[소프트웨어설계] 4. 소프트웨어설계

소프트웨어의 설계 (Design)

소프트웨어 설계 모델링

• 개념: 요구사항을 만족하는 소프트웨어의 내부 구조 및 동적 행위들을 모델링하여 표현하고 분석, 검증, 명세화하는 단계
• 목적: 무엇을(What) ~ 어떻게(How)로 관점을 전환하면서 최종 제작할 소프트웨어의 청사진을 만드는 것
• 설계 모델링 시 주의사항
  • 요구사항 분석의 정확성
  • 명확성 : 복잡한 시스템을 간결하게 표현
  • 적절성 : 시스템의 구조를 명확하게 하고 각 모듈을 독립적으로 개발할 수 있게 함
  • 일관성 유지
  • 변화에 대한 대응
• SW 개발 단계에서 프로그래밍 언어 선택 시 고려사항
  • 개발 정보시스템의 특성
  • 사용자의 요구사항
  • 컴파일러의 가용성

소프트웨어 설계

• 개념:
  • 소프트웨어를 구성하는 뼈대를 정의하는 것
• 구분: 상위 설계(구조 설계), 하위 설계(기능 설계)

상위 설계 (High-Level Design)

• 개념: 전체 골조(뼈대)를 세우는 단계
• 아키텍처 설계: 시스템의 전체적인 구조
• 데이터 설계: 필요한 정보를 자료구조/데이터베이스 설계에 반영
• 시스템 분할: 여러 개의 서브 시스템으로 분리
• 인터페이스 설계: 시스템의 구조와 서브 시스템들 사이의 관계
• 사용자 인터페이스 설계: 사용자와 시스템의 관계

하위 설계 (Low-Level Design)

• 개념: 시스템의 내부 구조, 동적 행위 등을 결정해 제어와 데이터 간의 연결에 대해 구체적인 정의를 하는 단계
• 설계 방법: 절차기반(Procedure-Oriented), 자료위주(Data Oriented), 객체지향(Object-Oriented)

구분	상위설계	하위설계
정의	기본 적인 모듈 구성	모듈 내부의 동작 및 세부적인 구현 방법 정의
관련 내용	기능적, 비기능적 요구사항 고려	알고리즘, 데이터 구조, 변수 등
결과물	아키텍처 다이어그램	클래스 다이어그램, 시퀀스 다이어그램
추상화	높은 수준의 추상화	낮은 수준의 추상화
구현	구현 단계에서 구체화 필요 없음	구현 단계에서 구체화

소프트웨어의 설계 대상과 방법

설계 대상

• 구조 모델링
  • 소프트웨어를 구성하는 컴포넌트의 유형, 인터페이스, 내부 설계 구조 등 상호 연결 구조를 모델링
  • 구성요소 : 프로시저, 데이터 구조, 모듈, 파일 구조
  • 시스템 구조: 구성 요소들의 연결구조, 포함 관계
• 행위 모델링
  • 구성요소들이 언제, 어떤 순서로 기능을 수행하고 상호작용하는지를 모델링 하는 것
  • 입출력 데이터, 데이터의 흐름과 변환, 데이터의 저장, 실행 경로, 상태 전이, 이벤트 발생 순서 등

설계 방법

• 구조적 설계
• 자료 중심 설계
• 객체 지향 설계

소프트웨어 구조도 Structure Chart

• 개념
  • 구조적 설계 방법 중의 하나로 시스템의 구조를 표현하는 방법
  • 그래픽 다이어그램으로 각 모듈은 상자, 모듈 간의 관계는 선으로 연결됨
• 특징
  • 각 모듈 간의 의존성을 최소화해
  • 유지 보수성을 향상 시키고
  • 시스템의 복잡도를 낮춤
  • 대규모 소프트웨어 시스템의 설계와 개발에 효과적

용어	설명
Fan-in	주어진 한 모듈을 제어하는 상위 모듈수(”영향을 받는”)
Fan-out	주어진 한 모듈의 제어하는 하위 모듈 수(”영향을 주는”)

