InSitu-järjestelmän palvelinarkkitehtuuri

Transkriptio

1 Tuukka Puranen, Mikko Tyrväinen InSitu-järjestelmän palvelinarkkitehtuuri Ohjelmistoarkkitehtuurit harjoitustyö 13. huhtikuuta 2007 Jyväskylän yliopisto Tietotekniikan laitos Jyväskylä

2 Tekijä: Tuukka Puranen, Mikko Tyrväinen Yhteystiedot: Työn nimi: InSitu-järjestelmän palvelinarkkitehtuuri Title in English: Architecture of the InSitu system Työ: Ohjelmistoarkkitehtuurit harjoitustyö Sivumäärä: 46 Tiivistelmä: InSitu on välittömään oppimiseen pyrkivä projekti. Toteutusvälineenä on siirrettävä laitteisto, jonka avulla oppilaat voivat luennon aikana aktiivisesti osallistua luentoon. Yksi ratkaisu on luoda palvelinjärjestelmä johon voidaan liittyä langattoman verkon kautta oppilaiden kännyköihin ja kannettaviin tietokoneisiin asennettavan asiakasohjelman kautta. Järjestelmä sisältää monia hyvinkin erilaisia komponentteja ja useita kommunikaatiomuotoja niin ohjelmatasolla kuin fyysisen tiedonsiirron kannalta. Tässä dokumentissa tarkastellaan arkkitehtuuria edellä mainitun kaltaisen järjestelmän palvelinpuolen toteutukseen. English abstract: InSitu project aims for immediate learning by providing means for students to actively participate to teaching during lectures. A solution is to create a server system which can be connected to via eg. wireless networks from students mobile devices. This kind of system consists of several different components and ways of communication. This document provides insight to server architecture of such system. Avainsanat: InSitu, arkkitehtuuri, arkkitehtuurinäkymä, server-client, hajautettu järjestelmä, Teacher s App, Projector, Router, BlueZ, JFreeChart, InfoNode Docking Windows, langaton verkko, Bluetooth, WLAN, GPRS, mobiililaitteet, luentopalaute, kyselyjärjestelmä, adaptiivinen opetus Keywords: InSitu, architecture, architecture view, server-client, distributed system, Teacher s App, Projectoru, Router, BlueZ, JFreeChart, InfoNode Docking Windows, wireless network, Bluetooth, WLAN, GPRS, mobile devices, lecture feedback, questionnare system, adaptive teaching

3 Sisältö Kuvat 1 Taulukot 2 1 Dokumentista Dokumentin rakenne Rakennenäkymät Fyysinen rakenne Looginen rakenne Kehitysrakenne Prosessirakenne InSitu-järjestelmä Johdanto Järjestelmän elementit Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti Muuntelu Taustat Termistö Lisätietoja Fyysinen sijoittelu Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti Muuntelu Taustat Termistö Lisätietoja i

4 3 Teacher s App Looginen rakenne Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti Muuntelu Taustat Termistö Lisätietoja Kehitysrakenne Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti Muuntelu Taustat Termistö Lisätietoja Prosessirakenne Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti Muuntelu Taustat Termistö Lisätietoja Router Looginen rakenne Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti Taustat Termistö Kehitysrakenne Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti ii

5 4.3 Prosessirakenne Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti Muuntelu Taustat Termistö Huomioita Projector Looginen rakenne Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti Muuntelu Taustat Termistö Kehitysrakenne Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti Muuntelu Taustat Termistö Prosessirakenne Rakenteen kuvaus Elementtilista Konteksti Termistö Arkkitehtuurin laatu Skenaarioiden rakenne Muokattavuus Skenaario: Ulkoisten kirjastojen päivittyminen Skenaario: Käyttöliittymän laajentaminen Skenaario: Protokollan vaihto Skenaario: Tiedostoformaatin muutos Suorituskyky iii

6 6.3.1 Skenaario: Bluetooth Yhteydenmuodostus Skenaario: Kysymyksen lähettäminen Käytettävyys Skenaario: Bluetooth yhteydenmuodostus katkeamisen jälkeen Skenaario: Käyttöönotto olemassa olevassa infrastruktuurissa 39 Viitteet 41 iv

7 Kuvat 1.1 Fyysisen rakennenäkymän kaavioiden notaatio Loogisen rakenteen kaavioiden notaatio Kehitysnäkymän kaavioiden notaatio Prosessirakennenäkymän kaavioiden notaatio Järjestelmän rakenne Ohjelmaelementtien fyysinen sijoittuminen Yksi mahdollinen konfiguraatio ohjelmien sijoittumisesta Opettajan ohjelman looginen rakenne Teacher s App -ohjelman kehitysrakenne Opettajan ohjelman prosessit Teacher s App -ohjelman prosessit ja näiden kommunikaatio Routerin elementit Router-ohjelman elementit ja ulkoiset riippuvuudet Router-ohjelman prosessit Router-ohjelman prosessit ja näiden kommunikaatio Projector-ohjelman loogiset elementit ja näiden suhteet Projector-ohjelman koodielementit ja näiden suhteet Projector-ohjelman prosessit ja näiden kommunikaatio

8 Taulukot 6.1 Skenaario: Ulkoisten kirjastojen päivittyminen Skenaario: Käyttöliittymän laajentaminen Skenaario: Protokollan vaihto Skenaario: Tiedostoformaatin muutos Skenaario: Yhteydenmuodostus Skenaario: Kysymyksen lähettäminen Skenaario: Yhteydenmuodostus katkeamisen jälkeen Skenaario: Käyttöönotto olemassa olevassa infrastruktuurissa

9 1 Dokumentista Tämä dokumentti kuvaa InSitu-järjestelmän kokonaisarkkitehtuurin ja palvelimen eri osien arkkitehtuuria. Tässä dokumentissa ei kuvata InSitu-asiakassovelluksia. Dokumentissa suoritetaan myös kuvatun arkkitehtuurin arviointia valittujen laatuskenaarioiden pohjalta. 1.1 Dokumentin rakenne InSitu-järjestelmä koostuu useasta eri ohjelmakokonaisuudesta. Luvussa 2 kuvataan näiden ohjelmien muodostama kokonaisuus. Tämän jälkeen kuvataan palvelimen osat tarkemmin. Jokaisesta osasta esitetään looginen rakenne (engl. logical view), kehitysrakenne (engl. development view) ja prosessirakenne (engl. process view). Fyysinen rakenne (engl. deployment view) on kollektiivisesti esitetty luvussa 2. Kustakin rakenteesta esitetään sanallinen kuvaus sekä kaavio luvussa 1.2 kuvatulla tavalla. Tämän lisäksi esitetään omassa aliluvussaan elementtilista, jossa listataan kuvauksessa käytetyt elementit; konteksti, jossa listataan olennaisimmat ulkoiset rajapinnat; muuntelu, jossa käydään läpi mahdollisia vaihtoehtoja; tausta, jossa esitellään perusteluja ratkaisuille; termilista, jossa listataan käytetyt termit; sekä lisätiedot, jossa annetaan mahdollisia tarkentavia tietoja tai viitataan muihin dokumentteihin. Luvussa 3 käsitellään Teacher s App -ohjelmaa yllä mainituista näkökulmista, luvussa 4 tarkastellaan Router-ohjelman ja luvussa 5 Projector-ohjelman rakennetta. Luvussa 6 arvioidaan arkkitehtuurin laatua tärkeimpien laadullisten vaatimusten näkökulmasta. 1.2 Rakennenäkymät Tässä luvussa listataan dokumentissa käytetyt rakennenäkymät (engl. view). Kappaleessa esitetään lisäksi rakennenäkymissä käytetty notaatio. Mahdollisissa muissa dokumentissa esiintyvissä kaaviotyypeissä esitetään tarpeen vaatiessa notaatio kaavion yhteydessä. 3

