2019年11月系統架構設計師考試系統架構設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：5，分數：5.00)1.閱讀以下關于軟件架構設計與評估的敘述，回答問題1和問題2。

【說明】某電子商務公司為了更好地管理用戶，提升企業銷售業績，擬開發一套用戶管理系統。該系統的基本功能是根據用戶的消費級別、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的折扣方案。在需求分析與架構設計階段，電子商務公司提出的需求、質量屬性描述和架構特性如下：

（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，后續需要能夠根據消費情況進行動態調整；

（b）系統應該具備完善的安全防護措施，能夠對黑客的攻擊行為進行檢測與防御；

（c）在正常負載情況下，系統應在0.5秒內對用戶的商品查詢請求進行響應；

（d）在各種節假日或公司活動中，針對所有級別用戶，系統均能夠根據用戶實時的消費情況動態調整折扣力度；

（e）系統主站點斷電后，應在5秒內將請求重定向到備用站點；

（f）系統支持中文昵稱，但用戶名要求必須以字母開頭，長度不少于8個字符；

（g）當系統發生網絡失效后，需要在15秒內發現錯誤并啟用備用網絡；

（h）系統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）系統要擴容時，應保證在10人?月內完成所有的部署與測試工作；

（j）系統應對用戶信息數據庫的所有操作都進行完整記錄；（k）更改系統的Web界面接口必須在4人?周內完成；

（l）系統必須提供遠程調試接口，并支持遠程調試。在對系統需求、質量屬性描述和架構特性進行分析的基礎上，該系統架構師給出了兩種候選的架構設計方案，公司目組織相關專家對系統架構進行評估。

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

（分數：1.00）__________________________________________________________________________________________

正確答案：(【問題1】用戶級別與折扣規則管理功能更適合采用基于規則的架構風格。（1）將用戶級別、折扣規則等描述為可動態改變的規則數據；（2）加入新的用戶級別和折扣規則時需要重新定義新的對象，并需要重啟系統；（3）用戶級別和折扣規則已經在系統內編碼，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，將解答填入對應欄內。

【說明】某軟件企業為快餐店開發一套在線訂餐管理系統，主要功能包括：

（1）在線訂餐：已注冊客戶通過網絡在線選擇快餐店所提供的餐品種類和數量后提交訂單，系統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量時自動向供應商發起來購信息，包括食材類型和數量，供應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，系統自動更新食材庫存。

（4）生成報表：每個周末和月末，快餐店經理會自動收到系統生成的統計報表，報表中詳細列出了本周或本月訂單的統計信息以及庫存食材的統計信息。現采用數據流圖訂餐管理系統進行分析與設計，系統未完成的0層數據流圖。

如圖2-1所示。【問題1】根據訂餐管理系統功能說明，請在圖2-1所示數據流圖中給出外部實體E1~E4和加工P1~P4的具體名稱。

【問題2】根據數據流圖規范和訂餐管理系統功能說明，請說明在圖2-1中需要補充哪些數據流可以構造出完整的0層數據流圖。

【問題3】根據數據流圖的含義，請說明數據流圖和系統流程圖之間有哪些方面的區別。

（分數：1.00）__________________________________________________________________________________________

正確答案：(【問題1】E1：客戶E2：廚房E3：經理E4：供應商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數據流“餐品訂單”；（2）增加P1到P2數據流“餐品訂單”；（3）增加D1到P3的數據流“訂單匯總”；（4）增加P3到E3數據流“統計報表”。

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

【說明】信息物理系統（CyberPhysicalSystems,CPS）技術已成為未來宇航裝備發展的重點關鍵技術之一。某公司長期從事嵌入式系統的研制工作，隨著公司業務范圍不斷擴展決定進入宇航裝備的研制領域。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域的戰略規劃。王工經調研和分析，認為未來宇航裝備將向著網絡能化和綜合化的目標發展，CPS將會是宇航裝備的核心技術，公司應構建基于CPS技術的新產品架構，實現超前的技術戰略儲備。

【問題1】通常CPS結構分為感知層、網絡層和控制層，請用300字以內文字說明CPS的定義，并簡要說明各層的含義。

【問題2】王工在提交的戰略規劃中指出：飛行器中的電子設備是一個大型分布式系統，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，實現子系統數據交換，而飛行員或地面指揮系統根據飛行數據的匯總決策飛行任務的執行。圖3-1給出了飛行器系統功能組成圖。請參考圖3-1給出的功能圖，依據你所掌握的CPS識，說明以下所列的功能分別屬于CPS結構中的哪層，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.發電機控制5.環控6.配電管理7.轉速傳感器8.傳感器總線9.飛行員10.火警信號探測【問題3】王工在提交的戰略規劃中指出：未來宇航領域裝備將呈現網絡化、智能化和綜合化等特征，形成集群式的協同能力，安全性尤為重要。在宇航領域的CPS系統中，不同面上都會存在一定的安全威脅。請用100字以內文字說明CPS系統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：1.00）__________________________________________________________________________________________

