软考高级系统架构师考试 32 小时通关指南

考试概述

系统架构设计师考试是全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试（简称“软考”）中的高级资格考试，通过系统架构设计师考试可获得高级工程师职称资格。

本书基于2022年颁布的新考试大纲编写，在保证了知识的系统性与完整性的基础上，在易学性、学习有效性等方面进行了大幅度地改进和提高。

本书在全面分析知识点的基础上，对整个学习架构进行了科学重构，可以极大地提高学习的有效性。尤其是针对层次式架构设计、云原生架构设计、面向服务架构设计、嵌入式系统架构设计、通信系统架构设计、安全架构设计、大数据架构设计等核心考点，分别从理论与实践两个方面进行了重点梳理。考生可通过学习本书，掌握考试的重点，熟悉试题形式及解答问题的方法和技巧等。

本书可作为考生备考系统架构设计师考试的学习教材，也可作为各类培训班的教学用书。

核心特点

• 科学重构学习架构：基于2022年新考试大纲，对整个学习架构进行科学重构
• 32小时通关体系：精心设计的32小时学习路径，高效备考
• 6篇系统化知识架构：从基础到实践，层层递进的知识体系
• 理论与实践并重：针对核心考点，分别从理论与实践两个方面进行重点梳理
• 重点突出：聚焦层次式架构、云原生架构、SOA、嵌入式系统等核心考点

适用对象

• 准备参加系统架构设计师考试的考生
• 希望获得高级工程师职称资格的技术人员
• 各类培训班的学员和教师
• 从事系统架构设计工作的专业人员
• 希望提升架构设计能力的软件工程师

学习指南

本指南按照6篇32小时的结构组织，建议按以下方式学习：

1. 第1篇（第1-3小时）：架构设计基础 - 夯实计算机系统基础
2. 第2篇（第4-8小时）：架构设计专业知识 - 掌握专业理论基础
3. 第3篇（第9-14小时）：架构设计高级知识 - 深入架构设计理论
4. 第4篇（第15-22小时）：架构设计实践知识 - 重点掌握实践应用
5. 第5篇（第23-26小时）：架构设计补充知识 - 完善知识体系
6. 第6篇（第27-32小时）：架构设计模拟试题 - 实战演练提升

考试内容

重点章节： 【高】 软件架构设计 、软件工程 【中】 数据库系统、企业信息化战略与实施、操作系统 、计算机网络

第1篇 架构设计基础

第1小时 计算机系统基础知识

1.0 章节考点分析

第1小时主要学习计算机硬件基础知识、计算机软件基础知识、计算机语言、多媒体技术等内容。根据考试大纲，本小时知识点涉及单项选择题，按以往全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试的出题规律约占 $2\sim 6$ 分。本小时内容属于基础知识范畴，一般不会在案例分析题中出现。本小时知识架构如图1.1所示。

图1.1 本小时知识架构

【导读小贴士】

想成为一名合格的高级架构师，需要在计算机领域中“上知天文，下知地理”，所谓“万丈高楼平地起”，本小时所要讲述的计算机系统基础知识，属于需要掌握的庞杂的知识域中的一小部分，都是入门的基础知识，教材上言简意赅，这里我们会对教材进行补充，加以整理，力求让不同阶段的读者都能有所收益。

1.1 计算机系统概述

【基础知识点】

1. 计算机系统的定义与组成

计算机系统（Computer System） 是指用于数据管理的计算机硬件、软件及网络组成的系统。计算机系统可划分为硬件（子系统） 和软件（子系统） 两部分。硬件由机械、电子元器件、磁介质和光介质等物理实体构成；软件是一系列按照特定顺序组织的数据和指令，并控制硬件完成指定的功能。

2. 计算机系统分类

计算机系统的分类维度很多，也较为复杂，可以从硬件的结构、性能、规模上划分，亦可从软件的构成、特征上划分，或者从系统的整体用途、服务对象等进行分类。

1.2 计算机硬件基础知识

【基础知识点】

1. 冯·诺依曼计算机结构

冯·诺依曼计算机结构将计算机硬件划分为运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备5个部分。但在现实的硬件中，控制单元和运算单元被集成为一体，封装为通常意义上的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。

CPU的工作频率(主频) 包括两个部分:外频与倍频，两者的乘积就是主频。所谓外频，就是外部频率，指的是系统总线频率。倍频的全称是倍频系数，倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。最初CPU主频和系统总线速度是样的，但CPU的速度越来越快，倍频系数也就相应产生。它的作用是使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来提升。

2. 典型的处理器系统

典型的处理器系统结构如图1.2所示
图1.2 典型的处理器体系结构示意图

3. 专用处理器

除了通用的处理器，用于专用目的的专用处理器芯片不断涌现，常见的有图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）、信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）以及现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等。GPU常有数百个或数千个内核，经过优化可并行运行大量计算；DSP专用于实时的数字信号处理，常采用哈佛体系结构。

4. 指令集系统

典型的处理器根据指令集的复杂程度可分为复杂指令集（Complex Instruction Set Computers，CISC）与精简指令集（Reduced Instruction Set Computers，RISC）两类。CISC以 Intel、AMD 的 x86 CPU为代表，RISC以 ARM 和 Power为代表。国产处理器目前有龙芯、飞腾、申威等品牌，常采用 RISC-V、MIPS、ARM等精简指令集架构。

5. 存储器

存储器是利用半导体、磁、光等介质制成用于存储数据的电子设备。根据存储器的硬件结构可分为 SRAM、DRAM、NVRAM、Flash、EPROM、Disk等。按照与处理器的物理距离可分为 4 个层次：片上缓存、片外缓存、主存（内存）、外存。其访问速度依次降低，而容量依次提高。

嵌入式系统的存储结构 采用分级的方法来设计，从而使得整个存储系统分为四级，即寄存器组、高速缓冲 (Cache)、内存(包括 flash)和外存，它们在存取速度上依次递减，而在存储容量上逐级递增,寄存器速度快。 cache是一个高速小容量的临时存储器，可以用高速的静态存储器芯片实现，或者集成到CPU芯片内部存储CPU最经常访问的指令或者操作数据。 而寄存器不同，寄存器是内存阶层中的最顶端，也是系统获得操作资料的最快速途径寄存器存放的是当前CPU环境以及任务环境的数据，而cache则存放最近经常访问的指令和数据。

磁盘读取顺序： 1）同柱面内，先进行扇区调度，再进行磁头调度。 2）扇区不包含磁头，它们是磁盘定位的两个独立参数。 3）类似快递分拣:先选楼层(柱面)，再按房间号(扇区)排序，最后找房间内的具体位置(磁头)。

存储管理方式

页式存储转换计算 逻辑地址=逻辑页号+页内地址，物理地址=物理块号+页内地址。它们的页内地址是相同的，变化的时候只需要将逻辑页号变换为物理块号就可以了。已知页面大小为4K，也就是212，所以页内地址有12位。

已知逻辑地址为:0010 0000 0000 0100 所以高4位为页号2，低12位为页内偏移量4，所以逻辑地址对应的逻辑页号为2(0010)，由图可知对应的物理块号为110（6）。最后把物理块号和页内偏移地址拼合得:0110000000000100（6+4）。 （2，4）-> [2->6] -> (6,4)

十进制数1111转化为二进制数为:10001010111。物理页的大小为512字节，这说明页内地址为9个二进制位，进程A的逻辑地址中，右边的9位是页内地址，左边的2位是页号，即:10001010111。页号为二进制的10，即十进制的2，对应的物理页号为4。

直接存储器访问(Direct Memory Access，DMA)是指数据在主存与I/0设备间的直接成块传送，即在主存与I/O设备间传送数据块的过程中，不需要CPU作任何干涉，只需在过程开始启动(即向设备发出“传送一块数据”的命令)与过程结束CPU通过轮询或中断得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪)时由CPU进行处理，实际操作由DMA硬件直接完成，CPU在传送过程中可做其他事情

虚拟存储器 (Virtual Memory):在具有层次结构存储器的计算机系统中，自动实现部分装入和部分替换功能，能从逻辑上为用户提供一个比物理贮存容量大得多、可寻址的“主存储器”。虚拟存储区的容量与物理主存大小无关，而受限于计算机的地址结构和可用磁盘容量。其页面的置换依据相应的页面置换算法进行，当页面失效时，需要进行数据交换，此时涉及逻辑地址(虚地址)到辅存物理地址的变换，所以本题应选D。

从内存中读指令操作码，总共要经历哪些步骤: 1）程序计数器(PC)将下一条指令的地址送至地址总线。 2）地址被送到内存，通过地址译码选中对应存储单元。 3）内存将该地址中的指令操作码读出，经数据总线送入CPU。 4）操作码进入指令寄存器(IR) 5）控制单元对操作码进行译码并执行相应操作。

6. 总线

总线（Bus）是指计算机部件间遵循某一特定协议实现数据交换的形式，即以一种特定格式按照规定的控制逻辑实现部件间的数据传输。按照总线在计算机中所处的位置划分为内总线、系统总线和外部总线。目前，计算机总线存在许多种类，常见的有并行总线（PCI、IDE、SCSI）和串行总线（USB）。两者的区别见表 1.1。

总线是一个大家都能使用的数据传输通道，大家都可以使用这个通道，但发送数据时，是采用的分时机制，而接收数据时可以同时接收，也就是说，同一个数据，可以并行的被多个客户收取。如果该数据不是传给自己的，数据包将被丢弃。

表1.1并行总线与串行总线的区别

“半双工”与“全双工”对比

7. 接口

接口是指同一计算机不同功能层之间的通信规则。计算机接口有多种，常见的有输入输出接口如 HDMI、SATA、RS-232等；网络接口如 RJ45、FC等；以及 A/D 转换接口等非标准接口。

8. 外部设备

外部设备也称为外围设备，是计算机结构中的非必要设备，但从功能上又常常不可缺少，例如键盘、鼠标、显示器等。虽然种类多样，但都是通过接口实现与计算机主体的连接，并通过指令、数据实现预期的功能。

1.3 计算机软件基础知识

【基础知识点】

1. 计算机软件

计算机软件是指计算机系统中的程序及其文档，是计算任务的处理对象和处理规则的描述。软件系统是指在计算机硬件系统上运行的程序、相关的文档资料和数据的集合。计算机软件可用来扩充计算机系统的功能，提高计算机系统的效率。按照软件所起的作用和需要的运行环境不同，通常将计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。

（1）系统软件。为整个计算机系统配置的不依赖特定应用领域的通用软件，对计算机系统的硬件和软件资源进行控制和管理，并提供运行服务支持。 （2）应用软件。是指为某类应用需要或解决某个特定问题而设计的软件，常与具体领域相关联，如教学软件。

2. 操作系统

操作系统是计算机系统的资源管理者，包含对系统软、硬件资源实施管理的一组程序。操作系统通常由操作系统的内核（Kernel）和其他许多附加的配套软件所组成，如用户界面、管理工具、开发工具和常用应用程序等。操作系统的重要作用如下：

（1）管理计算机中运行的程序和分配各种软、硬件资源。 （2）为用户提供友善的人机界面。 （3）为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台。

操作系统具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性的特征。

操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，同时也是硬件与用户之间的接口。操作系统既提供了与用户交互的接口，也提供了与应用程序交互的接口。 1)用户可以通过菜单、命令、窗口与操作系统进行交互， 2)而应用程序可以通过系统调用(如调用系统API)来与操作系统交互。

1)CPU访问内存通常是同步方式，I/O接口 与CPU交换信息 通常是同步方式，CPU与PCI总线交换信息通常是同步方式， 2)I/0接口与打印机交换信息则通常采用基于缓存池的异步方式，因此答案为D。

操作系统的分类：

（1）批处理操作系统，根据同时执行的作业数又分为单道批处理和多道批处理。一个作业由用户程序、数据和作业说明书（作业控制语言） 3个部分组成。 （2）分时操作系统，将 CPU 的工作时间划分为许多很短的时间片，每个时间片分别为一个终端的用户提供服务或者执行一个作业。分时系统主要有 4 个特点：多路性、独立性、交互性和及时性。 （3）实时操作系统，对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内快速做出反应，对可靠性要求很高，并且不强制要求用户交互。实时系统的应用非常广泛。 （4）网络操作系统，使联网计算机能有效地共享网络资源，为网络用户提供各种服务和接口。特征包括硬件独立性和多用户支持等。 （5）分布式操作系统，指为分布式计算机系统配置的操作系统。分布式操作系统是网络操作系统的更高级形式，它保持网络系统所拥有的全部功能，同时又有透明性、可靠性和高性能等特性。 （6）嵌入式操作系统，运行在嵌入式智能设备环境中，对整个智能硬件以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制，特点是微型化、可定制、可靠性和易移植性。常采用硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）和板级支撑包（Board Support Package，BSP）来提高易移植性，常见的嵌入式实时操作系统有VxWorks、 $\mu$ Clinux、PalmOS、WindowsCE、 $\mu$ C/OS-II和eCos等。

进程与线程 在同一进程中的各个线程都可以共享该进程所拥有的资源，如访问进程地址空间中的每一个虚地址；全局变量;访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量等； 但是不能共享进程中某线程的栈指针、程序计数器、寄存器、状态字

线程共享的内容包括:进程代码段、进程的公有数据(利用这些共享的数据，线程很容易的实现相互之间的通讯)、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录、进程用户ID与进程组ID。 线程独有的内容包括:线程ID、寄存器组的值、线程的堆栈、错误返回码、线程的信号屏蔽码。

进程控制块PCB的组织方式有:1)线性表方式，2)索引表方式，3)链接表方式。 1)线性表方式:不论进程的状态如何，将所有的PCB连续地存放在内存的系统区。这种方式适用于系统中进程数目不多的情况。 2)索引表方式:该方式是线性表方式的改进，系统按照进程的状态分别建立就绪索引表、阻塞索引表等。题中就是采用了索引表方式，由图中的索引表可以看出。 3)链接表方式:系统按照进程的状态将进程的PCB组成队列，从而形成就绪队列、阻塞队列、运行队列等。

任务一旦被加载到计算机内存后，通常会处于不同的工作状态，这种状态可随着计算机运行而转变。在嵌入式操作系统中，任务的工作状态最简单的可分为三种:执行态、就绪态和阻塞态。 1）执行态:当任务已获得处理机，其程序正在处理执行态机上执行，此时的任务状态称为执行状态。 2）就绪态:当任务已分配到除CPU以外的所有必要的资源，只要获得处理机便可立即执行，这时的任务状态称为就绪状态。 3）阻塞态:正在执行的任务，由于等待某个事件发生而无法执行时，便放弃处理机而处于阻塞状态。引起进程阻塞的事件可有多种，例如，等待I/0完成、申请缓冲区不能满足、等待信件(信号)等。二种基本状态转换: 就绪一执行:处于就绪状态的任务，当任务调度程序为之分配了处理机后，该任务便由就绪状态转变成执行状态。 执行一就绪:处于执行状态的任务在其执行过程中，因分配给它的一个时间片已用完而不得不让出处理机，于是任务从执行状态转变成就绪状态， 执行一阻塞:正在执行的任务因等待某种事件发生而无法继续执行时，便从执行状态变成阻塞状态 阻塞一就绪:处于阻塞状态的任务，若其等待的事件已经发生，于是任务由阻塞状态转变为就绪状态。

进程调度算法 1）高响应比优先:基本思想是把CPU分配给就绪队列中响应比最高的进程。高响应比优先调度算法既考虑作业的执行时间也考虑作业的等待时间，综合了先来先服务和最短作业优先两种算法的特点。 2）时间片轮转:是一种常见的进程调度算法，其目的是确保所有进程都能公平地获得CPU时间片。每个进程被分配-个固定大小的时间片，当一个进程用尽其时间片后，调度器将其移到队列的末尾，然后选择下一个进程执行。 3）先来先服务:按照进程到达的先后顺序进行调度，不考虑执行时间的长短。 4）短作业优先:选择执行时间最短的进程来先执行。这可能导致长作业等待时间过长，也无法保证所有进程都能公平地获得CPU时间。

死锁产生的4个必要条件: 1）互斥:某种资源一次只允许一个进程访问，即该资源一旦分配给某个进程，其他进程就不能再访问，直到该进程访问结束。 2）请求和保持:一个进程本身占有资源(一种或多种)，同时还有资源未得到满足，正在等待其他进程释放该资源, 3）不剥夺:别人已经占有了某项资源，你不能因为自己也需要该资源，就去把别人的资源抢过来。 4）环路:存在一个进程链，使得每个进程都占有下一个进程所需的至少一种资源。 产生死锁需要四个条件，那么，只要这四个条件中至少有一个条件得不到满足，就不可能发生死锁了。由于互斥条件是非共享资源所必须的，不仅不能改变，还应加以保证，所以，主要是破坏产生死锁的其他三个条件。

中断 A.溢出中断:这通常是由于指令执行过程中的条件满足(如算术溢出等)而引发的中断。它与用户程序在用户态下使用特权指令引起的中断不同，因此可以排除。 B.外部中断:这是由外部事件引发的中断，如硬件设备的输入输出、定时器到达等。用户程序在用户态下使用特权指令引起的中断不属于外部事件引发的情况，因此也可以排除。 C.访管中断:这是一种特殊的中断，用于在用户态下请求操作系统内核提供服务或执行特权操作。当用户程序需要执行特权指令时，它会通过发起访管中断来请求操作系统执行这些操作。 D.信号中断:信号通常用于进程间的通信或通知进程某些事件的发生，而不是由于用户程序在用户态下使用特权指令引起的中断。

数据传输控制方式 在计算机中，常用的输入输出控制方式主要有4种，分别是程序查询方式(程序控制方式)、程序中断方式、DMA工作方式、通道方式。这4种方式占用主机CPU时间按多到少排序为:程序查询方式(程序控制方式)、程序中断方式、DMA工作方式、通道方式。

1. 数据库

数据库（DataBase，DB）是指长期存储在计算机内、有组织的、统一管理的相关数据的集合。数据是按一定格式存放的，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，可为多个用户共享。数据库可以分为：关系型数据库、键值（Key- Value）数据库、列存储数据库、文档数据库等。这里只做简单介绍，详细内容见第8小时。

4. 分布式数据库系统

分布式数据库系统（Distributed DataBase System，DDBS）是针对地理上分散，而管理上又需要不同程度集中的需求而提出的一种数据管理信息系统。满足分布性、逻辑相关性、场地透明性和场地自治性的数据库系统被称为完全分布式数据库系统。分布式数据库系统的特点是数据的集中控制性、数据独立性、数据冗余可控性、场地自治性和存取的有效性。

5. 文件系统

文件（File）是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合。文件系统是操作系统中实现文件统一管理的一组软件和相关数据的集合，是专门负责管理和存取文件信息的软件机构。

文件的类型如下： （1）按性质和用途分类可将文件分为系统文件、库文件和用户文件。 （2）按信息保存期限分类可将文件分为临时文件、档案文件和永久文件。 （3）按保护方式分类可将文件分为只读文件、读/写文件、可执行文件和不保护文件。 （4）UNIX系统将文件分为普通文件、目录文件和设备文件（特殊文件）。

文件的存取方法：通常有顺序存取和随机存取两种方法。 文件组织方法：有连续结构、链接结构和索引结构，还有多重索引方式。 文件存储空间的管理知道存储空间的使用情况，空间管理的数据结构通常称为磁盘分配表（Disk Allocation Table），有空闲区表、位示图和空闲块链3种。位示图用每一位的0和1表示一个区块空闲或被占用，如图1.3所示。
图1.3 位示图例

当文件处于“未打开”状态时，文件需占用三种资源:一个目录项;一个磁盘索引节点项;若干个盘块。当文件被引用或“打开”时，须再增加三种资源:一个内存索引节点项，它驻留在内存中;文件表中的一个登记项;用户文件描述符表中的一个登记项。由于对文件的读写管理，必须涉及上述各种资源，因而对文件的读写管理，又在很大程度上依赖于对这些资源的管理，故可从资源管理观点上来介绍文件系统。这样，对文件的管理就必然包括: ①对索引节点的管理; ②对空闲盘块的管理; ③对目录文件的管理; ④对文件表和描述符表的管理; ⑤对文件的使用。 因此如果目录文件在写回磁盘时发生异常，对系统的影响是很大的。对于空闲块、用户数据和程序并不影响系统的工作，因此不会有较大的影响。

1. 网络协议

常用的网络协议包括局域网协议（Local Area Network，LAN）、广域网协议（Wide Area Network，WAN）、无线网协议和移动网协议。互联网使用的是TCP/IP协议簇。本知识点的详细内容将在第3小时中讲解。

7. 中间件

中间件（Middleware）是应用软件与各种操作系统之间使用的标准化编程接口和协议，是基础中间件（分布式系统服务）软件的一大类，属于可复用软件的范畴。

常见中间件的分类如下：

（1）通信处理（消息）中间件，保证系统能在不同平台之间通信，例如MQSeries。 （2）事务处理（交易）中间件，实现协调处理顺序、监视和调度、负载均衡等功能，例如Tuxedo。 （3）数据存取管理中间件，为不同种类数据的读写和加解密提供统一的接口。 （4）Web服务器中间件，提供Web程序执行的运行时容器，例如Tomcat、JBOSS等。 （5）安全中间件，用中间件屏蔽操作系统的缺陷，提升安全等级。 （6）跨平台和架构的中间件，用于开发大型应用软件。 （7）专用平台中间件，为解决特定应用领域的开发设计问题提供构件库。 （8）网络中间件，包括网管工具、接入工具等。

8. 软件构件

构件又称为组件，是一个自包容、可复用的程序集，这个集合整体向外提供统一的访问接口，构件外部只能通过接口来访问构件，而不能直接操作构件的内部。构件的两个最重要的特性是自包容与可重用，利用软件构件进行搭积木式地开发。优点：易扩展、可重用、并行开发。缺点：需要经验丰富的设计师、快速开发与质量属性之间需要妥协、构件质量影响软件整体的质量。

商用构件的标准规范有：

（1）OMG的公共对象请求代理架构（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）是一个纯粹的规范而不是产品，主要分为3个层次：对象请求代理（Object Request Broker，ORB）、公共对象服务和公共设施。采用IDL定义接口，并易于转化为具体语言实现。

1）伺服对象(Servant): CORBA对象的真正实现，负责完成客户端请求。 2）对象适配器(0bject Adapter): 用于屏蔽ORB内核的实现细节，为服务器对象的实现者提供抽象接口，以便他们使用ORB内部的某些功能。 3）对象请求代理(ObjectRequest Broker): 解释调用并负责查找实现该请求的对象，将参数传给找到的对象，并调用方法返回结果。客户方不需要了解服务对象的位置、通信方式、实现、激活或存储机制。

对象管理组织（OMG）基于CORBA基础设施定义了4种构件标准：

1）实体（Entity） 构件需要长期持久化并主要用于事务性行为，由容器管理其持久化。 2）加工（Process）构件同样需要容器管理其持久化，但没有客户端可访问的主键。 3）会话（Session）构件不需要容器管理其持久化，其状态信息必须由构件自己管理。 4）服务（Service）构件是无状态的。

（2）SUN的J2EE，定义了完整的基于Java语言开发面向企业分布的应用规范，其中EJB是J2EE的构件标准，EJB中的构件称为Bean，可以分为会话Bean、实体Bean和消息驱动Bean，支持五种不同类型的构件模型，包括Applet、Servlet、 JSP、 EJB、Application Client。

（3）Microsoft的DNA2000，采用DCOM/COM/COM+ 作为标准的构件。

9. 其他

（1）循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC) 是一种根据网络数据包或电脑文件等数据产生简短固定位数校验码的一种散列函数，主要用来检测或校验数据传输或者保存后可能出现的错误。它是利用除法及余数的原理来作错误侦测的。 1）将生成多项式的系数作为除数(101011): 2）生成多项式的最高幂次数(5)作为检验码的位数。2 3）将信息码左移生成多项式的最高幂次数(5)位，作为被除数口 4）执行模2除法，即异或操作。 5）等到(5位)余数即为校验码。

示例 若信息码字为111000110，生成多项式G(x)=x^5^+x^3^+x+1，则计算出的CRC校验码为()。 解答 1）将生成多项式转为二进制，G=101011，长度是6位（因为最高次是5，所以CRC长度=5）。 2）在信息码字后面补5个0，CRC除法的规则是：信息码字后面补r个0（r=G(x)的次数）。信息码𝑀=111000110，补5个0后：11100011000000 3）用生成多项式做二进制模2除法，CRC步骤：用G对补零后的码字做异或除法(不同为1，相同为0)，余数就是CRC校验码。11100011000000÷101011，逐位做 XOR，最终余数 = 11001

（2）流水线 1）流水线最大吞吐率计算基于最慢阶段时间3At，公式为1/3Δt，体现执行效率核心在瓶颈阶段。 2）加速比计算为不用流水线时间90Δt与用流水线时间36Δt之比，得5:2，体现流水并行优势。 3）流水线的吞吐率为:指令条数/流水线执行时间。 4）计算流水线执行时间的理论公式是:指令顺序执行时间+(指令条数-1)*周期，而周期是取各节点的最大处理时长。 10条指令不用流水线的执行时间=(2At+1Δt+3Δt+1Δt+2Δt)x10=90Δt。 10条指令使用流水线的执行时间=(2Δt+1At+3Δt+1Δt+2Δt)+(10-1)x3Δt=36Δt。

单缓冲区和双缓冲区都使用的是流水线技术，所以用流水线计算公式算就可以。计算流水线执行时间的理论公式是:第一条指令顺序执行时间+(指令条数-1)*周期，而周期是取各节点的最大处理时长。在本题中，单缓冲区的传送数据和输入数据是绑定在一起的，所以需要把它们结合起来视为流水线周期，构造成流水线后，整个过程划分为2个阶段，分别是16US，2US，根据流水线执行公式，流水线执行时间为:16us+2us+(10-1)“16US=162US。 而对于双缓冲区来说，它们有多余的缓冲区可以进行单独的传送和输入教据。读入缓冲区和电缙冲区送至用户区可以并行处理，对于这里构造成流水线后，整个过程划分为3个阶段，1、从磁盘读入到缓冲区(10us);2、从缓冲区读入到(内存)用户区(6us);3、处理(内存)用户区数据(2us)。根据流水线执行公式，流水线执行时间为:10us+6us+2us+(10-1)*10uS=108uS。

（3）死锁 操作系统和数据库系统中常见的一个问题，它发生在多个进程或线程互相等待对方持有的资源而无法继续执行的情况。在题目中，系统中有n个事务T，每个事务都在等待另一个事务所持有的数据项的锁。具体来说，T0等待T1的数据项A1，T1等待T2的数据项A2，以此类推，直到Tn-1等待T0的数据项A0，形成一个环状等待链。这种情况下，如果没有外力干涉(比如超时中断、死锁检测与解除机制等)，每个事务都将永远等待下去，因为没有事务能够完成并释放其他事务所需的锁。因此，根据死锁的定义，系统处于死锁状态

（4）信号量和PV操作

信号量S的物理意义为:当S≥0时，表示资源的可用数;当S<0时，其绝对值表示等待资源的进程数。信号量初值是资源数，初始情况下，3台打印机，信号量初值是等于3的，此时什么操作都没有。

V 操作：“发消息”—— 告诉后面的任务 “我做完了，你可以开始了”。 P 操作：“等消息”—— 等前面的任务 “发消息”，收到了才能开始。 箭头开始是发消息，箭头结束是等消息

举例 1）假设有一个信号量 S = 1 （表示一份可用资源，比如一台打印机）： 2）进程 A 申请资源：执行 P(S) → S =1-1 =0 ≥ 0 → 成功进入临界区。 3）进程 B 再申请：执行 P(S) → S =0-1= -1 <0 → B 被阻塞，进入等待队列。 4）进程 A 用完资源：执行 V(S) → S = -1 +1 = 0 ≤ 0 → 唤醒 B，B 获得资源。 5）这样就保证了 同一时间只有一个进程使用打印机，避免冲突。

同步(Synchronization)，指在一个系统中所发生的事件(event)之间进行协调，在时间上出现一致性与统一化的现象。

（5）性能评估 性能评估是为了一个目的，按照一定的步骤，选用一定的度量项目，通过建模和实验，对一个系统的性能进行各项检测，对测试结果作出解释，并形成一份文档的技术。性能评估的一个目的是为性能的优化提供参考。 在Web服务器的测试中，反映其性能的指标主要有:最大并发连接数、响应延迟、连接速度和吞吐量等。常见的Web服务器性能评测方法有基准性能测试、压力测试和可靠性测试。

系统监视 目标是为了评估系统性能。要监视系统性能，需要收集某个时间段内的3种不同类型的性能数据: (1)常规性能数据。该信息可帮助识别短期趋势如内存泄漏)。经过一两个月的数据收集后，可以求出结果的平均值并用更紧凑的格式保存这些结果。这种存档数据可帮助人们在业务增长时作出容量规划，并有助于在日后评 估上述规划的效果。 (2)比较基准的性能数据。该信息可帮助人们发现缓慢、历经长时间才发生的变化。通过将系统的当前状态与历史记录数据相比较，可以排除系统问题并调整系统。由于该信息只是定期收集的，所以不必对其进行压缩存储。 (3)服务水平报告数据。该信息可帮助人们确保系统能满足一定的服务或性能水平，也可能会将该信息提供给并不是性能分析人员的决策者。收集和维护该数据的频率取决于特定的业务需要。

进行系统监视通常有 3 种方式。 1）一是通过系统本身提供的命令，如 UNIX/Liunx 中的 W、ps、last，Windows 中的netstat等，第一空选择A选项。 2）二是通过系统记录文件查阅系统在特定时间内的运行状态; 3）三是集成命令，文件记录和可视化技术的监控工具，提供直观的界面，操作人员只需要进行一些可视化的设置，而不需要记忆繁杂的命令行参数，即可完成监视操作，如Windows的Perfmon应用程序。Linux 的top是基于命令行的，Linux 的iptables是基于包过滤的防火墙工具。

（6）性能指标 软、硬件的性能指标的集成。在硬件中，包括计算机、各种通信交换设备、各类网络设备等;在软件中，包括:操作系统、协议以及应用程序等。 1）计算机 对计算机评价的主要性能指标有:时钟频率(主频);运算速度;运算精度;内存的存储容量;存储器的存取周期;数据处理速率PDR(processing datarate);吞吐率;各种响应时间;各种利用率;RASIS特性(即:可靠性Reliability、可用性Availability、可维护性Serviceability、完整性和安全性Integrity and Security);平均故障响应时间;兼容性;可扩充性;性能价格比。 2）路由器 对路由器评价的主要性能指标有:设备吞吐量、端口吞吐量、全双工线速转发能力、背靠背帧数、路由表能力、背板能力、丢包率、时延、时延抖动、VPN支持能力、内部时钟精度、队列管理机制、端口硬件队列数、分类业务带宽保证、RSVP、IP DifServ、CAR支持、冗余、热插拔组件、路由器冗余协议、网管、基于Web的管理、网管类型、带外网管支持、网管粒度、计费能力协议、分组语音支持方式、协议支持、语音压缩能力、端口密度、信令支持。 3）交换机 对交筱逆黴幹傥嗬评价的主要性能指标有:交换机类型、配、支持的网络类型、最大ATM端口数、最大SONET端口数最大FDDI端口数、背板吞吐量、缓冲区大小、最大MAC地址表大小、最大电源数、支持协议和标准、路由信息协议RIP、RIP2、开放式最短路径优先第2版、边界网关协议BGP、无类别域间路由CIDR、互联网成组管理协议IGMP、距离矢量多播路由协议DVMRP、开放式最短路径优先多播路由协议MOSPF、协议无关的多播协议PIM、资源预留协议RSVP、802.1p优先级标记、多队列、路由、支持第3层交换、支持多层(4到7层交换)、支持多协议路由、支持路由缓存、可支持最大路由表数、VLAN、最大VLAN数量、网管、支持网管类型、支持端口镜像.Q0S、支持基于策略的第2层交换、每端口最大优先级队列数、支持基于策略的第3层交换、支持基于策略的应用级Q0S、支持最小最大带宽分配、兄余、热交换组件(管理卡，交换结构，接口模块，电源，冷却系统)、支持端釵璨着亏白口链路聚集协议、负载均衡。 4）网络 评价网络的性能指标有:设备级性能指标;网络级性能指标;应用级性能指标;用户级性能指标;吞吐量 5）操作系统 评价操作系统的性能指标有:系统上下文切换、系统的可靠性、系统的吞吐率(量)、系统响应时间、系统资源利用率、可移植性。 6）数据库管理系统 衡量数据库管理系统的主要性能指标包括数据库本身和管理系统两部分，有数据库的大小，数据库中表的数量单个表的大小，表中允许的记录(行)数量、单个记录(行)的大小、表上所允许的索引数量、数据库所允许的索引数量、最大并发事务处理能力、负载均衡能力、最大连接数等等。 7）Web服务器 评价Web服务器的主要性能指标有:最大并发连接数、响应延迟、吞量。常见的Web服务器性能评测方法有基准性能测试、压力测试和可靠性测试。

（7）性能评价方法 真实程序、核心程序、小型基准程序和合成基准程序，其评测准确程度依次递减。其中评测准确度最高的是真实程序，第一空选择A选项。把应用程序中用得最多、最频繁的那部分核心程序作为评估计算机系统性能的标准程序，称为基准测试程序(benchmark)。基准程序法是目前一致承认的测试系统性能的较好方法。

TPC(Transaction Processing Performance Council，事务处理性能委员会) 基准程序用以评测计算机在事务处理、数据库处理、企业管理与决策支持系统等方面的性能。该基准程序的评测结果用每秒完成的事务处理数TPC来表示。 1）TPC-A基准程序规范用于评价在OLTP环境下的数据库和硬件的性能，不同系统之间用性能价格比进行比较; 2）TPC-B测试的是不包括网络的纯事务处理量，用于模拟企业计算环境; 3）TPC-C是专门针对联机事务处理系统**(OLTP)** 的测试标准; 4）TPC-D、TPC-H和TPC-R测试的都是决策支持系统，其中TPC-R允许有附加的优化选项TPC-E测试的是大型企业信息服务系统。 5）TPC-W是基于Web 应用的基准程序，用来测试一些通过Intemet进行市场服务和销售的商业行为，所以TPC-W可以看作是一个服务器的测试标准。

1.4 计算机语言（UML）

【基础知识点】

计算机语言（Computer Language） 是指人与计算机之间用于交流的一种语言，主要由一套指令组成，而这套指令一般包括 表达式、流程控制和集合三大部分内容。

计算机语言的分类有：

（1）机器语言。机器语言是 第一代计算机语言，是计算机自身具有的本地语，由计算机所能直接理解和执行的所有指令组成。指令格式由 操作码和操作数两部分组成。 （2）汇编语言。汇编语言在机器语言的基础上采用英文字母和符号串来表达指令，是机器语言的 符号化描述。每条语句均由 名字、操作符、操作数和注释4个字段（Fields） 组成。伪指令语句包括数据定义伪指令DB、DW、DD，段定义伪指令SEGMENT，过程定义伪指令PROC等，编译后 不产生机器代码。 （3）高级语言。高级语言比汇编语言更 贴近于人类使用的语言，易于理解、记忆和使用。常见的高级语言包括 C、$\mathrm{C + + }$、Java、Python等。 （4）建模语言。建模语言主要指的是 统一建模语言（Unified Modeling Language，UML），UML2.0基础结构的设计目标是定义一个元语言的核心【infrastructureLibrany，基础架构库】，通过对此核心的复用，除了可以定义一个自展的UML元模型，也可以定义其他元模型，包括MOF和CWM(Common WarehouseModel，公共仓库模型)。由于共用核心库，所以UML和MOF、CWM在体系结构上更加一致。同时，InfrastructureLibrary还提供了定制UML更强有力的机制，允许用户定义针对不同平台(如.NET、J2EE等)和领域(如电信、金融、系统工程)的语言。UML由 3个要素构成：UML的 基本构造块（事物、关系）、图（支配基本构造块如何放置在一起的规则） 和运用于整个语言的 公用机制。

1）事物。UML中有 4种事物：结构事物、行为事物、分组事物和注释事物。

a.结构事物：名词、静态部分，用于描述概念或物理元素。结构事物包括 类（Class）、接口（Interface）、协作（Collaboration）、用例（UseCase）、主动类（Active Class）、构件（Component）、制品（Artifact）和节点（Node），如图1.4所示。

图1.4 结构事物

b.行为事物：动词，描述了跨越时间和空间的行为。行为事物包括 交互（Interaction）、状态机（StateMachine）和活动（Activity），如图1.5所示。

图1.5 行为事物

c.分组事物：包是最常用的分组事物，结构事物、行为事物甚至其他分组事物都可以放进包内，如图1.6所示。

图1.6 包

d.注释事物：注释即注解，用来描述、说明和标注模型的任何元素，如图1.7所示。

图1.7 注释

2）关系。UML中有 4种关系：依赖、关联、泛化和实现。4种关系如图1.8所示。

a.依赖关系。其中一个事物（独立事物）发生变化会影响另一个事物。依赖关系是一种 使用的关系。

图1.8 UML中的4种关系

b.关联关系。是一种 拥有的关系，关联提供了不同类的对象之间的结构关系，它在一段时间内将多个类的实例连接在一起。一般认为关联关系有 2个特例：一个是 聚合关系，另一个是 组合关系。聚合关系表示类之间的 整体与部分的关系，其含义是部分可能同时属于多个整体，部分与整体的 生命周期可以不相同。组合关系也是表示类之间的整体与部分的关系。与聚合关系的区别在于，组合关系中的部分只能属于一个整体，部分与整体的 生命周期相同，部分随着整体的创建而创建，也随着整体的消亡而消亡。 c.泛化关系。泛化是一种 特殊/一般关系，特殊元素（子元素）的对象可替代一般元素（父元素）的对象。 d.实现关系。在 两种情况下会使用实现关系：一种是在 接口和实现它们的类或构件之间；另一种是在 用例和实现它们的协作之间。