10 Kuva 1.1: Fyysisen rakennenäkymän kaavioiden notaatio. Kuva 1.2: Loogisen rakenteen kaavioiden notaatio Fyysinen rakenne Fyysinen rakenne kuvaa ohjelmien tai niiden elementtien sijainnin fyysisissa laitteissa, jotka sisältävät laskentakapasiteettia ja/tai muistia. Näkymä on oleellinen järjestelmän kokonaiskuvan hahmottamiseksi, sillä InSitu-järjestelmä on ensisijaisesti palvelin-asiakas-arkkitehtuuri, ja palvelin on mahdollisesti hajautettu usealle laitteelle. Näkymässä kuvataan lisäksi keskeisimmät elementtien tarjoamat rajapinnat. Fyysisen rakenteen kaavioissa käytetään kuvan 1.1 mukaista merkintätapaa Looginen rakenne Looginen rakenne kuvaa järjestelmän eri avainosat ja näiden suhteet. Tämä rakenne esittää rajoitteita eri ohjelmaosien väliselle kommunikaatiolle sekä antaa viitekehyksen kehitysrakenteelle. Loogisen rakenteen kaavioissa käytetään kuvan 1.2 mukaista merkintätapaa Kehitysrakenne Kehitysrakenne kuvaa järjestelmän rakenteen kehitysvaiheessa. Tässä rakenteessa esitetään eri koodielementtien väliset riippuvuussuhteet, sekä kommunikaatiokanavat. Rakenteessa kuvataan lisäksi ulkoiset riippuvuudet, esimerkiksi tarvittavat 4

11 Kuva 1.3: Kehitysnäkymän kaavioiden notaatio. Kuva 1.4: Prosessirakennenäkymän kaavioiden notaatio. kirjastot. Kehitysnäkymän kaavioissa käytetään kuvan 1.3 mukaista merkintätapaa Prosessirakenne Prosessirakenne kuvaa ohjelman rakenteen ohjelman suorituksen aikana. Tässä rakenteessa esitetään yhtäaikaisuuden hallinta, sekä resurssien käyttö ohjelmaa suoritettaessa. Prosessirakenteen kaavioissa käytetään kuvan 1.4 mukaista merkintätapaa. 5

12 2 InSitu-järjestelmä Tässä luvussa kuvataan ohjelmiston kokonaisrakennetta sekä sen elementtien fyysistä sijoittumista laitteisiin. 2.1 Johdanto InSitu on adaptiiviseen opetukseen tähtäävä reaaliaikainen luentopalaute- ja kyselyjärjestelmä. Järjestelmällä voidaan lähettää luennolle osallistuville kysymyksiä tai pyytää palautetta luennon aikana. Vastauksia voidaan tarkastella luennon kuluessa. Kysymykset ja vastaukset ovat näytettävissä luennolle osallistujille ja luennon järjestäjä voi tunnistaa käyttäjiä kontrolloida kenelle kysymyksiä ja/tai viestejä lähetetään ja yhdistää saapunut viesti sen lähettäneeseen käyttäjään. Kysely- ja palautejärjestelmä toteutetaan pääasiassa hyödyntämällä olemassa olevaa laitteistoa, jolloin vältytään suurilta laitteistokustannuksilta. Suurin kustannustekijä ovat päätelaitteet, mihin ratkaisuna on käyttää luennolle osallistuvien langattomaan viestintään soveltuvia mobiililaitteita. Käytännössä luennon järjestäjän tulee rakentaa langaton verkko, tai verkkoja, joiden kautta luentotilan laitteisto kommunikoi mobiililaitteiden kanssa. Kysymysten ym. näyttämisessä pyritään myös hyödyntämään jo tiloissa olevaa laitteistoa. Järjestelmä voidaan rakentaa käyttäen yhtä tai useampaa langatonta verkkoa. Tällä hetkellä soveltuvia ovat esimerkiksi Bluetooth-, WLAN- tai GPRS-verkot. Langattoman verkon muodostus sisältää muun muassa seuraavat vaatimukset: kirjautumisajan tulee olla riittävän lyhyt, että useiden kymmenien päätelaiteiden muodostaman verkon rakentaminen onnistuu järkevässä ajassa; järjestelmän tulee olla riittävän joustava tukeakseen dynaamista päätelaitteiden lisäystä ja poistoa missä tahansa vaiheessa; lisäksi käyttäjäinteraktion tulee olla yksinkertainen. Tässä dokumentissa kuvattu suunnitelma järjestelmän prototyypille. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että toiminnalliset vaatimukset asettuvat joidenkin laadullisten vaatimusten edelle ja järjestelmän toteutuksessa pyritään ennen kaikkea osoittamaan konseptin toimivuus. Merkittävimmät laadulliset vaatimukset ovat muokattavuus (engl. modifiability), suorituskyky ja käytettävyys. Muokattavuutta pyritään varmistamaan ensisijaisesti minimoimalla eri ohjelmien ja ohjelmaosien välisten riippuvuuksien määrä (engl. coupling) ja maksimoimalla elementtien kohee- 6

13 Kuva 2.1: Järjestelmän rakenne. sio. Järjestelmän suorituskyky on oleellisin langattoman verkon muodostuksessa; tämän toiminan tehokkuus sanelee käytännössä järjestelmän käyttökelpoisuuden. Käytettävyydellä pyritään nopeuttamaan ja helpottamaan järjestelmän kokeilua ja demonstrointia. Laadullisten vaatimusten toteutumista tarkastellaan laatuskeraarioiden valossa luvussa 6. Luvussa käsitellään edellä mainittuja muokattavuutta, suorituskykyä ja käytettävyyttä. Saatavuutta (engl. availability), turvallisuutta (engl. security) ja testattavuutta ei arvioida. 2.2 Järjestelmän elementit Tässä luvussa kuvataan koko järjestelmän yleisrakenne ja järjestelmän elementtien väliset yhteydet Rakenteen kuvaus Järjestelmän rakenne on esitetty kuvassa 2.1. Järjestelmä koostuu palvelimesta (Server), Bluetooth-verkkoa hallinnoivasta reitittimestä (Router), projektoriohjelmasta (Projector) joka näyttää tarvittavat kysymykset ja vastaukset, sekä asiakasohjelmista (Client), jotka muodostavat yhteyden verkosta riippuen joko reitittimen kautta tai suoraan palvelimeen. Palvelin koordinoi järjestelmän toimintaa ja ylläpitää tietoa sen tilasta. Palvelin mahdollistaa muiden elementtien liittämisen tarjoamalla palveluja määrätyillä protokollilla. 7

