《体系结构》课件

《体系结构》课程简介欢迎来到《体系结构》课程！这门课将深入探讨计算机系统架构的设计和原理，包括硬件、软件、网络等方面的知识什么是体系结构整体结构设计蓝图系统或软件的整体结构，包括指导系统的设计和实现，帮助组件、接口和交互方式它就开发者理解系统的组成和功能像蓝图，定义了系统的组织和，并确保系统满足需求和质量运作方式标准关键决策高层视图体系结构反映了对系统关键决从高层视角展现系统整体结构策的表达，包括技术选择、性，不涉及具体实现细节，更关能指标、安全策略等注系统组成、功能和交互体系结构的概念和作用概念作用体系结构指系统的组织结构，包括各个组件及其之间的关系体系结构为系统设计和开发提供了蓝图，指导系统构建过程它描述了系统如何构建，以及各个部分如何协同工作它确保系统满足需求，并提供可维护性、可扩展性和可重用性体系结构的发展历程早期阶段1程序结构简单，功能有限，缺乏系统性设计模块化阶段2将程序分解成模块，提高代码可重用性，但缺乏整体规划面向对象阶段3引入对象概念，提高代码复用性，更注重系统设计，并支持数据隐藏和信息封装软件架构阶段4关注软件系统整体结构，制定设计原则，并引入架构模式和设计模式现代阶段5云计算、微服务、大数据等新技术不断发展，推动着体系结构的不断演进体系结构的基本原则清晰的定义关注分离抽象系统组件、接口和行为应明确定义，避将不同功能模块分离，实现职责划分，通过抽象层隐藏复杂细节，简化系统设免模糊和歧义，确保一致性和可理解性提高模块独立性和可维护性计，提高可扩展性和可复用性体系结构的基本要素模块组件

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2.12模块是软件体系结构的基本组件是可独立部署和重用的组成部分，包含逻辑功能和软件单元，可组合形成复杂数据的系统连接器接口

