2021年《系统架构设计师》下午模拟试卷2

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1 问答题 1分

【说明】某软件公司欲开发一个基于Web 2.0的大型社交网络系统。就该系统的数据架构而言，李工决定采用公司熟悉的数据架构，使用通用的商用关系型数据库，系统内部数据采用中央集中方式存储。该系统投入使用后，初期用户数量少，系统运行平稳。6个月后，用户数出现了爆炸式增长，系统暴露出诸多问题，集中表现在：1.用户执行读写操作时，响应时间均变得很慢；2.随着系统功能的扩充，原有数据格式发生变化，又出现新的数据格式，维护困难；3.数据容量很快超过系统原有的设计上限，数据库扩容困难；4.软件系统不断出现宕机，整个系统可用性较差。经过多次会议讨论，公司的邹月平邹工建议采用NoSQL数据库来替代关系数据库，以解决上述问题。但薛大龙薛工指出NoSQL数据库出现时间不长，在使用上可能存在风险。公司技术人员对NoSQL数据库产品进行了认真测试，最终决定采用NoSQL数据库来替代现有的数据库系统。【问题1】10分请比较关系数据库与 NoSQL 数据的特点，如表 4-1 所示，以此来说明该系统更适合采用 NoSQL 数据库。请完成表 4-1 中的（1） ~ （5） 处空白。表 4-1 关系数据库与 NoSQL 数据库特征比较

【问题2】15分公司最终决定采用邹工的方案，同时配合分布式缓存技术减轻数据库服务器压力，目前有Memcache和Redis两种方案，请从数据类型、持久化和分布式存储三个方面比较两种技术的区别。

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正确答案：

本题解析：

【问题1】（1）弱一致性（2）结构化数据（3）高（强）事务性（4）强（5）有限数据【问题2】

在数据类型方面：Memcache支持简单Key/Value类型，而Redis不仅仅支持简单的k/v类型的数据，同时还提供list，set，hash等数据结构的存储。 在持久化方面：Memcache不支持数据持久化，Redis支持支持数据持久化。 在分布式存储方面：Memcache服务器需要通过hash一致化来支撑主从结构，而Redis支持多种方式，主从、sentinel、cluster等。

2 问答题 1分

阅读以下关于某保险集团公司中间业务系统开发的叙述，在答题纸上回答问题1至问题3。【说明】随着信息化的发展，某保险集团公司的中心账务系统，从区域中心模式已经升级到全国中心模式。但是处理各种代收代付业务的中间业务系统，目前仍然采用区域中心模式，由各区域分部自行负责，使得集团总部对于中间业务管理比较困难。因此，集团总部计划将中间业务系统全部升级到总部统一管理模式。各区域分部采用基于web的中间业务系统，均为各区域自行建设的，系统的硬件平台、软件系统、数据模式等均有非常大的差异。为统一管理，集团总部决定重新开发一套集中控制模式的中间业务系统，用来替代各区域的中间业务系统，但要求能够支持目前各区域的所有中间业务。【问题1】 （8分） 在如何对待遗留系统上，项目组存在两种不同的策略：淘汰策略和继承策略。请简要解释这两种策略，并说明新开发的中间业务系统适合采用哪种策略及其原因。 【问题2】（5分）中间业务系统中，最为核心的是业务数据。因此，在新旧系统切换时存在一项重要的工作：数据迁移。考虑到各区域中间业务系统的巨大差异，因此需要做好数据迁移前的准备工作。请简要说明数据迁移准备工作的内容。 【问题3】（ 12分）项目组邹工提出采用 REST 架构风格设计实现该中间业务系统，而薛工提出采用RPC风格来实现该系统，项目组经过热烈的讨论之后决定采用邹工的方案。请根据你对于这两种模式的理解，用300字描述这两种风格的不同之处，以及REST风格的设计原则包括哪些。

