2019年11月系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計師考試系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計案例分析下午真題

2019年11月系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計師考試系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計案例分析下午真題(總分：5.00，做題時間：180分鐘)一、問答題(總題數(shù)：5，分數(shù)：5.00)1.閱讀以下關(guān)于軟件架構(gòu)設(shè)計與評估的敘述，回答問題1和問題2。

【說明】某電子商務(wù)公司為了更好地管理用戶，提升企業(yè)銷售業(yè)績，擬開發(fā)一套用戶管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本功能是根據(jù)用戶的消費級別、消費歷史、信用情況等指標將用戶劃分的等級，并針對不同等級的用戶提供相應(yīng)的折扣方案。在需求分析與架構(gòu)設(shè)計階段，電子商務(wù)公司提出的需求、質(zhì)量屬性描述和架構(gòu)特性如下：

（a）用戶目前分為普通用戶、銀卡用戶、金卡用戶和白金用戶四個等級，后續(xù)需要能夠根據(jù)消費情況進行動態(tài)調(diào)整；

（b）系統(tǒng)應(yīng)該具備完善的安全防護措施，能夠?qū)诳偷墓粜袨檫M行檢測與防御；

（c）在正常負載情況下，系統(tǒng)應(yīng)在0.5秒內(nèi)對用戶的商品查詢請求進行響應(yīng)；

（d）在各種節(jié)假日或公司活動中，針對所有級別用戶，系統(tǒng)均能夠根據(jù)用戶實時的消費情況動態(tài)調(diào)整折扣力度；

（e）系統(tǒng)主站點斷電后，應(yīng)在5秒內(nèi)將請求重定向到備用站點；

（f）系統(tǒng)支持中文昵稱，但用戶名要求必須以字母開頭，長度不少于8個字符；

（g）當系統(tǒng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)失效后，需要在15秒內(nèi)發(fā)現(xiàn)錯誤并啟用備用網(wǎng)絡(luò)；

（h）系統(tǒng)在展示商品的實時視頻時，需要保證視頻畫面具有1024×768像素的分辨率，40幀/秒的速率；

（i）系統(tǒng)要擴容時，應(yīng)保證在10人?月內(nèi)完成所有的部署與測試工作；

（j）系統(tǒng)應(yīng)對用戶信息數(shù)據(jù)庫的所有操作都進行完整記錄；（k）更改系統(tǒng)的Web界面接口必須在4人?周內(nèi)完成；

（l）系統(tǒng)必須提供遠程調(diào)試接口，并支持遠程調(diào)試。在對系統(tǒng)需求、質(zhì)量屬性描述和架構(gòu)特性進行分析的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)架構(gòu)師給出了兩種候選的架構(gòu)設(shè)計方案，公司目組織相關(guān)專家對系統(tǒng)架構(gòu)進行評估。

【問題1】針對用戶級別與折扣規(guī)則管理功能的架構(gòu)設(shè)計問題，李工建議采用面向?qū)ο蟮募軜?gòu)風格，而王工則建議采用基于規(guī)則的架構(gòu)風格。請指出該系統(tǒng)更適合采用哪種架構(gòu)風并從用戶級別、折扣規(guī)則定義的靈活性、可擴展性和性能三個方面對這兩種架構(gòu)風格進行比較與分析，填寫表1-1中的（1）~（3）空白處?！締栴}2】在架構(gòu)評估過程中，質(zhì)量屬性效用樹（utilitytree）是對系統(tǒng)質(zhì)量屬性進行識別和優(yōu)先級排序的重要工具。請合適的質(zhì)量屬性名稱填入圖1-1中（1）、（2）空白處，并題干描述的（a）~（1）填入（3）~（6）空白處，完成該系統(tǒng)的效用樹。

（分數(shù)：1.00）__________________________________________________________________________________________

正確答案：(【問題1】用戶級別與折扣規(guī)則管理功能更適合采用基于規(guī)則的架構(gòu)風格。（1）將用戶級別、折扣規(guī)則等描述為可動態(tài)改變的規(guī)則數(shù)據(jù)；（2）加入新的用戶級別和折扣規(guī)則時需要重新定義新的對象，并需要重啟系統(tǒng)；（3）用戶級別和折扣規(guī)則已經(jīng)在系統(tǒng)內(nèi)編碼，可直接運行，性能較好。

【問題2】（1）安全性（2）可修改性（3）（h）（4）（j）（5）（e）（6）（k）)解析：2.閱讀下列說明，回答問題1至問題3，將解答填入對應(yīng)欄內(nèi)。

