第 5 章 信息系统工程5.1 软件工程软件工程是用工程化原则和方法解决软件问题的学科核心目标是提高软件生产率、质量降低成本。它由方法、工具、过程三部分组成方法是技术手段工具是效率支撑过程是管理保障贯穿软件开发全生命周期。5.1.1 架构设计软件架构是软件系统的高级抽象像建筑的 “框架蓝图”决定系统的组织结构、组件关系和设计原则核心目的是解决软件复用、质量和维护问题。1. 软件架构风格架构风格是特定应用领域的系统组织惯用模式Garlan 和 Shaw 将其分为 5 大类每类包含具体子风格数据流风格批处理序列按顺序批量处理数据、管道 / 过滤器数据像水流过管道经多个过滤器处理调用 / 返回风格主程序 / 子程序主程序调用子程序、数据抽象和面向对象封装数据和操作、层次结构分层设计上层依赖下层独立构件风格进程通信构件间通过通信交互、事件驱动系统基于事件触发响应虚拟机风格解释器解释执行代码、基于规则的系统按规则触发逻辑仓库风格数据库系统数据集中存储、黑板系统多构件共享数据黑板、超文本系统通过链接跳转。2. 软件架构评估评估的核心是判断架构是否满足质量需求需先明确两个关键概念敏感点影响单个质量属性的构件或关系特性如加密算法影响安全性权衡点影响多个质量属性的特性如加密级别越高安全性越好但性能越差加密级别就是权衡点。主要评估方式有 3 种其中基于场景的方式最常用基于调查问卷 / 检查表通过预设问题排查架构问题基于场景通过刺激触发事件、环境发生场景、响应系统反应描述场景评估架构对场景的支持程度常用方法有 ATAM架构权衡分析法、SAAM软件架构分析法、CBAM成本效益分析法基于度量通过量化指标评估架构质量如响应时间、复用率。5.1.2 需求分析软件需求是用户对系统功能、性能、约束等的期望是软件开发的 “指南针”需经历从模糊需求到清晰规格的过程。1. 需求的层次需求从宏观到微观分为 3 层结合 QFD质量功能部署可进一步分为 3 类层次业务需求组织整体目标如 “提升客户下单效率”→用户需求用户具体操作诉求如 “3 步内完成下单”→系统需求系统需具备的功能 / 性能如 “支持批量导入收货地址”QFD 分类常规需求用户明确提出的需求、期望需求用户默认应具备的需求如 “下单后有成功提示”、意外需求超出预期的创新需求如 “智能推荐关联商品”。2. 需求过程需求过程是需求从获取到验证的全流程核心步骤包括需求获取收集用户需求常用方法有用户访谈、问卷调查、采样、情节串联板可视化展示流程、联合需求计划多方共同讨论需求分析提炼、梳理获取的需求消除矛盾和冗余形成清晰的需求定义。常用方法有结构化分析SA以数据字典为核心构建数据模型E-R 图、功能模型DFD 数据流图、行为模型STD 状态转换图面向对象分析OOA识别类和对象构建用例模型和分析模型需求规格说明书SRS编制记录需求的正式文档需包含范围、引用文件、需求、合格性规定、可追踪性等内容遵循 GB/T8567 标准需求验证与确认通过需求评审技术评审 SRS和需求测试验证需求可执行性确保需求正确、完整、一致、可测试。3. UML统一建模语言UML 是通用的建模语言支持软件开发全流程结构包括构造块、规则、公共机制构造块事物建模元素如类、用例、关系事物间关联如依赖、泛化、图事物集合事物分类结构事物静态元素如类、接口、行为事物动态元素如交互、状态机、分组事物组织元素如包、注释事物解释元素核心关系依赖A 变影响 B、关联对象间结构关系、泛化子类继承父类、实现类实现接口UML2.0 的 14 种图类图、对象图、构件图、组合结构图、用例图、顺序图、通信图、定时图、状态图、活动图、部署图、制品图、包图、交互概览图5 个系统视图逻辑视图设计核心、进程视图并发同步、实现视图物理代码、部署视图软硬件映射、用例视图需求分析。4. 