摘要：互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)突飛猛進，Web系統(tǒng)被越來越多的行業(yè)在生產(chǎn)生活中使用。教育考試管理機構(gòu)在發(fā)布中考、高考成績的時候，Web系統(tǒng)也被用于考生查詢分?jǐn)?shù)。由于查分人數(shù)眾多，容易出現(xiàn)系統(tǒng)緩慢，甚至高峰時段短時間內(nèi)無法訪問的情況。為了解決該問題，文章提出了一種基于虛擬化和負載均衡的高并發(fā)Web考試查分系統(tǒng)的解決方案，該方案能有效地應(yīng)對短期高并發(fā)的業(yè)務(wù)訪問。

關(guān)鍵詞：虛擬化;教育考試;高并發(fā);查分;負載均衡

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0099-03

當(dāng)今世界信息技術(shù)突飛猛進，在現(xiàn)實生活中Web訪問技術(shù)使用越來越頻繁。人們越來越離不開Web系統(tǒng)，譬如12306鐵路網(wǎng)上購票、大眾點評網(wǎng)上訂座、淘寶網(wǎng)上購物、教育考試網(wǎng)上查分等，Web系統(tǒng)已經(jīng)融入人們?nèi)粘Ｉ钪?。隨著Web系統(tǒng)應(yīng)用場景的擴大以及互聯(lián)網(wǎng)的普及，普通的Web系統(tǒng)由于響應(yīng)時間過長，處理速度過慢，高峰期無法連接等特性越來越難以滿足臨時、短時間、突發(fā)的巨大訪問量。高并發(fā)Web系統(tǒng)借助虛擬化技術(shù)構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)集群、數(shù)據(jù)庫集群，通過一定的負載均衡策略極大地提高了服務(wù)的可靠性和穩(wěn)定性，很好地滿足了現(xiàn)實生產(chǎn)生活的需要。

本文著重研究了高并發(fā)訪問系統(tǒng)的技術(shù)特點，并結(jié)合教育考試管理機構(gòu)成績發(fā)布時遇到的高并發(fā)訪問這一特定場景，基于虛擬化技術(shù)和負載均衡提出了一套行之有效的高并發(fā)Web系統(tǒng)架構(gòu)，最后通過實現(xiàn)原型系統(tǒng)證明了這套架構(gòu)在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域中的實際價值。

1 Web發(fā)展概述

最開始的Web系統(tǒng)由一臺服務(wù)器構(gòu)成，同時承擔(dān)著響應(yīng)服務(wù)請求和數(shù)據(jù)增、刪、改、查的任務(wù)，這種架構(gòu)所能承載的日訪問量和短時間訪問量都很小。隨著訪問請求日益增加，單一服務(wù)器搭建的Web系統(tǒng)無法滿足要求，因此逐漸將前端響應(yīng)服務(wù)請求的功能和后臺數(shù)據(jù)增、刪、改、查的功能區(qū)分開，由一臺Web服務(wù)器和一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)成。Web服務(wù)器負責(zé)接收處理客戶的訪問請求，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負責(zé)處理保存后臺的客戶數(shù)據(jù)，兩類服務(wù)器互不影響，這種架構(gòu)可以滿足以萬計級別的日訪問量。如果Web訪問服務(wù)繼續(xù)增加，服務(wù)提供商可能會采用更高配置、更高性能的服務(wù)器來解決訪問瓶頸，但這種架構(gòu)存在著先天劣勢，且不能滿足短期突發(fā)的大量訪問請求這類場景[1-3]。在廣泛使用需求的推動下，高并發(fā)Web系統(tǒng)成為研究熱點。

2 虛擬化技術(shù)概述

虛擬化技術(shù)將計算機的處理器、內(nèi)存、硬盤、顯卡等物理資源抽象為邏輯資源，并將邏輯資源組合成虛擬機。用戶在訪問虛擬機獲取服務(wù)時就像訪問現(xiàn)實計算機一樣真實。在實際生產(chǎn)環(huán)境中，軟硬件資源相對孤立，通過虛擬化技術(shù)整合新舊物理資源，將不同時期采購的不同型號、不同品牌的計算機作成虛擬機，構(gòu)成一個大的服務(wù)器資源池，極大地減少了機房軟硬件資源的采購成本，提高了軟硬件資源的利用率。當(dāng)一臺虛擬機出現(xiàn)故障時，可以遷移到其他服務(wù)器上進行運行，見圖1，確保服務(wù)無縫銜接，實現(xiàn)了查詢訪問服務(wù)的高可靠性[4-6]。