3）图。图是一组元素的 图形表示，大多数情况下把图画成 顶点（代表事物）和弧（代表关系）的连通图。

UML2.0提供了14种图 1）静态结构图：类图、对象图、包图、构件图、部署图、制品图、组合结构图 2）行为图：用例图、状态图、活动图 3）交互图：序列图(顺序图)、通信图、交互概览图、计时图

(1)类图(class diagram)。类图描述一组类、接口、协作和它们之间的关系。在O0系统的建模中，最常见的图就是类图。类图给出了系统的静态设计视图，活动类的类图给出了系统的静态进程视图。 (2)对象图(object diagram)。对象图描述一组对象及它们之间的关系。对象图描述了在类图中所建立的事物实例的静态快照。和类图一样，这些图给出系统的静态设计视图或静态进程视图，但它们是从真实案例或原型案例 的角度建立的。 (3)构件图(component diagram)。构件图描述一个封装的类和它的接口、端口，以及由内嵌的构件和连接件构成的内部结构，构件图用于表示系统的静态设计实现视图。对于由小的部件构建大的系统来说，构件图是很重要的。构件图是类图的变体。 (4)组合结构图(composite structure diagram)。组合结构图描述结构化类(例如，构件或类)的内部结构包括结构化类与系统其余部分的交互点。组合结构图用于画出结构化类的内部内容。 (5)用例图(use case diagram)。用例图描述一组用例、参与者及它们之间的关系。用例图给出系统的静态用例视图。这些图在对系统的行为进行组织和建模时是非常重要的。 (6)顺序图(sequence diagram，序列图)。顺序图是一种交互图(interaction diagram)，交互图展现了一种交互，它由一组对象或参与者以及它们之间可能发送的消息构成。交互图专注于系统的动态视图。顺序图是强调消 息的时间次序的交互图。 (7)通信图(communication diagram)。通信图也是一种交互图，它强调收发消息的对象或参与者的结构组织。顺序图和通信图表达了类似的基本概念，但它们所强调的概念不同，顺序图强调的是时序，通信图强调的是对象之间的组织结构(关系)。在UML1.X版本中，通信图称为协作图(collaboration diagram)。 (8)定时图(timing diagram，计时图)。定时图也是一种交互图，它强调消息跨越不同对象或参与者的实际时间，而不仅仅只是关心消息的相对顺序。 (9)状态图(state diagram)。状态图描述一个状态机，它由状态、转移、事件和活动组成。状态图给出了对象的动态视图。它对于接口、类或协作的行为建模尤为重要，而且它强调事件导致的对象行为，这非常有助于反应式系统建模。状态表示对象在特定时间点的行为模式;事件是导致状态转换的外部或内部刺激;转移表示对象在特定条件下从一种状态转移到另一种状态;动作则是与状态转换相关联的行为。因此，用于表示对象在特定条件下从一种状态转移到另一种状态的元素是转移。 (10)活动图(activity diagram)。活动图将进程或其他计算结构展示为计算内部一步步的控制流和数据流。活动图专注于系统的动态视图，它对系统的功能建模和业务流程建模特别重要，并强调对象间的控制流程。 (11)部署图(deployment diagram)。部署图描述对运行时的处理节点及在其中生存的构件的配置。部署图给出了架构的静态部署视图，通常一个节点包含一个或多个部署图。 (12)制品图(artifact diagram)。制品图描述计算机中一个系统的物理结构。制品包括文件、数据库和类似的物理比特集合。制品图通常与部署图一起使用。制品也给出了它们实现的类和构件。 (13)包图(package diagram)。包图描述由模型本身分解而成的组织单元，以及它们之间的依赖关系。 (14)交互概览图(interaction overview diagram)。交互概览图是活动图和顺序图的混合物。综上，答案选择B。

②状态图、活动图、顺序图和通信图可以用来对系统的动态行为进行建模。活动图展现了在系统内从一个活动到另一个活动的流程。活动图强调对象之间的控制流程。在活动图上可以表示分支和汇合。活动图与传统的程序流程图是不等价的。 ③面向对象的设计模型包含以包图表示的软件体系结构图，以交互图表示的用例实现图，完整精确的类图，针对复杂对象的状态图和用以描述流程化处理的活动图等。 ④序列图(顺序图) 是用来显示参与者如何以一系列顺序的步骤与系统的对象交互的模型。顺序图可以用来展示对象之间是如何进行交互的。顺序图将显示的重点放在消息序列上，即强调消息是如何在对象之间被发送和接收的，其中循环、选择等复杂交互使用序列片段表示，对象之间的消息类型包括同步消息、异步消息、返回消息、参与者创建消息、参与者销毁消息，其中同步消息的发送者等待消息接收对象将消息处理完成后再继续，异步消息的发送者在发送完消息后不等待接收方就继续自己的处理。返回消息是指当一个对象将消息发送给另一个对象后，另一个对象返回的虚线有向边，表示原消息已处理的消息。创建消息是表示对消息传递目标对象的创建。销毁消息是表示对消息传递目标对象的删除。 ⑤对象图(object diagram)。对象图描述一组对象及它们之间的关系。对象图描述了在类图中所建立的事物实例的静态快照。和类图一样，这些图给出系统的静态设计视图或静态进程视图，但它们是从真实案例或原型案例的角度建立的。 ⑥活动图(activity diagram)。活动图将进程或其他计算结构展示为计算内部一步步的控制流和数据流。活动图专注于系统的动态视图。它对系统的功能建和业务流程建模特别重要，并强调对象间的控制流程。 ⑦状态图(state diagram)。状态图描述一个状态机，它由状态、转移、事件和活动组成。状态图给出了对象的动态视图。它对于接口、类或协作的行为建模尤为重要，而且它强调事件导致的对象行为，这非常有助于对反应式系统建模。定义对象内部行为 ⑧类图(class diagram)。类图描述一组类、接口、协作和它们之间的关系。在OO系统的建模中，最常见的图就是类图。类图给出了系统的静态设计视图，活动类的类图给出了系统的静态进程视图。 ⑨在初步的业务需求描述已经形成的前提下，基于UML的需求分析过程大致可分为以下步骤: 1） 利用用例及用例图表示需求。从业务需求描述出发获取执行者和场景;对场景进行汇总、分类、抽象，形成用例;确定执行者与用例、用例与用例图之间的关系，生成用例图。 2）利用包图和类图表示目标软件系统的总体框架结构。根据领域知识、业务需求描述和既往经验设计目标软件系统的顶层架构;从业务需求描述中提取“关键概念”，形成领域概念模型;从概念模型和用例出发，研究系统中主要的类之间的关系，生成类图。

类别	图名	关键字	作用/特点	典型用途	相关对比
静态结构图	类图	类、接口、关系、静态结构，表达类的内部行为	展示类与类之间的关系，是最常见的 UML 图	面向对象系统设计、数据库建模	和 对象图对比：类图是抽象设计，对象图是实例快照
	对象图	对象实例、关系、快照	类图实例化的快照，展示运行时对象及关系	验证类图、展示运行时对象关系	和 类图对比：对象图 = 类图的运行时实例
	包图	包、依赖、组织结构	表示软件体系结构的模块化组织	软件分层、模块依赖分析	和 构件图对比：包图偏逻辑组织，构件图偏物理实现
	构件图	构件、接口、依赖	表示系统的物理组件及依赖关系	系统实现阶段、物理组件设计	和 部署图对比：构件图关注软件组件，部署图关注硬件节点
	部署图	节点、硬件、连接	展示系统运行时硬件拓扑及软件部署	分布式系统部署、运维设计	和 构件图对比：部署图更偏运行环境，构件图更偏逻辑实现
	制品图	制品、输出、工件	表示开发过程中产生的物理制品，如文档、库	项目交付物管理、版本控制	和 构件图对比：制品图是产出物，构件图是实现单元
	组合结构图	内部结构、协作、部件	展示类或构件的内部结构及协作关系	框架设计、组件内部协作说明	和 类图对比：组合结构图更关注内部协作细节
行为图	用例图	参与者、用例、系统边界	从用户视角展示系统功能需求	需求分析、功能建模	和 活动图对比：用例图关注“做什么”，活动图关注“怎么做”
	状态图	状态、事件、转移，定义内部行为	描述对象随事件发生而转移的状态机	反应式系统建模、协议状态机	和 活动图对比：状态图关注状态变化，活动图关注流程控制
	活动图	流程、分支、汇合、控制流	强调业务流程和控制流，类似流程图但更面向对象	业务流程建模、算法流程设计	和 状态图对比：活动图是流程导向，状态图是状态导向
交互图	序列图	时间顺序、消息、同步/异步	强调消息的时间顺序，展示对象交互过程	用例实现、时序分析	和 通信图对比：序列图突出时间顺序，通信图突出对象关系
	通信图	对象、连接、消息	强调对象之间的结构关系及消息传递	交互逻辑说明、系统通信建模	和 序列图对比：通信图侧重对象结构，序列图侧重时间 c
	交互概览图	流程、交互组合、控制节点	综合展示多个交互之间的控制流	大型系统交互流程总览	和 活动图对比：交互概览图可嵌入交互图，活动图不可
	计时图	时间轴、状态随时间变化	强调对象或交互随时间推移的状态变化	实时系统、嵌入式系统	和 序列图对比：计时图突出“时间连续性”，序列图突出“消息离散性”

①类图如图1.9所示。类图展现了一组 对象、接口、协作和它们之间的关系。

②用例图如图1.10所示。用例图（Use Case Diagram）展现了一组用例、参与者（Actor）以及它们之间的关系。用例之间有 扩展关系和包含关系，参与者和用例之间有关联关系，用例与用例、参与者与参与者之间有泛化关系（继承关系）。

1. 包含关系的特点是当两个或多个用例中共用一组相同的动作时，可以将这组相同的动作抽出来作为一个独立的子用例，供多个基用例所共享；包含关系是指一个用例必须调用另一个用例才能完成，例如输入密码后必须验证
2. 扩展关系则是对基用例的扩展，基用例是一个完整的用例，即使没有子用例的参与，也可以完成一个完整的功能。扩展关系是可选调用，如登录后可选择弹广告;
3. 泛化关系是父用例与子用例之间的继承关系，如会员注册是父用例，电话或邮件注册是其具体形式，二者选其一执行。

图1.10 UML用例图

4）UML中有 5种视图（View）：用例视图、逻辑视图、进程视图、实现视图、部署视图，其中的 用例视图居于中心地位。

$①$逻辑视图。逻辑视图也称为设计视图，它表示了设计模型中在架构方面具有重要意义的部分，即类、子系统、包和用例实现的子集。当采用面向对象的设计方法描述对象模型时，通常使用类图表达类的内部属性和行为，以及类集合之间的交互关系；采用状态图定义对象的内部行为。 $②$进程视图。进程视图是可执行线程和进程作为活动类的建模，它是逻辑视图的一次执行实例，描述了并发与同步结构。 $③$实现视图。实现视图对组成基于系统的物理代码的文件和构件进行建模。 $④$部署视图。部署视图把构件部署到一组物理节点上，表示软件到硬件的映射和分布结构。 $⑤$用例视图。用例视图是最基本的需求分析模型。

和4+1模型的区别

（5）形式化方法和形式化语言。

形式化方法是把概念、判断、推理转化成特定的形式符号后，对形式符号表达系统进行研究的方法。形式化方法有不同的分类方法。根据描述方式分，有 模型描述和性质描述两类；根据表达能力分，有 模型方法、代数方法、进程代数方法、逻辑方法和网络模型方法5类。形式化方法的开发过程贯穿 软件工程的整个生命周期。

形式化方法是一种具有坚实数学基础的方法，从而允许对系统和开发过程做严格处理和论证，适用于那些系统安全级别要求极高的软件的开发。形式化方法的主要优越性在于它能够数学地表述和研究应用问题及软件实现。但是它要求开发人员具备良好的数学基础。用形式化语言书写的大型应用问题的软件规格说明往往过于细节化，并且难于为用户和软件设计人员所理解。由于这些缺陷，形式化方法在目前的软件开发实践中并未得到普遍应用。

Z语言是一种形式化语言，具有 状态一操作风格，借助模式来表达系统结构。建立于 集合论和数理逻辑的基础上，是一个 强类型系统，可以使用自然语言。

（6）COM（Component Object Model） 微软提出的组件对象模型，核心目标是 二进制级别的可复用。一个重要限制：COM 不支持实现继承（不像 C++/Java 那样继承父类实现）。COM 的两种对象组装方式： 1）包含（Containment）：外部对象持有一个内部对象的引用。当客户调用外部对象的方法时，外部对象转发调用给内部对象。就像外部对象是一个“代理人”，客户看不到内部对象，感觉只是在和外部对象交互。 2）聚集（Aggregation）：外部对象直接把内部对象的接口暴露给客户，而不是再转发请求。客户调用时，其实就是直接在用内部对象的方法，只是看起来像是在用外部对象。这样避免了转发带来的性能损耗。

COM和UML的区别：

1.5 多媒体技术

1.媒体与多媒体

媒体是承载信息的载体，即信息的表现形式（或者传播形式），如 文字、声音、图像、动画和视频等。多媒体有 4个重要的特征：

（1）多维化，即媒体的多样化。 （2）集成性，多媒体与设备集成，也与信息和表现集成。 （3）交互性，可向用户提供更有效的控制和使用信息的手段。 （4）实时性，音频和视频等信息具有很强的时间特性。

多媒体系统通常由 硬件和软件组成，其中多媒体硬件主要包括 计算机主要配置和外部设备以及与各种外部设备的控制接口；多媒体软件主要包括 多媒体驱动软件、多媒体操作系统、多媒体数据处理软件、多媒体创作工具软件和多媒体应用软件等。

2.多媒体系统的关键技术

（1）视、音频技术，视频技术包括 视频数字化和视频编码技术两个方面；音频技术包括 音频数字化、语音处理、语音合成及语音识别4个方面。 （2）通信技术，是多媒体系统中的一项关键技术，通常包括 数据传输信道技术和数据传输技术。 （3）数据压缩技术，包括 即时压缩和非即时压缩、数据压缩和文件压缩、无损压缩与有损压缩等。 （4）虚拟现实（Virtual Reality，VR）/增强现实（Augmented Reality，AR）技术，虚拟现实又称人工现实、临境等，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，采用计算机技术生成一个逼真的 视觉、听觉、触觉、味觉及嗅觉的感知系统与用户交互；增强现实技术是指把原本在现实世界的一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息、声音、味道和触觉等），通过模拟仿真后，再叠加到现实世界中被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。VR/AR技术主要分为 桌面式、分布式、沉浸式和增强式4种。

1.6 练习题

1. 目前处理器市场中存在CPU和DSP两种类型的处理器，分别用于不同的场景，这两种处理器具有不同的体系结构，DSP采用（）。

A.冯·诺依曼结构 B.哈佛结构 C.FPGA结构 D.与GPU相同的结构

解析：编程 DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构：哈佛结构。

哈佛结构将存储器空间划分成两个，分别存储 程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核，允许 同时对它们进行访问，每个存储器 独立编址，独立访问。这种安排将处理器的 数据吞吐率加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。在这种布局下，DSP得以实现 单周期的MAC指令。

在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此 取指和执行能完全重叠运行。

答案：B

2. （）是专用于实时的数字信号处理的处理器。

A.DSP B.CUP C.GPU D.FPGA

解析：DSP专用于 实时的数字信号处理，常采用 哈佛体系结构。

答案：A

3. 在线学习系统中，课程学习和课程考试都需要先检查学员的权限，“课程学习”与“检查权限”两个用例之间属于（1）课程学习过程中，如果所缴纳学费不够，就需要补缴学费，“课程学习”与“缴纳学费”两个用例之间属于（2）：课程学习前需要课程注册，可以采用电话注册或网络注册，“课程注册”与“网络注册”两个用例之间属于（3）。

（1）A.包含关系 B．扩展关系 C.泛化关系 D.关联关系（2）A.包含关系 B．扩展关系 C.泛化关系 D.关联关系（3）A.包含关系 B．扩展关系 C.泛化关系 D.关联关系

解析：用例之间的关系主要有 包含、扩展和泛化3类。

1）包含关系：当可以从两个或两个以上的用例中 提取公共行为时，应该使用包含关系来表示它们。课程学习与检查权限是 包含关系。

2）扩展关系：如果一个用例明显地混合了两种或两种以上的不同场景，即根据情况可能发生多种分支，则可以将这个用例分为一个基本用例和一个或多个扩展用例，这样使描述可能更加清晰。课程学习与缴纳学费是 扩展关系。

3）泛化关系：当多个用例共同拥有一种类似的结构和行为的时候，可以将它们的 共性抽象成为父用例，其他的用例作为泛化关系中的子用例。课程注册与网络注册是 泛化关系。

答案：ABC

第2小时 嵌入式基础知识

2.0 章节考点分析

第2小时主要学习 嵌入式系统的组成及特点、嵌入式系统的分类、嵌入式软件的组成及特点、嵌入式系统硬件体系结构、安全攸关软件的安全性设计等内容。根据考试大纲，本小时知识点会涉及 单项选择题和案例分析题，本小时只关注选择第2小时嵌入式基础知识题部分。按以往全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试的出题规律约占 5分。本小时内容属于 基础知识范畴，除了书本上的知识以外，也涉及一些专业知识。本小时知识架构如图2.1所示。

图2.1本小时知识架构

【导读小贴士】

随着计算机技术、微电子技术、通信技术以及集成电路技术的发展，嵌入式技术逐渐发展和成熟起来。嵌入式系统的应用日益广泛，有很多技术特性与通用计算机系统不同，并在数量上远远超越了通用计算机系统，成为计算机技术和计算机应用领域的一个重要组成部分。嵌入式知识点属于比较偏的考点，属于拔高内容，案例部分属于选答题，不强制要求掌握。

2.1 嵌入式系统的组成及特点

【基础知识点】

1. 定义

嵌入式系统（Embedded System） 是以 特定应用为中心、以计算机技术为基础，并将 可配置与可裁剪的软、硬件集成于一体的专用计算机系统。嵌入式系统的组成结构是：

（1）嵌入式处理器，除满足 低功耗、体积小等需求外，工艺可分为 民用、工业和军用等三个档次，民用级器件的工作温度范围是 $0\sim 70^{\circ}C$、工业级的是 $-40\sim 85^{\circ}C$、军用级的是 $-55\sim 150^{\circ}C$。其应用环境常常非常恶劣，比如有 高温、寒冷、电磁、震动、烟尘等环境因素。 （2）相关支撑硬件，指除处理器以外的其他硬件，如 存储器、定时器、总线等。 （3）嵌入式操作系统，与通用操作系统不同，嵌入式操作系统应具备 实时性、可裁剪性和安全性等特征。 （4）支撑软件，其中的公共服务通常运行在操作系统之上，以库的方式被应用软件所引用。 （5）应用软件，是指为完成嵌入式系统的某一专用目标所开发的软件。

2. 嵌入式系统的特点

（1）专用性强，常常面向特定应用需求，配备多种传感器。 （2）技术融合，将先进的计算机技术、通信技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用紧密结合难以拆分。 （3）软硬一体软件为主，在通用的嵌入式系统版本基础上裁剪冗余，高效设计。 （4）资源受限，由于低功耗、体积小和集成度高等要求，系统的资源非常少。 （5）程序代码固化在ROM中，以提高执行速度和系统可靠性。 （6）需专门开发工具和环境，见2.3节。 （7）体积小、价格低、工艺先进、性能价格比高、系统配置要求低、实时性强。 （8）对 安全性和可靠性的要求高。

HarmonyOs系统 HarmonyOS系统功能按照“系统->子系统->功能/模块”逐步逐级展开，在多设备部署场景下，支持根据实际需求裁剪或增加子系统或功能/模块。 内核层:鸿蒙系统分为内核子系统和驱动子系统。在内核子系统中鸿蒙系统采用多内核设计，支持针对不同资源受限设备选用合适的OS内核;鸿蒙系统驱动框架是鸿蒙系统硬件生态开放的基础，它提供统一外设访问能力和驱动开发、管理框架。 系统服务层:系统服务层是鸿蒙系统的核心能力集合，通过框架层对应用程序提供服务。包含了系统基本能力子系统集、基础软件服务子系统集、增强软件服务子系统集、硬件服务子系统四个部分。框架层:框架层为鸿蒙系统应用程序提供Java/C/C++/S等多语言用户程序框架和Abity框架，及各种软硬件服务对外开放的多语言框架API，也为搭载鸿蒙系统的电子设备提供C/C++/S等多语言框架API。应用层:应用层包括系统应用和第三方非系统应用，鸿蒙系统应用由一个或多个FA或PA组成。系统安全:在搭载鸿蒙系统的分布式终端上保证“正确的人通过正确的电子设备，正确地使用数据”。通过“分布式多段协同身份认证“保证“正确的人”，通过“在分布式终端构筑可信运行环境"保证“正确的电子设备”，通过“分布式数据在跨终端流动的过程中，对数据进行分类分级管理”来保证“正确地使用数据”。综上，B选项说法错误。

微内核 采用微内核结构的操作系统与传统的操作系统相比，其优点是提高了系统的灵活性、可扩充性，增强了系统的可靠性，提供了对分布式系统的支持。其原因如下: ① 灵活性和可扩展性:由于微内核OS的许多功能是由相对独立的服务器软件来实现的，当开发了新的硬件和软件时，微内核OS只须在相应的服务器中增加新的功能，或再增加一个专门的服务器。与此同时，也必然改善系统的灵活性，不仅可在操作系统中增加新的功能，还可修改原有功能，以及删除已过时的功能，以形成一个更为精干有效的操作系统。 ② 增强了系统的可靠性和可移植性:由于微内核是出于精心设计和严格测试的，容易保证其正确性;另一方面是它提供了规范而精简的应用程序接口(API)，为微内核外部的程序编制高质量的代码创造了条件。此外，由于所有服务器都是运行在用户态，服务器与服务器之间采用的是消息传递通信机制，因此，当某个服务器出现错误时,不会影响内核，也不会影响其他服务器。另外，由于在微内核结构的操作系统中，所有与特定CPU和I/O设备硬件有关的代码，均放在内核和内核下面的硬件隐藏层中，而操作系统其他绝大部分(即各种服务器)均与硬件平台无关，因而，把操作系统移植到另一个计算机硬件平台上所需作的修改是比较小的。 ③ 提供了对分布式系统的支持:由于在微内核OS中，客户和服务器之间以及服务器和服务器之间的通信，是采用消息传递通信机制进行的，致使微内核OS能很好地支持分布式系统和网络系统，事实上，只要在分布式系统中喊予所有进程和服务器唯一的标识符，在微内核中再配置一张系统映射表(即进程和服务器的标识符与它们所驻留的机器之间的对应表)，在进行客户与服务器通信时，只需在所发送的消息中标上发送进程和接收进程的标识符，微内核便可利用系统映射表，将消息发往目标，而无论目标是驻留在哪台机器上。

2.2 嵌入式系统的分类

【基础知识点】

1. 分类

根据不同用途可将嵌入式系统划分为 嵌入式实时系统和嵌入式非实时系统两种。而实时系统又可分为 强实时（Hard Real- Time）系统和弱实时（Weak Real- Time）系统。从安全性要求看，嵌入式系统还可分为 安全攸关（Safety- Critical或Life- Critical）系统和非安全攸关系统。

2. 实时系统

实时系统（Real-Time System，RTS） 是指能够在 规定的时间内完成系统功能和做出响应的系统。

3. 安全攸关系统

安全攸关系统（Safety-Critical System） 是指其不正确的功能或者失效会导致 人员伤亡、财产损失等严重后果的计算机系统。

2.3 嵌入式软件的组成及特点

【基础知识点】

1. 基本概念

大多数嵌入式系统都具备 实时特征，这种嵌入式系统的典型架构可概括为两种模式，即 层次化模式架构和递归模式架构。嵌入式系统的最大特点就是 系统的运行和开发是在不同环境中进行的，通常将运行环境称为 目标机环境，称开发环境为 宿主机环境，宿主机与目标机之间通过 串口、网络或JTAG接口连接。由于宿主机和目标机的指令往往是不同的，嵌入式系统的开发通常需要 交叉平台开发环境支持，基本开发工具是 交叉编译器、交叉链接器和源代码调试器。还需要注意 实时性、安全性和可靠性。代码规模、软/硬件协同工作的效率和稳定性、特定领域的需求等。

2. 嵌入式系统的组成与特点

从细节上看，嵌入式系统可以分为：

（1）硬件层，包括处理器、存储器、总线、I/O接口及电源、时钟等。 （2）抽象层，包括硬件抽象层（HAL），为上层应用（操作系统）提供虚拟的硬件资源；板级支持包（BSP），是一种硬件驱动软件，为上层操作系统提供对硬件进行管理的支持。 （3）操作系统层，由嵌入式操作系统、文件系统、图形用户接口、网络系统和通用组件等可配置模块组成。 （4）中间件层，是连接两个独立应用的桥梁，常用的有嵌入式数据库、OpenGL、消息中间件、Java中间件、虚拟机（VM）、DDS/CORBA和Hadoop等 （5）应用层，包括不同的应用软件。

嵌入式软件的主要特点有：

（1）可剪裁性：设计方法包括静态编译、动态库和控制函数流程实现功能控制等。 （2）可配置性：设计方法包括数据驱动、静态编译和配置表等。 （3）强实时性：设计方法包括表驱动、配置、静/动态结合、汇编语言等。 （4）安全性（Safety）：设计方法包括编码标准、安全保障机制、FMECA（故障模式、影响及危害性分析）。 （5）可靠性：设计方法包括容错技术、余度技术和鲁棒性设计等。 （6）高确定性：设计方法包括静态分配资源、越界检查、状态机、静态任务调度等。综上所述，嵌入式软件的开发也与传统的软件开发方法差异较大。在嵌入式系统设计时，要进行低功耗设计。主要技术有编译优化技术、软硬件协同设计、算法优化。

2.4 嵌入式系统硬件体系结构

【基础知识点】

1. 组成结构

组成结构传统的嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、存储器、总线逻辑、定时/计数器、看门狗电路、I/O接口和外部设备等部件组成。

2. 嵌入式微处理器分类

（1）微处理器（MicroprocessorUnit，MPU）：微处理器 $^+$ 专门设计的电路板，集成度低、可靠性高，主要有：Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。 （2）微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU)：又称单片机，把核心存储器和部分外设封装在片内。优点是单片化、体积小、功耗和成本下降，可靠性提高。包括8501，P5IXA，MCS-251，MCS-96/196/296，C166/167，MC68HC05/11/12/16，68300和数目众多的ARM系列。 （3）数字信号处理器（DigitalSignalProcessing，DSP）：采用哈佛结构，对系统结构和指令进行了特殊设计，适合执行大量数据处理。包括TMS320系列（含C2000、C5000、C6000、C8000系列）、DSP56000系列、实时DSP处理器等。 （4）图形处理器（GraphicsProcessingUnit，GPU）：与CPU相比大幅加强子浮点运算能力和多核并行计算能力，因此常用于AI技术的深度学习的数据运算。 （5）片上系统（SystemonChip，SoC）：由多个具有特定功能的集成电路组合在一个芯片上形成的系统或产品，其中包含完整的硬件系统，如处理器、IP（IntellectualProperty）核、存储器等及其承载的嵌入式软件，如操作系统和定制的用户软件。

SoC称为片上系统，它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。所以B的说法是错误的，SoC不是一块处理器芯片。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。(A是正确的)从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上;(C是正确的)从广义角度讲，SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上，它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标准产品。(D是正确的)。

嵌入式微处理器主要用于处理相关任务。由于嵌入式系统通常都在室外使用，可能处于不同环境，因此选择处理器芯片时，也要根据不同使用环境选择不同级别的芯片。其主要因素是芯片可适应的工作环境温度。通常，我们把芯片分为民用级、工业级和军用级。 1）民用级的工作温度范围:070°C 2）工业级的工作温度范围:-4085°C 3）军用级的工作温度范围:-55~150C

嵌入式实时操作系统兼具嵌入式操作系统的特点和实时操作系统的特点。嵌入式操作系统主要有以下特点:** 1）微型化 2）代码质量高 3）专业化 4）实时性强 5）可裁减、可配置。 实时操作系统的最核心特点是实时性强。

实时系统存在多种调度算法。 1）优先级调度算法:系统为每个任务分配一个相对固定的优先顺序，然后调度程序根据优先级的高低排序，按时间顺序进行高优先级任务优先调度。 2）抢占式优先级调度算法:是在优先级调度算法基础上，允许高优先级任务抢占低优先级任务而运行。 3）最晚截止期调度算法:指调度程序按每个任务最接近其截止期末端的时间进行调度，本题描述的就是最晚截止期调度算法。 4）最早截止期调度算法:指调度程序按每个任务的截止期时间，选择最早到截止期的头端时间的任务进行调 度。

实时系统的正确性依赖于运行结果的逻辑正确性和运行结果产生的时间正确性，即实时系统必须在规定的时间范围内正确地响应外部物理过程的变化。 实时多任务操作系统是根据操作系统的工作特性而言的。实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统是指具有实时性，能文持实时控制系统工作的操作系统。首要任务是调度一切可利用的资源来完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。一个实时操作系统可以在不破坏规定的时间限制的情况下完成所有任务的执行。任务执行的时间可以根据系统的软硬件的信息而进行确定性的预测。也就是说，如果硬件可以做这件工作，那么实时操作系统的软件将可以确定性地做这件工作。 实时操作系统可根据实际应用环境的要求对内核进行裁剪和重新配置，根据不同的应用，其组成有所不同。

一个嵌入式实时操作系统(RTOS)的评价要从很多角度进行，如体系结构、API的丰富程度、网络支持、可靠性等。其中，实时性是RTOS评价的最重要的指标之一。实时性的优劣是用户选择操作系统的一个重要参考。严格地说，影响嵌入式操作系统实时性的因素有很多，如常用系统调用平均运行时间、任务切换时间、线程切换时间、信号量混洗时间(指从一个任务释放信号量到另一个等待该信号量的任务被激活的时间延迟)、中断响应时间和任务执行时间不是反映RTOS实时性的评价指标。

混成系统:一般由离散分离组件和连续组件并行或串行组成，组件之间的行为由计算模型进行控制。

微内核相比于传统内核，效率较差。D选项的叙述是错误的。 采用微内核结构的操作系统与传统的操作系统相比，其优点是提高了系统的灵活性、可扩充性，增强了系统的可靠性，提供了对分布式系统的支持。其原因如下: ① 灵活性和可扩展性:由于微内核OS的许多功能是由相对独立的服务器软件来实现的，当开发了新的硬件和软件时，微内核OS只须在相应的服务器中增加新的功能，或再增加一个专门的服务器。与此同时，也必然改善系统的灵活性，不仅可在操作系统中增加新的功能，还可修改原有功能，以及删除已过时的功能，以形成一个更为精干有效的操作系统。 ② 增强了系统的可靠性和可移植性:由于微内核是出于精心设计和严格测试的，容易保证其正确性;另一方面是它提供了规范而精简的应用程序接口(API)，为微内核外部的程序编制高质量的代码创造了条件。此外，由于所有服务器都是运行在用户态，服务器与服务器之间采用的是消息传递通信机制，因此，当某个服务器出现错误时,不会影响内核，也不会影响其他服务器。另外，由于在微内核结构的操作系统中，所有与特定CPU和I/O设备硬件有关的代码，均放在内核和内核下面的硬件隐藏层中，而操作系统其他绝大部分(即各种服务器)均与硬件平台无关，因而，把操作系统移植到另一个计算机硬件平台上所需作的修改是比较小的。 ③ 提供了对分布式系统的支持:由于在微内核OS中，客户和服务器之间以及服务器和服务器之间的通信，是采用消息传递通信机制进行的，致使微内核OS能很好地支持分布式系统和网络系统。事实上，只要在分布式系统中赋予所有进程和服务器唯一的标识符，在微内核中再配置一张系统映射表(即进程和服务器的标识符与它们所驻留的机器之间的对应表)，在进行客户与服务器通信时，只需在所发送的消息中标上发送进程和接收进程的标识符，微内核便可利用系统映射表，将消息发往目标，而无论目标是驻留在哪台机器上。

软件设计层面的功耗控制主要可以从以下方面展开 1）软硬件协同设计，即软件的设计要与硬件匹配，考虑硬件因素。 2）编译优化，采用低功耗优化的编译技术。 3）减少系统的持续运行时间，可从算法角度进行优化。 4）用“中断"代替“查询” 5）进行电源的有效管理,

板级支持包(BSP，也称为硬件抽象层HAL)一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入输出操作和硬件设备的配置等功能，它主要具有以下两个特点。 ①硬件相关性，因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件与硬件平台之间的接口，BSP需为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。 ②操作系统相关性，不同的操作系统具有各白的软件层次结构，因此不同操作系统具有特定的硬件接口形式。

3. 存储器分类

（1）随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）。工作需要持续电力提供，可随机读写。 1）动态随机存取存储器（DynamicRAM，DRAM），采用电容存储信息，优点是集成度高、容量大、成本低，缺点是访问速度较慢、需要定期刷新。常作主存。 2）静态随机存取存储器（StaticRAM，SRAM），采用多个晶体管自锁的方式保存状态，优点是访问速度快、不需要刷新，缺点是集成度低、容量小、成本高。常用作高速缓存。

（2）只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM），存储的数据不会因掉电而丢失，读取的速度比RAM快，常见的有以下几种：

1）掩膜型只读存储器（MaskProgrammedROM，MROM），优点是通过掩膜大批量制造、成本低，缺点是同批数据全部一致且不可修改，只适合大批量生产。 2）可编程只读存储器（ProgrammableROM，PROM），可以用专用编程设备一次性烧录数据，适合少量制造。 3）可擦可编程只读存储器（ErasableProgrammableROM，EPROM），优点是写入的数据可以通过紫外线擦除重写。 4）电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM），优点是写入的数据可以通过电压来清除，但是清除的速度很慢。 5）快闪存储器（Flash Memory），优点是可以联机擦写数据且擦写的次数多、速度快，缺点是读取的速度慢（相对其他 ROM 的速度而言）。

（3）内（外）总线逻辑。

1）根据传输的信息种类分类，可分为以下几种。 ① 数据总线，用于传送需要处理或者需要存储的数据。 ② 地址总线，用于指定在RAM之中存储的数据的地址。 ③ 控制总线，将微处理器控制单元的信号传送到周边设备。

2）根据连接部件分类，可分为以下几种。 ① 片内总线，连接芯片内部各元件。 ② 系统总线或板级总线，连接计算机系统的核心组件。 ③ 局部总线，连接局部少数组件。 ④ 通信总线，主机连接外设的总线。各类总线在嵌入式系统的位置如图2.2所示。

图2.2 各类总线在嵌入式系统的位置

3）按照数据传输的方向，总线可以分为单工总线和双工总线。单工总线只能从一端向另一端传输而不能反向；双工总线能在两个方向传输。双工总线又分为半双工总线和全双工总线。半双工总线只能轮流向两个方向传输；全双工总线可以同时在两个方向传输。

4）按照总线使用的信号类型，总线可以分为并行总线和串行总线。并行总线包含多位传输线，在同一时刻可以传输多位数据，但一致性要求高，传输距离较近；而串行总线只使用一位传输线，同一时刻只传输一位数据，但距离可以较远。

（4）看门狗电路，是嵌入式系统必须具备的一种系统恢复能力，可防止程序出错或者死锁。主要由输入端、寄存器、计数器和狗叫模块构成。通过寄存器对看门狗进行基本设置，计数器计算狗叫时间，狗叫模块决定看门狗超时后发出的中断或复位方式。程序正常运行时MCU会在输入端定期喂狗，超时不喂狗就会触发狗叫模块，一般是重启MCU。

（5）嵌入式数据库

基于网络的数据库系统(Netware Database System，NDB)是基于4G/5G的移动通信之上，主要由客户端、通信协议和远程服务器等三部分组成。 1）NDB的客户端主要负责提供接口给嵌入式程序，在逻辑上可以把嵌入式设备看作远程服务器的一个客户端; 2）通信协议负责规范客户端与远程服务器之间的通信; 3）远程服务器负责维护服务器上的数据库数据。

嵌入式系统的数据库系统称为嵌入式数据库系统或嵌入式实时数据库系统，就是在嵌入式设备上使用的DBMS。由于用到EDBMS的嵌入式系统多是移动信息设备，例如，掌上电脑、PDA、车载设备等移动通信设备，位置固定的嵌入式设备很少用到，因此，嵌入式数据库也称为移动数据库或嵌入式移动数据库。EDBMS的作用主要是解决移动计算环境下数据的管理问题，移动数据库是移动计算环境中的分布式数据库。嵌入式数据库管理系统一般只提供本机服务接口且只为前端应用提供基本的数据支持。

2.5 安全攸关软件的安全性设计

【基础知识点】

1. 定义

IEEE定义安全攸关软件是用于一个系统中，可能导致不可接受的风险的软件。

安全攸关系统:是指系统失效会对生命或者健康构成威胁的系统，存在于航空、航天、汽车、轨道交通等领域，对安全性要求很高。通常在需求分析阶段就必须考虑安全性需求了安全性需求:是指通过约束软件的行为，使其不会出现不可接受的违反系统安全的行为需求。所以第一空选择C选项。选项A中，不会出现系统安全的行为，这种说法本身就是错误的:B选项是对可靠性的说明:D选项事故是系统不安全的后果。需求本身就是根据已知的系统信息来进行获取的，所以第二空选择A选项，系统信息。

2. DO-178B标准

该标准的目的是为制造机载系统和设备的机载软件提供指导，使其能够提供在满足符合适航要求的安全性水平下完成预期功能。DO-178B标准将软件生命周期分为软件计划过程、软件开发过程和软件综合过程，其中软件开发过程细分为软件需求过程、软件设计过程、软件编码过程和集成过程4个子过程；软件综合过程细分为软件验证过程、软件配置管理过程、软件质量保证过程、审定联络过程4个子过程。DO-178B根据软件在系统中的重要程度将软件的安全等级分为 $\mathrm{A}\sim \mathrm{E}$ 五级，分别对应灾难级（A）、危害级（B）、严重级（C）、不严重级（D）和没有影响级（E）。

