Itseohjautuvien järjestelmien arkkitehtuurit

Tässä tutkielmassa käsittelen sellaisten järjestelmien arkkitehtuureja, joilla on kyky mukautua itsessään tai ympäristössään tapahtuviin muutoksiin joko muuttamalla rakennettaan tai käyttäytymistään. Tällainen järjestelmä voi esimerkiksi optimoida suorituskykyään, toipua virheistä tai suojata itseään ulkoisia uhkia vastaan. Esittelen tutkielmassani sellaisia arkkitehtuurityylejä ja suunnittelumalleja, jotka tukevat erilaisia itseohjautuvia ominaisuuksia. Lisäksi käsittelen itseohjautuvien järjestelmien suunnittelun lähtökohtia. Asiasanat:Itseohjautuvat järjestelmät, arkkitehtuurityylit, suunnittelumalli

Applying genetic architectural synthesis in software development and run-time maintenance

Software systems are becoming complex entities with an increasing diffusion into many new domains. A complex software system requires more resources to develop and maintain. Some domains demand continuous operation like security or control systems, web services and communication systems etc. The trend will lead software industry to a situation where it will be difficult to develop software systems through traditional manual software engineering practices in a feasible budget. Any level of automation can relieve the pressure on the cost. This thesis work explores the potential of genetic architectural synthesis to introduce automation in software development and maintenance. The genetic algorithm operates at the architectural level. The fitness functions envelop the expert knowledge needed to gauge the quality (modifiability, efficiency and complexity) of architectures. The algorithm uses solutions which can be design patterns, architectural styles, best practices or application specific solutions to maintain the quality attributes. Each solution has a positive or negative impact on one or more quality attributes. Once calibrated, the genetic algorithm has been able to suggest good quality architectures. An empirical study has also been performed that suggests that the genetic algorithm’s proposals are comparatively better than the under-graduate level students’ designs. Tool support has been provided in the form of the Darwin environment. It facilitates a human architect to initiate, modify, monitor and analyze the results of a genetic architectural synthesis. Moreover, the genetic algorithm has been used to evolve software architectures to be easily distributable among the teams involved in its development. The algorithm takes into account the organizational information and proposes an initial work distribution plan along with the improved architecture. The SAGA (Self-Architecting using Genetic Algorithms) infrastructure has been developed to enable self-adaptive and manual run-time maintenance in Java-based applications. SAGA allows Java-based distributed systems to self-maintain reliability and efficiency. Furthermore, non-self-maintainable properties of a system can be maintained manually at run-time. The decision making engine is the genetic algorithm. The unit of run-time modification is an architectural solution which in its entirety enters of leaves the running instance of a system therefore affecting the system’s run-time quality. A solution is composed of roles which are bound to real artifacts in the system. Multiple attributes concerning reliability and efficiency of the running system are monitored by SAGA. In the case of poor system quality in a changed environment, SAGA triggers the genetic algorithm to propose improvements in the architecture taking into account the monitoring data. The proposal is then reflected to the run-time and the cycle continues. In the experiments, an example distributed system used in changing environment has been implemented with self-maintaining capability. A significant improvement in both reliability and efficiency of the running system has been observed

Efficiently Conducting Quality-of-Service Analyses by Templating Architectural Knowledge

Previously, software architects were unable to effectively and efficiently apply reusable knowledge (e.g., architectural styles and patterns) to architectural analyses. This work tackles this problem with a novel method to create and apply templates for reusable knowledge. These templates capture reusable knowledge formally and can efficiently be integrated in architectural analyses