面向对象分析OOAOOA 的核心是 “还原现实世界”任务是识别类和对象构建用例模型和分析模型用例模型描述系统功能构建步骤为识别参与者与系统交互的人 / 系统 / 设备如 “下单用户”“支付系统”合并需求获得用例如 “下单”“支付”“退款”细化用例描述用例规约包含用例名、参与者、目标、事件流等调整用例模型利用包含、扩展、泛化关系复用公共逻辑分析模型描述系统逻辑结构包括静态模型类、关系和动态模型交互图构建过程为定义概念类→确定类关系→添加职责→建立交互图。5.1.3 软件设计软件设计是将需求转化为 “如何实现” 的方案分为结构化设计和面向对象设计两类核心原则是 “高内聚、低耦合”模块内部联系紧密模块间联系松散。1. 结构化设计SD面向数据流的设计方法以 DFD 和数据字典为基础分为两步概要设计总体结构设计将系统功能分配给模块确定模块功能和调用关系形成系统结构图详细设计设计模块内部细节如输入 / 输出、处理流程、数据存储、用户界面、安全性设计。2. 面向对象设计OODOOA 的延续核心思想是抽象、封装、可扩展性通过继承和多态实现主要任务是设计类的属性、方法和类间关系需遵循 7 大设计原则单职原则一个类只做一件事高内聚开闭原则对扩展开放对修改封闭如通过新增类扩展功能而非修改原有代码里氏替换原则子类可替换父类不影响系统功能依赖倒置原则依赖抽象而非具体实现如依赖 “支付接口” 而非 “微信支付类”接口隔离原则使用多个专用接口而非一个全能接口组合重用原则优先用组合如 A 类包含 B 类对象而非继承实现复用迪米特原则一个对象尽量少了解其他对象低耦合。3. 设计模式前人总结的可复用设计方案按目的分为 3 类创建型模式用于创建对象如工厂方法模式、抽象工厂模式、原型模式、单例模式、建造者模式结构型模式用于处理类 / 对象组合如适配器模式、桥接模式、组合模式、装饰模式、外观模式、享元模式、代理模式行为型模式用于描述类 / 对象交互和职责分配如职责链模式、命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、策略模式、模板方法模式、访问者模式。5.1.4 软件实现软件实现是将设计方案转化为可执行软件的过程核心包括配置管理、编码、测试三大环节。1. 软件配置管理对软件产品的组成元素进行标识、控制、审计确保产品完整性核心活动包括配置计划明确配置控制任务配置标识识别需控制的配置项如代码、文档建立基线固定版本配置控制管理生命周期中的变更状态记录记录配置项状态配置审计验证配置项是否符合规范发布管理创建和交付交付版本。2. 软件编码将设计转化为程序代码需关注 3 个核心点程序设计语言选择根据项目需求选择合适语言如 Java 适合企业应用Python 适合数据分析程序设计风格包括源程序文档化注释清晰、数据说明规范定义、语句结构简洁易懂、输入 / 输出友好易用编码效率包括程序执行速度、内存占用、存储效率、I/O 效率。3. 软件测试发现软件缺陷的主要手段目标是验证软件是否满足质量要求分为两大类静态测试不运行程序包括文档审查、代码走查、代码审查、静态分析可发现 30%-70% 的逻辑设计和编码错误动态测试运行程序包括白盒测试结构测试了解程序内部结构设计测试用例覆盖逻辑通路如语句覆盖、判定覆盖、路径覆盖常用于单元测试黑盒测试功能测试不关注内部结构仅验证功能是否符合 SRS常用方法有等价类划分、边界值分析、判定表、因果图常用于集成测试、确认测试、系统测试。5.1.5 部署交付将开发完成的软件部署到用户环境并交付使用核心是解决部署风险和效率问题关键概念包括1. 持续交付与持续部署持续交付通过自动化流程确保代码可快速、安全地部署到生产环境支持一键部署核心是 “随时可部署”持续部署在持续交付基础上自动化完成部署到生产环境的全过程无需人工干预。