THE IMPACT OF ARCHITECTURAL DESIGN ON SOFTWARE DEVELOPMENT

Tässä työssä tutkitaan ohjelmistoarkkitehtuurisuunnitteluominaisuuksien vaikutusta erään client-server –arkkitehtuuriin perustuvan mobiilipalvelusovelluksen suunnittelu- ja toteutusaikaan. Kyseinen tutkimus perustuu reaalielämän projektiin, jonka kvalitatiivinen analyysi paljasti arkkitehtuurikompponenttien välisten kytkentöjen merkittävästi vaikuttavan projektin työmäärään. Työn päätavoite oli kvantitatiivisesti tutkia yllä mainitun havainnon oikeellisuus. Tavoitteen saavuttamiseksi suunniteltiin ohjelmistoarkkitehtuurisuunnittelun mittaristo kuvaamaan kyseisen järjestelmän alijärjestelmien arkkitehtuuria ja luotiin kaksi suunniteltua mittaristoa käyttävää, työmäärää (komponentin suunnittelu-, toteutus- ja testausaikojen summa) arvioivaa mallia, joista toinen on lineaarinen ja toinen epälineaarinen. Näiden mallien kertoimet sovitettiin optimoimalla niiden arvot epälineaarista gloobaalioptimointimenetelmää, differentiaalievoluutioalgoritmia, käyttäen, niin että mallien antamat arvot vastasivat parhaiten mitattua työmäärää sekä kaikilla ominaisuuksilla eli attribuuteilla että vain osalla niistä (yksi jätettiin vuorotellen pois). Kun arkkitehtuurikompenttien väliset kytkennät jätettiin malleista pois, mitattujen ja arvoitujen työmäärien välinen ero (ilmaistuna virheenä) kasvoi eräässä tapauksessa 367 % entisestä tarkoittaen sitä, että näin muodostettu malli vastasi toteutusaikoja huonosti annetulla ainestolla. Tämä oli suurin havaitu virhe kaikkien poisjätettyjen ominaisuuksien kesken. Saadun tuloksen perusteella päätettiin, että kyseisen järjestelmän toteutusajat ovat vahvasti riippuvaisia kytkentöjen määrästä, ja näin ollen kytkentöjen määrä oli mitä todennäköisemmin kaikista tärkein työmäärään vaikuttava tekijä tutkitun järjestelmän arkkitehtuurisuunnittelussa.

Julkishallinnon sähköisten palveluiden arkkitehtuurit

Sähköinen asiointi on yleistynyt viime vuosien aikana nopeasti. Toimivia julkishallinnon sähköisiä palveluita kehitetään jatkuvasti yhä uusiin tarkoituksiin. Tällä hetkellä sähköisten palveluiden tarjontaa leimaa hajanaisuus. Jokainen palveluita tarjoava organisaatio kehittää palveluita itsenäisesti, omalla tavallaan. Palveluiden kehittäminen asiakaslähtöisesti edellyttää palvelukokonaisuuksien suunnittelua arkkitehtuuritasolla. Yksittäisten sovellusten kehittämisen lisäksi on huomioitava näiden sovellusten toimivuus yhteen, osana suurempaa kokonaisuutta. Palvelukeskeisessä arkkitehtuurisuunnittelussa lähtökohta on se, että jokainen yksittäinen sovellus on itsessään palvelu, joka tuottaa määritelmänsä mukaisen tulosteen sellaisessa muodossa, jota muut sovellukset kykenevät ymmärtämään. Työn tuloksena havaittiin, että vaikka sähköiselle hallinnolle on kehitetty useita viitearkkitehtuureja, on käytännön työ palveluiden integroimiseksi vielä kesken. Yksittäisten palveluiden liittäminen suuremmiksi kokonaisuuksiksi vaatii määrätietoista arkkitehtuurisuunnittelua sekä kansallista suunnittelun koordinointia. Tiedon jakaminen organisaatiorajojen yli muodostaa joukon kysymyksiä, joihin ei ole vielä vastausta. Tietosuojaa ja yksityisyyttä ei voida uhrata sähköistä hallintoa suunniteltaessa.

Toiminnanohjausjärjestelmä tarrapainolle

Tämä diplomityö on selostus tarraetikettejä valmistavalle yritykselle talon sisäisesti toteutetusta toiminnanohjausjärjestelmän kehitysprojektista. Projektissa luotiin ohjelmisto tukemaan yrityksen keskeisimpiä toimintoja, kuten myyntiä, asiakkuuksien hallintaa, tuotantoa, materiaalihallintoa sekä johdon päätöksentekoa. Työssä tarkastellaan ensin yrityksen menettelytapoja ja valmistusmenetelmiä, ja kerätään niistä konkreettisia vaatimuksia järjestelmälle. Nämä yhdistetään muista tutkimuksista kerättyihin toiminnanohjausjärjestelmien mahdollisuuksiin ja riskeihin sekä laaditaan näistä projektin tavoitteet. Seuraavaksi käydään läpi toteutuksessa tehdyt suunnitteluratkaisut ja niihin johtaneet seikat. Toteutetut toiminnot ja ominaisuudet esitellään perusteluineen. Lopuksi analysoidaan projektin onnistumista peilaten sitä muihin aiheeseen liittyviin tutkimustuloksiin. Käyttöönottoprosessin vaiheet ja siinä esiintyneet ongelmat käydään myös lyhyesti läpi.