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4.34连接器定义模块和组件之间接口定义组件或模块之间的的交互方式，如消息传递、交互规则和协议，确保互操调用等作性体系结构的分类软件体系结构硬件体系结构主要关注软件系统内部的组织结构和组件之侧重于硬件组件的连接方式和数据流动方式间的交互关系，如微服务架构、架构等，如冯诺依曼体系结构、哈佛体系结构等SOA·网络体系结构数据库体系结构描述网络设备和协议的层次结构，如关注数据库系统的组织方式和数据存储结构TCP/IP协议栈、参考模型等，如关系型数据库、非关系型数据库等OSI结构化设计方法结构化设计方法是一种自顶向下的设计方法，它将系统分解为层次化的模块，并使用数据流图和结构图来描述系统的功能和数据流系统分析1理解需求和目标系统设计2定义系统架构模块设计3细化模块功能代码编写4实现模块功能系统测试5验证系统功能结构化设计方法能够提高代码可读性、可维护性、可重用性和可测试性，并使系统更容易理解和修改面向对象设计方法封装将数据和操作数据的方法封装在一起，形成一个独立的单元这意味着对象的状态和行为是隐藏的，只有通过定义的接口才能访问继承允许创建新的类，这些新类继承了现有类的属性和方法这可以减少重复代码，促进代码重用多态允许对象根据具体类型采取不同的行为这意味着同一个方法可以根据不同的对象执行不同的操作，提高了代码的灵活性和可扩展性层次化设计方法分层抽象1将系统分解为多个层次模块划分2每个层次包含多个模块接口定义3层与层之间通过接口交互独立开发4各层可独立开发和测试层次化设计方法是一种自顶向下的设计方法，通过将系统分解为多个层次来降低系统复杂度每个层次包含多个模块，层与层之间通过接口进行交互这种设计方法可以提高系统的可维护性、可扩展性和可重用性模块化设计方法分解1将系统划分为独立的模块封装2隐藏模块内部实现细节独立性3模块之间低耦合，高内聚复用4模块可重复使用，提高效率模块化设计方法将系统分解成独立的模块，每个模块都有明确的功能和接口，并隐藏内部实现细节模块之间通过接口通信，从而提高代码的可读性、可维护性和可复用性模块化设计方法是软件开发中的一种重要方法，能够有效提高软件开发效率和质量数据流设计方法数据流分析识别系统中的数据流向，定义输入输出数据，并确定数据在系统中的转换关系数据流图绘制使用数据流图（DFD）来描述系统的功能，将数据流、数据存储和处理过程进行可视化展示数据流规范为每个数据流定义数据结构，包括数据类型、数据格式和数据值域等，确保数据的一致性和完整性数据流测试设计测试用例，通过输入不同的数据流，验证系统是否能够正确处理数据并产生预期的输出结果体系结构设计过程需求分析1确定系统功能和性能需求设计方案2选择合适的架构模式和技术架构文档3记录架构决策和设计细节架构评审4验证架构方案是否满足需求架构优化5根据评审结果改进架构设计体系结构设计是一个迭代过程，需要反复进行需求分析、设计方案、文档编写、评审和优化通过合理的体系结构设计，可以提高软件系统的可靠性、可扩展性、可维护性和安全性体系结构设计实践体系结构设计实践是将理论转化为实际应用的关键步骤它涉及选择合适的架构模式、技术栈和工具，并进行详细的设计和实现实践过程中，需要关注性能、安全、可靠性、可维护性和可扩展性等关键因素还需要进行反复的测试和优化，以确保架构的质量和效率软件体系结构模式定义分类软件体系结构模式是一种可重复使用的常见的软件体系结构模式包括分层模解决方案，可以解决软件设计中反复出式、模式、管道过滤器模式、事件MVC现的问题它包含了结构、行为和属性驱动模式、代理模式、基于消息队列的，提供了一种可供参考的框架，用于构模式等建和维护软件系统优点应用使用模式可以提高系统设计效率、降低模式被广泛应用于各种软件系统的设计复杂度、提高可维护性、可扩展性和可和开发中，帮助开发者应对复杂的软件重用性开发挑战微服务架构微服务概述优势微服务架构是一种将应用程序分解为小型、独立的服务的方法•独立部署每个服务都负责特定的功能，并与其他服务通过进行API•技术多样性通信•可扩展性强•故障隔离架构SOA服务导向松耦合架构基于服务的理念，将系统服务之间彼此独立，互不依赖，可SOA分解成独立的服务，这些服务通过以独立开发、部署和维护，提高系标准协议进行通信统的灵活性可重用性可扩展性架构中的服务可以被多个应用架构易于扩展，可以根据业务SOA SOA或系统共享，提高代码复用率，降需求动态添加或移除服务，适应不低开发成本断变化的业务环境分布式架构分布式系统数据分布云计算支持微服务化多个独立的计算节点协同工将数据分散存储在多个节点充分利用云计算平台的资源将大型应用程序拆分成多个作，共同完成一项任务上，提高数据可用性和可扩，实现高效的分布式部署独立运行的微服务，提高灵展性活性、可维护性和可扩展性云计算架构基础设施即服务平台即服务

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2.12云计算提供商提供计算、存提供开发和运行应用程序的储、网络等基础设施资源，平台，包含操作系统、数据客户可以按需使用库、中间件等软件即服务混合云

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4.34提供完整的软件应用程序，将公有云与私有云结合，以例如邮箱、在线文档编辑、满足不同的需求视频会议等大数据体系结构海量数据高吞吐量分布式处理大数据体系结构需要处理大量的结构化大数据系统必须能够快速处理和分析大为了应对海量数据的挑战，大数据体系和非结构化数据，例如日志文件、社交量的数据，并提供实时或近实时结果结构通常采用分布式计算和存储技术，媒体数据、传感器数据等将数据和计算任务分散到多个节点上物联网体系结构感知层网络层

