TIL#137 애플리케이션설계(1)

소프트웨어 아키텍쳐

소프트웨어 아키텍쳐의 설계

소프트웨어의 골격이 되는 기본 구조이자, 소프트웨어를 구성하는 요소들 간의 관계를 표현하는 시스템의 구조 또는 구조체이다.

• 소프트웨어 개발 시 적용되는 원칙과 지침이며, 이해 관계자들의 의사소통 도구로 활용
• 기본적으로 좋은 품질을 유지하면서 사용자의 비기능적 요구사항으로 나타난 제약을 반영하고, 기능적 요구사항을 구현하는 방법을 찾는 해결 과정
• 애플리케이션의 분할 방법과 분할된 모듈에 할당될 기능, 모듈간의 인터페이스 등을 결정
• 기본 원리 : 모듈화, 추상화, 단계적 분해, 정보은닉

모듈화(Modularity)

소프트웨어의 성능을 향상시키거나 시스템의 수정 및 재사용, 유지 관리 등이 용이하도록 시스템의 기능들을 모듈 단위로 나누는 것을 의미

• 자주 사용되는 계산식이나 사용자 인증과 같은 기능들을 공통 모듈로 구성하여 프로젝트의 재사용성을 향상시킬 수 있다
• 모듈의 크기를 너무 작게 나누면 개수가 많아져 모듈 간의 통합 비용이 많이 들고, 너무 크게 나누면 개수가 적어 통합 비용은 적게 들지만 모듈 하나의 개발 비용이 많이 든다

추상화(Abstraction)

문제의 전체적이고 포괄적인 개념을 설계한 후 차례로 세분화하여 구체화시켜 나가는 것

• 인간이 복잡한 문제를 다룰 때 가장 기본적으로 사용하는 방법
• 완전한 시스템을 구축하기 전에 그 시스템과 유사한 모델을 만들어서 여러가지 요인들을 테스트할 수 있다
• 최소의 비용으로 실제 상황에 대처할 수 있고, 시스템의 구조 및 구성을 대략적으로 파악할 수 있게 해준다
• 유형
  • 과정 추상화 : 자세한 수행과정을 정의하지 않고, 전반적인 흐름만 파악할 수 있게 설계하는 방법
  • 데이터 추상화 : 데이터의 세부적인 속성이나 용도를 정의하지 않고, 데이터 구조를 대표할 수 있는 표현으로 대체하는 방법
  • 제어 추상화 : 이벤트 발생의 정확한 절차나 방법을 정의하지 않고, 대표할 수 있는 표현으로 대체하는 방법

단계적 분해(Stepwise Refinement)

하향식 설계 전략. 문제를 상위의 중요 개념으로부터 하위의 개념으로 구체화시키는 분할 기법

• 추상화의 반복에 의해 세분화
• 소프트웨어의 기능에서 시작하여 점차적으로 구체화하고 알고리즘, 자료구조 등 상세한 내역은 가능한 한 뒤로 미루어 진행

정보 은닉(Information Hiding)

한 모듈 내부에 포함된 절차와 자료들의 정보가 감추어져 다른 모듈이 접근하거나 변경하지 못하도록 하는 기법

• 어떤 소프트웨어 기능을 수행하는데 반드시 필요한 기능이 있는 정보 은닉된 모듈과 커뮤니케이션할 필요가 있을 때는 필요한 정보만 인터페이스를 통해 주고 받는다.
• 정보 은닉을 통해 모듈을 독립적으로 수행할 수 있고, 하나의 모듈이 변경되더라도 다른 모듈에 영향을 주지 않으므로 수정, 시험, 유지보수가 용이하다.

