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

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

【說(shuō)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(jī)，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(fèi)級(jí)別、消費(fèi)歷史、信用情況等指標(biāo)將用戶劃分的等級(jí)，并針對(duì)不同等級(jí)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(jì)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(gè)等級(jí)，后續(xù)需要能夠根據(jù)消費(fèi)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；

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

（c）在正常負(fù)載情況下，系統(tǒng)應(yīng)在0.5秒內(nèi)對(duì)用戶的商品查詢請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)；

（d）在各種節(jié)假日或公司活動(dòng)中，針對(duì)所有級(jí)別用戶，系統(tǒng)均能夠根據(jù)用戶實(shí)時(shí)的消費(fèi)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整折扣力度；

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

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

（g）當(dāng)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(cuò)誤并啟用備用網(wǎng)絡(luò)；

（h）系統(tǒng)在展示商品的實(shí)時(shí)視頻時(shí)，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(kuò)容時(shí)，應(yīng)保證在10人?月內(nèi)完成所有的部署與測(cè)試工作；

（j）系統(tǒng)應(yīng)對(duì)用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)的所有操作都進(jìn)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(yuǎn)程調(diào)試接口，并支持遠(yuǎn)程調(diào)試。在對(duì)系統(tǒng)需求、質(zhì)量屬性描述和架構(gòu)特性進(jìn)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(jì)方案，公司目組織相關(guān)專家對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。

【問題1】針對(duì)用戶級(jí)別與折扣規(guī)則管理功能的架構(gòu)設(shè)計(jì)問題，李工建議采用面向?qū)ο蟮募軜?gòu)風(fēng)格，而王工則建議采用基于規(guī)則的架構(gòu)風(fēng)格。請(qǐng)指出該系統(tǒng)更適合采用哪種架構(gòu)風(fēng)并從用戶級(jí)別、折扣規(guī)則定義的靈活性、可擴(kuò)展性和性能三個(gè)方面對(duì)這兩種架構(gòu)風(fēng)格進(jìn)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(píng)估過程中，質(zhì)量屬性效用樹（utilitytree）是對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量屬性進(jìn)行識(shí)別和優(yōu)先級(jí)排序的重要工具。請(qǐng)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?jǐn)?shù)：1.00）__________________________________________________________________________________________

正確答案：(【問題1】用戶級(jí)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(fēng)格。（1）將用戶級(jí)別、折扣規(guī)則等描述為可動(dòng)態(tài)改變的規(guī)則數(shù)據(jù)；（2）加入新的用戶級(jí)別和折扣規(guī)則時(shí)需要重新定義新的對(duì)象，并需要重啟系統(tǒng)；（3）用戶級(jí)別和折扣規(guī)則已經(jīng)在系統(tǒng)內(nèi)編碼，可直接運(yùn)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(shuō)明，回答問題1至問題3，將解答填入對(duì)應(yīng)欄內(nèi)。

【說(shuō)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(cè)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(fèi)用供客戶確認(rèn)，客戶確認(rèn)后支付訂單所列各項(xiàng)費(fèi)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(jìn)行餐品加工。

（3）食材采購(gòu)：當(dāng)快餐店某類食材低于特定數(shù)量時(shí)自動(dòng)向供應(yīng)商發(fā)起來(lái)購(gòu)信息，包括食材類型和數(shù)量，供應(yīng)商接收到采購(gòu)信息后按照要求將食材送至快餐店并提交已采購(gòu)信息，系統(tǒng)自動(dòng)更新食材庫(kù)存。

