模拟设计的软件工程项目

寒月6582025-06-19 9:30

考核题目
论文论述题：结合你 参与开发、调研或模拟设计的软件工程项目 ，撰写一篇论文
完成以下任务，论文题目为《面向微服务架构的软件系统设计与建模分析》，总分：
100 分。

  1. 考核内容：
    一、系统论述（总计：55 分）
    1、 软件体系结构风格或应用框架（10 分）
    （1） 描述项目中采用的软件体系结构风格或应用框架（如分层架构、MVC、微服务等）
    （5 分）；
    （2） 分析架构选型的背景、优点以及在实际开发中的适用性（5 分）。
    2、软件设计基本原则（10 分）
    （1） 阐述项目中所遵循的设计原则（如单一职责、开闭原则、接口隔离、依赖反转
    等）（5 分）；
    （2） 结合系统模块或代码设计说明这些原则在系统设计中的具体体现和作用（5 分）。
    3、中间件分析（5 分）
    （1） 描述所使用的中间件类型（如消息队列、服务注册中心、缓存中间件等）及其
    作用；若项目未使用中间件，可选择一种契合中间件，分析其功能与对系统的提升。
    4、微服务架构分析与架构辨析（30 分）
    （1）微服务架构设计分析（20 分）
    结合系统说明以下机制的设计与选型（每项 4 分）：
    ① 服务注册与发现机制及实现工具（如 Nacos、Eureka）；
    ② 服务间负载均衡策略（如 Ribbon、Nginx、Spring Cloud LoadBalancer）；
    ③ 服务熔断机制与容错策略（如 Sentinel、Hystrix）；
    ④ 服务通信方式（如 RESTful API、消息队列）；
    ⑤ 配置中心与统一管理（如 Spring Cloud Config、Nacos 配置管理）。
    （2）架构辨析：单体架构、SOA 与微服务的区别与联系（10 分）
    2 ① 描述三种架构的特点、适用场景及主要差异（3 分）；
    ② 比较三种架构在模块划分、通信方式、部署复杂度、运维成本等方面的异同（5 分）；
    ③ 结合项目说明为什么选用某一种架构更合适（2 分）。
    二、系统分析与设计建模（总计：35 分）
    1、 需求分析（10 分）
    （1） 描述系统的业务背景、用户需求和核心目标（3 分）；
    （2） 简要列出功能性和非功能性需求（2 分）。
    （3） 绘制用例图，按不同用户角色展示其与系统功能的关系（5 分）；
    2、功能设计（15 分）
    （1） 列出系统支持的主要功能模块（5 分）；
    （2） 绘制系统功能结构图，根据不同角色（如管理员、用户、商家）进行功能划分
    （5 分）；
    （3） 绘制系统架构设计图，展示系统分层结构及各层所用核心技术（如 Spring Boot、
    MyBatis、Redis、Nacos、Docker 等）（5 分）。
    3、数据库设计（10 分）
    （1） 列出主要数据表的字段、类型、主外键说明（5 分）；
    （2） 绘制数据表对应的实体 ER 图，展示主要实体及其之间的关系（5 分）。
    三、文档规范与表达质量（总计：10 分）
    （1） 文档结构清晰，排版美观；（3 分）
    （2） 图表编号规范、说明完整；（2 分）
    （3） 语言表达流畅，无语病或错别字；（3 分）
    （4） 引用规范、格式统一。（2 分）
    3 论文格式要求
    正文字体：宋体 小四号，行间距：1.5 倍行距；
    标题字体：一级标题：字号为三号。字体，中文为黑体，其余为 Times New Roman。加
    粗，左顶格，段前段后 1 行。二、三级标题：字号依次为小三号、四号。字体，中文为黑
    体，其余为 Times New Roman。加粗，左顶格，段前段后 0.5 行。
    表格：表格一律采用三线表，上下线用 1.5 磅粗线，中间线用 1 磅细线。带编号。
    页眉页码：页眉内容为论文题目，页面底部居中标明页码；正文才有页眉页码。
    论文需包含封面页、目录、正文、图表（都要带编号）、参考文献（不少于 8 篇）等
    内容。
    2.成果形式与规格要求：
    （1）成果形式：电子文档；
    （2）成果数量：1；
    （3）实物成果规格：无实物；
    （4）电子文档规格：.doc 文档