예) 모듈 F 에서의 Fan-in: 3, Fan-out: 2

• Fan-in, Fan-out을 분석하면 시스템 복잡도 파악이 가능하다
  • 복잡도 최적화를 위한 조건: Fan-in은 높이고 Fan-out은 낮추도록 설계

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구조적 분석 도구

*구조적 시스템 방법론에서의 분석문서: DFD, 소단위 명세서, DD

자료 흐름도 (DFD: Data Flow Diagram)

• 개념
  • 시스템 내의 노든 자료 흐름을 4가지 기본 기호(처리, 자료흐름, 자료 저장소, 단말) 로 기술
  • 총체적인 데이터 흐름 표시
  • 다차원적이고 자료 흐름 그래프 또는 버블 차트라고도 함
  • 정의하는 방식이 명확해야 함
  • 하향식 분할 원칙

💡 시간 흐름을 명확하게 표현할 수 있는 것은 DFD가 아닌 시퀀스 다이어그램

• 작성 원칙
  • 자료 보존의 원칙 : 출력 자료 흐름은 반드시 입력 자료 흐름을 이용해 생성
  • 최소 자료 입력의원칙
  • 독립성의 원칙 : 프로세스는 오직 자신의 입력 자료와 출력 자료 자체에 대해서만 앎
  • 지속성의 원칙
  • 순차 처리의 원칙
  • 영구성의 원칙

DFD 구성요소	의미	표기법
Process	자료를 변환시키는 시스템의 한 부분
Data Flow	자료의 흐름
Data Store	자료저장소(파일, 데이터베이스)
Terminator(단말)	자료의 발생지, 종착지 시스템의 외부에 존재하는 사람이나 조직체

소단위 명세서 (Mini-Specification)

• 개념:
  • 세분화된 DFD에서 최하위 단계 버블(프로세스)의 처리 절차를 기술한 것
  • 분석가의 문서이며 DFD를 지원하기 위해 작성
• 사용되는 도구
  • 구조적 언어, 선후 조건문,
  • 의사 결정표: 복잡한 의사결정 논리 기술할 때, 자료 처리 분야에서 사용
  • 의사 결정 나무: 불확실한 상황에서 의사결정할 때

자료 사전 (DD: Data Dictionary)

• 정의:
  • 명세와 자료 속성을 파악할 수 있도록 조직화한 도구
• 표기법

기호	의미	설명
=	자료의 정의	~로 구성(is compose of)
+	자료의 연결	그리고(and, along with)
( )	자료의 생략	생략할 수 있는 자료
[ ]	자료의 선택	다중 택일(selection) 또는(or), 항목간 구분은 1
{ }	자료의 반복	$\{\}_n$ : 최소 $n$번 이상 반복 $\{\}^n$ : 최대 $n$번 이하 반복 $\{\}_m^n$ : $m$번 이상 $n$번 이하 반복
**	자료의 설명	주석(comment)



• 역할: DFD의 모든 자료의 정의를 기술한 문서
• 기술해야 할 자료
  • 자료 흐름을 구성하는 자료 항목, 자료 저장소를 구성하는 자료 항목, 의미, 단위 및 값
• 작성 시 고려 사항
  • 자료의 의미 기술
  • 자료 구성 항목의 기술
  • 동의어(Alias): 동의어가 많아 혼동이 생길 수 있음, 동의어 간 서로 참조가 되는 관계 명시
  • 자료 정의의 중복 제거

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모듈과 결합도 응집도

모듈

• 개념: 전체 프로그램에서 어떠한 기능을 수행할 수 있는 실행 코드
• 특징
  • 재사용 가능
  • 자체적 컴파일 가능
  • 노동력 절감
  • 독립성은 결합도와 응집도에 의해 측정
  • 기억장치를 유용하게 사용 가능
  • 다른 모듈과의 과도한 상호 작용 회피
• 모듈화를 통해 얻을 수 있는 것
  • 유지보수 용이성, 재사용성, 테스트 용이성, 확장성, 독립성
• 목적: 모듈 간 결합도의 최소화, 모듈 내 요소 간의 응집도 최대

