Software Architecture

소프트웨어 아키텍처의 정의

한 번 구현하면 변경되지 않는 비용이 많이 드는 근본적인 구조

• 단위 (Building Block): 무엇으로 구성할 것인가
  • 함수, 객체 등 language의 개념
  • 컴포넌트, 서비스 등 language에서 지원하지 않는 개념
  • 함수의 구성

    int func(int in1, const char *in2, int *out1)

    • int: Return value
    • in1: Input (Call by value)
    • *in2: Input (Call by reference), 메모리 주소
    • *out1: Output (Call by reference), output을 받고 싶은 주소
• 통신 구조: 어떤 방식으로 모듈 간 데이터를 교환할 것인가
  • Client-server, Publish-subscribe
  • Building Block들은 통신 구조에 맞게 상호작용한다.
• 실행 구조: 시간 기반인가 이벤트 기반인가
  • Time-Triggered, Event-Triggered

소프트웨어 아키텍처

Monolithic vs Modular Architecture

• Monolithic Architecture
  • 전체 시스템이 하나로 통합된 구조
  • 초기 설계는 간단하지만 복잡도가 증가하면 유지보수에 어려움이 생긴다.
  • 전체 시스템이 뭉쳐있다. (Highly cohesive)
• Modular Architecture
  • 시스템을 기능별로 분리하여 개발한 후 통합하여 전체 시스템 설계
  • 각 모듈은 내부적으로 높은 응집도를 가지며, 모듈 간 결합도는 낮게 설계한다.
  • Highly Cohesive, Loosely Coupled
  • 인터페이스를 통해 각 모듈이 통신한다.
  • 설계에 노력이 필요하지만 복잡도 관리에 유리하다.
  • 각 모듈 내부는 자주 변하더라도 인터페이스는 가능한 미리 고정한다.

Layered Architecture

• 추상화: 하위 레이어의 복잡한 세부사항을 감추고 상위 레이어에 간소화된 인터페이스 제공
  1. Applications
  2. Application Framework
     • Domain Knowledge: Application domain 별로 특성이 매우 다르다.
     • AUTOSAR(자동차), Android(모바일)
  3. Middleware, Database
     • Communication
     • AUTOSAR, ROS
  4. Hypervisor, Container Manager
     • Virtualization
     • VirtualBox, Docker
  5. Operating System
     • Resource Management, Scheduling
     • Linux 및 RTOS 등
  6. Hardware
     • CPU, GPU, 컴퓨팅 하드웨어
• Function call-oriented 인터페이스: 동기적 구조로 설계
  • 함수 호출이 흐르는 control flow
• AUTOSAR architecture의 쌓여있는 Layers를 위에서 바라보면 component based architecture와 같다.

Component-based Architecture

• 재사용성(Reusability): 기존 컴포넌트를 활용하여 복잡한 시스템 구축
  • 복잡한 application 구조를 시각화하는데 유리하다.
• 데이터 흐름(Data Flow-oriented): 비동기적(Asynchronous) 구조로 설계
  • 메시지를 받아도 원하는 시점에 반응한다.
  • sender는 receiver가 언제 반응할지 알 수 없다.
  • recv_message() 같은 반응을 해야 receive가 이루어진다.
• 포트(Port): 컴포넌트 간 통신을 위한 연결 지점
• 시스템 전체 layer를 표현하지 않고 application 구조에 집중한다.
• Example: Autoware Architecture

Event-Driven Architecture

• 이벤트 발생 시 핸들러(Event Handler)가 동작
  • GUI 개발 시 사용된다.
  • onClickAdd()과 같은 이벤트 핸들러
• 블로킹 모델: 모든 이벤트를 처리할 때까지 대기

  while (True) {
      Wait Events
      Accept Events
      Call Event Handlers
  }

• 비블로킹 모델: 대기하지 않고 진행

  while (True) {
      if pending events
          Accept Events
          Call Event Handlers
  }

  • 비효율적 반복문은 CPU를 과소비한다.
• Example: CAN

Time-Driven Architecture

• 원하는 시간이 되면 함수를 호출한다.
• Time-Triggered Architecture
  • Time-Driven Architecture의 극단적인 형태
  • 예측 가능성이 중요할 경우 사용된다.
  • 사전에 정의된 시간(언제 어떤 모듈을 실행중일지)에 따라 작업을 트리거
  • Example: FlexRay(시간 기반)

Client-Server Architecture

• Client: Server에게 서비스를 요청하고 대기한다.
  • Client는 Server 주소를 알아야 한다.
• Server: Client의 요청에 대해 응답한다.(동기)

Sender-Receiver Architecture

• Sender: Receiver에게 비동기적으로 메시지를 전달한다.
  • Message Passing
  • Sender는 receiver가 누구인지 알고 메시지를 보낸다.
• Receiver: 원할 때 메시지를 읽는다.
  • Receiver가 메시지를 읽었다는 걸 보장할 수 없다.
  • 우체통과 같다.

Publish-Subscribe Architecture

• 자동차에 흔히 사용된다.
• Topic Subscribe 기반으로 받는 주체를 설정하지 않아도 된다.