Dynamische Visualisierung serviceorientierter Architekturen

Diplomarbeit von Christian Kahl

Einleitung:

Die Geschäftsprozesse in Unternehmen sind gekennzeichnet von einer kontinuierlichen Dynamik. Die variierenden Rahmenbedingungen im Bezug auf Kunden, Wettbewerber und Märkte, resultieren in wechselnden Anforderungen an die Prozesse. Um den Anforderungen gerecht zu werden, müssen Geschäftsprozesse sich flexibel gestalten lassen. Entsprechend flexibel müssen auch die Softwaresysteme und deren Architekturen sein, die den Prozessen zugrunde liegen. Damit eine Anpassung möglichst dynamisch erfolgen kann, werden serviceorientierte Architekturen eingesetzt. Sie sollen durch die Nutzung kombinierbarer und wiederverwendbarer Softwarekomponenten, eine schnellere und einfachere Veränderung von Softwarearchitekturen in Unternehmen realisieren. Mit dem Ziel diese Architekturen dynamischer auf die Geschäftsprozesse und deren Anforderungen ausrichten zu können, als dies in der Vergangenheit der Fall war.

Nicht allein im Bezug auf serviceorientierte Architekturen ist dabei zu beachten, dass die Entwicklung und Wartung von Softwarearchitekturen einen umfangreichen und vielschichtigen Prozess darstellt. Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung eines derartigen Prozesses, ist das Verständnis der beteiligten Personen. Ein solches Verständnis zu erlangen wird in zunehmendem Maße wichtiger, angesichts immer komplexerer Softwaresysteme und gleichzeitig kürzerer Softwarelebenszyklen. Aufgrund der Größe und Komplexität der meisten Systeme, ist ein Verständnis dafür jedoch nicht ohne weiteres erreichbar. Dies gilt besonders für serviceorientierte Architekturen, deren Einsatz auch mit einer stärkeren Vernetzung der technischen und wirtschaftlichen Ebene in Unternehmen einhergeht. Die infolgedessen bestehenden Beziehungen zwischen diesen Ebenen, steigern zusätzlich die Komplexität serviceorientierter Architekturen.

Aus diesen Gründen sind Werkzeuge erforderlich, welche dabei helfen die Komplexität von Softwaresystemen zu reduzieren und somit ein Verständnis für sie zu ermöglichen. Die Softwarevisualisierung stellt ein Werkzeug dieser Art dar. Sie versucht mit Hilfe graphischer Darstellungen, das Verständnis für unterschiedliche Aspekte von Softwaresystemen zu schaffen und zu verbessern. Um dies zu erreichen, wurden in den vergangenen Jahren zahlreiche Ansätze und Tools für die Visualisierung von Software entwickelt. Die Ansätze und die ihnen zugrunde liegenden Konzepte, fokussieren in ihrer Ausrichtung allerdings primär objektorientierte Systeme. Serviceorientierte Softwaresysteme und ihre Architekturen finden dagegen bislang wenig Berücksichtigung. Obwohl ihnen in der Softwareentwicklung eine wachsende Bedeutung zuteil wird und obwohl gerade hier, aufgrund der skizzierten Komplexität dieser Architekturen, geeignete Werkzeuge notwendig sind, um ein Verständnis zu ermöglichen. Es stellt sich daher die Frage, inwieweit heute bestehende Ansätze der Softwarevisualisierung und die darin verwendeten Konzepte, in der Lage sind, serviceorientierte Architekturen adäquat zu visualisieren.

Ausgehend von dieser Frage, soll im Rahmen der vorliegenden Arbeit zunächst gezeigt werden, dass die Konzepte der Softwarevisualisierung und die Art in der sie bisher angewendet werden, für eine geeignete Visualisierung serviceorientierter Architekturen nicht ausreichen. Ziel der Arbeit ist die Identifikation der Schwächen bestehender Visualisierungsansätze und daruaf aufbauend die Entwicklung eines Modells, dass die Visualisierung serviceorientierter Architekturen beschreibt. Das Modell soll einen ganzheitlichen Ansatz für die visuelle Darstellung derartiger Architekturen repräsentieren. Grundlage hierfür ist die explizite Ausrichtung eines solchen Ansatzes an den spezifischen Charakteristika serviceorientierter Architekturen und ein angemessener Einsatz von Konzepten der Softwarevisualisierung. Damit soll das Modell die Grundlage schaffen für eine nachhaltige Förderung des Verständnisses, bei allen Personen (Stakeholder), die ein Interesse an einer solchen Architektur haben.