【說明】某軟件企業(yè)為快餐店開發(fā)一套在線訂餐管理系統(tǒng)，主要功能包括：

（1）在線訂餐：已注冊客戶通過網(wǎng)絡(luò)在線選擇快餐店所提供的餐品種類和數(shù)量后提交訂單，系統(tǒng)顯示訂單費用供客戶確認，客戶確認后支付訂單所列各項費用。

（2）廚房備餐：廚房接收到客戶已付款訂單后按照訂單餐品列表選擇各類食材進行餐品加工。

（3）食材采購：當快餐店某類食材低于特定數(shù)量時自動向供應(yīng)商發(fā)起來購信息，包括食材類型和數(shù)量，供應(yīng)商接收到采購信息后按照要求將食材送至快餐店并提交已采購信息，系統(tǒng)自動更新食材庫存。

（4）生成報表：每個周末和月末，快餐店經(jīng)理會自動收到系統(tǒng)生成的統(tǒng)計報表，報表中詳細列出了本周或本月訂單的統(tǒng)計信息以及庫存食材的統(tǒng)計信息?，F(xiàn)采用數(shù)據(jù)流圖訂餐管理系統(tǒng)進行分析與設(shè)計，系統(tǒng)未完成的0層數(shù)據(jù)流圖。

如圖2-1所示?！締栴}1】根據(jù)訂餐管理系統(tǒng)功能說明，請在圖2-1所示數(shù)據(jù)流圖中給出外部實體E1~E4和加工P1~P4的具體名稱。

【問題2】根據(jù)數(shù)據(jù)流圖規(guī)范和訂餐管理系統(tǒng)功能說明，請說明在圖2-1中需要補充哪些數(shù)據(jù)流可以構(gòu)造出完整的0層數(shù)據(jù)流圖。

【問題3】根據(jù)數(shù)據(jù)流圖的含義，請說明數(shù)據(jù)流圖和系統(tǒng)流程圖之間有哪些方面的區(qū)別。

（分數(shù)：1.00）__________________________________________________________________________________________

正確答案：(【問題1】E1：客戶E2：廚房E3：經(jīng)理E4：供應(yīng)商P1：在線訂餐P2：廚房備餐P3：生成報表P4：食材采購

【問題2】（1）增加E1到P1數(shù)據(jù)流“餐品訂單”；（2）增加P1到P2數(shù)據(jù)流“餐品訂單”；（3）增加D1到P3的數(shù)據(jù)流“訂單匯總”；（4）增加P3到E3數(shù)據(jù)流“統(tǒng)計報表”。

【問題3】（1）數(shù)據(jù)流圖中的處理過程可并行；系統(tǒng)流程圖在某個時間點只能處于一個處理過程。（2）數(shù)據(jù)流圖展現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流：系統(tǒng)流程圖展現(xiàn)系統(tǒng)的控制流。（3）數(shù)據(jù)流圖展現(xiàn)全局的處理過程，過程之間遵循不同的計時標準；系統(tǒng)流程圖中處理過程遵循一致的計時標準。)解析：3.閱讀以下關(guān)于嵌入式系統(tǒng)開放式架構(gòu)相關(guān)技術(shù)的描述，回答問題1至問題3。

【說明】信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystems,CPS）技術(shù)已成為未來宇航裝備發(fā)展的重點關(guān)鍵技術(shù)之一。某公司長期從事嵌入式系統(tǒng)的研制工作，隨著公司業(yè)務(wù)范圍不斷擴展決定進入宇航裝備的研制領(lǐng)域。為了做好前期準備，公司決定讓王工程師負責編制公司進軍宇航裝備領(lǐng)域的戰(zhàn)略規(guī)劃。王工經(jīng)調(diào)研和分析，認為未來宇航裝備將向著網(wǎng)絡(luò)能化和綜合化的目標發(fā)展，CPS將會是宇航裝備的核心技術(shù)，公司應(yīng)構(gòu)建基于CPS技術(shù)的新產(chǎn)品架構(gòu)，實現(xiàn)超前的技術(shù)戰(zhàn)略儲備。

【問題1】通常CPS結(jié)構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和控制層，請用300字以內(nèi)文字說明CPS的定義，并簡要說明各層的含義。

【問題2】王工在提交的戰(zhàn)略規(guī)劃中指出：飛行器中的電子設(shè)備是一個大型分布式系統(tǒng)，其傳感器、控制器和采集器分布在飛機各個部位，相互間采用高速總線互連，實現(xiàn)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換，而飛行員或地面指揮系統(tǒng)根據(jù)飛行數(shù)據(jù)的匯總決策飛行任務(wù)的執(zhí)行。圖3-1給出了飛行器系統(tǒng)功能組成圖。請參考圖3-1給出的功能圖，依據(jù)你所掌握的CPS識，說明以下所列的功能分別屬于CPS結(jié)構(gòu)中的哪層，哪項功能不屬于CPS任何一層。