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正确答案：

本题解析：

【问题1】 （8分）（1） 淘汰策略：遗留系统的技术含量低，具有较低的业务价值，因此需要全面重新开发新系统以替代遗留系统；一般是企业的业务发生了根本变化，遗留系统已经基本上不再适应企业运作的需要；或者是遗留系统的维护人员流失，维护文档资料丢失。评价后发现，开发新系统比维护与改造旧系统从成本上更经济合算。（2） 继承策略：遗留系统技术含量低，已经满足企业运作的功能或性能要求，但有较高的业务价值，目前企业的业务尚需依赖该遗留系统。因此，开发系统替代遗留系统时，需要完全兼容遗留系统的功能模型和数据模型。适合采用的是继承策略。因为集团总部中心需要管理所有中间业务，而目前的各区域系统从技术上不满足全国中心的需求，需要重新开发新的中间业务系统；同时，新系统必须支持当前各区域的所有中间业务。因此，必须完全兼容目前各系统的功能模型和数据模型。 【问题2】（5分）（1） 待迁移数据源的详细说明，包括数据的存放方式、数据量和数据的时间跨度。（2） 建立新旧系统数据库的数据字典，对现有系统的历史数据进行质量分析，以及新旧系统数据结构的差异分析。（3） 新旧系统代码数据的差异分析。（4） 建立新旧系统数据库表的映射关系，对无法映射字段的处理方法。（5） 开发或购买、部署ETL工具。（6） 编写数据转换的测试计划和校验程序。（7） 制定数据转换的应急措施。 【问题3】（12分）1、REST 相对于 RPC 更为轻量化，RPC 服务提供方与调用方接口依赖太高，会导致编码格式的复杂性，而 REST 服务提供方和调用方的依赖只是依靠定义好的规则，不存依赖问题。2、REST 服务很好的实现了跨平台，任何一个语言（JavaScript、Vue、HTML5、Bootstap 等）的调用方都可以根据接口定义来实现，而 RPC 服务对平台有要求限制，在某些情况下很难实现复用。3、Rest 完全通过 HTTP 协议实现的，使用 HTTP 协议处理数据通信。所以 REST 架构对资源的操作就包括了 HTTP 协议中提供的 GET、POST、PUT、PATCH、DELETE、COPY、HEAD等众多操作方法。

REST风格的5条关键原则包括：（1）网络上的所有事物都被抽象为资源。（2）每个资源对应一个唯一的资源标识。（3）通过通用的连接件接口对资源进行操作。（4）对资源的各种操作不会改变资源标识。（5）所有的操作都是无状态的。

3 问答题 1分

阅读以下关于分布式系统设计的叙述，回答问题。【说明】某软件公司拟开发一套电信领域的分布式系统，该系统后台多个功能模块同时运行时的计算负载较大，且需要控制不同的特定电信硬件设备，由于硬件体积和I/O端口冲突等原因，这些设备需要分散安装在多个不同计算机系统中。该系统上线运行后将为企业最终用户提供7×24小时的不间断服务，而用户的单次接入服务往往需要后台多个模块共同协作完成。基于上述原因，该系统后台软件模块需分布在局域网内的多台计算机上。项目组决定基于ISO的开放分布进程(ODP)规范来进行系统架构的设计与开发，近期项目组召开了多次会议，对架构设计阶段的关键问题进行了讨论分析。【问题1】ODP从5个标准的视点组织分析系统的架构，这些视点描述了同一系统的不同重要方面，请根据图中不同视点所关注的核心内容，将备选的架构视点填入图中的(1)～(5)。

备选答案：技术选择架构、企业业务架构、分布式工程架构、计算接口架构、逻辑信息架构

【问题2】在技术选择架构规划时，王工认为系统应基于现有分布式基础设施(分布式中间件)来构建，因为这样可以充分利用现有基础设施提供的各种支撑，在更短时间内构造出质量更高的分布式系统；而李工则认为可基于基本的进程间通信机制自主开发系统的支撑平台，这样可以避免对特定中间件的依赖，项目组经过认真讨论，最终采用了王工的方案。请用400字以内文字，从构件管理支持、互操作支持以及公共服务支持三个方面说明现有分布式基础设施为构建分布式系统所提供的基本支撑。【问题3】由于系统后台模块的分布式特性，后台分布式对象之间的互操作机制是需要考虑的核心问题之一。下图所示是当前分布式基础设施中支持分布式对象互操作的基本机制，请将相应部件名称填入图中(1)～(2)；基于图给出的结构，用300字以内文字说明完成一次分布式对象调用的详细步骤。

