.NET: Service Oriented Architecture (SOA)

Service Oriented Architecture (SOA) - это новая парадигма проектирования распределенных интегрированных систем. Согласно SOA любые части информационных систем имеющие функциональность рассматриваются как службы (service providers, провайдеры служб), которые предоставляют свою функциональность другим частям системы посредством вызовов их функций. Службы являются компонентами, которые могут быть найдены и вызваны через локальную сеть или Internet. При этом различные службы могут организовываться (orchestrate) для совместного выполнения определенной задачи. SOA обеспечивает концептуальные архитектурные шаблоны и платформы для таких систем. Обычно архитектура таких систем и потоки данных в них близки к структуре бизнес-подразделений, использующих их, и взаимодействий между ними. В некоторой степени происходит соединение информационных технологий и бизнес-процессов на концептуальном уровне. Такое слияние положительно влияет на понимание информационных систем представителями бизнеса (концепция службы более наглядна чем термины "репликация", или "удаленный вызов процедуры"), и на понимание бизнес-процессов разработчиками системы. В качестве платформы для SOA-приложений обычно используются web-службы. Однако, не все информационные системы, построенные на основе web-служб, соответствуют SOA, и SOA не обязательно должна базироваться на технологии web-служб. Концепция SOA впервые была описана в 1996 году, но только в последние годы на волне интереса к web-службам стала широко известной. К этой волне популярности приложило руку и Microsoft - в 1999 году Steve Ballmer озвучил концепцию "software as service", получившую свое воплощение в технологии .NET и web-службах. Поддержка web-служб встраивается во многие продукты Microsoft - BizTalk Server, MapPoint Server, SQL Server 2005 (Yukon), Office 2003.

Don Box - один из архитекторов новой инфраструктуры Microsoft для межпрограммного обмена сообщениями Indigo выделил 4 основных принципа SOA:

Явные границы служб. Для каждой части системы, для всех подсистем и компонент из которой она состоит, можно однозначно сказать где она находится - вне службы или внутри определенной службы. Это связанно с тем, что системы, построенные по SOA, состоят из служб, которые часто разделены большими расстояниями, работающими на разных платформах и имеющими различные средства обеспечения безопасности. Обмен сообщениями между различными частями таких систем имеет существенные накладные расходы. Поэтому, SOА основано на модели явного обмена сообщениями, а не на модели неявного вызова методов (как в DCOM). Явные границы служб обеспечивают автономность служб и независимость от реализации.
Автономность служб . Каждая служба работает в собственной программной среде, на собственной ОС, реализована на определенном языке программирования и от этих факторов не зависит работа других частей системы, которые использую службу. Она ведет себя как независимый объект, обладающей собственным поведением, способный на взаимодействия с другими независимыми объектами. Поэтому реализация любой службы или же ее расположение в системе может изменена без нарушения общей работы системы. В систему можно добавлять новые службы или удалять существующие - это тоже не должно сказываться на работе системы. Автономность служб подразумевает что любой вызов службы может окончится неудачей, поэтому любой вызов службы должен обеспечиваться корректной обработкой ошибок. Открытая архитектура SOA предоставляет более широкие возможности для злоумышленников по взлому систем. Согласно принципу автономности службы сами должны заботиться об аутентификации, авторизации и безопасности. Поэтому особое внимание при проектировании служб должно уделяться безопасности.
Службы описывают свой контракт и схемы сообщений, но не реализацию. Клиенты службы знают ее контракт (сигнатуры методов и их метаданные) и схемы данных, которые описывают сообщения службы и используемые данные. Информация о том, как реализована служба, ее клиентам не доступна и не нужна. Так же формальное описание контракта и схемы с помощью политик (policy) позволяет службам осуществлять проверку входящих сообщений. Как и в случае использования компонент (например, COM), так же имеющих контракт, особую значимость для работоспособности системы в целом имеет устойчивать контрактов.
Совместимость служб основана на политиках (policy). Применение технологий, таких как WS-Policy, предоставляют декларативные и программные способы описания политик. Политики применяются как для служб, так и для клиентских приложений. Примером политики может быть требование на шифрование обмениваемых данных.

SOA является очередным этапом в архитектуры программного обеспечения. Решая вопросы повышения сложности разрабатываемых систем, обеспечения большей гибкости решений, работы в гетерогенных средах, снижения расходов на разработку и сопровождения, лучшего соответствия потребностям бизнеса за 30 лет произошел переход от монолитных приложений, работающих на мейнфреймах, до распределенных слабосвязанных систем с работающих на стандартизированных кросплатформенных протоколах.

