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Maintain a model of the user.
In this case, the model maintained is of the user. It determines the
user's knowledge of the system, the user's behavior in terms of expected response time, and other
aspects specific to a user or a class of users. For example, maintaining a user model allows the
system to pace scrolling so that pages do not fly past faster than they can be read.
Maintain a model of the system.
In this case, the model maintained is that of the system. It
determines the expected system behavior so that appropriate feedback can be given to the user.
The system model predicts items such as the time needed to complete current activity.
User interfaces are typically revised frequently during the testing process. That is, the usability engineer
will give the developers revisions to the current user interface design and the developers will implement
them. This leads to a tactic that is a refinement of the modifiability tactic of semantic coherence:
Separate the user interface from the rest of the application.
Localizing expected changes is the
rationale for semantic coherence. Since the user interface is expected to change frequently both
during the development and after deployment, maintaining the user interface code separately will
localize changes to it. The software architecture patterns developed to implement this tactic and to
support the modification of the user interface are:
- Model-View-Controller
- Presentation-Abstraction-Control
- Seeheim
- Arch/Slinky
Figure 5.13
shows a summary of the runtime tactics to achieve usability.
Figure 5.13. Summary of runtime usability tactics
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5.8 Relationship of Tactics to Architectural Patterns
We have presented a collection of tactics that the architect can use to achieve particular attributes. In
fact, an architect usually chooses a pattern or a collection of patterns designed to realize one or more
tactics. However, each pattern implements multiple tactics, whether desired or not. We illustrate this by
discussing the Active Object design pattern, as described by [Schmidt 00
Active Object
design pattern decouples method execution from method invocation to
enhance concurrency and simplify synchronized access to objects that reside in their own
thread of control.
The pattern consists of six elements: a 
, which provides an interface that allows clients to invoke
publicly accessible methods on an active object; a 
method request
, which defines an interface for
executing the methods of an active object; an 
activation list
, which maintains a buffer of pending method
requests; a 
, which decides what method requests to execute next; a 
, which defines
the behavior and state modeled as an active object; and a 
, which allows the client to obtain the
result of the method invocation.
The motivation for this pattern is to enhance concurrency—a performance goal. Thus, its main purpose is
to implement the "introduce concurrency" performance tactic. Notice the other tactics this pattern involves,
Information hiding (modifiability).
Each element chooses the responsibilities it will achieve and hides
their achievement behind an interface.
Intermediary (modifiability).
The proxy acts as an intermediary that will buffer changes to the method
Binding time (modifiability).
The active object pattern assumes that requests for the object arrive at
the object at runtime. The binding of the client to the proxy, however, is left open in terms of binding
Scheduling policy (performance).
The scheduler implements some scheduling policy.
Any pattern implements several tactics, often concerned with different quality attributes, and any
implementation of the pattern also makes choices about tactics. For example, an implementation could
maintain a log of requests to the active object for supporting recovery, maintaining an audit trail, or
supporting testability.
The analysis process for the architect involves understanding all of the tactics embedded in an
implementation, and the design process involves making a judicious choice of what combination of tactics
will achieve the system's desired goals.
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5.9 Architectural Patterns and Styles
An architectural pattern in software, also known as an architectural style, is analogous to an architectural
style in buildings, such as Gothic or Greek Revival or Queen Anne. It consists of a few key features and
rules for combining them so that architectural integrity is preserved. An architectural pattern is determined
A set of element types (such as a data repository or a component that computes a mathematical
A topological layout of the elements indicating their interrelation-ships.
A set of semantic constraints (e.g., filters in a pipe-and-filter style are pure data transducers—they
incrementally transform their input stream into an output stream, but do not control either upstream
or downstream elements).
A set of interaction mechanisms (e.g., subroutine call, event-subscriber, blackboard) that determine
how the elements coordinate through the allowed topology.
Mary Shaw and David Garlan's influential work attempted to catalog a set of architectural patterns that
they called architectural 
. This has been evolved by the software engineering community
into what is now more commonly known as architectural patterns, analogous to design patterns and code
The motivation of [Shaw 96
] for embarking on this project was the observation that high-level
abstractions for complex systems exist but we do not study or catalog them, as is common in other
engineering disciplines.
