教務系統應用瓶頸及優化策略研究

[摘 要] 隨著教務管理信息化的深入應用和業務功能的擴展、在校生人數的持續增加、軟硬件的升級更新，在教務系統應用中出現的資源利用不均，網絡瓶頸、數據庫瓶頸等現象也逐漸增多，對教務系統的日常運行和使用帶來了諸多影響和局限。本文根據教務系統整體應用結構，逐一分析產生瓶頸的各個方面，結合新興的云計算、虛擬化以及傳統的分布式、負載均衡等優勢技術，在各個環節逐一探討瓶頸優化策略。

[關鍵詞] 教務系統;系統瓶頸;優化策略

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2010 . 17. 026

[中圖分類號]TP315;G473 [文獻標識碼]A [文章編號]1673 - 0194(2010)17- 0060 - 04

信息技術的發展，使高校教學管理信息化逐步走向深入、成熟。教學事務信息管理系統，一般簡稱為教務系統，是高等學校教學管理信息化中不可或缺的中堅力量，它在連續、系統、全面、綜合地反映教學管理情況的同時，也為管理中的對象和業務提供重要信息化支撐。然而隨著應用系統功能的不斷擴展，在校生人數的持續增加，學分制選課制度的規范管理，歷年歷史數據的海量疊加，軟硬件設備的升級更新，教務系統在應對眾多師生同時訪問的大流量、高并發的數據事務處理中，也逐漸顯露出諸多局限和不足，并慢慢演化為應用瓶頸，制約著教育管理信息化的發展，影響著事務處理的效率。解決這些制約瓶頸，增加經費投入無疑是重要的方面，但在大多數高校里，是難以接受解決這些瓶頸問題所需的龐大資金預算的，因此需要從應用環境出發，結合先進的技術理念和成熟可靠的應用技術，探索出一套能夠支撐高并發運行、靈活適用、擴展性強的優化策略。

一、教務系統應用瓶頸現狀

經過多年的建設和發展，教務系統已成為教學事務處理的中心，涉及教學過程的各項事務，如計劃編排、學生選課、課表查詢、成績管理、教學評價等，都以教務系統為中心向外延伸，其所形成的師資信息、學生信息、課程信息、教學任務等也成為高校教學管理寶貴的資源庫，通過數字化校園廣泛應用于學工、人事、教學狀態數據采集等領域，教務系統應用框架如圖1所示。

從圖1中可清晰看出，教務系統不僅要處理自身的各種繁雜的數據事務，而且面臨著來自其他方面的壓力，瓶頸的產生是無法回避的現實問題。

(一)數據處理瓶頸

教務信息處理，歸根到底還是通過數據庫對數據信息進行存儲、檢索、加工、統計等一系列操作，如成績錄入、課表編排、畢業審核等信息服務，這些應用操作往往是在一個較為集中的時間段進行的密集的數據存取，雖然數據庫允許多用戶按分時方式，保持較短響應時間同時使用系統資源，在日常使用中我們似乎并未察覺到存取效率的異常，但在選課、成績錄入等特殊時間，數據處理要面對大量用戶同時查詢不同專業、類別的學生、課程、教師等信息，還有大量實時數據寫入數據庫，其空間復雜度要求在多個不同數據表之間交叉關聯，表與表之間關聯關系復雜，磁盤讀寫I/O頻繁，處理一條事務的時間周期遠高于平時，整個系統則變得異常緩慢甚至沒有響應，有時甚至出現保存信息丟失等嚴重情況，數據處理瓶頸集中凸顯。

當教務系統越來越多地用于數字化校園的決策支持和數據挖掘時，需要訪問大量的歷史數據，通過動態的分析和多維數據運算，如切片和切塊、數據抽取與數據變換、數據歸約等，提取出隱含的重要信息，滿足數據分析的深度、伸縮性的需要，此時，數據處理執行的時間周期將更長，瓶頸效應對整個系統的影響也更加突出。

(二)網絡并發瓶頸

網絡是保障信息系統穩定運行的重要基礎設施，通過網絡將分散于各個區域和建筑中的用戶匯聚到一起，協同完成教務管理的各個部分，網絡是連接和傳遞信息的橋梁，因此網絡是否暢通，接收和回傳數據是否完整、及時，也會制約教務系統的應用。典型的網絡瓶頸一般出現在網絡帶寬、網絡交換與網絡適配器3個部分。在光交換和萬兆以太網早已成熟應用的校園里，因為帶寬不足而出現的網絡瓶頸已成為極少見的個案，而出現在交換機與網絡接口上的瓶頸卻容易被忽視。對此，必須考慮以下幾個方向的問題:首先，服務器與核心交換網絡之間的拓撲設計是否科學合理，它們之間是否有冗余鏈路，多條鏈路間分擔網絡流量的效果如何，當擁堵發生時，所有session是否能平穩轉移到冗余鏈路上?其次，服務器位于DMZ區域，安全策略的規則設計是否精簡，以至造成安全檢測延遲產生瓶頸?再次，核心層、匯聚層及接入層網絡設備和服務器自身的網絡接口是否能高效收發處理網絡數據包，網絡協議及路由配置是否合理協調。