14 2.2.2 Elementtilista Server Palvelin. toimintaa koordinoiva ja dataa käsittelevä järjestelmän osa. Router Reititin. Bluetooth-yhteyksiä hallinnoiva järjestelmän osa. Projector Järjestelmän osa kysymysten ja vastausten näyttämiseen. Client Asiakasohjelma. Mobiililaitteessa suoritettava asiakasohjelma joka ottaa yhteyden järjestelmään jonkin langattoman verkon kautta Konteksti InSitu-järjestelmän tulee kommunikoida käyttäjätietoja sisältävän tietovaraston kanssa. Käytännössä mahdollinen liitäntä on Korppi-järjestelmä[6], joka tarjoaa käyttäjätiedot yliopiston kurssien osallistujien tiedoista. Järjestelmä sisältää määrityksen tiedostomuodoille esimerkiksi kysymysten ja vastausten tallentamiseen ja lukemiseen. Tällaisia ovat InSitu kysymystiedosto (.iqf), InSitu vastaustiedosto (.irf), InSitu käyttäjätiedosto (.iuf), InSitu kurssitiedosto (.icf) Muuntelu Palvelinjärjestelmään voidaan liittää uusia ohjelmaelementtejä tässä dokumentissa esitettyjen Projector- ja Router-ohjelmien lisäksi. Tämä voidaan tehdä määrittelemällä elementtien väliseen kommunikaatioon protokolla tai käyttää jo olemassa olevaa. Tällä hetkellä avoimeksi on jätetty esimerkiksi yhteys Korppi-järjestelmään käyttäjätietojen liittämiseksi InSitu-järjestelmään, tai esimerkiksi oikeiden vastausten määrän kertomiseksi käyttäjille. Toinen palvelimeen liitettävä elementti on vastausten analysointiin soveltuva ohjelmaosa. Tällä voidaan tarkkailla esimerkiksi kunkin käyttäjän oppimista ja laatia malleja ja ennusteita kurssin läpäisyprosenteista tai arvosanajakaumista historiatiedon avulla. Kysymystietojen arkistointi tietokantaan tai tiedostojärjestelmään voidaan myös toteuttaa erillisellä ohjelmaelementillä. Ohjelmaan voidaan liittää mahdollisuus myös ohjata sen toimintaa mobiililaitteen kautta, jolloin luennon pitäjän ei tarvitse toimia tietokoneen välittömässä läheisyydessä. 8

15 2.2.5 Taustat Järjestelmä on jaettu useampaan elementtiin ylläpidettävyyden ja muokattavuuden lisäämiseksi. Lisäksi järjestelmää voidaan tällöin käyttää useammalla eri konfiguraatiolla, kuten havaitaan luvussa Termistö Bluetooth Lyhyen kantaman radiotekniikkaan perustuva langaton tiedonsiirtotekniikka. GPRS General Packet Radio Service. GSM-verkossa toimiva pakettikytkentäinen tiedonsiirtopalvelu, jota käytetään pääasiassa langattoman Internet-yhteyden muodostamiseen matkapuhelimen tai GPRS-sovittimen avulla. Korppi-järjestelmä Jyväskylän yliopiston kurssi- ja opintotietojärjestelmä. WLAN Wireless Local Area Network. Protokolla langatonta verkkoviestintää varten. Käytetään tässä yhteydessä tarkoittamaan IEEE sarjan standardia Lisätietoja Järjestelmän kehittäminen on lähtenyt liikkeelle pedagogisista kannustimista, ja taustoja sekä aiempien järjestelmäversioiden tuloksia on nähtävillä esimerkiksi Vesa Lappalaisen InSitu-sivuilla[7]. 2.3 Fyysinen sijoittelu Tässä luvussa kuvataan järjestelmän elementtien sijoittuminen fyysisiin laitteisiin, jotka sisältävät laskentakapasiteettia ja/tai muistia Rakenteen kuvaus Järjestelmän elementtien sijoittuminen ja näiden väliset kommunikaatiosuhteet on esitetty kuvassa 2.2. Järjestelmä koostuu palvelinkokonaisuudesta ja asiakkaista. Palvelinkokonaisuus jakautuu useampaan osaan: Teacher s App -ohjelmaan, joka toimii pääasiallisena palvelinohjelmana, Router-ohjelmaan, joka toimii Bluetooth-palvelimena, sekä Projectorohjelmaan. Teacher s App voi muodostaa yhteyden Router ja Projector-ohjelmiin. Siihen voidaan muodostaa yhteys PCLeaf-asiakasohjelmasta. 9

16 Kuva 2.2: Ohjelmaelementtien fyysinen sijoittuminen. Asiakkaina voivat toimia joko tietokoneet tai mobiililaitteet. Mobiililaitteet voivat olla yhteydessä järjestelmään joko Bluetooth-radion avulla, WLAN- tai GPRSyhteyden kautta. Erilaisia mobiililaitteita on hyvin suuri määrä ja asiakasohjelmat on toteutettu Javalla, jotta toteutus olisi helposti käytettävissä laajalla laitekannalla Elementtilista Projector Java SE -pohjainen ohjelma joka näyttää verkkoyhteyden kautta ohjatusti kysymyksen ja vastausvaihtoehdot. Router Linux-alustalla toimiva C-pohjainen ohjelma joka hallinnoi Bluetooth yhteyksiä. InSitu Router huolehtii Bluetooth yhteydenmuodostuksesta sekä välittää saamansa viestit verkossa oleville Bluetooth-asiakaslaitteille. Tieto asiakaslaitteista välitetään Teacher s App -palvelinohjelmalle. Client Java-pohjainen asiakasohjelma, esimerkiksi Leaf tai PCLeaf. Ohjelma kommunikoi joko IMPv2 protokollaa käyttäen Teacher s App -palvelinohjelman kanssa tai Router-ohjelman kanssa. Teacher s App Java SE -pohjainen palvelinohjelma, jota käyttää luennoitsija luennon aikana. Ohjelma huolehtii mm. käyttäjien, kysymysten ja vastausten hallinnoinnista. 10

17 2.3.3 Konteksti Mobiililaitteiden pääsy verkkoon tulee mahdollistaa palvelimen puolelta joko WLANtai Bluetooth-tukiasemilla. Tätä varten on varmistettava palvelinjärjestelmässä on laitteisto Bluetooth- ja WLAN-yhteyksien muodostamiseen. Lisäksi mikäli asiakasohjelmien sallitaan liittyä järjestelmään GPRS-verkon kautta, tulee palvelimessa olla Internet-yhteys Muuntelu Kaikki palvelimen osat voidaan suorittaa joko samassa tietokoneessa tai kukin erillään tai näiden yhdistelmällä. Laitteiden valinta riippuu viime kädessä saatavilla olevasta infrastruktuurista Taustat Järjestelmälle asetetut vaatimukset sanelevat järjestelmän perusrakenteen. Yksi mahdollinen konfiguraatio on esitettu kuvassa 2.3. Palvelimen elementit on tässä esimerkissä asetettu eri laitteille siten että olemassa olevan laitteiston käyttö olisi luontevampaa. Näin esimerkiksi Projector-sovellus voidaan suorittaa PC-koneessa, joka on kytketty auditoriotilan videotykkiin. Opettajan ohjelma suoritetaan esimerkiksi kannettavalta Windows-PC:ltä ja Bluetooth yhteyksiä hallinnoidaan Linux-koneen kautta, sillä Windows-käyttöjärjestelmälle ei ole tällä hetkellä olemassa ilmaista ja riittävän laajaa Bluetooth-toteutusta. Opettajan ohjelma voidaan ajaa myös Linux-koneessa Termistö Auditorion PC Auditorion videoprojektoriin liitetty PC. Auditorion projektori Auditorion tai luokkatilan videoprojektori. Bluetooth adapteri Yleensä USB-väylään liitettävä Bluetooth radiopiiri. GPRS General Packet Radio Service. GSM-verkossa toimiva pakettikytkentäinen tiedonsiirtopalvelu, jota käytetään pääasiassa langattoman Internet-yhteyden muodostamiseen matkapuhelimen tai GPRS-sovittimen avulla. IMPv2 InSitu Mobile Protocol version 2. Tekstipohjainen protokolla, joka määrittää asiakasohjelmien (Leaf, PCLeaf) ja palvelinohjelman (Teacher s App) välisen 11

