Domänengetriebener Entwurf von ressourcenorientierten Microservices

284 Pages·2017·4.99 MB·German

by  Pascal Giessler

Domänengetriebener Entwurf
von ressourcenorientierten
Microservices
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
der KIT-Fakultät für Informatik
des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
genehmigte
Dissertation
von
Pascal Giessler
aus Lahr/Schwarzwald
Tag der mündlichen Prüfung: 04.05.2018
Erster Gutachter: Prof. Dr. Sebastian Abeck
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Ralf Reussner

„Yousimplyhavetoputonefootinfrontoftheotherand
keepgoing.Putblindersonandplowrightahead.“
—GeorgeLucas
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als akademischer Mitarbeiter in der
ForschungsgruppeCooperation&Management(C&M)derFakultätfürInformatikamKarlsruher
InstitutfürTechnologie(KIT),derhauptberuflichenTätigkeitalsSoftware-Ingenieurbeideriteratec
GmbHsowiemeinerletztlichenTätigkeitalsEntwicklungsleiterinderDigitalagenturSYNDIKAT7
GmbH(ehemalsZWEI14DigitalGmbH).AndieserStellemöchteichdieGelegenheitnutzen,mich
beiallenPersonenganzherzlichzubedanken,diemichwährenddieserZeitunterstützthaben.
ZunächstmöchteichmichbeimeinemDoktorvater,HerrnProf.Dr.SebastianAbeck,fürdieBetreu-
ungganzherzlichbedanken.DiegeführtenDiskussionenhabenmirdabeigeholfenmeineFragestel-
lungenundsodieAusrichtungmeinerArbeitsowiedieeinzelnenForschungsbeiträgeentscheidend
zuschärfen.DarüberhinauskonnteichstetsaufseineUnterstützungsowohlinfachlichenalsauch
persönlichenFragestellungensetzen.WeiterbedankeichmichfürseinentgegengebrachtesVertrauen
beiderBetreuungvonStudierendensowiedemHaltenvonVorlesungseinheiten.Danebengiltmein
DankHerrnProf.Dr.RalfReussner,derdieRolledesKorreferenteneinnahmundmirdabeigeholfen
hatderArbeitdenletztenFeinschliffzugeben.
DarüberhinausgiltmeinDankmeinenakademischenKollegenBenjaminHippchen,PhilipHoyer,
MichaelSchneiderundRolandSteineggerbeiC&M.OhnedasharmonischeZusammenarbeitenund
dasfreundschaftlicheVerhältnisauchaußerhalbdesInstitutswäredaseffizienteundzielgerichtete
wissenschaftlicheArbeitenindieserFormnichtmöglichgewesen.
AndieserStellemöchteichmichauchbeiallenStudierendenbedanken,dieichindieserZeitbetreut
habe.InZusammenarbeitwurdenneueIdeengeneriertundderenTauglichkeiterprobt,dieletztlichals
GrundlagefüreinigeAnsätzedieserArbeitdienten.Hiermöchteichmichinsbesonderebeimeinen
Masterandenbedanken:PascalBurkhardt,DannyForscher,GiullianFranke,ManuelGerster,Dimitrij
SarancinundNilsSommer.
Weiter gilt mein Dank meinen ehemaligen Arbeitskollegen bei der iteratec GmbH. Hervorheben
möchte ich an dieser Stelle Heiko Schrader, Geschäftsführer der iteratec GmbH in Stuttgart, der
mir in dieser Zeit zahlreiche Einblicke in verschiedene Bereiche der Industrie ermöglicht hat. Ein
besondererDankgiltDr.MichaelGebhart,derwährendmeinergesamtenPromotionszeitundauch
nachAusscheidenbeideriteratecGmbHalsFreundundehemaligerBetreuermeinerMasterarbeit
stetseinoffenesOhrfürmichhatteundmirwertvolleRatschlägegegebenhat.Auchdasgemeinsame
wissenschaftlichePublizierenhatmirstetsvielVergnügenbereitet.
DanebenmöchteichmichbeimeinenArbeitskollegenbeiderSYNDIKAT7GmbHfürihrVerständnis
voralleminderSchlussphasemeinerArbeitbedanken.BesondershervorhebenmöchteichhierMario
Beiser,dermiralsFreund,MentorundGeschäftsführerbeiderSYNDIKAT7GmbHstetsdenRücken
gestärktundmichunterstützthatsowiemirdennotwendigenFreiraumzurVerwirklichungmeiner
Zielegegebenhat.
AbschließendgiltmeinbesondererDankmeinerFamilieinsbesonderemeinerEltern,diemichdurch
dasgesamteStudiumbegleitethaben.DanebenbedankemichbeimeinerLebensgefährtin,diemirin
dieserZeitzurSeitestandundmirunglaublicheKraftsowieVerständnisentgegengebrachthat.Auch
gilt mein Dank der Familie Rein, Schies, Schnell und Wilbois. Sie alle haben mir die notwendige
KraftundDurchhaltevermögengegebenundmichbedingungslosinjederSituationunterstützt.
PascalGiessler
Karlsruhe,Juni2018