2.6 练习题

1. 在嵌入式系统的存储部件中，存取速度最快的是（）

A．内存 B．寄存器组C. Flash D. Cache

解析：存储速度从快到慢分别是：寄存器组、Cache、内存、Flash。

答案：B

2. 以下关于嵌入式系统硬件抽象层的叙述，错误的是（）

A.硬件抽象层与硬件密切相关，可对操作系统隐藏硬件的多样性 B.硬件抽象层将操作系统与硬件平台隔开 C.硬件抽象层使软硬件的设计与调试可以并行 D.硬件抽象层应包括设备驱动程序和任务调度

解析：硬件抽象层是位于操作系统内核与硬件电路之间的接口层，其目的在于将硬件抽象化。它隐藏了特定平台的硬件接口细节，为操作系统提供虚拟硬件平台，使其具有硬件无关性，可在多种平台上进行移植。在基于硬件抽象层的开发中，软硬件的设计和调试具有无关性，并可完全地并行进行。硬件的错误不会影响到系统软件的调试，同样，软件设计的错误也不会影响硬件。

答案：D

3. 以下描述中，（）不是嵌入式操作系统的特点。

A. 面向应用，可以进行裁剪和移植
B. 用于特定领域，不需要支持多任务 C. 可靠性高，无须人工干预独立运行，并处理各类事件和故障
D. 要求编码体积小，能够在嵌入式系统的有效存储空间内运行

解析：嵌入式操作系统是应用于嵌入式系统，实现软硬件资源的分配，任务调度，控制、协调并发活动等的操作系统软件。它除了具有一般操作系统最基本的功能如多任务调度、同步机制等之外，通常还会具备以下适用于嵌入式系统的特性：面向应用，可以进行检查和移植，以支持开放性和可伸缩性的体系结构；强实时性，以适应各种控制设备及系统；硬件适用性，对于不同硬件平台提供有效的支持并实现统一的设备驱动接口；高可靠性，运行时无须用户过多干预，并处理各类事件和故障；编码体积小，通常会固化在嵌入式系统有限的存储单元中。

答案：B

4. 嵌入式系统设计一般要考虑低功耗，软件设计也要考虑低功耗设计，软件低功耗设计一般采用（）。

A. 结构优化、编译优化和代码优化
B. 软硬件协同设计、开发过程优化和环境设计优化
C. 轻量级操作系统、算法优化和仿真实验
D. 编译优化技术、软硬件协同设计和算法优化

解析：软件设计层面的功耗控制可以从以下几个方面展开：

（1）软硬件协同设计，即软件的设计要与硬件的匹配，考虑硬件因素。（2）编译优化，采用低功耗优化的编译技术。（3）减少系统的持续运行时间，可从算法角度进行优化。（4）用中断代替查询。（5）进行电源的有效管理。

答案：D

5. 以下关于嵌入式系统开发的叙述，正确的是（）。

A. 宿主机与目标机之间只需要建立逻辑连接
B. 宿主机与目标机之间只能采用串口通信方式
C. 在宿主机上必须采用交叉编译器来生成目标机的可执行代码 D. 调试器与被调试程序必须安装在同一台机器上

解析：在嵌入式系统开发中，由于嵌入式设备不具备足够的处理器能力和存储空间，程序开发一般用PC（宿主机）来完成，然后将可执行文件下载到嵌入式系统（目标机）中运行。

当宿主机与目标机的机器指令不同时，就需要交叉工具链（指编译、汇编、链接等一整套工具）。

答案：C

第3小时 计算机网络基础知识

3.0 章节考点分析

第3小时主要学习计算机网络的基本概念、通信技术、网络技术、组网技术和网络工程等内容。根据考试大纲，本小时知识点会涉及单项选择题，按出题规律约占5分。本小时内容属于基础知识范畴，除了书本上的知识以外，也有一些扩展知识。本小时知识架构如图3.1所示。

图3.1 本小时知识架构

【导读小贴士】

尽管计算机网络是计算机系统信息共享和信息传输必不可少的重要组成部分，大量的高级架构知识如分布式、高并发、面向服务、微服务、云原生等均与网络密不可分，但是这一小时的内容不作为考试学习研究的重点。计算机网络有独立的考试科目，就系统架构设计师考试来说范围过于广泛，重点很难把握，因此本章只对必要考点进行梳理，希望广大考生能有的放矢地复习。

3.1 网络的基本概念

【基础知识点】

跟网络有关的指标分为：

（1）性能指标：从速率、带宽、吞吐量和时延等不同方面来度量计算机网络的性能。 （2）非性能指标：从费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性、可升级性、易管理性和可维护性等来度量。

3.2 通信技术

【基础知识点】

（1）数据与信道：在通信中的数据包括模拟信号和数字信号，通过信道来传输，信息传输就是信源和信宿通过信道收发信息的过程。信道可分为逻辑信道和物理信道。逻辑信道是指在数据发送端和接收端之间存在的一条虚拟线路，可以是有连接的或无连接的，以物理信道为载体。信号在信源端和信宿端都需要经过信号变换，中间经过编码、交织、调制和解码等过程。 （2）复用技术：是指在一条信道上同时传输多路数据的技术，如TDM时分复用、FDM频分复用和CDM码分复用等。即一条路上行驶多辆货车。 （3）多址技术：是指在一条线上同时传输多个用户数据的技术，在接收端把多个用户的数据分离，如TDMA时分多址、FDMA频分多址和CDMA码分多址等。即一辆车上的货物属于不同用户。 （4）5G通信网络。作为新一代的移动通信技术，网络结构、网络能力和应用场景等都与过去有很大不同，具有高速率、低时延、接入用户数高等优点。5G网络的切片技术是将5G网络分割成多张虚拟网络，从而支持更多的应用。就是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络，每个虚拟网络之间，包括网络内的设备、接入、传输和核心网，是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他虚拟网络。在一个网络切片中，至少可分为无线网子切片、承载网子切片和核心网子切片三部分。

3.3 网络技术

【基础知识点】

（1）局域网（LAN）。是指在有限地理范围内将若干计算机通过传输介质互联成的封闭型的计算机网络。局域网有总线型、星型、树型、环型、网状五种拓扑结构，如图3.2所示。

图3.2 根据网络拓扑结构分类

（2）以太网（Ethernet）。是一种计算机局域网组网技术，由IEEE802.3定义。以太网数据帧的最小长度必须不小于64字节，最大长度一般是1518字节。设置最小帧长是为了避免冲突，最小帧长是根据网络中检测冲突的最长时间来定的。 （3）无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）。利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号。WLAN采用IEEE802.11标准，有a、b、g、n、ac等子标准，802.11n传输速率可达 $200\mathrm{Mb / s}$ ，802.11ac则可达1Gb/s。WLAN拓扑结构有点对点型、Hub型和完全分布型。点对点型用于网络互联和延长；Hub型用于终端接入；完全分布型则处于理论探讨阶段无具体应用。 （4）广域网（WAN）。是一种将分布于更广区域的计算机设备联接起来的网络，需要使用路由器和网关设备。广域网由通信子网与资源子网组成。广域网可以分为公共传输网络、专用传输网络和无线传输网络3类。广域网相关技术有同步光网络（SONET）、同步数字体系（SDH）、数字数据网（DDN）、帧中继（FR）和异步传输技术（ATM）。 （5）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）。是在单个城市范围内所建立的计算机通信网，采用IEEE802.6标准。通常分为3个层次：核心层、汇聚层和接入层。 （6）移动通信网。其发展经历了1G模拟信号传输、2G数字通信技术、3G扩展频谱、4G快速发展繁荣、5G多业务、多技术融合等5代。5G网络的主要特征为服务化架构和网络切片。

1）服务化架构（Service-Based Architecture，SBA） 可以实现网络功能的灵活定制和按需组合，以及软件快速迭代和升级。 2）网络切片技术可以在单个物理网络中切分出多个分离的逻辑网络用于不同业务。5G还引入了基于灵活以太网（Flexible Ethernet，FlexE）的硬切片技术。

将计算机中的数字数据在网络中用模拟信号表示时，需要进行调制，也就是要进行波形变换，或者是频谱变换，将数字信号的频谱变换成适合于在模拟信道中传输的频谱。最基本的调制方法有调幅、调频和调相3种。 (1)调幅 调幅 (Amplitude Modulator，AM) 即载波的振幅随着基带数字信号而变化，例如数字信号1用有载波输出表示数字信号0用无载波输出表示。这种调幅的方法又称为幅移键控(Ampliude Shift Keying，ASK)，其特点是信号 容易实现，技术简单，但抗干扰能力差。 (2)调频 调频(Frequency Modulator，FM) 即载波的频率随着基带数字信号而变化，例如数字信号1用频率f,表示，数字信号0用频率f,表示。这种调频的方法又叫频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)，其特点是信号容易实现,技术简单，抗干扰能力较强。 (3)调相 调相(Phase Modulator，PM) 即载波的初始相位随着基带数字信号而变化，例如数字信号1对应于相位180°，数字信号0对应于相位0°。这种调相的方法又叫相移键控(Phase Shit Keying，PSK) ，其特点是抗干扰能力较强但信号实现的技术比较复杂。

3.4 组网技术（网络协议、路由器、OSI/RM）

【基础知识点】

1. 网络设备及其工作层级

（1）集线器（Hub）和中继器（Repeater）工作在物理层。 （2）网桥（Bridge）和交换机（Switcher）工作在数据链路层。 （3）路由器（Router）和防火墙（Firewall）主要工作在网络层。防火墙是网络中一种重要的安全设备，作为网络对外的门户。

2. 网络协议

OSI/RM七层模型见表3.1。

表3.1 OSI/RM七层模型的主要功能和详细说明

防止阻塞的方法有: 1）在传输层可采用:重传策略、乱序缓存策略、确认策略、流控制策略和确定超时策略。 2）在网络层可采用:子网内部的虚电路与数据报策略、分组排队和服务策略、分组丢弃策略、路由算法和分组生存管理。 3）在数据链路层可采用:重传策略、乱序缓存策略、确认策略和流控制策略,

Internet协议的主要协议及其层次关系见表3.2。

表3.2 Internet协议的主要协议及其层次关系

这里根据考试大纲，列举一些常见的协议供广大考生学习。

（1）应用层协议。

1）文件传输协议（File Transport Protocol，FTP）：是网络上两台计算机传送文件的协议，运行在TCP之上，是通过Internet将文件从一台计算机传输到另一台计算机的一种途径。FTP在客户机和服务器之间需建立两条 TCP 连接，一条用于传送控制信息（使用 21 号端口），另一条用于传送文件内容（使用 20 号端口）。 2）简单文件传输协议（Trivial File Transfer Protocol，TFTP）：是用来在客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议，提供不复杂、开销不大的文件传输服务。TFTP 建立在 UDP 之上，69 号端口；提供不可靠的数据流传输服务，不提供存取授权与认证机制，使用超时重传方式来保证数据的到达。 3）超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）：是用于从 WWW 服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。HTTP 建立在 TCP 之上，使用 80 号端口。 4）安全超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol Secure，HTTPS）：是以安全为目标的 HTTP 通道，在 HTTP 的基础上通过传输加密和身份认证保证了传输过程的安全性。HTTPS 在 HTTP 的基础下加入安全套接层（Secure Socket Layer，SSL）或 TLS，HTTPS 使用的 443 号端口。 5）动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）：通常被应用在大型的局域网络环境中，主要作用是集中地管理、分配 IP 地址，使网络环境中的主机动态地获得 IP 地址、网关地址、DNS 服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。在网络范围内可能存在多个 DHCP 服务器，各自负责不同的网段，也可能由同一个 DHCP 服务器，负责多个不同网段的地址分配。如果网络中有多个 DHCP 服务器发送 OFFER 报文，客户端只根据第一个收到的 OFFER 报文，返回 REQUEST 报文。 6）域名系统（Domain Name System，DNS）：DNS 把主机域名解析为 IP 地址的系统，而 PTR（Pointer Record）负责将 IP 地址映射到域名的解析。

DNS 查询过程有两种方法，见表 3.3。

表3.3 DNS查询过程的两种方法

（2）传输层协议。

1）传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）。TCP 是可靠的、面向连接的网络协议。具有差错校验和重传、流量控制、拥塞控制等功能。适用于数据量比较少，且对可靠性要求高的场合。 2）用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。UDP 是不可靠的、无连接的网络协议。UDP 适合数据量大，对可靠性要求不是很高，但要求速度快的场合。

TCP采用可变大小的滑动窗口协议进行流量控制。在前向纠错系统中，当接收端检测到错误后就根据纠错编码的规律自行纠错;在后向纠错系统中，接收端会请求发送端重发出错分组。IP协议不预先建立虚电路，而是对每个数据报独立地选择路由并一站一站地进行转发，直到送达目标地。

Web页面访问过程为: 1）我向浏览器中输入网址后，浏览器会校验网址的合法性，如果网址不合法，会传给默认的搜索引擎。如果网址合法并通过验证，浏览器会解析，得到协议(http或https)、域名、资源页面(比如首页等) 2）DNS查询 浏览器会先检查域名信息是否在缓存中，再检查域名是否在本地的Hosts文件中。如果还不在，那么浏览器会向DNS服务器发送一个查询请求，获得目标服务器的IP地址。 3）TCP封包及传输。 4）建立TCP连接后发起HTTP请求: 5）服务器接收请求并响应。

区分服务是为解决服务质量问题在网络上将用户发送的数据流按照它对服务质量的要求划分等级的一种协议。区分服务将具有相同特性的若干业务流汇聚起来，为整个汇聚流提供服务，而不是面向单个业务流来提供服务。每个IP分组都要根据其Q0S需求打上一个标记，这种标记称为DS码点，可以利用IPV4协议头中的服务类型字段，或者IPV6协议头中的通信类别字段来实现，这样就维持了现有的IP分组格式不变。

（3）网络层协议。

IPv6 被称为下一代互联网协议，IP 数据报的目的地址有单播、多播/组播、任播。IPv4 to IPv6 过渡技术主要有：双协议栈技术、隧道技术、NAT-PT 技术。

IPv6地址的格式前缀(FP)用于表示地址类型或子网地址，用类似于IPV4的CIDR表示方法表示。链路本地地址:前缀为1111 1110 10，用于同一链路的相邻节点间的通信。相当于IPv4的自动专用IP地址。为实现IP地址的自动配置，IPV6主机将MAC地址附加在地址前缀1111 1110 10之后，产生一个链路本地地址。

通常一台IPV6主机有多个IPv6地址，即使该主机只有一个单接口。一台IPV6主机可以同时拥有以下几种单点传送地址: 1）每个接口的链路本地地址: 2）每个接口的单播地址(可以是一个站点本地地址和一个或多个可聚集全球地址); 3）回环(loopback)接口的回环地址(::1); 此外，每台主机还需要时刻保持收听以下多点传送地址上的信息; 1）节点本地范围内所有节点组播地址(FF01::1); 2）链路本地范围内所有节点组播地址(FF02::1): 3）请求节点(solicited-node)组播地址(如果主机的某个接口加入请求节点组); 4）组播组组播地址(如果主机的某个接口加入任何组播组)。

在域名解析过程中，一般有两种查询方式:递归查询和迭代查询。 1）递归查询:服务器必须回答目标IP与域名的映射关系。 2）迭代查询:服务器收到一次迭代査询回复一次结果，这个结果不一定是目标IP与域名的映射关系，也可以是其他DNS服务器的地址。 递归查询会向下探索，最终返回答案，选代查询不会向下探索，会立即返回消息，可以只返回线索 在本题中，本地域名服务器向根域名服务器发出査询请求后，根域名服务器会一层一层的进行査询,，将最终结果告诉本地域名服务器，这种方式属于递归查询，这种方式增加了根域名服务器的负担，影响了性能。

1. 交换机

交换机功能包括集线功能、中继功能、桥接功能、隔离冲突域功能。交换机协议有：

（1）生成树协议（STP），可以很好地解决链路环路问题。 （2）链路聚合协议，可以提升与邻接交换设备之间的端口带宽和提高链路可靠性。

1）交换机的初始MAC地址表为空 2）因为交换机接收到数据帧后，如果没有相应的表项，交换机会采用ARP泛洪操作，即广播方式进行转发。 3）因为交换机通过读取输入帧中的源地址来添加相应的MAC地址表项。 4）交换机的MAC地址表项是动态增长的。

4. 路由器

路由功能由路由器（Router）来提供，包括异种网络互连、子网协议转换、数据路由、速率适配、隔离网络、报文分片和重组、备份和流量控制。路由器协议主要有：

（1）内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP）：指在一个自治系统（Autonomous System，AS）内运行的路由协议。 （2）外部网关协议（Exterior Gateway Protocol，EGP）：指在AS之间的路由协议。EGP是为简单的树型拓扑结构设计的。 （3）边界网关协议（Border Gateway Protocol，BGP）：Internet的网络规模庞大，网络情况复杂，EGP已不适用，在EGP的经验之上制定了新的网关协议即BGP，也是Internet上唯一的网关协议。

对等网络，即对等计算机网络，是一种在对等者(Peer)之间分配任务和工作负载的分布式应用架构，是对等计算模型在应用层形成的一种组网或网络形式。在对等网络中，由于采用总线式的连接，因此网络中的终端数量越多，终端所能够分配到的转发时隙就越小，所带来的延迟也就越大，A选项错误。 路由器一般采取存储转发方式，而交换机采取的是直接转发方式，相比存储转发方式，直接转发方式转发时延更小。因为存储转发方式需要对待转发的数据包进行重新拆包，分析其源地址和目的地址，再根据路由表对其进行路由和转发，而直接转发方式不对数据包的三层地址进行分析，因此路由器转发所带来的延迟要大于交换机。B选项错误。 数据在lnternet中传输时，由于互联网中的转发数据量大月所需经过的节点多，势必会带来更大的延迟。C选项错误。网络延迟= 处理延迟+排队延迟+发送延迟+传播延迟。如果不考虑网络环境，服务器的延迟的主要因素是队列延迟和磁盘IO延迟。D选项正确。

层次化路由的含义是指对网络拓扑结构和配置的了解是局部的，一台路由器不需要知道所有的路由信息，只需要了解其管辖的路由信息，层次化路由选择需要配合层次化的地址编码。而子网或超网就属于层次化地址编码行为。

管理距离是指一种路由协议的路由可信度。每一种路由协议按可靠性从高到低，依次分配一个信任等级，这个信任等级就叫管理距离。 为什么要出现管理距离这个技术呢? 在自治系统内部，如RIP协议是根据路径传递的跳数来决定路径长短也就是传输距离，而像EIGRP协议是根据路径传输中的带宽和延迟来决定路径开销从而体现传输距离的。这是两种不同单位的度量值，我们没法进行比较。为了方便比较，我们定义了管理距离。这样我们就可以统一单位从而衡量不同协议的路径开销从而选出最优路径。正常情况下，管理距离越小，它的优先级就越高，也就是可信度越高。对于两种不同的路由协议到一个目的地的路由信息，路由器首先根据管理距离决定相信哪一个协议。AD值越低，则它的优先级越高。 一个管理距离是一个从0-255的整数值，0是最可信赖的，而255则意味着不会有业务量通过这个路由。 由此可见，管理距离是与信任相关的，只有选项C是相符的。

3.5 网络工程(分层)

【基础知识点】

1. 网络建设工程

可分为网络规划、网络设计和网络实施3个环节。

（1）网络规划以需求为导向，兼顾技术和工程可行性。

（2）网络设计包括逻辑设计和物理设计， 1）逻辑设计指网络结构设计、网络技术选型、IP地址和路由设计、网络冗余设计以及网络安全设计等； 2）物理设计指布线设计、机房设计、设备选型等。

网络的生命周期至少包括网络系统的构思计划、分析设计、实时运行和维护的过程。对于大多数网络系统来说，由于应用的不断发展，这些网络系统需要不断重复设计、实施、维护的过程。网络系统生命周期可以划分为5个阶段，实施这5个阶段的合理顺序是需求规范、通信规范、逻辑网络设计、物理网络设计、实施阶段。

1）需求分析阶段有助于设计者更好地理解网络应该具有什么功能和性能，最终设计出符合用户需求的网络，它为网络设计提供依据。网络需求分析包括网络总体需求分析、综合布线需求分析、网络可用性与可靠性分析、网络安全性需求分析，此外还需要进行工程造价估算 2）网络逻辑结构设计是体现网络设计核心思想的关键阶段，在这一阶段根据需求规范和通信规范，选择一种比较适宜的网络逻辑结构，并基于该逻辑结构实施后续的资源分配规划、安全规划等内容。逻辑网络设计利用需求分析和现有网络体系分析的结果来设计逻辑网络结构，最后得到一份逻辑网络设计文档，输出内容包括以下几点:

1. 逻辑网络设计图
2. IP地址方案
3. 安全方案
4. 招聘和培训网络员工的具体说明
5. 对软硬件、服务、员工和培训的费用初步估计。

3）物理网络设计是对逻辑网络设计的物理实现，通过对设备的具体物理分布、运行环境等的确定，确保网络的物理连接符合逻辑连接的要求。在这一阶段，网络设计者需要确定具体的软硬件、连接设备、布线和服务。现有网络体系分析的工作目的是描述资源分布，以便于在升级时尽量保护已有投资，通过该工作可以使网络设计者掌握网络现在所处的状态和情况。物理网络设计是对逻辑网络设计的物理实现，通过对设备的具体物理分布、运行环境等确定，确保网络的物理连接符合逻辑连接的要求。输出如下内容:

1. 网络物理结构图和布线方案
2. 设备和部件的详细列表清单
3. 软硬件和安装费用的估算
4. 安装日程表，详细说明服务的时间以及期限
5. 安装后的测试计划
6. 用户的培训计划

网络冗余设计的目的就是避免网络组件单点失效造成应用失效； 负载分担是网络冗余设计中的一种设计方式，其通过并行链路提供流量分担来提高性能；网络中存在备用链路时，可以考虑加入负载分担设计来减轻主路径负担。 备用路径是在主路径失效时启用，其和主路径承担不同的网络负载；

RAID5用N块盘时，实际可用容量=单盘容量x(N-1)。3块80G盘时，容量=80x(3-1)=160G2.不同容量盘做RAID 5时，以最小盘为准。2块80G和1块40G，相当于3块40G盘，容量=40x(3-1)=80G。

综合布线分六大子系统。

1）工作区子系统(Worklocation):目的是实现工作区终端设备与水平子系统之间的连接，由终端设备连接到信息插座的连接线缆所组成。工作区常用设备是计算机、网络集线器(Hub或Mau)、电话、报警探头、摄像机、监视器、音响等。 2）水平子系统(Horizontal):目的是实现信息插座和管理子系统(跳线架)间的连接，将用户工作区引至管理子系统，并为用户提供一个符合国际标准，满足语音及高速数据传输要求的信息点出口。该子系统由一个工作区的信息插座开始，经水平布置到管理区的内侧配线架的线缆所组成。水平子系统是指从楼层管理间到信息插口这一段，它连接了垂直干线子系统与工作区子系统。 3）管理子系统(Administration):本子系统由交连、互连配线架组成。管理间为连接其他子系统提供连接手段,。交连和互连允许将通讯线路定位或重新定位到建筑物的不同部分，以便能更容易地管理通信线路，使在移动终端设备时能方便地进行插拔。互连配线架根据不同的连接硬件分楼层配线架(箱)IDF和总配线架(箱)MDF，IDF可安装在各楼层的干线接线间，MDF一般安装在设备机房。 4）垂直干线子系统(Backbone):目的是实现计算机设备、程控交换机(PBX)、控制中心与各管理子系统间的连接，是建筑物干线电缆的路由。该子系统通常是两个单元之间，特别是在位于中央点的公共系统设备处提供多个线路设施。系统由建筑物内所有的垂直干线多对数电缆及相关支撑硬件组成，以提供设备间总配线架与干线接线间楼层配线架之间的干线路由。常用介质是大对数双绞线电缆和光缆。 5）设备室子系统(Equipment):本子系统主要是由设备间中的电缆、连接器和有关的支撑硬件组成，作用是将计算机、PBX、摄像头、监视器等弱电设备互连起来并连接到主配线架上。设备包括计算机系统、网络集线器(Hub)、网络交换机(Switch)、程控交换机(PBX)、音响输出设备、闭路电视控制装置和报警控制中心等 6）建筑群子系统(Campus):该子系统将一个建筑物的电缆延伸到建筑群的另外一些建筑物中的通信设备和装置上，是结构化布线系统的一部分，支持提供楼群之间通信所需的硬件。它由电缆，光然和入楼处的过流过压电气保护设备等相关硬件组成，常用介质是光缆。

网络存储

1）开放系统的直连式存储(Direct-Attached Storage，DAS) 在服务器上外挂了一组大容量硬盘，存储设备与服务器主机之间采用SCSI通道连接，带宽为10MB/S、20MB/S、40MB/s和80MB/s等。直连式存储直接将存储设备连接到服务器上，这种方法难以扩展存储容量，而且不支持数据容错功能，当服务器出现异常时会造成数据丢失。DAS(DirectAtached Storage，直接附加存储) 即直连方式存储。在这种方式中，存储设备是通过电缆(通常是SCSI接口电缆)直接连接服务器。1/0(输入/输出)请求直接发送到存储设备。DAS也可称为SAS(Server-Attached Storage，服务器附加存储)。它依赖于服务器，其本身是硬件的堆，不带有任何存储操作系统，DAS不能提供跨平台文件共享功能，各系统平台下文件需分别存储。 2）网络接入存储(Network Atached Storage，NAS) 是将存储设备连接到现有的网络上，提供数据存储和文件访问服务的设备。NAS服务器是在专用主机上安装简化了的瘦操作系统(只具有访问权限控制、数据保护和恢复等功能)的文件服务器。NAS服务器内置了与网络连接所需要的协议，可以直接联网，具有权限的用户都可以通过网络访问NAS服务器中的文件。在NAS存储结构中，存储系统不再通过I/0总线附属于某个特定的服务器或客户机，而是直接通过网络接口与网络直接相连，由用户通过网络来访问。NAS设备有自己的OS，其实际上是一个带有瘦服务器的存储设备，其作用类似于一个专用的文件服务器，不过把显示器、键盘、鼠标等设备省去，NAS用于存储服务，可以大大降低存储设备的成本，另外NAS中的存储信息都是采用RAID方式进行管理的，从而有效的保护了数据。 3）存储区域网络(Storage Area NetworK，SAN) 是一种连接存储设备和存储管埋子系统的专用网络，专门提供数据存储和管理功能。SAN可以被看作是负责数据传输的后端网络，而前端网络(或称为数据网络)则负责正常的TCP/IP传输。也可以把SAN看作是通过特定的互连方式连接的若干台存储服务器组成的单独的数据网络，提供企业级的数据存储服务。 未来的信息存储将以SAN存储方式为主。SAN 主要采取数据块的方式进行数据和信息的存储，目前主要使用于以太网(IP SAN)和光纤通道(FC SAN)两类环境中

（3）网络实施包括工程实施计划、网络设备验收、设备安装和调试、系统试运行和切换、用户培训等。

2. 分层设计

网络设计一般采用分层的方式，分为接入层、汇聚层、核心层

（1）接入层：直接面向用户连接或访问网络的部分，主要解决相邻用户之间的互访需求，并且为这些访问提供足够的带宽，接入层还应当适当负责一些用户管理功能（如地址认证、用户认证、计费管理等），以及用户信息收集工作（如用户的IP地址、MAC地址、访问日志等）。 （2）汇聚层：是核心层和接入层的分界面，完成网络访问策略控制、数据包处理、过滤、寻址，以及其他数据处理的任务。汇聚层的存在与否要视网络规模大小而定。 （3）核心层：网络主干部分称为核心层，核心层的主要目的在于通过高速转发通信，提供优化、可靠的骨干传输结构，因此，核心层交换机应拥有更高的可靠性、性能和吞吐量。核心层的设备采用双机冗余热备份是非常必要的，也可以使用负载均衡功能来改善网络性能。

进行网络层次化设计时，一般分为核心层、汇聚层、接入层三个层次。为了保证网络的层次性，不能在设计中随意加入额外连接、除去接入层，其他层次应尽量采用模块化方式，块间的边界应非常清晰。应是先从接入层开始设计，然后逐级往核心层走。原因是接入层其实代表了需求，是因为进行层次化网络设计时，有大量终端设备要接入，并有速度上的要求，才有了汇聚层要达到什么要求，核心层得怎么设计。选项B的说法本末倒置了,

3.6 练习题

1. 在以太网标准中规定的最小帧长是（1）字节。最小帧长是根据（2）来定的。

（1）A.20 B.64 C.128 D.1518

（2）A.网络中传送的最小信息单位 B．物理层可以区分的信息长度 C.网络中发生冲突的最短时间 D.网络中检测冲突的最长时间

解析：以太网规定最小帧长为64字节，最大帧长为1518字节。设置最小帧长是为了避免冲突，最小帧长是根据网络中检测冲突的最长时间来定的。

答案：B D

2. TCP和UDP协议均提供了（ ）能力。

A．连接管理 B.差错校验和重传 C.流量控制 D.端口寻址

解析：TCP与UDP均有端口号的概念。

TCP采用连接管理、差错校验和重传、流量控制等方式来确保数据按序、无差错、无重复、没有部分丢失地传输。

UDP是一种无连接的协议，适用于传输数据量大，对可靠性要求不高，传输速度快的场合。

答案：D

3. 下列无线网络技术中，覆盖范围最小的是（

A.802.15.1蓝牙 B.802.11n无线局域网 C.802.15.4ZigBee D.802.16m无线城域网

解析：蓝牙的覆盖范围大约在10米以内，802.11n无线局域网的覆盖范围在100米以内，ZigBee的覆盖范围在 $10\sim 100$ 米之间， $802.16\mathrm{m}$ 无线城域网的覆盖范围在 $2\sim 10\mathrm{km}$ 。4个选项中，蓝牙覆盖范围最小。

答案：A

4. 以下关于网络冗余设计的叙述中，错误的是（

A.网络冗余设计避免网络组件单点失效造成应用失效 B.备用路径与主路径同时投入使用，分担主路径流量 C.负载分担是通过并行链路提供流量分担来提高性能的 D.网络中存在备用链路时，可以考虑加入负载分担设计

解析：网络冗余设计的目的就是避免网络组件单点失效造成应用失效；备用路径是在主路径失效时启用，其和主路径承担不同的网络负载；负载分担是网络冗余设计中的一种设计方式，其通过并行链路提供流量分担来提高性能；网络中存在备用链路时，可以考虑加入负载分担设计来减轻主路径负担。

答案：B

第2篇 架构设计专业知识

第4小时 信息系统基础知识

4.0 章节考点分析

第4小时主要学习信息系统概述、信息化的典型应用、典型信息系统架构模型等内容。

本小时内容属于基础知识范畴，根据考试大纲及以往全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试的出题规律，本小时知识点会涉及单项选择题，约占2～6分，本小时知识架构如图4.1所示。

图4.1 本小时知识架构

【导读小贴士】

在系统架构设计师考试中，信息化和信息系统的基础知识也是必不可少的。本小时的知识通用性强，掌握了这些知识，对学习其他软考科目也是有益处的，难度不大，充分理解记忆即可。

4.1 信息系统概述

【基础知识点】

1. 信息系统的定义

信息系统是由计算机软硬件、网络和通信设备、信息资源、用户和规章制度组成的以处理信息流为目的的人机一体化系统。信息系统的功能有：输入、存储、处理、输出和控制。理查德·诺兰（Richard L. Nolan）将信息系统的发展道路划分为初始、传播、控制、集成、数据管理和成熟6个阶段。

一般说来，信息化需求包含3个层次，即:战略需求、运作需求和技术需求。 1）战略需求。组织信息化的战略需求的目标是提升组织的竞争能力、为组织的可持续发展提供一个支持环境。从某种意义上来说，信息化对组织不仅仅是服务的手段和实现现有战略的辅助工具;信息化可以把组织战略提升到一个新的水平，为组织带来新的发展契机。特别是对于企业，信息化战略是企业竞争的基础。 2）运作需求。组织信息化的运作需求是组织信息化需求非常重要且关键的一环，它包含三方面的内容:一是实现信息化战略目标的需要:二是运营策略的需要;三是人才培养的需要。 3）技术需求。由于系统开发时间过长等问题在信息技术层面上对系统的完善、升级、集成和整合提出了需求。也有的组织，原来基本上没有大型的信息系统项目，有的也只是一些单机应用，这样的组织的信息化需求，一般是从头开发新的系统。

企业信息化一定要建立在企业战略规划基础之上，以企业战略规划为基础建立的企业管理模式是建立企业战略数据模型的依据。企业信息化就是技术和业务的融合。这个"合“并不是简单地利用信息系统对手工的作业流程进行自动化，而是需要从企业战略的层面、业务运作层面、管理运作层面这3个层面来实现。 企业信息化建设与其说是一场技术变革，还不如说是对企业的经营管理和业务流程的一次革命，它是借助于先进的信息技术和网络技术的价值链进行重构。同时，企业信息化是一个不断发展、变化的过程，它没有终点，至少目前还看不到终点。 企业信息化方法并不同于信息系统建设方法，这是因为信息系统建设方法是一个具体的信息项目建设的方法，而企业信息化方法是整个企业实现信息化的方法，因此，企业信息化方法要比信息系统建设方法层次更高、涉及面更广。

企业战略数据模型分为数据库模型和数据仓库模型， 1）数据库模型用来描述日常事务处理中的数据及其关系; 2）数据仓库模型则描述企业高层管理决策者所需信息及其关系。 在企业信息化过程中，数据库模型是基础，一个好的数据库模型应该客观地反映企业生产经营的内在联系。数据库是办公自动化、计算机辅助管理系统、开发与设计自动化、生产过程自动化、Intranet的基础和环境。

国家信息化体系包括信息技术应用、信息资源、信息网络、信息技术和产业、信息化人才、信息化法规政策和标准规范6个要素。 1)信息技术应用。 信息技术应用是指把信息技术广泛应用于经济和社会各个领域。信息技术应用是信息化体系六要素中的龙头，是国家信息化建设的主阵地。 2)信息资源。 信息资源、材料资源和能源共同构成了国民经济和社会发展的三大战略资源。信息资源的开发利用是国家信息化的核心任务，是国家信息化建设取得实效的关键，也是我国信息化的薄弱环节。 3)信息网络。 信息网络是信息资源开发利用和信息技术应用的基础，是信息传输、交换和共享的必要手段。目前，人们通常将信息网络分为电信网、广播电视网和计算机网。三种网络的发展方向是:互相融通、取长补短、逐步实现三网融合。 4)信息技术和产业。 信息技术和产业是我国进行信息化建设的基础。 5)信息化人才。 信息化人才是国家信息化成功之本，对其他各要素的发展速度和质量有着决定性的影响，是信息化建设的关键。 6)信息化政策法规和标准规范。 信息化政策法规和标准规范用于规范和协调信息化体系各要素之间关系，是国家信息化快速、持续、有序、健康发展的根本保障。

1. 信息系统的分类

信息系统分为业务（数据）处理系统、管理信息系统、决策支持系统、专家系统、办公自动化系统、综合性信息系统等6类。

3. 信息系统的生命周期

信息系统的生命周期分为产生、开发、运行和消亡4个阶段。

4. 信息系统建设原则

信息系统建设原则可以分为高层管理人员介入原则、用户参与开发原则、自顶向下规划原则、工程化原则等。

5. 信息系统的开发方法

软件开发方法是指软件开发过程所遭循的办法和步骤，从不同的角度可以对软件开发方法进行不同的分类。 从开发风范上看，可分为自顶向下的开发方法和自底向上的开发方法。(在实际软件开发中，大都是两种方法结合，只不过是应用于开发的不同阶段以何者为主而已) 1）自顶向下的开发：先对最高层次中的问题进行定义、设计、编程和测试，而将其中未解决的问题作为一个子任务放到下一层次中去解决。 自顶向下开发方法的优点是: ①可为企业或机构的重要决策和任务实现提供信息。 ②支持企业信息系统的整体性规划，并对系统的各子系统的协调和通信提供保证。 ③方法的实践有利于提高企业人员整体观察问题的能力，从而有利于寻找到改进企业组织的途径。 自顶向下开发方法的缺点是: ①对系统分析和设计人员的要求较高。 ②开发周期长，系统复杂，一般属于一种高成本、大投资的工程。 ③对于大系统而言自上而下的规划对于下层系统的实施往往缺乏约束力。 ④从经济角度来看，很难说自顶向下的做法在经济上是合算的。

2）自底向上的开发：根据系统功能要求，从具体的器件、逻辑部件或者相似系统开始，通过对其进行相互连接、修改和扩大，构成所要求的系统。 从性质上看，可分为形式化方法和非形式化方法。 1）形式化方法是一种具有坚实数学基础的方法，从而允许对系统和开发过程做严格处理和论证，适用于那些系统安全级别要求极高的软件的开发。 2）非形式化方法则不把严格性作为其主要着眼点，通常以各种开发型的形式得以体现。从适应范围来看，可分为整体性方法与局部性方法。适用于软件开发全过程的方法称为整体性方法;适用于开发过程某个具体阶段的软件方法称为局部性方法。

信息系统的开发方法主要有：结构化方法、原型法、面向对象方法、面向服务的方法、敏捷方法、构件化开发方法等。结构化方法、面向对象方法详见第7小时，这里介绍其他几种开发方法。

（1）结构化方法也称为生命周期法，是一种传统的信息系统开发方法，由结构化分析、 结构化设计和结构化程序设计三部分组成，其精髓是自顶向下、逐步求精和模块化设计。 结构化方法的主要特点是：开发目标清晰化、开发工作阶段化、开发文档规范化和设计方法结构化。结构化方法特别适合于数据处理领域的问题，但是不适应于规模较大、比较复杂的系统开发。结构化方法的缺点是开发周期长、难以适应需求的变化、很少考虑数据结构。

