Eure Sprints sind schnell... Aber kann euer System skalieren?

Ihr habt Agile und Scrum gelernt:

• Veränderungen durch kurze Iterationszyklen annehmen
• Funktionierende Software alle 1-4 Wochen liefern
• Arbeit mit GitHub Issues und Projects verfolgen

Euer Road Profile Viewer funktioniert super! CI ist grün. Product Owner ist zufrieden.

Dann fragt der Stakeholder:

"Können wir das für 1.000 gleichzeitige Nutzer in drei europäischen Büros bereitstellen?"

Das Problem: Architektur vs. Agilität

Plötzlich wird euch klar:

• Eure Dash-App läuft auf einem einzigen Laptop
• SQLite kann keine gleichzeitigen Schreibzugriffe von mehreren Standorten verarbeiten
• Die gesamte Anwendung ist ein Python-Prozess
• Es gibt keine Möglichkeit, Komponenten unabhängig zu skalieren

Der agile Prozess funktioniert. Die Architektur nicht.

Praxisbeispiel: Twitters Fail Whale

Twitter 2008-2010: Die monolithische Ruby on Rails-Anwendung konnte das explosive Nutzerwachstum nicht bewältigen.

Lektion: Auch erfolgreiche Produkte scheitern ohne skalierbare Architektur.

Was ist Software-Architektur?

Software-Architektur beschreibt, wie ein System als Menge kommunizierender Komponenten organisiert ist und wie sich diese Komponenten verhalten und interagieren.

Architektur beantwortet:

• Wie werden Verantwortlichkeiten auf Komponenten verteilt?
• Wie kommunizieren Komponenten miteinander?
• Wie wird das System auf Hardware verteilt?
• Was passiert, wenn eine Komponente ausfällt?

Die Brücke: Agile trifft Architektur

Beides muss zusammenarbeiten. Agile Architektur entwickelt sich durch iterative Verfeinerung — genug Entscheidungen treffen um zu starten, dann verfeinern während man lernt.

Lernziele

Am Ende dieser Vorlesung (Teil 1) werdet ihr in der Lage sein:

1. Motivation und Ziele für Architekturentwurf zu benennen — warum Architektur wichtig ist und was ein Architekturmodell ermöglicht

2. Die Abhängigkeit zwischen Systemstruktur und nicht-funktionalen Anforderungen zu erklären — wie Performance, Sicherheit und Wartbarkeit Entscheidungen beeinflussen

3. Das 4+1-Sichtenmodell anzuwenden um ein System aus mehreren Perspektiven zu beschreiben — Logisch, Prozess, Entwicklung, Physisch und Szenarien

Architektur als kreativer Prozess

Anders als Algorithmen mit beweisbar optimalen Lösungen beinhaltet Architektur Trade-offs, die abhängen von:

• Systemtyp: Echtzeit-Embedded ≠ Webanwendung
• Architekt-Erfahrung: Was bei ähnlichen Systemen funktioniert hat (und gescheitert ist)
• Spezifische Anforderungen: Die einzigartigen Einschränkungen eures Projekts

"Es gibt keinen formelhaften Architekturentwurfsprozess."
— Sommerville, Software Engineering

Denkt an Architekturentwurf als eine Reihe von zu treffenden Entscheidungen.

Zentrale Entwurfsfragen

Think-Pair-Share: Road Profile Viewer

Hinweis: MVC und Schichtenarchitektur werden in Teil 2 ausführlich erklärt.

Diskutiert mit eurem Nachbarn: Was würde sich bei 1.000 Nutzern ändern?

Nicht-funktionale Anforderungen bestimmen die Architektur

Architekturentscheidungen hängen stark von nicht-funktionalen Anforderungen ab und beeinflussen umgekehrt die nicht-funktionalen Eigenschaften des Systems.

Performance-orientierte Architektur

Wenn Performance das Hauptanliegen ist:

Trade-off: Performance-optimierte Architekturen opfern Modularität und Testbarkeit.

Echtzeitsysteme Beispiel

Beispiel: Autonomes Fahrzeug — Bremsen muss in < 1ms reagieren. HTTP-Microservices wären fatal!

Architektur autonomer Fahrzeuge

Sicherheitsorientierte Architektur

Defense in Depth: Mehrere Schutzschichten. Ein Angreifer muss ALLE Schichten durchbrechen.