2. 部署方案与原则主流方案KubernetesDocker容器化部署轻量灵活、Matrix 系统核心原则部署包来自统一存储库、所有环境使用相同部署方式 / 脚本、阶梯式晋级设检查点支持回滚、不可变服务器除补丁外不修改服务器部署方式蓝绿部署准备新旧两个版本通过域名切换切换环境故障可快速回滚金丝雀部署先让少量用户使用新版本验证无误后逐步推广。5.1.6 过程管理通过成熟度模型提升软件过程能力核心模型包括 CSMM软件过程能力成熟度模型1. CSMM 模型结构包含 4 个能力域、20 个能力子域、161 个能力要求能力域治理战略与目标管理、开发与交付需求、设计、开发等、管理与支持项目管理、质量保证等、组织管理过程、人员、资源管理2. 成熟度等级5 级等级名称核心特征1 级初始级过程无序依赖个人能力结果不确定2 级项目规范级按规范执行基础过程组织提供支持保障3 级组织改进级建立组织标准过程项目可复用过程资产4 级量化提升级用统计分析管理过程建立量化绩效目标5 级创新引领级通过技术和管理创新引领行业发展5.2 数据工程数据工程是围绕数据生命周期的工程活动核心目标是为信息系统提供可靠数据保障和服务支撑数据共享和互操作主要包括数据建模、标准化、运维、开发利用、安全五大环节。5.2.1 数据建模数据建模是将现实世界的数据抽象为计算机可处理的模型像 “画数据蓝图”分为 3 类模型对应建模的 3 个阶段1. 数据模型分类概念模型信息模型按用户观点建模独立于 DBMS核心元素包括实体如 “学生”、属性如 “学号”、域属性取值范围、键唯一标识、关联实体间关系一对一、一对多、多对多逻辑模型在概念模型基础上确定数据结构主流是关系模型二维表需满足实体完整性、参照完整性、用户定义完整性物理模型考虑具体 DBMS 特性设计数据存储结构如表、字段、索引。2. 数据建模过程数据需求分析收集用户数据需求用数据流图描述数据流动概念模型设计将需求抽象为概念模型如 E-R 图逻辑模型设计将概念模型转化为关系模式二维表结构物理模型设计针对具体 DBMS 设计存储细节如字段类型、索引设计。5.2.2 数据标准化数据标准化是实现数据共享的基础核心是让数据 “统一格式、统一含义”主要内容包括1. 元数据标准化元数据是 “关于数据的数据”如数据表说明、字段含义元数据体系分为内容元数据描述数据内容、专门元数据描述单一对象、资源集合元数据描述数据集合、管理元数据描述管理过程、服务元数据描述服务、元元数据描述元数据。2. 数据元标准化数据元是数据交换的最小单元如 “用户 ID”“订单金额”由对象、特性、表示三部分组成标准化过程包括描述数据、界定业务范围、业务流程分析、提取数据元、编制代码表、与现有标准协调、发布实施与动态维护。3. 其他标准化内容数据模式标准化统一数据的概念、结构和关系避免语义冲突数据分类与编码标准化按规则对数据分类编码如商品编码确保数据一致性数据标准化管理分为确定数据需求、制定标准、批准标准、实施标准四阶段。5.2.3 数据运维数据运维是保障数据存储、访问、安全、质量的核心活动包括1. 数据存储存储介质磁带大容量、低成本、光盘长期存储、磁盘高速访问存储管理资源调度添加 / 删除存储节点、存储资源监控性能、容量、负载均衡避免瓶颈、安全管理防攻击、防窃取。2. 数据备份与容灾备份策略完全备份备份全部数据、差分备份备份上次完全备份后变化的数据、增量备份备份上次备份后变化的数据容灾等级国际标准 SHARE 78 定义 7 级容灾核心指标 RPO灾难允许丢失的数据量、RTO系统恢复时间容灾类型数据容灾保障数据可用性、应用容灾保障应用服务连续性。3. 