18 Kuva 2.3: Yksi mahdollinen konfiguraatio ohjelmien sijoittumisesta. 12

19 kommunikaation. Määrittää esimerkiksi kysymysten kysymisen ja niihin vastaamisen sekä kirjautumisen. IPP InSitu Projector Protocol. Tekstipohjainen protokolla, jolla ohjataa InSitu Projector -ohjelmaa. Sisältää esimerkiksi kysymysten, vastausvaihtoehtojen ja vastausten näyttämisen. IRP InSitu Router Protocol. Tekstipohjainen protokolla, joka määrittää Bluetooth palvelimen ja Teacher s App -ohjelman välisen kommunikaation. Määrittää esimerkiksi tiedon lähettämisen ja vastaanottamisen annetulta asiakasohjelmalta ja keinot ilmoittaa verkon tilasta. Leaf Java ME -pohjainen asiakasohjelma mobiililaitteille. PCLeaf Java SE -pohjainen asiakasohjelma. RFCOMM Radio Frequency Communication. Kokoelma kommunikaatioprotokollia langattomaan viestintään radiotaajuuksilla. TCP/IP TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol. on usean tietoverkkoprotokollan yhdistelmä, jota käytetään Internet-liikennöinnissä. USB Universal Serial Bus. Sarjaväyläarkkitehtuuri oheislaitteiden liittämiseksi tietokoneeseen. USB-keskitin Laite, jolla voidaan jakaa USB-liitäntä useammaksi. WLAN Wireless Local Area Network. Protokolla langatonta verkkoviestintää varten. Käytetään tässä yhteydessä tarkoittamaan IEEE sarjan standardia Lisätietoja Tarkat IMPv2 ja IRP spesifikaatiot on esitetty dokumenteissa [9] ja [10]. 13

20 3 Teacher s App Teacher s App -ohjelma koordinoi palvelinjärjestelmän toimintaa ja huolehtii pääasiassa järjestelmän tilan ja datan käsittelystä. Ohjelma toimii pääasiallisena käyttöliittymänä luennon pitäjälle mahdollistaen kysymysten, vastausten ja käyttäjien hallinnan, kysymysten lähettämisen, vastausten tulkinnan sekä tulosten tarkastelun. 3.1 Looginen rakenne Tämä osio kuvaa opettajan ohjelman eri avainosat ja näiden suhteet. Osiossa esitetään rajoitteita eri ohjelmaosien väliselle kommunikaatiolle sekä annetaan viitekehyksen ohjelman kehitysrakenteelle, joka esitetään luvussa Rakenteen kuvaus Arkkitehtuuri jakautuu keskeisistä toiminnoista huolehtivaan ydinosaan (Core), tietojen tallennuksesta ja prosessoinnista huolehtivaan data-osaan (Data), käyttöliittymään (UI) ja verkkotekniikasta huolehtivaan osaan (Network). Ohjelmaosat ja niiden väliset riippuvuussuhteet on esitetty kuvassa Elementtilista Core Ohjelman keskeisistä toiminnoista huolehtiva ja muiden osien toimintaa koordinoiva ydinosa. Data Ohjelman tietojen tallennuksesta ja prosessoinnista huolehtiva osa. Network Ohjelman verkkoliikennettä kontroilloiva osa. UI Ohjelman osa joka esittää käyttöliittymän ja välittää käyttäjän käskyt muille ohjelman osille. 14

21 Kuva 3.1: Opettajan ohjelman looginen rakenne Konteksti Data-osan tulee pystyä käsittelemään luvussa esitettyjä tiedostomuotoja, sekä järjestelmän eri osien välisiä kommunikaatioprotokollia (esimerkiksi IMPv2, IRP ja IPP) Muuntelu Ohjelman ydinosa kontrolloi todennäköisesti liian laajaa vastuualuetta. Tämän osan jakaminen useampaan loogiseen elementtiin saattaa tulla kyseeseen etenkin ohjelman laajetessa edelleen Taustat Teacher s App on lähtökohtaisesti laaja ja siihen lisätään uusia ominaisuuksia muita järjestelmän osia todennäköisemmin. Arkkitehtuuri tulee pitää toisaalta yksinkertaisena, mutta riittävän joustavana minimoimalla eri ohjelmaosien välisten riippuvuuksien määrä ja maksimoimalla yksittäisten elementtien sisäinen yhtenäisyys. Yksikkään ohjelmaosa ei riipu käyttöliittymäosasta, sillä käyttöliittymä on altis suurillekin muutoksille. Ydinosa ei riipu muista elementeistä verkko-osaa lukuun ottamatta. Oleelliseti data-osan muutokset eivät vaikuta ydinosan toimintaan. Kuvassa 3.1 esitetyt riippuvuudet ovat ainoat sallitut. 15

22 3.1.6 Termistö IMPv2 InSitu Mobile Protocol version 2. Tekstipohjainen protokolla, joka määrittää asiakasohjelmien (Leaf, PCLeaf) ja palvelinohjelman (Teacher s App) välisen kommunikaation. Kuvaa esimerkiksi kysymysten kysymisen ja niihin vastaamisen sekä kirjautumisen. IPP InSitu Projector Protocol. Tekstipohjainen protokolla, jolla ohjataan Projectorohjelmaa. Sisältää esimerkiksi kysymysten, vastausvaihtoehtojen ja vastausten näyttämisen. IRP InSitu Router Protocol. Tekstipohjainen protokolla, joka määrittää Router ja Teacher s App -ohjelmien välisen kommunikaation. Kuvaa esimerkiksi tiedon lähettämisen ja vastaanottamisen annetulta asiakasohjelmalta ja keinot ilmoittaa verkon tilasta Lisätietoja Opettajan ohjelmasta on olemassa kolme aikaisempaa prototyyppiä. Näiden tarkastelemiseksi tulee ottaa yhteyttä tämän dokumentin laatijoihin. 3.2 Kehitysrakenne Tässä luvussa kuvataan Teacher s App -ohjelman staattinen rakenne kehitysvaiheessa ja eri koodielementtien väliset riippuvuussuhteet, sekä kommunikaatiokanavat. Luvussa kuvataan lisäksi ulkoiset riippuvuudet, esimerkiksi tarvittavat kirjastot. Luvussa ei esitetä tarkkoja kuvauksia eri ohjelmaosien välisistä rajapinnoista Rakenteen kuvaus Teacher s App -ohjelman jako koodimoduuleihin on esitetty kuvassa 3.2. Jako perustuu luvussa 3.1 esitetylle ohjelman loogiselle rakenteelle Elementtilista insitu.ui Hoitaa käyttöliittymän sekä tulosgrafiikan toiminnallisuuden ja piirtämisen. Luo käyttäjän toimista komentoja ja aloittaa niiden suorittamisen. insitu.commands Sisältää järjestelmän sisäiset komennot. 16

