完整版年系统架构设计师考试下午真题与答案下半年.docx
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完整版年系统架构设计师考试下午真题与答案下半年
2009年下半年系统架构设计师考试下午真题
试题：
阅读以下软件架构设计的问题，在答题纸上回答问题1和问题2.
某软件开发公司欲为某电子商务企业开发一个在线交易平台,支持客户完成网上购物活动中的在线交易。
在系统开发之初,企业对该平台提出了如下要求：
（1）在线交易平台必须在1s内完成客户的交易请求。
（2）该平台必须保证客户个人信息和交易信息的安全。
（3）当发生故障时,该平台的平均故障恢复时间必须小于10s.
（4）由于企业业务发展较快，需要经常为该平台添加新功能或进行硬件升级.添加新功能或进行硬件升级必须在6小时内完成。
针对这些要求，该软件开发公司决定采用基于架构的软件开发方法,以架构为核心进行在线交易平台的设计与实现。
【问题1】（9分）
软件质量属性是影响软件架构设计的重要因素。
请用200字以内的文字列举六种不同的软件质量属性名称，并解释其含义。
【问题2】（16分）
请对该在线交易平台的4个要求进行分析，用300字以内的文字指出每个要求对应何种软件质量属性；并针对每种软件质量属性，各给出2种实现该质量属性的架构设计策略。
1.试题答案：
【问题1】
常见的软件质量属性有多种，例如性能（Performance）、可用性（Availability）、可靠性（Reliability）、健壮性（Robustness）、安全性（Security）、可修改性（Modification）、可变性（Changeability）、易用性（Usability）、可测试性（Testability）、功能性（Functionality）和互操作性（Inter—operation）等。
这些质量属性的具体含义是：
（1）性能是指系统的响应能力,即要经过多长时间才能对某个事件做出响应，或者在某段时间内系统所能处理事件的个数.
（2）可用性是系统能够正常运行的时间比例。
（3）可靠性是指软件系统在应用或错误面前，在意外或错误使用的情况下维持软件系统功能特性的基本能力.
（4）健壮性是指在处理或环境中,系统能够承受压力或变更的能力。
（5）安全性是指系统向合法用户提供服务的同时能够阻止非授权用户使用的企图或拒绝服务的能力。
（6）可修改性是指能够快速地以较高的性能价格比对系统进行变更的能力。
（7）可变性是指体系结构经扩充或变更成为新体系结构的能力。
（8）易用性是衡量用户使用一个软件产品完成指定任务的难易程度.
（9）可测试性是指软件发现故障并隔离、定位其故障的能力特性，以及在一定的时间和成本前提下，进行测试设计、测试执行的能力。
（10）功能性是系统所能完成所期望工作的能力。
（11）互操作性是指系统与外界或系统与系统之间的相互作用能力。
【问题2】
（1）在线交易平台必须在1s内完成客户的交易请求。
该要求主要对应性能，可以采用的架构设计策略有增加计算资源、改善资源需求（减少计算复杂度等）、资源管理（并发、数据复制等）和资源调度（先进先出队列、优先级队列等）。
（2）该平台必须严格保证客户个人信息和交易信息的保密性和安全性.该要求主要对应安全性，可以采用的架构设计策略有抵御攻击（授权、认证和限制访问等）、攻击检测（入侵检测等）、从攻击中恢复（部分可用性策略）和信息审计等。
（3）当发生故障时，该平台的平均故障恢复时间必须小于l0s。
该要求主要对应可用性，可以采用的架构设计策略有Ping/Echo、心跳、异常和主动冗余等.
（4）由于企业业务发展较快，需要经常为该平台添加新功能或进行硬件升级.添加新功能或进行平台升级必须在6小时内完成.该要求主要对应可修改性，可以采用的架构设计策略有软件模块泛化、限制模块之间通信、使用中介和延迟绑定等.
试题分析：
本题考查考生对于质量属性及质量属性实现策略的掌握情况.