(三)硬件設施利用率瓶頸

硬件設施的利用效率是信息系統運轉的基礎，應用系統出現堵塞、中斷、緩慢等現象，有時也與硬件設備有關。為了滿足教務系統日常的應用需要，通常由數臺服務器分別承載Database(數據庫)、Web(網站)、Agent(中間件)的服務以及專用的Storage Foundation (存儲)硬件保存數據，并且隨著時間的增長，還會有新的硬件設備投入使用。因此，硬件自身的電氣性能、工作狀態也對系統的運行產生瓶頸:①各個硬件是否真正銜接完好使通信數據暢通無阻地流動于各設備之間;②各硬件自身是否充分發揮了負載能力，在連接負載較重時丟包、連接不穩定等現象是否明顯;③磁盤存儲系統自身的I/O讀寫能力是否滿足應用系統的需要，I/O存在于網絡訪問、磁盤訪問等數據系統的全部，數據庫會因I/O繁忙而整體處理能力下降，Web也會因I/O延遲出現“假死”甚至停止響應[1];④新舊設備因購買年代的不同，可能存在異構，如在為x64計算而優化設計的硬件上運行簡單的32位的平臺，其硬件性能發揮無疑會大打折扣;⑤新舊硬件在部署服務時，是否根據其性能差異有選擇地適當差別配置。

(四)軟件系統維護困境

大多數高校由于技術力量或后期維護等原因，教務系統的選用多為購買商業化產品，不同的企業都聲稱自己的產品采用了先進的技術，具有完整的教務管理功能和流程設計。而在工作實踐中，每個高校都具有自己的一整套管理規范和流程，購買的系統在基本功能上滿足了管理共性的需要，但在流程和數據完整性等細節方面則無法滿足，于是個性化的修改定制成為潛在的瓶頸隱患。一些功能模塊的編程沒有經過認真的需求分析，修改出的程序也未進行嚴格的測試就直接交給學校，學校在使用中不斷在舊問題的解決和新問題的出現中反復，長期如此導致系統整體的穩定性遭到破壞，功能模塊和數據結構的內在關聯一再被改變，程序代碼存在冗余和不嚴謹，這使得教務系統自身的運行效率大幅下降，錯誤和故障導致的數據丟失和破壞進一步加劇了瓶頸的發生。

另一方面，受到商業合同和專利技術的保護，學校和個人都無法查看和修改購買的教務系統源代碼，即無法從程序內部針對出現的瓶頸問題進行優化和改進。有時通過觀察和經驗判斷一個瓶頸產生的可能原因，卻遭遇企業以各種理由拒絕修改，他們認為程序是沒有問題的或超出了功能維護的范疇。

從軟件自身的角度看，在教務系統的Web中，無論是簡單的課表查詢還是較為復雜的選課，都是由位于服務器端的程序或控件在運行，通常有Asp.net、Java、PHP3種常見開發語言，它們在執行時是在服務器端為每個連接用戶創建一個會話環境，消耗一定的服務器系統資源，當大量用戶同時訪問時，系統資源變得有限而不足以滿足所有連接請求的執行，于是等待隊列出現，瓶頸現象發生。

二、優化策略

信息技術發展日新月異，新理念及新技術的不斷出現，對應用系統的提升和擴展提供了更多可能。

(一)云計算

云計算是最新的IT發展趨勢，它通過互聯網上異構、自治的服務為個人和企業用戶提供按需即取的計算服務，是一種IT基礎設施的交付和使用模式。指通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需的計算資源、存儲資源、服務資源等。

如果將教務系統放到“云”端，則可理解為是將系統的Web發布、數據存儲等基礎架構都放到“云”上，由“云”背后數以萬計的計算機群為教務系統提供所需的存儲空間、網絡帶寬、發布環境以及CPU、內存等計算資源，各種復雜計算和應用無須再關注那些外在的可能導致瓶頸的應用環境，甚至不用再去擔心自建服務器所需的機房管理、設備更新、安全防護等煩瑣的事務、專業技能及所有這些的龐大開支，并始終享有快捷、高效、靈敏的系統部署環境。

(二)虛擬化

虛擬化(Virtualization)是指一個表現邏輯群組或電腦資源的子集的進程，是一種從邏輯角度出發的資源配置技術，是物理實際的邏輯抽象。這些資源的新虛擬部分不受現有資源的架設方式、地域或物理組態所限制。一般所指的虛擬化資源包括計算能力和資料儲存。對于教務系統而言，它可以是服務器虛擬化或應用虛擬化，它將一個或多個可用的物理資源用虛擬的形式表示為一組或更多的物理資源的副本，使各個副本能互不影響地獨立運行，從而擴展了原有軟硬件的環境。