数据质量评价与控制质量描述包括定量元素如准确率和非定量元素如相关性评价方法直接评价与参照数据对比、间接评价通过数据相关信息推断质量控制前期控制录入前检查、过程控制录入中实时校验、系统检测入库后自检、精度评价分析数据精度数据清理数据分析定义清理规则→数据检测发现错误→数据修正自动 / 手工修正。5.2.4 数据开发利用让数据产生价值的核心环节通过多种技术手段挖掘数据价值1. 数据集成将异构数据源如不同数据库、文件整合为统一视图主流方法有过程式方法点对点集成、声明式方法统一建模、中间件方法通过中间件协调异构数据源常用标准有 ODBC开放数据库互联、XML/JSON数据交换格式。2. 数据挖掘从海量数据中提取潜在有用的知识与传统数据分析相比数据量更大、方法更综合统计 AI 可视化、侧重预测和发现核心流程为确定分析对象→数据准备→数据挖掘→结果评估→结果应用主要任务包括数据总结、关联分析如 “买 A 的人常买 B”、分类和预测、聚类分析按特征分组、孤立点分析识别异常数据。3. 数据服务与可视化数据服务包括目录服务查找数据、查询 / 浏览 / 下载服务获取数据、分发服务传递数据数据可视化将数据转化为图形图像常见类型有一维表格、二维地图、三维立体模型、多维降维展示、时态时间序列、层次树形结构、网络节点关联可视化信息检索广义包括信息存储与检索狭义指查找特定信息常用方法有全文检索、字段检索、基于内容的多媒体检索核心技术有布尔逻辑检索、截词检索、临近检索等。5.2.5 数据库安全保障数据库免受非授权访问、修改、破坏核心是确保数据的机密性、完整性、可用性1. 数据库安全威胁安全后果非授权信息泄露、非授权数据修改、拒绝服务威胁方式无意自然灾难、系统错误、人为错误、有意授权用户滥用特权、恶意代理如病毒。2. 安全对策包括防止非法数据访问、防止推导通过授权数据推断机密信息、保证数据库完整性、保证操作 / 语义完整性、审计和日志记录数据操作、标识和认证用户身份验证、机密数据管理、多级保护数据划分保密级别、限界防止非授权信息传递。3. 安全机制包括身份认证、存取控制、数据库加密、数据审计、推理控制等。5.3 系统集成系统集成是将计算机硬件、网络、系统软件、工具软件、应用软件等整合为完整系统的工程行为核心是实现 “互联互通互操作”遵循开放性、结构化、先进性、主流化原则。5.3.1 集成基础系统集成的核心内容包括技术环境集成、数据环境集成、应用程序集成需遵循四大原则开放性遵循工业开放标准保障系统可互操作、可移植、可伸缩结构化自顶向下模块化分解复杂系统先进性采用先进技术和设计理念延长系统生命周期主流化选择成熟、有技术支持、可升级的产品。5.3.2 网络集成网络集成是构建统一网络环境体系框架包括 8 个子系统核心子系统如下传输子系统网络 “公路”传输介质分为无线无线电波、微波和有线双绞线、同轴电缆、光纤交换子系统按覆盖范围分为局域网、城域网、广域网交换技术安全子系统包括防火墙、数据加密、访问控制网管子系统监控网络运行排查瓶颈服务器子系统提供资源和服务需考虑 CPU、内存、磁盘、容错性等网络操作系统调度和管理网络资源服务子系统提供互联网服务、多媒体检索、远程计算等核心应用服务。5.3.3 数据集成数据集成是将异构数据库数据按规则组织为整体核心是数据仓库技术分为 4 个层次基本数据集成解决标识符冲突如同一实体不同 ID、数据丢失问题多级视图集成通过底层局部模型→中间层公共模型→高层综合模型的两级映射实现集成模式集成解决命名、结构等语义冲突多粒度数据集成实现不同精度数据的抽象和细化如从具体销售数据到月度销售汇总。异构数据集成的核心方法过程式方法点对点设计通过 Wrapper 封装数据源、Mediator 合并数据声明式方法统一建模通过推理机制存取数据中间件方法不改变原始数据存储提供统一接口访问异构数据源。