（4）生成報(bào)表：每個(gè)周末和月末，快餐店經(jīng)理會(huì)自動(dòng)收到系統(tǒng)生成的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，報(bào)表中詳細(xì)列出了本周或本月訂單的統(tǒng)計(jì)信息以及庫(kù)存食材的統(tǒng)計(jì)信息?，F(xiàn)采用數(shù)據(jù)流圖訂餐管理系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，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(shuō)明，請(qǐng)?jiān)趫D2-1所示數(shù)據(jù)流圖中給出外部實(shí)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(shuō)明，請(qǐng)說(shuō)明在圖2-1中需要補(bǔ)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(qǐng)說(shuō)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?jǐn)?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(bào)表P4：食材采購(gòu)

【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(jì)報(bào)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(gè)時(shí)間點(diǎn)只能處于一個(gè)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(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)流程圖中處理過程遵循一致的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。)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(shuō)明】信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystems,CPS）技術(shù)已成為未來(lái)宇航裝備發(fā)展的重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)之一。某公司長(zhǎng)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(kuò)展決定進(jìn)入宇航裝備的研制領(lǐng)域。為了做好前期準(zhǔn)備，公司決定讓王工程師負(fù)責(zé)編制公司進(jìn)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(rèn)為未來(lái)宇航裝備將向著網(wǎng)絡(luò)能化和綜合化的目標(biāo)發(fā)展，CPS將會(huì)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(shí)現(xiàn)超前的技術(shù)戰(zhàn)略儲(chǔ)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(qǐng)用300字以內(nèi)文字說(shuō)明CPS的定義，并簡(jiǎn)要說(shuō)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(gè)大型分布式系統(tǒng)，其傳感器、控制器和采集器分布在飛機(jī)各個(gè)部位，相互間采用高速總線互連，實(shí)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(qǐng)參考圖3-1給出的功能圖，依據(jù)你所掌握的CPS識(shí)，說(shuō)明以下所列的功能分別屬于CPS結(jié)構(gòu)中的哪層，哪項(xiàng)功能不屬于CPS任何一層。

1.飛行傳感器管理2.步進(jìn)電機(jī)控制3.顯控4.發(fā)電機(jī)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(hào)探測(cè)【問題3】王工在提交的戰(zhàn)略規(guī)劃中指出：未來(lái)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(huì)存在一定的安全威脅。請(qǐng)用100字以內(nèi)文字說(shuō)明CPS系統(tǒng)會(huì)存在哪三類安全威脅，并對(duì)每類安全威脅至少舉出兩個(gè)例子說(shuō)明。

（分?jǐn)?shù)：1.00）__________________________________________________________________________________________

正確答案：(【問題1】信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystems，CPS）作為計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集計(jì)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(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間，以遠(yuǎn)程的、可靠的、實(shí)時(shí)的、安全的、協(xié)作的方式操控一個(gè)物理實(shí)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(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)傳輸，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)分組傳輸?shù)膶?shí)時(shí)可靠。

控制層：主要是根據(jù)認(rèn)知結(jié)果及物理設(shè)備傳回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)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(kù)緩存設(shè)計(jì)的敘述，回答問題1至問題3。

