设计千万级学生管理系统的考试试卷存储方案

1.作业

1.1【作业要求】

基于模块 4 第 6 课的估算结果和 Redis sentinel 的初步方案设计，完善考试试卷存储方案，具体包括：

1）完善 Redis 的数据结构设计，明确具体使用哪种 Redis 数据结构

2）设计具体的读写流程（可以文字描述也可以序列图描述，序列图要有文字辅助说明）

3）对照模块 4 第 6 课的性能估算结果，计算 Redis sentinel 集群的服务器数量和性能

1.2【提示】

1、性能可以有一定冗余

2、如果对 Redis sentinel 不熟悉，请参考官方文档： https://redis.io/topics/sentinel

1.3 题目解读

1.利用模块 4 第 6 课的估算结果；

2.用 Redis sentinel 做数据存储

3.设计 Redis 存储试卷的设计结构

4.服务器数量和性能可以有一定的冗余

2.架构设计方案

2.1 存储性能估算

2.1.1 用户量预估

根据课题背景，

学生人数： 1000 万；

假设平均每个学校在校学生 1 万；

接入平台的学校数量：1000 所；

教师人数按在校学生数的 10%计算，平台在册教师人数：100 万；

每位老师平均每年出 2 份试卷（每年两学期）

【关键行为】

1.   出卷——试卷上传；

2.   考试——请求试卷；

2.1.2 用户行为建模和性能估算

2.1.2.1 出卷——试卷上传

假设每位老师平均每年出 2 份试卷（每年两学期），每份试卷 50 道题（20 判断题、20 选择题、10 道大题），每道题的题目 200 字以内。则每年试卷存储量为：

在校教师 100 万 * 2（两期） *100K（试卷内容） = 200G;

允许快速查询前三年的试卷（出卷时判断是否重复），一共存储 4 年的试卷，共 0.8T；

假设学校的考试都安排在某一个月内，老师提前一周出完卷并上传。所以，某学期的所有试卷也在一个月内上传完。上传试卷集中在上午 4 小时和下午 4 小时，因此，上传试卷：100 万 * 2（份） / 20（周末不上传）/ 8 小时 ≈3.5/S

考虑峰值 10 倍；

上传试卷的 TPS = 35 份/S

2.1.2.2 考试——请求试卷

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，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。

2.1.2.3 汇总

1、当年试卷存储:200G；

2、考虑存四年试卷：0.8T；（不考虑）

3、出卷-上传试卷 TPS：35/S;

4、考试-请求试卷 TPS:5W/S；

2.2 存储系统选择

1、分片存储；

2、压力在试卷的读取，Redis 单机可支持 5 万+的 KV 读取 QPS，考虑主从切换；

2.3 存储方案设计

1、试卷使用 redis 的 String 数据结构：

1）key 试卷编号（年份+学科+学期+A/B），

2）value 试卷内容。

2、Redis 单机已可支持 5 万+的 KV 读取 QPS：

1）Redis sentinel 3 台,保证自身高可用；

2）Redis 集群主从（采用普通服务器，master 10 台，每台 64G 内存；slave10 台，每台 64G）