품질 속성

이해관계자들이 요구하는 수준의 품질을 유지 및 보장할 수 있게 설계되었는지 확인하기 위해 구체화시켜 놓은 것

• 시스템 측면
  • 성능 : 사용자의 요청과 같은 이벤트가 발생했을 때, 이를 적절하고 빠르게 처리하는 것
  • 보안 : 허용되지 않은 접근을 막고, 허용된 접근에는 적절한 서비스를 제공하는 것
  • 가용성 : 장애 없이 정상적으로 서비스를 제공하는 것
  • 기능성 : 사용자가 요구한 기능을 만족스럽게 구현하는 것
  • 사용성 : 사용자가 소프트웨어를 사용하는데 헤매지 않도록 명확하고 편리하게 구현하는 것
  • 변경 용이성 : 처음 설계 목표와 다른 하드웨어나 플랫폼에서도 동작할 수 있도록 구현하는 것
  • 확장성 : 시스템의 용량, 처리능력 등을 확장시켰을 때 이를 효과적으로 활용할 수 있도록 구현하는 것
  • 기타 속성 : 테스트 용이성, 배치성, 안정성 등
• 비즈니스 측면
  • 시장 적시성 : 정해진 시간에 맞춰 프로그램을 출시하는 것
  • 비용과 혜택 : 개발 비용을 더 투자하여 유연성이 높은 아키텍처를 만들 것인지 결정하는 것
  • 예상 시스템 수명 : 시스템을 얼마나 오랫동안 사용할 것인지를 고려하는 것
  • 기타 속성 : 목표 시장, 공개 일정, 기존 시스템과의 통합 등
• 아키텍처 측면
  • 개념적 무결성 : 전체 시스템과 시스템을 이루는 구성요소들 간의 일관성을 유지하는 것
  • 정확성, 완결성 : 요구사항과 요구사항을 구현하기 위해 발생하는 제약사항들을 모두 충족시키는 것
  • 구축 가능성 : 모듈 단위로 구분된 시스템을 적절하게 분배하여 유연하게 일정을 변경할 수 있도록 하는 것
  • 기타 속성 : 변경성, 시험성, 적응성, 일치성, 대체성 등

설계 과정

1. 설계 목표 설정 : 비즈니스 목표, 우선순위 등 요구사항을 분석하여 전체 시스템의 설계 목표를 설정
2. 시스템 타입 결정 : 시스템과 서브시스템의 타입을 결정하고, 설계 목표와 함께 고려하여 아키텍쳐 패턴을 선택
3. 아키텍쳐 패턴 적용
4. 서브 시스템 구체화 : 서브시스템의 기능 및 서브시스템 간의 상호작용을 위한 동작과 인터페이스를 정의
5. 검토 : 설계 목표에 잘 부합하는지, 요구사항 반영 정도, 설계의 기본원리를 만족하는지 등 검토

❗️ 시스템 타입

• 대화형 시스템 : 사용자의 요구가 발생하면 시스템이 이를 처리하고 반응하는 시스템
  ex) 온라인 쇼핑몰과 같은 대부분의 웹 어플리케이션
• 이벤트 중심 시스템 : 외부의 상태 변화에 따라 동작하는 시스템
  ex) 전화, 비상벨 등의 내장 소프트웨어
• 변환형 시스템 : 데이터가 입력되면 정해진 작업들을 수행하여 결과를 출력하는 시스템
  ex) 컴파일러, 네트워크 프로토콜 등
• 객체 영속형 시스템 : 데이터베이스를 사용하여 파일을 효과적으로 저장, 검색, 갱신할 수 있는 시스템
  ex) 서버 관리 소프트웨어

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아키텍처 패턴

개요

아키텍처를 설계할 때 참조할 수 있는 전형적인 해결방식 또는 예제를 의미

• 소프트웨어 시스템의 구조를 구성하기 위한 기본적인 윤곽을 제시
• 서브시스템들과 그 역할이 정의되어 있으며, 서브시스템 사이의 관계와 여러 규칙, 지침 등이 포함
• 아키텍처 스타일 또는 표준 아키텍처라고 함
• 장점
  • 시행착오를 줄여 개발 시간을 단축, 고품질의 소프트웨어 생산
  • 검증된 구조로 개발 -> 안정적인 개발
  • 이해관계자들이 공통된 아키텍처를 공유할 수 있어 의사소통이 간편
  • 시스템의 구조를 이해하는 것이 쉬워 개발에 참여하지 않은 사람도 손쉽게 유지보수를 수행
  • 시스템의 특성을 개발 전에 예측 가능
• 종류로는 레이어 패턴, 클라이언트-서버 패턴, 파이프-필터 패턴, 모델-뷰-컨트롤러 패턴 등이 있음

레이어 패턴(Layers pattern)

시스템을 계층(Layer)으로 구분하여 구성하는 고전적인 방법 중 하나이다.