Um die Zielsetzung zu erreichen, sind zunächst serviceorientierte Architekturen und ihre Grundlagen, Gegenstand dieser Arbeit. Hierbei erfolgt vor allem eine Betrachtung der Konzepte, welche diesen Architekturen zugrunde liegen und der Bestandteile, aus denen sie sich zusammensetzen. Ziel dieses Teils der Arbeit ist es, einen Überblick zu geben, was serviceorientierte Architekturen sind und über welche charakteristischen Eigenschaften sie verfügen.

Serviceorientierte Architekturen sind in diesem Kontext beispielhaft für die Komplexität von Softwaresystemen und ihren Architekturen zu sehen. Ausgehend davon betrachten die anschließenden Kapitel die Softwarevisualisierung als Möglichkeit, zur Reduktion von Komplexität und zur Schaffung von Verständnis. Im Mittelpunkt stehen die Grundlagen der Softwarevisualisierung, gefolgt von spezifischen Konzepten und Techniken.

Darauf aufbauend werden einige exemplarische Ansätze der Softwarevisualisierung vorgestellt, um Beispiele für ihre Anwendung in der Praxis zu geben. Hierbei zeigt sich allerdings auch, dass mit den bestehenden Ansätzen einige Probleme verbunden sind. Probleme, die insbesondere im Bezug auf serviceorientierte Architekturen von Bedeutung sind. Aus diesem Grund findet abschließend die Vorstellung eines neuen Ansatzes der Softwarevisualisierung statt, der speziell diese Architekturform fokussiert.

Inhaltsverzeichnis:

	Abbildungsverzeichnis	V
	Abkürzungsverzeichnis	VI
1.	Einführung und Motivation	7
2.	Grundlagen serviceorientierter Architekturen	10
2.1	Motivation	10
2.2	Definition	11
2.3	Ziele	13
2.3.1	Einfachheit	13
2.3.2	Flexibilität und Wartbarkeit	14
2.3.3	Wiederverwendbarkeit	14
2.3.4	Entkopplung von Funktionalität und Technologie	14
2.4	Elemente	15
2.4.1	Service und Servicerollen	15
2.4.2	Servicebeschreibung	16
2.4.2.1	Erreichbarkeit	16
2.4.2.2	Funktionalität	16
2.4.2.3	Policies	17
2.4.2.4	Service Interface	17
2.4.2.5	Servicevertrag	18
2.4.3	Ausführungskontext	18
2.5	Konzepte	19
2.5.1	Sichtbarkeit	19
2.5.1.1	Bewusstsein	19
2.5.1.2	Bereitschaft	20
2.5.1.3	Erreichbarkeit	20
2.5.2	Interaktion	20
2.5.3	Realwelt Effekt	21
2.6	Aufbau und Kontext	21
2.6.1	Anwendungsschicht	24
2.6.2	Serviceschicht	24
2.6.2.1	Anwendungsserviceschicht	25
2.6.2.2	Geschäftsserviceschicht	25
2.6.2.3	Orchestrierungsserviceschicht	26
2.6.3	Prozessschicht	26