These patterns occur not only regularly in system designs but in ways that sometimes prevent us from
recognizing them, because in different disciplines the same architectural pattern may be called different
things. In response, a number of recurring architectural patterns, their properties, and their benefits have
been cataloged. One such catalog is illustrated in Figure 5.14
Figure 5.14. A small catalog of architectural patterns, organized by is-a relations
In this figure patterns are categorized into related groups in an inheritance hierarchy. For example, an
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Dim outPutFilePath As String = "" Dim doc As PDFDocument = New PDFDocument(filepath) ' Copy the first page of PDF document VB.NET: Copy and Paste PDF Pages.
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event system is a substyle of independent elements. Event systems themselves have two subpatterns:
implicit invocation and explicit invocation.
What is the relationship between architectural patterns and tactics? As shown earlier, we view a tactic as
a foundational "building block" of design, from which architectural patterns and strategies are created.
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5.10 Summary
In this chapter we saw how the architect realizes particular quality attribute requirements. These
requirements are the means by which a system achieves business goals. Our interest here was in the
used by the architect to create a design using architectural patterns and strategies.
We provided a list of well-known tactics for achieving the six quality attributes elaborated in Chapter 4
availability, modifiability, performance, security, testability, and usability. For each we discussed the tactics
that are available and widely practiced.
As we discussed, in relating tactics to patterns the architect's task has only just begun when the tactics
are chosen. Any design uses multiple tactics, and understanding what attributes are achieved by them,
what their side effects are, and the risks of not choosing other tactics is essential to architecture design.
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5.11 Discussion Questions
1: As in question 3 from Chapter 4
, consider a widely used Web site, such as Amazon or eBay.
What tactics would you need to consider when choosing the architectural patterns or architectural
strategies for meeting the performance requirements you enumerated in that question?
2: Given the set of tactics you chose in question 1, what tradeoffs with other quality attributes might
you expect from using them (such as security, availability, and modifiability)?
3: Usability is not always given due consideration in architecture design, making usability system
goals often difficult to achieve because they are treated as an afterthought. Think of a system
where you are familiar with the architecture and try to enumerate the usability tactics, if any, it has
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5.12 For Further Reading
Further reading about security can be found in [Ramachandran 02
]; about the relationship between
usability and software architectural patterns, in [Bass 01a
]; and about availability techniques for
distributed systems, in [Jalote 94
]. [McGregor 01
] is a source of information about testability.
The two-volume reference on architectural patterns, [Buschmann 96
] and [Schmidt 00
], discusses the
MVC and PAC patterns (vol. 1) and pattern-oriented software architecture (vol. 2).
The Simplex architecture for availability is discussed at http://www.sei.cmu.edu/simplex/
[Bachmann 02
] discusses the use of tactics as a basis for analysis of modifiability and performance;
[Chretienne 95
] discusses various types of scheduling theory; and [Briand 99
] discusses coupling
The Model-View-Controller pattern is documented in [Gamma 95
], the Presentation-Abstraction-Control
pattern in [Buschmann 96
], the Seeheim pattern in [Pfaff 85
], and Arch/Slinky, in [UIMS 92
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Chapter 6. Air Traffic Control: A Case Study in Designing for
High Availability
 has faced this problem [of complexity] throughout its decade-old attempt to
replace the nation's increasingly obsolete air traffic control system. The replacement, called
Advanced Automation System, combines all the challenges of computing in the 1990s. A
program that is more than a million lines in size is distributed across hundreds of computers
and embedded into new and sophisticated hardware, all of which must respond around the
clock to unpredictable real-time events. Even a small glitch potentially threatens public
—W. Wayt Gibbs [Gibbs 94]
Air traffic control (ATC) is among the most demanding of all software applications. It is 
hard real time
meaning that timing deadlines must be met absolutely; it is 
safety critical
, meaning that human lives may
be lost if the system does not perform correctly; and it is 
highly distributed
, requiring dozens of
controllers to work cooperatively to guide aircraft through the airways system. In the United States, whose
skies are filled with more commercial, private, and military aircraft than any other part of the world, ATC is
an area of intense public scrutiny. Aside from the obvious safety issues, building and maintaining a safe,
reliable airways system requires enormous expenditures of public money. ATC is a multibillion-dollar
This chapter is a case study of one part of a once-planned, next-generation ATC system for the United
States. We will see how its architecture—in particular, a set of carefully chosen views (as in Chapter 2
coupled with the right tactics (as in Chapter 5
)—held the key to achieving its demanding and wide-
ranging requirements. Although this system was never put into operation because of budgetary
constraints, it was implemented and demonstrated that the system could meet its quality goals.
