Архитектурные паттерны для разработки сложных финансовых систем на платформе .NET

Долженко В. А., старший разработчик программного обеспечения

Калуга, Россия, waksund@gmail.com

 Аннотация. В статье рассматриваются архитектурные паттерны, применяемые при разработке сложных финансовых систем на платформе .NET. Актуальность темы обусловлена необходимостью обеспечения масштабируемости, надежности и гибкости таких систем, которые должны соответствовать высоким требованиям финансовой отрасли. В статье представлены и проанализированы основные паттерны, такие как микросервисная архитектура, CQRS (Command Query Responsibility Segregation), Event Sourcing, а также Dependency Injection и Repository. Каждый паттерн оценивается с точки зрения его влияния на производительность, модульность и отказоустойчивость системы. Также обсуждаются вызовы, связанные с внедрением этих паттернов, такие как сложность разработки, интеграция с устаревшими системами и необходимость глубокого тестирования. Работа направлена на предоставление разработчикам и исследователям практических рекомендаций по применению архитектурных паттернов для создания эффективных финансовых приложений на платформе .NET.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­____________________________________________________________________

Architectural patterns for the development of complex financial systems on the platform .NET

 Dolzhenko Viktoria

Senior Software Developer at itez

Kaluga, Russia

waksund@gmail.com

 Abstract. The article discusses the architectural patterns used in the development of complex financial systems on the platform .NET. The relevance of the topic is due to the need to ensure the scalability, reliability and flexibility of such systems, which must meet the high requirements of the financial industry. The article presents and analyzes the main patterns such as microservice architecture, CQRS (Command Query Responsibility Segregation), Event Sourcing, as well as Dependency Injection and Repository. Each pattern is evaluated in terms of its impact on the performance, modularity and fault tolerance of the system. The challenges associated with the implementation of these patterns are also discussed, such as the complexity of development, integration with legacy systems, and the need for in-depth testing. The work is aimed at providing developers and researchers with practical recommendations on the application of architectural patterns to create effective financial applications on the platform .NET.

 Keywords: architectural patterns, .NET, financial systems, microservices, CQRS, Event Sourcing, Dependency Injection, scalability, reliability, fault tolerance.

______________________________________________________________

Введение.

Разработка финансовых систем представляет собой одну из самых ответственных задач в области программной инженерии. Эти системы должны обеспечивать высокую степень надежности, масштабируемости и гибкости, чтобы соответствовать строгим требованиям финансового сектора, где любые сбои или ошибки могут привести к значительным убыткам и негативным последствиям для бизнеса. С учетом постоянно растущего объема данных и усложняющихся регуляторных требований, разработчики сталкиваются с необходимостью создания программного обеспечения, которое не только отвечает текущим стандартам, но и способно адаптироваться к будущим изменениям.

Архитектурные паттерны играют ключевую роль в разработке таких систем, предлагая проверенные решения для организации и структурирования сложных приложений. На платформе .NET, которая широко используется в финансовой отрасли, паттерны проектирования, такие как микросервисная архитектура, CQRS (Command Query Responsibility Segregation), Event Sourcing и другие, предоставляют разработчикам возможность создавать модульные, масштабируемые и легко поддерживаемые системы. Эти паттерны позволяют эффективно управлять сложностью систем, обеспечивая при этом высокую производительность и устойчивость к сбоям.

Актуальность темы обусловлена необходимостью выбора и внедрения оптимальных архитектурных решений для разработки финансовых систем, способных удовлетворять требованиям современных рынков и нормативных актов.

Целью данной работы является анализ и систематизация архитектурных паттернов, применяемых на платформе .NET для разработки сложных финансовых систем.