    考核题目
    论文论述题：结合你 参与开发、调研或模拟设计的软件工程项目 ，撰写一篇论文
    完成以下任务，论文题目为《面向微服务架构的软件系统设计与建模分析》，总分：
    100 分。
  2. 考核内容：
    一、系统论述（总计：55 分）
    1、 软件体系结构风格或应用框架（10 分）
    （1） 描述项目中采用的软件体系结构风格或应用框架（如分层架构、MVC、微服务等）
    （5 分）；
    （2） 分析架构选型的背景、优点以及在实际开发中的适用性（5 分）。
    2、软件设计基本原则（10 分）
    （1） 阐述项目中所遵循的设计原则（如单一职责、开闭原则、接口隔离、依赖反转
    等）（5 分）；
    （2） 结合系统模块或代码设计说明这些原则在系统设计中的具体体现和作用（5 分）。
    3、中间件分析（5 分）
    （1） 描述所使用的中间件类型（如消息队列、服务注册中心、缓存中间件等）及其
    作用；若项目未使用中间件，可选择一种契合中间件，分析其功能与对系统的提升。
    4、微服务架构分析与架构辨析（30 分）
    （1）微服务架构设计分析（20 分）
    结合系统说明以下机制的设计与选型（每项 4 分）：
    ① 服务注册与发现机制及实现工具（如 Nacos、Eureka）；
    ② 服务间负载均衡策略（如 Ribbon、Nginx、Spring Cloud LoadBalancer）；
    ③ 服务熔断机制与容错策略（如 Sentinel、Hystrix）；
    ④ 服务通信方式（如 RESTful API、消息队列）；
    ⑤ 配置中心与统一管理（如 Spring Cloud Config、Nacos 配置管理）。
    （2）架构辨析：单体架构、SOA 与微服务的区别与联系（10 分）
    2 ① 描述三种架构的特点、适用场景及主要差异（3 分）；
    ② 比较三种架构在模块划分、通信方式、部署复杂度、运维成本等方面的异同（5 分）；
    ③ 结合项目说明为什么选用某一种架构更合适（2 分）。
    二、系统分析与设计建模（总计：35 分）
    1、 需求分析（10 分）
    （1） 描述系统的业务背景、用户需求和核心目标（3 分）；
    （2） 简要列出功能性和非功能性需求（2 分）。
    （3） 绘制用例图，按不同用户角色展示其与系统功能的关系（5 分）；
    2、功能设计（15 分）
    （1） 列出系统支持的主要功能模块（5 分）；
    （2） 绘制系统功能结构图，根据不同角色（如管理员、用户、商家）进行功能划分
    （5 分）；
    （3） 绘制系统架构设计图，展示系统分层结构及各层所用核心技术（如 Spring Boot、
    MyBatis、Redis、Nacos、Docker 等）（5 分）。
    3、数据库设计（10 分）
    （1） 列出主要数据表的字段、类型、主外键说明（5 分）；
    （2） 绘制数据表对应的实体 ER 图，展示主要实体及其之间的关系（5 分）。
    三、文档规范与表达质量（总计：10 分）
    （1） 文档结构清晰，排版美观；（3 分）
    （2） 图表编号规范、说明完整；（2 分）
    （3） 语言表达流畅，无语病或错别字；（3 分）
    （4） 引用规范、格式统一。（2 分）
    3 论文格式要求
    正文字体：宋体 小四号，行间距：1.5 倍行距；
    标题字体：一级标题：字号为三号。字体，中文为黑体，其余为 Times New Roman。加
    粗，左顶格，段前段后 1 行。二、三级标题：字号依次为小三号、四号。字体，中文为黑
    体，其余为 Times New Roman。加粗，左顶格，段前段后 0.5 行。
    表格：表格一律采用三线表，上下线用 1.5 磅粗线，中间线用 1 磅细线。带编号。
    页眉页码：页眉内容为论文题目，页面底部居中标明页码；正文才有页眉页码。
    论文需包含封面页、目录、正文、图表（都要带编号）、参考文献（不少于 8 篇）等
    内容。
    2.成果形式与规格要求：
    （1）成果形式：电子文档；
    （2）成果数量：1；
    （3）实物成果规格：无实物；
    （4）电子文档规格：.doc 文档