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正确答案：

本题解析：

【参考答案】

【问题1】

(1)企业业务架构(2)逻辑信息架构(3)计算接口架构(4)分布式工程架构(5)技术选择架构【问题2】

(1)构件管理支持：现有分布式基础设施一般通过构件容器为构件提供基本的运行环境；具体功能一般包括管理构件的实例及其生命周期、管理构件的元信息等。(2)互操作支持：现有分布式基础设施均提供了高层通信协议以屏蔽节点的物理特性以及各节点在处理器、操作系统、程序设计语言等方面的异构性；基于互操作支持，开发人员在开发与调用分布式对象时，均不需自己编写处理底层通信的代码。(3)公共服务支持：现有分布式基础设施通常将针对分布式软件的通用支持集成于一身，以公共服务的形式提供给应用程序；其提供的常见公共服务包括命名服务、事务服务、安全服务、持久性 服务等。【问题3】

(1)存根/桩 (2)框架或(1)代理 (2)存根一次远程调用的过程如下：①客户程序将调用请求发送给客户端桩，对于客户程序来说，桩就是服务程序在客户端的代理。②客户端桩负责将远程调用请求进行编组并发送给通信总线。③调用请求经通信总线传送到服务端框架。④服务端框架将调用请求解组并分派给真正的远程对象实现(服务程序)。⑤服务程序完成客户端的调用请求，将结果返回给服务端框架。⑥服务端框架将调用结果编组并发送给通信总线。⑦调用结果经通信总线传送到客户端桩。⑧客户端桩将调用结果解组并返回给客户程序，客户程序得到调用结果。

