In diesem Artikel werden wir den Unterschied zwischen zwei in der Informatik weit verbreiteten Begriffen untersuchen: Layers und Tiers (zu deutsch: Schichten und Ebenen). Diese Begriffe beziehen sich auf die Architektur von Systemen, aber sie haben jeweils eine spezifische Bedeutung, die es zu verstehen gilt. Ein Layer bezieht sich in der Regel auf eine abstrakte Schicht innerhalb einer Software- oder Netzwerkarchitektur, die eine bestimmte Funktion oder Aufgabe erfüllt und unabhängig von anderen Schichten arbeitet. Tiers hingegen beziehen sich auf die physische oder logische Trennung von Komponenten innerhalb eines Systems, insbesondere bei der Verteilung von Aufgaben auf verschiedene Server oder Maschinen. Oft wird die Unterscheidung zwischen diesen Begriffen nicht klar getroffen, was zu Missverständnissen führen kann, besonders wenn es um die Gestaltung von skalierbaren und robusten Systemen geht.

Layers / Schichten

Der Begriff „Layers“ bezieht sich auf eine logische Trennung von Code und ist eine häufig verwendete Methode zur Strukturierung von Softwareanwendungen. In diesem Kontext versteht man unter einer „Schicht“ eine Sammlung verwandter Funktionen und Verantwortlichkeiten, die in einer bestimmten Ebene der Architektur einer Anwendung zusammengefasst sind. Jede Schicht erfüllt eine spezifische Rolle und interagiert mit den anderen Schichten auf definierte Weise.

Mit anderen Worten handelt es sich bei Schichten um eine Art von Modularisierung, die den Code in einzelne, zusammenhängende Einheiten unterteilt. Jede Schicht ist unabhängig und abstrahiert ihre Implementierungsdetails, was die Komplexität der Anwendung reduziert und eine klarere Trennung der Verantwortlichkeiten ermöglicht.

Die Strukturierung von Anwendungen in Schichten verfolgt mehrere Ziele, wobei Portabilität und Wartbarkeit zu den wichtigsten gehören. Durch die Trennung der Funktionen in Schichten wird der Code leichter verständlich und erweiterbar. Änderungen oder Erweiterungen können oft innerhalb einer bestimmten Schicht vorgenommen werden, ohne dass andere Teile der Anwendung betroffen sind. Dies erhöht die Flexibilität und erleichtert langfristige Wartung und Anpassung.

Ein weiteres bedeutendes Ziel der Schichtenarchitektur ist die Erhöhung der Testbarkeit. Jede Schicht kann unabhängig getestet werden, was zu einer besseren Fehlererkennung und einer höheren Codequalität führt. Dies wird besonders dann wichtig, wenn komplexe Systeme über mehrere Entwicklerteams hinweg entwickelt werden, da klar definierte Schichten die Kommunikation und das Verständnis zwischen den Teams vereinfachen.

Schichtarchitektur ist jedoch nicht die einzige Architektur, in der das Konzept der Schichten zum Einsatz kommt. Auch in der hexagonalen Architektur – einer anderen weit verbreiteten Architektur für Softwareanwendungen – wird dieses Konzept verwendet. In der hexagonalen Architektur werden die verschiedenen Verantwortlichkeiten und Schnittstellen ebenfalls in logische Schichten unterteilt, allerdings mit einem besonderen Fokus auf die Trennung der Anwendungslogik von den externen Schnittstellen wie Datenbanken oder Benutzeroberflächen.

Beispiel

Als Beispiel für eine klassische Schichtarchitektur könnte man eine typische Webanwendung betrachten, die aus mehreren klar voneinander abgegrenzten Schichten besteht. Diese könnten wie folgt unterteilt werden:

1. Benutzeroberflächenschicht (Presentation Layer): Diese Schicht ist für die Darstellung der Anwendung und die Interaktion mit dem Benutzer verantwortlich. Sie empfängt Benutzereingaben, zeigt Informationen an und sorgt dafür, dass die Benutzererfahrung möglichst reibungslos ist.
2. Geschäftslogikschicht (Business Logic Layer): In dieser Schicht wird die eigentliche Logik der Anwendung verarbeitet. Sie führt alle Geschäftsregeln aus und entscheidet, wie die Daten verarbeitet werden sollen. Diese Schicht nimmt Eingaben aus der Benutzeroberfläche entgegen, verarbeitet sie und leitet die Ergebnisse an die Datenzugriffsschicht weiter.
3. Datenzugriffsschicht (Data Access Layer): Diese Schicht ist für den Zugriff auf die Datenquelle zuständig, sei es eine Datenbank, ein Web-Service oder eine andere Datenquelle. Sie sorgt dafür, dass die benötigten Daten abgerufen, gespeichert oder verändert werden, ohne dass die Geschäftslogik oder die Benutzeroberfläche direkt mit den Details der Datenhaltung in Berührung kommt.