1. Обзор архитектурных паттернов, применяемых в финансовых системах

Архитектурные паттерны, применяемые в финансовых системах, представляют собой комплексные решения, направленные на обеспечение надежности, масштабируемости и безопасности операций. Микросервисная архитектура (MicroService Architecture, MSA) появилась как ответ на стремительные изменения в технологии, трудности с масштабированием и необходимостью ускорить процессы разработки программного обеспечения. Эта архитектура возникла в контексте новых технологических тенденций, многие из которых опираются на облачные вычисления. MSA можно описать как набор автономных, распределённых сервисов, которые легко взаимодействуют между собой через стандартные коммуникационные каналы.

Одним из главных преимуществ микросервисов является их способность поддерживать разнообразные технологии, обеспечивать высокую отказоустойчивость и обеспечивать мелкоструктурированные решения. Эти характеристики напрямую связаны с ключевыми атрибутами качества программного обеспечения, такими как удобство эксплуатации, переносимость и надежность. Важно отметить, что выбор архитектурного стиля и соответствующих архитектурных решений оказывает значительное влияние на достижение этих атрибутов качества. Под атрибутом качества понимается измеримая характеристика системы, которая позволяет оценить её способность удовлетворять потребности заинтересованных сторон [1].

Поиск доступных паттернов для микросервисов представляет собой сложную задачу, так как информация о них часто разрознена и не систематизирована [2]. Многослойный архитектурный подход представляет собой широко используемую концепцию, особенно в разработке веб-приложений и корпоративных систем. В рамках этого подхода функциональные элементы системы делятся на отдельные уровни, каждый из которых отвечает за свою специфическую задачу. Наиболее типичным примером является трехуровневая архитектура, включающая уровень представления, бизнес-логики и уровень управления данными.

Этот подход основывается на принципе разделения обязанностей между слоями, что делает систему более управляемой и масштабируемой. Каждый слой может развиваться и обновляться независимо от других, что значительно упрощает тестирование и поддержку программного обеспечения. Одним из ключевых преимуществ является понятность и легкость сопровождения, что особенно важно в контексте долгосрочной эксплуатации.

Однако стоит отметить, что многослойная архитектура может увеличивать нагрузку на систему, что может негативно сказаться на ее производительности. Более того, внесение изменений, затрагивающих несколько уровней одновременно, может представлять собой сложную задачу. Несмотря на эти недостатки, данный архитектурный стиль широко применяется в разработке как веб-приложений, так и корпоративных решений, где необходимо поддерживать четкое разделение между различными функциональными областями.

Среди типичных антипаттернов многослойной архитектуры можно выделить циклические зависимости между слоями, а также пропуск одного или нескольких уровней, что может нарушить целостность системы. В то же время, этот архитектурный подход может быть адаптирован под различные требования, позволяя создавать системы с высокой степенью модульности и гибкости.

Альтернативный подход, компонентно-ориентированная архитектура, также предполагает разделение системы на отдельные, слабо связанные компоненты, которые могут быть многократно использованы. Данный стиль обеспечивает гибкость и облегчает поддержку, хотя управление взаимодействиями между компонентами может быть достаточно сложным. Этот подход хорошо подходит для разработки как веб-приложений, так и настольных программ, а также распределенных систем.

Еще одним важным подходом является сервисно-ориентированная архитектура (SOA), которая строит систему на основе независимых сервисов, взаимодействующих между собой через сеть. Каждый сервис представляет собой автономный модуль, выполняющий определенную бизнес-функцию. Преимущества этого подхода включают гибкость, масштабируемость и возможность повторного использования сервисов, однако усложняется управление сетью, поэтому производительность системы может пострадать.

SOA часто применяется в корпоративных системах и веб-сервисах, где важно поддерживать модульность и возможность независимой разработки и развертывания сервисов. В рамках этого подхода можно использовать паттерн "Брокер", который координирует взаимодействие между компонентами через посредника, или паттерн "Микросервисы", который предполагает построение системы из небольших независимых сервисов, каждый из которых выполняет свою задачу и может быть развернут отдельно от других [3].

ETL (Extract, Transform, Load) является классической моделью работы с данными, в которой осуществляется последовательная обработка данных. Изначально информация извлекается из исходного хранилища (Extract), затем подвергается необходимым изменениям и преобразованиям на сервере обработки данных (Transform), после чего загружается в целевую аналитическую базу данных (Load).