（2）原型法。原型法也称快速原型法，可以根据用户的初步需求利用系统工具快速建立一个系统模型，与用户交流。原型法按照实现功能划分可以分为： 1）水平原型：行为原型，用于界面。细化需求但并未实现功能。 2）垂直原型：结构化原型，用于复杂算法的实现，实现了部分功能。

原型法按照最终结果划分可以分为： 1）抛弃式：探索式原型，解决需求不确定性、二义性、不完整性、含糊性等。 2）演化式：逐步演化为最终系统，用于易于升级和优化的场合，适用于Web项目。

（3）构件化开发方法。基于构件/组件（Component）的软件开发是解决复杂环境下软件规模与复杂性的一种手段。构件并非一定包含类，一个类元素只能属于一个构件。构件的获取方式有：

1）从现有构件中获得符合要求的构件，直接使用或作适应性修改，得到可复用的构件。 2）通过遗留工程（Legacy Engineering），将具有潜在复用价值的构件提取出来，得到可复用的构件。 3）从市场上购买现成的商业构件。 4）开发新的符合要求的构件。

获取到的构件可以存放到构件库中，根据需求裁剪使用。构件的分类方式见表4.1。

表4.1 构件的分类方式

构件检索的方式也可以分为：基于关键字的检索、刻面检索法、超文本检索法。

（4）面向服务的方法。面向服务的方法是在面向对象方法的基础上发展起来的，对于跨构件的功能调用，则采用接口的形式暴露出来。进一步将接口的定义与实现进行解耦，则催生了服务和面向服务（Service-Oriented，SO） 的开发方法。以粗粒度、松散耦合和基于标准的服务为基础，增强了系统的灵活性、可复用性和可演化性。对于系统架构设计师考试我们重点关注的是面向服务的架构（SOA），这部分内容将在第18小时中介绍。

（5）面向对象方法是目前比较主流的开发方法。面向对象方法是系统的描述及信息模型的表示与客观实体相对应，符合人们的思维习惯，有利于系统开发过程中用户与开发人员的交流和沟通，缩短开发周期，提高系统开发的正确性和效率。可以把结构化方法和面向对象方法结合起来进行系统开发。首先使用结构化方法进行自顶向下的整体划分；然后再自底向上地采用面向对象方法开发系统。

（6）敏捷方法。敏捷方法是一种以人为核心、迭代、循序渐进的开发方法。敏捷方法主要有两个特点，这也是其区别于其他方法，尤其是重型方法的最主要的特征。 最小化软件工程工作产品以及整体精简开发。与传统方法相比，敏捷开发方法比较适合需求变化较大或者开发前期需求不是很清晰的项目，以它的灵活性来适应需求的变化。

1）敏捷方法是适应型而非预设型。重型方法试图对一个软件开发项目在很长的时间跨度内做出详细的计划，然后依计划进行开发。这类方法在计划制定完成后拒绝变化。而敏捷方法则欢迎变化。 2）敏捷方法是面向人的而非面向过程的。它们试图使软件开发工作能够利用人的特点，充分发挥人的创造能力，强调软件开发应当是一项愉快的活动。

敏捷方法的核心思想主要有以下3点： 1）敏捷方法是适应型，而非可预测型。2）敏捷方法以人为本，而非以过程为本。3）属于迭代增量式的开发过程。

6. 信息系统战略规划

4.2 信息化的典型应用（ERP、TPS、DSS）

【基础知识点】

1. TPS和EDPS

业务处理系统（Transaction Processing System，TPS）或电子数据处理系统（Electronic Data Processing System，EDPS）是信息化的典型应用。业务处理系统可以实现计算机自动化、减轻处理数据的负担、提高处理效率。它既是信息系统发展的最初级形式，也是基础和桥梁。因其简单和成熟常用结构化生命周期法开发。对事务所发生的数据进行输入、处理和输出（即IPO）。业务系统数据处理周期分为数据输入、数据处理、数据库的维护、文件报表的生成和查询处理5个阶段（对功能的进一步阐述）。数据处理方式包括批处理（Batch Processing）方式和联机事务处理（OnLine Transaction Processing，OLTP）方式。

2. 管理信息系统

管理信息系统（Manage Information System，MIS）是在TPS基础上发展的高度集成化的人机信息系统，用于企业整体的某些管理和业务层面的管理决策。MIS系统的上层是子系统和功能，底层是各个过程，功能由过程组合实现。一个MIS系统可以用一个功能/层次矩阵表示。共有销售市场子系统、生产子系统、后勤子系统、人事子系统、财务和会计子系统、信息处理子系统和高层管理子系统7个子系统。

3. 决策支持系统

决策支持系统(Decision Support System，DSS)是管理信息系统应用概念的深化，是在管理信息的基础上发展起来的系统。DSS是能帮助决策者利用数据和模型去解决半结构化决策问题和非结构化决策问题的交互式系统。服务于高层决策的管理信息系统，按功能可分为专用DSS、DSS工具和DSS生成器。专用DSS是为解决某一领域问题的DSS。DSS工具是指某种语言、某种操作系统、某种数据库系统。DSS生成器是通用决策支持系统，一般DSS包括数据库、模型库、方法库、知识库和会话部件。

决策支持系统（Decision Support System，DSS）有两种定义：

（1）定义一：DSS是一个由语言系统、知识系统和问题处理系统3个互相关联的部分组成的，基于计算机的系统。特征如下：

1）数据和模型是DSS的主要资源。 2）用来支援用户作决策。 3）主要用于解决半结构化及非结构化问题。 4）作用在于提高决策的有效性而不是提高决策的效率。

（2）定义二：DSS是一个交互式的、灵活的、适应性强的基于计算机的信息系统。特征如下：

1）针对上层管理人员。 2）界面友好。 3）将模型、分析技术与传统的数据存取与检索技术结合起来。 4）对环境及决策方法改变的灵活性与适应性。 5）支持但不是代替决策。 6）利用先进信息技术快速传递和处理信息。

DSS系统的管理者处于核心地位，结合DSS的支持进行决策。DSS有两种级别结构形式：两库结构和基于知识的结构。

DSS支撑九项基本功能： $（1）$ 多层决策，为决策整理和提供数据； $(2)$ 收集、存储和提供外部信息； $(3)$ 收集和提供活动的反馈信息； $(4)$ 具有模型的存储和管理能力； $(5)$ 对常用的各种方法的存储和管理； $(6)$ 对各种数据、模型、方法进行管理； $(7)$ 数据加工； $(8)$ 具有人一机接口和图形加工； $(9)$ 支持分布使用方式。特点是面向决策者、支持半结构化问题、辅助支持、过程动态、交互。组建过程是：数据重组、建立数据仓库、建立数据字典、数据挖掘、建立模型。

1. 专家系统

基于知识的专家系统（Expert System，ES）是一种智能的计算机程序，该程序使用知识与推理过程，求解那些需要资深专家的专门知识才能解决的高难度问题。ES属于人工智能，用于求解半结构化或非结构化问题。专家系统包括：机器人技术、视觉系统、自然语言处理、学习系统和神经网络等分支。专家系统与一般计算机系统的比较见表4.2。

表4.2 专家系统与一般计算机系统的比较

具体来说ES具有超越时间限制、操作成本低廉、易于传递与复制、处理手段一致、善于克服难题、适用特定领域等特点。ES由知识库、综合数据库、推理机、知识获取、解释程序、人一机接口组成。其中，推理机和知识库一起构成专家系统的核心。一般的专家系统通过推理机与知识库和综合数据库的交互作用来求解领域问题。

5. 办公自动化系统

办公自动化系统（Office Automatic System，OAS）可以解决包括数据、文字、声音、图像等信息的一体化处理问题，是一个集文字、数据、语言、图像为一体的综合性、跨学科的人机信息处理系统，可以进行事务处理、信息管理和辅助决策。OAS由计算机设备、办公设备、数据通信及网络设备、软件系统构成。

6. 企业资源规划（Enterprise Resource Planning，ERP）

企业资源规划（Enterprise Resource Planning，ERP）中的企业的所有资源包括三大流：物流、资金流和信息流。ERP是在信息技术基础上集成了企业的所有资源信息，为企业提供决策、计划、控制与经营业绩评估的全方位和系统化的管理平台。ERP的管理范围涉及企业的所有供需过程，是对供应链的全面管理，还与人事系统和CRM等关联。ERP包括生产预测、销售管理、经营计划、主生产计划、物料需求计划、能力需求计划、车间作业计划、采购与库存管理、质量与设备管理和财务管理共11个基本模块。ERP的功能有：支持决策、不同行业的针对性IT解决方案、提供全行业和跨行业的供应链。

1）需求信息流(需方到供方)：如客户订单、生产计划、采购合同等 2）供应信息流(供方到需方)：如入库单、完工报告单、库存记录、可供销售量、提货发运单等

ERP五个层次的计划： 1）生产预测计划是对市场需求进行比较准确的预测，是经营计划、生产计划大纲和主生产计划编制的基础； 2）销售管理计划是针对企业的销售部门的相关业务进行管理，属于最高层计划的范畴，是企业最重要的决策层计划之一； 3）生产计划大纲根据经营计划的生产目标制定，是对企业经营计划的细化； 4）主生产计划说明了在一定时期内生产什么，生产多少和什么时候交货，它的编制是ERP的主要工作内容； 5）物料需求计划是对主生产计划的各个项所需的全部制造件和全部采购件的网络支持计划和时间进度计划； 6）能力需求计划是对物料需求计划所需能力进行核算的一种计划管理方法，能够帮助企业尽早发现企业生产能力的瓶颈，为实现企业的生产任务提供能力帮面的保障。

管理科学的核心就是应用科学的方法实施管理，按照市场发展的要求，对企业现有的管理流程重新整合，从作为管理核心的财务、资金管理，向技术、物资、人力资源的管理，并延伸到企业技术创新、工艺设计、产品设计、生产制造过程的管理，进而扩展到客户关系管理、供应链的管理乃至发展到电子商务，形成企业内部向外部扩散的全方位管理。企业信息化注重企业经营管理方面的信息分析和研究，信息系统所蕴含的管理思想也可帮助企业建立更为科学规范的管理运作体系，提供准确及时的管理决策信息。

7. 客户关系管理（Customer Relationship Management，CRM）

是一套先进的管理思想及技术手段，它通过将人力资源、业务流程与专业技术进行有效的整合，最终为企业涉及到客户或者消费者的各个领域提供了完美的集成，使得企业可以更低成本、更高效率地满足客户的需求，并与客户建立起基于学习性关系基础上的一对一营销模式，从而让企业可以最大程度提高客户满意度和忠诚度。CRM系统的主要模块包括销售自动化、营销自动化、客户服务与支持、商业智能。

客户关系管理(CRM)系统将市场营销的科学管理理念通过信息技术的手段集成在软件上，能够帮助企业构建良好的客户关系。在客户管理系统中，销售自动化是其中最为基本的模块，营销自动化作为销售自动化的补充，包括营销计划的编制和执行、计划结果分析等功能。客户服务与支持是CRM系统的重要功能。目前，客户服务与支持的主要手段有两种，分别是呼叫中心和互联网。CRM系统能够与ERP系统在财务、制造、库存等环节进行连接两者之间虽然关系比较独立，但由于两者之间具有一定的关系，因此会形成一定的闭环反馈结构。

客户关系管理系统的【核心是客户价值管理】，而不是客户信息管理。CRM的价值包括:提高工作效率，节省开支、提高客户满意度、提高客户的忠诚度。

所谓供应链就有供应商、制造商、分销商、零售商等等所供成的物流的网络，那么同一个企业就可能处在这个网络当中的一个节点，所以SCM他是一种集成的管理思想和方法，从单一的企业角度来看，SCM他是通过改善上下游的关系，整合和优化供应链当中的物流、信息流、资金流，来获得企业的竞争的优势，所以整个供应链的内容大概就包括了计划、采购、制造、配送和退货这五个方面的基本内容，所以整个供应链应该理解为从源头的供应商开始，到最终的消费者的集成的业务整个流程，不仅对消费者带来有价值的消费和服务，而且还能为顾客带来一些有用的信息，在整个SCM当中，他的关键问题，就是配送网络的重构问题以及配送的战略问题，另外一个就是供应链集成与战略伙伴的关系。SCM包括计划、采购、制造、配送、退货五大基本内容。 (1)计划:这是SCM的策略性部分。企业需要有一个策略来管理所有的资源，以满足客户对产品的需求。好的计划是建立一系列的方法监控供应链，使它能够有效、低成本地为顾客递送高质量和高价值的产品或服务。 (2)采购:选择能为企业提供产品和服务的供应商，与供应商建立一套定价、配送和付款流程，并监控和改善管理。 (3)制造:安排生产、测试、打包和准备送货所需的活动，是供应链中测量内容最多的部分，包括质量水平、产品产量和工人的生产效率等的测量。 (4)配送:也称为物流，是调整用户的订单收据、建立仓库网络、派递送人员提货并送货到顾客手中、建立产品计价系统、接收付款。 (5)退货:这是供应链中的问题处理部分。建立网络接收客户退回的次品和多余产品，并在客户应用产品出问题时提供支持。

4.3 典型信息系统架构模型（EI，企业信息化、电子商务）

【基础知识点】

（1）电子政务（Electronic Government，EG）。电子政务是利用信息技术和其他相关技术，实现公务、政务、商务、事务的一体化管理与运行的政府形态改造的系统工程。行为主体是：政府（Government）、企（事）业单位（Business）及居民（Citizen）。具体分类见表4.3。

表4.3 电子政务分类

（2）企业信息化（Enterprise Informatization，EI）。企业信息化是企业利用现代信息技术，实现经营活动的自动化、便捷化、网络化和智能化，以加强企业核心竞争力的过程。企业信息化是技术和业务的融合，从企业战略、业务运作和管理运作3个层面去实现。

企业信息化的方法有：业务流程重构方法、核心业务应用方法、信息系统建设方法、主题数据库方法、资源管理方法、人力资本投资方法。 1）业务流程重构方法：“彻底的、根本性的”重新设计流程。 2）核心业务应用方法：围绕核心业务推动信息化 3）信息系统建设方法：建设信息系统作为企业信息化的重点和关键 4）主题数据库方法：建立面向企业的核心业务的数据库，消除“信息孤岛” 5）资源管理方法：切入点是为企业资源管理提供强大的能力。如:ERP、SCM。 6）人力资本投资方法：人力资本理论【注意不是人力资源管理】把一部分企业的优秀员工看作是一种资本，能够取得投资收益。

企业信息化是指企业以业务流程的优化和重构为基础，在一定的深度和广度上利用计算机技术、网络技术和数据库技术，控制和集成化管理企业生产经营活动中的各种信息，实现企业内外部信息的共享和有效利用，以提卨企业的经济效益和市场竞争力，这将涉及到企业的管理理念的创新，管理流程的优化，管理团队的重组和管理手段的革新。企业信息化一定要建立在企业战略规划的基础之上，以企业战略规划为基础建立的企业管理模式是建立企业战略数据模型的依据。

企业信息化涉及对企业管理理念的创新，管理流程的优化，管理团队的重组和管理手段的革新。管理创新是按照市场发展的要求，对企业现有的管理流程重新整合，从作为管理核心的财务、物料管理，转向技术、物资、人力资源的管理，并延伸到企业技术创新、工艺设计、产品设计、生产制造过程的管理，进而还要扩展到客户关系管理、供应链管理乃至发展到电子商务。

企业信息化程度是国家信息化建设的基础和关键，企业信息化就是企业利用现代信息技术，通过信息资源的深入开发和广泛利用，实现企业生产过程的自动化、管理方式的网络化、决策支持的智能化和商务运营的电子化，不断提高生产、经营、管理、决策的效率和水平，进而提高企业经济效益和企业竞争力的过程。企业信息化方法主要包括业务流程重构、核心业务应用、信息系统建设、主题数据库、资源管理和人力资本投资方法。企业战略规划是指依据企业外部环境和自身条件的状况及其变化来制定和实施战略，并根据对实施过程与结果的评价和反馈来调整，制定新战略的过程。

决策支持系统 1）非结构化决策是指决策过程复杂，不可能用确定的模型和语言来描述其决策过程，更无所谓最优解的决策。由于目标不明确或不同的目标相互冲突，其决策过程和决策方法没有固定的规律可以遵循，没有固定的决策规则和通用模型可依，决策者的主观行为(学识、经验、直觉、判断力、洞察力、个人偏好和决策风格等)对各阶段的决策效果有相当影响。它是决策者根据掌握的情况和数据并依据经验临时做出的决定。 2）半结构化决策是指可以建立适当的算法产生决策方案，使决策方案得到较优的解。其决策过程和方法有一定规律可以遵循，但又不能完全确定，即有所了解但不全面，有所分析但不确切，有所估计但不确定。这样的决策一般可适当建立模型，但难以确定最优方案。在组织的决策中，管理决策问题基本上属于半结构化决策和结构化决策问题。

DSS基本组成部分 1）数据库子系统存储、管理、提供与维护用于决策支持的数据，是支持模型库子系统和方法库子系统的基础; 2）模型库子系统是构建和管理模型的子系统，它是DSS中最复杂和最难实现的部分。DSS用户是依靠模型库中的模型进行决策的，因此，DSS是由模型驱动的; 3）推理部分由知识库(方法库)、知识库管理系统和推理机组成，知识库内存储的方法程序一般有排序算法、分类算法、最小生成树算法、最短路径算法、计划评审技术、线性规划、整数规划、动态规划、各种统计算法和组合算法等; 4）用户接口子系统是DSS的人机交互界面，用以接收和检验用户请求，调用系统内部功能为决策服务，使模型运行、数据调用和知识推理达到有机的统一，有效地解决决策问题。

企业数字化转型分为5个发展阶段:初始级发展阶段、单元级发展阶段、流程级发展阶段、网络级发展阶段和生态级发展阶段。 1）初始级发展阶段:处于该发展阶段的组织，在单一职能范围内初步开展了信息(数字)技术应用，但尚未有效发挥信息(数字)技术对主营业务的支持作用。 2）单元级发展阶段:处于该阶段的组织，在主要或若干主营业务单一职能范围内开展了(新一代)信息技术应用提升相关单项业务的运行规范性和效率。 3）流程级发展阶段:处于该阶段的组织，在业务线范围内，通过流程级数字化和传感网级网络化，以流程为驱动实现主营业务关键业务流程及关键业务与设备设施、软硬件、行为活动等要素间的集成优化。 4）网络级发展阶段:处于该阶段的组织，在全组织(企业)范围内，通过组织(企业)级数字化和产业互联网级网络化，推动组织(企业)内全要素、全过程互联互通和动态优化，实现以数据为驱动的业务式创新。 5）生态级发展阶段:处于该阶段的组织，在生态组织范围内，通过生态级数字化和泛在物联网级网络化，推动与生态合作伙伴间资源、业务、能力等要素的开放共享和协同合作，共同培育智能驱动型的数字新业务。

供应链信息流 是指整个供应链上信息的流动。它是一种虚拟形态，包括了供应链上的供需信息和管理信息，它伴随着物流的运作而不断产生。因此有效的供应链管理作为信息流管理的主要作用在于及时在供应链中传递需求和供给信息，提供准确的管理信息，从而使供应链成员都能得到实时信息，以形成统一的计划与执行，从而为最终顾客更好地服务。供应链信息流的特点: 1）覆盖范围广 供应链中的信息流瘦盖了从供应商、制造商到分销商，再到零售商等供应链中的所有环节。其信息流分为需求信息流和供应信息流，这是两个不同流向的信息流。当需求信息(如客户订单、生产计划、采购合同等) 从需方向供方流动时，便引发物流。同时供应信息(如入库单、完工报告单、库存记录、可供销售量、提货发运单等) 又同物料一起沿着供应链从供方向需方流动。单个企业下的信息流则主要限定在企业内部的进销存记录。 2）获取途径多 由于供应链中的企业是一种协作关系和利益共同体，因而供应链中的信息获取渠道众多，对于需求信息来说既有来自顾客也有来自分销商和零售商的:供应信息则来自于各供应商，这些信息通过供应链信息系统而在所有的企业里流动与分享。对于单个企业情况来说，由于没有与上下游企业形成利益共同体，上下游企业也就没有为它提供信息的责任和动力，因此单个企业的信息获取完全倚赖于自己的收集。 3）信息质量高 由于存在专业分工，供应链中的信息质量要强于单个企业下的信息质量，例如分销商和零售商可以专门负青收集需求信息，供应商则收集供应信息，生产厂商收集产品信息等。

企业信息集成 是一个十分复杂的问题，按照组织范围来分，分为企业内部的信息集成和外部的信息集成两个方面。 1）企业内部的信息集成 按集成内容，企业内部的信息集成一般可分为以下四个方面: ①技术平台的集成系统底层的体系结构、软件、硬件以及异构网络的特殊需求首先必须得到集成。这个集成包括信息技术硬件所组成的新型操作平台，如各类大型机、小型机、工作站、微机、通信网络等信息技术设备，还包括置入信息技术或者说经过信息技术改造的机床、车床、自动化工具、流水线设备等新型设施和设备。 ②数据的集成为了完成应用集成和业务流程集成，需要解决数据和数据库的集成问题。数据集成的目的是实现不同系统的数据交流与共享，是进行其他更进一步集成的基础。数据集成的特点是简单、低成本，易于实施，但需要对系统内部业务的深入了解。数据集成是对数据进行标识并编成目录，确定元数据模型。只有在建立统一的模型后，数据才能在数据库系统中分布和共享。数据集成采用的主要数据处理技术有数据复制、数据聚合和接口集成等。 ③应用系统的集成应用系统集成是实现不同系统之间的互操作，使得不同应用系统之间能够实现数据和方法的共享。它为进一步的过程集成打下了基础。 ④业务过程的集成对业务过程进行集成的时候，企业必须在各种业务系统中定义、授权和管理各种业务信息的交换，以便改进操作、减少成本、提高响应速度。业务流程的集成使得在不同应用系统中的流程能够无缝连接，实现流程的协调运作和流程信息的充分共享。

2）企业外部的信息集成 企业外部的信息集成主要包括以下两个部分: ①通过门户网站和互联网实现公众、社会团体、社会和客户的互动，实现企业内外部信息资源的有效交流和集成; ②通过与合作伙伴信息系统的对接，建立动态的企业联盟，发展基于竞争合作机制的虚拟企业，重塑企业的战略模式和竞争优势。Internet的发展增加了企业之间的合作与交流，虚拟企业、扩展的供应链管理和协同商务等都是企业之间集成的典型。通过合作，几个企业和公司组成一个相对稳定的合作网络，这种合作网络可以提供单个公司所不能提供的产品和服务，获得单个公司无法完成的定单。为了增加合作的效率，必须实现网络中有合作关系的公司之间活动和过程的集成。另外，企业间的集成并不是使企业内所有的系统都实现集成，而只是集成一些与企业之间的业务过程有关的系统，因此，企业间的集成是一种有选择的集成。企业间集成的一个关键问题是使企业间不同系统实现数据格式的匹配。

IETF集成服务(IntServ)工作组根据服务质量的不同，把Intermet服务分成了三种类型。 1）保证质量的服务(Guaranteed Services):对带宽、时延、抖动和丢包率提供定量的保证。 2）负载受控的服务(Controlled-load Services):提供一种类似于网络欠载情况下的服务，这是一种定性的指标。 3）尽力而为的服务(Best-Effort):这是Intemet提供的一般服务，基本上无任何质量保证。

为了加强对企业信息资源的管理，企业应按照信息化和现代化企业管理要求设置信息管理机构，建立信息中心，确定信息主管，统一管理和协调企业信息资源的开发、收集和使用。信息中心是企业的独立机构，直接由最高层领导并为企业最高管理者提供服务。其主要职能是处理信息，确定信息处理的方法，用先进的信息技术提高业务管理水平，建立业务部门期望的信息系统和网络并预测未来的信息系统和网络，培养信息资源的管理人员等。

集成管理是企业信息资源管理的主要内容之一。实行企业信息资源集成的前提是对企业历史上形成的企业信息功能的集成，其核心是对企业内部和外部信息流的集成，其实施的基础是各种信息手段的集成。通过集成管理实现企业信息系统各要素的优化组合，使信息系统各要素之间形成强大的协同作用，从而最大限度地放大企业信息的功能，实现企业可持续发展的目的。

集成平台 是支持企业集成的支撑环境，包括硬件、软件、软件工具和系统，通过集成各种企业应用软件形成企业集成系统。由于硬件环境和应用软件的多样性，企业信息系统的功能和环境都非常复杂，因此，为了能够较好地满足企业的应用需求，作为企业集成系统支持环境的集成平台，其基本功能主要有: (1)通信服务它提供分布环境下透明的同步/异步通信服务功能，使用户和应用程序无需关心具体的操作系统和应用程序所处的网络物理位置，而以透明的函数调用或对象服务方式完成它们所需的通信服务要求。 (2)信息集成服务它为应用提供透明的信息访问服务，通过实现异种数据库系统之间数据的交换、互操作、分布数据管理和共享信息模型定义(或共享信息数据库的建立)，使集成平台上运行的应用、服务或用户端能够以一致的语义和接口实现对数据(数据库、数据文件、应用交互信息)的访问与控制。 (3)应用集成服务它通过高层应用编程接口来实现对相应应用程序的访问，这些高层应用编程接口包含在不同的适配器或代理中，它们被用来连接不同的应用程序。这些接口以函数或对象服务的方式向平台的组件模型提供信息，使用户在无需对原有系统进行修改(不会影响原有系统的功能)的情况下，只要在原有系统的基础上加上相应的访问接口就可以将现有的、用不同的技术实现的系统互联起来，通过为应用提供数据交换和访问操作使各种不同的系统能够相互协作。 (4)二次开发工具二次开发工具是集成平台提供的一组帮助用户开发特定应用程序(如实现数据转换的适配器或应用封装服务等)的支持工具，其目的是简化用户在企业集成平台实施过程中(特定应用程序接口)的开发工作。 (5)平台运行管理工具它是企业集成平台的运行管理和控制模块，负青企业集成平台系统的静态和动态配置、集成平台应用运行管理和维护、事件管理和出错管理等。通过命名服务、目录服务、平台的动态静态配置，以及其中的关键数据的定期备份等功能来维护整个服务平台的系统配置及稳定运行。

数据集成方式

企业应用集成(Enterprise Application Integration，EAI)。 EAI构建统一标准的基础平台，将进程、软件、标准和硬件联合起来，连接具有不同功能和目的而又独自运行的企业内部的应用系统，以达到信息和流程的共享，使企业相关应用整合在一起。EAI就是在各个应用系统的接口之间共享数据和功能。EAI的基本原则就是集成多个系统并保证系统互不干扰，也就是独立性。EAI的终极目标就是将多个企业和企业内部的多个应用集成到一个虚拟的、统一的应用系统中。因此实施EAI必须遵循如下原则:应用程序的独立性;面向商业流程;独立于技术;平台无关。EAI提供4个层次的服务，从下至上依次为通信服务、信息传递与转化服务、应用连接服务、流程控制服务。

企业进行系统集成时，“业务系统的运行平台和开发语言差异较大，而且系统所使用的通信协议和数据格式各不相同”。在这种情况下，需要采用总线技术对传输协议和数据格式进行转换与适配。当需要集成并灵活定义系统功能之间的协作关系时，应该采用基于工作流的功能关系定义方式。

系统集成方式分为面向信息、面向过程、面向服务三类，是宏观分类。

集成实现手段

企业门户

企业集成技术的架构层次:网络集成(语法互联)、数据集成(语义互通)、应用集成(语用互操作)、会聚集成(集成化运行)。 其中数据集成主要有以下三种模式:数据联邦、数据复制和基于接口的数据集成。 (1)数据联邦 数据联邦是指不同的应用共同访问一个全局虚拟数据库，通过全局虚拟数据库管理系统为不同的应用提供全局信息服务，实现不同的应用和数据源之间的信息共享和数据交换，其具体实现由客户端应用、全局信息服务和若干个后部数据源三部分组成。 (2)数据复制模式 在数据复制模式中，通过底层应用数据源之间的一致性复制来实现(访问不同数据库的)不同应用之间的信息共享和互操作，其实现的关键是必须能够提供在两个或多个数据库系统之间实现数据转换和传输的基础结构(以屏蔽不同数据库间数据模型的差异)。 (3)基于接口的数据集成模式 在基于接口的数据集成模式中，不同的应用系统之间利用适配器(或接口代理)提供的应用编程接口来实现相互调用。应用适配器或接口代理通过其开放或私有接口将业务信息从其所封装的具体应用系统中提取出来，进而实现不同的应用系统之间业务数据的共享与互交换，接口调用的方式可以采用同步调用方法，也可以采用基于消息中间件的异步方法来实现， 答案选择D选项。

（3）电子商务（Electronic Commerce，EC）。电子商务指利用Web提供的通信手段在网上买卖产品或提供服务，及其衍生行为。主要模式有：B2B、B2C、C2C、O2O（线上购买线下的服务）。

电子商务分五个方面，即电子商情广告、电子选购与交易、电子交易凭证的交换、电子支付与结算，以及网上售后服务等。 参与电子商务的实体有4类：客户（个人消费者或集团购买）、商户（包括销售商、制造商和储运商）、银行（包括发行和收单行）及认证中心。

电子数据交换（EDI）是电子商务活动中采用的一种重要的技术手段。 1）EDI的实施需要一个公认的标准和协议，将商务活动中涉及的文件标准化和格式化; 2）EDI通过计算机网络，在贸易伙伴之间进行数据交换和自动处理; 3）EDI主要应用于企业与企业、企业与批发商之间的批发业务; 4）EDI的实施在技术上比较成熟，但是实施EDI需要统一数据格式，成本与代价较大。

1）生产计划大纲(Production Planning，PP) 是根据经营计划的生产目标制定的，是对企业经营计划的细化，用以描述企业在可用资源的条件下，在一定时期中的产量计划。生产计划大纲在企业决策层的三个计划中有承上启下的作用，一方面它是企业经营计划和战略规划的细化，另一方面它又用于指导企业编制主生产计划，指导企业有计划地进行生产。 2）主生产计划(Master Production Schedule，MPS) 是对企业生产计划大纲的细化，说明在一定时期内的如下计划:生产什么，生产多少和什么时候交货。主生产计划的编制以生产大纲为准，其汇总结果应当等同于生产计划大纲，同时，主生产计划又是其下一层计划–物料需求计划的编制依据。主生产计划的编制是ERP的主要工作内容。主生产计划的质量将大大影响企业的生产组织工作和资源的利用， 3）物料需求计划 (Matena Reouirement Plannina，MRP) 是对主生产计划的各个项目所害的全部制造件和全部采购件的网络支持计划和时间进度计划，它根据主生产计划对最终产品的需求数量和交货期，推导出构成产品的零部件及材料的需求数量和需求时期，再导出自制零部件的制作订单下达日期和采购件的采购订单发送日期，并进行需求资源和可用能力之间的进一步平衡。物料需求计划是生产管理的核心，它将主生产计划安排生产的产品分解成各自制零部件的生产计划和采购件的采购计划。物料需求计划属于ERP管理层计划。 4）能力需求计划(Capacity Requirements Planning，CRP) 是对物料需求计划所需能力进行核算的一种计划管理方法。旨在通过分析比较MRP的需求和企业现有生产能力，及早发现能力的瓶颈所在，为实现企业的生产任务而提供能力方面的保障。 5）车间作业计划(Production Activity Control，PAC) 是在MRP所产生的加工制造订单(即自制零部件生产计划)的基础上，按照交货期的前后和生产优先级选择原则以及车间的生产资源情况(如设备、人员、物料的可用性、加工能力的大小等)，将零部件的生产计划以订单的形式下达给适当的车间。车间作业计划属于ERP执行层计划。当前主流的车间作业计划模式是JIT(JustIn Time)模式,

4.4 练习题

1. ERP中的企业资源包括（）

A.物流、资金流和信息流 B.物流、工作流和信息流 C.物流、资金流和工作流 D.资金流、工作流和信息流

解析：企业的所有资源包括三大流：物流、资金流和信息流。ERP是对这3种资源进行全面集成管理的管理信息系统。

答案：A

2. ERP（Enterprise Resource Planning）是建立在信息技术的基础上，利用现代企业的先进管理思想，对企业的物流、资金流和（1）流进行全面集成管理的管理信息系统，为企业提供决策、计划、控制与经营业绩评估的全方位和系统化的管理平台。在ERP系统中，（2）管理模块主要是对企业物料的进、出、存进行管理。

（1）A. 产品 B. 人力资源 C. 信息 D. 加工
（2）A. 库存 B. 物料 C. 采购 D. 销售

解析：ERP 是建立在信息技术的基础上，利用现代企业的先进管理思想，对企业的物流、资金流和信息流进行全面集成管理的管理信息系统，为企业提供决策、计划、控制与经营业绩评估的全方位和系统化的管理平台。

ERP 系统主要包括：生产预测、销售管理、经营计划、主生产计划、物料需求计划、能力需求计划、车间作业计划、采购与库存管理、质量与设备管理、财务管理、有关扩展应用模块等内容。显然对企业物料的进、出、存进行管理的模块是库存管理模块。

答案：CA

3. 电子政务是对现有的政府形态的一种改造，利用信息技术和其他相关技术，将其管理和服务职能进行集成，在网络上实现政府组织结构和工作流程优化重组。与电子政务相关的行为主体有三个，即政府、（1）及居民。国家和地方人口信息的采集、处理和利用，属于（2）的电子政务活动。

（1）A. 部门 B. 企（事）业单位 C. 管理机构 D. 行政机关

（2）A. 政府对政府 B. 政府对居民 C. 居民对居民 D. 居民对政府

解析：电子政务是对现有的政府形态的一种改造，利用信息技术和其他相关技术，将其管理和服务职能进行集成，在网络上实现政府组织结构和工作流程优化重组。与电子政务相关的行为主体有三个，即政府、企（事）业单位及居民。国家和地方人口信息的采集、处理和利用，属于政府对政府的电子政务活动。

答案：BA

第5小时 信息安全技术基础知识

5.0 章节考点分析

第5小时主要学习信息安全基础知识、信息安全系统的组成框架、信息加解密技术、密钥管理技术、访问控制及数字签名技术、信息安全的抗攻击技术、信息安全的保障体系与评估方法等内容。

根据考试大纲，本小时知识点会涉及单项选择题，约占5分。本小时内容侧重于概念知识，根据以往全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试的出题规律，考查的知识点多来源于教材，扩展内容较少。本小时知识架构如图5.1所示。

图5.1 本小时知识架构

【导读小贴士】

信息安全事关国家安全和社会稳定，在新版教材中，信息安全的内容大幅增加了，知识点也得到了更新，与信息安全工程师的某些内容同步。所以掌握本小时知识点非常重要，不仅可以在考试中拿到分数，也会给日常生活带来帮助。

5.1 信息安全基础知识

【基础知识点】

（1）信息安全（Information Security）。信息安全是指为数据处理系统而采取的技术的和管理的安全保护，保护计算机硬件、软件、数据不因偶然的或恶意的原因而遭到破坏、更改和泄露。 信息安全的基本要素有机密性、完整性、可用性、可控性与可审查性。 信息安全的范围包括设备安全、数据安全、内容安全和行为安全。其中数据安全即采取措施确保数据免受未授权的泄露、篡改和毁坏，包括秘密性、完整性和可用性3个方面。 信息存储安全的范围：信息使用的安全、系统安全监控、计算机病毒防治、数据的加密和防止非法的攻击等。

1）设备安全 信息系统设备的安全是信息系统安全的首要问题，是信息系统安全的物质基础，它包括3个方面 ①设备的稳定性:指设备在一定时间内不出故障的概率。 ②设备的可靠性:指设备在一定时间内正常执行任务的概率。 ③设备的可用性:指设备可以正常使用的概率, 2）数据安全 数据信息可能泄露，可能被篡改，数据安全即采取措施确保数据免受未授权的泄露、篡改和毁坏，包括以下3个方面: ①数据的秘密性:指数据不受未授权者知晓的属性。 ②数据的完整性:指数据是正确的、真实的、未被篡改的、完整无缺的属性。 ③数据的可用性:指数据可以随时正常使用的属性。 3）内容安全 内容安全是信息安全在政治、法律、道德层次上的要求，包括以下3个方面 ①信息内容在政治上是健康的。 ②信息内容符合国家的法律法规, ③信息内容符合中华民族优良的道德规范 4）行为安全 信息系统的服务功能是指最终通过行为提供给用户，确保信息系统的行为安全，才能最终确保系统的信息安全。行为安全的特性如下: ①行为的秘密性:指行为的过程和结果不能危害数据的秘密性, ②行为的完整性:指行为的过程和结果不能危害数据的完整性，行为的过程和结果是预期的。 ③行为的可控性:指当行为的过程偏离预期时，能够发现、控制和纠正。

安全性(security)是指系统在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。安全性又可划分为 1）机密性(信息不泄露给未授权的用户、实体或过程)、 2）完整性(保证信息的完整和准确，防止信息被篡改)、 3）不可否认性(不可抵赖，即由于某种机制的存在，发送者不能否认自己发送信息的行为和信息的内容。)及 4）可控性(对信息的传播及内容具有控制的能力，防止为非法者所用)等特性。

（2）网络安全。网络安全漏洞和隐患表现在物理安全性、软件安全漏洞、不兼容使用安全漏洞等方面。网络安全威胁表现在非授权访问、信息泄露或丢失、破坏数据完整性、拒绝服务攻击、利用网络传播病毒等方面。安全措施的目标包括访问控制、认证、完整性、审计和保密等5个方面。