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 EinordnungderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 BetrachtetesSzenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Problemstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 ZielsetzungenundBeiträgedieserArbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 PrämissenderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 StrukturundAufbauderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Grundlagen 17
2.1 MicroserviceundMicroservice-Architekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 BegrifflichkeiteinesMicroservice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 Microservice-Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 DomänengetriebenerEntwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 Domäne,DomänenmodellundBoundedContext . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 GrundsätzlichesVorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.3 Domänenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.4 ArchitekturelleSichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Web-API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 DefinitionundBedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2 QualitätsmerkmalevonWeb-APIs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Qualitätsaspekte/-indikatorenvonWeb-APIs . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.4 REST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.5 SpezifikationvonressourcenorientiertenWeb-APIs . . . . . . . . . . . . . . 37
3 Stand der Forschung 39
3.1 Anforderungen an einen domänengetriebenen Entwurf von ressourcenorientierten
Microservices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 BeschreibungderAnforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.2 Anforderungskatalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 BewertungbestehenderArbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 Rossi:UML-basedModel-DrivenRESTAPIDevelopment . . . . . . . . . . 42
I
Inhaltsverzeichnis
3.2.2 Pautassoetal.:APatternLanguageforRESTfulConversations . . . . . . . 45
3.2.3 Ed-Douibietal.:EMF-REST:GenerationofRESTfulAPIsfromModels . . 47
3.2.4 Hauptetal.:AConversationbasedApproachforModelingRESTAPIs . . . 49
3.2.5 Rathodetal.:StructuralandBehavioralmodelingofRESTfulWebService
InterfaceusingUML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.6 Schreier:ModelingRESTfulApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.7 Laitkorpi et al.: Towards a Model-Driven Process for Designing RESTful
WebServices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3 ZusammenfassungundresultierenderHandlungsbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4 Domänengetriebener Entwurfsprozess 63
4.1 ÜberblicküberdendomänengetriebenenEntwurfsprozess . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.1 EinordnungineinenetabliertenEntwicklungsprozess . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.2 RollenimEntwicklungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.3 AktivitätenimEntwurfsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2 ZugrundeliegendeModellierungsartefaktedesEntwurfsprozesses . . . . . . . . . . . 73
4.2.1 ModellierungvonstrukturellenAspekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.2 ModellierungvonverhaltensspezifischenAspekten . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3 BetrachtetesSzenariozurDemonstrationdesdomänengetriebenenEntwurfsansatzes 84
4.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5 Ressourcenorientierter Entwurf von Microservices 89
5.1 IdentifikationvonRessourcen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.1.1 KategorisierungvonRessourcenmittelsRessourcenarten . . . . . . . . . . . 91
5.1.2 IdentifikationderrelevantenModellierungsartefakte . . . . . . . . . . . . . 93
5.1.3 AbleitungderRessourcenartenausModellierungsartefakten . . . . . . . . . 94
5.2 AbleitungderAdressierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.1 BestehendeAnsätzezurAdressierungvonRessourcen . . . . . . . . . . . . 101
5.2.2 FestlegenvonHeuristikenundAbleitungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.3 AbleitungderURI-Hierarchie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3 InteraktionmitRessourcen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3.1 InterneundexterneEinflussfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3.2 MustersprachefürressourcenorientierteInteraktionen . . . . . . . . . . . . 108
5.3.3 AnwendungderMusterspracheaufdasRessourcenmodell . . . . . . . . . . 117
5.4 FestlegungvonRepräsentationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.4.1 AuswahleinesgeeignetenMedientyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.4.2 AbleitungvonSchematafürRepräsentationen. . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.4.3 KontextunabhängigeRepräsentationfürauftretendeFehler . . . . . . . . . . 125
II
Inhaltsverzeichnis
5.5 ErgänzungumeineVersionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.5.1 Abwärts-undnichtabwärtskompatibleÄnderungen . . . . . . . . . . . . . 127
5.5.2 VorgehenbeiÄnderungenanderWeb-API . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6 Überführung des Entwurfs auf die Implementierungsebene 135
6.1 VerknüpfungmiteinemAnwendungsschichtprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.2 AbleitungeinerWeb-API-Spezifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.2.1 ÜberführungvonMeta-Informationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2.2 ÜberführungvonwiederverwendbarenKomponenten . . . . . . . . . . . . . 139
6.2.3 ÜberführungvonInteraktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.2.4 ZusammenfassungundAbbildungvonweiteremWissen . . . . . . . . . . . 144
6.3 QualitätssicherndeMaßnahmenderWeb-API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.4 ÜberführungaufdieImplementierungsebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.4.1 GrundsätzlicheStrukturierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.4.2 ÜberführungdereinzelnenSchichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.5 Microservice-ArchitekturnachdemdomänengetriebenenEntwurfsansatz . . . . . . 157
6.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7 Validierung der Beiträge 163
7.1 EmpirischeValidierungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.2 GegenstandderValidierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.3 BedrohungundEinschränkungderValidität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.4 EvaluationderMachbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.5 ExperimenteimRahmenderTypI-Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.5.1 BedrohungderValiditätundEinschränkungderValidität . . . . . . . . . . . 173
7.5.2 ZusammenfassungderErgebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.6 DurchgeführteStudienimindustriellenKontext . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.6.1 Studie1:EntwurfeinesHealth-MicroservicealsBestandteilderCTS-Domäne175
7.6.2 Studie2:EntwurfeinerMicroservice-ArchitekturfürBeweglichkeitstrainings 183
7.6.3 Studie 3: Entwurf und Entwicklung einer Anwendung zur Erfassung von
StörungeninderProduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.6.4 BedrohungderValiditätundEinschränkungderValidierung . . . . . . . . . 193
7.6.5 ZusammenfassungderErgebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.7 ZusammenfassungderValidierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8 Fazit und Ausblick 197
8.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.1.1 BeiträgedieserArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
III
Inhaltsverzeichnis
8.1.2 ResultierendeVorzügedieserArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
9 Anhang 207
A Ergänzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
A.1 VergleichvonREpresentationalStateTransfer(REST)undWS* . . . . . . . 207
A.2 NachteilevonmonolithischeArchitekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
A.3 QualitätsmerkmaleeinesMicroservice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
A.4 UML-DiagrammtypenzurAbbildungvonVerhalten . . . . . . . . . . . . . 212
A.5 BehandlungvongeteiltenDomänenobjektenaufRessourcenebene . . . . . . 212
A.6 Musterbeschreibungsvorlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
A.7 MusterzurInteraktionmitRessourcen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
A.8 JSON-SchemafürdenAufbaueinerFehlermeldung . . . . . . . . . . . . . 227
A.9 MusterzurVersionierungeinerWeb-API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
A.10 BeispielhafteAnwendungderbenötigtenInteraktionsmusterfüreinenService-
Konsumenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
A.11 AufbaueinerOAI-Spezifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
A.12 ScreenshotsvonFIVEtouch,FIVEflowundderAnwendungzurErfassung
vonStörungeninderProduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
A.13 BewertungsbogenfürdieempirischeStudieimIndustriekontext . . . . . . . 235
B Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
C Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
D Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
E Quelltextverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
F Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
IV