【问题1】
常见的软件质量属性有多种，例如性能（Performance）、可用性（Availability）、可靠性（Reliability）、健壮性（Robustness）、安全性（Security）、可修改性（Modification）、可变性（Changeability）、易用性（Usability）、可测试性（Testability）、功能性（Functionality）和互操作性（Inter-operation）等。
这些质量属性的具体含义是：
（1）性能是指系统的响应能力,即要经过多长时间才能对某个事件做出响应，或者在某段时间内系统所能处理事件的个数。
（2）可用性是系统能够正常运行的时间比例.
（3）可靠性是指软件系统在应用或错误面前,在意外或错误使用的情况下维持软件系统功能特性的基本能力。
（4）健壮性是指在处理或环境中，系统能够承受压力或变更的能力。
（5）安全性是指系统向合法用户提供服务的同时能够阻止非授权用户使用的企图或拒绝服务的能力。
（6）可修改性是指能够快速地以较高的性能价格比对系统进行变更的能力。
（7）可变性是指体系结构经扩充或变更成为新体系结构的能力。
（8）易用性是衡量用户使用一个软件产品完成指定任务的难易程度。
（9）可测试性是指软件发现故障并隔离、定位其故障的能力特性，以及在一定的时间和成本前提下，进行测试设计、测试执行的能力。
（10）功能性是系统所能完成所期望工作的能力。
（11）互操作性是指系统与外界或系统与系统之间的相互作用能力。
【问题2】
本题主要结合实际案例,考查实现各种质量属性的策略.
（1）在线交易平台必须在1s内完成客户的交易请求。
该要求主要对应性能，可以采用的架构设计策略有增加计算资源、改善资源需求（减少计算复杂度等）、资源管理（并发、数据复制等）和资源调度（先进先出队列、优先级队列等）.
（2）该平台必须严格保证客户个人信息和交易信息的保密性和安全性。
该要求主要对应安全性,可以采用的架构设计策略有抵御攻击（授权、认证和限制访问等）、攻击检测（入侵检测等）、从攻击中恢复（部分可用性策略）和信息审计等。
（3）当发生故障时，该平台的平均故障恢复时间必须小于l0s。
该要求主要对应可用性，可以采用的架构设计策略有Ping/Echo、心跳、异常和主动冗余等。
（4）由于企业业务发展较快，需要经常为该平台添加新功能或进行硬件升级。
添加新功能或进行平台升级必须在6小时内完成。
该要求主要对应可修改性,可以采用的架构设计策略有软件模块泛化、限制模块之间通信、使用中介和延迟绑定等.
试题2
阅读以下关于结构化软件系统建模的叙述，在答题纸上回答问题1至问题3。
某公司拟开发一个商业情报处理系统,使公司能够及时针对市场环境的变化及时调整发展战略，以获取最大的商业利益。
项目组经过讨论,决定采用结构化分析和设计方法。
在系统分析阶段，为了更好地对情报数据处理流程及其与外部角色的关联进行建模，项目组成员分别给出了自己的设计思路：
（1）小张提出先构建系统流程图（SystemFlowcharts），以便更精确地反映系统的业务处理过程及数据的输入和输出；
（2）小李提出先构建系统数据流图（DataFlowDiagrams），来展现系统的处理过程和定义业务功能边界，并给出了情报分类子系统的0层和1层数据流图，后者如图2—1所示。
项目组经讨论确定以数据流图作为本阶段的建模手段。
工程师老王详细说明了流程图和数据流图之间的区别与联系,并指出了图2—1的数据流图中存在的错误.
【问题1】（11分）
流程图和数据流图是软件系统分析设计中常用的两种手段,请用300字以内文字简要说明流程图与数据流图的含义及其区别，并说明项目组为何确定采用数据流图作为建模手段.
【问题2】（8分）
请分析指出图2-1所示的数据流图中存在的错误及其原因，并针对图2-1的1层数据流图绘制出情报分类子系统的0层数据流图.
【问题3】（6分）
高质量的数据流图是可读的、内部一致的并能够准确表示系统需求。
请用300字以内文字说明在设计高质量的数据流图时应考虑的三个原则。
2.试题答案:
【问题1】
数据流图作为一种图形化工具，用来说明业务处理过程、系统边界内所包含的功能和系统中的数据流。
流程图以图形化的方式展示应用程序从数据输入开始到获得输出为止的逻辑过程，描述处理过程的控制流。
两者的区别主要包括：
（1）数据流图中的处理过程可并行；流程图在某个时间点只能处于一个处理过程.