결합도(Coupling)

• 개념: 소로 다른 두 모듈 간의 상호 의존도로 두 모듈 간의 기능적인 연관 정도를 나타냄
• 특징:
  • 결합도를 약하게 하면 모듈 독립성 향상
  • 자료 결합도가 설계 품질이 가장 좋음

정도	종류	설명
약함 $\uparrow$	자료 결합도 (Data Coupling)	모듈 간의 인터페이스가 자료요소로만 구성, 모듈 간의 내용을 알 필요 없음
	스탬프 결합도 (Stamp Coupling)
	제어 결합도 (Control Coupling)
	외부 결합도 (External Coupling)
	공통 결합도 (Common Coupling)
$\darr$ 강함	내용 결합도 (Content Coupling)	한 모듈이 다른 모듈의 내부 기능 및 그 내부 자료를 조회하도록 설계 됨

응집도(Cohesion)

• 개념
  • 모듈 안의 요소들이 서로 관련된 정도
  • 모듈 간 최소한의 상호작용을 하여 하나의 기능 만을 수행하는 정도를 표현
• 특징
  • “응집도가 높다” → 필요한 요소들로 구성됨
  • “응집도가 낮다” → 요소 간의 관련성이 적음

정도	종류	설명
강함 $\uarr$	기능적 응집도 (Functional Cohesion)	모듈 내부의 모든 기능 요소가 한 문제와 연관
	순차적 응집도 (Sequential Cohesion)
	교환적 응집도 (Communicational Cohesion)
	절차적 응집도 (Procedural Cohesion)
	시간적 응집도 (Temporal Cohesion)
	논리적 응집도 (Logical Cohesion)
$\darr$ 약함	우연적 응집도 (Coincidental Cohesion)	모듈 내부의 각 기능 요소가 서로 관련이 없는 요소로만 구성

모듈 설계 방법

• 효과적인 모듈화 설계 방법
  • 출입구를 하나씩 갖게 해 복잡도, 중복성을 줄이고 일관성 유지
  • 전반적인 기능과 구조를 이해하기 쉬운 크기로 설계
  • 모듈 간 효과적인 제어를 위해 계층적 자료 조직이 제시되어야 함
• 모듈 설계 특징
  • “모듈 독립성이 높다” → 단위 모듈을 변경해도 타 모듈에 영향이 적음을 의미
    ⇒ 오류 발견과 해결 쉬워짐

모듈과 컴포넌트

모듈 vs 컴포넌트

• 모듈
  • 자신 만으로 동작할 수 있는 명령의 집합
  • 실질적으로 구현이 된 단위
  • 바로 재사용 X
• 컴포넌트
  • 독립적인 기능을 수행하는 모듈로 교체가 가능한 부품
  • 실제로 동작하고 있는 엔티티
  • 인터페이스를 통해 연결됨

구분	모듈	컴포넌트
목적	소프트웨어 복잡도 해소	소프트웨어 재사용성 향상
재사용 단위	소스코드	실행 코드
독립성	구현 언어 종속적, 플랫폼에 종속적	구현 언어 종속적, 동일 플랫폼 기반 개별적 연계
응용	단일 애플리케이션	분산 애플리케이션
중심 사상	모듈화, 추상화	객체지향, CBD(Component Base Development)

모듈 분할

• 특징: 유지보수 쉬움, 재사용 쉬움
• 모듈 분할 시 영향을 주는 설계 형태
  • 추상화(Abstraction)
  • 모듈화(Modularity)
  • 정보은닉(Information Hiding)
  • 복잡도(Complexity
  • 시스템 구조(System Structure)