Genetic Algorithms in Software Architecture Synthesis

Ohjelmistoarkkitehtuurien suunnittelu on kriittinen vaihe ohjelmistokehitystä, sillä arkkitehtuuri määrittelee ohjelmiston rungon: miten ohjelma jaetaan eri komponentteihin, ja miten komponentit ovat yhteydessä toisiinsa. Ohjelmisto voidaan yleensä toteuttaa toimivasti monella eri tavalla, mutta toimiva toteutus ei aina takaa, että ohjelmisto on myös toteutettu laadukkaasti. Laadun takeena onkin huolella ja taidolla suunniteltu arkkitehtuuri. Ohjelmistoarkkitehtuurin suunnittelu on haastavaa. Suunnitelmaa tehdessä tulee ottaa huomioon monen eri sidosryhmän (esim. käyttäjä, toteuttaja, markkinoija) vaatimukset ja miettiä, miten mahdollisimman suuri osa vaatimuksista voidaan toteuttaa arkkitehtuurissa. Arkkitehtuurisuunnittelu vaatiikin kokeneen ohjelmistoarkkitehdin, joka on hankkinut tietotaitonsa vuosien ajalta eri ohjelmistoprojekteista. Kokemukseen perustuvan tiedon lisäksi ohjelmistoarkkitehtuurisuunnittelun käytäntöjä on koottu eräänlaisiksi katalogeiksi, joissa esitellään hyväksi havaittuja ratkaisuja, ns. suunnittelutyylejä ja -malleja, yleisiin arkkitehtuurisuunnitteluongelmiin. Voidaankin ajatella, että arkkitehtuuri tuotetaan etsimällä (kokemukseen nojaten) paras mahdollinen kombinaatio suunnittelumalleja ja -tyylejä. Arkkitehtuurin suunnittelu onkin siis eräänlainen optimointiongelma. Ohjelmistoista tulee jatkuvasti yhä monimutkaisempia. Sovelluksien monimutkaistuessa myös arkkitehtuurisuunnittelu muuttuu entistä vaikeammaksi ja vie yhä enemmän aikaa. Suunnittelun perustuminen hiljaiseen tietoon ja arkkitehtien kokemukseen tekee prosessista yhä hitaamman ja läpinäkymättömämmän. Arkkitehtuurisuunnittelun automatisointi toisikin suuria säästöjä. Henkilöstövaihdosten yhteydessä ei myöskään tarvitsisi pelätä tietotaidon katoamista, kun arkkitehtuurisuunnittelu olisi helposti toistettavissa aina alusta lähtien. Tässä väitöskirjassa on tutkittu, miten parhaan mahdollisen ratkaisun etsintäprosessin (eli suunnittelumallien ja -tyylien soveltamisen) voisi automatisoida. Monimutkaisissa optimointiongelmissa käytetään etsintäalgoritmeja, jotka haravoivat hakuavaruutta jollain satunnaistetulla menetelmällä. Yksi suosituimmista etsintäalgoritmeista on geneettinen algoritmi. Geneettiset algoritmit tarkastelevat aina pientä ratkaisujoukkoa kerrallaan ja etsivät parasta ratkaisua yhdistelemällä osia löydetyistä ratkaisuista sekä muuntelemalla ratkaisuja. Jokaiselle ratkaisulle lasketaan laatuarvo, ja luonnonvalintaa jäljitellen jatketaan parhaiden vaihtoehtojen tarkastelua sekä kehittelyä ja hylätään huonoimmat ratkaisut. Etsintäalgoritmien käyttämistä ohjelmistokehityksen ongelmiin, esim. ohjelmistosuunnitteluun, testaukseen ja projektinhallintaan, kutsutaan etsintäperustaiseksi ohjelmistokehitykseksi. Väitöskirja kuuluu etsintäperustaisen ohjelmistosuunnittelun alaan, ja siinä tutkitaan ns. ohjelmistoarkkitehtuurisynteesiä geneettisten algoritmien avulla. Ohjelmistoarkkitehtuurisynteesi lähtee ns. nolla-arkkitehtuurista , joka toteuttaa järjestelmän toiminnalliset vaatimukset, mutta ei ota kantaa laatuvaatimuksiin. Laatua pyritään parantamaan lisäämällä lähtöarkkitehtuuriin suunnittelutyylejä ja -malleja. Väitöskirjassa laatuarviointiin on käytetty muunneltavuutta, tehokkuutta ja ymmärrettävyyttä. Lopputuloksena saadaan ehdotus arkkitehtuurista, joka toteuttaa toiminnalliset vaatimukset ja on myös laadukas. Geneettisiä algoritmeja ei ole aiemmin sovellettu vastaavantasoisiin suunnitteluongelmiin, joten toteutuksessa on kehitetty uusi tapa mallintaa arkkitehtuuri geneettiselle algoritmille sekä laskukaava arkkitehtuurin laadulle. Perustoteutuksen lisäksi myös geneettisen algoritmin eri ominaisuuksia, ns. risteytysoperaatiota ja laatufunktiota on tutkittu tarkemmin, ja niille on kehitetty vaihtoehtoisia toteutuksia. Tapaustarkasteluista saadut tulokset osoittavat, että tällä hetkellä geneettisiin algoritmeihin perustuvaa arkkitehtuurisynteesi tuottaa suunnilleen samantasoisia ratkaisuja kuin kolmannen vuosikurssin ohjelmistotekniikan opiskelija.This thesis presents an approach for synthesizing software architectures with genetic algorithms. Previously in the literature, genetic algorithms have been mostly used to improve existing architectures. The method presented here, however, focuses on upstream design. The chosen genetic construction of software architectures is based on a model which contains information on functional requirements only. Architecture styles and design patterns are used to transform the initial high-level model to a more detailed design. Quality attributes, here modifiability, efficiency and complexity, are encoded in the algorithm s fitness function for evaluating the produced solutions. The final solution is given as a UML class diagram. While the main contribution is introducing the method for architecture synthesis, basic tool support for the implementation is also presented. Two case studies are used for evaluation. One case study uses the sketch for an electronic home control system, which is a typical embedded system. The other case study is based on a robot war game simulator, which is a typical framework system. Evaluation is mostly based on fitness graphs and (subjective) evaluation of produced class diagrams. In addition to the basic approach, variations and extensions regarding crossover and fitness function have been made. While the standard algorithm uses a random crossover, asexual reproduction and complementary crossover are also studied. Asexual crossover corresponds to real-life design situations, where two architectures are rarely combined. Complementary crossover, in turn, attempts to purposefully combine good parts of two architectures. The fitness function is extended with the option to include modifiability scenarios, which enables more targeted design decisions as critical parts of the architecture can be evaluated individually. In order to achieve a wider range of solutions that answer to competing quality demands, a multi-objective approach using Pareto optimality is given as an alternative for the single weighted fitness function. The multi-objective approach evaluates modifiability and efficiency, and gives as output the class diagrams of the whole Pareto front of the last generation. Thus, extremes for both quality attributes as well as solutions in the middle ground can be compared. An experimental study is also conducted where independent experts evaluate produced solutions for the electronic home control. Results show that genetic software architecture synthesis is indeed feasible, and the quality of solutions at this stage is roughly at the level of third year software engineering students