（2）数据流图展现系统的数据流;流程图展现系统的控制流.
（3）数据流图展现全局的处理过程,过程之间遵循不同的计时标准;流程图中处理过程遵循一致的计时标准。
（4）数据流图适用于系统分析中的逻辑建模阶段；流程图适用于系统设计中的物理模阶段。
【问题2】
如图所示的数据流图中存在的错误有以下4种：
（1）“分类训练”加工：
只有输入没有输出,产生数据黑洞；
（2）“分类处理”加工：
有输出没有输入，无中生有；
（3）“规则文件"数据流：
外部实体没有经过加工处理，直接到数据存储;
（4）“配置信息"数据流:
外部实体之间没有加工处理，存在直接数据流。
【问题3】
高质量数据流图设计时应考虑的三个原则：
（1）复杂性最小化原则。
DFD分层结构就是把信息划分为小的且相对独立的一大批子集例子,这样就可以单独考查每一个DFD。
如果要了解某个过程更加详的信息，可以跳转到该过程的下一层；如果要知道一个DFD如何与其他DFD相关联，可以跳转到上一层的DFD进行考查。
（2）接口最小化原则.接口最小化是复杂性最小化的一种具体规则。
在设计模式时，应使得模型中各个元素之间的接口数或连接数最小化。
（3）数据流一致性原则。
一个过程和它的过程分解在数据流内容中是否有差别?
是否存在有数据流出但没有相应的数据流入的加工？
是否存在有数据流入但没有相应的数据流出的加工？
试题分析：
本题考查考生对于结构化系统建模方法的掌握情况.
【问题1】
数据流图和流程图是结构化建模中使用的重要工具,能够帮助开发人员更好地分析和设计系统，增强系统开发人员之间交流的准确性和有效性。
数据流图作为一种图形化工具，用来说明业务处理过程、系统边界内所包含的功能和系统中的数据流，适用于系统分析中的逻辑建模阶段.流程图以图形化的方式展示应用程序从数据输入开始到获得输出为止的逻辑过程,描述处理过程的控制流,往往涉及到具体的技术和环境，适用于系统设计中的物理建模阶段。
本题项目组为了更好地对情报数据处理流程及其与外部角色的关联进行建模，符合数据流图的应用场景要求，因此，首先构建数据流图以反映数据流向和系统边界。
数据流图和流程图是为了达到不同的目的而产生的，其所采用的标准符号集合也不相同。
在实际应用中，区别主要包括是否可以描述处理过程的并发性；描述内容是数据流还是控制流等几个方面。
【问题2】
数据流图中常见的错误分为两种类型：
一类是语法错误，包括外部实体之间、数据存储之间或外部实体与数据存储之间不经过加工而存在直接数据流；另一类是逻辑错误，包括数据黑洞（只有输入没有产生输出）、灰洞（输入不足以产生输出）和无输入.
·“分类训练"加工属于数据黑洞错误;
·“分类处理”加工属于无输入错误；
·“规则文件”和“配置信息"数据流属于语法错误。
对于复杂系统，一般采用分层数据流图逐步细化系统的内部处理逻辑。
0层数据流图是1层数据流图更高级别的抽象。
“分类训练”和“分类处理”加工属于内部加工，“分类规则”数据流属于内部数据流,抽象为“情报分类子系统”加工.其中，“样本数据”、“规则文件”和“配置信息"为输入数据流；“分类结果”为输出数据流。
【问题3】
高质量的数据流图首先要求满足数据流一致性要求，即数据流的输入输出应该匹配，输入数据的信息量足以产生输出数据,所有的输出数据都能够从输入数据中找到数据的来源。
对于复杂性系统，可以采用DFD分层结构将系统的复杂性逐步分解降低，以提高数据流图的有效性。
高质量的数据流图应该简化复杂的接口,最小化接口或连接的数目。
所属试卷:
试题3
试题:
阅读以下关于嵌入式软件体系架构的叙述，在答题纸上回答问题1至问题3。
某公司承担了一项宇航嵌入式设备的研制任务.本项目除对硬件设备环境有很高的要求外,还要求支持以下功能:
（1）设备由多个处理机模块组成，需要时外场可快速更换（即LRM结构）；
（2）应用软件应与硬件无关,便于软硬件的升级；
（3）由于宇航嵌入式设备中要支持不同功能，系统应支持完成不同功能任务间的数据隔离；
（4）宇航设备可靠性要求高，系统要有故障处理能力.