3 考試查分系統(tǒng)的特點

考試管理機構(gòu)考試查分系統(tǒng)呈現(xiàn)一定的規(guī)律。在考試管理機構(gòu)規(guī)定的一段時間內(nèi)，考生可通過部署的查分系統(tǒng)訪問查詢各科考試成績。在成績查詢期間，考生如對發(fā)布的成績有疑義，允許其在線提出成績復(fù)核申請。成績復(fù)核期間，考試管理機構(gòu)根據(jù)匯總的成績復(fù)核申請，組織工作人員進行成績復(fù)核。復(fù)核結(jié)束后，考生可再次在線進行復(fù)核成績查詢。從上述流程可以看出，在成績剛剛開放查詢時，瞬時訪問會急劇增加，特別是利害性考試查分系統(tǒng)尤為明顯。此外，由于考生成績查詢、修改操作需全程可回溯的特點，對數(shù)據(jù)庫的任何增刪改查都要有日志記錄。

4 高并發(fā)Web考試查分系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

筆者在單位虛擬化集群上搭建了一套高并發(fā)的Web查分系統(tǒng)。該系統(tǒng)框架由數(shù)據(jù)庫訪問層，緩存管理層，應(yīng)用邏輯層，數(shù)據(jù)表示層4個部分組成[7-11]，見圖2。

數(shù)據(jù)庫訪問層，主要是和數(shù)據(jù)庫進行交互，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的讀寫和存儲，保證訪問數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性。通過提供訪問數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一的讀、寫接口，屏蔽不同類型數(shù)據(jù)庫的差異，極大地方便了緩存服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫集群的讀操作和應(yīng)用服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫集群的寫操作，降低了數(shù)據(jù)出錯的概率。同時，根據(jù)高并發(fā)業(yè)務(wù)邏輯的分析整合，對數(shù)據(jù)采用了橫向拆分和縱向拆分方法，提供了簡潔明了的數(shù)據(jù)分散結(jié)構(gòu)，降低了模型上層結(jié)構(gòu)的開發(fā)復(fù)雜度。數(shù)據(jù)庫集群讀寫分離，通過一定時鐘內(nèi)主從復(fù)制來保證向上層提供服務(wù)的響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)一致性。

緩存管理層，主要是對緩存服務(wù)器進行統(tǒng)一管理，譬如緩存失效時間、緩存命中概率、緩存內(nèi)存大小、緩存保存規(guī)則、緩存服務(wù)器之間數(shù)據(jù)同步時鐘設(shè)定等方面。緩存管理層借助虛擬化技術(shù)，構(gòu)建緩存虛擬服務(wù)器集群，通過一定的緩存策略統(tǒng)一管理緩存在虛擬服務(wù)器集群上的數(shù)據(jù)。緩存向上對應(yīng)用邏輯層提供統(tǒng)一的訪問接口，向下對數(shù)據(jù)庫訪問層進行查詢請求，并根據(jù)緩存策略決定是否將請求結(jié)果寫入緩存。

應(yīng)用邏輯層，主要是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的邏輯處理部分，是高并發(fā)Web考試查分系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)層。應(yīng)用邏輯層對來自緩存管理層的數(shù)據(jù)根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯進行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的修改、獲取、刪除等功能，并將處理結(jié)果以用戶指定的格式反饋給數(shù)據(jù)表示層，由數(shù)據(jù)表示層進行展示結(jié)果。應(yīng)用邏輯層還與數(shù)據(jù)庫訪問層進行交互，在記錄考生查詢的log或者考生申請成績復(fù)核的情況時，應(yīng)用邏輯層調(diào)用數(shù)據(jù)庫訪問層接口進行數(shù)據(jù)記錄。

應(yīng)用邏輯層借助虛擬化技術(shù)，通過提供構(gòu)建應(yīng)用虛擬服務(wù)器集群，提高用戶訪問系統(tǒng)的響應(yīng)效率。從多個物理服務(wù)器上構(gòu)建應(yīng)用虛擬機資源池，集中提供服務(wù)，對于數(shù)據(jù)表示層來說，所有虛擬機都是透明的，只感知到有一臺應(yīng)用服務(wù)器在提供服務(wù)。理論上，數(shù)據(jù)表示層可以任由其中一臺虛擬機提供服務(wù)，但在實際生產(chǎn)環(huán)境中，受限于應(yīng)用虛擬服務(wù)器的資源使用飽和情況，有可能會出現(xiàn)虛擬服務(wù)器宕機的故障，破壞服務(wù)的可靠性。結(jié)合負載均衡技術(shù)的使用[12]，可以使數(shù)據(jù)表示層能選中資源相對豐富的應(yīng)用虛擬服務(wù)器提供可靠服務(wù)。