【解析】

【问题1】本题考查考生对典型分布式系统架构设计相关基础知识的掌握，要求考生了解基于ODP的架构设计过程中不同架构视点所关注的核心工作，充分理解现有分布式基础设施为分布式系统构建提供的各种基本支撑，掌握分布式对象互操作的基本原理与交互过程。本问题考查考生对ODP架构视点的理解程度。ISO定义的ODP参考模型为分布式计算进程提供了一个基本框架，它定义了分布式系统中包括开放性、整体性、灵活性、可塑性、联合性、可操作管理性、优质服务、安全性和透明性等在内的重要性质。其体系结构视点把抽象的符号或图表(如UML图表)运用到具体的体系结构开发任务中，每个视点有具体的建模目标和系统相关者。ODP从5个标准的视点组织分析了系统的架构，描述了同一系统的不同重要方面，这些视点包括企业业务架构、逻辑信息架构、计算接口架构、分布式工程架构和技术选择架构。企业业务架构从IT的角度，对企业的业务结构、企业机构与业务的关系、企业内部的关系以及企业与外部机构的关系进行整理定义。该架构视点关注的核心内容包括业务目标、业务对象和业务策略等。逻辑信息架构标识出系统必须知道什么，这种架构通过一个对象模型来表达，强调定义系统状态的属性。该架构视点关注的核心内容包括信息、对象、信息联合和信息行为等。计算接口架构定义顶层的应用程序接口，这些是完全工程化的子系统边界的接口，这些接口的架构控制对于一个支持变化和控制复杂性的稳定的系统结构来说，是非常重要的。该架构视点关注的核心内容包括子系统的一致性、应用程序接口和接口行为等。分布式工程架构定义了底层结构的需求，而独立于所选择的技术，它很好地解决了包括物理位置、系统规模可变性和通信服务质量等在内的复杂系统策略。该架构视点关注的核心内容包括软件分配、过程分配和服务质量等。技术选择架构确定了实际的技术选择，所有其他视点都独立于这些决定，一个系统的选择过程包括初始概念机制的确认、具体机制的标识及最终实际机制的选择。该架构视点关注的核心内容包括概念性机制、具体的机制和实际的机制等。基于上述分析，图中的(1)～(5)应分别填写企业业务架构、逻辑信息架构、计算接口架构、分布式工程架构和技术选择架构。【问题2】本问题考查考生对现有分布式基础设施的理解。随着软件系统规模与复杂度的不断提高，软件开发过程中复杂度高、开发周期长、可靠性保证难等突出问题并没有得到根本缓解，而分布式软件面临更大的挑战，分布式软件所运行的网络环境具有明显的分布性、开放性、演化性、异构性、并发性等特征，因此分布式软件必须解决互操作、数据交换、分布性、可行性等一系列更复杂的问题。现有的分布式基础设施典型地为三层/多层结构的分布式软件系统提供各种开发支撑，因为三层结构的分布式软件的核心为中间层，因此支撑主要集中在对中间层开发的支撑上。现有基础设施为分布式软件系统提供的基本支持与分布式软件所运行的网络环境密切相关，具体可归为提供构件运行环境、提供互操作机制与提供公共服务三个方面，基于分布式基础设施提供的支持，可以在更短时间构造出质量更高的分布式系统。(1)提供构件运行环境：现有分布式基础设施均提供构件化的基本支持，支持方便开发与使用符合特定规范的构件(分布式对象)。中间件一般通过构件容器为构件提供基本的运行环境，具体功能一般包括管理构件的实例及其生命周期、管理构件的元信息等。(2)提供互操作机制：因为分布式软件跨越了多台计算机，因此跨越网络的交互是每个分布式系统必须解决的首要问题，现有分布式基础设施均集成了早期远程过程/方法调用中间件的功能，提供了很强的高层通信协议以屏蔽节点的物理特性以及各节点在处理器、操作系统等方面的异构性。基于中间件的互操作支持，开发人员在开发与调用分布式对象时，均不需自己编写处理底层通信的代码。(3)提供公共服务：除了互操作的支持外，现有分布式基础设施将早期各种中间件中针对分布式软件的通用支持集成于一身，以公共服务的形式提供给应用程序。公共服务又称为系统级服务，指由中间件(应用服务器)实现的、应用程序使用的软件系统中共性程度高的功能成分。与应用程序中开发人员开发的构件实现的功能不同，公共服务通常不实现应用系统中具体业务逻辑，而是为具体业务逻辑的实现提供共性的支持，而开发人员开发的构件则实现具体的业务逻辑。常见了公共服务包括命名服务、事务服务、安全服务、持久性 服务等。【问题3】本问题考查考生对现有分布式对象互操作机制的理解。各种互操作通信协议，包括RPC、IIOP、DCOM通信协议、JRMP、RMI/HOP等，均可以帮助应用程序完成编组与解组等跨越网络通信的底层工作。这些高层通信协议尽管具体的实现细节不尽相同，但是在实现方式上与开发模式上均采用了RPC中相同的通信模型与类似的开发模式，它们采用的通信模型称为存根/框架(也称为桩/框架或代理/存根)结构。在该结构中，由客户端桩(Stub)替客户端完成与服务端程序交互的具体底层通信工作，客户程序中的远程对象引用实际上是对本地桩的引用；而服务端框架(Skeleton)负责替服务端完成与客户端交互的具体底层通信工作。由于客户端桩与服务端框架分别位于客户端与服务端程序的进程内，因此开发人员开发客户端与服务端程序时只需分别与本进程内的桩与框架构件交互即可实现与远端的交互，而负责底层通信的客户端桩与服务端框架在开发过程中自动生成而非由开发人员编写，从而为开发人员省去底层通信相关的开发工作。在存根/框架机制的支撑下，客户程序与分布式对象之间按照以下8个步骤完成一次远程调用：①客户程序将调用请求发送给客户端桩，对于客户程序来说，桩就是服务程序在客户端的代理。②客户端桩负责将远程调用请求进行编组并发送给通信总线。③调用请求经通信总线传送到服务端框架。④服务端框架将调用请求解组并分派给真正的远程对象实现(服务程序)。⑤服务程序完成客户端的调用请求，将结果返回给服务端框架。⑥服务端框架将调用结果编组并发送给通信总线。⑦调用结果经通信总线传送到客户端桩。⑧客户端桩将调用结果解组并返回给客户程序，客户程序得到调用结果。

4 问答题 1分

A公司承担了一项嵌入式实时控制系统的软件开发任务，其内容是按系统要求的固定的时间序列采集、处理、输出数据，以实现对多个设备的综合控制。

系统由硬件和软件组成，硬件由处理机（采用PowerPC603e，主频133 MHz）、存储器、定时器、中断控制器、双口存储器（空间大小1024 KB）、4路422半双工串口接口（其中两路的频率115200 Hz，另两路频率38400 Hz）、两路A/D、D/A数模转换器和10路离散量接口组成。系统的软件需求如下：

