[架构实战营]- 外包学生管理系统架构设计
1. 业务背景
随着学校的规模的不断扩大,学生数量的增加,需要处理的信息也日趋增大。不仅花费大量的教师资源,
处理效率也十分低下。由此带来几个明显的问题:
管理效率问题:学生信息管理数据信息量大、修改不方便。
信息质量问题:信息准确度不高,对一系列数据进行统计分析时花费时间长,占用教师宝贵的教研时间。
管理质量问题:学校学生信息管理工作系统化、规范化、自动化程度不高,例如学籍、课程、成绩、奖惩等。
基于以上背景,我们需要引入学生管理系统,提供系统化、规范化、自动化的手段,提供统计学生各类信息进行日常管理,如查询、修改、增加、删除、以及学生选课、成绩的查询等、成绩的查询等功能的管理系统。
2. 约束和限制
用户不能超过 10 万
规划两期
第一期:上线核心功能,必须在 202.08.30 号上线
第二期:上线全部功能,必须在 2023.01.30 号完成,
支持 PC 浏览器访问(Chrome/Firefox)
信息存储要求:
学生信息要求永久保存,毕业后也不能删除。支持离校学生信息归档、备份与查询。
学生作业信息至少保留一学期,登录信息至少保留 3 个月,提供手段以备查验。
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。
3. 总体架构
3.1 架构分析
3.1.1 高性能分析
登录 TPS 估算:100/s
复制代码
注册 TPS 估算:3 /s
复制代码
考试 TPS 估算:
请求试卷:50,000/s
提交试卷:1700/s
说明:
复制代码
3.1.2 存储性能分析
登录信息估算 3 个月:43G
复制代码
说明:登录信息查询不做特殊考虑。只做核验备查。
学生信息估算:
在校学生:基本数据 2G,图片数据 10T
离校学生:基本数据增长 500M/年,图片数据增长 2.5T/年
说明:
复制代码
考试信息估算:
在校学生:2.4T
离校学生:增长 0.6T/年
说明:
复制代码
3.2 总体架构
3.2.1 业务架构
![](https://static001.geekbang.org/infoq/8f/8fd6e76b1d70d570cd653b01efbb3d1b.png)
业务架构图
课程管理,考试管理由课程子系统提供服务。
学生管理由学生子系统提供服务。
权限管理由权限子系统提供服务。
3.2.2 系统架构
![](https://static001.geekbang.org/infoq/1e/1e896b604cb174706a9e07b9bc10fb19.png)
系统架构图
客户端请求通过 Nginx 分发到对应子系统。
客户端通过业务模块向各子系统发起请求,调用增、删、改、查等 API 接口。
数据存储由 MySQL 主备架构保证数据不会丢失。业务数据保存在 MySQL,图片与试题资源可选择保存到 OSS 对象存储。
4. 详细设计
4.1 核心功能
学生管理系统核心功能包括,登录注册、文件上传下载、选课、考试。
4.1.1 登录注册
![](https://static001.geekbang.org/infoq/42/42f3fbcea8b1142878b355c9ffb3ae8a.png)
登录注册时序图
学生用户账户由学校统一分配,例如教导员根据教务处信息进行账号分配。
学生账号在使用前,需要根据自己的所在班级、专业,填写绑定个人绑定信息(可根据具体需求考虑,加入后台审核功能)。
学生输入用户名密码登录管理系统,操作查询、选课、考试等功能。
说明:学生子系统返回的结果有成功与失败。其中失败的情况根据具体的业务提供对应业务码及错误提示信息。用户需要根据对应的提示执行相应的操作。
4.1.2 文件上传下载
![](https://static001.geekbang.org/infoq/bc/bc8f1fc5295e831fc975cb967e19e777.png)
文件上传下载时序图
文件上传时,权限、格式等检查,由客户端保证。
文件下载时,权限检查由客户端与业务模块保证。
文件上传下载结果可能成功或失败。需要定义统一的错误码与客户端展示规范。
注意:这里只列举了学生用户作业附件的上传下载。考试、课程等业务功能也涉及到此功能,这里不做重复说明。
4.1.3 选课
![](https://static001.geekbang.org/infoq/b4/b4197fbe2cc9b46848feecccaf931a20.png)
选课时序图
选课主要功能包含:课程查询、提交申请、查看结果、取消已选课程
各功能提交结果可能成功或失败。需要定义统一的错误码与客户端展示规范。
由于提交选课申请为集中时间,需要在课程子系统详细设计中考虑高并发情况。建议使用 Spring Boot + RabbitMQ 架构。消息队列的定义与配置需要遵顼设计规范。
注意:消息队列选型需要结合开发与运维的技术情况进行审核。
注意:由于一些同学具备脚本开发经验,需要在选课提交与查询功能增加相应的预防措施。避免因为自动化脚本影响同学的正常选课。
说明:选课流程还包括选课冲突处理,例如自动挑选,关注课程等功能。这里不做展开。可参考选课说明
4.1.4 考试
![](https://static001.geekbang.org/infoq/ca/ca7defaf8b13a96896a0ad844083ef7e.png)
考试时序图
考试功能包含:考试查询、在线考试