23 Kuva 3.2: Teacher s App -ohjelman kehitysrakenne. 17

24 insitu.data Sisältää tiedon sallitusta ja kirjautuneista käyttäjistä, kysymyksistä, vastauksista ja laitteista. Hoitaa käyttäjien kirjautumisen, sisään tulevien vastausten käsittelyn ja tiedon tallettamisen sopivaan muotoon tulosgrafiikkaa varten. insitu.data.impv2 Sisältää impv2-protokollan ulospäin lähtevät paketit ja hoitaa niiden jäsentämisen. insitu.data.irp Sisältää irp-protokollan ulospäin lähtevät paketit ja hoitaa niiden jäsentämisen. insitu.data.ipp Sisältää ipp-protokollan ulospäin lähtevät paketit ja hoitaa niiden jäsentämisen. insitu.core Hoitaa ohjelman eri osien välisen kommunikoinnin. insitu.network Hoitaa tervittavien verkkoyhteyksien hallinnoinnin ja pakettien lähettämisen sekä vastaanottamisen Konteksti Käyttöliittymämoduuli käyttää graafien esittämiseen JFreeChart-kirjastoa[5] ja laajentaa ikkunointijärjestelmää käyttämällä InfoNode Docking Windows -kirjastoa[3] Muuntelu Ohjelman ydinosa kontrolloi todennäköisesti liian laajaa vastuualuetta. Tämän osan jakaminen useampaan loogiseen elementtiin saattaa tulla kyseeseen myöhemmin ohjelman laajetessa. Muutoksen tulee heijastua koodirakenteeseen etenkin, jos jako tehdään arkkitehtuurikuvauksen loogisella tasolla Taustat Arkkitehtuurissa ei sallita moduulien syklisiä riippuvuussuhteita. Syklisten riippuvuuksien on todettu haittaavat ylläpidettävyyttä, sillä muutokset yhdessä moduulissa vaikuttavat siitä riippuviin moduuleihin ja tällöin muutokset heijastuvat helposti suureen osaa ohjelmaa. Koska data- ja ui-moduulit hoitavat keskinäisen kommunikointinsa core-moduulissa olevien rajapintojen ja commands-moduulin kautta, esimerkiksi muutokset tietojen tallennusmuodossa eivät vaikuta käyttöliittymään. Periaatteena pidetään, että moduulien tulee riippua toisista mahdollisimman abstrakteista moduuleista. 18

25 Muut moduulit eivät ole riippuvaisia käyttöliittymästä, mikä mahdollistaa käyttöliittymän muutokset tai jopa vaihtamisen koskematta muuhun järjestelmään. Käyttöliittymämoduuli käyttää ulkoisia kirjastoja. Näiden käyttö on eristetty yhteen moduuliin, joten niiden vaihtaminen tai päivittäminen ei heijastu muualle järjestelmään. Vain data-moduuli on suoraan riippuvainen protokollamoduuleista, sillä todennäköisyys protokollien muutoksiin on suuri Termistö IMPv2 InSitu Mobile Protocol version 2. Tekstipohjainen protokolla, joka määrittää asiakasohjelmien (Leaf, PCLeaf) ja palvelinohjelman (Teacher s App) välisen kommunikaation. Kuvaa esimerkiksi kysymysten kysymisen ja niihin vastaamisen sekä kirjautumisen. IPP InSitu Projector Protocol. Tekstipohjainen protokolla, jolla ohjataan Projectorohjelmaa. Sisältää esimerkiksi kysymysten, vastausvaihtoehtojen ja vastausten näyttämisen. IRP InSitu Router Protocol. Tekstipohjainen protokolla, joka määrittää Router- ja Teacher s App -ohjelmien välisen kommunikaation. Kuvaa esimerkiksi tiedon lähettämisen ja vastaanottamisen annetulta asiakasohjelmalta ja keinot ilmoittaa verkon tilasta Lisätietoja Opettajan ohjelmasta on olemassa kolme aikaisempaa prototyyppiä. Näiden tarkastelemiseksi tulee ottaa yhteyttä tämän dokumentin laatijoihin. 3.3 Prosessirakenne Tässä luvussa esitetään opettajan ohjelman ajonaikainen suoritusrakenne, yhtäaikaisuuden hallinta, sekä resurssien käyttö Rakenteen kuvaus Teacher s App -ohjelman suorituksesta vastaavat pääsäikeen (Core Thread) lisäksi Javan käyttöliittymäsäie (Java AWT Thread, myöhemmin AWT-säie) ja yksi tai 19

26 Kuva 3.3: Opettajan ohjelman prosessit. useampi verkkoyhteyttä kuunteleva säie (Listener thread, myöhemmin listener-säie). Säikeet on esitetty kuvassa 3.3. Säikeet käyttävät jaettua dataa ja kommunikaation tulee olla synkronoitua. Kuvassa 3.4 on esitetty kunkin säikeen väliset kommunikaatiokeinot. Ohjelma reagoi käyttäjän syötteeseen Javan AWT -säikeen kautta. Tässä säikessä luodaan komento, joka asetetaan komentojonoon. Yleisesti ottaen, AWT-säikeessä suoritetaan kaikki sellainen toiminta, jonka lähteenä on ollut käyttöliittymäkomponentti. Pääsäie suorittaa komentojonoon asetetun komennon mielivaltaisen ajan kuluttua. Komennot suoritetaan saapumisjärjestyksessä. AWT-säikeessä voidaan myös luoda tapahtumia. Tällainen on esimerkiksi tietojen päivityksen pyyntö. Tapahtumat toimivat pääasiassa samalla tavalla kuin komennot, mutta ne on erotettu kahdeksi mekanismiksi semanttisista syistä. Komennot ovat suoraan käyttäjän antamia (Avaa, yhdistä), tapahtumat seurausta näistä (uusi ikkuna luotiin, se tulee päivittää). Lisäksi tapahtumajonossa olevat tapahtumat käsitellään vasta kun kaikki komentojonon tapahtumat on käsitelty. Näin useammasta osasta koostuvat komennot voivat osissaan luoda tapahtumia jotka käsitellään ja suoritetaan vasta kaikkien osien suoritusten jälkeen. AWT-säikeessä suoritetaan myös käyttöliittymän tietojen päivittäminen. Pääsäikeen tulee pysäyttää suorituksensa (kuvassa 3.4 invokeandwait()) ja antaa kullekin käyttöliittymäkomponentille suoritettavaksi erityinen update-toiminto. AWT- 20