网络攻击

在被动攻击(passive atack)中，攻击者的目的只是获取信息，这就意味着攻击者不会篡改信息或危害系统。系统可以不中断其正常运行。常见的被动攻击包括:窃听和流量分析。 主动攻击(active attack)可能改变信息或危害系统。威胁信息完整性和有效性的攻击就是主动攻击。主动攻击通常易于探测但却难于防范，因为攻击者可以通过多种方法发起攻击。常见的主动攻击包括:篡改、伪装、重放、拒绝服务攻击。 物理攻击是指攻击者可以直接接触到信息与网络系统的硬件、软件和周边环境设备。通过对硬件设备、网络线路电源、空调等的破坏，使系统无法正常工作，甚至导致程序和数据无法恢复。 分发攻击是指在软件与硬件开发出来之后到安装之前的这段时间，或当它从一个地方传输到另一个地方时，攻击者恶意修改软/硬件，这种攻击可能给一个产品引入后门程序等恶意代码，以便日后在未获授权的情况下访问信息或系统。

数据被非授权地进行修改是破坏了数据的完整性，而拒绝服务攻击会破坏服务的可用性，使正常合法用户无法访问，利用统计分析方法对诸如通信频度、通信的信息流向、通信总量的变化等参数进行研究，从而发现有价值的信息和规律是业务流分析。 1）非法使用(非授权访问):某一资源被某个非授权的人，或以非授权的方式使用。 2）破坏信息的完整性:数据被非授权地进行增删、修改或破坏而受到损失。 3）授权侵犯(内部攻击):被授权以某一目的使用某一系统或资源的某个人，却将此权限用于其他非授权的目的,。 4）计算机病毒:一种在计算机系统运行过程中能够实现传染和侵害功能的程序。 5）拒绝服务:对信息或其他资源的合法访问被无条件地阻止。 6）陷阱门:在某个系统或某个部件中设置的“机关”，使得在特定的数据输入时，允许违反安全策略。 7）旁路控制:攻击者利用系统的安全缺陷或安全性上的脆弱之处获得非授权的权利或特权。 8）业务欺骗:某一系统或系统部件欺骗合法的用户或系统自愿地放弃敏感信息等。 9）特洛伊木马:软件中含有一个觉察不出的有害的程序段，当它被执行时，会破坏用户的安全，这种应用程序称为特 洛伊木马。物理侵入:侵入者绕过物理控制而获得对系统的访问业务流分析:通过对系统进行长期监听，利用统计分析方法对诸如通信频度、通信的信息流向、通信总量的变化等参数进行研究，从中发现有价值的信息和规律。

HTTP协议传输的数据都是未加密的，也就是明文的，因此使用HTTP协议传输隐私信息非常不安全，为了保证这些隐私数据能加密传输，SSL协议用于对HTTP协议传输的数据进行加密，从而就诞生了HTTPS。简单来说，HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，要比http协议安全HTTPS和HTTP的区别主要如下: 1）https协议需要到ca申请证书，一般免费证书较少，因而需要一定费用。 2）http是超文本传输协议，信息是明文传输，https则是具有安全性的ssl加密传输协议。 3）http和https使用的是完全不同的连接方式，用的端口也不一样，前者是80，后者是443。 4）http的连接很简单，是无状态的:HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协 议，比http协议安全

MIME (Multipurpose Interet Mail Extensions)中文名为:多用途互联网邮件扩展类型 。Intemnet电子邮件由一个邮件头部和一个可选的邮件主体组成，其中邮件头部含有邮件的发送方和接收方的有关信息。MIME是针对邮件主体的一种扩展描述机制。它设定某种扩展名的文件用一种应用程序来打开的方式类型，当该扩展名文件被访问的时候，浏览器会自动使用指定应用程序来打开。多用于指定一些客户端自定义的文件名，以及一些媒体文件打开方式。所以这是与邮件内容直接相关的一个协议。 而S/MIME (Secure Multipurpose Interet Mai Extensions)是对MIME在安全方面的扩展。它可以把MIME实体(比如数字签名和加密信息等)封装成安全对象。增强安全服务，例如具有接收方确认签收的功能，这样就可以确保接收者不能否认已经收到过的邮件。还可以用于提供数据保密、完整性保护、认证和鉴定服务等功能。 S/MIME只保护邮件的主体，对头部信息则不进行加密，以便让邮件成功地在发送者和接收者的网关之间传递。

IDS:即入侵检测系统，这个系统会根据操作行为的特征或是异常行径来判断是不是一次入侵行为。像杀毒软件就用到了入侵检测系统的原理，通过特征识别病毒。 防火墙:作用是内外网之间的隔离。外网的请求要到内网，必须通过防火墙，所以防火墙能使用一些判断规则来把些恶意行为拒之门外。但如果攻击本身来自内网，防火墙就无能为力了。 网闸:一个物理隔离装置，与IDS和防火墙不同，网闸连接的两个网络是不相通的。网闸与内网相联时，会断开与外网的连接，与外网相联时，会断开与内网的连接。 UTM安全设备的定义是指一体化安全设备，它具备的基本功能包括网络防火墙、网络入侵检测/防御和网关防病毒功能，但这几项功能并不一定要同时得到使用，不过它们应该是UTM设备自身固有的功能。

5.2 信息安全系统的组成框架

【基础知识点】

信息安全系统框架通常由技术体系、组织机构体系和管理体系共同构建。

（1）技术体系。从技术体系看，信息安全系统涉及基础安全设备、计算机网络安全、操作系统安全、数据库安全、终端设备安全等多方面技术。 （2）组织机构体系。信息系统安全的组织机构分为决策层、管理层和执行层3个层次。 （3）管理体系。信息系统安全的管理体系由法律管理、制度管理和培训管理3个部分组成。

一个完整的信息安全系统至少包含三类措施:技术方面的安全措施，管理方面的安全措施和相应的政策法律。 信息安全技术涉及信息传输的安全、信息存储的安全以及对网络传输信息内容的审计三方面，当然也包括对用户的鉴别和授权。 1）信息安全的技术措施主要有:信息加密、数字签名、身份鉴别、访问控制、网络控制技术、反病毒技术、数据备份和灾难恢复。 2）实现安全管理，应有专门的安全管理机构;有专门的安全管理人员;有逐步完善的管理制度;有逐步提供的安全技术设施。信息安全管理主要涉及以下几个方面:人事管理;设备管理，场地管理存储媒体管理:软件管理:网络管理:密码和密钥管理。 3）国内的相关法规:中华人民共和国计算机安全保护条例、中华人民共和国商用密码条例 中华人民共和国计算机信息网络国际联网管理暂行办法、关于对与国际联网的计算机信息系统进行备案工作的通知、计算机信息网络国际联网安全保护管理办法等。 综上，答案选择B、C选项。

5.3 信息加解密技术

【基础知识点】

1. 数据加密

数据加密是防止未经授权的用户访问敏感信息的手段，保障系统的机密性要素。数据加密有对称加密算法、非对称加密算法两种。

常用的对称加密算法:DES、3DES、AES、DESX、Blowfish、、RC4、RC5、RC6。 常用的非对称加密算法:RSA、DSA、ECC、Diffie-Hellman、El Gamal。

2. 对称密钥加密算法 （效率高）

对称密钥算法的加密密钥和解密密钥相同，又称为共享密钥算法。对称加密算法主要有：

（1）数据加密标准（Data Encryption Standard，DES），明文切分为64位的块（即分组），由56位的密钥控制变换成64位的密文。 （2）三重DES（Triple-DES）是DES的改进算法，使用两把56位的密钥对明文做三次DES加解密，密钥长度为112位。 （3）国际数据加密算法（International Data Encryption Algorithm，IDEA），分组长度64位，密钥长度128位，已经成为全球通用的加密标准。 （4）高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），分组长度128位，支持128位、192位和256位3种密钥长度，用于替换脆弱的DES算法，且可以通过软件或硬件实现高速加解密。 （5）SM4国密算法，分组长度和密钥长度都是128位。 （6）RC-5

3. 非对称密钥加密算法

非对称密钥加密算法的加密密钥和解密密钥不相同，又称为不共享密钥算法或公钥加密算法。在非对称加密算法中用公钥加密，私钥解密，可实现保密通信；用私钥加密，公钥解密，可实现数字签名。非对称加密算法可以分为：

（1）RSA（Rivest，Shamir and Adleman）是一种国际通用的公钥加密算法，安全性基于大素数分解的困难性，密钥的长度可以选择，但目前安全的密钥长度已经高达2048位。RSA的计算速度比同样安全级别的对称加密算法慢1000倍左右。 （2）SM2国密算法，基于椭圆曲线离散对数问题，在相同安全程度的要求下，密钥长度和计算规模都比RSA小得多。 对称SM1、非对称SM2、摘要SM3、无线SM4、标识SM9

商用密码签名 （3）ECC

开放式认证方式:完全不认证也不加密。 WEP:最基本的加密技术，全称为有线等效保密，是一种教据加密算法，它的安全技术源自于名为RC4的RSA数据加密技术，是无线局域网WLAN的必要的安全防护层。运用了该技术的无线网络，所有客户端与无线接入点的数据都会以一个共亨的密钥进行加密，常见的密钥长度有64 bits和128 bits两种。 WPA:WiFi Protected Access，全称为WiFi网络安全存取。WPA协议是在前一代有线等效加密(WEP)的基础上产生的，解决了前任WEP的缺陷问颖，它使用TKIP(临时密钥完整性)协议，是IEEE802.11i标准中的过渡方案。在安全的防护上比WEP更为周密，主要体现在身份认证、加密机制和数据包检查等方面，而且它还提升了无线网络的管理能力。WPA2:是WPA加密的升级版。它是WiFi联盟验证过的IEEE 802.11i标准的认证形式，WPA2实现了802.11i的强制性元素，特别是Michael算法被公认彻底安全的CCMP(计数器模式密码块链消息完整码协议)讯息认证码所取代、而RC4加密算法也被AES(高级加密)所取代。 WPA-PSKNPA2-PSK:是WPA与WPA2两种加密算法的混合体，是目前安全性最好的WiFi加密模式。WPA-PSK也叫作WPA-Personal(WPA个人)。WPA-PSK使用TKIP加密方法把无线设备和接入点联系起来。WPA2-PSK使用AES加密方法把无线设备和接入点联系起来。使用AES加密算法不仅安全性能更高，而且由于其采用的是最新技术，因此，在无线网络传输速率上面也要比TKIP更快。

5.4 密钥管理技术

【基础知识点】

（1）密钥的使用控制。控制密钥的安全性主要有密钥标签和控制矢量两种技术。密钥的分配发送有物理方式、加密方式和第三方加密方式。该第三方即密钥分配中心（Key Distribution Center，KDC）。 （2）公钥加密体制的密钥管理。有直接公开发布（如PGP）、公用目录表、公钥管理机构和公钥证书4种方式。公钥证书可以由个人下载后保存和传递，证书管理机构为CA（Certificate Authority）。

消息摘要是对原文信息提取特征值，做这个操作，当原始信息被篡改时，我们能及时感知到，所以能防止篡改。而对消息摘要“加密”，虽然做的是加密操作，但并无加密的作用。因为私钥加密时，公钥解密。公钥谁都能获取到，所以谁都能解，故无法防止窃听，但可以防止抵赖。所以对摘要进行加密的目的是防止抵赖。

目前最常用的第三方认证服务包括:PKI/CA和Kerberos。PKI/CA是基于非对称密钥体系的，Kerberos是基于对称密钥体系的。 1）PKl( Public Key nfrastructure )指的是公钥基础设施。CA(Certificate Authority )指的是认证中心。 PKI 从技术上解决了网络通信安全的种种障碍。 CA从运营、管理、规范、法律、人员等多个角度来解决网络信任问题。由此，人们统称为“PKI/CA”。从总体构架来看，PKICA 主要由最终用户、认证中心和注册机构来组成。 在PKI系统体系中，证书机构CA负责生成和签署数字证书，注册机构RA负责验证申请数字证书用户的身份。 2）Kerberos 是一种网络认证协议，其设计目标是通过密钥系统为客户机/服务器应用程序提供强大的认证服务。该认证过程的实现不依赖于主机操作系统的认证，无需基于主机地址的信任，不要求网络上所有主机的物理安全，并假定网络上传送的数据包,可以被任意地读取、修改和插入数据。在以上情况下，Kerberos 作为一种可信任的第三方认证服务，是通过传统的密码技术(如:共享密钥)执行认证服务的。认证过程具体如下: 客户机向认证服务器(AS)发送请求，要求得到某服务器的证书，然后 AS 的响应包含这些用客户端密钥加密的证书。证书的构成为: 1)服务器“ticket”: 2) 一个临时加密密钥(又称为会话密钥“session key”)。客户机将 ticket(包括用服务器密钥加密的客户机身份和一份会话密钥的拷贝)传送到服务器上。会话密钥可以(现已经由客户机和服务器共享)用来认证客户机或认证服务器，也可用来为通信双方以后的通讯提供加密服务，或通过交换独立子会话密钥为通信双方提供进一步的通信加密服务。KDC(密码学中的密钥分发中心)是密钥体系的一部分，旨在减少密钥体制所固有的交换密钥时所面临的风险,KDC在kerberos中通常提供两种服务:AuthenticationService(AS)认证服务和Ticket-Granting Service(TGS):授予票据服务。

5.5 访问控制及数字签名技术

【基础知识点】

1. 基本模型

访问控制技术包括3个要素，即主体、客体和控制策略。访问控制包括认证、控制策略实现和审计3方面的内容。审计的目的是防止滥用权力。

访问控制的实现技术

（1）访问控制矩阵（Access Control Matrix，ACM），以主体为行索引，以客体为列索引的矩阵，该技术是后面三个技术的基础，当主客体元素很多的时候实现困难。 （2）访问控制表（Access Control Lists，ACL），按列（即客体）保存访问矩阵，是目前最流行、使用最多的访问控制实现技术。 （3）能力表（Capabilities），按行（即主体）保存访问矩阵。 （4）授权关系表（Authorization Relations），抽取访问矩阵中的非空元素保存，当矩阵是稀疏矩阵的时候很有效，常用于安全数据库系统。

访问控制类型

2. 数字签名

数字签名是公钥加密技术与数字摘要技术的应用。数字签名的条件是：可信、不可伪造、不可重用、不可改变和不可抵赖。基于对称密钥的签名只能在两方间实现，而且需要双方共同信赖的仲裁人。利用公钥加密算法的数字签名则可以在任意多方间实现，不需要仲裁且可重复多次验证。实际应用时先对文件做摘要，再对摘要签名，这样可以大大提升数字签名的速度。同时摘要的泄露不影响文件保密。

每个数字证书上都会有其颁发机构的签名，我们可以通过验证CA对数字证书的签名来核实数字证书的有效性。如果证书有效，说明此网站经过CA中心的认证，是可信的网站，所以这个动作是用来验证网站真伪的，而不能验证客户方的真伪。

数字签名技术是一种用于保证数字信息完整性和来源真实性的技术。它基于公钥密码学原理，使用发送者的私钥进行签名，而接收者则用相应的公钥进行验证。 在数字签名的过程中，首先需要使用哈希函数生成信息的摘要，这一步是为了确保信息的完整性。接着，发送者使用自己的私钥对信息摘要进行加密，生成数字签名。这一步的目的是为了证明信息的来源和完整性，因为私钥是唯一的，只有发送者拥有。接收者在收到信息和数字签名后，使用发送者的公钥对数字签名进行解密，以恢复出原始的信息摘要。然后，接收者再次使用哈希函数对接收到的信息生成摘要，并与解密得到的摘要进行比较。如果两者 一致，则说明信息在传输过程中未被篡改，且确实来自该发送者。

X.509数字证书内容 1）证书的版本信息; 2）证书的序列号，每个证书都有一个唯一的证书序列号; 3）证书所使用的签名算法; 4）证书的发行机构名称，命名规则一般采用X.509格式; 5）证书的有效期，现在通用的证书一般采用UTC时间格式，它的计时范围为1950-2049:证书6）所有人的名称，命名规则一般采用X.509格式; 7）证书所有人的公开密钥; 8）证书发行者对证书的签名。

5.6 信息安全的抗攻击技术（网络攻击）

【基础知识点】

1. 密钥的选择

密钥在概念上被分成数据加密密钥（DK）和密钥加密密钥（KK）两大类。后者用于保护密钥。加密的算法通常是公开的，加密的安全性在于密钥。为对抗攻击，密钥生成需要考虑增大密钥空间、选择强钥和密钥的随机性3个方面的因素。

2. 拒绝服务（Denial of Service，DoS）攻击

DoS是使系统不可访问并因此拒绝合法的用户服务要求的行为，侵犯系统的可用性要素。传统拒绝服务攻击的分类有消耗资源、破坏或更改配置信息、物理破坏或改变网络部件、利用服务程序中的处理错误使服务失效等4种模式。

目前常见的DoS攻击模式为分布式拒绝服务攻击（Distributed Denial of Service，DDoS）。现有的DDoS工具一般采用Client（客户端）、Handler（主控端）、Agent（代理端）三级结构。

DDoS 的防御包括特征识别、防火墙、通信数据量的统计、修正问题和漏洞4种方法。

3. 欺骗攻击与防御

欺骗攻击与防御具体分为：

（1）ARP欺骗：ARP协议解析IP地址为MAC网卡物理地址，欺骗该机制即可阻断正常的网络访问。常用防范办法为固化ARP表、使用ARP服务器、双向绑定和安装防护软件。 ARP攻击是针对以太网地址解析协议ARP的一种攻击技术，此种攻击可让攻击者取得局域网上的数据封包甚至可篡改封包，且可让网络上特定计算机或所有计算机无法正常连接。ARP攻击造成网络无法跨网段通信的原因是伪造网关ARP报文使得数据包无法发送到网关。 （2）DNS欺骗：DNS协议解析域名为IP地址，欺骗该机制可以使用户访问错误的服务器地址。其检测有被动监听检测、虚假报文探测和交叉检查查询3种方法。 （3）IP欺骗：攻击者修改IP数据报的报头，把自身的IP地址修改为另一个IP，以获取信任。常用防火墙等防范IP欺骗。

4. 端口扫描（Port Scanning）

端口扫描是入侵者搜集信息的几种常用手法之一。端口扫描尝试与目标主机的某些端口建立连接，如果目标主机该端口有回复，则说明该端口开放，甚至可以获取一些信息。端口扫描有全TCP连接、半打开式扫描（SYN扫描）、FIN扫描、第三方扫描等分类。

5. 针对TCP/IP堆栈的攻击方式

（1）同步包风暴（SYN Flooding）：是应用最广泛的一种DoS攻击方式，攻击TCP协议建立连接的三次握手，让目标主机等待连接完成而耗尽资源。可以减少等待超时时间来防范。 （2）ICMP攻击：例如Ping of Death攻击操作系统的网络层缓冲区，旧版操作系统会崩溃死机。防范方法是打补丁，升级到新版操作系统。Ping of Death攻击在因特网上，ping of death是一种拒绝服务攻击，方法是由攻击者故意发送大于65535字节的ip数据包给对方。TCP/IP的特征之一是碎裂:它允许单一IP包被分为几个更小的数据包。在1996年，攻击者开始利用那一个功能，当他们发现一个进入使用碎片包可以将整个!P包的大小增加到IP协议允许的65536比特以上的时候。当许多操作系统收到一个特大号的IP包的时候，它们不知道该做什么，因此，服务器会被冻结、宕机或重新启动。 （3）SNMP攻击：SNMP协议常用于管理网络设备，早期的SNMP V1协议缺少认证，可能被攻击者入侵。防范方法是升级 （4）land 攻击是一种使用相同的源和目的主机和端口发送数据包到某台机器的攻击。结果通常使存在漏洞的机器崩溃。在Land攻击中，一个特别打造的SYN包中的源地址和目标地址都被设置成某一个服务器地址，这时将导致接受服务器向它自己的地址发送SYN-ACK消息，结果这个地址又发回ACK消息并创建一个空连接，每一个这样的连接都将保留直到超时掉。各种系统对Land攻击反应不同，许多UNIX系统将崩溃，而 Windows NT 会变的极其缓慢(大约持续五分钟)。 （5）Teardrop攻击Teardrop攻击是一种拒绝服务攻击。是基于UDP的病态分片数据包的攻击方法，其工作原理是向被攻击者发送多个分片的IP包(IP分片数据包中包括该分片数据包属于哪个数据包以及在数据包中的位置等信息)，某些操作系统收到含有重善偏移的伪造分片数据包时将会出现系统崩溃、重启等现象。

6. 系统漏洞扫描

系统漏洞扫描指对重要计算机信息系统进行检查，发现其中可能被黑客利用的漏洞。漏洞扫描既是攻击者的准备工作，也是防御者安全方案的重要组成部分。系统漏洞扫描分为：

（1）基于网络的漏洞扫描，通过网络来扫描目标主机的漏洞，常常被主机边界的防护所封堵，因而获取到的信息比较有限。 （2）基于主机的漏洞扫描，通常在目标系统上安装了一个代理（Agent）或者是服务（Services），因而能扫描到更多的漏洞。有扫描的漏洞数量多、集中化管理、网络流量负载小等优点。

5.7 信息安全的保障体系与评估方法

【基础知识点】

1. 等级保护

《计算机信息系统安全保护等级划分准则》（GB17859—1999）规定了计算机系统安全保护能力的5个等级。

（1）第1级：用户自主保护级（对应TCSEC的C1级）。 （2）第2级；系统审计保护级（对应TCSEC的C2级）。 （3）第3级；安全标记保护级（对应TCSEC的B1级）。 （4）第4级：结构化保护级（对应TCSEC的B2级）。 （5）第5级：访问验证保护级（对应TCSEC的B3级）。

2. 安全保密技术

安全保密技术主要有：

（1）数据泄密（泄露）防护（Data Leakage Prevention，DLP）。DLP是通过一定的技术手段，防止企业的指定数据或信息资产以违反安全策略规定的形式流出企业的一种策略。 （2）数字水印（Digital Watermark）。数字水印是指通过数字信号处理方法，在数字化的媒体文件中嵌入特定的标记。水印分为可感知的和不易感知的两种。

3. 安全协议

常用的安全协议有：

（1）SSL协议。SSL协议是介于应用层和TCP层之间的安全通信协议，提供保密性通信、点对点身份认证、可靠性通信3种安全通信服务。 （2）PGP（Pretty Good Privacy）。PGP是一种加密软件，应用了多种密码技术，包括RSA、IDEA、完整性检测和数字签名算法，实现了一个比较完善的密码系统。广泛地用于电子邮件安全。PGP(Pretty Good Privacy)，是一个基于RSA公钥加密体系的邮件加密软件。可以用它对邮件保密以防止非授权者阅读，它还能对邮件加上数字签名从而使收信人可以确认邮件的发送者，并能确信邮件没有被篡改。它可以提供一种安全的通讯方式，而事先并不需要任何保密的渠道用来传递密匙。它采用了一种RSA和传统加密的杂合算法，用于数字签名的邮件文摘算法，加密前压缩等，还有一个良好的人机工程设计。它的功能强大，有很快的速度 （3）互联网安全协议（Internet Protocol Security，IPSec）。IPSec是工作在网络层的安全协议，主要优点是它的透明性，提供安全服务不需要更改应用程序。 （4）SET协议。主要用于解决用户、商家和银行之间通过信用卡支付的交易问题，保证支付信息的机密、支付过程的完整、商户和持卡人身份合法性及可操作性。 （5）HTTPS协议。详见第3小时，这里不再赘述。

SNMPV3把对网络协议的安全威胁分为主要的和次要的两类。标准规定安全模块必须提供防护的两种主要威胁是: 1）修改信息:就是某些未经授权的实体改变了进来的SNMP报文，企图实施未经授权的管理操作，或者提供虚假的管理对象。 2）假冒:即未经授权的用户冒充授权用户的标识，企图实施管理操作。 必须提供防护的两种次要威胁是: 1）修改报文流:由于SNMP协议通常是基于无连接的传输服务，重新排序报文流、延迟或重放报文的威胁都可能出现。这种威胁的危害性在于通过报文流的修改可能实施非法的管理操作。 2）消息泄露:SNMP引擎之间交换的信息可能被偷听，对于这种威胁的防护应采取局部的策略, 不必提供防护的威胁包括: 1）拒绝服务:因为在很多情况下拒绝服务和网络失效无法区别，所以可以由网络管理协议来处理，安全子系统 不必采取措施。 2）通信分析:即由第三者分析管理实体之间的通信规律，从而获取需要的信息。由于通常都是由少数管理站来管理整个网络的，所以管理系统的通信模式是可预见的，防护通信分析就没有多大作用了。根据以上分析可以得知，本题应选B。

4. 信息系统的安全风险与评估

信息系统的安全风险是指由于系统存在的脆弱性所导致的安全事件发生的概率和可能造成的影响。

风险评估是对信息系统及由其处理、传输和存储的信息的保密性、完整性和可用性等安全属性进行科学评价的过程，是信息安全保障体系建立过程中重要的评价方法和决策机制。风险评估的基本要素为脆弱性、资产、威胁、风险和安全措施。其中，威胁是一种对机构及其资产构成潜在破坏的可能性因素或者事件。脆弱性评估是安全风险评估中的重要内容，脆弱性不仅包括各种资产本身存在的脆弱性，没有正确实施的安全保护措施本身也可能是一个安全薄弱环节。风险计算模型包含信息资产、弱点/脆弱性、威胁等关键要素。

5. 安全防范体系

安全防范体系的层次划分: (1)物理环境的安全性。包括通信线路、物理设备和机房的安全等。 (2)操作系统的安全性。主要表现在三个方面，一是操作系统本身的缺陷带来的不安全因素.主要包括身份认证、访问控制和系统漏洞等;二是对操作系统的安全配置问题，三是病毒对操作系统的威胁。 (3)网络的安全性。网络层的安全问题主要体现在计算机网络方面的安全性，包括网络层身份认证、网络资源的访问控制、数据传输的保密与完整性、远程接入的安全、域名系统的安全、路由系统的安全、入侵检测的手段和网络设施防病毒等 (4)应用的安全性。由提供服务所采用的应用软件和数据的安全性产生，包括Web服务、电子邮件系统和DNS等。此外，还包括病毒对系统的威胁。 (5)管理的安全性。包括安全技术和设备的管理、安全管理制度、部门与人员的组织规则等。

6. 安全审计

安全审计四要素: 控制目标、安全漏洞、控制措施、控制测试 安全审计功能(6个部分): 安全审计自动响应、安全审计自动生成、安全审计分析、安全审计浏览、安全审计事件选择、安全审计事件存储

5.8 系统安全分析与设计

基于任务的访问控制模型(TBAC Model，Task-based Access Control Model) 是从应用和企业层角度来解决安全问题，以面向任务的观点，从任务(活动)的角度来建立安全模型和实现安全机制，在任务处理的过程中提供动态实时的安全管理。在TBAC中，对象的访问权限控制并不是静止不变的，而是随着执行任务的上下文环境发生变化。TBAC首要考虑的是在工作流的环境中对信息的保护问题:在工作流环境中，数据的处理与上一次的处理相关联，相应的访问控制也如此，因而TBAC是一种上下文相关的访问控制模型。其次，TBAC不仅能对不同工作流实行不同的访问控制策略，而且还能对同一工作流的不同任务实例实行不同的访问控制策略。从这个意义上说，TBAC是基于任务的，这也表明，TBAC是一种基于实例(instance-based)的访问控制模型。TBAC模型由工作流、授权结构体、受托人集、许可集四部分组成。 OBAC访问控制系统是从信息系统的数据差异变化和用户需求出发，有效地解决了信息数据量大、数据种类繁多、数据更新变化频繁的大型管理信息系统的安全管理。并从受控对象的角度出发，将访问主体的访问权限直接与受控对象相关联，一方面定义对象的访问控制列表，增、删、修改访问控制项易于操作，另一方面，当受控对象的属性发生改变，或者受控对象发生继承和派生行为时，无须更新访问主体的权限，只需要修改受控对象的相应访问控制项即可，从而减少了访问主体的权限管理，降低了授权数据管理的复杂性。

Bell-LaPadula模型的安全规则如下: (1)简单安全规则(Simple Security Rule):安全级别低的主体不能读安全级别高的客体(No Read Up); (2)星属性安全规则(Star Security Property):安全级别高的主体不能往低级别的客体写(No Write Down); (3)强星属性安全规则(Strong Star Security Property):不允许对另一级别进行读写; (4)自主安全规则(Discretionary Security Property):使用访问控制矩阵来定义说明自由存取控制。其存取控制体现在内容相关和上下文相关。

5.9 练习题

1. 在信息安全领域，基本的安全性原则包括机密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability）。机密性指保护信息在使用、传输和存储时（1）。信息加密是保证系统机密性的常用手段。使用哈希校验是保证数据完整性的常用方法。可用性指保证合法用户对资源的正常访问，不会被不正当地拒绝。（2）就是破坏系统的可用性。

（1）A.不被泄露给已注册的用户 B．不被泄露给未授权的用户C.不被泄露给未注册的用户 D.不被泄露给已授权的用户 （2）A.跨站脚本攻击（XSS） B．拒绝服务攻击（DoS）C.跨站请求伪造攻击（CSRF） D.缓冲区溢出攻击

解析：机密性指保护信息在使用、传输和存储时不被泄露给未授权的用户。

跨站脚本攻击（XSS）是指恶意攻击者往Web页面里插入恶意html代码，当用户浏览该页时，嵌入Web中的html代码会被执行，从而实现劫持浏览器会话、强制弹出广告页面、网络钓鱼、删除网站内容、窃取用户Cookies资料、繁殖XSS蠕虫、实施DDoS攻击等目的。 拒绝服务（DoS）攻击利用大量合法的请求占用大量网络资源，以达到瘫痪网络的目的。受到DoS攻击的系统，可用性大大降低。 跨站请求伪造（CSRF）是一种挟制、欺骗用户在当前已登录的Web应用程序上执行非本意的操作的攻击。 缓冲区溢出攻击是指利用缓冲区溢出漏洞，从而控制主机，进行攻击。

答案：BB

2. DES加密算法的密钥长度为56位，三重DES的密钥长度为（）位。

A.168 B.120 C.112 D.56

解析：三重DES采用两组56位的密钥K1和K2，通过“K1加密一K2解密一K1加密”的过程，两组密钥加起来的长度是112位。

答案：C

3. 非对称加密算法中，加密和解密使用不同的密钥，下面的加密算法中（1）属于非对称加密算法。若甲、乙采用非对称密钥体系进行保密通信，甲用乙的公钥加密数据文件，乙使用（2）来对数据文件进行解密。

（1）A.AES B.RSA C.IDEA D.DES

（2）A.甲的公钥 B.甲的私钥 C.乙的公钥 D.乙的私钥

解析：加密密钥和解密密钥不相同的算法，称为非对称加密算法，这种方式又称为公钥密码体制。常见的非对称加密算法有RSA等。若甲、乙采用非对称密钥体系进行保密通信，甲用乙的公钥加密数据文件，乙使用乙的私钥来对数据文件进行解密。

加密密钥和解密密钥相同的算法，称为对称加密算法。常见的对称加密算法有DES、3DES、IDEA、AES等。

答案：B D

第6小时 系统工程基础知识

6.0 章节考点分析

第6小时主要学习系统工程和系统性能等内容。

根据考试大纲，本小时知识点会涉及单项选择题，约占2—5分。本小时内容侧重于概念知识，也会有计算题。根据以往全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试的出题规律，考查的知识点多来源于教材，扩展内容较少。本小时知识架构如图6.1所示。

图6.1 本小时知识架构

【导读小贴士】

系统工程是一种方法论，从宏观上对如何创建和管理一个信息化工程提出了理论框架。而系统

性能评估和设计是架构师的重要工作之一，所以掌握本小时知识点很重要。本小时的内容比较基础，难度并不大。

6.1 系统工程（三维结构）

【基础知识点】

1. 定义与特点

系统工程是运用系统方法，对系统进行规划、研究、设计、制造、试验和使用的组织管理技术，利用电现代子计算机，对系统的结构、要素、信息和反馈等进行分析，以达到最优规划、最优设计、最优管理和最优控制等目的。是人们用科学方法解决复杂问题的一门技术。系统工程方法的特点是整体性、综合性、协调性、科学性和实践性。系统工程方法可以分为：

（1）霍尔的三维结构。霍尔的三维结构是美国系统工程专家霍尔（A.D.Hall）等人于1969年提出的一种系统工程方法论，形成了由时间维、逻辑维和知识维组成的三维空间结构。时间维分为规划、拟订方案、研制、生产、安装、运行、更新7个时间阶段；逻辑维包括明确问题、确定目标、系统综合、系统分析、优化、决策、实施7个逻辑步骤；知识维包括工程、医学、建筑、商业、法律、管理、社会科学、艺术等知识和技能。 ①逻辑维运用系统工程方法解决某一大型工程项目时，一般可分为七个步骤：1.明确问题；2.建立价值体系或评价体系；3.系统分析；4.系统综合；5.系统方案的优化选择；6.决策"决策就是管理”，“决策就是决定”，人类的决策管理活动面临着被决策系统的日益庞大和日益复杂；7.制定计划有了决策就要付诸实施，实施就要依靠严格的有效的计划。 ②时间维（工作进程），对于一个具体的工作项目，从制定规划起一直到更新为止，全部过程可分为七个阶段：1.规划阶段。即调研、程序设计阶段，目的在于谋求活动的规划与战略；2.拟定方案。提出具体的计划方案；3.研制阶段。作出研制方案及生产计划；4.生产阶段。生产出系统的零部件及整个系统，并提出安装计划；5.安装阶段。将系统安装完毕，并完成系统的运行计划；6.运行阶段。系统按照预期的用途开展服务；7.更新阶段。即为了提高系统功能，取消旧系统而代之以新系统，或改进原有系统，使之更加有效地工作。 ③知识维（专业科学知识），系统工程除了要求为完成上述各步骤、各阶段所需的某些共性知识外，还需要其他学科的知识和各种专业技术，霍尔把这些知识分为工程、医药、建筑、商业、法律、管理、社会科学和艺术等。各类系统工程，如军事系统工程、经济系统工程、信息系统工程等。都需要使用其它相应的专业基础知识。

（2）切克兰德方法。切克兰德方法的核心不是最优化而是比较与探寻。将工作过程分为认识问题、根底定义、建立概念模型、比较及探寻、选择、设计与实施、评估与反馈7个步骤。

（3）并行工程。并行工程（Concurrent Engineering）方法是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术，目标是提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。

（4）综合集成法。钱学森等提出从系统的本质出发可以把系统分为简单系统和巨系统两大类。开放的复杂巨系统的一般基本原则：整体论、相互联系、有序性、动态，主要性质是开放性、复杂性、进化与涌现性、层次性和巨量性。

（5）WSR系统方法。WSR系统方法是物理一事理一人理方法论的简称。具有中国传统哲学的思辨思想，是多种方法的综合统一，属于定性与定量分析综合集成的东方系统思想。一般工作过程可理解为理解意图、制定目标、调查分析、构造策略、选择方案、协调关系和实现构想7步。

2. 系统工程的生命周期

对系统工程生命周期进行定义的目的是以有序而且高效的方式建立一个满足利益攸关者需求的框架。系统工程的生命周期阶段包括探索研究、概念阶段、开发阶段、生产阶段、使用阶段、保障阶段和退役阶段。生命周期方法有：

1）计划驱动方法:需求->设计->构建->测试->部署 2）渐进迭代式开发:提供连续交付以达到期望的系统 3）精益开发:起源于丰田，是一个动态的、知识驱动的，以客户为中心的过程 4）敏捷开发:更好的灵活性

3. 基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）

MBSE是建模方法的形式化应用，以使建模方法支持系统需求、分析、设计、验证和确认等活动，持续贯穿到所有生命周期阶段。产物包括：在需求分析阶段，产生需求图、用例图及包图；在功能分析与分配阶段，产生顺序图、活动图及状态机（State Machine）图；在设计综合阶段，产生模块定义图、内部块图及参数图等。系统工程的三大支柱：建模语言、建模工具和建模思路。

6.2 系统性能

【基础知识点】

1. 系统性能评价

系统性能评价指标是软件、硬件的性能指标的集成。其中：

（1）评价计算机的主要性能指标有时钟频率（主频）、运算速度、运算精度、数据处理速率（Processing Data Rate，PDR）、吞吐率等。

（2）评价路由器的主要性能指标有设备吞吐量、端口吞吐量、全双工线速转发能力、路由表能力、背板能力、丢包率、时延、时延抖动、协议支持等。评价交换机所依据的性能指标有端口速率、背板吞吐量、缓冲区大小、MAC地址表大小等。

（3）评价网络的性能指标有设备级性能指标、网络级性能指标、应用级性能指标、用户级性能指标和吞吐量。

（4）评价操作系统的性能指标有系统上下文切换、系统响应时间、系统的吞吐率（量）、系统资源利用率、可靠性和可移植性。

（5）衡量数据库管理系统的主要性能指标有最大并发事务处理能力、负载均衡能力、最大连接数等。

（6）评价Web服务器的主要性能指标有最大并发连接数、响应延迟和吞吐量。

2. 性能指标计算

主要方法有定义法、公式法、程序检测法和仪器检测法。计算公式主要有：

（1）每秒百万次指令数（Millions of Instructions Per Second，MIPS）

$$ \text{MIPS} = \frac{\text{指令条数}}{\text{执行时间} \times 10^6} $$

（2）峰值计算，是指计算机每秒钟能完成的浮点计算最大次数。包括理论浮点峰值和实测浮点峰值。

理论浮点峰值 $= \mathrm{CPU}$ 主频 $\times \mathrm{CPU}$ 每个时钟周期执行浮点运算的次数 $\times$ 系统中CPU数

（3）等效指令速度法或吉普森（Gibson）法，早期用加法指令的运算速度来衡量计算机的速度，后来发展为各个指令的运算时间乘以占比。通常加、减法指令占 $50%$ ，乘法指令占 $15%$ ，除法指令占 $5%$ ，程序控制指令占 $15%$ ，其他指令占 $15%$ 。

$$ 等效指令时间 T = \sum_{i=1}^{n} W_i \times T_i $$

式中：Wi为第 $i$ 种指令的使用占比；Ti为第 $i$ 种指令的运算时间。

3. 性能调整

性能调整由查找和消除瓶颈组成。对于数据库系统，性能调整主要包括CPU/内存使用状况、优化数据库设计、优化数据库管理以及进程/线程状态、硬盘I/O及剩余空间、日志文件大小等。对于应用系统，性能调整主要包括应用系统的可用性、响应时间、并发用户数以及特定应用的系统资源占用等。

