模块四：学生管理系统考试试卷存储方案

1. 学生管理系统考试试卷背景介绍

• 系统用户总数估算：1000 万

• 考试业务建模：

• 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。

• 考试业务性能需求分析：

• 在校学生考试结果存储：2.4T

• 离校学生考试结果存储：每年增长 0.6T

• 试卷请求 QPS：5 万/s

• 提交试卷 TPS：1700/s

2. 考试业务存储架构设计

3. 考试试卷业务存储分析

• 总体分析来看，单论考试试卷来讲，其瞬时（1 分钟内）QPS 比较高，而生成考卷的 TPS 很低（可理解为一张考卷由一位老师负责创建）。

• 一张考卷是有有效期，一般情况来讲，教师会在考试前半个月左右准备考试题目，在学生管理系统中组织考卷，考试结束后，考卷即可失效，或者以考试成果的方式存储在对应的 HBase 集群中；教师每次会准备 2 张考卷，一张用于正常的考试，一张用于补考

• 一张考卷包含 20 判断题、20 选择题、4 道大题（答案 200 字以内），题目包含题干和选项

• 一般来讲，考卷中不会包含图片，即便包含图片，图片大小不超过 500k

4. Redis 数据结构设计

• Redis 数据结构选型：Hashtable

• key：学校 ID+课程 ID+考试 ID+timestamp

• value：试卷内容，以 JSON 格式存储，具体字段为:

• choice_questions（选择题）: value 为 list，其 item 为字典类型，包括 stem（题干）和 options（选项）

• judgment_question（判断题）：value 为 list，其 item 为字符串类型，表示题干

• subjective_question（主观题）：value 为 list，其 item 为字符串类型，表示题干

5. Redis 数据存储读写流程

• 写试卷（组织试卷）

• 考试前半个月，教师从题库中抽取考试题目，浏览器端点击“生成考卷”后，学生管理系统后端服务自动组织考卷

• 学生管理系统后端服务自动组织考卷时，先在 MySQL 数据库中记录考试相关信息，得到考卷 ID，随后在 Redis 集群记录考卷信息

• 读试卷（获取试卷）

• 学生登录系统后，依次选择课程考试和考试时间（考试时间也可由系统自动获取），学生管理系统后端服务读取 Redis，返回具体的考卷内容，浏览器端负责解析数据结构并呈现

6. Redis sentinel 集群的服务器数量和性能

理论上，Redis 单机 QPS 可达到 10 万/S，能够满足现有需求。但读取考卷对高可用要求比较高，引入 Redis sentinel 模式，因此至少需要 3 台服务器（奇数服务器，防止脑裂）。由于 sentinel 占用服务器资源不高，可在 3 台服务器上分别部署。

最终结论为，Redis sentinel 集群至少需要 3 台服务器，读性能在 20 万/s~30 万/s，写性能在 15 万/s 左右。