在硬件方面，對實際高負載運行時仍有資源空閑的較好服務器實施虛擬化，諸如VMWare、SUN Xvm、Xen等虛擬化產品都具有較完備的虛擬化技術方案，使實際運行的應用環境數量得到增加，數量上的擴充不僅進一步挖掘了單臺服務器的計算潛能，而且使舊設備再利用成為可能，在節約硬件設備的資金投入和充分利用上得到了雙贏。虛擬化使得不同架構和配置的服務器在虛擬環境中有了相同的虛擬硬件，在維護和分擔負載方面有了更多的余地。在軟件方面，豐富的應用虛擬化方案也為系統瓶頸優化提供了新的路徑。如Oracle數據庫運行的操作系統Solaris，就可以采用Solaris Container技術，它將Solaris系統劃分為多個分區，每個分區擁有獨立進程、虛擬空間、資源分配和用戶環境，各分區相互隔離，Oracle運行于多個容器中相當于同時運行著多個數據庫，大量并發處理的能力也得到擴充。

(三)傳統的優化技術

涉及應用系統優化，在數據庫、網絡、Web各個層面，都有許多成熟的優化技術，可以直接作用在應用系統的各個組成部分上。

1.集群技術

在虛擬化的基礎上，利用集群技術可有效地對多個數據庫和Web環境進行整合，將所有服務器對外服務的端口表示為一個，而集群內部在不同服務器間相互平衡負載壓力，減少宕機和故障發生時的停機時間，同時增強應對高并發、高負載的能力，充分整合協調了現有設備。

2.網絡負載均衡

虛擬化后增加了實際可用服務器數量，對物理服務器而言，需要更多的物理鏈路和差別的路由來分擔流量，對虛擬的服務器而言，每個虛化的服務器之間的負載也要得到重新平衡，如圖2所示。

將各物理服務器至少用兩條物理鏈路分別連接至不同核心交換機端口，不同鏈路劃分不同的VLAN及IP，雙核心交換及服務器連接的多條鏈路得到盤活，在網絡高并發時，真正由不同路由和交換機分擔連接的流量負載，降低網絡擁堵的可能。同一物理服務器上不同虛擬機之間，則可用虛擬化平臺自帶的虛擬交換功能合理地劃分網絡。

3.分布式存儲

高速光網絡的普及使得分布式的存儲成為現實，存儲對象通過光網絡分散于不同的存儲設備上，每一次數據讀取和存儲也得到分散，避免了在同一存儲器上等候I/O資源，單獨一個存儲器中的I/O瓶頸則分散到多個存儲器中，磁盤I/O的并發性能得到極大提升，從而數據存取的瓶頸也能得到消除或減輕。

4.數據庫優化

數據庫自身就是一個復雜的應用系統，在索引、完整性約束、存儲過程、例程的配置等方面，存在許多可優化的環節，需要根據應用系統實際發生瓶頸的特點，結合數據庫軟件自身的性能特性，有針對性地調整相關參數。如Oracle例程的基本組成部分SGA(Shared Global Area)，是用于存儲正在處理數據信息的內存區，通過實際觀察和測量瓶頸發生時讀數據和寫數據的比重，適當調整SGA中各共享池空間的大小，從而緩解數據處理中讀取或寫入的壓力，減少緩沖區填滿、釋放的頻次，增強數據處理的能力。

5.緩存

對于教務系統的Web，某一時期的瓶頸發生，通常是大量用戶在進行同一操作，即每個用戶使用的會話環境是基本一致的，這正是緩存技術的優勢所在。利用編程語言自身的緩存特性或Squid、Lighthttp等第三方緩存軟件，將教務系統的部分程序靜態化，減輕服務器執行程序的部分負擔，將更多的資源用到數據處理中，空閑出的資源也為更多的用戶連接創造可能，提高瓶頸發生的連接數閾值。

(四)前瞻應用發展趨勢

正如云計算和虛擬化為高可用計算和IT發展帶來的令人振奮的手段一樣，新理念、新設想和新技術將會為更有效地解決應用瓶頸打開廣闊的思路，前瞻應用技術發展的趨勢，才會不斷創造應用的無限可能，新技術的充分運用是未來技術不斷出現和創新的動力，也是現有瓶頸問題優化和消除的重要途徑。教務系統的優化也必須更新舊的思路與理念，認清應用系統建設中真正的瓶頸，根據實際應用結合新技術的發展，不斷審視和再利用傳統技術，科學規劃設計教務系統架構方案，利用建模軟件，制訂和調整配置方案，勇于將新技術應用于實踐，使應用系統更加穩定、高效地支撐教育管理。

三、結 語

構建教務系統的根本目的是為教育服務，為教育管理信息化的需求主體(教師和學生)及其管理活動提供集成化的信息和資源。作為一個應用系統的典型，我們要在教務系統應用的過程中，不斷更新認識，積極思考和實踐，發現瓶頸問題的真正癥結所在，因地制宜地靈活運用各種技術，打通信息化道路中的瓶頸，不斷為實現教育管理信息化創造有利條件，服務于教育、教學。

主要參考文獻

[1][美]凱麗麗(Patrick Killelea).Web性能優化[M]. 第2版.謝文亮，譯.北京:清華大學出版社，2003:74-200.

[2]M D Dikaiakos，D Katsaros，et al. Cloud Computing - Distributed Internet Computing for IT and Scientific Research [J].IEEE Internet Computing，2009，13(5):10 - 13.