOFT Software
Engineering Notes, 17(4):40–52, 1992. ACM Press.
[10] Kenneth S. Rubin and Adele Goldberg. Object behavior analysis. Communications of the ACM, 35(9):48–62,
1992.
[11] Bernard I. Witt, Terry Baker, and Everett W. Merrit. Software Architecture and Design–Principles, Models, and
Methods. Van Nostrand Reinhold, New York, 1994.

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