4. 阿姆达尔（Amdalal）解决方案

阿姆达尔定律：计算机系统中对某一部件采用某种更快的执行方式所获得的系统性能改变程度，取决于这种方式所占总执行时间的比例。加速比的定义：

$$ \text{加速比} = \frac{\text{使用增强部件时完成整个任务的时间}}{\text{不使用增强部件时完成整个任务的时间}} $$

$$ \text{新的执行时间} = \text{原来的执行时间} \times \Big[(1 - \text{增强比例}) + \frac{\text{增强比例}}{\text{增强加速比}}\Big] $$

$$ \text{总加速比} = \frac{\text{原来的执行时间}}{\text{新的执行时间}} = \frac{1}{(1 - \text{增强比例}) + \frac{\text{增强比例}}{\text{增强加速比}}} $$

Amdahl 定律表明

[\text{系统加速比} = \frac{1}{(1 - f_e) + \frac{f_e}{r_e}}] 其中：

• ( f_e )：计算机执行某个任务的总时间中可被改进部分的时间所占百分比；
• ( r_e )：改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施前性能提高的倍数。

利用这个公式，若 ( f_e = 0.9 )、( 系统加速比 = 5 )，
则re为： [\text{系统加速比}=5 = \frac{1}{(1 - 0.9) + \frac{0.9}{re}} ] re=9 即该功能的处理速度约提高 3.6 倍。

加速比主要取决于两个因素：在原有的计算机上，能被改进并增强的部分在总执行时间中所占的比例，这个值称为增强比例，它永远小于等于1；通过增强的执行方式所取得的改进，即如果整个程序使用了增强的执行方式，那么这个任务的执行速度会有多少提高，这个值是在原来条件下程序的执行时间与使用增强功能后程序的执行时间之比。

5. 性能评估

性能评估主要包括：

（1）基准测试程序（Benchmark）定义：应用程序中用得最多、最频繁的那部分核心程序。

基准测试程序中，评测的准确程度依次递减：真实的程序、核心程序、小型基准程序和合成基准程序。基准测试程序有整数测试程序Dhrystone、浮点测试程序Linpack、Whetstone基准测试程序、SPEC基准测试程序和TPC基准程序。

（2）Web服务器的性能评测方法有基准性能测试、压力测试和可靠性测试。

（3）系统监视的方法通常有系统内置命令、查阅系统日志、可视化技术3种方式。

6.3 练习题

1. 霍尔等人于1969年提出了系统方法的三维结构体系，通常称为霍尔三维结构，这是系统工程方法论的基础。霍尔三维结构以时间维、（1）维、知识维组成的立体结构概括性地表示出系统工程的各阶段、各步骤以及所涉及的知识范围。其中时间维是系统的工作进程，对于一个具体的工程项目，可以分为7个阶段，在（2）阶段会做出研制方案及生产计划。

（1）A.空间 B.结构 C.组织 D.逻辑

（2）A.规划 B.拟定 C.研制 D.生产

解析：霍尔的三维结构，是美国系统工程专家霍尔等人于1969年提出的一种系统工程方法论，形成了由时间维、逻辑维和知识维组成的三维空间结构。

时间维分为规划、拟订方案、研制、生产、安装、运行、更新7个时间阶段，各阶段工作如下：

$(1)$ 规划阶段。即调研、程序设计阶段，目的在于谋求活动的规划与战略。

$(2)$ 拟订方案。提出具体的计划方案。

$(3)$ 研制阶段。作出研制方案及生产计划。

$(4)$ 生产阶段。生产出系统的零部件及整个系统，并提出安装计划。

$(5)$ 安装阶段。将系统安装完毕，并完成系统的运行计划。

$(6)$ 运行阶段。系统按照预期的用途开展服务。

$(7)$ 更新阶段。即为了提高系统功能，取消旧系统而代之以新系统，或改进原有系统，使之更加有效地工作。

答案：D C

2. 对计算机评价的主要性能指标有时钟频率、（1）、运算精度和内存容量等。对数据库管理系统评价的主要性能指标有（2）、数据库所允许的索引数量和最大并发事务处理能力等。

（1）A.丢包率 B．端口吞吐量 C．可移植性 D.数据处理速率

（2）A.MIPS B．支持协议和标准 C．最大连接数 D.时延抖动

解析：性能指标，是软、硬件的性能指标的集成。在硬件中，包括计算机、各种通信交换设备、各类网络设备等；在软件中，包括：操作系统、协议以及应用程序等。

评价计算机的主要性能指标有时钟频率（主频）、运算速度、运算精度、数据处理速率（ProcessingDataRate，PDR）、吞吐率等。

衡量数据库管理系统的主要性能指标有最大并发事务处理能力、负载均衡能力、最大连接数等。

答案：D C

3. 峰值MIPS（每秒百万次指令数）用来描述计算机的定点运算速度，通过对计算机指令集中基本指令的执行速度计算得到。假设某计算机中基本指令的执行需要5个机器周期，每个机器周期为 $3\mu \mathrm{s}$ ，则该计算机的定点运算速度为（）MIPS。

A.8 B.15 C.0.125 D.0.067

解析：峰值MIPS是衡量CPU速度的一个指标。根据题干描述，假设某计算机中基本指令的执行需要5个机器周期，每个机器周期为 $3\mu \mathrm{s}$ ，则该计算机每完成一个基本指令需要 $5\times 3 = 15\mu \mathrm{s}$ 根据峰值MIPS的定义，其定点运算速度为 $1 / 15 = 0.067\mathrm{MIPS}$ ，特别需要注意单位 $\mu \mathrm{s}$ 和百万指令数，在计算过程中恰好抵消。详细计算公式如下：

MIPS = 指令条数/(执行时间 $\times 10^{6}) = 1 / (5\times 3\times 10^{- 6}\times 10^{6}) = 1 / 15 = 0.067$

答案：D

第7小时 软件工程基础知识

7.0 章节考点分析

第7小时主要学习软件工程、需求工程、系统分析与设计、净室软件工程、基于构件的软件工程、软件项目管理等内容。

根据考试大纲，本小时知识点会涉及单项选择题和下午案例分析题，约占$8\sim 15$分，论文也会有涉及。本小时内容较基础，侧重于概念知识和管理知识。根据以往全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试的出题规律，考查的知识点多来源于教材，扩展内容较少。本小时知识架构如图7.1所示。

图7.1 本小时知识架构

【导读小贴士】

软件工程是以工程的管理方法去管理软件项目，涉及的知识点很多，也很重要。像结构化和面向对象在三门考试中都会出题，日常开发中也常常需要面对，所以掌握本小时知识点很重要。本小时的内容比较基础，难度并不大。

7.1 软件工程（瀑布模型、4+1视图、RUP、CMMI）

【基础知识点】

（1）软件危机（Software Crisis）。具体表现为：软件开发进度难以预测、软件开发成本难以控制、软件功能难以满足用户期望、软件质量无法保证、软件难以维护和软件缺少适当的文档资料。

（2）软件生命周期模型又称软件开发模型(software develop model)或软件过程模型(sofware process model)，软件要经历从需求分析、软件设计、软件开发、运行维护，直至被淘汰这样的全过程，这个全过程就是软件的生命周期。它是从某一个特定角度提出的软件过程的简化描述。软件生存周期的提出是为了更好地管理、维护和升级软件，其中更大的意义在于管理软件开发的步骤和方法。软件过程模型是软件开发实际过程的抽象与概括，它应该包括构成软件过程的各种活动，也就是对软件开发过程各阶段之间关系的一个描述和表示。软件活动主要有如下一些: 1）软件描述。必须定义软件功能以及使用的限制。 2）软件开发。也就是软件的设计和实现，软件工程人员制作出能满足描述的软件。 3）软件有效性验证。软件必须经过严格的验证，以保证能够满足客户的需求。 4）软件进化（演化）。软件随着客户需求的变化不断改进。

按照传统的软件生命周期方法学，可以把软件生命周期划分为软件定义、软件开发、软件运行与维护3个阶段。其主要活动阶段包括:可行性分析与计划制订、需求分析、软件设计(概要设计和详细设计)、软件实现(编码)、测试、维护等活动，其中软件开发阶段包括软件设计、实现与测试。

软件过程构架结构由四个层次组成：方针、过程、规程和第四层的标准、规范、指南、模板、Checklist等组成。 1）方针为第一层文件，它是组织标准软件的高层次的抽象描述，它反映在公司的过程改进总体方针、政策中，由公司主管副总裁批准执行。 2）过程为第二层文件，主要规定在项目开发中执行该过程时应当执行的各项活动及适用标准。过程定义文件及其相关文件制定必须符合方针的要求。 3）规程为第三层文件，是对过程某些复杂活动的具体描述。 4）标准、规范、指南、模板、Checklist、范例库等是对上级过程或规程提供细致的步骤、活动及说明的支持性文档，第四层的文件从属于上级过程。

软件生命周期描述了软件从生到死的全过程。为了使软件生命周期中的各项任务能够有序地按照规程进行，需要一定的工作模型对各项任务给予规程约束，这样的工作模型被称为软件过程模型，有时也称为软件生命周期模型。常见的软件过程模型主要包括：

1）瀑布模型（Waterfall Model），如图7.2所示，是结构化开发方法使用的软件过程模型。可以说是最早使用的软件生存周期模型之一。由于这个模型描述了软件生存的一些基本过程活动，所以它被称为软件生存周期模型。这些活动从一个阶段到另一个阶段逐次下降，形式上很像瀑布。瀑布模型的特点是因果关系紧密相连，前一个阶段工作的输出结果，是后一个阶段工作的输入。或者说，每一个阶段都是建立在前一个阶段的正确结果之上，前一个阶段的错误和疏漏会隐蔽地带入后一个阶段。这种错误有时甚至可能是灾难性的，因此每一个阶段工作完成后，都要进行审查和确认。每一个阶段工作完成后都伴随着一个里程碑。缺点是需求难以一次确定、变更的代价高、结果难以预见、各阶段工作不能并行。

图7.2 瀑布模型

2）原型模型（Prototype Model），如图 7.3 所示，又称快速原型，是原型方法使用的生命周期模型。原型模型解决了瀑布模型需求难以一次确定、结果难以预见的缺点。原型模型有原型开发和目标软件开发两个阶段： ①原型开发阶段。软件开发人员根据用户提出的软件系统的定义，快速地开发一个原型。该原型应该包含目标系统的关键问题和反映目标系统的大致面貌，展示目标系统的全部或部分功能、性能等。 ②目标软件开发阶段。在征求用户对原型的意见后对原型进行修改完善，确认软件系统的需求并达到一致的理解，进一步开发实际系统。

抛弃型原型将原型作为需求确认的手段，在需求确认结束后就被抛弃不用，继续用瀑布模型。演化性原型在需求确认结束后，不断补充和完善原型，直至形成一个完整的产品。

图7.3 原型模型

3）螺旋模型（Spiral Model），如图 7.4 所示，是在快速原型的基础上结合瀑布模型件开发流程分成多个阶段，每一个阶段都由目标设定、风险分析、开发和有效性验证、评审4部分组成。支持大型软件开发，适用于面向规格说明、面向过程和面向对象的软件开发方法，强调其他模型忽视的风险分析。

①目标设定。为该项目进行需求分析，定义和确定这一个阶段的专门目标，指定对过程和产品的约束，并且制定详细的管理计划。 ②风险分析。对可选方案进行风险识别和详细分析，制定解决办法，采取有效的措施避免这些风险。 ③开发和有效性验证。风险评估后，可以为系统选择开发模型，并且进行原型开发，即开发软件产品。 ④评审。对项目进行评审，以确定是否需要进入螺旋线的下一次回路，如果决定继续，就要制定下一阶段计划。

图7.4 螺旋模型

4）敏捷模型（Agile），属于敏捷方法使用的模型。敏捷方法遵循迭代增量式开发过程，以原型开发思想为基础，是适应型、非可预测型，以人为本而非以过程为本。敏捷模型主要有极限编程（Extreme Programming，XP）、水晶系列方法、并列争球法（Scrum）、特征驱动开发方法（Feature Driven Development，FDD） 等具体的敏捷方法，这些方法的显著特征如下：

• 极限编程（XP）：，成本低、高效、低风险、测试先行（先写测试代码，再编写程序）。

• 水晶系列方法：它与XP方法一样，都有以人为中心的理念，但在实践上有所不同。Alistair考虑到人们一般很难严格遵循一个纪律约束很强的过程，因此，与XP的高度纪律性不同，Alistair探索了用最少纪律约束而仍能成功的方法，从而在产出效率与易于运作上达到一种平衡。也就是说，虽然水晶系列不如XP那样的产出效率，但会有更多的人能够接受并遵循它。

• 并列争球法（Scrum）：该方法侧重于项目管理。Scrum包括一系列实践和预定义角色的过程骨架（是一种流程、计划、模式，用于有效率地开发软件）。在Scrum中，使用产品Backlog来管理产品的需求，产品Backlog是一个按照商业价值排序的需求列表。根据Backlog的内容，将整个开发过程分为若干个短的迭代周期（Sprint），在Sprint中，Scrum团队从产品Backlog中挑选最高优先级的需求组成Sprint Backlog。在每个迭代结束时，Scrum团队将递交潜在可交付的产品增量。当所有Sprint结束时，团队提交最终的软件产品。该方法强调这样一个事实，即明确定义了的可重复的方法过程只限于在明确定义了的可重复的环境中，为明确定义了的可重复的人员所用，去解决明确定义了的可重复的问题。

• 功用驱动开发方法(FDD-feature Driven Development) 像其他方法一样，它致力于短时的选代阶段和可见可用的功能。在FDD中，一个选代周期一般是两周。在FDD中，编程开发人员分成两类:首席程序员和“类"程序员(class owner)。首席程序员是最富有经验的开发人员，他们是项目的协调者、设计者和指导者，而“类”程序员则主要做源码编写。

• ASD(Adaptive Sofware Development)方法由Jim Highsmith提出，其核心是三个非线性的、重叠的开发阶段:猜测、合作与学习。

5）软件统一过程模型（Rational Unified Process，RUP）。

①RUP的三个核心特点是:以架构为中心，用例驱动，增量与选代。 增量与迭代的好处是:

1. 降低了在一个增量上的开支风险。如果开发人员重复某个选代，那么损失只是这一个开发有误的选代的花费。
2. 降低了产品无法按照既定进度进入市场的风险。通过在开发早期就确定风险，可以尽早来解决而不至于在开发后期匆匆忙忙。
3. 加快了整个开发工作的进度。因为开发人员清楚问题的焦点所在，他们的工作会更有效率。
4. 由于用户的需求并不能在一开始就作出完全的界定，它们通常是在后续阶段中不断细化的。

②4个阶段 RUP生命周期是一个二维的软件开发模型，划分为多个循环（Cycle），每个循环生成产品的一个新的版本，每个循环依次由初始化、细化、构造和移交4个连续的阶段（Phase）组成，每个阶段完成确定的任务。RUP在每次迭代中，只考虑系统的一部分需求，进行分析、设计、实现、测试和部署等过程。

初始阶段：定义最终产品视图和业务模型，并确定系统范围。 细化阶段：设计及确定系统的体系结构，制定工作计划及资源要求。 构造阶段：构造产品并继续演进需求、体系结构、计划直至产品提交。 移交阶段：把产品提交给用户使用。

③9个核心工作流，这9个核心工作流分别是：【6个核心过程工作流】业务建模、需求、分析与设计、实现、测试、部署、【3个核心支持工作流】配置与变更管理、项目管理、环境。RUP的特点是【用例驱动的、以架构为中心的、迭代和增量的软件开发过程】。

1）商业(业务)建模(Business Modeling):商业建模工作流描述了如何为新的目标组织实现一个构想，并基于这个构想在商业用例模型和商业对象模型中定义组织的过程、角色和责任。 2）需求(Requirements):需求工作流的目标是描述系统应该做什么，并使开发人员和用户就这一描述达成共识。为了达到该目标，要对需要的功能和约束进行提取、组织、文档化;最重要的是理解系统所解决问题的定义和范围。 3）分析和设计(Analysis & Design):分析和设计工作流将需求转化成未来系统的设计，为系统开发一个健壮的结构并调整设计使其与实现环境相匹配，优化其性能。 4）实现(lmplementation):实现工作流的目的包括以层次化的子系统形式定义代码的组织结构;以组件的形式(源文件、二进制文件、可执行文件)实现类和对象;将开发出的组件作为单元进行测试以及集成由单个开发者(或小组)所产生的结果，使其成为可执行的系统。 5）测试(Test):测试工作流要验证对象间的交互作用，验证软件中所有组件的正确集成，检验所有的需求已被正确的实现，识别并确认缺陷在软件部署之前被提出并处理。 6）部署(Deployment):部署工作流的目的是成功的生成版本并将软件分发给最终用户。 7）配置和变更管理(Configuration& Change Management):配置和变更管理工作流描绘了如何在多个成员组成的项目中控制大量的产物。 8）项目管理(Proiect Management):软件项目管理平衡各种可能产生冲突的目标、管理风险，克服各种约束并成功交付使用户满意的产品。其目标包括:为项目的管理提供框架，为计划、人员配备、执行和监控项目提供实用的准则，为管理风险提供框架等。 9）环境(Environment):环境工作流的目的是向软件开发组织提供软件开发环境，包括过程和工具。

④4+1视图模型来描述架构，如图7.5所示，后被UML吸收采纳。

图7.5 4+1视图模型

• 逻辑视图：又叫设计视图，对应最终用户，主要支持功能性需求，它表示了设计模型中在架构方面具有重要意义的部分，即类、子系统、包和用例实现的子集。用于建模系统的组成部分以及各组成部分之间的交互方式。通常包括类图，对象图，状态图和协作图。
• 实现视图：又叫开发视图，对应程序员，关注软件开发环境下实际模块的组织，描述系统的各部分如何被组织为模块和组件即开发环境中软件的静态组织结构。该视图通常包含包图和组件图。
• 进程视图：又叫过程视图，对应系统集成人员，进程视图侧重于系统的运行特性，是可执行线程和进程作为活动类的建模，它是逻辑视图的一次执行实例，描述了并发与同步结构。描述了系统中的进程，当可视化系统中一定会发生的事情时，此视图特别有用。考虑一些非功能性的需求，如性能和可用性，它可以解决并发性、分布性、系统完整性、容错性的问题。进程视图常用活动图表示。
• 部署视图：又叫物理视图，对应系统工程师。描述如何将前三个视图中所述的系统设计实现为一组现实世界的实体。展示了如何把软件映射到硬件上，它通常要考虑到系统性能、规模、可靠性等。解决系统拓扑结构、系统安装、通信等问题。部署视图常用部署图表示。
• 用例视图：又称场景视图，对应分析、测试人员，所有其他视图都依靠用例视图（场景）来指导它们，这就是将模型称为4+1的原因。

6） 快速应用开发（Rapid Application Development，RAD）是一种比传统生存周期法快得多的开发方法，它强调极短的开发周期。RAD模型是瀑布模型的一个高速变种，通过使用基于构件的开发方法获得快速开发。如果需求理解得很好，且约束了项目范围，利用这种模型可以很快地开发出功能完善的信息系统。但是RAD也具有以下局限性：

①并非所有应用都适合RAD。RAD对模块化要求比较高，如果有哪一项功能不能被模块化，那么RAD所需要的构建就会有问题；如果高性能是一个指标，且该指标必须通过调整接口使其适应系统构件才能获得，则RAD也有可能不能奏效。 ②开发者和客户必须在很短的时间完成一系列的需求分析，任何一方配合不当，都会导致RAD项目失败。 ③RAD只能用于管理信息系统的开发，不适合技术风险很高的情况。例如，当一个新系统要采用很多新技术，或当新系统与现有系统有较高的互操作性时，就不适合使用RAD。

7）V模型是一种典型的测试模型。在V模型中测试过程被加在开发过程的后半部分，分别包括单元测试、集成测试、系统测试和验收测试。

8）增量式模型（Incremental Model）。 增量式开发相比于瀑布模型的一些重要优点： ①降低了适应用户需求变更的成本。重新分析和修改文档的工作量较之瀑布模型要少很多。 ②在开发过程中更容易得到用户对于已做的开发工作的反馈意见。 ③用户可以评价软件的现实版本，并可以看到已经实现了多少。这比让用户从软件设计文档中判断工程进度要好很多。 ④使更快地交付和部署有用的软件到客户方变成了可能，虽然不是所有的功能都已经包含在内。 ⑤相比于瀑布模型，用户可以更早地使用软件并创造商业价值。

增量模型的缺点:过程不可见。管理人员需要常规的交付物来掌握进度。如果系统是快速开发的，那么要产生每个版本的文档就很不划算。伴随新的增量的加入，系统结构会退化。敏捷方法建议定期对软件重构。面对大型、复杂以及长生命周期的系统，增量模型的以上缺点更为突出。大型系统不同部分由不同团队开发，需要稳定的框架或体系结构，这种体系结构需要事先进行计划而不是增量地开发。

9）演化模型 演化模型主要针对事先不能完整定义需求的软件开发，是在快速开发一个原型的基础上，根据用户在试用原型的过程中提出的反馈意见和建议，对原型进行改进，获得原型的新版本，重复这一过程，直到演化成最终的软件产品。 优点：任何功能一经开发就能进入测试，以便验证是否符合产品需求，可以帮助引导出高质量的产品要求。 缺点：如果不加控制地让用户接触开发中尚未测试稳定的功能，可能对开发人员及用户都会产生负面的影响。

（3）软件能力成熟度模型（Capability Maturity Model for Software，CMM）。CMM是一个概念模型，被广泛用来指导软件过程改进。模型框架和表示是刚性的，不能随意改变，但模型的解释和实现有一定弹性。该模型描述了软件过程能力的5个成熟度级别，每一级都包含若干关键过程域（Key Process Areas，KPA）。CMM的第二级为可重复级，它包括了6个关键过程域，分别是：需求管理、软件项目计划、软件项目跟踪和监督、软件分包合同管理、软件质量保证和软件配置管理。

（4）软件能力成熟度模型集成（Capability Maturity Model Integration for Software，CMMI）。CMMI是在CMM的基础上发展而来的。CMMI提供了一个软件能力成熟度的框架，它将软件过程改进的步骤组织成5个成熟度等级：初始级、已管理级、已定义级、量化管理级、优化级。量化管理级与已定义级的区别是对过程性能的可预测。 ①初始级（Initial）：软件过程是无序的，有时甚至是混乱的，对过程几乎没有定义，成功取决于个人努力。管理是反应式的。 ②管理级（Managed）：建立了基本的项目管理过程来跟踪费用、进度和功能特性。制定了必要的过程纪律，能重复早先类似应用项目取得的成功经验。 ③定义级（Defined）：已将软件管理和工程两方面的过程文档化、标准化，并综合成该组织的标准软件过程。所有项目均使用经批准、剪裁的标准软件过程来开发和维护软件，软件产品的生产在整个软件过程是可见的。 ④定量管理级（Q- Managed）：分析对软件过程和产品质量的详细度量数据，对软件过程和产品都有定量的理解与控制。管理有一个作出结论的客观依据，管理能够在定量的范围内预测性能。 ⑤优化级（Optimizing）：过程的量化反馈和先进的新思想、新技术促使过程持续不断改进。在CMMI的已定义级中，开发过程，包括技术工作和管理工作，均已实现标准化、文档化。建立了完善的培训制度和专家评审制度，全部技术活动和管理活动均可控制，对项目进行中的过程、岗位和职责均有共同的理解。

7.2 需求工程

【基础知识点】

1. 软件需求的层次

软件需求包括3个不同的层次：

（1）业务需求（Business Requirement），反映了组织机构或客户对系统、产品高层次的目标要求。 （2）用户需求（User Requirement），描述了用户使用产品必须要完成的任务，是用户对该软件产品的期望。业务需求和用户需求构成了用户原始需求文档的内容。 （3）功能需求（functional requirement），从系统操作的角度定义了开发人员必须实现的软件功能，来满足业务需求和用户需求。 （4）非功能需求包括产品必须遵从的标准、规范和合约以及性能要求等，它对于软件产品的整体质量和用户体验至关重要。

2. 需求工程（Requirement Engineering，RE）

需求工程包括需求开发和需求管理两大类活动。 1）需求开发包括:需求获取，需求分析，需求定义，需求验证这些主要活动; 2）需求管理包括:变更控制、版本控制、需求跟踪和需求状态跟踪这些活动。

需求抽取和分析的过程主要分为以下四个步骤:1.需求发现和理解;2.需求分类和组织;3.需求优先级排序和协商;4.需求文档化。 需求抽取有两个基本的方法:1.访谈，开发者和其他人谈论他们做的事情。2.观察或人种学调查，观察人们做自己的工作来了解他们使用哪些制品、他们如何使用这些制品等。

3. 软件需求规格说明书（Software Requirement Specification，SRS）

SRS具体包括功能需求、非功能需求和约束。约束包括设计约束和过程约束。批准的SRS是需求开发和需求管理之间的桥梁。

需求开发的结果应该有项目视图和范围文档、用例文档和SRS，以及相关的分析模型。经评审批准，这些文档就定义了开发工作的需求基线。这个基线在客户和开发人员之间就构成了软件需求的一个约定，它是需求开发和需求管理之间的桥梁。

4. 需求管理

需求管理是一个对系统需求变更、了解和控制的过程，包括变更控制、版本控制、需求跟踪、需求状态跟踪等活动。 需求管理的目标是为软件需求建立一个基线，提供给软件工程和管理使用：软件计划、产品和活动与软件需求保持一致。

需求跟踪包括编制每个需求与系统元素之间的联系文档，这些元素包括其它需求、体系结构、设计部件、源代码模块、测试、帮助文件和文档等。需求跟踪一般采用需求跟踪矩阵做跟进工作，跟踪矩阵将从需求源头一直跟进到最终的软件产品。

在初步的业务需求描述已经形成的前提下，基于UML的需求分析过程大致可分为以下步骤: ①利用用例及用例图表示需求。从业务需求描述出发获取执行者和场景;对场景进行汇总、分类、抽象，形成用例;确定执行者与用例、用例与用例图之间的关系，生成用例图。 ②)利用包图和类图表示目标软件系统的总体框架结构。根据领域知识、业务需求描述和既往经验设计目标软件系统的顶层架构;从业务需求描述中提取“关键概念”，形成领域概念模型;从概念模型和用例出发，研究系统中主要的类之间的关系，生成类图。

5. 需求获取

需求获取是获得系统必要的特征，或者是获得用户能接受的、系统必须满足的约束。需求获取的基本步骤：

（1）开发高层的业务模型。（2）定义项目范围和高层需求。（3）识别用户角色和用户代表。（4）获取具体的需求。（5）确定目标系统的业务工作流。（6）需求整理与总结。

需求获取的方法包括用户面谈、需求专题讨论会、问卷调查、现场观察、原型化方法和头脑风暴法等。

6. 需求变更

需求的变更遵循以下流程: (1)问题分析和变更描述。这是识别和分析需求问题或者一份明确的变更提议，以检查它的有效性，从而产生一个更明确的需求变更提议。 (2)变更分析和成本计算。使用可追溯性信息和系统需求的一般知识，对需求变更提议进行影响分析和评估。变更成本计算应该包括对需求文档的修改、系统修改的设计和实现的成本。一旦分析完成并且被确认，应该进行是否执行这一变更的决策。 (3)变更实现。这要求需求文档和系统设计以及实现都要同时修改。如果先对系统的程序做变更，然后再修改需求文档，这几乎不可避免地会出现需求文档和程序的不一致。

图7.6 需求变更管理过程

7. 变更控制委员会（Change Control Board，CCB）

CCB由项目所涉及的多方成员共同组成，通常包括用户和实施方的决策人员。CCB是决策机构，不是作业机构，通常CCB的工作是通过评审手段来决定项目是否能变更，但不提出变更方案。过程及操作步骤为制定决策、交流情况、重新协商约定。

8. 需求跟踪

需求跟踪提供了由需求到产品实现整个过程范围的明确查阅的能力。需求跟踪的目的是建立与维护需求一设计一编程一测试之间的一致性，确保所有的工作成果符合用户需求。需求跟踪有正向跟踪和逆向跟踪两种方式，合称为双向跟踪。不论采用何种跟踪方式，都要建立与维护需求跟踪矩阵。

需求跟踪有两种方式: (1)正向跟踪。检查《产品需求规格说明书》中的每个需求是否都能在后继工作成果中找到对应点。 (2)逆向跟踪，检查设计文档、代码、测试用例等工作成果是否都能在《产品需求规格说明书》中找到出处。

需求跟踪包括编制每个需求与系统元素之间的联系文档，这些元素包括别的需求、体系结构、其他设计部件、源代码模块、测试、帮助文件和文档等。跟踪能力信息使变更影响分析十分便利，有利于确认和评估实现某个建议的需求变更所必须的工作。 利用需求跟踪能力链（traceabilitylink）可以跟踪一个需求使用的全过程，也就是从初始需求到实现的前后生存期。跟踪能力是优秀需求规格说明书的一个特征，为了实现跟踪能力，必须统一地标识出每一个需求，以便能明确地进行查阅。 1）客户需求向前追溯到软件需求。这样就能区分出开发过程中或者开发结束后，由于客户需求变更受到影响的软件需求，这也就可以确保软件需求规格说明包括了所有客户需求。 2）从软件需求回溯响应的客户需求。这也就是确认每个软件需求的源头。如果使用实例的形式来描述客户需求，那么客户需求与软件需求之间的跟踪情况就是使用实例和功能性需求。 3）从软件需求向前追溯到下一级工作产品。由于开发过程中系统需求转变为软件需求、设计、编码等，所以通过定义单个需求和特定的产品元素之间的（联系）链，可以从需求向前追溯到下一级工作产品。这种联系链告诉我们每个需求对应的产品部件，从而确保产品部件满足每个需求。 4）从产品部件回溯到软件需求。说明了每个部件存在的原因。如果不能把设计元素、代码段或测试回溯到一个需求，可能存在“画蛇添足”的程序。然而，如果这些孤立的元素表明了一个正当的功能，则说明需求规格说明书漏掉了一项需求。

9. 联合需求计划（Joint Requirement Planning，JRP）

JRP是一个通过高度组织的群体会议来分析企业内的问题并获取需求的过程，它是联合应用开发（JAD）的一部分。JRP的主要意图是收集需求，而不是对需求进行分析和验证。实施JRP时应把握以下主要原则：在JRP实施之前，应制定详细的议程，并严格遵照议程进行；按照既定的时间安排进行；尽量完整地记录会议期间的内容；在讨论期间尽量避免使用专业术语；充分运用解决冲突的技能；会议期间应设置充分的间歇时间；鼓励团队取得一致意见；保证参加JRP的所有人员能够遵守实现约定的规则。

10. 系统建议方案

根据项目规模的大小，系统方案既可以单独形成文档(系统建议方案报告、系统方案说明书)，也可以合并到可行性研究报告中。如果单独形成文档，其内容和格式与可行性研究报告也是类似的。作为一个正式文档，系统建议方案报告至少应该包含以下内容: (1)前置部分。包括标题、目录和摘要。摘要部分以1~2页的篇幅总结整个系统建议方案报告，提供系统方案中的重要时间、地点、人物、原因，以及系统方案是如何实现的等信息。因为多数高层管理人员没有时间读完整个报 告，他们可能只阅读摘要。因此，摘要部分显得特别重要。 (2)系统概述。包括系统建议方案报告的目的、对问题的陈述、项目范围和报告内容的叙述性解释。 (3)系统研究方法。简要地解释系统建议方案报告中包含的信息是如何得到的，研究工作是如何进行的。例如通过各种调查技术获取用户初步需求，通过座谈和观察获取现有系统的资料等。 (4)候选系统方案及其可行性分析。系统阐述每个候选系统方案，并采用合适的方法进行可行性评价。 (5)建议方案。在对各个候选系统方案进行可行性评价之后，通常会推荐一个解决方案，并且要给出推荐该解决方案的理由。 (6)结论。简要地描述摘要的内容，再次指出系统开发的目标和所建议的系统方案。同时，需要再次强调项目的必要性和可行性，以及系统建议方案报告的价值。 (7)附录。系统分析师认为阅读者可能会感兴趣的所有信息，但这些信息对于理解系统建议方案报告的内容来说不是必要的。

7.3 系统分析与设计（SASD、SD、面向对象、设计模式、逆向、高内聚低耦合）

【基础知识点】 （1）结构化建模方法。结构化建模方法是以过程为中心的技术，可用于分析一个现有的系统以及定义新系统的业务需求。结构化建模方法的基本工具是数据流图(DFD)。 （3）面向对象建模方法。面向对象建模方法将”数据”和“过程“集成到被称为“对象”的结构中，消除了数据和过程的人为分离现象。面向对象建模方法所创建的模型被称为对象模型。随着面向对象技术的不断发展和应用，形成了面向对象的建模标准，即UML(统一建模语言)。UML定义了这些模型图以对象的形式共建一个信息系统或应用系统。 （3）信息建模方法。信息建模方法是从数据的角度对现实世界建立模型，模型是现实系统的一个抽象，它强调在分析和研究过程需求之前，首先研究和分析数据需求。信息建模方法的基本工具是实体联系图(ERD)。

软件设计包括四个既独立又相互联系的活动，即数据设计、软件结构设计、人机界面设计和过程设计，这四个活动完成以后就得到了全面的软件设计模型。 1）数据设计：将模型转换成数据结构的定义。好的数据设计将改善程序结构和模块划分，降低过程复杂性。 2）软件结构设计：定义软件系统各主要部件之间的关系。 3）人机界面设计：软件内部，软件和操作系统间以及软件和人之间如何通信。 4）过程设计：系统结构部件转换成软件的过程描述。

1. 结构化方法（Structured Analysis and Structured Design，SASD）

结构化方法又称为面向功能的软件开发方法或面向数据流的软件开发方法。针对软件生存周期各个不同的阶段，有结构化分析、结构化设计和结构化编程等方法。

（1）结构化分析（Structured Analysis，SA）。SA利用图形表达用户需求中的功能需求，是一种面向数据流的需求分析方法，其基本思想是自顶向下逐层分解。结构化分析具体的建模过程及步骤为明确目标、确定系统范围、建立顶层DFD图、构建第一层 DFD 分解图、开发 DFD 层次结构图、检查确认 DFD 图。DFD 图需要满足规则：父图数据流必须在子图中出现；一个处理至少有一个输入流和一个输出流；一个存储必定有流入和流出；一个数据流至少有一端是处理端；模型表达的信息是全面的、完整的、正确的和一致的。

在结构化分析中，主要进行三个方面的建模:功能建模、行为建模和数据建模。功能建模一般采用DFD，行为建模一般采用状态转换图，数据建模一般采用ER图。使用的手段主要有数据流图（Data Flow Diagram，DFD）、数据字典、结构化语言、判定表以及判定树等。 ①数据流图是进行结构化分析时所使用的模型，是表达系统内数据的流动并通过数据流描述系统功能的一种方法。由4种基本元素组成：数据流、处理/加工、数据存储和外部项。 ②数据字典（Data Dictionary） 是一种标记用户可以访问的数据项和元数据的目录，是对系统中使用的所有数据元素定义的集合，包括数据项、数据结构、数据流、数据存储和处理过程。是在DFD的基础上，对DFD中出现的所有命名元素都加以定义，使得每个图形元素的名字都有一个确切的解释。

1）功能建模是使用功能点的概念来描述系统的功能，并将其分解为各个子功能，以明确系统的功能需求，常用的方法有数据流图(DFD)。DFD描绘信息流和数据输入输出的移动过程。 2）行为建模是描述系统的行为和交互方式，常用的方法有状态转换图(STD)。STD通过描述系统的状态及引起系统状态转换的事件，表示系统的行为。 3）数据建模是通过建立数据模型来描述系统所涉及的数据以及数据之间的关系，通常使用实体关系图(E-R图) 来表示实体之间的关系和属性。E-R图提供了表示实体类型、属性和联系的方法。

（2）结构化设计（Structured Design，SD）。SD 是一种面向数据流的设计方法，以 SRS 和 SA 阶段所产生的数据流图和数据字典等文档为基础，包括架构设计、接口设计、数据设计和过程设计等任务，是一个自顶向下、逐步求精和模块化的过程。 ①架构设计:定义软件系统备主要部件之间的关系。 ①数据设计:将模型转换成数据结构的定义。好的数据设计将改善程序结构和模块划分，降低过程复杂性。 ③接口设计 (人机界面设计) :软件内部，软件和操作系统之间以及软件和人之间如何通信。 ④过程设计:系统结构部件转换成软件的过程描述。确定软件各个组成部分内的算法及内部数据结构，并选定某种过程的表达形式来描述各种算法。

SD 分为概要设计和详细设计两个阶段。 ①概要设计（外部设计） 的主要任务是将软件需求转化为数据结构和软件系统结构。确定软件系统的结构，对系统进行模块划分，确定每个模块的功能、接口和模块之间的调用关系，又称为模块结构图，反映了系统的总体结构。图形有模块结构图、层次图和HIPO图 1）HIPO图(HierarchyplusInput- Process- Output，HIPO)是IBM公司于20世纪70年代中期在层次结构图的基础上推出的一种描述系统结构和模块内部处理功能的工具。HIPO图由层次结构图和IPO图两部分构成， ①层次结构图描述整个系统的设计结构以及各类模块之间的关系 ②IPO图是指结构化设计中变换型结构的输入(Input)、加工(Processing)、输出(Output)。IPO图是对每个模块进行详细设计的工具，它是输入加工输出(INPUT PROCESS OUTPUT)图的简称。主体是处理过程说明，可以采用流程图、判定树/表等来进行描述。

