2019年下半年试题二：论软件系统架构评估及其应用

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论文题目

       对于软件系统，尤其是大规模复杂软件系统而言，软件系统架构对于确保最终系统的质量具有十分重要的意义。在系统架构设计结束后，为保证架构设计的合理性、完整性和针对性，保证系统质量，降低成本及投资风险，需要对设计好的系统架构进行评估。架构评估是软件开发过程中的重要环节。

       请围绕“论软件系统架构评估及其应用”论题，依次从以下三个方面进行论述。

       1.概要叙述你所参与管理或开发的软件项目，以及你在其中所承担的主要工作。

       2.详细阐述有哪些不同的软件系统架构评估方法，并从评估目标、质量属性和评估活动等方面论述其区别。

       3.详细说明尼所参与的软件开发项目中，使用了哪种评估方法，具体实施过程和效果如何。

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论软件系统架构评估及其应用

摘要        

       本文以我参与的清算平台建设为例，论述了软件系统架构评估及其应用。该项目的目标是构建统一的网联交易清算平台，将第三方支付公司和银行之间的数据交互隔离并解耦，以利于央行对支付数据的风险监控诉求。该项目存在影响范围广、涉及单位多、性能要求高等难度与挑战。在此项目中，我作为系统架构师及主要管理人员，参与了该项目的需求开发、系统架构设计等主导工作。我们经过实践认为架构评估是软件开发过程中的重要环节。主要的评估方法有架构权衡分析法（ATAM）、软件架构分析法（SAAM）等。选择正确的系统架构评估方法，对于保证架构设计的合理性、完整性和针对性，保证系统质量，降低成本及投资风险，都是很有必要的。网联项目的系统架构经过严格、严肃的评估并付诸实施，在各方面取得了成功。

正文

       随着电子商务的发展，线上支付领域在最近十年获得了爆发式增长。尤其是微信支付、支付宝两大巨头的出现，深刻影响了人们的移动支付方式。“双十一”“618”等场景的出现，进一步促进了互联网支付的深度发展。然而，各大支付公司为了发展代扣用户银行账户余额额业务，几乎接入了每一家大大小小的银行。支付公司和银行之间形成了“网状”的数据通信，引发了央行的持续关注，认为这种“网状”数据通信不利于资金的监管、风险调控等，进而提出要在支付公司和银行之间设立“网联清算平台”，解耦并隔离银行和支付公司的直接通信，并设立风控机构，以期解决上述提出的各项问题。2022年8月，作为系统架构师及主要管理人员，我有幸参与并主导了这个国家级重点工程，并在项目实践了系统架构评估方法及应用，得到了项目组成员的认可。下面重点阐述我在本项目中的实践。

       目前最主要的架构评估方法有两种，分别详述如下：

       1.架构权衡分析法（ATAM）

        ATAM主要针对性能、可用性、安全性、可修改性等质量属性进行评估和折中，其目标是在考虑多个相互影响的质量属性的情况下，从原则上提供一种理解软件体系结构的能力的方法。ATAM的主要活动包括需求收集、架构视图描述、属性模型构造和分析、架构决策与折中等。

       2.基于场景的架构分析法（SAAM）

       SAAM把任何形式的质量属性都具体化为场景，使用场景技术为评估技术，以场景代表描述体系结构属性的基础，描述了各种系统必须支持的活动和将要发生的变化。SAAM的目标是描述应用程序属性的文档，验证基本的体系结构假设和原则。SAAM的目标是描述应用程序属性的文档，验证基本的体系结构假设和原则。SAAM评估活动包括：场景开发、架构描述、单个场景评估、多个场景交互评估、总体评估。

       选择正确的系统架构评估方法，能够保证架构设计的合理性、完整性和针对性，保证系统质量，降低成本及投资风险。所以网联项目组在对架构评估方法选型时，结合网联平台自身的重要性和国家金融基础设施的特点，仔细考察、反复对比了两种主要的方法，最终采用了ATAM为架构评估方法。

        项目建设的网联平台本身是一个涉及面比较广泛、影响比较大的国家级工程，它向前对接中国所有的支付公司，向后对接中国所有的银行，中国所有的支付交易全部要经过网联平台，才能发生实质性的个人银行账户金额划转。所以网联平台建设对非功能质量属性的要求非常高，需要分析很多重要且关键的质量属性，例如性能、可用性、安全性、可修改性等，并在格质量属性中做好权衡、折中。而ATAM在评估技术、关注质量属性、特定目标、方法活动、产出的质量属性效应树等各方面都完美匹配网联平台的评估需求。在架构设计完成之后，网联项目组设计了架构评估的工作流程。参与架构评估的人员来自比较重要的支付公司和银行的首席架构师、技术负责人、支付领域业务专家、央行支付的技术领导以及网联的产品负责人、技术线负责人和关键领导等。重要干系人一起参与整个架构评估工作。整个工作分为4个阶段进行。