考试过程中可能出现意外关闭网页、打开无关网页等情况。需要在考试子系统详细设计中进行相应处理。例如防切屏、开启摄像头等。
考试信息需要遵循统一、可扩展的信息格式,遵循设计规范。
说明:一些考试需要在考试完成后根据判题规则直接给出评分,这里不做展开。
4.2 关键设计
1) 数据存储可靠性
学生管理系统数据存储在 MySQL 中,使用 MySQL 服务器主备架构,MySQL 服务器之间复制消息以保证消息存储高可用。如果主备间出现复制延迟,恰好此时 MySQL 主服务器宕机导致数据无法恢复,则部分消息会永久丢失,这种情况不做针对性设计,DBA 需要对主备间的复制延迟进行监控,当复制延迟超过 30 秒的时候需要及时告警并进行处理。
2) 高性能设计
“请求试卷”是整个系统中 TPS 要求最高的应用。在估算 1000 万人同时考试的情况下,TPS 达到 50,000/s。根据项目的实际情况,考虑到全校正常的考试实际情况,短期内单台 Nginx 可满足需求,并对部署 Nginx 的机器进行高性能调优。
3) 数据存储性能
由于学生人数会逐年增加,结合数据保存的实际需求。在 MySQL 数据库表设计时,进行水平拆分。例如,针对学生信息,可按照学生的编号进行拆分。针对作业信息、考试信息、登录信息,可按照创建日期进行拆分。
说明:根据作业要求,这里不做表结构设计。
4.3 设计规范
各模块设计请遵守下列规范:
1) 使用 Spring Boot 实现业务子系统。Java 代码编码命名遵守《阿里巴巴Java开发手册》
2) MySQL 使用 Innodb 存储引擎
学生信息、考试信息、登录信息不允许删除
MySQL 设计命名遵守《阿里巴巴Java开发手册》
3) 用 RESTful API 向客户端提供服务,接口设计需要遵守RESTful API 接口规范
4) 文件规范
文件上传要求,头像(图片,不超过 1M,支持 jpg, png 格式)
考试试题与答案要求,试题文本(图片或 pdf,单个文件不超过 5M),试题答案(使用 Excel 模板)
5) 错误码
业务错误码:业务模块编号+错误编号
系统错误码:业务模块编号+错误编号
错误码对应表:错误码编号,错误信息
说明:这里不做具体的业务错误编号,实际开发中需要具体模块在设计时给出自己的业务编号。系统错误码可遵守 RESTful API 常见错误码
6) 客户端错误处理
错误类型:网络错误、文件上传下载错误、权限错误等
遵守统一的客户端错误处理规范,让用户得到一致的使用体验
建议:由 UI/UX 设计统一的错误提示、错误展示设计。实现时,利用现有框架的机制进行定制处理,例如基于 Spring Boot 错误页处理机制进行定义。页面错误处理设计可参考如何设计合理友好的错误提示
7) 消息队列使用规范
命名规范:队列命名规则
结构规范:消息体规则
配置规范
说明:这里不做具体的规则描述,可参考RabbitMQ 使用规范
8) 题库规范
针对不同科目的考试,定义可扩展的题库结构
说明:这里不做具体的规则描述,一般可在数据库题库信息表设计时,结合实际考试需求进行详细设计。
5. 质量设计
5.1 可测试性
1)单元测试
后端:核心业务覆盖 Spring Boot 单元测试,RESTful API 自动化单元测试
前端:核心功能 Mock 数据测试覆盖
2) 链路测试
核心业务链路 Mock 点测试。
3) 日志
核心业务链路日志管理。
4) 高并发测试
核心业务高并发测试。
5.2 可维护性
1)配置可维护:构建脚本,Spring Boot 配置,Nginx 路由与配置,MySQL 配置,日志配置
2) MySQL 主备切换方案:切换备机方案
3) 数据维护:历史数据导出与备份方案,MySQL Master 数据恢复方案
4) 高并发情况,非核心业务降级方案
5.3 可观测性
管理后台提供流量监测、服务总览、JVM 监控、日志检测、存储监测等。
5.4 成本
1) 开发成本:根据团队资源估计,主要包括
前端:安卓/iOS,PC。至少,3 人 x 工时
UI/UX:至少,1 人 x 工时
后端:Java 开发。至少,2 人 x 工时
管理后台:至少,1 人 x 工时
说明:开发成本根据当地价格估算。
2) 服务器成本:
Nginx:阿里云 ECS 服务器,2CPU,4G 内存.3000 人民币/年
后台服务器:阿里云 ECS 服务器,8CPU, 32G 内存,9,000 人民币/年
MySQL 服务器:MySQL 阿里云 ESSD 云盘,Master 2G 内存 5T, Slave 1G 内存 5T。200,000 人民币/年
OSS 存储(可选): 阿里云 OSS 图片存储,10T,10, 000 人民币/年
杂项:域名、软件著作权、专利等其他费用
说明:杂项成本根据实际需要估算(含增值税)。
注意:此项为通用方案,具体实施可结合客户具体要求,利用已有资源。在实施时,需要考虑具体方案的维护成本。例如,本地服务器部署,会需要相应的人员维护。
3) 运维成本
运维与部署:至少 1 人 x 工时
说明:运维成本根据当地价格估算。
4) 项目管理成本
项目经理,产品经理:至少 1 人 x 工时
说明:项目管理成本根据当地价格估算。
6. 演进规划
学生管理规划两期,采用敏捷开发(2 周一个 Sprint):
1) 第一期:上线核心功能:
登录注册
选课:一个课程上线的基本功能
考试
2) 第二期:上线全部功能(含管理后台)
必须在 2023.01.30 号完成
评论