公司在接到此项任务后,进行了反复论证，提出三层栈（TLS）软件总体架构，如图3-1所示，并将软件设计工作交给了李工，要求其在三周内完成软件总体设计工作,给出总体设计方案.
图3—1宇航嵌入式设备软件架构
【问题1】（8分）
用150字以内的文字,说明公司制定的TLS软件架构的层次特点,并针对上述功能需求
（1）～（4），说明架构中各层内涵。
【问题2】（10分）
在TLS软件架构的基础上，关于选择哪种类型的嵌入式操作系统问题，李工与总工程师发生了严重分歧。
李工认为，宇航系统是实时系统，操作系统的处理时间越快越好，隔离意味着以时间作代价，没有必要，建议选择类似于VxWorks5.5的操作系统；总工程师认为,应用软件间隔离是宇航系统安全性要求，宇航系统在选择操作系统时必须考虑这一点,建议选择类似于Linux的操作系统.
请说明两种操作系统的主要差异,完成表3-1中的空白部分，并针对本任务要求，用200字以内的文字说明你选择操作系统的类型和理由。
表3—1两种操作系统的主要差异
【问题3】（7分）
故障处理是宇航系统软件设计中极为重要的组成部分。
故障处理主要包括故障监视、故障定位、故障隔离和系统容错（重组）。
用150字以内的文字说明嵌入式系统中故障主要分哪几类？
并分别给出两种常用的故障滤波算法和容错算法。
3.试题答案：
【问题1】
TLS结构框架的主要特点:
（1）应用软件仅与操作系统服务相关,不直接操作硬件。
（2）操作系统通过模块支持原软件访问硬件，可与具体硬件无关。
（3）模块支持层将硬件抽象成标准操作。
（4）通过三层栈的划分可实现硬件的快速更改与升级，应用软件的升级不会引起硬件的变更。
TLS结构框架的各层内涵是：
（1）应用层主要完成宇航设备的具体工作，由多个功能任务组成,各功能任务间的隔离由操作系统层实现。
（2）操作系统层实现应用软件与硬件的隔离,为应用软件提供更加丰富的计算机资源服务。
操作系统为应用软件提供标准的API接口（如POSIX），确保了应用软件的可升级性。
（3）模块支持层为操作系统管理硬件资源提供统一管理方法，用一种抽象的标准接口实现软件与硬件的无关性，达到硬件的升级要求，便于硬件的外场快速更换。
【问题2】
两种操作系统的差异见下表。
选择类似于Linux的嵌入式操作系统。
理由如下：
（1）Linux操作系统是一种安全性较强的操作系统。
内核工作在系统态，应用软件工作在用户态，可以有效防止应用软件对操作系统的破坏.
（2）Linux操作系统调度的最小单位是线程，线程归属于进程，进程具有自己独立的资源。
进程通过存储器管理部件（MMU）实现多功能应用间隔离。
（3）嵌入式Linux操作系统支持硬件抽象，可有效实现TLS结构，并将硬件抽象与操作系统分离，可方便实现硬件的外场快速更换。
【问题3】
（1）嵌入式系统中故障主要分为：
①硬件故障:
如CPU、存储器和定时器等；
②应用软件故障：
如数值越界、异常和超时等；
③操作系统故障：
如越权访问、死锁和资源枯竭等。
（2）滤波算法：
①门限算法
②递减算法
③递增算法
④周期滤波算法
（3）容错算法:
①N+1备份
②冷备
③温备
④热备
试题分析：
本题考查嵌入式系统设计的概念，主要包括嵌入式软件体系结构的框架设计，提高宇航设备可靠性的设计方法和掌握根据用户需求开展软件需求分析的手段.