Readout architectures for hybrid pixel detector readout chips

The original contribution of this thesis to knowledge are novel digital readout architectures for hybrid pixel readout chips. The thesis presents asynchronous bus-based architecture, a data-node based column architecture and a network-based pixel matrix architecture for data transportation. It is shown that the data-node architecture achieves readout efficiency 99% with half the output rate as a bus-based system. The network-based solution avoids “broken” columns due to some manufacturing errors, and it distributes internal data traffic more evenly across the pixel matrix than column-based architectures. An improvement of > 10% to the efficiency is achieved with uniform and non-uniform hit occupancies. Architectural design has been done using transaction level modeling (TLM) and sequential high-level design techniques for reducing the design and simulation time. It has been possible to simulate tens of column and full chip architectures using the high-level techniques. A decrease of > 10 in run-time is observed using these techniques compared to register transfer level (RTL) design technique. Reduction of 50% for lines-of-code (LoC) for the high-level models compared to the RTL description has been achieved. Two architectures are then demonstrated in two hybrid pixel readout chips. The first chip, Timepix3 has been designed for the Medipix3 collaboration. According to the measurements, it consumes < 1 W/cm^2. It also delivers up to 40 Mhits/s/cm^2 with 10-bit time-over-threshold (ToT) and 18-bit time-of-arrival (ToA) of 1.5625 ns. The chip uses a token-arbitrated, asynchronous two-phase handshake column bus for internal data transfer. It has also been successfully used in a multi-chip particle tracking telescope. The second chip, VeloPix, is a readout chip being designed for the upgrade of Vertex Locator (VELO) of the LHCb experiment at CERN. Based on the simulations, it consumes < 1.5 W/cm^2 while delivering up to 320 Mpackets/s/cm^2, each packet containing up to 8 pixels. VeloPix uses a node-based data fabric for achieving throughput of 13.3 Mpackets/s from the column to the EoC. By combining Monte Carlo physics data with high-level simulations, it has been demonstrated that the architecture meets requirements of the VELO (260 Mpackets/s/cm^2 with efficiency of 99%).

Design Patterns in EPOC Software Development

Työssä tutkittiin oliosuunnittelumalleja EPOC-käyttöjärjestelmässä. Työssä tutkittiin sekä yleisiä suunnittelumalleja että EPOC-ympäristössä esiintyviä oliorakenteita, niiden aiheuttamia vaatimuksia sovelluksille sekä niiden käyttämisestä saatavia hyötyjä. Työssä toteutettiin EPOC-ohjelmiston suunnittelu hyödyntäen suunnittelumalleja ja periaatteita. Oliosuunnittelumallit ovat yleistyneet huomattavasti viime vuosina. Suunnittelumallien lähtökohtana ovat sekä yleiset että ympäristökohtaiset suunnitteluperiaatteet ja säännöt. Suunnittelumallit ovat osa isompaa rakennekokonaisuutta, joka käsittää sekä prosessi-, analyysi-, arkkitehtuuri- ym. malleja. Oliosuunnittelumallit nopeuttavat ja helpottavat suunnittelua sekä parantavat uudelleenkäytettävyyttä korkeammalla abstraktiotasolla. EPOC on tulevaisuuden mobiililaitteiden yleisimpiä käyttöjärjestelmiä. EPOC on kokonaisuudessaan oliopohjainen ja sisältää lukuisia oliorakenteita, joiden ymmärtäminen on sovelluskehityksen kannalta elintärkeää. Koska ympäristöt, joissa EPOC-käyttöjärjestelmää käytetään, ovat yleensä resurssien puolesta rajoittuneita, on yleisten suunnittelumallien käytössä oltava tarkkana. EPOC vaatii yleisiin suunnittelumalleihin muutoksia ja estää joidenkin käytön kokonaan.

Reframing the relationship between service design and operations: a service engineering approach