• 각각의 서브시스템들이 계층 구조를 이루며, 상위 계층은 하위 계층에 대한 서비스 제공자가 되고, 하위 계층은 상위 계층의 클라이언트가 된다.
• 서로 마주보는 두 개의 계층 사이에서만 상호 작용이 이루어지며, 변경 사항 적용시에도 서로 마주보는 두개의 계층에만 영향을 미치므로 변경이 용이하다.
• 특정 계층만을 교체해 시스템을 개선하는 것이 가능
• 대표적으로 OSI 참조모델이 있다.
  ❗️ OSI 참조 모델 : 국제표준화기구(ISO)에서 네트워크 프로토콜을 계층별로 구분한 모델로 물리 계층, 데이터 링크 계층, 네트워크 계층, 전송 계층, 세션 계층, 표현 계층, 응용 계층으로 구성

클라이언트-서버 패턴(Client-Server Pattern)

하나의 서버 컴포넌트와 다수의 클라이언트 컴포넌트로 구성된 패턴

• 사용자는 클라이언트와만 의사소통을 한다. 즉 사용자가 클라이언트를 통해 서버에 요청하고 클라이언트가 응답을 받아 사용자에게 제공하는 방식으로 서비스를 제공
• 서버는 클라이언트의 요청에 대비해 항상 대기 상태를 유지해야 한다.
• 클라이언트나 서버는 요청과 응답을 받기 위해 동기화되는 경우를 제외하고는 서로 독립적이다.

파이프-필터 패턴(Pipe-Filter Pattern)

데이터 스트림 절차의 각 단계를 필터 컴포넌트로 캡슐화하여 파이프를 통해 데이터를 전송하는 패턴

• 필터 컴포넌트는 재사용이 좋고, 추가가 쉬워 확장이 용이
• 필터 컴포넌트들을 재배치하여 다양한 파이프라인을 구축하는 것이 가능
• 데이터 변환, 버퍼링, 동기화 등에 주로 사용
• 대표적으로 UNIX의 쉘이 있다.

모델-뷰-컨트롤러 패턴(Model-View-Controller Pattern)

서브시스템을 3개의 부분으로 구조화하는 패턴

• 모델 : 서브시스템의 핵심 기능과 데이터를 보관
• 뷰 : 사용자에게 정보를 표시
• 컨트롤러 : 사용자로부터 받은 입력을 처리

패턴의 각 부분은 별도의 컴포넌트로 분리되어 있으므로 서로 영향을 받지 않고 개발 작업을 수행할 수 있다. 여러 개의 뷰를 만들 수 있으므로 한 개의 모델에 대해 여러 개의 뷰를 필요로 하는 대화형 애플리케이션에 적합하다.

기타 패턴

• 마스터-슬레이브 패턴(Master-Slave Pattern)
  • 마스터 컴포넌트에서 슬레이브 컴포넌트로 작업을 분할한 후, 슬레이브 컴포넌트에서 처리된 결과물을 다시 돌려받는 방식으로 작업을 수행하는 패턴
  • 마스터 컴포넌트는 모든 작업의 주체이고, 슬레이브 컴포넌트는 마스터 컴포넌트의 지시에 따라 작업을 수행하여 결과를 반환
  • 장애 허용 시스템과 병렬 컴퓨팅 시스템에서 주로 활용
• 브로커 패턴(Broker Pattern)
  • 사용자가 원하는 서비스와 특성을 브로커 컴포넌트에 요청하면 브로커 컴포넌트가 요청에 맞는 컴포넌트와 사용자를 연결
  • 원격 서비스 호출에 응답하는 컴포넌트들이 여러 개 있을 때 적합한 패턴
  • 분산 환경 시스템에서 주로 활용
• 피어-투-피어 패턴(Peer-To-Peer Pattern)
  • 피어를 하나의 컴포넌트로 간주하며, 각 피어는 서비스를 호출하는 클라이언트가 될 수도, 서비스를 제공하는 서버가 될 수도 있는 패턴
  • 클라이언트와 서버는 전형적인 멀티스레딩 방식을 사용
• 이벤트-버스 패턴(Event-Bus Pattern)
  • 소스가 특정 채널에 이벤트 메시지를 발행하면, 해당 채널을 구독한 리스너들이 메시지를 받아 이벤트를 처리하는 방식
  • 4가지 주요 컴포넌트 : 이벤트 생성하는 소스, 이벤트 수행하는 리스너, 이벤트 통로인 채널, 채널들을 관리하는 버스
• 블랙보드 패턴(Blackboard Pattern)
  • 모든 컴포넌트들이 공유 데이터 저장소와 블랙보드 컴포넌트에 접근이 가능한 형태로, 컴포넌트들은 검색을 통해 블랙보드에서 원하는 데이터를 찾을 수 있다.
  • 해결책이 명확하지 않은 문제를 처리하는데 유용한 패턴
  • 음성 인식, 차량 식별, 신호해석 등에 주로 활용
• 인터프리터 패턴(Interpreter Pattern)
  • 프로그램 코드의 각 라인을 수행하는 방법을 지정하고, 기호마다 클래스를 갖도록 구성
  • 특정 언어로 작성된 프로그램 코드를 해석하는 컴포넌트를 설계할 때 사용