Verfügbarkeitsorientierte Architektur

Verfügbarkeit = Wie oft euer System betriebsbereit ist.

Kernprinzip: Redundanz. Kein Single Point of Failure.

Datenbank-Failover-Muster

Bei Ausfall der Primären → Replikat kann befördert werden!

Netflix: Chaos Engineering

Netflix erfordert 99,99% Verfügbarkeit — nur 52 Minuten Ausfallzeit/Jahr.

Ihr Ansatz:

• Mehrere AWS-Regionen: Aktiv-Aktiv in US-East + US-West
• Chaos Monkey: Beendet zufällig Produktionsinstanzen
• Chaos Gorilla: Tötet ganze Availability Zones
• Chaos Kong: Simuliert kompletten Regionsausfall

"Wir konnten Teams um Infrastruktur-Resilienz ausrichten, indem wir Probleme isolierten und an ihre Grenzen trieben."

Trade-off: Hohe Verfügbarkeit = teuer (Redundanz kostet Geld).

Wartbarkeitsorientierte Architektur

80% der Softwarekosten sind Wartung, nicht Erstentwicklung.

Kernprinzip: Separation of Concerns

Single Responsibility Principle (SRP)

# ✓ GUT: Getrennte Verantwortlichkeiten
class ProfileRepository:    # Nur: Datenzugriff
    def get(self, id): ...
    def save(self, profile): ...

class ProfileService:       # Nur: Geschäftslogik
    def validate_and_save(self, profile):
        self._validate(profile)
        self.repository.save(profile)

def create_profile_chart(profile):  # Nur: Visualisierung
    fig, ax = plt.subplots()
    ax.plot(profile.distances, profile.elevations)
    return fig

Jedes Modul hat genau EINEN Grund sich zu ändern.

Dependency Injection: Schlüssel zur Testbarkeit

#  Schwer zu testen: Service erstellt eigene Abhängigkeiten
class ProfileService:
    def __init__(self):
        self.repository = ProfileRepository("production.db")  # Hardcoded!

# ✓ Einfach zu testen: Abhängigkeiten werden injiziert
class ProfileService:
    def __init__(self, repository: ProfileRepository):
        self.repository = repository  # Aufrufer entscheidet!

# In Tests:
mock_repo = MockProfileRepository()  # Fake, keine echte DB
service = ProfileService(mock_repo)

Trade-offs: Man kann nicht alles optimieren

Architekturziele stehen oft im Konflikt:

Umgang mit Trade-offs

1. Priorisieren: Welche NFRs sind für EUER System am wichtigsten?

2. Partitionieren: Verschiedene Architekturen für verschiedene Teile verwenden

• Performance-kritischer Kern + wartbare Plugins

3. Dokumentieren: Festhalten, WARUM ihr jeden Trade-off gemacht habt

Für Road Profile Viewer: Wartbarkeit und Einfachheit > Performance-Optimierung. Performance kann warten, bis ihr tatsächlich 1.000 Nutzer habt!

Kurze Umfrage: Eure Prioritäten

Welche NFR ist für eure Studentenprojekte am WICHTIGSTEN?

A) Performance — muss schnell sein
B) Sicherheit — muss Daten schützen
C) Verfügbarkeit — muss immer erreichbar sein
D) Wartbarkeit — muss einfach zu ändern sein

Diskutiert: Warum könnte die "richtige" Antwort für ein Startup vs. eine Bank vs. ein Spiel unterschiedlich sein?

Warum ein Diagramm nie ausreicht

Verschiedene Stakeholder brauchen verschiedene Informationen:

• Entwickler: Welche Klassen existieren? In welchen Paketen sind sie?
• Operations: Welche Server betreiben welche Dienste? Wie kommunizieren sie?
• Projektmanager: Welche Teams verantworten welche Komponenten?
• Sicherheitsprüfer: Wohin fließen sensible Daten?

"Es ist unmöglich, alle relevanten Informationen über die Architektur eines Systems in einem einzigen Diagramm darzustellen."
— Sommerville

Das 4+1-Sichtenmodell

4+1 Sichten Übersicht

Logische Sicht

Zeigt die Kernabstraktionen des Systems — die Domänenkonzepte.