The significance of services as business and human activities has increased dramatically throughout the world in the last three decades. Becoming a more and more competitive and efficient service provider while still being able to provide unique value opportunities for customers requires new knowledge and ideas. Part of this knowledge is created and utilized in daily activities in every service organization, but not all of it, and therefore an emerging phenomenon in the service context is information awareness. Terms like big data and Internet of things are not only modern buzz-words but they are also describing urgent requirements for a new type of competences and solutions. When the amount of information increases and the systems processing information become more efficient and intelligent, it is the human understanding and objectives that may get separated from the automated processes and technological innovations. This is an important challenge and the core driver for this dissertation: What kind of information is created, possessed and utilized in the service context, and even more importantly, what information exists but is not acknowledged or used? In this dissertation the focus is on the relationship between service design and service operations. Reframing this relationship refers to viewing the service system from the architectural perspective. The selected perspective allows analysing the relationship between design activities and operational activities as an information system while maintaining the tight connection to existing service research contributions and approaches. This type of an innovative approach is supported by research methodology that relies on design science theory. The methodological process supports the construction of a new design artifact based on existing theoretical knowledge, creation of new innovations and testing the design artifact components in real service contexts. The relationship between design and operations is analysed in the health care and social care service systems. The existing contributions in service research tend to abstract services and service systems as value creation, working or interactive systems. This dissertation adds an important information processing system perspective to the research. The main contribution focuses on the following argument: Only part of the service information system is automated and computerized, whereas a significant part of information processing is embedded in human activities, communication and ad-hoc reactions. The results indicate that the relationship between service design and service operations is more complex and dynamic than the existing scientific and managerial models tend to view it. Both activities create, utilize, mix and share information, making service information management a necessary but relatively unknown managerial task. On the architectural level, service system -specific elements seem to disappear, but access to more general information elements and processes can be found. While this dissertation focuses on conceptual-level design artifact construction, the results provide also very practical implications for service providers. Personal, visual and hidden activities of service, and more importantly all changes that take place in any service system have also an information dimension. Making this information dimension visual and prioritizing the processed information based on service dimensions is likely to provide new opportunities to increase activities and provide a new type of service potential for customers.

Design and validation of stateful composite RESTful web services

A web service is a software system that provides a machine-processable interface to the other machines over the network using different Internet protocols. They are being increasingly used in the industry in order to automate different tasks and offer services to a wider audience. The REST architectural style aims at producing scalable and extensible web services using technologies that play well with the existing tools and infrastructure of the web. It provides a uniform set of operation that can be used to invoke a CRUD interface (create, retrieve, update and delete) of a web service. The stateless behavior of the service interface requires that every request to a resource is independent of the previous ones facilitating scalability. Automated systems, e.g., hotel reservation systems, provide advanced scenarios for stateful services that require a certain sequence of requests that must be followed in order to fulfill the service goals. Designing and developing such services for advanced scenarios with REST constraints require rigorous approaches that are capable of creating web services that can be trusted for their behavior. Systems that can be trusted for their behavior can be termed as dependable systems. This thesis presents an integrated design, analysis and validation approach that facilitates the service developer to create dependable and stateful REST web services. The main contribution of this thesis is that we provide a novel model-driven methodology to design behavioral REST web service interfaces and their compositions. The behavioral interfaces provide information on what methods can be invoked on a service and the pre- and post-conditions of these methods. The methodology uses Unified Modeling Language (UML), as the modeling language, which has a wide user base and has mature tools that are continuously evolving. We have used UML class diagram and UML state machine diagram with additional design constraints to provide resource and behavioral models, respectively, for designing REST web service interfaces. These service design models serve as a specification document and the information presented in them have manifold applications. The service design models also contain information about the time and domain requirements of the service that can help in requirement traceability which is an important part of our approach. Requirement traceability helps in capturing faults in the design models and other elements of software development environment by tracing back and forth the unfulfilled requirements of the service. The information about service actors is also included in the design models which is required for authenticating the service requests by authorized actors since not all types of users have access to all the resources. In addition, following our design approach, the service developer can ensure that the designed web service interfaces will be REST compliant. The second contribution of this thesis is consistency analysis of the behavioral REST interfaces. To overcome the inconsistency problem and design errors in our service models, we have used semantic technologies. The REST interfaces are represented in web ontology language, OWL2, that can be part of the semantic web. These interfaces are used with OWL 2 reasoners to check unsatisfiable concepts which result in implementations that fail. This work is fully automated thanks to the implemented translation tool and the existing OWL 2 reasoners. The third contribution of this thesis is the verification and validation of REST web services. We have used model checking techniques with UPPAAL model checker for this purpose. The timed automata of UML based service design models are generated with our transformation tool that are verified for their basic characteristics like deadlock freedom, liveness, reachability and safety. The implementation of a web service is tested using a black-box testing approach. Test cases are generated from the UPPAAL timed automata and using the online testing tool, UPPAAL TRON, the service implementation is validated at runtime against its specifications. Requirement traceability is also addressed in our validation approach with which we can see what service goals are met and trace back the unfulfilled service goals to detect the faults in the design models. A final contribution of the thesis is an implementation of behavioral REST interfaces and service monitors from the service design models. The partial code generation tool creates code skeletons of REST web services with method pre and post-conditions. The preconditions of methods constrain the user to invoke the stateful REST service under the right conditions and the post condition constraint the service developer to implement the right functionality. The details of the methods can be manually inserted by the developer as required. We do not target complete automation because we focus only on the interface aspects of the web service. The applicability of the approach is demonstrated with a pedagogical example of a hotel room booking service and a relatively complex worked example of holiday booking service taken from the industrial context. The former example presents a simple explanation of the approach and the later worked example shows how stateful and timed web services offering complex scenarios and involving other web services can be constructed using our approach.