5.3.4 软件集成软件集成是实现不同软件的互操作核心是遵循组件标准主流标准包括CORBA跨平台、跨语言的分布式对象计算标准COM二进制代码对象标准支持不同语言开发的对象互操作DCOM 与 COMCOM 的扩展支持分布式访问和企业级应用.NET基于开放互联网协议提供完善的开发框架支持多语言开发J2EE工业标准用于开发可伸缩、易维护的企业级应用体系结构分为客户端层、服务器端组件层、EJB 层、信息系统层。5.3.5 应用集成应用集成EAI是将独立软件应用连接起来协同工作解决应用层互操作性问题核心要求包括互操作性支持应用间有意义的信息和功能交换可移植性应用可在不同环境迁移分布透明性屏蔽系统分布复杂性开发者无需关注分布细节。核心组件包括API定义软件交互规则支持应用间通信事件驱动型操作由触发器启动程序如订单提交后自动计费数据映射定义不同系统数据的交换规则如将 A 系统的 “客户名” 映射到 B 系统的 “用户名”。5.4 安全工程安全工程是建设信息安全系统的工程实践与业务应用信息系统工程并行核心是保障信息系统的安全运行包括工程概述、安全系统、工程基础、工程体系架构四部分。5.4.1 工程概述信息安全系统是信息系统的重要组成部分与业务应用信息系统密不可分但功能独立核心术语关系信息系统 业务应用信息系统 信息安全系统信息系统工程 业务应用信息系统工程 信息安全系统工程信息安全系统工程的核心任务包括安全风险评估、策略制定、需求确定、系统设计、设备选型、施工、测试、运维等。5.4.2 安全系统信息安全系统的体系架构可用三维空间描述X 轴安全机制Y 轴OSI 网络参考模型Z 轴安全服务形成 “安全空间”1. 安全机制X 轴提供安全服务的结构体系核心包括基础设施实体安全机房、场地、设施、动力系统安全平台安全操作系统、网络基础设施漏洞修复数据安全介质保护、访问控制、完整性、备份通信安全通信线路安全、加密、身份鉴别应用安全业务软件安全性测试、访问控制运行安全应急处置、安全监测、漏洞通报管理安全人员、设备、文档、操作管理授权和审计安全权限管理、操作审计安全防范体系基于 WPDRRC 模型预警、保护、检测、反应、恢复、反击。2. 安全服务Z 轴网络各层次提供的安全支持包括对等实体认证服务确认通信对方合法性数据保密服务加密保护数据防止泄露数据完整性服务防止数据被修改、插入、删除数据源点认证服务确保数据发自真正源点禁止否认服务防止发送方 / 接收方否认已发生的通信犯罪证据提供服务提供数字证据支持司法调查。5.4.3 工程基础信息安全系统工程需与其他相关工程协同包括硬件工程、软件工程、通信及网络工程、数据存储与灾备工程、测试工程、密码工程、组织信息化工程等同时需吸纳安全管理规范如物理安全、网络安全、人员安全。5.4.4 工程体系架构核心模型是 ISSE-CMM信息安全系统工程能力成熟度模型用于衡量信息安全系统工程实施能力1. ISSE-CMM 基础适用对象工程组织系统集成商、开发商、获取组织采购方、评估组织认证机构核心覆盖全生命周期开发、运行、维护、终止、管理和工程活动、与其他规范的协同。2. ISSE 过程分为三个相互关联的过程工程过程包括概念、设计、实现、测试、部署、运行、维护、退出与其他系统工程协同风险过程识别威胁、脆弱性、影响评估风险并优先级排序保证过程建立安全需求满足的可信性通过证据构建保证论据。3. ISSE-CMM 体系架构两维结构域维安全过程域包括 22 个过程域覆盖安全工程所有领域如评估威胁、确定安全需求、实施安全控制能力维公共特性分为 5 个成熟度等级每个等级包含公共特性通用实施代表组织能力提升Level 1非正规实施级过程无序Level 2规划和跟踪级按规划执行可验证跟踪Level 3充分定义级标准化过程可裁剪复用Level 4量化控制级量化管理过程能力Level 5持续改进级通过创新持续优化。