Этапы развития архитектуры программного обеспечения

Объектно-ориентированное программирование играет важную роль при разработке SO систем для разработки самих служб и их клиентов, но не систем целиком. Чем же не устраивает объектно-ориентированная архитектура при разработке больших распределенных информационных систем? Ее существенными ограничениями являются

низкая абстрактность моделей, получаемых в ходе объектно-ориентированного анализа и проектирования. При проектировании больших систем мышление в рамках объектов и связей между ними из-за большой детализации равносильно попытке спроектировать компьютер, оперируя только на уровне транзисторов и диодов
ограничения, накладываемые платформами и компиляторами, что затрудняет разработку приложений для гетерогенных сред
отсутствие встроенных средств безопасности

    Архитектура, основанная на компонентах, (CORBA, COM/DCOM) сняло часть проблем - снизило степень детализации и улучшило ситуацию с повторным использованием компонент. Компонентные технологии обеспечивали языки описания интерфейсов (к примеру, IDL) и средства для локального и удаленного вызова компонент.
    SOA позволяет проектировать и создавать приложения, предоставляющие другим приложениям удаленно вызывать их методы через опубликованные интерфейсы, и возможность найти эти службы и описания интерфейсов. На схемы на примере web-служб видно 3 основные роли в SOA - службы (service providers), клиенты служб (service consumers) и брокеры (brokers). Доступ к службам происходит через сеть по стандартным протоколам. Сами службы описываются на стандартном языке (контракт службы) и публикуют эту информацию при помощи брокера. Службы разделяют свой интерфейс и его реализацию. Для вызова службы клиентскому приложению нужно только описание интерфейса службы - информация же о реализации службы не нужна клиентам. Реализация службы может меняться, не затрагивая клиентов и без необходимости предоставлять клиентам новую версию описания службы - в этом и проявляется низкая связанность частей системы (loose coupling). Другим преимуществом разделения интерфейса и реализации является возможность выбора клиентом службы из нескольких служб с одинаковым интерфейсом путем простого указания адреса нужной службы. В этом скрыта возможность для расширения и масштабирования системы после ее создания. В систему можно добавлять новые службы или новых клиентов служб не нарушая уже существующую функциональность. Причем для добавления добавления новой функциональности к системе не нужно иметь доступ к ее исходному коду. Для обеспечения такой независимости от реализации при использовании web-служб нужно избегать использования типов данных, привязанных к определенной технологии (например, вместо типизированных DataSet платформы Microsoft .NET использовать сущностные классы или специально созданные объекты переноса данных (DTO)) и расширений WS-*, пока имеющих различия реализаций на разных платформах.
    Брокеры хранят информацию о службах и предоставляют эту информацию клиентам.
    Web-службы являются наилучшей технологией, на котором основывается SOA. Поиск web-служб происходит в UDDI-каталоге, интерфейс службы описан на WSDL, а вызов происходит по протоколу  SOAP. Так как web-службы базируются на стандартизированных технологиях, они работают в кросс-плафторменных средах и не зависят от языка реализации.

Характеристики service oriented architecture. Информационные системы, построенные согласно SOA, обладают следующими характеристиками:

основанность на индустриальных стандартах. SOA использует технологии, разработанные совместно Microsoft, IBM, SUN, BEA, Oracle, W3C. Это освобождает от привязки к конкретной платформе или поставщику программных продуктов. Различные части системы могут быть разработаны на различных языках программирования и работать на разных платформах
низкая связанность (loose coupling) частей системы. Клиенты в SOA системах могут разрабатываться в полной независимости от служб, используя только их опубликованный интерфейс. Из-за разделения интерфейса и реализации служб клиентские приложения подключаются к службам с помощью позднего связывания (late binding). Низкая связанность обеспечивает лучшую способность систем к их расширяемости: изменения в функциональности в службе не должно затрагивать клиентов, а при добавлении новых типов данных средства разработки берут на себя часть работы. Низкая связанность также способствует инкрементному и итеративному подходу к разработки ПО, из-за отсутствия трудностей реализации функцинольности службы за несколько итераций
повторная используемость служб. Службы намного легче использовать повторно в реальных условиях и при решении реальных бизнес-задач чем классы или компоненты. Легкость использования обеспечивается возможностью поиска и доступностью службы, не имеющая пространственные ограничения, посредством вызова через сеть
синхронные и асинхронные вызовы службы. Службы поддерживают как синхронные вызовы методов службы, когда клиент получаем от службы ответ, так и асинхронные вызовы, способные пересылать большие объемы информации и увеличивающие масштабируемость системы.

Типы служб. Службы на основе их функциональности можно условно поделить на пять типов:

службы доступа к данным, предоставляющие чтение и изменение данных (CRUD-функции). Они скрывают реализацию доступа к реальным источникам данных и предоставляют единый унифицированный интерфейс для доступа к данным вне зависимости от количества и вида используемых источников данных. Для обмена данными могут использоваться специально созданные сущностные объекты, XML данные или же объекты, инкапсулирующие таблицы БД (например, объекты DataSet платформы .NET). Этот вид служб SOA самый легкий в реализации и чаще всего используется в приложениях
службы бизнес-логики содержат функциональность, используемую для выполнения различных бизнес-операций (например, оформление заявки на слад или формирование отчета по уровню продаж). В ходе выполнения бизнес-операций обычно вызываются методы других служб (к примеру, служб доступа к данным для получения списка проданных товаров за последнюю неделю)
компоненты внешних приложений, вызываемые через их собственные интерфейсы (например, COM или DCOM). Примером такого приложения может быть CRM система, хранящая данные о покупателях и предоставляющая доступ к этим данным через COM
низкоуровневые вспомогательные службы отвечают за аутентификацию и авторизацию, мониторинг, поиск служб, регистрацию ошибок, вспомогательные функции, используемые в других службах. Часто их называют общие службы (common services) или службы инфраструктуры предприятия (interprise infrastructure services)
составные службы, делегирующие работу остальным типам служб и координирующие их действия. Они интегрируют остальные службы системы и выполняют контроль за транзакциями и преобразование потока данных от одних служб к другим путем конвертации в нужные форматы