此类题目要求考生认真阅读题目对用户需求的描述，在分析、论证和概念设计的基础上,根据实例要求完善问题的解析.本题重点考查考生归纳问题、分析问题和解决问题的能力。
本题首先给出用户针对宇航设备的4项功能要求：
（1）设备由多个处理机模块组成,需要时外场可快速更换（即LRM结构）；
（2）应用软件应与硬件无关，便于软硬件的升级；
（3）由于宇航嵌入式设备中要支持不同功能，系统应支持完成不同功能任务间的数据隔离；
（4）宇航设备可靠性要求高，系统要有故障处理能力.
从4项要求分析看，第一项要求是考查考生的基础硬件知识,宇航设备应该由多个硬件模块组成，各个模块承担着不同功能，外场可快速更换是指在实验现场（如机场、发射基地）能够用备份模块替换掉故障硬件模块，从而节省维修时间。
此项要求是本题设计软件体系总体架构的基础，也是采用三层栈（TLS）的首要点。
第二项要求是考查考生从软／硬件升级方面理解三层栈（TLS）架构的优势，因为硬件要方便升级的基础是不会引起软件的更改（或极少更改），要想达到应用软件与硬件的无关性，必须采用操作系统实现硬件隔离。
第三项要求是考查考生根据用户软件的技术要求，如何考虑操作系统的分析方法。
要支持任务间的数据隔离,具有进程管理的操作系统最为合适，这里考查了考生必须深入了解什么是操作系统的进程概念。
第四项要求是考查考生掌握设计高可靠性设备通常采用的技术。
如果考生理解了上述4个用户要求,就能容易地回答本题的三个问题。
【问题1】
本题给出的TLS结构框架主要通过硬件抽象,形成模块支持层软件，将操作系统对硬件资源的管理抽象成对一种逻辑上相关的抽象资源的管理，这样就将操作系统软件与硬件进行了分离.而应用软件访问硬件资源靠操作系统提供的服务进行，这样，应用软件仅仅和具体功能实现有关，而不需关心硬件配置。
因此，TLS结构框架的主要特点可概述为以下4点：
（1）应用软件仅与操作系统服务相关，不直接操作硬件.
（2）操作系统通过模块支持原软件访问硬件，可与具体硬件无关。
（3）模块支持层将硬件抽象成标准操作。
（4）通过三层栈的划分可实现硬件的快速更改与升级，应用软件的升级不会引起硬件的变更。
基于这种思想，TLS结构框架实现了宇航设备中软件功能服务，这样考生就可以完整地叙述各层软件的设计内涵，即:
（1）应用层主要完成宇航设备的具体工作，由多个功能任务组成,各功能任务间的隔离由操作系统层实现.
（2）操作系统层实现应用软件与硬件的隔离，为应用软件提供更加丰富的计算机资源服务。
操作系统为应用软件提供标准的API接口（如POSIX），确保了应用软件的可升级性.
（3）模块支持层为操作系统管理硬件资源提供统一管理方法，用一种抽象的标准接口实现软件与硬件的无关性,达到硬件的升级要求,便于硬件的外场快速更换.
【问题2】
选择操作系统的依据是本题第三项的用户要求,主要考查考生对目前常用的嵌入式操作系统的了解程度。
第一小问的表格给出的VxWorks和Linux两个操作系统是嵌入式系统常用的软件，两个软件在资源管理上存在本质区别，考生必须明确差异后，方能回答第二小问。
两种操作系统的差异如下表所示。
通过比较,显然选用类似于Linux的嵌入式操作系统适用本题要求。
理由包括三点:
（1）Linux操作系统是一种安全性较强的操作系统。
内核工作在系统态，应用软件工作在用户态（这点是系统安全性要求），可以有效防止应用软件对操作系统的破坏。
（2）Linux操作系统调度的最小单位是线程，线程归属于进程，进程具有自己独立的资源。
进程通过存储器管理部件（MMU）实现多功能应用间隔离.