Многие годы подавляющее большинство решений, предложенных разработчиками инструментов ETL, основывались на этом подходе, предоставляя разнообразные инструменты для манипуляции данными. Основной подход состоит в использовании графического интерфейса, позволяющего пользователям интуитивно соединять этапы извлечения, преобразования и загрузки данных в визуально понятном рабочем процессе. Такие процессы могут быть дополнительно адаптированы через скрипты или SQL-запросы, что добавляет гибкость в работе с данными. Ниже в таблице 1 будут представлены преимущества и недостатки присущие подходы ETL.

 Таблица 1. Преимущества и недостатки, присущие подходу ETL [4].

Table 1. Advantages and disadvantages of the ETL approach [4].

Ограничения, описанные в таблице 1, могут быть минимизированы в случае использования инструментов ETL, интегрированных с облачными платформами данных, где вопросы производительности и скорости обработки могут быть решены за счет возможностей облака. Однако важно учитывать, что успех использования ETL зависит от того, насколько инструмент способен адаптироваться к изменяющимся потребностям и условиям работы с данными.

ELT (Extract, Load, Transform) является модифицированной версией ETL, в которой изменены последовательность и приоритеты этапов обработки данных. В этом подходе:

- EL - Extract and Load: Сначала данные извлекаются и загружаются в целевую платформу без предварительных преобразований.

- T - Transform: Преобразование данных осуществляется уже после их загрузки, что позволяет использовать мощные вычислительные ресурсы платформы данных для обработки больших объемов информации. Такой подход имеет несколько важных преимуществ и недостатков по сравнению с ETL, которые будут описаны в таблице 2.

 Таблица 2. Преимущества и недостатки ETL 4 по сравнению с ETL [4].

Table 2. Advantages and disadvantages of ETL 4 compared to ETL [4].

 ELT предлагает гибкость, но требует тщательной стратегии управления и оркестрации для успешного применения на практике.

 Применение архитектурных паттернов на платформе .NET

Паттерны проектирования представляют собой проверенные временем архитектурные решения, применяемые для решения типичных задач в проектировании программного обеспечения. Эти подходы широко используются и интегрированы в платформу .NET, помогая разработчикам эффективно решать распространенные задачи.

На платформе .NET эти паттерны находят широкое применение, способствуя созданию масштабируемых, надежных и поддерживаемых приложений, особенно в сложных и критически важных отраслях, таких как финансовая сфера.

Одним из наиболее часто используемых паттернов является паттерн микросервисов. Этот подход предполагает разделение приложения на набор независимых служб, каждая из которых отвечает за свою специфическую функциональность и может развертываться независимо от других. На платформе .NET данный паттерн реализуется с помощью ASP.NET Core, что позволяет разработчикам создавать высокопроизводительные и легко масштабируемые системы. Практическое применение микросервисов позволяет финансовым учреждениям эффективно управлять сложными системами, обеспечивая их устойчивость к сбоям и гибкость в реагировании на изменяющиеся требования рынка.

CQRS (Command Query Responsibility Segregation) — еще один важный паттерн, который широко применяется в .NET-приложениях. Этот паттерн разделяет операции на команды, изменяющие состояние системы, и запросы, которые только читают данные. В финансовых системах, где критически важно четкое разделение операций ввода-вывода данных, CQRS позволяет значительно улучшить производительность и надежность системы. Паттерн особенно эффективен в сочетании с Event Sourcing, который сохраняет все изменения состояния в виде событий. В .NET эти паттерны реализуются с использованием технологий, таких как Event Store и MediatR, что обеспечивает финансовым приложениям высокую отказоустойчивость и возможность восстановления состояния системы на любой момент времени.

