架构实战营 - 模块 4- 作业

设计千万级学生管理系统的考试试卷存储方案

【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

总体评估：

1，用户量预估：

用户量：1000W

2，用户行为建模：

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

3，性能需求计算

考试：

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

考试试卷存储方案分析

1，用户量预估：

用户量：1000W

2，用户行为建模：

a,教师行为分两种，一种是试卷审阅（读取），一种是试卷写入存储（出卷子；批改完成后存储）

b,学生行为分两种，一种是试卷读取（考试；复查分数），一种是试卷写入存储（考试完成后交卷）

试卷，老师考试结果，学生考试结果分离，那么就试卷本身来说，仅出卷与试卷读取，且就试卷本身而言，写入的 TPS 并不高，仅读取的时候需要高性能。

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

试卷存储分析：

一张试卷大小约 1M，那么存储评估：

1 年 2 学期，一学期 20 门课，一门课 2 次考试，总共 3 年有考试，那么就是：

3*2*20*2*1M=240M（3 年一共试卷是 240M）

3，性能需求计算：

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

方案：

Redis sentinel

方案设计：

1. Redis 存储数据结构设计：

a，老师出卷子，会随机生成试卷 ID

b，学生进入考试系统，进入当前考场时，会查询到被分配到的试卷 ID

c，通过试卷 ID 可以获取到试卷的内容

key：试卷 ID

value：试卷内容

数据结构采用 string 类型

2. 流程

1,老师出卷子，会随机生成试卷 ID，对应 string 中的 key，试卷的内容对应 string 中的 value

2,考试的时候，学生被分配到试卷的 ID，从而获得试卷内容

补充：

a，老师有自己的工号，根据工号，老师可以根据一些条件，查询出自己所出的卷子 ID，这一系列的关系可以用 mysql 作为存储，比如有一张卷子记录表，里面的关键字段有老师 ID，试卷 ID，创建时间，修改时间，学校，课程 ID，考试时间等。然后每一次都可以去这张表根据老师 ID 找出所需要的试卷 ID，再通过试卷 ID 去 Redis 找到试卷内容。（出卷子就是录入这些信息，并存储在 mysql 与 redis）

b，学生仅需要输入考试时间，课程，学校，上课教师 ID 就可以找到对应的试卷 ID，从而获取对应的试卷内容。

3. Redis 机器数量估算：

根据官方文档，Sentinel 至少需要三台。

单节点的 Redis 实例。内存容量上限可达 32GB，支持约 80,000 QPS（参考值）。

性能估算：

8W 的 QPS 满足之前的性能估算。

写入的性能要求不高。

试卷本身存储 3 年是 240M。

预估使用 6 台机器：

1 台 Master

2 台 Slaver

3 台 Sentinel