试题一 软件架构设计

【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。

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】（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)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10s。该要求主要对应可用性，可以采用的架构设计策略有Ping/Edio、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。

试题二 软件系统数据架构建模

【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。

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建模阶段。

【问题2】（8分）
请分析指出上图所示的数据流图中存在的错误及其原因，并针对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。

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细的信息，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进行考査。
(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，在设计模型时，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？

试题三 嵌入式

【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。

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】（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，完成下表中的空白部分，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。
两种操作系统的主要差异

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】（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。

(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

试题四 软件系统架构选择

【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。

软件架构风格是描述特定软件系统组织方式的惯用模式。组织方式描述了系统的组成构件和这些构件的组织方式，惯用模式则反映众多系统共有的结构和语义。
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】（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。

对于系统的增减速功能，来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：
(1) 司机进行增/减速操作设置期望速度，该期望速度以消息的形式传递给速度计；
(2) 速度计通过向车轮和时钟发送消息获取车轮转速和时钟值，得到当前速度；
(3) 速度计计算前速度和期望速度的速度差值；
(4) 该差值以消息的形式发送给油门，油门通过速度差值调节自身状态；
(5) 整个过程在时钟的控制下定期向速度计发送消息，重复执行（2）~（4）。
控制环路的架构风格以控制器为核心，
期望速度、车轮脉冲、时钟和油门等作为构件。
具体的计算过程是：
(1) 司机进行增/减速操作设置期M速度值；
(2) 将设定值置为期望速度值；
(3) 控制器采集车轮脉冲和时钟值，计算出当前速度；
(4) 比较期望速度和当前速度，计算速度差值，控制油门动作；
(5) 反复执行(3)和(4)。

【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。

适合面向对象架构风格的应用场景：
(1) 用户刹车，立即退出巡航控制系统。
理由：这是一个典型的事件驱动的场景，适合于面向对象风格。
(2) 系统对突发事件的处理，如某些部件失灵等。
理由：当发生突发事件时，系统会同时产生数据和事件，这种情况用对象建模较为恰当。
适合面向控制环路架构风格的应用场景：
(1) 在达到期望速度后，系统维持恒定速度行驶。理由：这是一个典型的闭环控制的情景，系统需要在外界情况不断发生变化的情况下进行调整，使得系统状态尽可能接近期望状态。
(2) 用户改变期望速度后，系统不断进行调整，直至到达恒定速度。理由：这是一个闭环控制情景，当用户设定期望速度值后，系统需要在不断获取当前速度和外界条件的情况下对系统状态持续调整，使得系统状态尽可能接近这个新的期望状态。

试题五 信息系统安全性

【问题1】（9分）
信息系统面临的安全威胁多种多样，来自多个方面。请指出信息系统面临哪些方面的安全威胁并分别予以简要描述。

信息系统面临的安全威胁来自于物理环境、通信链路、网络系统、操作系统、应用系统以及管理等多个方面。
物理安全威胁是指对系统所用设备的威胁，如自然灾害、电源故障、数据库故障和设备被盗等造成数据丢失或信息泄漏。
通信链路安全威胁是指在传输线路上安装窃听装置或对通信链路进行干扰。
网络安全威胁当前主要是指由于因特网的开放性、国际性与无安全管理性，对内部网络形成的严重安全威胁。
操作系统安全威胁指的是操作系统本身的后门或安全缺陷，如“木马”和“陷阱 门”等。
应用系统安全威胁是指对于网络服务或用户业务系统安全的威胁，包括应用系统自身漏洞，也受到“木马”的威胁。
管理系统安全威胁指的是人员管理和各种安全管理制度。

【问题2】（8分）
认证是安全系统中不可缺少的环节，请简要描述主要的认证方式，并说明该企业应采用哪种认证方式。

目前主要的认证方式有三类：
(1) 用户名和口令认证：主要是通过一个客户端与服务器端的口令（或与口令相关的数据）进行验证。根据处理形式的不同，分为验证数据的明文传送、利用单向散列函数处理验证数据和随机数处理验证数据。
(2) 使用令牌认证：该方式中，进行验证的密钥存储于令牌中，目前的令牌包括安全证书和智能卡等方式。
(3)生物识别认证：主要是根据认证者的图像、指纹、气味和声音等作为认证数据。
根据该企业的业务特征，采用令牌认证较为合适。

【问题3】（8分）
请解释授权侵犯的具体含义；针对王工的意见给出相应的解决方案，说明该解决方案的名称、内容和目标。

授权侵犯指的是被授权以某一目的使用某一系统或资源的某个人，将此权限用于其他非授权的目的，也称作“内部攻击”。
针对王工的建议，从系统安全架构设计的角度需要提供抗抵赖框架。
抗抵赖服务包括证据的生成、验证和记录，以及在解决纠纷时随即进行的证据恢复和再次验证。
框架中抗抵赖服务的目的是提供有关特定事件或行为的证据。例如，必须确认数据原发者和接收者的身份和数据完整性，在某些情况下，可能需要涉及上下文关系（如曰期、时间、原发者/接收者的地点等）的证据，等等。