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재사용과 공통 모듈

재사용

• 재사용 규모에 따른 구분
  • 함수의 객체
  • 애플리케이션
  • 컴포넌트

공통 모듈

• 개념
  • 재사용의 기본단위
  • 각 서브 시스템에서 공통으로 사용하는 기능을 묶어 하나의 공통된 모듈로 개발
• 특징
  • 모듈 재사용성을 높이고 중복 개발로 인한 낭비 없앰
  • 정합성 유지 및 중복 개발 방지
• 명세 기법: 정확성, 명확성, 완전성, 일관성, 추적성
• 공통 모듈 테스트 종류
  • 화이트박스 테스트(소스코드), 메소드 기반 테스트, 화면 기반 테스트

모듈 명세화 도구

• 명세화 도구의 종류
  • Flowchart, N-S 도표, Pseudo Code, Decision Table, Decision Diagram, PDL, State Transition Diagram, Action Diagram

N-S 도표(Nassi-Schneiderman Chart)

• 구조적 프로그램의 순차, 선택, 반복의 구조를 사각형을 도식화해 알고리즘의 논리적 기술에 중점을 둔 도형식 표현 방법
• 박스 다이어그램을 사용해 논리적인 제어 구조로 흐름을 표현
• 임의의 제어 이동 어려움
• 이해하기 쉽고 코드 변환 용이
• 제어 구조: 순차, 선택 및 다중 선택, 반복

의사코드(Psedo Code)

• 개념
  • 프로그래밍 언어로 작성한 코드가 아닌, 사람이 이해하기 쉽도록 약속된 형식으로 작성한 코드
• 특징
  • 알고리즘을 구체적으로 나타내기 위해 사용
  • 일반적으로 프로그래밍 언어와 비슷함
  • 컴파일 되지 않음
• 의사 결정표(Decision Table)
  • 모듈의 동작을 결정하는 조건과 결과를 표로 나타낸 문서
  • 모듈의 동작을 명확하게 설명
  • 모듈의 오류를 찾는 데 도움이 됨
  • 명세화 방법: 동작을 분석, 모듈이 어떤 입력을 받고 어떤 출력을 생성하는지 파악

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소프트웨어 아키텍처(Software Architecture)

소프트웨어 아키텍처

• 개념
  • 요구사항을 기반으로 소프트웨어의 기본 틀을 만드는 것
  • 다수의 이해 관계자가 참여하는 복잡한 개발에서 상호 이해, 타협, 의사소통을 체계적으로 접근하기 위한것
• 역할: 설계 및 구현을 위한 구조적/비 구조적인 특(Frame)을 제공
  • Structure Frame : 컴포넌트의 구조모델
  • Non Structure Frame : 구조모델 이외 다른 아키텍처 설계의 결정들
• 소프트웨어 아키텍처의 시스템 품질 속성
  • 가용성, 변경 용이성, 성능, 보안성, 사용편의성, 시험 용이성
• 소프트웨어 아키텍처 특징
  • 간략성, 추상화, 가시성
  • 복잡도 관리 종류: 과정 추상화, 데이터 추상화, 제어 추상화
• 평가 기준
  • 어떤 모듈로 구성?
  • 시스템은 어떻게 행동하고 연결?
  • 비 소프트웨어 구조와 어떻게 관계하고 있는 가?

아키텍처 프레임워크 구성 요소

• 아키텍처 프레임워크
  • 복잡한 소프트웨어 문제를 해결하거나 서술하는 데 필요한 기본 구조를 제공함으로써 재사용이 가능하게 함
• 구성요소
  • AD (Architecture Description) : 기록하기 위한 산출물
  • 이해관계자 (Stakeholder)
  • 관심사(Concerns)
  • 관점(Viewpoint)
  • View : 4+1 View

소프트웨어 아키텍처 설계

• 설계 원리: 단순성, 효율성, 분할(계층화), 추상화, 모듈화
• 설계 과정
  • 설계 목표 설정 → 시스템 타입 결정 → 스타일 적용 및 커스터마이즈
    → 서브 시스템의 기능, 인터페이스 동작 작성 → 아키텍처 설계 검토

