前言

词汇表

Redis Sentinel redis HA 架构

1. 业务背景

不涉及

2. 约束和限制

1. 用户量 1000 万

3. 总体架构

3.1 架构分析

3.1.1 高可用

对于课程管理系统来说，试卷管理属于读多写少场景，在开考前 1 分钟试卷请求读取量非常大，如果出现服务中断，不可用等情况，影响范围波及 1000 万学生的正常考试程序。会浪费学校大量人力物力，酿成教学事故。所以试卷内容存储要保证高可用性。

3.2 总体架构

4. 详细设计

本章节描述学生管理系统核心功能之一：试卷管理流程。

4.1 核心功能

4.1.1 试卷管理流程

试卷管理流程按场景分为出卷、下发试卷和机器阅卷三个场景。

出卷场景是老师学期终会录入新的试卷，步骤如下：

1）老师登录系统，打开试卷管理页面

2）老师点击“新增”按钮，弹出试卷信息输入页面

3）依次填写试卷信息，比如试卷名称、试卷课程等

4）确认无误后，点击提交，显示创建试卷成功；如果信息不对，显示错误提示。

5）点击刚创建的试卷页面，选择“导入试题”按钮，弹出试题 excel 文件输入框

6）导入事先准备好的试题模板，点击“提交”，显示试题导入成功；如果试题模板有问题，显示错误信息。

7）点击刚创建的试卷页面，点击“试卷预览”按钮，弹出试卷的试题窗口。

下发试卷场景是当开考后学生打开试卷答题，步骤如下：

1）学生登录系统，打开课程信息页面，显示“开始考试”按钮

2）学生点击“开始考试”按钮，弹出“考试须知”说明框

3）点击确认后，正常显示考卷信息，如考卷名称，考卷日期，总分值，考试时长等。

4）点击“开始答题”按钮，正常显示考题内容。

4.2 关键设计

4.2.1 存储方案设计-试卷内容

试卷管理包括试卷信息和试题管理：试卷信息主要描述试卷的元数据，比如出卷人、课程类型等。为提高试卷下发性能，试题描述和试题答案分开存储，试题管理分为试题描述和参考答案管理。

4.2.1.1 试卷信息表

试卷信息表结构如下：

字段名 字段描述 样例

ID 试卷的唯一标识 10001

NAME 试卷名 大物 2021 年期末试卷 A

CREATOR 出卷人 张三

CREATE_TIME 出卷时间 202110

COURSE_TYPE 课程类型 大物

COURSE_ID 课程 ID 2313

SEMESTER 学期 2021 秋

DURATION 时长（分） 120

SCORE 得分 100

设计的 Redis 数据结构如下：

1）试卷主表用 string，如下：

key 域名:表名:主键值:列名

value 列值

示例如下：

PAPER:PAPER_INFO:10001:NAME "大物 2021 年期末试卷"

PAPER:PAPER_INFO:10001:CREATOR "张三"

PAPER:PAPER_INFO:10001:CREATE_TIME "202110"

PAPER:PAPER_INFO:10001:COURSE_TYPE "大物"

PAPER:PAPER_INFO:10001:COURSE_ID "2313"

PAPER:PAPER_INFO:10001:SEMESTER "202101"

PAPER:PAPER_INFO:10001:DURATION 120

PAPER:PAPER_INFO:10001:SCORE 100

2）主键索引用 string，如下：

key 表名:列名:列值

value 主键值

示例如下：

PAPER_INFO:COURSE_ID:"2313" 10001

3）其他键索引用 set，如下：

key 表名:列名:列值

value 主键集合

示例如下：

PAPER_INFO:COURSE_TYPE:"大物" 10001 10005 10010

常用的操作如下：

1.插入新试卷（出卷自动导入）

2.查某个试卷 ID 的试卷信息 （考试开场）

4.2.1.2 试题描述表

试题描述表结构如下：

字段名 字段描述 样例

ID 考题唯一标识 9000001

PAPER_ID 对应的考卷 ID 10001

ORDER 考卷位置 1，2，3 1

CREATOR 出题人 "李小六"

TYPE 题型：0 判断 1 选择 2 简答 1

SCORE 分值 2

STEM 题干 "地球是圆的吗"

OPTION_CNT 选项个数 4

OPTIONS1 选项 1 是

OPTIONS2 选项 2 否

OPTIONS3 选项 3 N/A

OPTIONS4 选项 4 N/A

OPTIONS5 选项 5 N/A

OPTIONS6 选项 6 N/A

设计的 Redis 结构如下：

试题描述表用 string，如下：

key 域名:表名:主键值:列名

value 列值

示例如下：

PAPER:TEST_INFO:9000001:PAPER_ID "10001"