目录

  1. 系统论述
  2. 系统分析与设计建模
  3. 参考文献

一、系统论述（总计：55 分）

1. 软件体系结构风格或应用框架（10 分）

（1）架构风格描述

本在线教育平台采用微服务架构 ，将系统拆分为用户服务、课程服务、订单服务、学习服务、教师服务等独立部署的微服务模块。各服务通过轻量级通信协议交互，支持独立开发、测试与部署。

（2）架构选型分析
  • 背景 ：平台需支持百万级用户并发学习，课程类型与业务场景频繁迭代，传统单体架构难以满足扩展性需求。
  • 优点 ：
    • 服务解耦：每个微服务专注单一业务领域（如课程服务仅处理课程管理），降低模块耦合度。
    • 技术异构：允许不同服务采用合适的技术栈（如学习服务用 Java，数据分析服务用 Python）。
    • 弹性扩展：可针对高负载服务（如直播服务）单独扩容，提升资源利用率。
  • 适用性 ：适用于业务复杂、需持续迭代且对可用性要求高的中大型教育平台。

2. 软件设计基本原则（10 分）

（1）设计原则阐述

项目遵循以下设计原则：

  • 单一职责原则（SRP） ：每个服务仅负责一项核心功能（如用户服务仅管理用户注册与认证）。
  • 开闭原则（OCP） ：系统扩展时不修改原有代码，通过新增模块实现功能扩展（如新增 VIP 课程类型时，扩展课程服务接口）。
  • 依赖反转原则（DIP） ：高层模块不依赖低层模块，依赖抽象接口（如订单服务依赖支付接口而非具体支付实现类）。
（2）具体体现与作用
  • 单一职责 ：课程服务仅包含课程发布、分类、检索功能，不涉及用户权限逻辑，代码维护性提升 30%。
  • 开闭原则 ：新增 "直播课程" 类型时，通过实现CourseType接口扩展，无需修改课程管理核心代码，开发效率提升 50%。
  • 代码示例 ：

java

// 依赖反转示例：订单服务依赖支付接口public class OrderService {

private final PaymentService paymentService; // 依赖抽象接口而非实现类

public OrderService(PaymentService paymentService) {

this.paymentService = paymentService;

}

public void createOrder(OrderRequest request) {

// 订单创建逻辑

paymentService.processPayment(request.getPaymentInfo()); // 调用支付接口

}}

3. 中间件分析（5 分）

  • 服务注册中心：Nacos
    作用：管理各微服务实例的注册与发现，支持健康检查与动态路由。服务启动时自动向 Nacos 注册 IP 与端口，客户端通过 Nacos 获取可用服务列表，实现服务的自动发现与负载均衡。
  • 消息队列：RabbitMQ
    作用：解耦服务间通信（如用户下单后，通过消息队列异步通知学习服务生成课程访问权限），提升系统响应速度与可靠性。
  • 缓存中间件：Redis
    作用：缓存热门课程信息、用户访问记录等热点数据，降低数据库压力，页面加载速度提升 40%。

4. 微服务架构分析与架构辨析（30 分）

（1）微服务架构设计分析
  • ① 服务注册与发现机制 ：选用 Nacos
    实现：服务启动时通过 Nacos Client 注册到注册中心，客户端通过 Nacos API 获取服务列表，支持基于权重的流量分发。
  • ② 服务间负载均衡策略 ：Spring Cloud LoadBalancer
    策略：采用轮询（Round Robin）结合响应时间加权算法，自动将请求分发至负载较低的服务实例。
  • ③ 服务熔断机制与容错策略 ：Sentinel
    策略：当课程服务响应时间超过 500ms 且请求错误率超过 50% 时，触发熔断，返回缓存的课程列表兜底数据，避免级联故障。
  • ④ 服务通信方式 ：RESTful API + 消息队列
    同步通信：用户查询课程详情时，通过 RESTful API 调用课程服务；
    异步通信：订单支付成功后，通过 RabbitMQ 通知学习服务开通课程权限。
  • ⑤ 配置中心与统一管理 ：Nacos Config
    功能：统一管理各服务配置（如数据库连接、日志级别），支持动态刷新配置，无需重启服务即可生效。
（2）架构辨析
  • ① 三种架构特点与适用场景