②详细设计（内部设计）的主要任务是为每个模块设计实现的细节。详细设计的表示工具有图形工具、表格工具和语言工具。图形有业务流图、程序流程图（PFD）、问题分析图（Problem Analysis Diagram，PAD）、NS流程图等。 1）N-S图，也被称为盒图或NS图（Nassi- Shneiderman图）。一种在流程图中完全去掉流程线，全部算法写在一个矩形阵内，容易表示嵌套关系和层次关系，并具有强烈的结构化特征。NS图几乎是流程图的同构，任何的NS图都可以转换为流程图，而大部分的流程图也可以转换为NS图 2）PAD 图（Problem Analysis Diagram，问题分析图），也叫问题分析图，用二维树形结构的图表示程序的控制流。PAD图的特点：①自顶向下、逐步分解，适合和结构化程序设计相结合。②用嵌套矩形块来表示控制结构，而不是像流程图那样大量用箭头。③强调顺序、选择、循环三大基本控制结构。 3）程序流程图（Program Flow Diagram）是一种 用图形化符号 描述程序逻辑流程的工具。通过 框图（矩形、菱形、箭头等） 表示程序的步骤、判断、循环等控制结构。直观展示了程序从开始到结束的 执行顺序 和 分支路径。

在SD中，模块是实现功能的基本单位，一般具有功能、逻辑和状态3 个基本属性。模块是指执行某一特定任务的数据结构和程序代码。通常将模块的结构和功能定义为其外部特性，将模块的局部数据和实现该模块的程序代码称为内部特性。模块独立是指每个模块完成相对独立的特定子功能，与其他模块之间的关系最简单。通常用内聚和耦合两个标准来衡量模块的独立性，其设计原则是“高内聚、低耦合”。

内聚表示模块内部各代码成分之间联系的紧密程度，内聚度从高到低的排序见表 7.2。

表7.2 模块的内聚类型 恭顺通过拾罗藕

耦合表示模块之间联系的程度，耦合度从低到高依次如表 7.1 所示。

表7.1 模块的耦合类型 飞速飙控通宫内

（3）结构化编程（Structured Programming，SP）。SP通过顺序、分支和循环三种基本的控制结构可以构造出任何单入口单出口的程序。SP强调：自顶向下，逐步细化；清晰第一，效率第二；书写规范，缩进格式；基本结构，组合而成。P原则：程序 $\coloneqq$ (算法) $^+$ (数据结构)。两者分开设计，以算法（函数或过程）为主。

（4）数据库设计（概念结构设计部分）。概念结构设计建立抽象的概念数据模型，通常采用实体-联系图（Entity Relationship Diagram，E-R图） 来表示。

2. 面向对象（Object-Oriented，OO）方法

（1）面向对象的分析方法（Object-Oriented Analysis，OOA）。 1）OOA模型由5个层次（主题层、对象类层、结构层、属性层和服务层）和5个活动（标识对象类、标识结构、定义主题、定义属性和定义服务）组成。 2）OOA的基本原则有抽象、封装、继承、分类、聚合、关联、消息通信、粒度控制和行为分析。 3）OOA的5个基本步骤：确定对象和类、确定结构、确定主题、确定属性、确定方法。 4）OOA主要由顶层架构图、用例与用例图、领域概念模型构成。

OOA大致上遵循如下5个基本步骤: (1)确定对象和类。这里所说的对象是对数据及其处理方式的抽象，它反映了系统保存和处理现实世界中某些事物的信息的能力。类是多个对象的共同属性和方法集合的描述，它包括如何在一个类中建立一个新对象的描述, (2)确定结构。结构是指问题域的复杂性和连接关系。类成员结构反映了泛化-特化关系，整体-部分结构反映整 本和局部之间的关系。 (3)确定主题。主题是指事物的总体概貌和总体分析模型。 (4)确定属性。属性就是数据元素，可用来描述对象或分类结构的实例，可在图中给出，并在对象的存储中指定 (5)确定方法。方法是在收到消息后必须进行的一些处理方法:方法要在图中定义，并在对象的存储中指定。对于每个对象和结构来说，那些用来增加、修改、删除和选择的方法本身都是隐含的(虽然它们是要在对象的存储中定义的，但并不在图上给出)，而有些则是显示的。答案选择B选项。

根据继承内容，继承可分为 1）取代继承(子对象在继承父对象特性后取代其位置)、 2）包含继承(子对象在完全继承父对象特性后，再继承其他对象的特性，使其能力不少于父对象)、 3）受限继承(子类继承父类功能进行限制，而不是扩展功能)和 4）特化继承(特化继承是指子类是父类的一个特殊版本，子类在父类的基础上进行更具体的定义和细化，但一般不会通过继承多个父类来扩展功能超出原单一父类范围)。

（2）面向对象设计方法（Object-Oriented Design，OOD）。在OOD中，数据结构和在数据结构上定义的操作算法封装在一个对象之中。 1）类封装了信息和行为，是具有相同属性、方法和关系的对象集合的总称。类可以分为3种类型： ①实体类：一般来说是一个名词，通常都是永久性需要存储的，例如教师、学生。 ②控制类：是用于控制用例工作的类，控制对象（控制类的实例）通常控制其他对象或协调其他对象的行为，例如登录验证。 ③边界类：用于封装在用例内、外流动的信息或数据流，例如窗口、通信协议、接口等。 2）设计模型则包含以包图表示的软件体系结构图、以交互图表示的用例实现图、完整精确的类图、针对复杂对象的状态图和用以描述流程化处理过程的活动图等。

（3）面向对象程序设计（Object-Oriented Programming，OOP）。OOP以对象为核心，该方法认为程序由一系列对象组成。 1）OOP的基本特点有封装、继承和多态。 ①封装是指将一个计算机系统中的数据以及与这个数据相关的一切操作组装到一起。 ②继承是指一个对象针对于另一个对象的某些独有的特点、能力进行复制或者延续。继承可以分为4类，分别为取代继承、包含继承、受限继承和特化继承。 ③多态指同一操作作用于不同的对象，可以产生不同的结果。 2）OOP的数据流图表示功能模型;状态图表示行为模型;ER图表示数据模型;

3）设计模式的分类 根据目的分类 ①创建型：单抽原件厂，用来创建对象 ②结构型：想代外祖试乔装，处理类或对象的组合 ③行为型：观摩解放、责备命中、厕撞蝶，描述类与对象之间怎样交互、怎样分配职责 根据作用范围分类:可分为类模式和对象模式 ①类模式用于处理类和子类的关系，这种关系通过继承建立，在编译时就确定了，是一种静态关系。 ②对象模式处理对象间的关系，具有动态关系。

分类	模式名称	描述	关键词
创建型	单例模式（Singleton）	确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。	唯一，全局
	工厂方法模式（Factory Method）	定义创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。	接口，子类决定
	抽象工厂模式（Abstract Factory）	提供一个接口，用于创建相关或依赖对象的家族，而无需指定其具体类。	产品族，系列对象
	建造者模式（Builder）	将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使同样的构建过程可以创建不同的表示。	复杂对象
	原型模式（Prototype）	通过复制已有对象来创建新对象，避免重复初始化。 允许对象在不了解创建对象的确切类以及如何创建细节的情况下创建自定义对象。	克隆，复制
结构型	适配器模式（Adapter）	将一个类的接口转换成客户期望的另一个接口，实现接口【不兼容】的类可以协同工作。	转换，兼容
	桥接模式（Bridge）	将抽象部分与实现部分分离，使它们可以独立变化。Abstraction 持有 Implementor 的引用；RefinedAbstraction 继承 Abstraction；ConcreteImplementorA / ConcreteImplementorB 实现 Implementor	分离，解耦
	装饰器模式（Decorator）	动态地给对象增加【额外功能】，而不改变其结构。比静态继承具有更大的灵活性	包装，增强
	组合模式（Composite）	将对象组合成树形结构，使用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。Component（抽象组件） 定义对象的统一接口； Leaf（叶子节点） 表示树形结构中的叶子对象（最小单元），没有子节点，实现抽象组件定义的操作。；Composite（组合节点） 表示树中的非叶子节点，可以包含子节点（Leaf 或 Composite），实现抽象组件接口，并负责对子节点的管理。	树形，整体-部分
	外观模式（Wrapper Facade）	为子系统中的一组接口提供一个一致的入口，简化系统使用。Client（客户端） 使用 Component 接口来操作对象（无须区分是叶子还是组合对象）。服务端程序应该在包装器外观的实例上调用需要的方法，然后将请求和请求的参数发送给操作系统API函数，调用成功后将结果返回，使用该模式提高了底层代码访问的一致性，但降低了服务端程序的调用性能。	门面，简化
	享元模式（Flyweight）	通过共享技术有效地支持大量细粒度对象，减少内存消耗。	共享，节省内存
	代理模式（Proxy）	为其他对象提供一种代理以控制对该对象的访问。	代理，中介
行为型	模板方法模式（Template Method）	定义算法的骨架，将某些步骤延迟到子类实现。	框架，步骤固定
	策略模式（Strategy）	定义一系列算法，将它们封装起来并使它们可以相互替换。	算法族，替换
	命令模式（Command）	将请求【封装】为对象，从而可用不同请求对客户进行参数化。	请求封装，解耦
	责任链模式（Chain of Responsibility）	很多对象由每一个对象对其下家的引用而连接起来形成一条链，将请求沿着处理链传递，直到有对象处理它为止。	传递，链式处理
	状态模式（State）	将每一个条件分支放入一个独立的类中，适用复杂逻辑关系 if 类1 else 类2	状态切换，行为变化
	观察者模式（Observer）	定义对象间一对多依赖，当一个对象状态发生改变时，通知所有依赖它的对象。	发布-订阅，通知
	中介者模式（Mediator）	用一个中介对象封装一组对象的交互，减少对象间的依赖关系。	中心，调度
	迭代器模式（Iterator）	提供一种顺序访问聚合对象元素的方法，而不暴露其内部表示。	遍历，顺序访问
	访问者模式（Visitor）	封装作用于某对象结构中的各元素的操作，使你可以在不改变类的前提下定义新操作。	新操作，分离访问
	备忘录模式（Memento）	在不破坏封装性的前提下，捕获对象的内部状态，以便以后恢复。	备份，恢复
	解释器模式（Interpreter）	为某种语言定义文法，并提供解释器来解释该语言中的句子。	语法，解释执行

4）设计原则： ①单一职责原则：设计目的单一的类，只完成一个职能，关系简单，使系统达到高内聚低耦合 ②开闭原则：对扩展开放，对修改封闭，防止破坏原有代码的功能 ③李氏(Liskov)替换原则：子类可以替换父类，泛化关系，子类不能重写父类的方法 ④依赖倒置原则：要依赖于抽象，而不是具体实现，针对接口编程，不要针对实现编程，防止过度耦合，灵活性、可扩展性都会更好 ⑤接口隔离原则：使用多个专门的接口比使用单一的总接口要好 ⑥组合重用原则：要尽量使用组合，而不是继承关系达到重用目的，防止继承的紧耦合 ⑦迪米特(Demeter)原则(最少知识原则)：一个对象1.应当对其他对象有尽可能少的了解，信息隐蔽原则。信息隐蔽是开发整体程序结构时使用的法则，即将每个程序的成分隐蔽或封装在一个单一的设计模块中，定义每一个模块时尽可能少地显露其内部的处理。在设计时首先列出一些可能发生变化的因素，在划分模块时将一个可能发生变化的因素隐蔽在某个模块的内部，使其他模块与这个因素无关。在这个因素发生变化时，只需修改含有这个因素的模块，而与其他模块无关。信息隐蔽原则对提高软件的可修改性、可测试性和可移植性都有重要的作用。

（4）数据持久化与数据库。永久保存对象的状态，需要进行对象的持久化（Persistence），把内存中的对象保存到数据库或可永久保存的存储设备中。在多层软件设计和开发中采用持久层（Persistence Layer）专注于实现数据持久化，将对象持久化到关系数据库中，需要进行对象/关系的映射（Object/Relation Mapping，ORM）。目前主流的持久化技术框架包括 Hibernate、iBatis/Mybatis和JDO等。

1）Hibernate：是一个开源的全自动的ORM框架，对JDBC进行了非常轻量级的对象封装，提供抽象的HQL可以自动生成不同数据库的SQL语句，优点是具有跨数据库平台的特性。 2）iBatis/Mybatis：提供手动的ORM实现，需要程序员手写SQL，优点是可以结合特定的数据库特性深度优化。 3）Java数据对象（JavaDataObject，JDO）：是Java标准中的持久化API，提供了透明的对象存储，并且不仅仅支持关系数据库，还支持普通文件、XML文件和对象数据库等。

1. 软件重用

其他设计方法如构件与软件重用。软件重用是使用已有软件产品来开发新的软件系统的过程，分为水平式重用和垂直式重用两种类型，见表7.3。

表7.3 软件重用类型

4. 逆向工程（Reverse Engineering）

逆向工程是通过分析已有的程序，寻求比源代码更高级的抽象表现形式（比如文档）的活动，是在不同抽象层级中进行的溯源行为。一般认为，凡是在软件生命周期内将软件某种形式的描述转换成更为抽象形式的活动都可称为逆向工程。与之相关的概念是: 1）重构(restructuring)，指在同一抽象级别上转换系统描述形式; 2）设计恢复(designrecovery)，指借助工具从已有程序中抽象出有关数据设计、总体结构设计和过程设计的信息(不一定是原设计): 3）再工程(re-engineering)，也称修复和改造工程，它是在逆向工程所获信息的基础上修改或重构已有的系统，产生系统的一个新版本。

表7.4 逆向工程信息恢复的级别

1. 形式化方法

形式化方法是一种具有坚实数学基础的方法，从而允许对系统和开发过程做严格处理和论证，适用于那些系统安全级别要求极高的软件的开发。形式化方法的主要优越性在于它能够数学地表述和研究应用问题及软件实现。但是它要求开发人员具备良好的数学基础。用形式化语言书写的大型应用问题的软件规格说明往往过于细节化，并且难以为用户和软件设计人员所理解。由于这些缺陷，形式化方法在目前的软件开发实践中并未得到普遍应用。净率软件工程(Cleanroom Software Enaineering，CSE)是软件开发的一种形式化方法，可以开发较高质量的软件。它使用盒结构规约进行分析和建模，并且将正确性验证作为发现和排除错误的主要机制，使用统计测试来获取认证软件可靠性所需要的信息。CSE强调在规约和设计上的严格性，还强调统计质量控制技术，包括基于客户对软件的预期使用测试。

7.4 软件测试（黑盒白盒、确认测试）

【基础知识点】

1. 软件测试的目的

测试是确保软件的质量，确认软件以正确的方式做了用户所期望的事情。软件测试通常在规定的时间和成本内完成，以尽量多地发现漏洞，但不能保证发现所有的漏洞。软件测试过程主要有:分析需求文档、测试用例设计、测试执行过程、测试结果分析、形成测试报告。而软件测试周期并行与软件生命周期，存在于软件生命周期的各个阶段。

2. 测试分类

1）以测试过程中程序执行状态为依据可分为静态测试和动态测试，静态测试和动态测试是按是否运行程序划分的 2）以具体实现算法细节和系统内部结构的相关情况为根据可分黑盒测试、白盒测试和灰盒测试3类; 3）从程序执行的方式来分类，可分为人工测试和自动化测试。 4）而功能测试、性能测试、验收测试、压力测试等属于按测试目标或质量特性划分的类别。

（1）根据程序执行状态可分为静态测试（Static Testing，ST）和动态测试（Dynamic Testing，DT）。

静态测试工具是对代码进行语法扫描，找到不符合编码规范的地方，根据某种质量模型评价代码的质量，生成系统的调用关系图等。它直接对代码进行分析，不需要运行代码，也不需要对代码编译链接和生成可执行文件，静态测试工具可用于对软件需求、结构设计、详细设计和代码进行评审、走审和审查，也可用于对软件的复杂度分析、数据流分析、控制流分析和接口分析提供支持。 包括桌前检查(桌面检查)、代码走查、代码审查等方式。

静态分析通过解析程序文本从而识别出程序语句的各个部分，审查可能的缺陷和异常之处，静态分析包括五个阶段： 1）控制流分析阶段找出并突出显示那些带有多重出口或入口的循环以及不可达到的代码段；使用控制流图系统地检査程序的控制结构。按照结构化程序规则和程序结构的基本要求进行程序结构检査。控制流图描述了程序元素和它们的执行顺序之间的联系。一个程序元素通常是一个条件、一个简单的语句，或者一块语句(多个连续语句)。 2）数据流分析阶段突出程序中变量的使用情况；用数据流图来分析数据处理的异常现象(数据异常)，这些异常包括初始化、赋值、或引用数据等的序列的异常。 3）接口分析阶段检查子程序和过程声明及它们使用的一致性；程序的接口分析涉及子程序以及函数之间的接口一致性，包括检査形参与实参类型、个数、维数、顺序的一致性。当子程序之间的数据或控制传递使用公共变量块或全局变量时，也应检査它们的一致性。 4）表达式分析括号不匹配，数组引用越界，除数为零。 5）信息流分析阶段找出输入变量和输出变量之间的依赖关系； 6）路径分析阶段找出程序中所有可能的路径并画出在此路径中执行的语句。

动态测试工具与静态测试工具不同，它需要运行被测试系统，并设置探针，向代码生成的可执行文件中插入检测代码，可用于软件的覆盖分析和性能分析，也可用于软件的模拟、建模、仿真测试和变异测试等。包括黑盒测试、白盒测试。

（2）根据是否关注具体实现和内部结构可分为黑盒测试、白盒测试和灰盒测试。

①黑盒测试也称为功能测试，主要用于集成测试，确认测试和系统测试阶段。黑盒测试根据软件需求规格说明所规定的功能来设计试用例，一般包括功能分解、等价类划分、边界值分析、判定表、因果图、状态图、随机测试、错误推测和正交试验法等。 1）等价类划分是用得最多的一种黑盒测试方法。所谓等价类就是某个输入域的集合，对每一个输入条件确定若干个有效等价类和若干个无效等价类，分别设计覆盖有效等价类和无效等价类的测试用例。无效等价类是用来测试非正常的输入 数据的，所以要为每个无效等价类设计一个测试用例。 2）边界值分析通过选择等价类边界作为测试用例，不仅重视输入条件边界，而且也必须考虑输出域边界。在实际测试工作中，将等价类划分法和边界值分析结合使用，能更有效地发现软件中的错误。 3）因果图方法是从用自然语言书写的程序规格说明的描述中找出因（输入条件）和果 （输出或程序状态的改变），可以通过因果图转换为判定表。 4）正交试验设计法，就是使用已经造好了的正交表格来安排试验并进行数据分析的一种方法，目的是用最少的测试用例达到最高的测试覆盖率。 5）判定表：最适合描述在多个逻辑条件取值的组合所构成的复杂情况下，分别要执行哪些不同的动作。

②白盒测试也称为结构测试，主要用于软件单元测试阶段，测试人员按照程序内部逻辑结构设计测试用例，检测程序中的主要执行通路是否都能按预定要求正确工作。白盒测试方法主要有控制流测试、数据流测试和程序变异测试等。 控制流测试根据程序的内部逻辑结构设计测试用例，常用的技术是逻辑覆盖。主要的覆盖标准有语句覆盖、判定覆盖、条件覆盖、条件/判定覆盖、条件组合覆盖、修正的条件/判定覆盖和路径覆盖等。 1）语句覆盖是指选择足够多的测试用例，使得运行这些测试用例时，被测程序的每个语句至少执行一次。 2）判定覆盖也称为分支覆盖，它是指不仅每个语句至少执行一次，而且每个判定的每种可能的结果（分支）都至少执行一次。 3）条件覆盖是指不仅每个语句至少执行一次，而且使判定表达式中的每个条件都取得各种可能的结果。 4）条件/判定覆盖同时满足判定覆盖和条件覆盖。它的含义是选取足够的测试用例，使得判定表达式中每个条件的所有可能结果至少出现一次，而且每个判定本身的所有可能结果也至少出现一次。 5）条件组合覆盖是指选取足够的测试用例，使得每个判定表达式中条件结果的所有可能组合至少出现一次。 6）修正的条件/判定覆盖。需要足够的测试用例来确定各个条件能够影响到包含的判定结果。 7）路径覆盖是指选取足够的测试用例，使得程序的每条可能执行到的路栏都至少经过一次（如果程序中有环路，则要求每条环路路径至少经过一次）。测试时既会参考 外部功能需求，也会结合 部分代码实现、架构设计、接口定义 等信息来设计用例。

③灰盒测试是一种结合黑盒与白盒特点的测试方法。测试人员部分了解系统的内部结构或逻辑（不像黑盒完全不知，也不像白盒完全透明）。测试时既会参考外部功能需求，也会结合部分代码实现、架构设计、接口定义 等信息来设计用例。灰盒测试的特点： 1）信息获取：测试人员可能知道数据结构、数据库设计、接口文档、关键算法的大致逻辑。但不需要掌握所有源代码。 2）测试角度：外部：验证功能是否符合需求（类似黑盒）。内部：通过已知部分逻辑，提高用例覆盖率，发现更隐蔽的缺陷（类似白盒）。 3）应用场景：接口测试（知道 API 协议和参数，但不完全清楚内部实现）。集成测试（理解模块间数据流）。安全测试（利用对内部逻辑的部分了解，进行漏洞挖掘）。

三者区别

（3）根据程序执行的方式来分类可分为人工测试（Manual Testing，MT）和自动化测试（Automatic Testing，AT）。

脚本技术 自动化测试工具主要使用脚本技术来生成测试用例，测试脚本不仅可以在功能测试上模拟用户的操作，比较分析而且可以用在性能测试、负载测试上。虚拟用户可以同时进行相同的、不同的操作，给被测软件施加足够的数据和操作，检查系统的响应速度和数据吞吐能力。 1）线性脚本，是录制手工执行的测试用例得到的脚本，这种脚本包含所有的击键、移动、输入数据等，所有录制的测试用例都可以得到完整的回放。 2）结构化脚本，类似于结构化程序设计，具有各种逻辑结构、函数调用功能。也允许其他脚本调用。 3）共享脚本可以在不同主机、不同共享脚本，共享脚本是指可以被多个测试用例使用的脚本系统之间共享，也可以在同一主机、同一系统之间共享。 4）数据驱动脚本，将测试输入存储在独立的(数据)文件中，而不是存储在脚本中。可以针对不同数据输入实现多个测试用例。 5）关键字驱动脚本，关键字驱动脚本是数据驱动脚本的逻辑扩展。它将数据文件变成测试用例的描述，采用一些关键字指走要执行的任务。

（4）从阶段上划分，软件测试可以分为单元测试、集成测试、系统测试和验收测试。 1）单元测试单元测试也称为模块测试，测试的对象是可独立编译或汇编的程序模块、软件构件或OO软件中的类(统称为模块)，其目的是检查每个模块能否正确地实现设计说明中的功能、性能、接口和其他设计约束等条件，发现模块内可能存在的各种差错。单元测试的技术依据是软件详细设计说明书。常采用白盒的静态测试如静态分析、代码审查等，也可以采用自动化的动态测试。 2）集成测试对通过单元测试的模块进行组装测试，以验证组装的正确性，一般采用白盒测试和黑盒测试结合的方法。从组装策略来看，集成测试可以分为一次性组装和增量式组装，增量式组装测试效果更好。集成测试计划一般在概要设计阶段完成。 3）系统测试检查组装完成的系统是否符合SRS的要求。主要测试内容包括功能测试、性能测试、健壮性测试、安全性测试等，结束标志是测试工作已满足测试目标所规定的需求覆盖率，并且测试所发现的缺陷都已全部归零。系统测试的依据是软件需求规格说明书。系统测试采用黑盒测试，以此来检查该系统是否符合软件需求。 ①恢复测试：恢复测试监测系统的容错能力。 ②安全性测试：系统的安全性测试是检测系统的安全机制、保密措施是否完善，主要是为了检验系统的防范能力。 ③强度测试：是对系统在异常情况下的承受能力的测试，是检查系统在极限状态下运行时，性能下降的幅度是否在允许的范围内。 ④性能测试：检査系统是否满足系统设计方案说明书对性能的要求。 ⑤安装测试：在安装软件系统时，会有多种选择。安装测试就是为了检测在安装过程中是否有误、是否容易操作等。 ⑥可靠性测试：通常使用以下两个指标来衡量系统的可靠性：平均失效间隔时间MTBF （mean time between failures）是否超过了规定的时限，因故障而停机时间MTTR （mean time to repairs）在一年中不应超过多少时间。 4）验收测试是确认系统满足用户需求或者协议的要求，确保系统能支撑业务运行。

（5）根据测试目的不同，性能测试主要包括压力测试、负载测试、并发测试和可靠性测试等 ①强度测试:是在系统资源特别低的情况下考查软件系统极限运行情况。 ②负载测试:用于测试超负荷环境中程序是否能够承担，确定在各种工作负载下系统的性能，测试当负载逐渐增加时，系统各项性能指标的变化情况。 ③压力测试:通过确定系统的瓶颈或不能接收的性能点，来获得系统能够提供的最大服务级别的测试。负载测试和压力测试可以结合进行，统称为负载压力测试。 ③容量测试:并发测试也称为容量测试，主要用于测试系统可同时处理的在线最大用户数量。

（6）确认测试主要用于验证软件的功能、性能和其他特性是否与用户需求一致。根据用户的参与程度，通常包括以下4种类型： 1）内部确认测试。内部确认测试主要由软件开发组织内部按照软件需求规格说明书进行测试。 2）α测试和β测试。对于通用产品型的软件开发而言，α测试是指由用户在开发环境下进行测试，通过α测试以后的产品通常称为α版；β测试是指由用户在实际使用环境下进行测试，通过β测试的产品通常称为β版。一般在通过β测试后，才能把产品发布或交付给用户。 3）验收测试。验收测试是指针对软件需求规格说明书，在交付前以用户为主进行的测试。其测试对象为完整的、集成的计算机系统。验收测试的目的是，在真实的用户工作环境下，检验软件系统是否满足开发技术合同或软件需求规格说明书。验收测试的结论是用户确定是否接收该软件的主要依据。 4）系统测试的目的是在真实系统工作环境下，验证完整的软件配置项能否和系统正确连接，并满足系统/子系统设计文档和软件开发合同规定的要求。系统测试的主要内容包括功能测试、健壮性测试、性能测试、用户界面测试、安全性测试、安装与反安装测试等。其中性能测试包括负载测试、压力测试、可靠性测试和并发测试。

（7）回归测试 目的是确认新修改没有引入新的缺陷，并且原有的功能仍能正常工作。例如：修复了某个 bug，除了确认 bug 修复成功，还需要在相关模块和系统范围内执行已有用例，看是否出现连锁反应。关注点：系统整体的稳定性和一致性。

和确认测试对比：

（8）其他测试还有AB测试、Web测试、链接测试和表单测试等。

1. 测试模块 1）驱动模块是用来模拟被测试模块的上一级模块，相当于被测模块的主程序。它接收数据，将相关数据传送给被测模块，启用被测模块，并打印出相应的结果。 2）桩模块(Stub)是指模拟被测试的模块所调用的模块，而不是软件产品的组成的部分。主模块作为驱动模块，与之直接相连的模块用桩模块代替。在集成测试前要为被测模块编制一些模拟其下级模块功能的"替身”模块，以代替被测模块的接口，接收或传递被测模块的数据，这些专供测试用的"假"模块称为被测模块的模块。

2. 软件测试与调试区别

7.5 净室软件工程

净室软件工程（Cleanroom Software Engineering，CSE）是一种在软件开发过程中强调在软件中建立正确性的需要的方法。CSE的理论基础主要是函数理论和抽样理论。CSE使用盒子结构规约进行分析和设计建模，并且强调将正确性验证（而不是测试） 作为发现和消除错误的主要机制，使用统计测试来获取认证软件可靠性所需要的信息。CSE强调在规约和设计上的严格性，还强调统计质量控制技术，包括基于客户对软件的预期使用测试。可以生成质量非常高的软件。CSE的缺点是太理论化、忽视测试、带有传统软件工程的弊端。

净室软件工程(Cleanroom Software Engineering，CSE)是软件开发的一种形式化方法，可以开发较高质量的软件。它使用盒结构归约进行分析和建模，并且将正确性验证作为发现和排除错误的主要机制，使用统计测试来获取认证软件可靠性所需要的信息。 CSE 强调在规约和设计上的严格性，以及使用基于数学的正确性证明来对设计模型的每个元素进行形式化验证,作为对形式化方法中的扩展，CSE还强调统计质量控制技术，包括基于客户对软件的预期使用的测试。CSE 的理论基础是函数理论和抽样理论，所采用的技术手段主要有以下四个方面: 1）统计过程控制下的增量式开发。 2）基于函数的规范、设计。CSE 按照函数理论定义了三种抽象层次，分别是行为视图、有限状态机视图和过程视图，规范从一个外部行为视图(称为黑盒)开始，然后被转化为一个状态机视图(称为状态盒)，最后由一个过程视图(明盒)来实现，盒结构是基于对象的，并支持软件工程的关键原则，即信息隐藏、接口与实现分离。 3）正确性验证。正确性验证是 CSE的核心，正是由于采用了这一技术，软件质量才有了极大的提高。 4）统计测试和软件认证。CSE 在测试方面采用统计学的基本原理，即当总体太大时必须采取抽样的方法。首先，确定一个使用模型来代表系统所有可能使用的(一般是无限的)总体:然后，由使用模型产生测试用例。因为测试用例是总体的一个随机样本，所以可得到系统预期操作性能的有效的统计推导。

CSE 的主要缺点体现在以下三个方面: 1）对开发人员的要求比较高。CSE 要求采用增量式开发、盒结构和统计测试方法，开发人员必须经过强化训练才能掌握。 2）正确性验证的步骤比较困难，且比较耗时。 3）开发小组不进行传统的模块测试，这是不现实的。程序员可能对编程语言和开发环境还不熟悉，而且编译器或操作系统的缺陷也可能导致未预期的错误。

7.6 基于构件的软件工程（CBSE、构件）

1. 定义

基于构件的软件工程（Component-Based Software Engineering，CBSE） 是一种基于分布对象技术、强调通过可复用构件设计与构造软件系统的软件复用途径。用于CBSE的构件应该具备以下特征：

（1）可组装型：所有外部交互必须通过公开定义的接口进行。 （2）可部署性：必须能作为一个独立实体在提供其构件模型实现的构件平台上运行。 （3）文档化：构件必须是完全文档化的。 （4）独立性：构件应该是独立的，如确实需要其他构件提供服务，则应显示声明。 （5）标准化：必须符合某种标准化的构件模型。

2. 构件模型

构件模型定义了构件实现、文档化以及开发的标准。目前主流的构件模型是 Web Services 模型、Sun 公司的 EJB 模型和微软的.NET 模型。构件模型包含了一些模型要素如接口、使用信息和部署信息。构件模型提供了一组被构件使用的通用服务，包括平台服务和支持服务。容器是构件模型基础设施，是支持服务的一个实现加上一个接口定义，构件必须提供该接口定义以便和容器整合在一起。

基于构件的开发模型利用模块化方法将整个系统模块化，并在一定构件模型的支持下复用构件库中的一个或多个软件构件，通过组合手段高效率、高质量地构造应用软件系统的过程。基于构件的开发模型融合了螺旋模型的许多特征，本质上是演化形的，开发过程是迭代的。基于构件的开发模型由软件的需求分析定义、体系结构设计、构件库建立、应用软件构建以及测试和发布5个阶段组成。

在基于构件的软件开发中： 1）逻辑构件模型用功能包描述系统的抽象设计，用接口描述每个服务集合，以及功能之间如何交互以满足用户需求，它作为系统的设计蓝图以保证系统提供适当的功能。接口是一个已命名的一组操作的集合。构件的客户(通常是其他构件)通过这些访问点 来使用构件提供的服务。通常来说，构件在不同的访问点有多个不同的接口。每一个访问 点会提供不同的服务，以迎合不同的客户需求,强调构件接口规范的合约性非常重要，因为构件和它的客户是在互不知情的情况下分别独立开发的，是合约提供了保证两者成功交互的公共中间层。 2）物理构件模型用技术设施产品、硬件分布和拓扑结构，以及用于绑定的网络和通信协议描述系统的物理设计，这种架构用于了解系统的性能、吞吐率等许多非功能性属性。 3）组件接口模型定义构件间调用方式 4）系统交互模型描述构件运行时的行为协作

面向构件的编程一般会涉及以下构件交互问题: (1)异步 当前的构件互连标准大都使用某种形式的事件传播机制作为实现构件实例装配的手段。其思想是相对简单的:构件实例在被期望监听的状态发生变化时发布出特定的事件对象;事件分发机制负责接收这些事件对象，并把它们发送给对其感兴趣的其他构件实例;构件实例则需要对它们感兴趣的事件进行注册，因为它们可能需根据事件对象所标志的变化改变其自身的状态。 (2)多线程 多线程是指在同一个状态空间内支持并发地进行多个顺序活动的概念。相对于顺序编程，多线程的引入为编程带来了相当大的复杂性。特别是，需要避免对多个线程共享的变量进行并发的读写操作可能造成的冲实。这种冲实也被称作数据竞争，因为两个或多个线程去竞争对共享变量的操作。线程的同步使用某种形式的加锁机制来解决此类问题，但这又带来了一个新的问题:过于保守的加锁或者错误的加锁顺序都可能导致死锁。 (3)多语言支持 面向构件编程会涉及多语言问题，在进行不同语言环境涉及互通，最佳状态是编程语言直接支持转发类的构造，则很多问题都能解决，编程的开销也将是最小的，但目前还没有主流的编程语言支持。 (4)调用者封装 语言支持带来的另外一个好处是接口定义。当构件对外提供一个接口时，可能会涉及两种不同的意图。一方面，构件外部的代码可能会调用这个接口中的操作。另一方面，构件内部的代码可能需要调用实现这个接口的一些操作。

1. CBSE过程

支持基于构件组装的软件开发过程主要包括：

（1）系统需求概览。（2）识别候选构件。（3）根据发现的构件修改需求。（4）体系结构设计。（5）构件定制与适配。（6）组装构件，创建系统。

CBSE过程与传统的软件开发过程的不同点：

（1）早期需要完整的需求，以便尽可能多地识别出可复用的构件。 （2）早期阶段根据可利用的构件来细化和修改需求以匹配CBSE。 （3）架构设计完成后，可能需要修改构件以适合功能和架构的需求。 （4）开发过程就是组装构件的过程，有时需要开发适配器。 （5）CBSE中的架构设计阶段特别重要，决定和限制了可选构件的范围。

4. 构件组装

常见的构件组装有顺序组装、层次组装和叠加组装3 种组装方式。构件组装可能面临接口不兼容的问题，常见的有参数不兼容、操作不兼容和操作不完备3 种。这时需要编写适配器构件来解决不兼容的问题。

7.7 软件项目管理（SQA、WBS、配置管理）

【基础知识点】

（1）软件进度管理一般包括活动定义、活动排序、活动资源估计、活动历时估计、制定进度计划和进度控制6 个过程。 （2）工作分解结构（Work Breakdown Structure，WBS） 是把一个项目，按一定的原则分解成任务，任务再分解成一项项工作，再把一项项工作分配到每个人的活动中，直到分解不下去为止。以可交付成果为导向，对项目要素进行的分组，总是处于计划过程的中心。 WBS分解只到工作包，并不会分解到活动。进行WBS分解时，对任务分解的基本要求为: 1）WBS 的工作包是可控和可管理的，不能过于复杂。 2）任务分解也不能过细，一般原则 WBS 的树形结构不超过6层。 3）每个工作包要有一个交付成果。 4）每个任务必须有明确定义的完成标准。 5）WBS 必须有利于责任分配。 （3）活动定义是指确定完成项目的各个可交付成果所必须进行的各项具体活动，还需要明确每个活动的前驱、持续时间、必须完成日期、里程碑或可交付成果。

（4）任务活动图是项目进度管理、项目成本管理等一系列项目管理活动的基础，通常采用甘特图等方式来展示和管理项目活动。

（5）软件配置管理（Software Configuration Management，SCM） 是一种标识、组织和控制修改的技术。SCM 的目的是使错误降为最小并最有效地提高生产效率。SCM 的核心内容包括版本控制和变更控制。 版本控制（Version Control）是指对软件开发过程中各种文件变更的管理，最主要的功能就是追踪和记录文件的变更、并行开发。 变更控制（Change Control） 是指对变更进行管理，确保变更有序进行。

配置管理工具的常见功能包括版本控制、变更管理、配置状态管理，访问控制和安全控制等。配置管理工具是包含了版本控制工具的。版本控制工具用来存储、更新、恢复和管理一个软件的多个版本。答案选择D选项。

软件系统工具的种类繁多，很难有统一的分类方法。通常可以按软件过程活动将软件工具分为软件开发工具、软件维护工具、软件管理和软件支持工具。 1）软件开发工具:需求分析工具、设计工具、编码与排错工具。 2）软件维护工具:版本控制工具、文档分析工具、开发信息库工具、逆向工程工具、再工程工具。 3）软件管理和软件支持工具:项目管理工具、配置管理工具、软件评价工具、软件开发工具的评价和选择。

产品配置是指一个产品在其生命周期各个阶段所产生的各种形式(机器可读或人工可读)和各种版本的文档、计算机程序、部件及数据的集合。该集合中的每一个元素称为该产品配置的一个配置项。配置项的状态有3种:“草稿”(Draft)、“正式发布”(Released)和“正在修改”(Changing) 产品配置项是构成产品配置的主要元素，配置项主要有以下两大类: 1）属于产品组成部分的工作成果:如需求文档、设计文档、源代码和测试用例等; 2）属于项目管理和机构支撑过程域产生的文档:如工作计划、项目质量报告和项目跟踪报告等。 这些文档虽然不是产品的组成部分，但是值得保存。所以选项C的工作计划虽可充当配置项，但不属于产品组成部分工作成果的配置项。