Es ist wichtig zu betonen, dass die Trennung der Schichten rein logisch ist und nichts mit ihrer physischen Trennung zu tun hat. Das bedeutet, dass Schichten in der Softwarearchitektur nicht notwendigerweise auf verschiedenen Servern oder in unterschiedlichen physischen Umgebungen implementiert werden müssen. Wenn wir von „Schichten“ sprechen, meinen wir die logische Trennung von Verantwortlichkeiten und nicht, wie oder wo diese Schichten letztlich bereitgestellt werden.

Inversion of Control

Ein weiteres Konzept, das in diesem Zusammenhang eine Rolle spielt, ist die sogenannte „Inversion of Control“ (IoC), die häufig in schichtenbasierten Architekturen verwendet wird, um die Abhängigkeiten zwischen den Schichten zu steuern. Dabei wird die Kontrolle über den Ablauf der Anwendung nicht von einer Schicht selbst übernommen, sondern an eine andere Instanz übergeben. Dies führt zu einer weiteren Entkopplung der Schichten und ermöglicht eine flexiblere Gestaltung der Architektur.

Zusammenfassung

Insgesamt bietet das Konzept der Schichtarchitektur viele Vorteile in der Softwareentwicklung, vor allem im Hinblick auf Modularität, Wartbarkeit und Erweiterbarkeit. In komplexen Anwendungen ermöglicht es eine saubere Trennung der Verantwortlichkeiten und hilft dabei, den Code über längere Zeiträume hinweg zu pflegen und weiterzuentwickeln. Die richtige Implementierung und das Verständnis der Schichtarchitektur sind daher von entscheidender Bedeutung für den langfristigen Erfolg eines Softwareprojekts.

Tiers / Ebenen

Der Begriff „Ebenen“ (oder „Tiers“ im Englischen) bezieht sich auf die physische Struktur einer Softwarearchitektur und beschreibt, wie die verschiedenen Schichten einer Anwendung auf unterschiedliche physische Ressourcen oder Umgebungen verteilt werden. Im Gegensatz zu den Schichten, die eine logische Trennung der Verantwortlichkeiten und Funktionen einer Anwendung darstellen, geht es bei Ebenen um die physische Trennung dieser Schichten und die Topologie der Anwendung. Diese physische Trennung kann dazu beitragen, die Leistung und Skalierbarkeit zu optimieren und die Anwendung in einer realen IT-Umgebung effektiver bereitzustellen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Ebenen nicht notwendigerweise in einer Eins-zu-eins-Beziehung mit den Schichten stehen. Das bedeutet, dass nicht jede Schicht in einer eigenen Ebene untergebracht werden muss. In der Praxis kann eine Schicht auf mehreren Ebenen verteilt sein oder mehrere Schichten in einer einzigen Ebene untergebracht werden, je nach den Anforderungen und der Architektur der Anwendung. Wenn wir also von den Ebenen einer Anwendung sprechen, beziehen wir uns auf die physische Bereitstellung der Software und ihre Verteilung auf verschiedene Rechner, Server oder Netzwerke.

Ein gutes Beispiel zur Veranschaulichung dieses Konzepts ist die physische Unterteilung einer Anwendung, die wir bereits im vorherigen Absatz als „geschichtete Anwendung“ beschrieben haben:

n-Ebenen-Architektur

Ein typisches Beispiel für eine Ebenenarchitektur ist die sogenannte n-Ebenen-Architektur, bei der jede Schicht physisch auf einer separaten Ebene platziert wird. Diese Struktur kann auf verschiedene Arten implementiert werden, und eine häufige Umsetzung ist die 3-Ebenen-Architektur, die in vielen klassischen Anwendungen zu finden ist. In einer solchen Architektur könnte jede der drei Schichten (Benutzeroberfläche, Geschäftslogik und Datenzugriff) auf unterschiedlichen physischen Maschinen oder Servern ausgeführt werden.

In der 3-Ebenenarchitektur sind die drei Ebenen oft wie folgt aufgeteilt:

1. Präsentationsebene (UI-Ebene): Diese Ebene ist für die Benutzerinteraktion zuständig und umfasst die Front-End-Komponenten, die der Benutzer sieht und mit denen er interagiert. Sie könnte auf einem Client-Computer oder einem Webserver ausgeführt werden.
2. Anwendungsebene (Business Logic-Ebene): Hier wird die Geschäftslogik verarbeitet. Diese Ebene enthält die Kernfunktionen der Anwendung und verarbeitet die Eingaben aus der Benutzeroberfläche. Sie könnte auf einem dedizierten Server gehostet werden, der mit der Benutzeroberfläche über ein Netzwerk kommuniziert.
3. Datenbankebene (Data Access-Ebene): Diese Ebene ist für die Speicherung und den Zugriff auf Daten zuständig. Sie besteht häufig aus einer relationalen Datenbank oder einer anderen Datenspeicherlösung. In einer klassischen 3-Ebenenarchitektur ist die Datenbank auf einem separaten Server untergebracht, um eine effiziente und skalierbare Speicherung zu gewährleisten.

