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        基于虛擬化的高并發(fā)Web考試查分系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

        2022-07-05 00:09:53于偉
        電腦知識與技術(shù) 2022年14期

        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。

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