1.飛行傳感器管理2.步進電機控制3.顯控4.發(fā)電機控制5.環(huán)控6.配電管理7.轉(zhuǎn)速傳感器8.傳感器總線9.飛行員10.火警信號探測【問題3】王工在提交的戰(zhàn)略規(guī)劃中指出：未來宇航領(lǐng)域裝備將呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化和綜合化等特征，形成集群式的協(xié)同能力，安全性尤為重要。在宇航領(lǐng)域的CPS系統(tǒng)中，不同面上都會存在一定的安全威脅。請用100字以內(nèi)文字說明CPS系統(tǒng)會存在哪三類安全威脅，并對每類安全威脅至少舉出兩個例子說明。

（分數(shù)：1.00）__________________________________________________________________________________________

正確答案：(【問題1】信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystems，CPS）作為計算進程和物理進程的統(tǒng)一體，是集計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)通過人機交互接口實現(xiàn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間，以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協(xié)作的方式操控一個物理實體。

感知層：主要由傳感器、控制器和采集器等設(shè)備組成，它屬于信息物理系統(tǒng)中的末端設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)層：主要是連接信息世界和物理世界的橋梁，實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)傳輸，為系統(tǒng)提供實時的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)分組傳輸?shù)膶崟r可靠。

控制層：主要是根據(jù)認知結(jié)果及物理設(shè)備傳回來的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的分析，將相應(yīng)的結(jié)果返回給客戶端。

【問題2】

感知層：2、4、7、10

網(wǎng)絡(luò)層：8

控制層：1、3、5、6

不屬于CPS結(jié)構(gòu)中的功能：9

【問題3】（1）感知層安全威脅：感知數(shù)據(jù)破壞、信息竊聽、節(jié)點捕獲。（2）網(wǎng)絡(luò)層安全威脅：拒絕服務(wù)攻擊、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)、方向誤導(dǎo)攻擊。（3）控制層安全威脅：用戶隱私泄露、惡意代碼、非授權(quán)訪問。)解析：4.閱讀以下關(guān)于分布式數(shù)據(jù)庫緩存設(shè)計的敘述，回答問題1至問題3。

【說明】某初創(chuàng)企業(yè)的主營業(yè)務(wù)是為用戶提供高度個性化的商品訂購業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)系統(tǒng)支持PC端、手機App等多種訪問方式。系統(tǒng)上線后受到用戶普遍歡迎，在線用戶數(shù)和訂單數(shù)增長，原有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器不能滿足高速并發(fā)的業(yè)務(wù)要求。為了減輕數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的壓力，該企業(yè)采用了分布式緩存系統(tǒng)，將應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)放置在內(nèi)存，降低對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的查詢請求，提高了系統(tǒng)性能。在使用緩存過程中，企業(yè)碰到了一系列技術(shù)問題。

【問題1】該系統(tǒng)使用過程中，由于同樣的數(shù)據(jù)分別存在于數(shù)據(jù)庫和緩存系統(tǒng)中，必然會造成數(shù)據(jù)同步或數(shù)據(jù)不一致性的問題。該企業(yè)團隊為解決這個問題，提出了如下解決思路用程序讀數(shù)據(jù)時，首先讀緩存，當該數(shù)據(jù)不在緩存時，再讀取數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用程序?qū)憯?shù)據(jù)時，先寫緩存，成功后再寫數(shù)據(jù)庫；或者先寫數(shù)據(jù)庫，再寫緩存。王工認為該解路并未解決數(shù)據(jù)同步或數(shù)據(jù)不一致性的問題，請用100字以內(nèi)的文字解釋其原因。王工給出了一種可以解決該問題的數(shù)據(jù)讀寫步驟如下：讀數(shù)據(jù)操作的基本步驟：

1.根據(jù)key讀緩存；2.讀取成功則直接返回；3.若key不在緩存中時，根據(jù)key（a）；4.讀取成功后，（b）；5.成功返回。

寫數(shù)據(jù)操作的基本步驟：1.根據(jù)key值寫（c）；2.成功后（d）；3.成功返回。請?zhí)顚懲晟粕鲜霾襟E中（a）~（d）處的空白內(nèi)容。