Diese physische Trennung ermöglicht eine klare Trennung der Verantwortlichkeiten und sorgt für eine bessere Wartbarkeit und Skalierbarkeit der Anwendung. Beispielsweise könnte die Datenbankebene unabhängig von der Anwendungsebene skaliert werden, um den erhöhten Bedarf an Datenzugriff zu bewältigen, ohne die anderen Teile des Systems zu beeinflussen.

Client-Server-Architektur

Ein weiteres Beispiel ist die 2-Ebenen-Architektur oder Client-Server-Architektur, bei der zwei Hauptkomponenten die Anwendung bilden. In diesem Fall befinden sich die Benutzeroberfläche und die Geschäftslogik in unterschiedlichen Ebenen, wobei die Datenzugriffsschicht oft mit der Geschäftslogikschicht zusammen auf der gleichen Ebene untergebracht ist.

In einer typischen 2-Ebenen-Architektur könnte die Anwendungsstruktur wie folgt aussehen:

1. Client-Ebene: Diese Ebene beherbergt die Benutzeroberfläche (UI-Schicht). Der Client stellt Anfragen an den Server und zeigt die Ergebnisse an. Diese Ebene kann auf einem lokalen Computer oder über das Web auf einem Browser zugänglich sein.
2. Server-Ebene: Auf dieser Ebene werden sowohl die Geschäftslogik als auch der Datenzugriff verarbeitet. Der Server empfängt Anfragen vom Client, führt die benötigte Logik aus und greift auf die Datenbank zu, um die angeforderten Daten abzurufen oder zu speichern. In dieser Architektur ist der Server die zentrale Einheit, die die Anwendung verarbeitet.

Die 2-Ebenen-Architektur eignet sich besonders gut für kleinere Anwendungen oder Systeme, bei denen die Last auf den Servern nicht zu hoch ist und keine komplexe Trennung zwischen den Schichten erforderlich ist. Diese Struktur bietet eine einfachere Bereitstellung und Wartung, kann aber bei wachsendem Datenvolumen oder steigenden Anforderungen an die Skalierbarkeit schnell an ihre Grenzen stoßen.

Vorteile der Ebenenarchitektur

Die Trennung von Schichten und Ebenen bietet viele Vorteile, insbesondere im Hinblick auf Skalierbarkeit, Wartbarkeit und Flexibilität:

1. Skalierbarkeit: Durch die physische Trennung der Ebenen können einzelne Ebenen unabhängig skaliert werden. Wenn beispielsweise die Geschäftslogik-Schicht stark belastet wird, kann diese Ebene horizontal oder vertikal skaliert werden, ohne dass die anderen Ebenen betroffen sind.
2. Fehlerisolierung: Die Trennung von Schichten und Ebenen ermöglicht es, Fehler auf einer bestimmten Ebene zu isolieren. Wenn eine Ebene ausfällt, hat dies keine direkten Auswirkungen auf die anderen Ebenen, was die Fehlersuche und -behebung erleichtert.
3. Flexibilität und Erweiterbarkeit: Anwendungen können leichter erweitert oder modifiziert werden, da Änderungen an einer Ebene oft keine Auswirkungen auf andere Ebenen haben. Dies erleichtert es, die Anwendung im Laufe der Zeit anzupassen und zu erweitern, ohne die gesamte Struktur neu zu gestalten.
4. Wartbarkeit: Eine klare Trennung zwischen den Ebenen erleichtert das Management und die Wartung der Anwendung, da Entwickler und Administratoren klar definierte Schnittstellen und Verantwortlichkeiten haben, die den Betrieb und die Pflege der Software effizienter gestalten.

Insgesamt trägt die Unterteilung einer Anwendung in logische Schichten und physische Ebenen dazu bei, die Architektur effizienter, skalierbarer und wartungsfreundlicher zu gestalten, während gleichzeitig eine hohe Flexibilität und Fehlertoleranz gewährleistet wird.

Fazit

In diesem Artikel haben wir die Konzepte Layers und Tiers definiert und erläutert, wie diese der logischen und physischen Architektur zugeordnet werden. Dabei haben wir untersucht, wie Layers die Struktur und die verschiedenen Funktionsebenen innerhalb einer Softwarearchitektur repräsentieren, indem sie unterschiedliche Aufgaben und Verantwortlichkeiten innerhalb eines Systems abstrahieren. Jede Schicht ist dabei isoliert und unabhängig, wodurch eine klare Trennung der Aufgaben ermöglicht wird. Tiers hingegen beziehen sich auf die physische Aufteilung der Systemkomponenten, insbesondere in einer verteilten Architektur, bei der unterschiedliche Komponenten auf unterschiedlichen Servern oder Maschinen ausgeführt werden, um Skalierbarkeit, Lastverteilung und Fehlertoleranz zu gewährleisten. Wir haben auch die Wichtigkeit der Unterscheidung zwischen diesen beiden Begriffen hervorgehoben, um Missverständnisse zu vermeiden und eine präzise Kommunikation bei der Planung und dem Design von IT-Systemen zu ermöglichen.

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