Паттерн зависимостей (Dependency Injection) является основополагающим элементом в построении гибких и легко поддерживаемых приложений на платформе .NET. Использование этого паттерна позволяет разработчикам изолировать бизнес-логику от конкретных реализаций зависимостей, что облегчает тестирование и модификацию кода. В контексте финансовых систем, где требуется высокая степень конфигурации и адаптации под специфические требования бизнеса, внедрение зависимости становится ключевым инструментом для обеспечения гибкости и расширяемости приложений.

Репозиторий (Repository) и Юнит работы (Unit of Work) — два взаимосвязанных паттерна, которые широко применяются в .NET-приложениях для управления данными. Репозиторий обеспечивает абстракцию над доступом к данным, позволяя работать с данными как с объектами, а не как с базой данных. Паттерн Unit of Work отслеживает изменения в репозиториях и управляет транзакциями, что особенно важно в финансовых приложениях для обеспечения целостности и согласованности данных. Практическое применение этих паттернов на платформе .NET с использованием Entity Framework позволяет разработчикам создавать эффективные и надежные системы управления данными.

Также существуют такой паттерн, как итератор, который предоставляет способ последовательного доступа ко всем элементам коллекции без раскрытия внутренней структуры. В .NET реализация этого паттерна осуществляется через интерфейсы IEnumerable и IEnumerator, позволяя разработчикам итерировать по коллекциям с помощью цикла foreach, который является одной из ключевых конструкций языка C#.

В свою очередь паттерн "Декоратор" используется для динамического добавления новых обязанностей объекту. В .NET его абстракция представлена классом Stream и его наследниками, такими как BufferedStream и CryptoStream, которые позволяют добавлять новые функции к потокам данных без изменения их исходной структуры.

Паттерн "Адаптер" преобразует интерфейс одного класса в интерфейс другого, что позволяет классам с несовместимыми интерфейсами работать вместе. В .NET адаптеры часто используются для интеграции с внешними системами, такими как COM-объекты, обеспечивая совместимость между различными архитектурными решениями.

Паттерн "Фабрика" предоставляет интерфейс для создания объектов без необходимости указания их конкретных классов. В .NET примером этого паттерна является класс System.Convert, который предоставляет методы для создания объектов разных типов без явного вызова их конструкторов.

Паттерн "Стратегия" позволяет инкапсулировать различные алгоритмы и использовать их взаимозаменяемо. В .NET этот паттерн часто применяется при реализации методов сортировки и поиска, таких как Array.Sort, где алгоритмы сортировки могут быть изменены путем передачи различных компараторов.

Эти и другие паттерны являются важными инструментами в арсенале разработчика, позволяя создавать гибкие, модульные и поддерживаемые приложения на платформе .NET [4]. Ниже в таблице 3 будет описана классификация блокчейн-платформ на базе .NET.

 Таблица 3. Классификация блокчейн-платформ на базе .NET [5].

Table 3. Classification of blockchain-based platforms.NET [5].

Анализ архитектурных решений для блокчейн-платформ, использующих .NET, позволяет понять, как возможности этой платформы соответствуют требованиям технологий распределенного реестра. .NET предоставляет гибкую и мощную среду для разработки, поддерживая разнообразные языки программирования и предлагая надежные инструменты и библиотеки для создания масштабируемых и безопасных блокчейн-систем.

Основные архитектурные элементы блокчейн-платформ включают распределенные реестры, механизмы консенсуса, смарт-контракты и одноранговые сети [5]. Каждый из этих элементов может быть реализован в .NET с помощью различных архитектурных шаблонов и стратегий, представленных в таблице 4.

 Таблица 4. Архитектурные шаблоны и стратегии в .NET [5].

Table 4. Architectural patterns and strategies in .NET [5].

 Таким образом, .NET предоставляет все необходимые средства для разработки комплексных блокчейн-решений, поддерживая ключевые архитектурные элементы.

3. Преимущества и вызовы при внедрении архитектурных паттернов в финансовые системы на .NET

Внедрение архитектурных паттернов в финансовые системы на платформе .NET представляет собой стратегический подход, направленный на повышение эффективности, надежности и гибкости приложений. Однако наряду с очевидными преимуществами этот процесс также сопряжен с определенными вызовами, которые следует учитывать при разработке и реализации систем.