【問題2】緩存系統(tǒng)一般以key/value形式存儲數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)運維中發(fā)現(xiàn)，部分針對緩存的查詢，未在緩存系統(tǒng)中找到對應(yīng)的key，從而引發(fā)了大量對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的查詢請求，最時甚至導(dǎo)致了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的宕機。經(jīng)過運維人員的深入分析，發(fā)現(xiàn)存在兩種情況：（1）用戶請求的key值在系統(tǒng)中不存在時，會查詢數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，加大了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的壓力；（2）系統(tǒng)運行期間，發(fā)生了黑客攻擊，以大量系統(tǒng)不存在的隨機key發(fā)起了查詢請求，從而導(dǎo)致了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的宕機。經(jīng)過研究，研發(fā)團隊決定，當在數(shù)據(jù)庫中也未找到該key時，在緩存系統(tǒng)中為key設(shè)置空值，防止對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)起重復(fù)查詢。請用100字以內(nèi)文字說明該設(shè)置空值方案存在的問題，并給出解決思路。

【問題3】緩存系統(tǒng)中的key一般會存在有效期，超過有效期則key失效；有時也會根據(jù)LRU算法將某些key移出內(nèi)存。當應(yīng)用軟件查詢key時，如key失效或不在內(nèi)存，會重新讀取庫，并更新緩存中的key。運維團隊發(fā)現(xiàn)在某些情況下，若大量的key設(shè)置了相同的失效時間，導(dǎo)致緩存在同一時刻眾多key同時失效，或者瞬間產(chǎn)生對緩存系統(tǒng)不存在的大量訪問，或者緩存系統(tǒng)重啟等原因，都會造成數(shù)據(jù)庫服務(wù)器請求瞬時爆量，引起大量緩存更新操作，導(dǎo)致整個系統(tǒng)性能急劇下降，進而造成整個系統(tǒng)崩潰。請用100以內(nèi)文字，給出解決該問題的兩種不同思路。

（分數(shù)：1.00）__________________________________________________________________________________________

正確答案：(【問題1】存在雙寫不一致問題，在寫數(shù)據(jù)時，可能存在緩存寫成功，數(shù)據(jù)庫寫失敗，或者反之，從而造成數(shù)據(jù)不一致。當多個請求發(fā)生時，也可能產(chǎn)生讀寫沖突的并發(fā)問題。

（a）從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)或讀數(shù)據(jù)庫（b）更新緩存中key值或更新緩存（c）數(shù)據(jù)庫（d）刪除緩存key或使緩存key失效或更新緩存（key值）

【問題2】存在問題：不在系統(tǒng)中的key值是無限的，如果均設(shè)置key值為空，會造成內(nèi)存資源的極大浪費，引起性能急劇下降。解決思路：查詢緩存之前，對key值進行過濾，只允許系統(tǒng)中存在的key進行后續(xù)操作（例如采用key的bitmap進行過濾）。

【問題3】思路1：緩存失效后，通過加排它鎖或者隊列方式控制數(shù)據(jù)庫寫緩存的線程數(shù)量，使得緩存更新串行化；思路2：給不同key設(shè)置隨機或不同的失效時間，使失效時間的分布盡量均勻；思路3：設(shè)置兩級或多級緩存，避免訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。)解析：5.閱讀以下關(guān)于Web系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的敘述，回答問題1至問題3。

【說明】某公司擬開發(fā)一個物流車輛管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可支持各車輛實時位置監(jiān)控、車輛歷史軌跡管理、違規(guī)違章記錄管理、車輛固定資產(chǎn)管理、隨車備品及配件更換記錄管理、命管理等功能需求。其非功能性需求如下：（1）系統(tǒng)應(yīng)支持大于50個終端設(shè)備的并發(fā)請求；（2）系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r識別車牌，識別時間應(yīng)小于1s；（3）系統(tǒng)應(yīng)7×24小時工作；（4）具有友好的用戶界面；（5）可抵御常見SQL注入攻擊；（6）獨立事務(wù)操作響應(yīng)時間應(yīng)小于3s；（7）系統(tǒng)在故障情況下，應(yīng)在1小時內(nèi)恢復(fù)；（8）新用戶學習使用系統(tǒng)的時間少于1小時。面對系統(tǒng)需求，公司召開項目組討論會議，制訂系統(tǒng)設(shè)計方案，最終決定基于分布式架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)該物流車輛管理系統(tǒng)，應(yīng)用Kafka、Redis數(shù)據(jù)緩存等技術(shù)實現(xiàn)對物流車數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行快速、高效的處理。

【問題1】請將上述非功能性需求（1）~（8）歸類到性能、安全性、可用性、易用性這四類非功能性需求。

【問題2】經(jīng)項目組討論，完