1. 学生考试场景用户行为建模和性能估算

假设每门学科每年 2 次考试，每个学生平均一学期 20 门课，考试采取机考的方式，每门考试的答案 20 判断题、20 选择题、4 道大题（答案 200 字以

内），考试结果永久保存，在校学生能够看到自己曾经的考试结果，

则考试结果记录的存储量为：

• 在校学生：1000 万 * 20（课）* 2（考试次数） * 1000（答案）* 2（学期） * 3（只有前三年考试）= 2.4T。

• 离校学生：每年 250 万，存储量为 0.6T。

假设学校的考试都安排在某一个月内，考试的时候请求试卷，提交答案，中间答题过程浏览器本地完成，由于考试集中在上午 4 小时和下午 4 小时，

且请求试卷集中在考试开始的前 1 分钟，提交答案集中在考试结束前的 30 分钟，因此估算如下：

• 请求试卷：1000 万 * 20（课）/ 20(周末不考试） / 4（每天 4 堂考试）/ 1 分钟 = 250 万请求/分钟 ≈ 5 万/每秒。

• 提交试卷： 1000 万 * 20（课）/ 20(周末不考试） / 4（每天 4 堂考试）/ 30 分钟 = 1700/每秒。

2. 存储性能需求汇总

1. 在校学生考试结果存储：2.4T；

2. 离校学生考试结果存储：每年增长 0.6T；

3. 试卷请求 QPS：5 万/s；

4. 提交试卷 TPS：1700/s

3. 存储架构的选择逻辑

根据存储性能需求汇总数据分析可知

1. 在校学生的考试结果数据本身很大，同时每年都有新生入学，数据会持续增长，单机无法存储所有数据，因此需要 分片存储，同时毕业生离校，离校学生数据不会经常被查询，因此需要做数据的 冷热分离 存储

2. 试卷请求 QPS 高达 5W/s，因此需要考虑对试卷内容进行缓存，同时评估缓存容量。全国大致 3000 大学，500 专业课，假设平均每个大学开设 200 个专业，同时每个学校每个专业的试卷都不一样，一次期末考试生成 3000*200=60W 套试卷，60W 试卷/20 天/4 场= 7500 套， 1 场考试 7500 套试卷，每套试卷 100KB，缓存容量，7500*100KB 约为 800MB，因此缓存 单机可存储，无需考虑缓存分片

4. 存储架构设计

简要说明

1. 试卷存储访问：读取 QPS 较大，且需要高可用，采用 redis 缓存

2. 老师课程考试结果： 主要记录学生的课程的基本考试结果，用于基本信息查询，以及学校老师对考试情况的分析。数据每年增长，还要便于查询统计，因此采用 MySQL 分库分表，对数据进行分片

3. 学生考试结果明细：考试结果，流水数据，持续增长，内容较大，没有统计分析需求，考虑数据分片，冷热分离，存储成本，采用 Hbase 存储

4.1 缓存架构设计

由于缓存容量需求不大，单台服务器可缓存所有试卷内容，且单台服务器可以抗住 5W 的 QPS，因此不用考虑数据分片，但是考试时读取试卷不能出现故障，需要保证高可用，因此引入 Redis sentinel 部署模式，采用 3 台服务器，1 主 2 从，每台机器同时部署哨兵进程和 Redis 服务进程。

参考：

Redis sentinel 文档：https://redis.io/topics/sentinel

阿里云 Redis 最低配性能指标：https://help.aliyun.com/document_detail/145227.htm?spm=a2c4g.11186623.2.7.aaf01dbdvjq5K5#concept-2348281

6. 存储方案设计

6.1 存储内容设计

1. 考试涉及的主要实体以及关系

重点说明：

1、除了考试结果-明细数据采用 Hbase 存储，其他数据采用 MySQL 进行存储，其中 试卷信息、考试结果会持续增长，因此考虑按年分表

1. 考试结果-明细（HBase 存储）

Key：学校 ID + 学号 ID + 考试 ID。

Column Family：test。

Column：result, score, 其中 result 是 JSON 格式。

6.2 缓存内容设计

• 缓存内容：试卷信息

• 缓存数据类型：采用 redis 字符串即可，KEY 为课程 ID， VALUE 为完整试卷的 JSON 串

• 缓存策略：缓存直接采用 LRU 策略即可，缓存只在请求试卷的那一分钟，过期时间分钟级即可，试卷内容一旦生成不会更改，无需主动淘汰缓存

• 缓存读写流程：由于一场考试最多 7500 套试卷内容，数量并不多，因此可采取读取时加载缓存，没有命中则从数据库中读取后加载到缓存，无需专门进行试卷缓存提前预热