소프트웨어 아키텍처 평가 방법론

• 평가 방법론 유형
  • Scenario Based : 미리 정의된 Profile에 의존해 평가, ATAM, SAAM
  • Simulation Based : BMT(BenchMarking Test)
  • Experience Based
  • Mathematical Model Based : 수학적 기반 모델
• 평가 방법론의 종류 ⭐
  • SAAM, ATAM, CBAM, ARID, ADR

소프트웨어 아키텍처 4+1 View Model

• 개념:
  • 다양하고 동시적인 View를 기반으로 소프트웨어 위주 시스템의 아키텍처를 묘사하는 View 모델
  • 다양한 측면을 고려하기 위해 다양한 관점을 바탕을 바탕으로 정의한 모델
  • 5계층 분류

구성	설명
Usecase View	설계하는 작업
Logical View	기능적인 요구사항이 어떻게 작동되는지
Process View	비기능적인 속성(비동기, 이벤트 처리 등)
Implementation View	정적인 모듈의 구성, 구조와 의존성을 보여줌
Deployment View(배포뷰)	배치 연결작업이 어떻게 실행되는지 매핑해서 보여줌

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소프트웨어 아키텍처 패턴

아키텍처(Architecture) 패턴

• 개념:
  • 소프트웨어 아키텍처를 설계하는 데 발생하는 문제점을 해결하기 위한 재사용 가능한 솔루션
  • 디자인 패턴과 유사하나 더 큰 범위
• 종류 : Layered, Client-Server, Mater-Slave, Pipe-Filter, Broker, Peer to Peer, Event-Bus, MVC, Blackboard, Interpreter
• 장점: 개발 시간 단축, 고품질 소프트웨어, 간편한 의사소통, 유지보수에 유리

계층(Layered) 구조 패턴

• 소프트웨어를 계층단위(Unit)으로 나누며, N-tier 아키텍처 패턴이라고도 함
• 3계층
  • Presentation Layer, Application Layer, Data Layer

• 4계층
  • Presentation Layer, Persistence Layer, Business Layer, Data Layer

MVC(Model View Controller) 패턴

• Model, View, Controller로 구성되고 UI와 비즈니스 로직을 분리해 유지보수성과 재사용성을 향상

MVC 패턴의 구성	설명
Model	데이터와 비즈니스 로직 관리, 사용자가 편집하기 원하는 모든 데이터를 가지고 있어야 함
View	레이아웃과 화면을 처리, 모델이 가지고 있는 정보를 따로 저장하면 안 됨
Controller	명령을 Model, View 부분으로 라우팅, 모델이나 뷰에 대해서 알고 있어야 함

장점: 유지보수 용이성, 재사용성, 확장성

단점: 구현 복잡성(의존성 높음), 성능 저하(데이터 전달 과정에서), 학습 비용

클라이언트 서버(Client Server) 패턴

• 하나의 서버와 다수 클라이언트로 구성
• 클라이언트가 서버에 서비스를 요청
• 서버는 응답을 위해 항상 대기 중

파이프 필터(Pipe-Filters) 패턴 ⭐

• 데이터 흐름(Data Stream)을 생성하고 처리하는 시스템을 위한 구조
• 필터:
  • 파이프를 통해 받은 데이터 변경, 결과 파이프로 전송,어휘 분석, 파싱, 의미 분석, 코드 생성 수행
• 필터 컴포넌트 : 처리 과정
• 파이프:
  • 처리되는 데이터 흐름, 버퍼링 또는 동기화 목적으로 사용

• 장점: 필터 교환과 재조합을 통한 높은 유연성, 확장성, 사용성
• 단점: 비용 소요, 데이터 변환에 과부화, 성능 저하, 복잡성, 의존성
• 활용: 컴파일러, 구문 분석, 의미 분석, 코드 생성

Peer to Peer 패턴

• 클라이언트-서버 + 대칭적 특징
• Peer가 하나의 컴포넌트로 대응됨
• 컴포넌트는 클라이언트, 서버 역할 모두 수행
• 분산 컴퓨팅 애플리케이션 구축 시 유연성 제공