（1）系统要求以5 ms为周期从双口存储器中采集1024 KB的输入数据，处理任务的时间约为1ms（称为5ms任务）。

（2）系统要求以20 ms为周期从两路422接口（115200 Hz）中采集一定格式的大小为64B的数据，在完成处理（处理时间约为4 ms）任务后，分别输出大小为16 B的控制命令（称为20 ms任务）。

（3）系统要求以60 ms为周期从两路422接口（38400 Hz）中采集一定数据格式的大小为6 B数据，从两路A/D接口采集28位数据，在完成处理（处理时间约为2 ms）任务后，分别输出大小为2 B的控制命令和一个28位D/A数据，输出8路离散量控制数据（称为60ms任务）；

（4）作为系统的安全监控保障，系统要求在每1s内对系统软硬件状态进行测试并完成系统工作的状态记录工作。该任务共需处理时间是5ms（称为1s任务）。

A公司课题组根据用户的硬件环境及软件的需求，就软件的实施方案展开了激烈的讨论，讨论的首要问题就是本系统中软件的运行平台是采用嵌入式实时操作系统还是在裸机上直接开发的方式，李工提出为了保证系统的实时性，应该采用裸机上直接开发的方式，关键部分采用汇编语言编写，而王工提出，由于系统将由多种周期的处理任务组成，为了保证系统的可靠性，应该采用商用嵌入式实时操作系统作为本项目的开发基础，经过充分论证，最后李工接受了王工的建议，并申报课题组组长，课题组长同意采用了操作系统的方案，并指出必须尽快对需求的时间性能做出评估。

【问题1】

请用450字以内文字简要说明王工提出的采用嵌入式实时操作系统的理由或优点，并说明选择操作系统产品时需要重点考虑其哪些功能与性能？

【问题2】

李工和王工通过认真地对需求进行分析，给出了时间性能评估报告，判定在上述硬件平台上可以满足系统要求。请用300字以内文字简要说明嵌入式实时操作系统中时间性能评估中主要考虑哪几项因素；针对本课题的具体数据，叙述系统的工作时序关系。

【问题3】

根据系统需求，请设计出系统的处理流程（按时序），说明所有任务的优先级分配策略，422接口、双口存储器、离散量接口和A/D（D/A）的数据输入输出方法（中断或查询驱动）及理由。请用350字以内文字简要说明。

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正确答案：

本题解析：

【问题1】

采用嵌入式实时操作系统的主要理由及优点：

操作系统提供的任务调度功能，可以有效地管理本系统多周期任务的调度，并且操作系统提供的事件、信号和任务间的通信机制，可以有效地解决本系统中资源共享中的互斥问题。

采用商品化的软件，可提高所开发软件的可靠性，还可简化软件开发成本，提高开发效率。

选择嵌入式实时操作系统，主要考虑操作系统以下功能和性能：

（1）任务的上下文切换时间越短越好、中断响应时间越快越好、内核代码占用空间比较小。

（2）操作系统提供的服务接口应较丰富，有利于灵活使用（接口的开放性）。

（3）操作系统对可靠性有较强的保障支持能力。

（4）使用简单，支撑环境配套好，可配置、可剪裁能力强。

【问题2】

嵌入式实时系统中时间性能评估主要考虑以下几个因素：

（1）系统（操作系统）时间开销，一般不大于整个控制系统运行时间总开销的20%。

（2）保证所有任务在规定的时间期限内完成（或进行可调度性评估）。

（3）任务的上下文切换时间和中断响应时间。

针对本题的具体数据，系统的工作时序关系应该是：

系统的最小时间节拍定义为5ms，系统最大工作周期为1s，在每个5ms起点，5ms任务首先运行，占1ms时间，完成后转入处理被终止的任务；如果这个时刻时间到达20 ms的起点，则启动20ms任务运行，以此类推，确保在1s周期内所有任务按规定的时间序列执行。

【问题3】

优先级策略：小周期优先策略。

数据输入输出处理方式：422接口适合采用中断方式，主要因为处理机速度远远比数据传输速度快，在采集时不易消耗太多的时间，而查询方式由于存在等待数据时间，消耗处理机时间较大。双口存储器和离散量接口由于是直接访问存储器，采用查询较合适。A/D、D/A存在数据的转换时间，应在等待时交出处理机时间（定时查询）。