27 Kuva 3.4: Teacher s App -ohjelman prosessit ja näiden kommunikaatio. 21

28 säie saa vain tässä metodissa hakea tietoa järjestelmän synkronoimattomasta datasta. Mikäli AWT-säie havaitsee tarpeen tietojen päivitykseen muualla, sen tulee luoda uusi päivityspyyntötapahtuma tätä varten ja suorittaa varsinainen päivitys updateoperaation yhteydessä. AWT-säie ei saa muuttaa järjestelmän tietoja muutoin kuin komentojen ja tapahtumien kautta. Listener-säikeet kuuntelevat verkkoyhteyttä ja lisäävät datajonoon sisään tulleen tiedon. Pääsäie käy väliajoin tarkastamassa jonon sisällön ja prosessoi sen. Vain pääsäie saa suoraan muuttaa järjestelmän synkronoimattomia tietoja Elementtilista Command Komento, joka laitetaan komentojonoon. Luodaan käyttöliittymäsäikeessä yleensä käyttäjän suorittaman komennon toteuttamiseksi. Command queue Synkronoitu komentojono, johon pääasiassa käyttöliittymäsäie asettaa luotuja komentoja. Pääsäie käy väliajoin tarkastamassa komentojonon, ja suorittaa sinne asetetut komennot. Core Thread Pääsäie joka huolehtii käyttöliittymää ja verkkoyhteyksiä lukuun ottamatta ohjelman suorituksesta. Data Kaikki se tieto, joka säilytetään ajonaikaisesti ohjelman muistissa, esimerkiksi käyttäjät, kysymykset ja saapuneet vastaukset. Data queue Synkronoitu jono, johon verkkoehteyksiä kuuntelevat säikeet asettavat vastaanottamansa merkkijonot (String). Event Järjestelmän (ei Javan virtuaalikoneen) tapahtuma, joka asetetaan tapahtumajonoon yleensä käyttöliittymäsäikeen toimesta. Event queue Synkronoitu jono, johon pääasiassa käyttöliittymäsäie asettaa tapahtumia. Pääsäie käy väliajoin tarkastamassa tapahtumajonon, ja käsittelee ne. Java AWT Thread ks. Event dispatching thread. Listener Thread Verkkoyhteyteen sisään tulevaa liikennettä kuunteleva säie Konteksti Javan virtuaalikone huolehtii AWT-säikeen luonnista ja ajon aikana luo kuuntelee käyttöjärjestelmän tapahtumia sekä luo tapahtumat joihin ohjelma voi reagoi- 22

29 da. Käyttöjärjestelmän tapahtumat tulevat oleellisesti mielivaltaisin aikavälein, joten pääsäikeen tulee tarkkailla pienin väliajoin komento- ja tapahtumajonoa. Verkkoyhteyksiin saapuu lähtökohtaisesti satunnaisin väliajoin satunnainen määrä tietoa, joten pääsäikeen tulee tarkkailla pienin väliajoin datajonoa Muuntelu Verkkoyhteyteen lähettäminen voidaan tarvittaessa jatkossa suorittaa omassa säikeessään (tai listener-säikeessä), mikäli viive kasvaa suurten tietomäärien vuoksi liiaksi. Käyttöliittymän päivitys ei kuitenkaan nykyisessä ratkaisussa pysähdy lähettämisen ajaksi, joten tämä ei näy käyttäjälle Taustat Kaiken prosessoinnin ja IO-liikenteen suorittaminen käyttöliittymäsäikeessä olisi todennäköisesti liian hidasta. Tämän lisäksi käyttöliittymä olisi tiukasti sidottu ohjelman muihin osiin, mitä haluttiin välttää ylläpidettävyyden parantamiseksi. IO-toiminta tiedettiin hitaaksi operaatioksi ja useasta paikasta satunnaisin väliajoin saapuvaa tietoa on suoraviivaisempi käsitellä omissa säikeissään sitä mukaan kun tietoa on saatavilla, joten kullekin verkkoyhteydelle luodaan sisään tulevaa liikennettä kuunteleva säie Termistö Event dispatching thread Javan virtuaalikoneen toteutusriippuvainen säie (tai säikeitä), joka huolehtii mm. käyttöliittymätapahtumien laukaisusta. String UTF-16 merkkijono. Synkronoitu Synkronoitu objekti varmistaa että se lukitaan muiden säikeiden suorittamalta kirjoittamiselta ja lukemiselta ennen kuin siihen kirjoitetaan ja vapautetaan muiden säikeiden luettavaksi ja kirjoitettavaksi kirjoittamisen jälkeen Lisätietoja Tarkempaa tietoa Javan AWT-säikeen suorituksesta on esitetty esimerkiksi Java 6 API:n EventQueue-luokan dokumentaatiossa [4]. 23

30 4 Router Router-ohjelma toimii linkkinä Teacher s App -ohjelman ja Bluetooth verkkoa käyttävien asiakaslaitteiden välillä. Ohjelma hallinnoi Bluetooth verkon palvelinpuolen fyysisiä laitteita ja välittää palvelimen ja asiakkaiden viestit. 4.1 Looginen rakenne Luvussa kuvataan Router-ohjelman eri avainosat ja näiden suhteet Rakenteen kuvaus Ohjelma on jaettu kahteen laajempaan osaan. Router huolehtii ohjelman pääasiallisesta toiminnasta ja BTManager yhteyden muodostuksesta Bluetooth-asiakkaisiin. Ohjelman rakenne on esitetty kuvassa Elementtilista Router Pääkomponentti joka huolehtii ohjelman toiminnasta lukuunottamatta yhteyden muodostusta. Sisältää tiedot laitteista ja socket-yhteyksistä. BTManager Huolehtii sisään tulevien Bluetooth-yhteyksien hyväksynnästä ja yhteydenmuodostuksesta asiakasohjelmaan Konteksti Router kommunikoi TCP/IP verkkoyhteyden kautta Teacher s App -ohjelman kanssa ja käyttäen USB-portteihin kytkettyjä Bluetooth-radiopiirejä asiakaslaitteiden oh- Kuva 4.1: Routerin elementit. 24

31 jelmien kanssa Taustat Router-ohjelman tulee ohjata useampaa Bluetooth-radiopiiriä, sillä verkkotekniikka asettaa rajoituksia pikoverkkojen koolle: kukin radiomoduuli voi hallinnoida korkeintaan seitsemää päätelaitetta. Verkkoon liitettävät päätelaitteet tulee tällöin määrätä keskitetysti kullekin moduulille. Router kommunikoi opettajan ohjelman kanssa IRP:tä käyttäen. Tämä protokolla ei ota kantaa siihen mitä asiakkaille tai asiakkailta välitettävät IMPv2-paketit sisältävät. Tällä varmistetaan se, ettei Router-ohjelmaan tarvitse tehdä muutoksia kun palvelimen ja asiakkaan välinen protokolla laajenee tai muuttuu. Router pyritään pitämään mahdollisimman yksinkertaisena, sen matalamman tason toteutuksen vuoksi Termistö Bluetooth Lyhyen kantaman radiotekniikkaan perustuva langaton tiedonsiirtotekniikka. USB Universal Serial Bus. Sarjaväyläarkkitehtuuri oheislaitteiden liittämiseksi tietokoneeseen. 4.2 Kehitysrakenne Kehitysrakenne kuvaa Routerin koodirakenteen kehitysvaiheessa Rakenteen kuvaus Ohjelma jakautuu loogisen rakenteen mukaisesti kahteen osaan. Kuvassa 4.2 on esitetty ohjelman rakenne. Bluetooth-kirjastoriippuvuus on eristetty yhteen moduuliin. Tällä pyritään esimerkiksi mahdollistamaan ohjelman toiminnan simulointia ja testausta siten, että BTManager voidaan korvata Bluetooth-yhteyksiä simuloivalla moduulilla. Ohjelma käyttää säikeitä yhteyden muodostukseen ja nämä on toteutettu Pthreadkirjaston avulla. 25

32 Kuva 4.2: Router-ohjelman elementit ja ulkoiset riippuvuudet Elementtilista Router Pääkomponentti joka huolehtii ohjelman toiminnasta lukuunottamatta yhteyden muodostusta. Sisältää tiedot laitteista ja socket-yhteyksistä. BTManager Huolehtii sisään tulevien Bluetooth-yhteyksien hyväksynnästä ja yhteydenmuodostuksesta asiakasohjelmaan. Bluetooth Linuxin kernelin Bluetooth kirjasto. Pthread Linuxin kernelin säiekirjasto Konteksti Router suoritetaan Linux-käyttöjärjestelmässä, sillä Windows-käyttöjärjestelmälle ei ole tällä hetkellä olemassa ilmaista ja riittävän laajaa Bluetooth-toteutusta. Bluetoothia ohjataan BlueZ-kirjaston kautta [2]. Kirjastosta ei ole olemassa tarkkaa dokumentaatiota vaan tähän tulee tutustua lukemalla Linuxin Bluetooth-työkalujen lähdekoodia. 4.3 Prosessirakenne Prosessirakenne kuvaa ohjelman suorituksen aikaisen rakenteen. Tässä luvussa esitetään yhtäaikaisuuden hallinta, sekä resurssien käyttö ohjelmaa suoritettaessa. 26