數(shù)據(jù)表示層又稱為UI層，位于四層架構(gòu)的最上層，由用戶直接訪問。高并發(fā)Web考試查分系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，由Web瀏覽頁面展示最終結(jié)果。數(shù)據(jù)表示層的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和展現(xiàn)。在此過程中無須進行邏輯業(yè)務(wù)處理，將數(shù)據(jù)輸入應(yīng)用邏輯層，并由應(yīng)用邏輯層將底層獲取處理的數(shù)據(jù)反饋給數(shù)據(jù)表示層，保證用戶的體驗。

5 高并發(fā)Web考試查分系統(tǒng)的實現(xiàn)

本文提出的高并發(fā)解決方案可以解決教育考試管理機構(gòu)中考、高考成績發(fā)布時高并發(fā)訪問的問題，同時為普通Web系統(tǒng)所參考。數(shù)據(jù)庫訪問層對數(shù)據(jù)庫的讀和寫都在同一個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，無論從安全性還是高并發(fā)等方面都無法滿足實際需求，因此通過主從復(fù)制的方式來同步數(shù)據(jù)，再通過讀寫分離來提升數(shù)據(jù)庫集群的并發(fā)負載能力。讀寫分離的主要內(nèi)容是把數(shù)據(jù)庫的讀和寫分布在不同的數(shù)據(jù)庫上。數(shù)據(jù)庫集群由一臺主服務(wù)器和若干臺從服務(wù)器構(gòu)成，主服務(wù)器主要負責(zé)寫操作，從服務(wù)器主要進行讀操作。主服務(wù)器和從服務(wù)器之間設(shè)定同步程序，這樣主服務(wù)器的數(shù)據(jù)會在一個很短的時間之內(nèi)被同步到各個從服務(wù)器，見圖3。

表格是數(shù)據(jù)庫的核心部分，存儲考生數(shù)據(jù)涉及三個表。第1個表為考生表，用于查詢成績用，存儲報名號、考生號、姓名、各科目成績;第2個表為復(fù)核表，用于查詢成績提出復(fù)核申請，存儲報名號、姓名、需復(fù)核的科目;第3個表為考生詳細表，用于復(fù)核時調(diào)出考生情況，存儲報名號、考生號、畢業(yè)學(xué)校、身份證號、姓名、各科目成績、各科目抬頭圖片。如果把考生所有的字段都保存在一張表里面，表格將會變得非常大，并且進行讀寫操作容易形成等待，效率低下?？紤]到這些情況，使用縱向拆分的方法，把查詢最為頻繁的字段獨立出來做成一個表格，僅將和呈現(xiàn)成績相關(guān)的字段存儲在此表中，去除更加詳細的關(guān)于考生的字段信息，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，提高了查詢和讀寫效率。此外，由于考生人數(shù)眾多，采用橫向拆分的方法，按照考生報名號的不同把相關(guān)字段放到不同的表格里面來減少同一個表格里面的數(shù)據(jù)量，從而達到加快查詢速度和寫入速度的目的，同時系統(tǒng)的可擴展性和可維護性也得到極大的提高。

緩存管理層使用負載均衡技術(shù)，使緩存服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相互協(xié)作、共同負載、均衡壓力。對應(yīng)用邏輯層而言，整個緩存管理層可以視為一臺具有超高性能的獨立服務(wù)器。緩存管理層負責(zé)應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)庫訪問層的上傳下達，根據(jù)緩存命中率和數(shù)據(jù)庫負載情況，通過有效的均衡策略調(diào)整訪問的數(shù)據(jù)庫。

利用VMware虛擬化技術(shù)，可以彈性增減虛擬服務(wù)器的數(shù)量。在中考、高考查分期間，我們一般會把應(yīng)用服務(wù)器增加到40臺以上，等查詢高峰過后，再將虛擬化資源收回，一方面減少了硬件成本，另一方面通過虛擬機復(fù)制避免了新增物理設(shè)備環(huán)境的搭建，減少了業(yè)務(wù)部署時間。

筆者在單位搭建了一套基于虛擬化的高并發(fā)考試查分系統(tǒng)，很好地響應(yīng)了用戶查分請求，取得了良好的效果，圖4是中考查分時的并發(fā)訪問趨勢。

6 結(jié)束語

針對教育考試管理機構(gòu)成績發(fā)布時遇到的高并發(fā)訪問問題，本文結(jié)合虛擬化和負載均衡技術(shù)，提出了一套切實可行的高并發(fā)Web系統(tǒng)架構(gòu)，能夠很好地應(yīng)對本領(lǐng)域短期瞬時巨大訪問量，提高了專業(yè)化考試機構(gòu)的服務(wù)能力和水平，提升了考生的“獲得感”。

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收稿日期：2022-01-16

作者簡介：于偉（1985—），男，江蘇南通人，碩士，工程師，主要研究方向為教育信息化，考務(wù)管理。