【解析】

本题主要考查嵌入式系统的操作系统设计或选型要求，考查在保证完成各个实时任务的前提下，如何设计任务调度方案。

【问题1】

实时系统是指系统计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，也取决于结果产生的时间，如果系统的时间约束条件得不到满足，将会发生系统错误，严重情况下会产生灾难性后果。实时系统在经济、航天、军事、科学等多个领域中起着重要的作用。

实时操作系统主要负责实时系统的任务调度、资源分配、系统检测、可靠性保证等，并提供简单、易用的使用开发接口，为保证实时性，其内核应该是"短小精干"，执行时占用CPU时间和其他开销很少。根据情况，实时操作系统可以直接在裸机上开发，也可直接应用商用嵌入式实时操作系统。

李工认为在裸机上直接开发实时性好，王工认为采用嵌入式实时操作系统可靠性好。系统并没有给出拟采用的操作系统的具体性能指标，但题目中指出"课题组最后采用了王工的建议"，可以判断该操作系统既有好的可靠性，又能满足实时性要求。

【问题2】

系统的任务按照执行的周期进行了分类，包括5ms任务（即在5ms、10ms、15ms等时刻，该任务需要被唤醒执行）、20ms任务、60ms任务和1s任务（系统软硬件测试）。

系统的最小时间节拍定义为5ms，系统最大工作周期（或称主时间框架）为1s，在每个5ms起点，5ms任务首先运行，占1ms时间，完成后转入处理被终止的任务；如果这个时刻时间到达20 ms的起点，则启动20 ms任务运行，以此类推，确保在1s周期内所有任务按规定的时间序列执行。工作流程如图8-1所示。

【问题3】

根据图8-1，可知需要采用小周期优先策略，即任务优先级排序从低到高为1s任务→60ms任务→20ms任务→5ms任务。

因为处理机速度远远比数据传输速度快，在采集时不易消耗太多的时间，而查询方式由于存在等待数据时间，消耗处理机时间较大。所以，422接口适合采用中断方式。

双口存储器和离散量接口由于是直接访问存储器，所以采用查询方式比较合适。

A/D、D/A存在数据的转换时间，应在等待时交出处理机时间（定时查询）。

5 问答题 1分

请详细阅读有关数据库方面的描述，回答问题。

【说明】某软件公司欲开发一个基于Web 2.0的大型社交网络系统。就该系统的数据架构而言，李工决定采用公司熟悉的数据架构，使用通用的商用关系型数据库，系统内部数据采用中央集中方式存储。该系统投入使用后，初期用户数量少，系统运行平稳。6个月后，用户数出现了爆炸式增长，系统暴露出诸多问题，集中表现在：1.用户执行读写操作时，响应时间均变得很慢；2.随着系统功能的扩充，原有数据格式发生变化，又出现新的数据格式，维护困难；3.数据容量很快超过系统原有的设计上限，数据库扩容困难；4.软件系统不断出现宕机，整个系统可用性较差。经过多次会议讨论，公司的邹月平邹工建议采用NoSQL数据库来替代关系数据库，以解决上述问题。但薛大龙薛工指出NoSQL数据库出现时间不长，在使用上可能存在风险。公司技术人员对NoSQL数据库产品进行了认真测试，最终决定采用NoSQL数据库来替代现有的数据库系统。

【问题1】10分请比较关系数据库与 NoSQL 数据的特点，如表 4-1 所示，以此来说明该系统更适合采用 NoSQL 数据库。请完成表 4-1 中的（1） ~ （5） 处空白。表 4-1 关系数据库与 NoSQL 数据库特征比较

【问题2】15分公司最终决定采用邹工的方案，同时配合分布式缓存技术减轻数据库服务器压力，目前有Memcache和Redis两种方案，请从数据类型、持久化和分布式存储三个方面比较两种技术的区别。

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正确答案：

本题解析：

【问题1】

（1）弱一致性（2）结构化数据（3）高（强）事务性（4）强（5）有限数据【问题2】

在数据类型方面：Memcache支持简单Key/Value类型，而Redis不仅仅支持简单的k/v类型的数据，同时还提供list，set，hash等数据结构的存储。 在持久化方面：Memcache不支持数据持久化，Redis支持支持数据持久化。 在分布式存储方面：Memcache服务器需要通过hash一致化来支撑主从结构，而Redis支持多种方式，主从、sentinel、cluster等。