Степень детализации служб (service granularity). Детализация служб относится к масштабу функциональности, предоставляемой службой. На основе функциональности по количеству данных, получаемых и отправляемых службой, можно разделить их на службы с мелкой детализацией (fine-grained), грубой детализацией (coarse-grained) и композитные (composite).
    Службы с мелкой детализацией осуществляют прием и отсылку данных небольшими порциями информации и и на каждую их функцию приходится небольшое количество функциональность. Дополнительно может возникнуть необхоимость сохранения с состояния службы между ее вызовами.
    При грубой детализации происходит обмен большими порциями информации и каждая функция реализуют б о льшую функциональность. При этом передаваемые данных часто имеют составную структуру и используются специально созданные объекты переноса данных (data transfer objects).
    Функции с мелкой детализацией обычно вызываются не реальными приложениями, а другими службами - композитными или с грубой детализацией, использующими высокосоростные сетевые соединения. При вызове служб с мелкой детализацией напрямую клиентскими приложениями из-за большого количества обмениваемых сообщений (особенно при низкой скоростью соединения) суммарное время вызова функций возрастает из-за накладных расходов.
     Композитные службы используют для своей работы службы с мелкой и грубой детализацией, делегируя им реальную работу и осуществляя контролирующую функцию и сбор информации.
    Microsoft Indigo. Новая версия операционной системы Windows "Longhorn" будет включать в себя инфраструктуру для разработки распределенных систем под кодовым названием "Indigo", основанная на .NET. Indigo предоставляет общую программную модель для использования web-служб, .NET remoting, System.Messaging и .NET Enterprise Services. Indigo входит в состав WinFX (новой программной моделью Windows) и будет поставлятся так же и для операционных систем Windows XP и Windows 2003. Основными подсистемами Indigo являются сервисная модель, коннектор, хостинговое окружение и службы.

Архитектура Indigo

     Сервисная модель Indigo отвечает за связывание кода, отвечающего за обработку сообщений, и приходящих сообщений. На нее возложены функции поддержки транзакций, обеспечения безопасности передачи сообщений и их гарантированную доставку. Для упрощения разработки активно применяется декларативный подход.
     Коннектор обеспечивает соединение между службами, основанное на SOAP и метаданных служб. Скрывая детали реализации и оперируя такими понятиями как порт, канал и сообщение он позволяет создавать высокопроизводительные приложения, независящие от транспортных протоколов, обеспечивающие безопасность, регулирование нагрузки и надежность передачи сообщений и способных настраиваться на различные конфигурации сетей (SSL, прокси-серверы, файрволы и пр.). Для этого в коннектор входит кодировщик, конвертирующий сообщения в данные, передаваемые по конкретному транспортному протоколу, и обратно. Для гарантированной доставки сообщений можно применять одну из двух моделей гарантированной доставки: экспресс, при которой в памяти содержится буфер сообщений, доставка которых еще не подтверждена, и надежный, при котором этот буфер находится на жестком диске.
    Хостинговое окружение. Сервисная модель Indigo и коннектор могут быть загружены в любой домен приложения. Окружение хостнига было разработано для использования Indigo в максимально большом количестве систем хостинга (dllhost.exe, svchost.exe, IIS и пр.).
     Системные службы и службы сообщений. Для обеспечения функциональности служб Indigo использует специальные службы. В качестве пример системных служб можно привести службы для обеспечения транзакций. Службы сообщений обеспечивают расширенную функциональность для очередей сообщений и поддержку событий.
     Как мы видим все подсистемы можно поделить на 2 уровня - на высокоуровневые слой, имеющий удобный для разработки приложений интерфейс, и низкоуровневый слой, обеспечивающий б о льшую производительность и контроль над тонкостями реализации.
    Indigo позволяет создавать службы двух видов: web-службы и RemoteObject службы. Web-службы в Indigo представляют собой традиционные asmx службы ASP.NET, соответствующие SOAP 1.2 и дополненные расширенными возможностями: поддержкой распределенных транзакций, гарантированной доставкой сообщений, поддержкой web-serivce farms для увеличения масштабируемости и возможностью обмена сообщениями между службами и клиентами в обоих направлениях.
    Службы RemoteObject являются улучшенной версией .NET remoting, позволяющей создавать экземпляры удаленных объектов или удаленно вызывать их методы. Обновления и улучшения коснулись улучшенной поддержки SOAP, импорта и экспорта метаданных, аутентификации, шифрования, распределенных транзакций и автоматической активации.