【說(shuō)明】某初創(chuàng)企業(yè)的主營(yíng)業(yè)務(wù)是為用戶提供高度個(gè)性化的商品訂購(gòu)業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)系統(tǒng)支持PC端、手機(jī)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(zhǎng)，原有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的查詢請(qǐng)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(kù)和緩存系統(tǒng)中，必然會(huì)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(tuán)隊(duì)為解決這個(gè)問題，提出了如下解決思路用程序讀數(shù)據(jù)時(shí)，首先讀緩存，當(dāng)該數(shù)據(jù)不在緩存時(shí)，再讀取數(shù)據(jù)庫(kù)；應(yīng)用程序?qū)憯?shù)據(jù)時(shí)，先寫緩存，成功后再寫數(shù)據(jù)庫(kù)；或者先寫數(shù)據(jù)庫(kù)，再寫緩存。王工認(rèn)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(qǐng)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(shí)，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(qǐng)?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(chǔ)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)運(yùn)維中發(fā)現(xiàn)，部分針對(duì)緩存的查詢，未在緩存系統(tǒng)中找到對(duì)應(yīng)的key，從而引發(fā)了大量對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的查詢請(qǐng)求，最時(shí)甚至導(dǎo)致了數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的宕機(jī)。經(jīng)過運(yùn)維人員的深入分析，發(fā)現(xiàn)存在兩種情況：（1）用戶請(qǐng)求的key值在系統(tǒng)中不存在時(shí)，會(huì)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，加大了數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的壓力；（2）系統(tǒng)運(yùn)行期間，發(fā)生了黑客攻擊，以大量系統(tǒng)不存在的隨機(jī)key發(fā)起了查詢請(qǐng)求，從而導(dǎo)致了數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的宕機(jī)。經(jīng)過研究，研發(fā)團(tuán)隊(duì)決定，當(dāng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中也未找到該key時(shí)，在緩存系統(tǒng)中為key設(shè)置空值，防止對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器發(fā)起重復(fù)查詢。請(qǐng)用100字以內(nèi)文字說(shuō)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(huì)存在有效期，超過有效期則key失效；有時(shí)也會(huì)根據(jù)LRU算法將某些key移出內(nèi)存。當(dāng)應(yīng)用軟件查詢key時(shí)，如key失效或不在內(nèi)存，會(huì)重新讀取庫(kù)，并更新緩存中的key。運(yùn)維團(tuán)隊(duì)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(shí)間，導(dǎo)致緩存在同一時(shí)刻眾多key同時(shí)失效，或者瞬間產(chǎn)生對(duì)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(huì)造成數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器請(qǐng)求瞬時(shí)爆量，引起大量緩存更新操作，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能急劇下降，進(jìn)而造成整個(gè)系統(tǒng)崩潰。請(qǐng)用100以內(nèi)文字，給出解決該問題的兩種不同思路。

（分?jǐn)?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(shí)，可能存在緩存寫成功，數(shù)據(jù)庫(kù)寫失敗，或者反之，從而造成數(shù)據(jù)不一致。當(dāng)多個(gè)請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，也可能產(chǎn)生讀寫沖突的并發(fā)問題。

（a）從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)或讀數(shù)據(jù)庫(kù)（b）更新緩存中key值或更新緩存（c）數(shù)據(jù)庫(kù)（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(wú)限的，如果均設(shè)置key值為空，會(huì)造成內(nèi)存資源的極大浪費(fèi)，引起性能急劇下降。解決思路：查詢緩存之前，對(duì)key值進(jìn)行過濾，只允許系統(tǒng)中存在的key進(jìn)行后續(xù)操作（例如采用key的bitmap進(jìn)行過濾）。

【問題3】思路1：緩存失效后，通過加排它鎖或者隊(duì)列方式控制數(shù)據(jù)庫(kù)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(jī)或不同的失效時(shí)間，使失效時(shí)間的分布盡量均勻；思路3：設(shè)置兩級(jí)或多級(jí)緩存，避免訪問數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。)解析：5.閱讀以下關(guān)于Web系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的敘述，回答問題1至問題3。

【說(shuō)明】某公司擬開發(fā)一個(gè)物流車輛管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可支持各車輛實(shí)時(shí)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(gè)終端設(shè)備的并發(fā)請(qǐng)求；（2）系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別車牌，識(shí)別時(shí)間應(yīng)小于1s；（3）系統(tǒng)應(yīng)7×24小時(shí)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(dú)立事務(wù)操作響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于3s；（7）系統(tǒng)在故障情況下，應(yīng)在1小時(shí)內(nèi)恢復(fù)；（8）新用戶學(xué)習(xí)使用系統(tǒng)的時(shí)間少于1小時(shí)。面對(duì)系統(tǒng)需求，公司召開項(xiàng)目組討論會(huì)議，制訂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，最終決定基于分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)物流車數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、高效的處理。

【問題1】請(qǐng)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(xiàng)目組討論，完