Road Profile Viewer - Logische Sicht:

RoadProfile ←── ProfileRepository
     ↑
     └────── GeometryCalculator
     ↑
     └────── ChartBuilder

Kernkonzepte: RoadProfile (Daten), Repository (Speicherung), Calculator (Mathematik), Builder (Visualisierung)

Prozesssicht

Zeigt was zur Laufzeit passiert — Prozesse, Threads, Interaktionen.

Benutzer → DashApp → Callback → Datenbank
                        ↓
                  Chart generieren
                        ↓
             Aktualisierte Figur zurück
                        ↓
              Anzeige für Benutzer

Hilft bei der Analyse: "Jede Benutzerinteraktion löst eine DB-Abfrage aus — ist das ein Engpass?"

Entwicklungssicht

Zeigt wie Code in Pakete und Module organisiert ist.

road-profile-viewer/
├── src/
│   ├── models/           # Domänenmodelle
│   ├── repositories/     # Datenzugriff
│   ├── services/         # Geschäftslogik
│   └── presentation/     # Dash UI
├── tests/
└── pyproject.toml

Hilft bei der Koordination: "Anna arbeitet an services/, Ben arbeitet an presentation/."

Physische Sicht — Aktuell (Einfach)

Physische Sicht — Skaliert (Zukunft)

Szenarien: Das +1

Szenarien verbinden alle vier Sichten, indem sie eine Benutzeraktion nachverfolgen.

Szenario: Benutzer lädt ein neues Straßenprofil hoch

1. Physisch: Anfrage kommt am Load Balancer an → App Server 1
2. Prozess: Upload-Handler validiert, parst, ruft ProfileService auf
3. Logisch: ProfileService erstellt RoadProfile, validiert mit Pydantic
4. Entwicklung: Code in services/ ruft repositories/ auf
5. Physisch: Datenbankschreiben geht an PostgreSQL
6. Prozess: Antwort fließt zurück zum Browser des Benutzers

Schnelle Architekturdokumentation (Markdown)

Ihr braucht kein formales UML für ein Studentenprojekt!

ROAD PROFILE VIEWER ARCHITEKTUR

LOGISCHE SICHT: RoadProfile, ProfileRepository, GeometryCalculator
ENTWICKLUNGSSICHT: src/models/, src/services/, src/presentation/
PROZESSSICHT: Single-threaded Dash, Callbacks, synchrone DB-Abfragen
PHYSISCHE SICHT: Einzelrechner, SQLite, Port 8050

SCHLÜSSELSZENARIO: Profil anzeigen
Benutzer wählt → Callback → DB-Abfrage → Chart → UI-Update

UML: Formale Notation

UML (Unified Modeling Language) — standardisierte visuelle Notation.

Für jetzt: Einfaches Markdown + Mermaid-Diagramme sind ausreichend.

Zusammenfassung

Wichtigste Erkenntnisse

1. Architektur ist von Tag eins wichtig — auch kleine Projekte profitieren

2. NFRs formen die Architektur — Performance, Sicherheit, Wartbarkeit treiben Entscheidungen

3. Mehrere Sichten sind notwendig — kein einzelnes Diagramm erfasst alles

4. Trade-offs sind unvermeidlich — priorisiert basierend auf den Bedürfnissen eures Systems

5. Architektur ermöglicht Kommunikation — Diagramme helfen Stakeholdern zu verstehen

Reflexionsfragen

1. Aktuelle Architektur: Wie würdet ihr die Architektur eures Road Profile Viewers beschreiben? Welche Sichten könnt ihr identifizieren?

2. NFR-Prioritäten: Was sind die drei wichtigsten NFRs für euer Projekt? Wie beeinflussen diese eure Entscheidungen?

3. Trade-off-Szenario: Einfacher zu warten ODER schneller auszuführen — was würdet ihr wählen? Warum?

4. 4+1 Übung: Zeichnet ein einfaches Diagramm für jede der vier Sichten eures Projekts.

Was kommt als Nächstes: Teil 2

Demnächst: Architekturmuster

• MVC (Model-View-Controller) — Trennung von Concerns in interaktiven Apps
• Schichtenarchitektur — Präsentations-, Geschäfts-, Datenschichten
• Verteilte Muster — Client-Server, Microservices
• Muster auf Road Profile Viewer anwenden — euer Projekt weiterentwickeln

Ihr habt gelernt WARUM Architektur wichtig ist.
Jetzt lernt WIE man bewährte Muster anwendet.