2.7	Charakteristika	27
2.7.1	Wiederverwendbarkeit	27
2.7.2	Formaler Vertrag	27
2.7.3	Lose Kopplung	28
2.7.4	Abstraktion	28
2.7.5	Kombinierbarkeit	28
2.7.6	Autonomie	29
3.	Grundlagen der Softwarevisualisierung	30
3.1	Motivation	30
3.2	Definition	31
3.3	Ziele	32
3.4	Anforderungen	33
3.4.1	Expressivität	33
3.4.2	Effektivität	33
3.4.3	Angemessenheit	34
4.	Konzepte und Techniken der Softwarevisualisierung	35
4.1	Verständnisstrategien	35
4.1.1	Bottom Up	35
4.1.2	Top Down	36
4.1.3	Wissensbasiert	37
4.1.4	Systematisch und nach Bedarf	37
4.1.5	Integriert	37
4.2	Visualisierungspipeline	38
4.2.1	Datenaufbereitung	38
4.2.2	Datenabbildung	38
4.2.3	Bildgenerierung	39
4.3	Sichtenkonzept	39
4.3.1	Logische Sicht	41
4.3.2	Prozesssicht	41
4.3.3	Entwicklungssicht	42
4.3.4	Physische Sicht	42
4.3.5	Szenarios	42
4.4	Visuelle Konzepte	43
4.4.1	Multiple Sichten	43
4.4.2	Filterung	44
4.4.3	Aggregation	44
4.4.4	Pan und Zoom	45
4.4.5	Kontext und Detail	46
5.	Ansätze und Probleme der Softwarevisualisierung	47
5.1	Charakterisierung	47
5.1.1	Inhalt	48
5.1.2	Form	49
5.2	Bestehende Ansätze	52
5.2.1	Unified Modeling Language	52
5.2.1.1	Inhalt	52
5.2.1.2	Form	54
5.2.2	BLOOM	55
5.2.2.1	Inhalt	56
5.2.2.2	Form	56
5.2.3	Simple Hierarchical Multi Perspective	57
5.2.3.1	Inhalt	57
5.2.3.2	Form	58
5.2.4	Code Crawler	59
5.2.4.1	Inhalt	59
5.2.4.2	Form	59
5.2.5	Source Viewer 3D	60
5.2.5.1	Inhalt	61
5.2.5.2	Form	61
5.2.6	Software Landscapes	63
5.2.6.1	Inhalt	63
5.2.6.2	Form	64
5.3	Probleme	66
5.3.1	Darstellung	66
5.3.2	Komplexität und Skalierbarkeit	67
5.3.3	Dynamik	69
5.3.4	Ganzheitlichkeit	72
5.3.5	Anwendung	73
5.3.5.1	Automatisierung	73
5.3.5.2	Evaluation	74
5.3.5.3	Anwendung in der Praxis	75
6.	Modell der dynamischen Visualisierung	77
6.1	Motivation	77
6.2	Definition und Ziele	79
6.3	Anforderungen	81
6.3.1	Dynamik	81
6.3.2	Multidimensionalität	81
6.3.3	Skalierbarkeit	81
6.3.4	Ganzheitlichkeit	82
6.4	Aufbau und Kontext	82
6.4.1	Stakeholder	83
6.4.2	Serviceorientierte Architektur	85
6.4.3	Softwarevisualisierung	85
6.4.4	Visualisierungsprozess	86
6.5	Dynamische Sicht	88
6.5.1	Inhalt	89
6.5.2	Form	92
6.5.2.1	Multiple Subsichten	93
6.5.2.2	Informationshierarchie	97
6.5.2.3	Information on Demand	100
6.5.2.4	Filterung	102
6.5.2.5	Aggregation	104
6.5.2.6	Kontext und Detail	106
7.	Zusammenfassung und Ausblick	109
	Literaturverzeichnis	112