       一、描述和介绍阶段

       作为网联项目的架构师，我首先向大家介绍了ATAM架构评估方法的流程以及细则，确保大家理解ATAM方法的运作过程。然后由网联的产品负责人着重讲述网联平台建设的业务动机，包括央行对网联的关键业务需求、技术指标、功能范围，以及各银行和支付公司对网联的接入诉求等，确保大家明确网联平台建设的根本目的。最后由我来描述网联平台的总体架构设计、各业务模块划分及交互、关键技术选型等。

       二、调查和分析阶段

       由各单位代表提出场景诉求，并加以记录和归类整理，生成质量属性效应树。比如，支付宝技术负责人提出“‘双十一’等高峰支付场景下，网联平台须有能力处理100万并发请求的能力”归类为性能属性 ；微信支付的架构师提出“正常情况下，用户的支付结果响应要在100ms内返回”也归类为性能属性；工商银行的领域专家提出“由于交易中包含用户的敏感信息，所以网络请求需要提升加密力度，比如采用RSA算法”归类为安全是属性；央行的技术领导提出“网联作为国家基础设施，必须有技术手段保证机房发生问题时，秒级切换到备用机房”归类为可用性属性；网联自己的应用技术负责人也提出“在后期迭代过程中，系统要容易扩展新功能”归类为可修改属性。

       经过调查所有相关方的诉求后，我们收集了上百个场景，并根据重要性对这些场景设置了权重，通过归纳和整理，我们得到了一颗质量属性效应树。初步分析后我们发现，大多数场景的权重值集中于：性能、可用性、安全性、可修改性四个属性。然后，我们组织网联项目组的各技术线负责人、技术骨干、架构小组来一起进行分析，进一步识别其中的权衡点、敏感点和风险点。比如“采用RSA加密算法虽然能提升安全性，但计算量比较大，会影响请求响应时间”属于权衡点；“对可用性达到99.9999%的要求可能会因为采用主动冗余技术，而造成投入的软硬件成本急剧增加”属于敏感点；“如果机房建设未能如期完成，可能导致系统架构部分实现，从而影响整体功能”属于风险点。

       三、测试阶段

      由于我们在前一阶段确定了场景的权重，并因此归纳出了网联平台对于质量属性的优先级，即性能和可用性最高，而安全性、可修改性较低。我们依据属性优先级来校验我们最终的架构方案，并充分评估实现方案的可行性和合理性。性能方面，我们架设了北京、上海、深圳三地六中心机房，同时接受支付公司的流量，在每个机房内部署100套微服务实例，并做好负载均衡硬件，提升接入层的可用性；应用层采用负载均衡的分布式集群的微服务架构，提升应用服务器的整体可用性；数据层采用MySQL主从模式的主动冗余技术，以及分库分表技术带来的进一步降低出现问题时的影响范围。在权衡点做决策时，我们依据优先保证系统性能的原则。比如我们采用计算量不大的对称加密算法，保证系统性能不受影响，但通过定时自动更换对称密钥的机制，来降低对称密钥被破解带来的风险，从而在性能和安全性之间达到最佳选择。另外我们对于所有敏感点和风险点做了详细的评估，并做了充分的预案设计和应对流程设计。

       四、报告阶段

       经过架构评估，我们将评估的过程和结果汇总整理成文档。文档包括架构分析方法文档、不同场景及优先级、质量属性效应树、权衡点决策、风险点评估、会议记录等。

       综上所述，由于运用了ATAM的评估方法和活动流程，我们做出了合理的架构决策，保证了架构设计的正确性，验证了各项质量需求，保障了系统实现、测试、验收等工作的顺利实施。网联平台上线以来，得到了支付行业内的持续关注，由于架构合理且考虑周全，进展比较顺利，得到了行业内外的认可。我们还持续优化并升级扩展机房规模，在最近几年的“双十一”和“618”等场景下，经受了大并发的性能考验。这也充分说明了在当今信息系统建设中，以ATAM为代表的架构评估方法是验证架构设计的最重要手段。