PAPER:TEST_INFO:9000001:ORDER "张三"

PAPER:TEST_INFO:9000001:CREATOR "202110"

PAPER:TEST_INFO:9000001:TYPE "大物"

PAPER:TEST_INFO:9000001:SCORE 0

PAPER:TEST_INFO:9000001:STEM "地球是圆的吗"

PAPER:TEST_INFO:9000001:OPTION_CNT 2

PAPER:TEST_INFO:9000001:OPTIONS1 "是"

PAPER:TEST_INFO:9000001:OPTIONS2 "否 "

PAPER:TEST_INFO:9000001:OPTIONS3 "N/A "

PAPER:TEST_INFO:9000001:OPTIONS4 "N/A "

PAPER:TEST_INFO:9000001:OPTIONS5 "N/A "

PAPER:TEST_INFO:9000001:OPTIONS6 "N/A "

主键索引用 string，如下：

key 表名:列名:列值

value 主键值

示例如下：

TEST_INFO:STEM:"地球是圆的吗" 9000001

其他键索引用 set，如下：

key 表名:列名:列值

value 主键集合

TEST_INFO:PAPER_ID:10001 9000001 9000002 9000003 9000004

常用的操作如下：

1.插入某个试卷的试题（出卷自动导入）

2.查某个试卷的所有试题 （考试开场）

4.2.1.3 试题答案表

试题答案表结构如下：

字段名 字段描述 样例

ID 考题唯一标识 9000001

PAPER_ID 对应的考卷 ID 10001

ORDER 考卷位置 1，2，3 1

REFER_ANS 答案 “是”

试题答案表用 string，如下

key 域名:表名:主键值:列名

value 列值

示例如下：

PAPER:TEST_ANS:9000001:REFER_ANS "是"

常用的操作如下：

1.插入某个试卷的试题答案 （出卷自动导入）

2.查某道考题的答案 （机器阅卷）

4.2.2 试卷存储性能

经过调研，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。估算的请求试卷 TPS 数约为 5 万/每秒。redis 单节点性能在 5~10 万每秒，可以支撑试卷查询请求。

同样的，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），考卷保持 10 年以内，估算的试卷数据存储容量为 4G。

总卷子数估算方法为：一个学生一学期 20 门课，一年 2 个学期，4 个年级共开设 4*2*20=160 门课，一门课两次考试，一次考试出两张卷子（AB 卷），一年卷子 640 个，一共存储 10 年试卷，总共 640*10=6400 张卷子。

一张卷子存储容量估算方法为：一张卷子分为三部分存储，一部分是卷子基本信息，一部分是 24 道试题，一部分是 24 道试题答案。分开估算，以卷子基本信息为例，共 9 个字段，redis 分三部分存储，一是主表信息采用 string 存储，一个字段一条 kv 记录，每条记录占 256 个字节，存储估算为 256*9 个字节，二是主键索引用 string 存储，每个字段单建一条 kv 记录，存储估计为 256*9 个字节；三是其他键索引用 set 存储，每个非主键字段 set 集合存储一年的试卷 id（当年试卷查询量大），一个 id 固定长度 6 字节，一年 320 个卷子，平均存储估计为 320*6（id 长度）=1920 个字节，估算一张卷子基本信息存储为 340KB。

256（平均 kv 长度）*9（字段数）+256（平均 kv 长度）*1（按名称主键索引）+6400（试卷数）*6（试卷 id 长度）*4（按出卷人、学期等 4 个其他字段索引） = 156160 字节

以此类推，一道试题的存储是 256（平均 kv 长度） *14（试题描述字段数）+256*9(按试题名主键索引）+ 24（24 道题）*9（试题 id 长度）*4（按试卷 id、题型等其他字段索引） = 6752 字节

一道试题答案的存储是 256（平均 kv 长度）* 4（试题答案字段数）+24（24 道题）*9（试题 id 长度）*1（按试卷 id 等其他字段索引）= 1240 字节

综合以上信息，一张试卷的完整存储数据为：156160+24*（6752+1240）= 347968 字节 ~340KB，一年 640 个卷子，1 年试卷存储量是 218M，10 年的试卷存储约为 2180M，按照内存稳定运行 60%计算，存储空间需要 4G。redis 单点存储空间大于 4G，可以支撑稳定运行。

4.2.3 试卷存储可用性

为了提高试卷存储的可用性，使用 sentinel 技术来解决单点问题，通过 raft 算法进行选举。sentinel 技术采用主从复制，读写分离，并且在 Master 故障时 sentinel 可以自动切换。redis 服务器集群采用 3 哨兵+1 主 2 从的方式来保证试卷存储的高可用。

4.3 设计规范

5. 质量设计

6. 演进规划