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2.12收集来自各种传感器、设备将数据传输到云端或其他目和环境的数据的地，连接各种设备平台层应用层

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4.34处理和分析数据，提供应用提供各种应用程序，例如远程序接口，并支持数程监控、智能家居、工业自API据管理和存储动化等嵌入式系统体系结构硬件资源受限软件定制化实时性要求应用范围广泛嵌入式系统通常采用专用处软件设计和开发需针对具体嵌入式系统通常需要在特定嵌入式系统广泛应用于消费理器和外设，具有资源受限硬件平台进行定制，满足特时间内完成任务，对实时性电子、工业自动化、医疗设的特点定功能需求能有较高要求备等领域实时系统体系结构严格的实时性要求可靠性和容错性实时系统需要在特定时间内完成任务，实时系统通常用于关键任务应用，需要对延迟和时间敏感确保高可靠性和容错能力例如，飞机的自动驾驶仪需要在毫秒级例如，医疗设备需要在任何情况下都保内响应传感器数据持稳定运行，避免发生故障安全体系结构保护数据防止攻击安全体系结构旨在保护软件系通过身份验证、授权、加密和统免受攻击和未经授权的访问访问控制机制，确保系统安全，并确保数据完整性和机密性，防止数据泄露和恶意攻击提高可靠性构建信任安全体系结构是系统可靠性的在数据安全至关重要的场景下关键组成部分，可以提高系统，安全体系结构建立用户对系稳定性和持续性统的信任，保障用户数据安全可靠性体系结构容错故障恢复通过冗余设计，即使出现故障系统发生故障后，可以通过备也能确保系统继续运行份和恢复机制快速恢复正常状态错误检测安全防护通过各种检测机制，及时发现通过安全措施，防止恶意攻击并处理潜在的错误，避免故障或其他外部因素对系统造成损发生坏性能优化体系结构性能指标优化方法

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2.12吞吐量、延迟、响应时间、资源利用率等指标是关键包括硬件升级、算法优化、代码调优、缓存技术、负载均衡等性能测试监控与调优

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4.34通过测试来评估性能，发现瓶颈，并验证优化效果实时监控系统性能，进行动态调整，以达到最佳状态可扩展性体系结构水平扩展垂直扩展添加更多服务器或节点，以提高处理能在现有服务器上添加更多资源，例如力和容量这些节点可以是相同的物理、内存或存储这种方法在处理能CPU服务器，也可以是虚拟机力和容量方面提供了更多弹性可维护性体系结构易于理解模块化设计可测试性文档完备代码清晰易懂，结构合理，将系统划分为独立的模块，提供完善的测试用例和测试提供详细的设计文档、代码方便开发人员理解和维护方便修改和更新环境，便于测试和调试注释和用户手册，方便理解和维护开放性体系结构可扩展性互操作性灵活性和适应性扩展系统功能和组件，满足未来需求与其他系统或平台集成，促进数据共享适应变化的环境和需求，提高系统灵活性标准和规范质量管理体系服务管理软件架构设计代码规范IT为质量管理定义了服务管理的最软件架构设计规范为软件开代码规范确保代码的可读性ISO9001:2015ITIL IT体系提供框架帮助组织提佳实践，包括流程、方法和发提供了指导，确保软件的、一致性和可维护性，提高高客户满意度，同时满足监工具旨在提高服务的效可扩展性、可靠性和安全性团队协作效率，减少错误IT管和法律要求率和效益，同时降低维护成本案例分析通过分析真实软件项目的体系结构设计案例，深入理解体系结构设计原则和方法案例涵盖不同领域、不同规模的软件项目，并分析其优缺点通过案例分析，可以提高对体系结构设计实践的认识，并为实际项目提供参考总结与展望未来趋势云原生架构•边缘计算•人工智能•持续发展体系结构不断演进，新技术涌现，需要持续学习和探索实践应用将理论知识应用于实际项目中，不断积累经验，提升设计能力。