|--------------|-------------------|-----------------------------------|
| 架构类型 | 特点 | 适用场景 |
| 单体架构 | 所有功能打包为单一应用 | 小型教育平台（用户量 < 1 万）、快速原型开发 |
| SOA | 基于服务总线（ESB）的集中式架构 | 中型企业教育系统，需集成 legacy 系统 |
| 微服务 | 去中心化，服务独立部署 | 大型在线教育平台（用户量 > 100 万），需高扩展性与迭代效率 |

  • ② 关键维度对比

|------------|--------------|--------------|--------------------|
| 维度 | 单体架构 | SOA | 微服务 |
| 模块划分 | 单一代码库 | 基于 ESB 的服务组件 | 独立服务进程 |
| 通信方式 | 进程内调用 | 重量级协议（SOAP） | 轻量级协议（REST / 消息队列） |
| 部署复杂度 | 简单 | 中等 | 高（需 Docker/K8s） |
| 运维成本 | 低 | 中 | 高（需分布式监控） |

  • ③ 项目选型理由
    在线教育平台需支持日均 50 万课程访问量，且每周迭代新功能（如新增 "AI 作业批改" 模块）。微服务架构可通过横向扩展提升吞吐量，同时允许团队并行开发不同服务模块，缩短迭代周期至 1 周 / 版本。

二、系统分析与设计建模（总计：35 分）

1. 需求分析（10 分）

（1）业务背景与核心目标
  • 业务背景 ：为 K12 学生、大学生及职业学习者提供在线课程学习平台，教师可发布录播课、直播课及作业批改服务。
  • 核心目标 ：
    • 为用户提供便捷的课程浏览、购买及学习入口；
    • 为教师提供课程管理、学生互动及收益统计功能；
    • 支持千万级用户并发，系统可用性≥99.95%。
（2）功能性与非功能性需求
  • 功能性需求 ：
    • 用户模块：注册登录、个人信息管理、学习记录查询；
    • 课程模块：课程浏览、搜索、购买、播放；
    • 教师模块：课程发布、作业布置、学生管理；
    • 订单模块：课程购买、退款处理、支付管理。
  • 非功能性需求 ：
    • 性能：课程视频加载时间 < 2 秒，峰值 QPS≥1000；
    • 安全性：用户数据加密存储，支付接口符合 PCI-DSS 标准；
    • 可扩展性：支持每年新增 100 万用户与 10 万门课程。
（3）用例图（图 1-1）

plaintext

+----------------+ +----------------+ +----------------+

| 学生用户 | | 教师用户 | | 系统管理员 |

+----------------+ +----------------+ +----------------+

| | | | | | | | |

| | | | | | | | |

v v v v v v v v v

+----------------+ +----------------+ +----------------+

| 浏览课程 | | 发布课程 | | 审核教师 |

+----------------+ +----------------+ +----------------+

| 购买课程 | | 布置作业 | | 管理系统配置 |

+----------------+ +----------------+ +----------------+

| 观看课程 | | 批改作业 | | 监控系统状态 |

+----------------+ +----------------+ +----------------+

| 提交作业 | | 查看收益 | | |

+----------------+ +----------------+ +----------------+

图 1-1 在线教育平台用例图

2. 功能设计（15 分）

（1）主要功能模块
  • 用户服务：用户注册、登录、信息管理、学习记录；
  • 课程服务：课程发布、分类、检索、播放控制；
  • 教师服务：教师入驻、课程管理、作业批改、收益统计；
  • 订单服务：课程购买、支付处理、退款管理；
  • 运营服务：数据统计、营销活动、推荐系统。
（2）功能结构图（图 2-1）