（6）软件质量管理。软件质量就是软件与明确地和隐含地定义的需求相一致的程度。 软件质量保证（Software Quality Assurance，SQA） 的目的是使软件过程对于管理人员来说是可见的。软件质量保证是软件质量管理的重要组成部分。软件质量保证主要是从软件产品的过程规范性角度来保证软件的品质。其主要活动包括:质量审计(包括软件评审)和过程分析。SQA 的主要任务是：1）SQA 审计与评审，包括对软件工作产品、软件工具和设备的审计，评审开发组的行为符合预定的过程。2）SQA 报告。3）处理不符合问题。 软件质量认证，国内软件企业主要采用的是 ISO 9001 和 CMM。

各个过程定义的负责人根据CMMI体系文件编写规范，完成相关文件的编写。相关文件自顶向下排列为: 1）方针文件:过程文件及其他相关文件都应遵循方针文件 2）过程文件:根据过程文件模板编制各PA过程文件，并对流程进行描述。 3）指南/规范文件:结合相应模板清晰说明如何完成这项工作，并说明对应的标准和需求。 4）模板文件:模板分为两类，一类是word文档模板，一类是excel表格模板。 Word文档:尽量利用公司现有的模板来制作，对需要填写替换的部分，给出具体解释或举例说明; Excel表格:主要用于需要自动计算数据的模板，对需要填写替换的部分，给出具体解释或举例说明。所以答案选择D选项。

（7）软件风险管理。软件项目风险是指在软件开发过程中遇到的预算和进度等方面的问题以及这些问题对软件项目的影响。风险管理的主要目标是预防风险，及应对发生的风险。风险管理活动可以分为： 1）Bochm把风险管理活动分成风险估计（风险辨识、风险分析、风险排序）和风险控制（风险管理计划、风险处理、风险监督）两大阶段。 2）Charette把风险分成分析（辨识、估计、评价）和管理（计划、控制、监督）两大阶段。

（8）时间管理 时间管理的过程包括:1、活动定义2、活动排序3、活动的资源估算4、活动历时估算5、制定计划6、进度控制

3点估算法：(乐观时间天数+最可能时间天数*4+保守天数）/6

（9）范围管理 在初步项目范围说明书中已文档化的主要的可交付物、假设和约束条件的基础上准备详细的项目范围说明书，是项目成功的关键。范围定义的输入包括以下内容: ① 项目章程。如果项目章程或初始的范围说明书没有在项目执行组织中使用，同样的信息需要进一步收集和开发，以产生详细的项目范围说明书。 ② 项目范围管理计划。 ③ 组织过程资产。 ④ 批准的变更申请。、

范围定义的输入包括: 1）范围管理计划:范围管理计划是项目管理计划的组成部分，确定了制定、监督和控制项目范围的各种活动。 2）项目章程:项目竟程中包含对项目和产品特征的概括性描述，以及项目审批要求，如果执行组织不使用项目音程则应取得或编制类似的信息，并用作制定详细范围说明书的基础。 3）需求文件使用需求文件来选择哪些需求将包含在项目中。 4）批准的变更申请。 5）组织过程资产 可能影响定义范围过程的组织过程资产包括(但不限于): ①用于制定项目范围说明书的政策、程序和模板; ②以往项目的项目档案: ③以往阶段或项目的经验教训。

（10） 成本管理 在项目的成本管理中，成本预算是将总的成本估算分配到各项活动和工作包上的过程，以此来建立一个成本的基线。成本预算是成本管理的一个关键步骤，它涉及将项目的总体成本估算细分为各个工作包或活动的成本估算，为项目的成本控制提供了基准。

（11）项目管理工具 项目管理工具用来辅助软件的项目管理活动。通常项目管理活动包括项目的计划、调度、通信、成本估算、资源分配及质量控制等。一个项目管理工具通常把重点放在某一个或某几个特定的管理环节上，而不提供对管理活动包罗万象的支持。 项目管理工具具有以下特征: (1)覆盖整个软件生存周期: (2)为项目调度提供多种有效手段; (3)利用估算模型对软件费用和工作量进行估算; (4)支持多个项目和子项目的管理; (5)确定关键路径，松弛时间，超前时间和滞后时间 (6)对项目组成员和项目任务之间的通信给予辅助; (7)自动进行资源平衡; (8)跟踪资源的使用; (9)生成固定格式的报表和剪裁项目报告。 成本估算工具就是一种典型的项目管理工具。

（12）数据安全治理 目标主要有三个:满足合规要求、管理数据安全风险、促进数据开发利用。这些目标旨在确保数据安全与业务发展的双向促进，同时保障组织在数据安全方面的合规性。

7.8 文档管理

软件系统的文档可以分为用户文档和系统文档两类。用户文档主要描述系统功能和使用方法，并不关心这些功能是怎样实现的；系统文档描述系统设计、实现和测试等各方面的内容。

软件需求开发的最终文档经过评审批准后，则定义了开发工作的需求基线（baseline）。这个基线在客户和开发者之间构筑了计划产品功能需求和非功能需求的一个约定（agreement）。需求约定是需求开发和需求管理之间的桥梁。

7.9 遗留系统

在坐标的四个象限内。对处在不同象限的遗留系统采取不同的演化策略: 1）改造策略。第一象限为高水平、高价值区，即遗留系统的技术含量较高且具有较高的商业价值，本身还有极大的生命力。改造策略在遗留系统的基础上，新增功能或做改进使用。 2）集成策略。第二象限 为高水平、低价值区，即遗留系统的技术含量较高，但其业务价值较低。形成了一个个信息孤岛，对这种遗留系统的演化策略为集成。 3）淘汰策略。第三象限为低水平、低价值区，即遗留系统的技术含量较低，且具有较低的业务价值。对这种遗留系统的演化策略为淘汰，即全面重新开发新的系统以代替遗留系统。 4）继承策略。第四象限 为低水平、高价值区，即遗留系统的技术含量较低，但具有较高的商业价值，对这种遗留系统的演化策略为继承。

移植工作大体上分为计划阶段、准备阶段、转换阶段、测试阶段、验证阶段。 1、计划阶段，在计划阶段，要进行现有系统的调査整理，从移植技术、系统内容(是否进行系统提炼等)、系统运行三个方面，探讨如何转换成新系统，决定移植方法，确立移植工作体制及移植日程。 2、准备阶段，在准备阶段要进行移植方面的研究，准备转换所需的资料。该阶段的作业质量将对以后的生产效率产生很大的影响。 3、转换阶段，这一阶段是将程序设计和数据转换成新机器能根据需要工作的阶段。提高转换工作的精度，减轻下一阶段的测试免担是提高移植工作效率的基本内容。 4、测试阶段，这一阶段是进行程序单元、工作单元测试的阶段。在本阶段要核实程序能否在新系统中准确地工作。所以，当有不能准确工作的程序时，就要回到转换阶段重新工作。 5、验证阶段，这是测试完的程序使新系统工作，最后核实系统，准备正式运行的阶段。

7.10 业务流程设计

业务流程建模方法主要有: 1）流程图(fow chan)，是最早用于业务流程的一种图形化描述方法，易学习、好理解，但存在无法清楚界定流程界限、不支持层次化描述业务流程等问题; 2）角色活动图(RoleActivity Diagram,RAD)和角色交互图(Role Interaction Diagram，RID)，擅长描述角色与活动、角色与角色的交互关系，但不支持层次化描述业务流程; 3）IDEFO和IDEF3，IDEF0描述业务流程做什么，但没指明谁做;IDEF3回答了怎么做，但描述复杂业务流程难度大; 4）高级Petri网有很强的数学基础，可以计算/仿真分析业务流程性能，但用户的学习难度大; 5）统一建模语言(Uniform Modeling Language，UML)活动图易学习和使用，但模型的仿真和分析能力差; 6）BPMN是一种以业务流程图的形式表示业务流程的图形方法，可以用其定义的一系列业务组件，组成业务流程图。

McCache 使用McCabe方法可以计算程序流程图的环形复杂度 方法一：环形复杂度V(G)=E-N+2，其中，E是流图中边的条数，N是结点数。 判定结点:1、3、6. 本题中，E=14，N=12，所以V(G)=14-12+2=4。 方法二：环形复杂度V(G)=P+1，其中，P是流图中判定结点的数目。判定结点:1、3、6.本题中，P=3，所以V(G)=3+1=4。

7.11 其他

软件开发环境(software development environment)是支持软件产品开发的软件系统。它由软件工具集和环境集成机制构成，前者用来支持软件开发的相关过程、活动和任务年;后者为工具集成和软件开发、维护和管理提供统-的支持，它通常包括数据集成、控制集成和界面集成。 1）数据集成机制提供了存储或访问环境信息库的统一的数据接口规范: 2）界面集成机制采用统一的界面形式，提供统一的操作方式; 3）控制集成机制支持各开发活动之间的通信、切换、调度和协同工作。

较完善的软件开发环境通常具有多种功能，例如，软件开发的一致性与完整性维护，配置管理及版本控制，数据的多种表示形式及其在不同形式之间的自动转换，信息的自动检索与更新，项目控制和管理，以及对开发方法学的支持。软件开发环境具有集成性、开放性、可裁减性、数据格式一致性、风格统一的用户界面等特性，因而能大幅度提高软件生产率。 集成机制根据功能的不同，可划分为环境信息库、过程控制与消息服务器、环境用户界面三个部分。 (1)环境信息库。环境信息库是软件开发环境的核心，用以存储与系统开发有关的信息，并支持信息的交流与共字。环境信息库中主要存储两类信息，一类是开发过程中产生的有关被开发系统的信息，例如，分析文档、设计文档和测试报告等;另一类是环境提供的支持信息，例如，文档模板、系统配、过程模型和可复用构件等。 (2)过程控制与消息服务器。过程控制与消息服务器是实现过程集成和控制集成的基础。过程集成是按照具体软件开发过程的要求进行工具的选择与组合，控制集成使各工具之间进行并行通信和协同工作。 (3)环境用户界面。环境用户界面包括环境总界面和由它实行统一控制的各环境部件及工具的界面。统一的、具有一致性的用户界面是软件开发环境的重要特征，是充分发挥环境的优越性、高效地使用工具并减轻用户的学习负担的保证。

软件系统工具的种类繁多，很难有统一的分类方法。通常可以按照软件过程活动将软件工具分为软件开发工具、软件维护工具、软件管理工具和软件支持工具。

1）软件开发工具:需求分析工具、设计工具、编码与排错工具。 2）软件维护工具:版本控制工具、文档分析工具、开发信息库工具、逆向工程工具、再工程工具。 3）软件管理工具和软件支持工具:项目管理工具、配置管理工具、软件评价工具、软件开发工具的评价和选择

对应软件开发过程的各种活动，软件开发工具有需求分析工具、设计工具、编码与排错工具、测试工具等。软件建模工具是辅助建立软件系统的抽象模型的。常见的软件建模工具包括RationalRose、Together、WinA&D、QuickUML、EclipseUML等。 （1）需求分析工具用以辅助软件需求分析活动，辅助系统分析员从需求定义出发，生成完成的、清晰的、一致的功能规范。按描述需求定义的方法可以将需求分析工具分为基于自然语言或图像描述的工具和基于形式化需求定义语言的工具。 ①基于自然语言或图形描述的工具:这类工具采用分解与抽象等基本手段，对用户问题逐步求精，并在检测机制的辅助下，发现其中可能存在的问题(如一致性)，通过对问题描述的修改，逐步形成能正确反映用户需求的功能规范。比如结构化分析方法采用的数据流图。 ②基于形式化需求定义语言的工具:基于形式化需求定义语言的工具大多以基于知识的需求智能助手的形式出现，并把人工智能技术运用于软件工程。这类工具通常具有一个知识库和一个推理机制。 ③其他需求分析工具:可执行规范语言以及原型技术为需求分析工具提供了另一条实现途径，这些工具通过运行可执行规范或原型，将有关的结果显示给用户和系统分析员，以便进行需求确认。 （2）设计工具:设计工具用以辅助软件设计活动，辅助设计人员从软件功能规范出发，得到相应的设计规范。 （3）编码与排错工县:编码工县和排错工县用以辅助程序员进行编码活动。编码工具辅助程序员用某种程序语言编制源程序，并对源程序进行翻译，最终转换成可执行的代码，主要有编辑程序、汇编程序、编译程序和牛成程序等。排错工具用来辅助程序员寻找源程序中错误的性质和原因，并确定其出错的位置，主要有源代码排错程序和排错程序生成程序两类。 （4）软件维护工具:软件维护工具辅助软件维护过程中的活动，辅助维护人员对软件代码及其文档进行各种维护活动。软件维护工具主要有版本控制工具、文档分析工具、开发信息库工具、逆向工程工具和再工程工具等。 （5）软件管理和软件支持工具:软件管理过程和软件支持过程往往要涉及软件生存周期中的多个活动，软件管理和软件支持工具用来辅助管理人员和软件支持人员的管理活动和支持活动，以确保软件高质高效地完成。其中常用的工具有项目管理工具、配置管理工具、软件评价工具等。

维护类型 1）改正性维护【修BUG】:识别纠正软件错误/缺陷，测试不可能发现所有错误。 2）适应性维护【应变】:指使应用软件适应环境变化【外部环境、数据环境】而进行的修改。 3）完善性维护【新需求】:为扩充功能和改善性能而进行的修改 4）预防性维护【针对未来】:为了适应未来的软硬件环境的变化，应主动增加预防性的新的功能，以使用系统适应各类变化而不被淘汰。经典实例:【专用】改【通用】。

工作流参考模型: (1)工作流执行服务。工作流执行服务是WFMS的核心模块，它的功能包括创建和管理流程定义，创建、管理和执行流程实例。在执行上述功能的同时，应用程序可能会通过编程接口与工作流执行服务交互，一个工作流执行服务可能包含有多个分布式工作的工作流引擎。该模块还为每个用户维护一个活动列表，告诉用户当前必须处理的任务，可以通过电子邮件或者短消息的形式提醒用户任务的到达，例如，在开通课程流程中，当新的课程申请的到来时，可以提示上级主管。 (2)工作流引擎。工作流引擎是为流程实例提供运行环境，并解释执行流程实例的软件模块，即负责流程处理的软件模块。 (3)流程定义工具。流程定义工具是管理流程定义的工具，它可以通过图形方式把复杂的流程定义显示出来并加以操作，流程定义工具与工作流执行服务交互，一般该模块为设计人员提供图形化的用户界面。通过流程定义工具，设计人员可以创建新的流程或者改变现有流程，在流程定义时，可以指定各项活动的参与者的类型、活动之间的相互关系和传递规则等。 (4)客户端应用。客户端应用是通过请求的方式与工作流执行服务交互的应用，也就是说，是客户端应用调用工作流执行服务。客户端应用与工作流执行服务交互，它是面向最终用户的界面，可以将客户端应用设计为B/S架构或C/S架构。 (5)调用应用。调用应用是被工作流执行服务调用的应用，调用应用与工作流执行服务交互。为了协作完成一个流程实例的执行，不同的工作流执行服务之间进行交互，它通常是工作流所携带数据的处理程序，常用的是电子文档的处理程序，它们在工作流执行过程中被调用，并向最终用户展示数据，这些应用程序的信息包括名称、调用方式和参数等。例如，在OA系统中，可以调用相关的程序来直接查看Word文档或者Excel表格数据等。 (6)管理监控工具。管理监控工具主要指组织机构和参与者等数据的维护管理和流程执行情况的监控，管理监控工具与工作流执行服务交互。WEMS通过管理监控工具提供对流程实例的状态查询、挂起、恢复和销毁等操作，同时提供系统参数和系统运行情况统计等数据。用户可以通过图形或者图表的方式对系统数据进行汇总与统计，并可随时撤销一些不合理的流程实例。

7.12 练习题

1. 螺旋模型在（ ）的基础上扩展而成。

A.瀑布模型 B.原型模型 C.快速模型 D.面向对象模型

解析：螺旋模型是在原型模型的基础上扩展而成的。

答案：B

2. （1）适用于程序开发人员在地域上分布很广的开发团队。（2）中，编程开发人员分成首席程序员和类程序员。

（1）A.水晶系列（Crystal）开发方法 B．开放式源码（Open Source）开发方法C.Scrum开发方法 D.功用驱动开发方法（FDD）

（2）A.自适应软件开发（ASD） B．极限编程（XP）开发方法 C.开放系统一过程开发方法（OpenUP） D.功用驱动开发方法（FDD）

解析：

（1）在所有的敏捷型方法中，极限编程（Extreme Programming，XP）是最引人瞩目的。它源于 Smalltalk 圈子，特别是 Kent Beck 和 Ward Cunningham 在 20 世纪 80 年代末的密切合作。XP 在一些对费用控制严格的公司中的使用，已经被证明是非常有效的。

（2）Cockburn 的水晶系列方法。水晶系列方法是由 Alistair Cockburn 提出的，它与 XP 方法一样，都有以人为中心的理念，但在实践上有所不同。Alistair 考虑到人们一般很难严格遵循一个纪律约束很强的过程，因此，与 XP 的高度纪律性不同，Alistair 探索了用最少纪律约束而仍能成功的方法，从而在产出效率与易于运作上达到一种平衡。也就是说，虽然水晶系列不如 XP 产出效率高，但会有更多的人能够接受并遵循它。

（3）开放式源码指的是开放源码界所用的一种运作方式。开放式源码项目有一个特别之处，就是程序开发人员在地域上分布很广，这使得它和其他敏捷方法不同，因为一般的敏捷方法都强调项目组成员在同一地点工作。开放源码的一个突出特点就是查错排障（Debug）的高度并行性，任何人发现了错误都可将改正源码的补丁文件发给维护者。然后由维护者将这些补丁或是新增的代码并入源码库。

（4）Scrum。Scrum 已经出现很久了，像前面所论及的方法一样，该方法强调这样一个事实，即明确定义了的可重复的方法过程只限于在明确定义了的可重复的环境中，为明确定义了的可重复的人员所用，去解决明确定义了的可重复的问题。

（5）功用驱动开发方法（Feature Driven Development，FDD）是由 Jeff De Luca 和 Peter Coad 提出来的。像其他方法一样，它致力于短时的迭代阶段和可见可用的功能。在 FDD 中，一个迭代周期一般是两周。

在 FDD 中，编程开发人员分成两类：首席程序员和类程序员（Class Owner）。首席程序员是最富有经验的开发人员，他们是项目的协调者、设计者和指导者，而类程序员则主要做源码编写。

（6）ASD 方法。ASD（Adaptive Software Development）方法由 Jim Highsmith 提出，其核心是三个非线性的、重叠的开发阶段：猜测、合作与学习。

答案：B D

3. 需求管理是一个对系统需求变更、了解和控制的过程。以下活动中，（）不属于需求管理的主要活动。

A．文档管理B．需求跟踪 C．版本控制 D．变更控制

解析：需求管理的活动包括变更控制、版本控制和需求跟踪等。

答案：A

4. 结构化程序设计采用自顶向下、逐步求精及模块化的程序设计方法，通过（）三种基本的控制结构可以构造出任何单入口单出口的程序。

A．顺序、选择和嵌套 B．顺序、分支和循环C．分支、并发和循环 D．跳转、选择和并发

解析：结构化程序设计采用自顶向下、逐步求精及模块化的程序设计方法，通过顺序、分支和循环三种基本的控制结构可以构造出任何单入口单出口的程序。

答案：B

第8小时 数据库设计基础知识

8.0 章节考点分析

第8小时主要学习数据库基础概念、关系数据库、数据库设计、应用程序与数据库交互、NoSQL数据库等内容。本小时内容侧重于概念知识，知识点会涉及单选题（约占$2\sim 5$分）和案例题（25分），根据以往全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试的出题规律，考查的知识点多源于教材，扩展内容较少。本小时知识架构如图8.1所示。

图8.1 本小时知识架构

【导读小贴士】

作为一名合格的系统架构师，必须掌握数据库设计的基本概念和方法。本小时介绍数据库技术的发展历程以及数据模型、主流的关系数据库、数据库设计的步骤与方法、新型数据库 NoSQL。系统架构设计师考试中的一些案例分析题会来自本小时的内容。建议考生在理解的基础上掌握核心知识点，学会灵活应用。

8.1 数据库基础概念

【基础知识点】

1. 基础概念

（1）数据（Data）：是描述事物的符号记录，它具有多种表现形式，如文字、图形、图像、声音和语言等。（2）数据库系统（DataBase System，DBS）：是一个采用了数据库技术，有组织地、动态地存储大量相关联数据，从而方便多用户访问的计算机系统。（3）数据库（DataBase，DB）：是统一管理的、长期储存在计算机内的，有组织的相关数据的集合。（4）数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）：是数据库系统的核心软件，是由一组相互关联的数据集合和一组用以访问这些数据的软件组成。DBMS 通常分三类：关系数据库系统（Relation DataBase System，RDBS）、面向对象的数据库系统（Object-Oriented DataBase Systems，OODBS）、对象关系数据库系统（Objective Relational DataBase System，ORDBS）。

2. 发展阶段

（1）人工管理阶段。特点：数据量较少、数据不保存、没有软件系统对数据进行处理。缺点：应用程序与数据之间依赖性太强、数据组与数据组之间存在数据冗余。 （2）文件系统阶段。特点：数据可长期保留、数据不属于某个特定应用、文件组织形式多样化。缺点：数据冗余、数据不一致性、数据孤立。 （3）数据库系统阶段。特点：采用复杂的数据模型表示数据结构、有较高的数据独立性。优点：对应用程序的高度独立性、数据的充分共享性、操作方便性。

3. 数据模型

数据模型三要素：数据结构、数据操作、数据的约束条件。其中，数据的约束条件包括：

（1）实体完整性。实体完整性是指实体的主属性不能取空值。 （2）参照完整性。在关系数据库中主要是指外键参照的完整性。若A关系中的某个或者某些属性参照B关系或其他几个关系中的属性，那么在关系A中该属性要么为空，要么必须出现在B关系或者其他的关系的对应属性中。 （3）用户定义完整性。用户定义完整性反映的是某一个具体应用所对应的数据必须满足一定的约束条件。例如，软考成绩不能小于0，也不能大于75。

4. 数据库管理系统

数据库管理系统的主要功能包括数据定义，数据库操作，数据库运行管理，数据组织、存储和管理，数据库的建立和维护。数据库管理系统的特点：数据结构化且统一管理、有较高的数据独立性、数据控制功能。数据控制功能包括：保证数据的安全性和完整性以及并发控制的能力。

5. 数据库三级模式两级映像

数据库一般采用三级模式，其体系结构如图8.2所示，系统开发人员需要通过视图层、逻辑层和物理层三个层次上的抽象来降低用户屏蔽系统的复杂性，简化用户与系统的交互。从数据库管理系统的角度，数据库也分为外模式、概念模式和内模式。具体概念见表8.1。

图8.2 数据库系统体系结构

数据库系统在三级模式之间提供了两级映像：概念模式/内模式映像、外模式/概念模式映像。这两级映像保证了数据库中的数据具有较高的逻辑独立性和物理独立性。具体见表8.2。

表8.1 数据库的三级模式

数据库系统结构: 三级模式: 外模式:数据的局部逻辑结构和特征的描述 模式:数据的全局逻辑结构和特征的描述 内模式:是数据物理结构和存储方式的描述，数据在数据库内部的表示方式

二级映像

外模式/模式映像: 当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式/模式映象，使外模式保持不变 模式/内模式映像: 当数据库的存储结构改变时，数据库管理员修改有关的模式内模式映像，使模式保持不变

表8.2 数据库的两级映像

8.2 关系数据库（依赖、范式、事务）

【基础知识点】

1. 基本概念

（1）属性（Attribute）：在现实世界中，要描述一个事物常常取若干特征来表示。这些特征称为属性。 （2）域（Domain）：每个属性的取值范围对应一个值的集合，称为该属性的域。 （3）目或度（Degree）：目或度指的是一个关系中属性的个数。 （4）候选码（CandidateKey）：若关系中的某一属性或属性组的值，能唯一地标识一个元组，则称该属性或属性组为候选码。判断候选码有一种比较快速的方式，就是看哪个属性只在依赖集F中“ $\twoheadrightarrow$ ”的左边出现过，那么该关系的候选码就必定包含那个属性。 （5）主码（PrimaryKey）：或称主键，若一个关系有多个候选码，则选定其中一个作为主码。 （6）主属性（PrimeAttribute）：包含在任何候选码中的属性称为主属性。 （7）外码（ForeignKey）：如果关系模式R中的属性或属性组不是该关系的码，但它是其他关系的码，那么该属性对关系模式R而言是外码。 （8）全码（All-key）：关系模型的所有属性组是这个关系模式的候选码，称为全码。

2. 关系代数运算

关系代数的运算符有4类：集合运算符、专门的关系运算符、算术比较符和逻辑运算符，系统架构设计师考试重点考查集合运算符与专门的关系运算符。集合运算符、专门的关系运算符的含义及解释详见表8.3。

关系代数的运算中还有一类是属于扩展的关系代数运算，可以从基本的关系运算中导出。系统架构设计师考试关注的是外连接运算，这是连接运算的一种扩展。外连接运算包括左外连接、右外连接、完全外连接。具体见表8.4。

表8.3集合运算符和专门的关系运算符的含义及解释

表8.4外连接运算符

3. 关系数据库设计基本理论

（1）函数依赖：设R(U)是属性U上的一个关系模式，X和Y是U的子集，r是R的任一关系，如果对于r中的任意两个元组u和v，只要有 $\mathrm{u[X] = v[X]}$ ，就有 $\mathrm{u[Y] = v[Y]}$ ，则称X函数决定Y，或称Y函数依赖于X，记为 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ 。函数依赖是一种最重要、最基本的数据依赖。而关系数据库设计理论的核心就是数据间的函数依赖。 （2）非平凡的函数依赖：如果 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ ， $\mathrm{Y}\not\subseteq\mathrm{X}$，即依赖的右边不是左边属性的子集 ，则称 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ 是非平凡的函数依赖。例子：学号 → 姓名 ✅（非平凡依赖，因为 姓名 不是 学号 的一部分）。 （3）平凡的函数依赖：如果 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ ，但 $\mathrm{Y}\subseteq \mathrm{X}$ ，即依赖的右边被包含在左边里面 ，则称 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ 是平凡的函数依赖。例子：(学号, 姓名) → 学号 ✅（平凡依赖，因为学号就在左边里面）。 （4）完全函数依赖：在一个关系模式里，如果Y依赖于X，但Y不依赖于X的任何真子集，则称Y完全函数依赖于X。例如，有学生关系模式（学号，系号，系主任，课程号，成绩），该关系模式的主码是学号+课程号，（学号，课程号） $\twoheadrightarrow$ 成绩是完全函数依赖。 （5）部分函数依赖：如果Y依赖于X，但其实只依赖于X的一部分属性，那么就叫 部分函数依赖。上述例子中，（学号，课程号） $\twoheadrightarrow$ 系号就属于部分函数依赖，因为对于系号来说有学号就可以推出系号。 （6）传递依赖：上述例子中，学号 $\twoheadrightarrow$ 系号，系号 $\twoheadrightarrow$ 系主任名，则称系主任名传递依赖于学号。 （7）函数依赖的公理系统（Armstrong公理系统）：从已知的一些函数依赖，可以推导出另外一些函数依赖，这就需要一系列推理规则，这些规则常被称作Armstrong公理。

设关系式R(U，F)，U是关系模式R的属性集，F是U上的一组函数依赖，则有以下三条推理规则：

1）A1自反律：若 $\mathrm{Y}\subseteq \mathrm{X}\subseteq \mathrm{U}$ ，则 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ 为F所蕴含。 2）A2增广律：若 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ 为F所蕴含，且 $Z\subseteq U$ ，则 $\mathrm{XZ}\to \mathrm{YZ}$ 为F所蕴含。 3）A3传递律：若 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ ， $\mathrm{Y}\to \mathrm{Z}$ 为F所蕴含，则 $\mathrm{X}\to \mathrm{Z}$ 为F所蕴含。

根据上面三条推理规则，又可推出下面三条推理规则：

1）合并规则：若 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ ， $\mathrm{X}\to \mathrm{Z}$ ，则 $\mathrm{X}\to \mathrm{YZ}$ 为F所蕴含。 2）伪传递规则：若 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ ， $\mathrm{WY}\to \mathrm{Z}$ ，则 $\mathrm{XW}\to \mathrm{Z}$ 为F所蕴含。 3）分解规则：若 $\mathrm{X}\to \mathrm{Y}$ ， $Z\subseteq Y$ ，则 $\mathrm{X}\to \mathrm{Z}$ 为F所蕴含。

无损分解。无损分解判断条件是:交集能推出差集中的属性，只要R1∩R2→(R1-R2)或R1∩R2→(R2-R1)有一个成立，就属于无损分解。好比您把公司员工表按部门和薪资拆分，只要部门ID能推出薪资信息，或薪资表能还原员工信息，两个表连接就不会丢数据。

第一空选择D选项。 对于A选项，根据Armstrong推理分解规则，A一BC，可以得到A一B，A-C，所以A选项的前半句描述是正确的 但根据A→B，B→D，D一E，此时存在传递函数依赖，所以A选项的后半句描述错误，所以A选项错误。 对于B选项，无法得到E→A，故该选项描述错误。 对于C选项，无法得到E一A，并且集合中存在传递函数依赖，所以C选项描述错误。 对于D选项，根据A选项的分析过程，A→B，B一D，D一E，根据传递律，可以得到A→D，A→E，B-E，并且存在传递函数依赖，所以D选项说法正确。 第二空选择A选项。 根据题干描述，原关系模式为:U={A，B，C，D，E)，F={A→BC，B→D，D→E}。 将关系R分解为p={R1(U1，F1)，R2(U2，F2)}，其中:U1={A，B，C}、U2={B，D，E}。 首先根据U1，保留函数依赖A→BC，然后根据U2，保留函数依赖B一D，D一E。因此该分解保持函数依赖。 接下来可以利用公式法验证无损分解。 U∩U2=B，U1-U2={A，C}，U2-U1={D，E}，而R中存在函数依赖B→D，B一E，所以该分解是无损分解。(有一个就行)

1. 关系数据库的规范化

关系数据库设计的方法之一就是设计满足适当范式的模式，通常可以通过判断分解后的模式达到几范式来评价模式的规范化程度。范式包括：1NF、2NF、3NF、BCNF、4NF、5NF。根据系统架构设计师考试的要求，这里重点介绍1NF、2NF、3NF、BCNF的基本概念。

（1）第一范式（1NF）：若关系模式R的每一个分量是不可再分的数据项，则关系模式R属于第一范式。 （2）第二范式（2NF）：若关系模式 $\mathrm{R}\in \mathrm{1NF}$ ，且消除了非主属性对主码的部分传递依赖时，则关系式R是2NF（第二范式）。 （3）第三范式（3NF）：当2NF消除了非主属性对主码的传递函数依赖，则称为3NF。 （4）BC范式（BCNF）：如果关系模式 $\mathrm{R}\in \mathrm{1NF}$ ，且每个属性都不传递依赖于R的候选码，那么称R是BCNF模式。

上述4种范式之间有如下联系： $\mathrm{BCNF}\subset 3\mathrm{NF}\subset 2\mathrm{NF}\subset 1\mathrm{NF}$

5. 事务管理

DBMS运行的基本工作单位是事务，事务是用户定义的一个数据库操作序列，这些操作序列要么全做，要么全都不做，是一个不可分割的工作单位。事务具有的四个特性（ACID）：

（1）原子性（Atomicity）：事务是数据库的逻辑工作单位，事务的所有操作在数据库中要么全做，要么全都不做。 （2）一致性（Consistency）：事务的执行使数据库从一个一致性状态变成另一个一致性状态。 （3）隔离性（Isolation）：一个事务的执行不能被其他事务干扰。 （4）持久性（Durability）：指一个事务一旦提交，它对数据库的改变必须是永久的，即便系

统出现故障时也是如此。

6. 相关的SQL语句

（1）BEGIN TRANSACTION：事务开始语句。 （2）COMMIT：事务提交语句，表示事务执行成功地结束，把事务对数据库的修改写入磁盘（事务对数据库的操作首先是在缓冲区中进行的）。 （3）ROLL BACK：事务回滚语句，表示事务执行不成功地结束，即把事务对数据库的修改进行恢复。

7. 并发控制

在多用户共享系统中，许多事务可能同时对同一数据进行操作，称为并发操作，此时数据库管理系统的并发控制子系统负责协调并发事务的执行，保证数据库的完整性不受破坏，同时避免用户得到不正确的数据。并发控制的主要技术是封锁，主要有两种类型的封锁，分别是X封锁和S封锁。

（1）排他型封锁（X封锁）：如果事务T对数据A（可以是数据项、记录、数据集以至整个数据库）实现了X封锁，那么只允许事务T读取和修改数据A，其他事务要等事务T解除X封锁以后，才能对数据A实现任何类型的封锁。可见X封锁只允许一个事务独锁某个数据，具有排他性。 （2）共享型封锁（S封锁）：如果事务T对数据A实现了S封锁，那么允许事务T读取数据A，但不能修改数据A，在所有S封锁解除之前决不允许任何事务对数据A实现X封锁。

8. 数据库的备份与恢复

（1）备份（转储）与恢复：备份是指通过数据转储和监理日志文件的方法监理冗余数据，DBA定期地将整个数据库复制到磁带或另一个磁盘上保存起来的过程。这些备用的数据文本称为后备副本。数据库的恢复是指把数据库从错误状态恢复到某一个已知的正确状态的功能。当数据库遭到破坏后，就可以利用后备副本把数据库恢复，这时数据库只能恢复到备份时的状态，从那以后的所有更新事务必须重新运行才能恢复到故障时的状态。

（2）备份分类包括以下4种：

1）静态备份：指备份期间不允许（或不存在）对数据库进行任何存取、修改活动。静态备份简单，但备份必须等待用户事务结束才能进行，新的事务必须等待备份结束才能执行。这降低了数据库的可用性。 2）动态备份：指备份期间允许对数据库进行存取或修改，即备份和用户事务可以并发执行。动态备份可克服静态备份的缺点，但备份结束时后援副本上的数据并不能保证正确有效。 3）海量备份：指每次备份全部数据库。 4）增量备份：指每次只备份上次备份后更新过的数据。如果数据库很大，事务处理又十分频繁，则增量备份方式是很有效的。

（3）数据库的4类故障：事务故障、系统故障、介质故障、计算机病毒。事务故障的恢复有两个操作：撤销事务（UNDO）和重做事务（REDO）。介质故障的恢复由数据库管理员装入数据库的副本和日记文件副本，再由系统执行撤销和重做操作。

9. 闭包

给出关系 R(U, F)， U = {A, B, C, D, E} ，F = { A → B, D → C, BC → E, AC → B } 求属性闭包的等式成立的是 ( )。 R 的候选键为 ( )。

问题1选项： A. (A)⁺ = U B. (B)⁺ = U C. (AC)⁺ = U D. (AD)⁺ = U
问题2选项： A. AD B. AB C. AC D. BC

第一问：属性闭包

1. (A)⁺

• A → B ⇒ 得到 B
• 结果 = {A, B}
• 缺少 C, D, E ⇒ 不等于 U ❌

2. (B)⁺

• B 单独无推导
• 结果 = {B}
• 不等于 U ❌

3. (AC)⁺

• 已有 A, C
• AC → B ⇒ 得到 B
• 有 B, C ⇒ BC → E ⇒ 得到 E
• 结果 = {A, B, C, E}
• 缺少 D ⇒ 不等于 U ❌

4. (AD)⁺

• 已有 A, D
• A → B ⇒ 得到 B
• D → C ⇒ 得到 C
• 现在有 A, B, C, D
• BC → E ⇒ 得到 E
• 结果 = {A, B, C, D, E} = U ✅

👉 正确答案：D. (AD)⁺ = U

第二问：候选键

• (AD)⁺ = U，说明 AD 是超键
• A⁺ = {A, B}，不等于 U
• D⁺ = {D, C}，不等于 U
• 所以 AD 是最小的候选键

👉 候选键：AD

✅ 最终答案

• 问题1：D. (AD)⁺ = U
• 问题2：A. AD

8.3 数据库设计

【基础知识点】

（1）数据库设计的基本步骤。可以分为用户需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、应用程序设计、运行维护。 ①需求分析。数据库设计人员采用一定的辅助工具对应用对象的功能、性能、限制等要求所进行的科学分析。 ②概念设计。概念结构设计是对信息分析和定义，如视图模型化、视图分析和汇总。对应用对象精确地抽象、概括而形成的独立于计算机系统的企业信息模型。描述概念模型的较理想的工具是E-R图。 ③逻辑设计。将抽象的概念模型转化为与选用的DBMS产品所支持的数据模型相符合的逻辑模型，它是物理设计的基础。包括模式初始设计、子模式设计、应用程序设计、模式评价以及模式求精。主要工作步骤：转换为数据模型→关系规范化→模式优化→设计用户模式 ④物理设计。逻辑模型在计算机中的具体实现方案。

（2）数据需求分析。用户需求分析是综合各用户的应用需求，对现实世界要处理的对象进行详细调查，在了解先行系统的概况，确定新系统功能的过程中，协助用户明确对新系统的信息要求、处理要求和系统要求，确定新系统的边界。

（3）概念结构设计。概念数据模型又称为实体-联系模型，它按照用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。概念模型主要用实体-联系方法（Entity-Relationship Approach） 表示，简称E-R方法。概念结构设计工作步骤包括：选择局部应用、逐一设计分E-R图和E-R图合并。在进行E-R图合并时，需解决属性冲突、命名冲突和结构冲突。

①属性冲突:包括属性域冲突和属性取值冲突。 ①命名冲突:包括同名异义和异名同义。 ②结构冲突:包括同一对象在不同应用中具有不同的抽象，以及同一实体在不同局部E-R图中所包含的属性个数和属性排列次序不完全相同。