Inhaltsverzeichnis:

	Abbildungsverzeichnis	V
	Abkürzungsverzeichnis	VI
1.	Einführung und Motivation	7
2.	Grundlagen serviceorientierter Architekturen	10
2.1	Motivation	10
2.2	Definition	11
2.3	Ziele	13
2.3.1	Einfachheit	13
2.3.2	Flexibilität und Wartbarkeit	14
2.3.3	Wiederverwendbarkeit	14
2.3.4	Entkopplung von Funktionalität und Technologie	14
2.4	Elemente	15
2.4.1	Service und Servicerollen	15
2.4.2	Servicebeschreibung	16
2.4.2.1	Erreichbarkeit	16
2.4.2.2	Funktionalität	16
2.4.2.3	Policies	17
2.4.2.4	Service Interface	17
2.4.2.5	Servicevertrag	18
2.4.3	Ausführungskontext	18
2.5	Konzepte	19
2.5.1	Sichtbarkeit	19
2.5.1.1	Bewusstsein	19
2.5.1.2	Bereitschaft	20
2.5.1.3	Erreichbarkeit	20
2.5.2	Interaktion	20
2.5.3	Realwelt Effekt	21
2.6	Aufbau und Kontext	21
2.6.1	Anwendungsschicht	24
2.6.2	Serviceschicht	24
2.6.2.1	Anwendungsserviceschicht	25
2.6.2.2	Geschäftsserviceschicht	25
2.6.2.3	Orchestrierungsserviceschicht	26
2.6.3	Prozessschicht	26
2.7	Charakteristika	27
2.7.1	Wiederverwendbarkeit	27
2.7.2	Formaler Vertrag	27
2.7.3	Lose Kopplung	28
2.7.4	Abstraktion	28
2.7.5	Kombinierbarkeit	28
2.7.6	Autonomie	29
3.	Grundlagen der Softwarevisualisierung	30
3.1	Motivation	30
3.2	Definition	31
3.3	Ziele	32
3.4	Anforderungen	33
3.4.1	Expressivität	33
3.4.2	Effektivität	33
3.4.3	Angemessenheit	34
4.	Konzepte und Techniken der Softwarevisualisierung	35
4.1	Verständnisstrategien	35
4.1.1	Bottom Up	35
4.1.2	Top Down	36
4.1.3	Wissensbasiert	37
4.1.4	Systematisch und nach Bedarf	37
4.1.5	Integriert	37
4.2	Visualisierungspipeline	38
4.2.1	Datenaufbereitung	38
4.2.2	Datenabbildung	38
4.2.3	Bildgenerierung	39
4.3	Sichtenkonzept	39
4.3.1	Logische Sicht	41
4.3.2	Prozesssicht	41
4.3.3	Entwicklungssicht	42
4.3.4	Physische Sicht	42
4.3.5	Szenarios	42
4.4	Visuelle Konzepte	43
4.4.1	Multiple Sichten	43
4.4.2	Filterung	44
4.4.3	Aggregation	44
4.4.4	Pan und Zoom	45
4.4.5	Kontext und Detail	46
5.	Ansätze und Probleme der Softwarevisualisierung	47
5.1	Charakterisierung	47
5.1.1	Inhalt	48
5.1.2	Form	49
5.2	Bestehende Ansätze	52
5.2.1	Unified Modeling Language	52
5.2.1.1	Inhalt	52
5.2.1.2	Form	54
5.2.2	BLOOM	55
5.2.2.1	Inhalt	56
5.2.2.2	Form	56
5.2.3	Simple Hierarchical Multi Perspective	57
5.2.3.1	Inhalt	57
5.2.3.2	Form	58
5.2.4	Code Crawler	59
5.2.4.1	Inhalt	59
5.2.4.2	Form	59
5.2.5	Source Viewer 3D	60
5.2.5.1	Inhalt	61
5.2.5.2	Form	61
5.2.6	Software Landscapes	63
5.2.6.1	Inhalt	63
5.2.6.2	Form	64
5.3	Probleme	66
5.3.1	Darstellung	66
5.3.2	Komplexität und Skalierbarkeit	67
5.3.3	Dynamik	69
5.3.4	Ganzheitlichkeit	72
5.3.5	Anwendung	73
5.3.5.1	Automatisierung	73
5.3.5.2	Evaluation	74
5.3.5.3	Anwendung in der Praxis	75
6.	Modell der dynamischen Visualisierung	77
6.1	Motivation	77
6.2	Definition und Ziele	79
6.3	Anforderungen	81
6.3.1	Dynamik	81
6.3.2	Multidimensionalität	81
6.3.3	Skalierbarkeit	81
6.3.4	Ganzheitlichkeit	82
6.4	Aufbau und Kontext	82
6.4.1	Stakeholder	83
6.4.2	Serviceorientierte Architektur	85
6.4.3	Softwarevisualisierung	85
6.4.4	Visualisierungsprozess	86
6.5	Dynamische Sicht	88
6.5.1	Inhalt	89
6.5.2	Form	92
6.5.2.1	Multiple Subsichten	93
6.5.2.2	Informationshierarchie	97
6.5.2.3	Information on Demand	100
6.5.2.4	Filterung	102
6.5.2.5	Aggregation	104
6.5.2.6	Kontext und Detail	106
7.	Zusammenfassung und Ausblick	109
	Literaturverzeichnis	112

Textprobe:

Kapitel 5, Ansätze und Probleme der Softwarevisualisierung:

Die Konzepte und Techniken, die für eine Visualisierung von Software eingesetzt werden können, finden sich in den zahlreichen Visualisierungs-ansätzen wieder, die in der Vergangenheit entwickelt wurden. Die praktische Realisation der Ansätze erfolgt in der Regel in Form von Programmen (Tools). Sie stellen die unterschiedlichsten Aspekte von Softwaresystemen mit den Mitteln der Softwarevisualisierung dar.

Generell gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, Daten visuell darzustellen. Dies gilt nicht nur im Bezug auf Softwaresysteme. Dabei exis-tiert keine einzelne Visualisierungsform, die sich für alle Visualisierungsprobleme und für alle Softwaresysteme, gleichermaßen gut eignet. Vielmehr ist die geeignete Form jeweils abhän-gig vom konkreten Gegenstand der Visualisierung und dessen Kontext.