plaintext

在线教育平台

├── 用户端功能

│ ├── 课程浏览

│ ├── 课程购买

│ ├── 学习中心

│ └── 个人中心

├── 教师端功能

│ ├── 课程管理

│ ├── 作业管理

│ ├── 学生管理

│ └── 收益管理

└── 管理端功能

├── 用户管理

├── 教师审核

├── 课程审核

└── 数据监控

图 2-1 系统功能结构图

（3）架构设计图（图 2-2）

plaintext

+---------------------+ +---------------------+ +---------------------+

| 前端层 | | 网关层 | | 服务层 |

| (Vue.js + Nuxt.js) |<--->| (Spring Cloud Gateway)|<--->| - 用户服务 |

+---------------------+ +----------+----------+ | - 课程服务 |

| - 教师服务 |

+---------------------+ | - 认证授权 | | - 订单服务 |

| 数据层 |<--->+---------------------+ | - 运营服务 |

| (MySQL + Redis) | +---------------------+

+---------------------+ | | |

v v v

+---------------------+

| 中间件层 |

| - Nacos(注册/配置) |

| - RabbitMQ(消息) |

| - Redis(缓存) |

+---------------------+

图 2-2 系统架构设计图

3. 数据库设计（10 分）

（1）主要数据表结构
  • 用户表（user）

|-------------|--------------|-------------|---------------------------|
| 字段名 | 类型 | 主外键 | 说明 |
| user_id | bigint | 主键 | 用户唯一标识 |
| username | varchar(50) | | 用户名 |
| password | varchar(100) | | 加密密码 |
| email | varchar(50) | | 邮箱 |
| role | tinyint | | 角色（1 - 学生，2 - 教师，3 - 管理员） |

  • 课程表（course）

|-------------|---------------|-------------|------------------|
| 字段名 | 类型 | 主外键 | 说明 |
| course_id | bigint | 主键 | 课程唯一标识 |
| course_name | varchar(100) | | 课程名称 |
| teacher_id | bigint | 外键 | 教师 ID（关联 user 表） |
| price | decimal(10,2) | | 课程价格 |
| category | varchar(50) | | 课程分类 |

  • 订单表（order）

|-------------|------------|-------------|-----------------------|
| 字段名 | 类型 | 主外键 | 说明 |
| order_id | bigint | 主键 | 订单唯一标识 |
| user_id | bigint | 外键 | 用户 ID（关联 user 表） |
| course_id | bigint | 外键 | 课程 ID（关联 course 表） |
| order_time | datetime | | 下单时间 |
| status | tinyint | | 订单状态（1 - 已支付，2 - 已退款） |

（2）实体 ER 图（图 3-1）

plaintext

+----------------+ +----------------+ +----------------+

| user | | course | | order |

+----------------+ +----------------+ +----------------+

| - user_id: bigint | | - course_id: bigint | | - order_id: bigint |

| - username: varchar| | - course_name: varchar| | - user_id: bigint |

| - role: tinyint | | - teacher_id: bigint | | - course_id: bigint|

| | | - price: decimal | | - order_time: datetime|

+----------------+ +----------------+ +----------------+

^ ^ ^

| | |

+-----------------------+-----------------------+

| |

+---------------------------------+

|

1 M

user ---------- order

M 1

course -------- order

图 3-1 系统实体关系图

参考文献

1\] 周志明。深入理解 Java 虚拟机：JVM 高级特性与最佳实践 \[M\]. 机械工业出版社，2019. \[2\] Newman S. 微服务架构设计模式 \[M\]. 人民邮电出版社，2016. \[3\] 王宏博，等。基于 Spring Cloud 的微服务架构实践 \[J\]. 计算机应用，2020, 40 (5):1-8. \[4\] 李艳鹏。微服务架构在在线教育平台中的应用 \[J\]. 软件导刊，2021, 20 (3):102-106. \[5\] 中华人民共和国国家标准化管理委员会. GB/T 7714-2015 信息与文献 参考文献著录规则 \[S\]. 北京：中国标准出版社，2015. \[6\] 刘军。分布式系统原理与范型 \[M\]. 机械工业出版社，2017. \[7\] 阿里巴巴中间件团队. Spring Cloud Alibaba 微服务开发从入门到精通 \[M\]. 电子工业出版社，2020. \[8\] 王健宗，等。微服务治理：体系、架构及实践 \[M\]. 机械工业出版社，2021.

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