正確答案：(【問題1】信息物理系統（CyberPhysicalSystems，CPS）作為計算進程和物理進程的統一體，是集計算、通信與控制于一體的下一代智能系統。信息物理系統通過人機交互接口實現程的交互，使用網絡化空間，以遠程的、可靠的、實時的、安全的、協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備組成，它屬于信息物理系統中的末端設備。

網絡層：主要是連接信息世界和物理世界的橋梁，實現的是數據傳輸，為系統提供實時的網絡服務，保證網絡分組傳輸的實時可靠。

控制層：主要是根據認知結果及物理設備傳回來的數據進行相應的分析，將相應的結果返回給客戶端。

【問題2】

感知層：2、4、7、10

網絡層：8

控制層：1、3、5、6

不屬于CPS結構中的功能：9

【問題3】（1）感知層安全威脅：感知數據破壞、信息竊聽、節點捕獲。（2）網絡層安全威脅：拒絕服務攻擊、選擇性轉發、方向誤導攻擊。（3）控制層安全威脅：用戶隱私泄露、惡意代碼、非授權訪問。)解析：4.閱讀以下關于分布式數據庫緩存設計的敘述，回答問題1至問題3。

【說明】某初創企業的主營業務是為用戶提供高度個性化的商品訂購業務，其業務系統支持PC端、手機App等多種訪問方式。系統上線后受到用戶普遍歡迎，在線用戶數和訂單數增長，原有的關系數據庫服務器不能滿足高速并發的業務要求。為了減輕數據庫服務器的壓力，該企業采用了分布式緩存系統，將應用系統經常使用的數據放置在內存，降低對數據庫服務器的查詢請求，提高了系統性能。在使用緩存過程中，企業碰到了一系列技術問題。

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

1.根據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key（a）；4.讀取成功后，（b）；5.成功返回。

寫數據操作的基本步驟：1.根據key值寫（c）；2.成功后（d）；3.成功返回。請填寫完善上述步驟中（a）~（d）處的空白內容。

【問題2】緩存系統一般以key/value形式存儲數據，在系統運維中發現，部分針對緩存的查詢，未在緩存系統中找到對應的key，從而引發了大量對數據庫服務器的查詢請求，最時甚至導致了數據庫服務器的宕機。經過運維人員的深入分析，發現存在兩種情況：（1）用戶請求的key值在系統中不存在時，會查詢數據庫系統，加大了數據庫服務器的壓力；（2）系統運行期間，發生了黑客攻擊，以大量系統不存在的隨機key發起了查詢請求，從而導致了數據庫服務器的宕機。經過研究，研發團隊決定，當在數據庫中也未找到該key時，在緩存系統中為key設置空值，防止對數據庫服務器發起重復查詢。請用100字以內文字說明該設置空值方案存在的問題，并給出解決思路。

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

（分數：1.00）__________________________________________________________________________________________

正確答案：(【問題1】存在雙寫不一致問題，在寫數據時，可能存在緩存寫成功，數據庫寫失敗，或者反之，從而造成數據不一致。當多個請求發生時，也可能產生讀寫沖突的并發問題。

（a）從數據庫中讀取數據或讀數據庫（b）更新緩存中key值或更新緩存（c）數據庫（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：不在系統中的key值是無限的，如果均設置key值為空，會造成內存資源的極大浪費，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，只允許系統中存在的key進行后續操作（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據庫寫緩存的線程數量，使得緩存更新串行化；思路2：給不同key設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：設置兩級或多級緩存，避免訪問數據庫服務器。)解析：5.閱讀以下關于Web系統架構設計的敘述，回答問題1至問題3。

【說明】某公司擬開發一個物流車輛管理系統，該系統可支持各車輛實時位置監控、車輛歷史軌跡管理、違規違章記錄管理、車輛固定資產管理、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）系統應支持大于50個終端設備的并發請求；（2）系統應能夠實時識別車牌，識別時間應小于1s；（3）系統應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）獨立事務操作響應時間應小于3s；（7）系統在故障情況下，應在1小時內恢復；（8）新用戶學習使用系統的時間少于1小時。面對系統需求，公司召開項目組討論會議，制訂系統設計方案，最終決定基于分布式架構設計實現該物流車輛管理系統，應用Kafka、Redis數據緩存等技術實現對物流車數據、業務數據進行快速、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】經項目組討論，完