Im Rahmen dieses Kapitels werden zunächst zwei Dimensionen vorgestellt, die zur Beschreibung von Visualisierungsansätzen dienen. Basierend auf dieser Form der Charakterisierung, stellen die daran anschließenden Abschnitte einige exemplarische Ansätze der Softwarevisualisierung vor. Abschließend erfolgt eine Identifikation der wesentlichen Probleme, die sich in der Softwarevisualisierung zeigen. Bezüglich der Begriffsverwendung werden die Ausdrücke Ansatz und Tool, sofern nicht anders angegeben, in den nächsten Abschnitten synonym verwendet, da ein Tool die praktische Umsetzung des jeweiligen Ansatzes repräsentiert.

Kapitel 5.1, Charakterisierung:

In der Literatur finden sich diverse Möglichkeiten, um Ansätze und Tools der Softwarevisualisierung zu charakterisieren und somit in bestimmte Kategorien einzuordnen. Dabei erfolgt die Nutzung variierender Merkmale von Visuali-sierungen, als Kriterien oder Dimensionen für deren Einordnung. Zu den verwendeten Merkmalen zählen unter anderem die visuelle Form (verwendete visuelle Metaphern, Dimensionalität der Darstellung, etc.), der Grad der Abstraktion oder auch die verwendeten Darstellungstechniken und die genutzte Methodik (statische oder dynamische Visualisierung, Verwen-dung von Sichten, Filterung, etc.).

Vor diesem Hintergrund können zwei Dimensionen identifiziert werden, welche Visualisierungen generell zugrunde liegen. Bei den Dimensionen handelt es sich Ansätze und Probleme der Softwarevisualisierung 48 um den Inhalt und die Form einer Visualisierung. Die Dimensionen beschreiben, was visualisiert wird (Inhalt) und wie es visualisiert wird (Form). Sie ermöglichen eine allgemeine Beschreibung sowie eine Einordnung von Ansätzen der Softwarevisualisierung.

Kapitel 5.1.1, Inhalt:

Die Charakterisierung von Visualisierungsansätzen anhand ihrer Inhalte, stellt die Frage in den Mittelpunkt, was in einer Visualisierung dargestellt wird. Damit ist die Art von Inhalten gemeint, die Gegenstand einer visuellen Darstellung sind. Eine Unterscheidung der Inhalte lässt sich hier im Wesentlichen, nach Struktur (statische Aspekte) und Verhalten (dynamische Aspekte) von Softwaresystemen vornehmen. Innerhalb dieser grundsätzlichen Orientierung, werden unterschied-liche Artefakte und Aspekte visualisiert.

Visualisierungen mit statischem Inhalt stellen die Struktur eines Software-systems dar. Sie zeigen die Elemente des Systems und die Beziehungen, welche zwischen diesen Elementen bestehen. Bei den Elementen kann es sich um Soft-wareartefakte, wie etwa Codedateien, Klassen, Komponenten, aus multiplen Artefakten bestehende Teilsysteme, oder die Architektur insgesamt handeln. Die Artefakte können zum Beispiel in Form von Vererbung, Kommunikation, oder Benutzung in Beziehung miteinander stehen. Unter den Aspekt der Visualisierung statischer Inhalte fallen außerdem graphische Darstellungen des Quellcodes.

Visualisierungen mit dynamischen Inhalten, stellen das Verhalten eines Softwaresystems zur Laufzeit dar. Der Fokus liegt hierbei auf Aspekten der Programmausführung und des Programmablaufs. Konkrete Beispiele sind die Darstellung des Daten- oder Kontrollflusses zur Laufzeit, der Ausführung von Methoden oder der Speicherbelegung.

Zu beachten ist, dass die Begriffe statisch und dynamisch sich in diesem Kontext auf die Inhalte einer Visualisierung beziehen. Die Begriffe lassen sich jedoch generell auch auf die Art einer Visualisierung anwenden. Eine Visualisierung selbst ist statisch, wenn sie sich nicht manuell oder automatisch verändern lässt, sondern nach einem festgelegten, unveränderlichen Prinzip erstellt wird. Falls die Möglichkeit einer entsprechenden Veränderung besteht, ist sie hingegen dynamisch.