基于虛擬化的高并發Web考試查分系統的設計與實現

摘要：互聯網信息技術突飛猛進，Web系統被越來越多的行業在生產生活中使用。教育考試管理機構在發布中考、高考成績的時候，Web系統也被用于考生查詢分數。由于查分人數眾多，容易出現系統緩慢，甚至高峰時段短時間內無法訪問的情況。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Web考試查分系統的解決方案，該方案能有效地應對短期高并發的業務訪問。

關鍵詞：虛擬化;教育考試;高并發;查分;負載均衡

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0099-03

當今世界信息技術突飛猛進，在現實生活中Web訪問技術使用越來越頻繁。人們越來越離不開Web系統，譬如12306鐵路網上購票、大眾點評網上訂座、淘寶網上購物、教育考試網上查分等，Web系統已經融入人們日常生活中。隨著Web系統應用場景的擴大以及互聯網的普及，普通的Web系統由于響應時間過長，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、突發的巨大訪問量。高并發Web系統借助虛擬化技術構建應用服務集群、數據庫集群，通過一定的負載均衡策略極大地提高了服務的可靠性和穩定性，很好地滿足了現實生產生活的需要。

本文著重研究了高并發訪問系統的技術特點，并結合教育考試管理機構成績發布時遇到的高并發訪問這一特定場景，基于虛擬化技術和負載均衡提出了一套行之有效的高并發Web系統架構，最后通過實現原型系統證明了這套架構在相關應用領域中的實際價值。

1 Web發展概述

最開始的Web系統由一臺服務器構成，同時承擔著響應服務請求和數據增、刪、改、查的任務，這種架構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，單一服務器搭建的Web系統無法滿足要求，因此逐漸將前端響應服務請求的功能和后臺數據增、刪、改、查的功能區分開，由一臺Web服務器和一臺數據庫服務器構成。Web服務器負責接收處理客戶的訪問請求，數據庫服務器負責處理保存后臺的客戶數據，兩類服務器互不影響，這種架構可以滿足以萬計級別的日訪問量。如果Web訪問服務繼續增加，服務提供商可能會采用更高配置、更高性能的服務器來解決訪問瓶頸，但這種架構存在著先天劣勢，且不能滿足短期突發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Web系統成為研究熱點。

2 虛擬化技術概述

虛擬化技術將計算機的處理器、內存、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時就像訪問現實計算機一樣真實。在實際生產環境中，軟硬件資源相對孤立，通過虛擬化技術整合新舊物理資源，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，構成一個大的服務器資源池，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。當一臺虛擬機出現故障時，可以遷移到其他服務器上進行運行，見圖1，確保服務無縫銜接，實現了查詢訪問服務的高可靠性[4-6]。

3 考試查分系統的特點

考試管理機構考試查分系統呈現一定的規律。在考試管理機構規定的一段時間內，考生可通過部署的查分系統訪問查詢各科考試成績。在成績查詢期間，考生如對發布的成績有疑義，允許其在線提出成績復核申請。成績復核期間，考試管理機構根據匯總的成績復核申請，組織工作人員進行成績復核。復核結束后，考生可再次在線進行復核成績查詢。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，對數據庫的任何增刪改查都要有日志記錄。

4 高并發Web考試查分系統的架構設計

筆者在單位虛擬化集群上搭建了一套高并發的Web查分系統。該系統框架由數據庫訪問層，緩存管理層，應用邏輯層，數據表示層4個部分組成[7-11]，見圖2。

數據庫訪問層，主要是和數據庫進行交互，對數據進行統一的讀寫和存儲，保證訪問數據庫數據結果的一致性。通過提供訪問數據庫統一的讀、寫接口，屏蔽不同類型數據庫的差異，極大地方便了緩存服務器對數據庫集群的讀操作和應用服務器對數據庫集群的寫操作，降低了數據出錯的概率。同時，根據高并發業務邏輯的分析整合，對數據采用了橫向拆分和縱向拆分方法，提供了簡潔明了的數據分散結構，降低了模型上層結構的開發復雜度。數據庫集群讀寫分離，通過一定時鐘內主從復制來保證向上層提供服務的響應時間和數據一致性。

緩存管理層，主要是對緩存服務器進行統一管理，譬如緩存失效時間、緩存命中概率、緩存內存大小、緩存保存規則、緩存服務器之間數據同步時鐘設定等方面。緩存管理層借助虛擬化技術，構建緩存虛擬服務器集群，通過一定的緩存策略統一管理緩存在虛擬服務器集群上的數據。緩存向上對應用邏輯層提供統一的訪問接口，向下對數據庫訪問層進行查詢請求，并根據緩存策略決定是否將請求結果寫入緩存。