33 Kuva 4.3: Router-ohjelman prosessit Rakenteen kuvaus Router-ohejelman prosessirakenne esitetään kuvassa 4.3. Pääsäie käynnistää ohjelman käynnistyessä kutakin kirjautumismoduulia vastaavan kirjautumissäikeen. Nämä kuuntelevat sisään tulevia yhteyksiä ja katkaisevat sen heti sellaisen havaitessaan. Tämän jälkeen luodaan uusi yhteydenmuodostussäie ja tälle annetaan yhteydenmuodostuksesta saatu laitteen osoite. Kirjautumissäie jatkaa yhteyksien hyväksymistä ja yhteydenmuodostussäie suorittaa yhteyden muodostamisen joltain vapaalta radiomoduulilta annettuun osoitteeseen. Kun yhteys on muodostettu yhteydenmuodostussäie asettaa uuden laitteen laitteiden tietorakenteeseen ja säikeen suoritus päättyy. Pääsäie kuuntelee sisään tulevaa liikennettä sekä asiakkailta että palvelimelta. Eri socket-yhteyksien kuuntelu suoritetaan kanavointitekniikalla. Kun sisään on tullut riittävästi dataa, se käsitellään. Käsittelyn aikana luotu ulos suuntautuva data kirjoitetaan puskuriin odottamaan lähetystä. Kun pääsäie on prosessoinut sisään tulevan datan, se lähettää ulos suuntautuviin puskureihin asetetun datan eteenpäin. Ohjelman säikeiden välinen kommunikaatio on esitetty kuvassa Elementtilista Main Thread Ohjelman pääsäie joka huolehtii ohjelman toiminnasta yhteyden muodostusta lukuun ottamatta. Hello Thread Kirjautumissäie joka kuuntelee sisään tulevia yhteyksiä. Näitä luo- 27

34 Kuva 4.4: Router-ohjelman prosessit ja näiden kommunikaatio. daan yksi jokaista kirjautumismoduulia kohden. Säie luo yhteydenmuodostussäikeen vastaanottaessaan yhteyden. Connection Establishment Thread Yhteydenmuodostussäie, joka suorittaa yhteyden muodostuksen järjestelmästä asiakasohjelmaan. Devices Tietorakenne, jossa säilytetään tieto asiakaslaitteista. Kaikki operaatiot jotka kohdistuvat tähän tietorakenteeseen tulee synkronoida. IO Sisältää mm. sisään ja ulos suuntautuvat puskurit socket-yhteyksiä varten. Pääsäie käsittelee eri yhteydet (palvelimelle ja asiakkaille) kanavointitekniikalla Konteksti Järjestelmä toteutetaan luvussa mainituista syistä Linux-käyttöjärjestelmälle. Yhtäaikaisuuden hallintaan käytetään Linuxin Pthread-kirjastoa[11]. 28

35 4.3.4 Muuntelu Mikäli luvussa mainittu kanavointitekniikka verkkoyhteyksien lukemiseen ja niihin kirjoittamiseen luo liian suuren viiveen, voidaan ne siirtää omiksi säikeikseen Taustat Järjestelmän merkittävin suorituskykyvaatimus koskee Bluetooth-verkon muodostusta, josta huolehtii käytännössä kokonaan Router. Verkon muodostusta on tarkasteltu tarkemmin tutkielmassa Connection establishment and communication in InSitu system[8]. Verkkoyhteys tulee muodostaa pahimmillaan pariin sataan asiakaslaitteeseen. Router-ohjelmaan liitetään lähes poikkeuksetta useita Bluetooth-radiopiirejä, ja yhteys voidaan näiden kautta muodostaa useampaan laitteeseen yhtäaikaisesti. Eri teoreettiset menetelmät verkon muodostukseen käyttävät hieman eri lähestymistapaa, mutta hyödyntävät rinnakkaisuutta. Tämän vuoksi kunkin yhteyden muodostus suoritetaan omassa säikeessään ja jokaista mahdollisesti käytössä olevaa kirjautumismoduulia varten on oma säie, joka suorittaa yhteyden hyväksynnän Termistö Bluetooth Lyhyen kantaman radiotekniikkaan perustuva langaton tiedonsiirtotekniikka. Bluetooth radiopiiri Bluetooth dongle. Bluetooth-radion sisältävä USB-porttiin kytkettävä laite. Kirjautumismoduuli Bluetooth radiolaite jonka osoite on tiedossa asiakaslaitteiden käyttäjille ja johon voidaan ottaa yhteys. USB Universal Serial Bus. Sarjaväyläarkkitehtuuri oheislaitteiden liittämiseksi tietokoneeseen Huomioita Ohjelman tulee olla ajettavissa laitteessa, jossa ei välttämättä ole muita IO-laitteita kuin verkkokortti ja USB-väylät. Tämä tarkoittaa, että ohjelman tulee aktivoitua verkkoyhteyden muodostuessa ja nollautua sen katketessa, kuitenkin niin ettei ohjelma pääse sammumaan välillä. 29

36 5 Projector Projector-ohjelmaa näyttää joko kysymyksen ja vastausvaihtoehdot tai tulosgrafiikan annetussa muodossa. Projektoriohjelmaa ohjataan Teacher s App -ohjelman kautta. 5.1 Looginen rakenne Tässä luvussa kuvataan Projector-ohjelman looginen rakenne ja sen elementtien väliset suhteet Rakenteen kuvaus Ohjelma koostuu käyttöliittymän esittävästä osasta (UI) ja varsinaisesta toiminnallisuudesta huolehtivasta osasta (Projector). Näiden väliset riippuvuussuhteet on esitetty kuvassa Elementtilista Projector Ohjelman keskeisistä toiminnoista huolehtiva ydinosa. UI Ohjelman osa, joka esittää käyttöliittymän Konteksti Projector-elementin tulee pystyä tulkitsemaan IPP-paketteja. Kuva 5.1: Projector-ohjelman loogiset elementit ja näiden suhteet. 30

37 5.1.4 Muuntelu Mikäli datan käsittely laajenee merkittävästi, voi olla tarpeen irroittaa se Projectorelementistä omaksi loogiseksi elementikseen Taustat Projector on toteutettu erillisenä ohjelmana, koska luentotilanteessa kysymykset, vastausvaihtoehdot ja tulokset tulee näyttää yleisölle selkeässä muodossa ilman ylimääräisiä käyttöliittymäelementtejä ja silloin kun luennoitsija haluaa ne näytettävän. Käyttöliittymä on erotettu omaksi elementikseen, koska tiedon esitystapaa voidaan joutua muuttamaan, ja tällöin muutokset koskevat vain osaa ohjelmasta Termistö IPP InSitu Projector Protocol. Tekstipohjainen protokolla, jolla ohjataa InSitu Projector -ohjelmaa. Sisältää esimerkiksi kysymysten, vastausvaihtoehtojen ja vastausten näyttämisen. 5.2 Kehitysrakenne Tässä luvussa kuvataan Projector-ohjelman koodirakenne Rakenteen kuvaus Ohjelman jako koodimoduuleihin on esitetty kuvassa 5.2. Jako perustuu kuvassa 5.1 esitetylle ohjelman rakenteelle Elementtilista projector.core Hoitaa eri osien välisen kommunikoinnin ja datan hallinnoinnnin. projector.ui Hoitaa käyttöliittymän piirtämisen. projector.network Hoitaa tarvittavien verkkoyhteyksien hallinnoinnin ja pakettien lähettämisen sekä vastaanottamisen. projector.network.ipp Sisältää IPP-protokollan sisäänpäin tulevat paketit ja hoitaa niiden jäsentämisen. 31