（3）嵌入式Linux操作系统支持硬件抽象，可有效实现TLS结构,并将硬件抽象与操作系统分离，可方便实现硬件的外场快速更换。
【问题3】
作为宇航系统的嵌入式设备，硬／软件故障是宇航系统最为关注的内容，根据宇航系统的特点和系统组成，故障一般分为三类，即硬件故障、应用软件故障和操作系统故障，在设计中,应考虑这三类故障的处理方法。
硬件故障一般包括CPU运算错误、存储器访问／越界错误、MMU配置错误、定时器计数错误和内总线错误等；应用软件故障一般包括计算越界、除0、溢出和超时等各种异常情况；操作系统故障一般包括越权访问、死锁、资源枯竭、调度超时、配置越界和操作系统异常等。
一般情况下，宇航系统的故障分为瞬态故障和永久故障，瞬态故障是指偶然发生的错误，而永久故障是指发生后不可消失的错误。
在容错系统中,故障一般是由瞬态故障向永久故障转变，将鉴别瞬态故障和永久故障的算法称为滤波算法。
在嵌入式实时系统中，常用的滤波算法包括门限算法、递减算法、递增算法和周期滤波算法等。
故障的鉴别目的是实现宇航系统的容错与重构。
常用的容错算法是N+1备份、冷备、温备和热备.N+1备份是指N个通用模块之一的任何一个模块发生故障后,将故障模块的任务迁移到备份模块运行；冷备、温备和热备是三种备份方式，可根据宇航系统的总体备份时间或重要程度安排不同的备份算法.
试题4
阅读以下软件系统架构选择的问题，在答题纸上回答问题1至问题3。
某公司欲开发一个车辆定速巡航控制系统，以确保车辆在不断变化的地形中以固定的速度行驶。
图4—1给出了该系统的简化示意图。
表4-1描述了各种系统输入的含义.
图4-1定速巡航控制系统的简化示意图
表4—1定速巡航控制系统输入说明
公司的领域专家对需求进行深入分析后，将系统需求认定为:
任何时刻，只要定速巡航控制系统处于工作状态，就要有确定的期望速度，并通过调整引擎油门的设定值来维持期望速度。
在对车辆定速巡航控制系统的架构进行设计时，公司的架构师王工提出采用面向对象的架构风格，而李工则主张采用控制环路的架构风格。
在架构评估会议上，专家对这两种方案进行综合评价，最终采用了面向对象和控制环路相结合的混合架构风格.
【问题1】（5分）
在实际的软件项目开发中,采用成熟的架构风格是项目成功的保证.请用200字以内的文字说明:
什么是软件架构风格;面向对象和控制环路两种架构风格各自的特点。
【问题2】（12分）
用户需求没有明确给出该系统如何根据输入集合计算输出。
请用300字以内的文字针对该系统的增减速功能，分别给出两种架构风格中的主要构件，并详细描述计算过程。
【问题3】（8分）
实际的软件系统架构通常是多种架构风格的混合，不同的架构风格都有其适合的应用场景。
以该系统为例，针对面向对象架构风格和控制环路架构风格，各给出两个适合的应用场景，并简要说明理由.
试题答案：
【问题1】
软件架构风格是描述某一类特定应用领域中软件系统组织方式和惯用方式.
面向对象架构风格的特征是将数据表示和基本操作封装在对象中.这种模式的构件是对象,对象维护自身表示的完整性,对象之间通过消息机制进行通信，对象交互时需要知道彼此的标识，通过对象之间的协作完成计算过程。
控制环路架构风格是将过程输出的指定属性维护在一个特定的参考值（设定点）。
控制环路风格包括过程变量、被控变量、输入变量、操纵变量和设定点等构件,通过收集实际和理想的过程状态信息,并能调整过程变量使得实际状态趋于理想状态。
【问题2】
对于系统的增减速功能，采用面向对象风格的巡航控制系统首先会定义司机、油门、时钟、速度计和车轮等构件。
整个计算的主要过程是
升级会员 