應用邏輯層，主要是系統功能實現的邏輯處理部分，是高并發Web考試查分系統的核心業務層。應用邏輯層對來自緩存管理層的數據根據業務邏輯進行處理，實現數據的修改、獲取、刪除等功能，并將處理結果以用戶指定的格式反饋給數據表示層，由數據表示層進行展示結果。應用邏輯層還與數據庫訪問層進行交互，在記錄考生查詢的log或者考生申請成績復核的情況時，應用邏輯層調用數據庫訪問層接口進行數據記錄。

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

數據表示層又稱為UI層，位于四層架構的最上層，由用戶直接訪問。高并發Web考試查分系統采用B/S結構，由Web瀏覽頁面展示最終結果。數據表示層的主要功能是實現數據的輸入和展現。在此過程中無須進行邏輯業務處理，將數據輸入應用邏輯層，并由應用邏輯層將底層獲取處理的數據反饋給數據表示層，保證用戶的體驗。

5 高并發Web考試查分系統的實現

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

表格是數據庫的核心部分，存儲考生數據涉及三個表。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個表為復核表，用于查詢成績提出復核申請，存儲報名號、姓名、需復核的科目;第3個表為考生詳細表，用于復核時調出考生情況，存儲報名號、考生號、畢業學校、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。考慮到這些情況，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，僅將和呈現成績相關的字段存儲在此表中，去除更加詳細的關于考生的字段信息，數據比較穩定，提高了查詢和讀寫效率。此外，由于考生人數眾多，采用橫向拆分的方法，按照考生報名號的不同把相關字段放到不同的表格里面來減少同一個表格里面的數據量，從而達到加快查詢速度和寫入速度的目的，同時系統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，使緩存服務器和數據庫服務器相互協作、共同負載、均衡壓力。對應用邏輯層而言，整個緩存管理層可以視為一臺具有超高性能的獨立服務器。緩存管理層負責應用邏輯層和數據庫訪問層的上傳下達，根據緩存命中率和數據庫負載情況，通過有效的均衡策略調整訪問的數據庫。

利用VMware虛擬化技術，可以彈性增減虛擬服務器的數量。在中考、高考查分期間，我們一般會把應用服務器增加到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制避免了新增物理設備環境的搭建，減少了業務部署時間。

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

6 結束語

針對教育考試管理機構成績發布時遇到的高并發訪問問題，本文結合虛擬化和負載均衡技術，提出了一套切實可行的高并發Web系統架構，能夠很好地應對本領域短期瞬時巨大訪問量，提高了專業化考試機構的服務能力和水平，提升了考生的“獲得感”。

參考文獻：

[1] 李思莉，楊井榮，茍強.輕量級Web服務器的高并發技術研究與實現[J].計算機技術與發展，2020，30（10）：75-78，85.

[2] 黃芝龍，徐莉莎，瞿少成.高并發Web電商系統的設計與優化[J].計算機與數字工程，2019，47（7）：1719-1724，1775.

[3] GUL Khan Safi Qamas，王鵬，羅森林，等.一種高并發網絡Web應用技術研究[J].信息網絡安全，2017（12）：29-35.

[4] 李麗君，唐智華.服務器虛擬化技術架構研究與應用[J].無線互聯科技，2021，18（19）：75-76.

[5] 李鵬.服務器虛擬化技術分析[J].電子世界，2019（22）：74-75.

[6] 劉振東.淺談基于Vmware的PC服務器虛擬化技術[J].科技風，2020（9）：2.

[7] 李科偉.互聯網中高并發技術架構實踐[J].數字通信世界，2019（3）：65-66.

[8] 陸兆攀，劉萍萍，盧穎.高并發搜索系統下內存池的設計和實現[J].西安工業大學學報，2016，36（3）：187-193，205.

[9] 陳繼磊.高并發下購物平臺系統的設計與實現[D].濟南：山東大學，2021.

[10] 江洪波.淺談三層架構在信息系統開發中的應用[J].信息通信，2016，29（12）：205-206.

[11] 張宇光.一種融合不同場景的高并發處理分層架構體系[J].通信技術，2020，53（1）：93-100.

[12] 何磊.大數據平臺負載均衡策略優化設計研究[J].信息技術，2021，45（7）：139-143，149.

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，考務管理。