38 Kuva 5.2: Projector-ohjelman koodielementit ja näiden suhteet Konteksti Käyttöliittymämoduuli käyttää graafien esittämiseen JFreeChart-Kirjastoa[5] Muuntelu Jos datan käsittelyn osuus kasvaa suureksi, voi olla että se kannattaa irroittaa coremoduulista omaksi moduulikseen Taustat Arkkitehtuurissa on pyritty pitämään ohjelma ylläpidettävänä kieltämällä sykliset riippuvuussuhteet pakettien välillä, jolloin rajoitetaan yhden osan muutosten heijastumista koko järjestelmään. Muut moduulit eivät ole riippuvaisia käyttöliittymästä, mikä mahdollistaa käyttöliittymän vaihtamisen tarvittaessa ilman, että muihin moduuleihin tarvitsee tehdä muutoksia. Ainoastaan network-moduuli on riippuvainen protokollamoduulista, sillä todennäköisyys protokollan muutoksiin on suuri. 32

39 Kuva 5.3: Projector-ohjelman prosessit ja näiden kommunikaatio Termistö IPP InSitu Projector Protocol. Tekstipohjainen protokolla, jolla ohjataa InSitu Projector -ohjelmaa. Sisältää esimerkiksi kysymysten, vastausvaihtoehtojen ja vastausten näyttämisen. 5.3 Prosessirakenne Tässä luvussa kuvataan Projector-ohjelman rakenne suorituksen aikana ja esitetään yhtäaikaisuuden hallinta, sekä resurssien käyttö Rakenteen kuvaus Projektori kuuntelee verkkoyhteyttä käyttäen listener-säiettä. Pääsäie käsittelee saapuvan tiedon ja huolehtii prosessoinnista. Java AWT-säie piirtää tiedot ruudulle. Ohjelman prosessirakenne on esitetty kuvassa Elementtilista Java AWT Thread ks. Event dispatching thread. Core Thread Pääsäie. Huolehtii tiedon prosessoinnista. 33

40 Listener Thread Kuuntelee verkkoyhteyttä ja välittää saapuvan tiedon pääsäikeelle Konteksti Verkkoyhteyksiin saapuu lähtökohtaisesti satunnaisin väliajoin satunnainen määrä tietoa, joten pääsäikeen tulee tarkkailla pienin väliajoin listener-säikeen puskuroimaa tietoa Termistö Event dispatching thread Javan virtuaalikoneen toteutusriippuvainen säie (tai säikeitä), joka huolehtii mm. ruudun päivityksestä. 34

41 6 Arkkitehtuurin laatu Tässä luvussa arvioidaan arkkitehtuurin laatua muokattavuuden, suorituskyvyn ja käytettävyyden näkökulmasta käyttäen apuna laatuskenaarioita. Skenaariot liitetään tehtyihin arkkitehtuuriratkaisuihin viittamaalla tämän dokumentin muihin osiin. Arvioinnissa käytetään pääasiassa prototyyppipohjaista kokemusperustaista asiantuntija-arviointia. 6.1 Skenaarioiden rakenne Kukin skenaario esitetään osana tiettyä arkkitehtuurin laatuattribuuttia. Skenaariosta annetaan lyhyt kuvaus, ja esitetään taulukko [1, 75] joka sisältää lähteen (engl. source), ärsykkeen (engl. stimulus), kohteen (engl. artifact), ympäristön (engl. environment), vastauksen (engl. responce) ja mittarin (engl. responce measure). Skenaarioiden kuvaamat vaatimukset linkitetään järjestelmän ratkaisuihin viittamaalla dokumentin muihin osiin. 6.2 Muokattavuus Muokattavuus on prototyyppijärjestelmälle olennainen vaatimus, sillä järjestelmää kehitetään jatkuvasti. Skenaarioiksi on tunnistettu todennäköisiä muutoksen kohteita esimerkiksi käyttöliittymä ja ulkoiset rajapinnat Skenaario: Ulkoisten kirjastojen päivittyminen Teacher s App -ohjelman käyttöliittymässä hyödynnetään ulkoisia kirjastoja, joiden päivittyminen on todennäköistä. Kirjastojen muuttuminen ei saa vaikuttaa muuhun järjestelmään, ja kirjastot tulee pitää ajan tasalla viimeisimpien korjausten ja ominaisuuksien hyödyntämiseksi. Skenaario on esitetty taulukossa 6.1. Käyttöliittymä on erotettu omaksi elementikseen luvussa 3.1 esitetyllä tavalla. Muu järjestelmä ei ole riippuvainen käyttöliittymästä, mikä mahdollistaa muutokset käyttöliittymään ilman sivuvaikutuksia. Kuten kuvasta 3.2 havaitaan, ulkoiset koodiriippuvuudet on eristetty yhteen pakettiin. Näillä ratkaisuilla varmistetaan skenaarion toteutuminen. 35

42 Skenaarion osa Lähde Ärsyke Kohde Ympäristö Vastaus Mittari Arvo Ulkoisen kirjaston muutos Tarve pitää kirjastot ajan tasalla Lähdekoodi Järjestelmän kehitysvaihe Kirjastot päivitetty ilman sivuvaikutuksia muihin järjestelmän osiin Yksi kehittäjä kahdessa tunnissa Taulukko 6.1: Skenaario: Ulkoisten kirjastojen päivittyminen Skenaario: Käyttöliittymän laajentaminen On todennäköistä, että Teacher s App -ohjelman käyttöliittymään joudutaan uusia ominaisuuksia. Tämä tulee olla mahdollista tehdä ilman, että se vaikuttaa muuhun järjestelmään. Skenaario on esitetty taulukossa 6.2 Skenaarion osa Lähde Ärsyke Kohde Ympäristö Vastaus Mittari Arvo Kehittäjä Tarve pitää kirjastot ajan tasalla Lähdekoodi Järjestelmän kehitysvaihe Käyttöliittymää muokattu ilman sivuvaikutuksia muihin järjestelmän osiin Yksi kehittäjä kahdessa tunnissa Taulukko 6.2: Skenaario: Käyttöliittymän laajentaminen Koska käyttöliittymä on erotettu omaksi elementikseen luvussa 3.1 esitetyllä tavalla, on siihen mahdollista tehdä muutoksia käyttöliittymään ilman sivuvaikutuksia Skenaario: Protokollan vaihto Jokin tiedonsiirtoprotokolla voidaan joutua suunnittelemaan uudestaan. Protokollan vaihto tulee olla mahdollista toteuttaa siten, ettei se aiheuta muutoksia muussa järjestelmässä. Koska kukin protokolla on erotettu omaksi paketikseen luvussa 3.2 esitetyllä tavalla, eivät protokolliin tehdyt muutokset heijastu muuhun ohjelmaan. 36