브로커(Broker) 패턴

• 컴포넌트가 컴퓨터와 사용자를 역할
• 분산 시스템에 주로 사용
• 중앙 집중식 서버(Broker)가 존재해 Broker가 메시지 전달

블랙보드(Blackboard) 패턴

• 문제를 풀어가는 하나의 방식을 정의

이벤트 버스(Event-Bus) 패턴

• 소스 이벤트가 메시지를 발행하면 해당 채널 구독자가 메시지 수신 후 이벤트를 처리하는 방식

인터프리터(Interpreter) 패턴

• 특정 언어로 작성된 프로그램을 해석하는 컴포넌트를 설계할 때 사용

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코드 설계

*프로그래밍 코드가 아닌 자료를 분류하기 위한 코드

• 개념
  • 데이터의 사용 목적에 따라서 식별하고 분류 하기 위하여 사용하는 숫자, 문자, 또는 기호
  • 그룹으로 분류, 순번으로 나열해 체계화함
• 설계 순서
  • 코드 대상 선정 → 코드화 목적 명확화 → 코드 부여 대상 수 확인 → 사용 범위 결정 → 사용 시간 결정
    
    → 코드화 대상의 특정 분석 → 코드 부여 방식 결정 → 코드의 문서화
  • 코드와 항복 선정 → 사용 범위와 사용 기간 결정 → 코드화 항목의 특성 분석 → 코드 설계와 체크
    
    → 코드의 번역, 코드표 작성 → 코드 파일의 작성 → 코드 파일과 코드표 관리
• 설계 시 고려사항 : 기계처리의 적합성, 편리성, 코드의 공통성, 체계성, 유연성
• 특성
  • 고유성, 분류 편리성, 배열의 효율성, 간결성, 유지보수 편리성,
  • 코드의 독립성, 코드의 편의성, 추가 및 삭제 편리성

코드의 기본적 기능	코드의 3대 기능	코드의 부가적 기능
표준화 기능	분류 기능	연상 기능
간소화 기능	식별 기능	암호화 기능
	배열 기능	오류 검출 기능

코드의 분류

순차 코드(Sequence Code)

어떤 일정한 배열로 일련번호를 배당

• 항목 수가 적고, 변경이 적은 자료에 적합
• 일정 순서대로 코드 할당

블록 코드(Block Code, 구분 코드)

미리 공통의 특성에 따라서 임의의 크기를 블록으로 구분해 각 블록 안에서 일련 번호를 배정

• 기계처리가 어려움

그룹 분류식 코드(Group Classification Code)

기준에 따라 대분류, 중분류, 소분류로 구분하고 순서대로 번호를 부여

10진 분류 코드(Decimal Code, DDC)

주로 도서 분류 코드에 사용

• 예) 100 : 국문학, 200 : 철학

표의 숫자 코드(Significant Digit Code, 유효숫자 코드) ⭐

길이, 넓이, 부피, 무게 등을 나타내는 문자나 숫자, 기호를 그대로 사용

• 추가 및 삭제가 쉬움
• 같은 코드를 반복 사용해 오류 적음
• 예) 127-890-1245 : 두께-127mm, 폭-890mm, 길이-1245mm의 강판

연상 코드(Mnemonic Code, 기호 코드)

품목 명칭 일부를 코드 속에 넣음

• 예) TV-39-C : TV 39인치 컬러

코드의 오류 종류

구분	의미	예
필사 오류(Transcription Error)	한 자리 잘못 기록	1234 → 1237
전위 오류(Transposition Error)	좌우 자리 바꿈	1234 → 2134
이중 오류(Double Transposition Error)	전위 오류가 두 개 이상 발생	1234 → 2143
생략 오류(Missing Error)	한 자리 빼고 기록	1234 → 123
추가 오류(Addition Error)	한 자리 추가해 기록	1234 → 12345
임의 오류(Random Error)	두 가지 이상의 오류가 결합	1234 → 21345