Преимуществами могут являться:

1. Масштабируемость и гибкость. Архитектурные паттерны, такие как микросервисы и CQRS, предоставляют разработчикам возможность создавать системы, которые легко масштабируются и адаптируются к изменениям требований. В финансовом секторе, где объемы данных и требования к производительности постоянно растут, эти паттерны позволяют обеспечивать стабильную работу приложений при увеличении нагрузки. Масштабируемость системы становится особенно важной в условиях динамичного изменения финансовых рынков и появления новых нормативных требований.
2. Повышенная надежность и отказоустойчивость. Паттерны, такие как Event Sourcing и Circuit Breaker, способствуют повышению надежности финансовых систем за счет сохранения всех изменений состояния и управления отказами. Эти паттерны помогают минимизировать риски потери данных и обеспечивают высокую доступность сервисов даже в условиях сбоев. Внедрение таких подходов важно для обеспечения бесперебойной работы финансовых приложений, где потеря данных или прерывание обслуживания может привести к значительным финансовым потерям.
3. Улучшенная модульность и управляемость. Архитектурные паттерны, такие как Dependency Injection и Repository, способствуют улучшению модульности системы, что облегчает её поддержку и развитие. Модульность позволяет разработчикам изолировать компоненты системы, что упрощает тестирование, обновление и рефакторинг кода. Это особенно важно для финансовых систем, где требуется быстрое реагирование на изменения бизнес-требований и обновление функционала без нарушения работы других частей системы.
4. Оптимизация производительности. Использование паттернов, таких как Cache-aside и Data Sharding, позволяет оптимизировать производительность финансовых приложений за счет эффективного использования ресурсов и распределения нагрузки. Эти паттерны обеспечивают быстрое и эффективное управление большими объемами данных, что критически важно в условиях высокой скорости обработки транзакций и анализа финансовых данных.
5. Стандартизация и согласованность. Внедрение архитектурных паттернов способствует стандартизации подходов к разработке программного обеспечения, что упрощает взаимодействие между командами разработчиков и поддержание единого уровня качества кода. В финансовой индустрии, где часто работают крупные команды разработчиков, стандартизация помогает избежать ошибок, связанных с несовместимостью подходов и инструментов, а также ускоряет процесс разработки.

Вызовами в свою очередь являются:

1. Сложность разработки и настройки. Внедрение архитектурных паттернов требует глубоких знаний и опыта в области программирования и проектирования систем. Сложность разработки может значительно возрасти, особенно при использовании таких паттернов, как микросервисы или CQRS, которые требуют детальной проработки взаимодействия между компонентами системы. Это может привести к увеличению времени разработки и потребовать дополнительных ресурсов на обучение и подготовку команды.
2. Высокие первоначальные затраты. Несмотря на долгосрочные преимущества, внедрение архитектурных паттернов может потребовать значительных начальных инвестиций. Разработка и настройка системы с использованием сложных паттернов часто требует дополнительных временных и финансовых ресурсов, что может быть проблематичным для компаний с ограниченными бюджетами. Более того, затраты на обучение и адаптацию команды к новым архитектурным подходам могут значительно увеличить общий бюджет проекта.
3. Трудности интеграции с устаревшими системами. Финансовые учреждения часто используют устаревшие системы, интеграция которых с новыми архитектурными решениями может быть сложной задачей. Архитектурные паттерны, такие как микросервисы или Event Sourcing, могут быть несовместимы с существующими системами, что приводит к необходимости разработки специальных интеграционных решений. Это может увеличить сложность проекта и привести к дополнительным временным и финансовым затратам.
4. Необходимость глубокого тестирования. Внедрение архитектурных паттернов требует проведения детального и всестороннего тестирования, чтобы убедиться в их корректном функционировании в различных сценариях. Тестирование становится особенно важным в финансовых системах, где ошибки могут привести к серьезным последствиям, включая финансовые потери и нарушения нормативных требований. Процесс тестирования может занять значительное время и потребовать дополнительных ресурсов, что увеличивает общую длительность проекта [6].