In the United States, air traffic is controlled by the Federal Aviation Administration (FAA), a government
agency responsible for aviation safety in general. The FAA is the customer for the system we will
describe. As a flight progresses from its departure airport to its arrival airport, it deals with several ATC
entities that guide it safely through each portion of the airways (and ground facilities) it is using. 
coordinates the movement of aircraft on the ground at an airport. Towers control aircraft flying
within an airport's 
terminal control area
, a cylindrical section of airspace centered at an airport. Finally,
en route centers
divide the skies over the country into 22 large sections of responsibility.
Consider an airline flight from Key West, Florida, to Washington, D.C.'s Dulles Airport. The crew of the
flight will communicate with Key West ground control to taxi from the gate to the end of the runway, Key
West tower during takeoff and climb-out, and then Miami Center (the en route center whose airspace
covers Key West) once it leaves the Key West terminal control area. From there the flight will be handed
off to Jacksonville Center, Atlanta Center, and so forth, until it enters the airspace controlled by
Washington Center. From Washington Center, it will be handed off to the Dulles tower, which will guide its
approach and landing. When it leaves the runway, the flight will communicate with Dulles ground control
for its taxi to the gate. This is an oversimplified view of ATC in the United States, but it suffices for our
case study. Figure 6.1
shows the hand-off process, and Figure 6.2
shows the 22 en route centers.
Figure 6.1. Flying from point A to point B in the U.S. air traffic control system.
Courtesy of Ian Worpole/
Scientific American
, 1994.
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Figure 6.2. En route centers in the United States
The system we will study is called the Initial Sector Suite System (ISSS), which was intended to be an
upgraded hardware and software system for the 22 en route centers in the United States. It was part of a
much larger government procurement that would have, in stages, installed similar upgraded systems in
the towers and ground control facilities, as well as the transoceanic ATC facilities.
The fact that ISSS was to be procured as only one of a set of strongly related systems had a profound
effect on its architecture. In particular, there was great incentive to adopt common designs and elements
where possible because the ISSS developer also intended to bid on the other systems. After all, these
different systems (en route center, tower, ground control) share many elements: interfaces to radio
systems, interfaces to flight plan databases, interfaces to each other, interpreting radar data,
requirements for reliability and performance, and so on. Thus, the ISSS design was influenced broadly by
the requirements for all of the upgraded systems, not just the ISSS-specific ones. The complete set of
upgraded systems was to be called the Advanced Automation System (AAS).
Ultimately, the AAS program was canceled in favor of a less ambitious, less costly, more staged upgrade
plan. Nevertheless, ISSS is still an illuminating case study because, when the program was canceled, the
design and most of the code were actually already completed. Furthermore, the architecture of the
system (as well as most other aspects) was studied by an independent audit team and found to be well
suited to its requirements. Finally, the system that was deployed instead of ISSS borrowed heavily from
the ISSS architecture. For these reasons, we will present the ISSS architecture as an actual solution to
an extremely difficult problem.
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6.1 Relationship to the Architecture Business Cycle
Figure 6.3
shows how the air traffic control system relates to the Architecture Business Cycle (ABC). The
end users are federal air traffic controllers; the customer is the Federal Aviation Administration; and the
developing organization is a large corporation that supplies many other important software-intensive
systems to the U.S. government. Factors in the technical environment include the mandated use of Ada
as the language of implementation for large government software systems and the emergence of
distributed computing as a routine way to build systems and approach fault tolerance.
Figure 6.3. The ABC applied to the ATC system
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