Таким образом, внедрение архитектурных паттернов в финансовые системы на платформе .NET предоставляет значительные преимущества, такие как масштабируемость, надежность и стандартизация разработки. Однако успешная реализация этих подходов требует тщательного планирования, учета возможных вызовов и наличия необходимых ресурсов, чтобы обеспечить их эффективное и безопасное использование в условиях современной финансовой индустрии.

 Заключение

Таким образом можно сказать, что правильный выбор и грамотное внедрение архитектурных паттернов играют ключевую роль в разработке сложных финансовых систем на платформе .NET. Использование таких паттернов, как микросервисная архитектура и CQRS, способствует созданию масштабируемых и отказоустойчивых приложений, что особенно важно в финансовой сфере. Однако процесс внедрения этих паттернов сопряжен с определенными вызовами, включая сложность разработки, интеграцию с существующими системами и необходимость тщательного тестирования. Дальнейшие исследования в этой области должны быть направлены на оптимизацию архитектурных решений и разработку методов, облегчающих их внедрение и поддержку. Это позволит создать более эффективные и устойчивые финансовые системы, способные отвечать требованиям современного рынка.

 Ключевые слова: архитектурные паттерны, .NET, финансовые системы, микросервисы, CQRS, Event Sourcing, Dependency Injection, масштабируемость, надежность, отказоустойчивость.

Литература

1. Вальдивия Х. А. и др. Паттерны микросервисной архитектуры: многопрофильный обзор литературы //Труды Института системного программирования РАН. – 2021. – Т. 33. – №. 1. – С. 81-96.
2. Классификация паттернов. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://finance.skolkovo.ru/downloads/documents/FinChair/Research_Reports/SKOLKOVO_2018_11_Financial_inclusion_beyond_access_-_Classification_of_patterns_Ru.pdf
3. The Architect's Blueprint: 10 архитектурных стилей программного обеспечения и их паттерн. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://systems.education/software_styles_and_patterns_with_cheatsheet
4. Тихонов А. А., Слива М. В. Реализация паттерна “трехслойная архитектура” при написании. NET Core приложения //Современное программирование. – 2021. – С. 132-136.
5. Химшут П. Сервисы и внедрение зависимостей //Microsoft Blazor: Создание веб-приложений в. СЕТЬ 6 и далее. – Berkeley, CA : Apress, 2021. – С. 197-225.
6. Лейнер Р. и др. Каталогизация антишаблонов внедрения зависимостей в программных системах //Журнал систем и программного обеспечения. – 2022. – Т. 184. – С. 111-125.

 References

1. Valdivia H. A. et al. Microservice architecture patterns: a multidisciplinary literature review //Proceedings of the Institute of System Programming of the Russian Academy of Sciences. - 2021. - Т. 33. - №. - Pp. 81-96.
2. Classification of patterns. [Electronic resource] Mode of access: https://finance.skolkovo.ru/downloads/documents/FinChair/Research_Reports/SKOLKOVO_2018_11_Financial_inclusion_beyond_access_-_Classification_of_patterns_Ru.pdf.
3. The Architect's Blueprint: 10 Architectural Software Styles and Their Patterns. [Electronic resource] Mode of access: https://systems.education/software_styles_and_patterns_with_cheatsheet.
4. Tikhonov A. A., Sliva M. V. Realization of the pattern “three-layer architecture” when writing. NET Core application // Modern Programming. - 2021. - Pp. 132-136.
5. Himshut P. Services and Dependency Implementation //Microsoft Blazor: Creating Web Applications in. NETWORK 6 and beyond. - Berkeley, CA : Apress, 2021. - Pp. 197-225.
6. Leiner R., et al. Cataloging anti-patterns of dependency enforcement in software systems // Journal of Systems and Software. - 2022. - Т. 184. - Pp. 111-125.

 29 июля 2022 г.