学生管理系统详细架构
前言
本文是 XX 大学学生管理系统详细架构设计文档,用于指导学生管理系统后续的开发、测试和运维。
修订历史
词汇表
Java:一种主流的开发语言
SpringBoot:Java 体系快速开发的脚手架
Tomcat:一款高性能 Web 服务器
MySQL: 一款开源高性能关系型数据库
BS 架构:浏览器服务器架构
Nginx:一款高性能反向代理软件
MyBatis:一款 Java 体系的 ORM 框架
Thymeleaf:一款 Java 体系的模板渲染引擎
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。
为提高学生管理的管理水平,优化资源,尽可能降低管理成本成为学生管理的新课题,学生管理系统是从
学生管理现状出发,根据学生管理的新要求进行开发设计的,它需要解决学生信息管理数据信息量大修改
不方便,对一系列数据进行分析时花费时间长等问题,帮助学生管理人员有效管理学生信息。
因此学生信息管理系统可以通过系统规范化地管理、科学性统计和快速查询、修改、增加、删除等,提高
信息的准确度以及日常管理的工作效率。
本系统主要是应用于学生各类信息的管理,总体任务是实现学生信息关系的系统化、规范化、自动化,其
主要任务是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
功能设计的管理系统。
2. 约束和限制
系统有以下约束和限制
系统要求在 2022.08.30 完成上线
开发成本不超过 50 万,每年运维支出不超过 5 万
支持 3 万在校学生选课、查看成绩,3 千教职工在线录入成绩,课程
系统可用性要求 99.9%
保障数据的安全性和可靠性
3. 总体架构
本章描述系统的总体架构,分系统边界设计、架构分析、总体架构三个方面来说明。
3.1 系统边界设计
3.1.1 系统黑盒边界设计
【客户端 Role 设计】
系统采用 B/S 架构;
使用 Thymeleaf 模板引擎;
【服务器端 Role 设计】
服务器端采用 Java 作为编程语言;
2 使用 Springboot+SpringMVC 来构建 Web 服务;
Tomcat 作为 Web 容器;
对外提供 HTTP 协议的 JSON 格式的数据接口
【客户端和服务器端的 Relation 设计】
服务端提供 HTTP 协议、JSON 格式的接口与客户端进行交互
【数据库的 Role 和 Relation 设计】
采用 MySQL 作为数据库进行数据存储
使用 InnoDB 存储引擎
采用 MySQL 主从同步
【服务器端和外部系统的 Relation 设计】
服务器端和学生学籍管理系统、教职工管理系统有交互,同步学生及教师信息到本系统
学生管理系统作为客户端,遵循学籍管理系统、教职工管理系统的接口规范,使用 HTTP 协议进行通信,获取数据
3.1.2 系统白盒边界设计
【学生子系统 Role 设计】
使用 Java、Springboot、Tomcat 去构建学生子系统;
包含学生管理的业务功能。
【课程子系统 Role 设计】
使用 Java、Springboot、Tomcat 去构建课程子系统;
包含课程管理、考试管理两大块业务模块。
【权限子系统 Role 设计】
使用 Java、Springboot、Tomcat 去构建课程子系统;
包含教师管理、权限管理两大业务模块
【子系统 Relation 设计】
学生子系统、课程子系统均依赖权限子系统进行认证、授权
课程子系统中的课程和考试与学生和教师相关,需要依赖学生子系统、权限子系统获取学生和教师信息
学生子系统中的学生和教师有关联,学生子系统会依赖权限子系统中的教师信息
学生子系统、权限子系统、课程子系统三者之间的通信采用 HTTP 协议,JSON 数据格式,若有多实例需求则通过 Nginx 进行负载均衡
3.2 架构分析
3.1.1 高可用
学生数据、课程数据、选课数据都非常重要,如果丢失会带来严重影响,系统发生故障后要能够快速的恢复,所以对于本系统来说必须保障高可用。
3.1.2 高性能
系统在日常大部分时间都处于较为空闲状态,但是在选课期间和成绩公布期间会有较大的访问压力,为了保障选课、查看成绩等业务顺利进行,系统需要满足业务高峰时期的性能要求,但是因为用户数量有限,整体性能要求并不算高。
3.1.3 可扩展
选课业务流程相对固定,但是会随着系统的迭代变的越来越丰富,故需要满足较高的可扩展性。
3.1.4 可维护性
系统需要能够进行一些常规维护如账号分配、组织机构管理,所以需要具备基础的维护后台即可。
3.1.5 安全性
学生的信息属于学校及个人的私密数据,如果发生泄漏将带来严重后果,本系统要能够防止常规的攻击手段,数据库的保密性要求较高。
3.1.6 成本
学校非盈利机构,且系统的规模不大,故要求每年的部署实施成本不能过高。
综合来看,系统首要需要满足高可用、安全性、可扩展,其次满足高性能、成本、可维护性的要求。
3.3 总体架构
1)采用 B/S 架构,客户端使用浏览器;
2)前置采用 Nginx 作为入口网关,部署两个实例来达到高可用要求,故域名解析至两台 Nginx 服务器;
3)为了防御一般性攻击 Nginx 前配置公有云 WAF,来保障安全性;
4)服务端拆分为三个子系统独立部署:学生子系统、课程子系统、权限子系统;
5)三个子系统之间使用 HTTP 协议,JSON 数据格式进行通信交互;
6)为了满足计算层高可用,三个子系统均采用双实例部署,之间的通信所需的负责均衡通过 Nginx 来实现,Nginx 需要实现健康检查以达到故障转移目标
7)数据存储层采用 MySQL,Innodb 作为存储引擎,部署一主一备,主备复制,以达到高可用高可靠目标
4. 详细设计
本章将描述系统的核心场景、关键设计和设计规范
4.1 核心功能
4.1.1 选课流程
学生访问系统,被权限子系统拦截进行认证;
认证通过后权限子系统通过学生子系统获取学生信息
权限子系统下发 token 之客户端
学生打卡选课列表,从课程子系统获取课程信息
学生选定课程,向课程子系统发起选课申请
课程子系统校验符合选课要求后返回选课成功
4.1.2 试卷区域分割流程
老师访问系统,权限子系统进行拦截要求认证;
认证通过后会返回 token 给客户端
老师选择创建考试,向课程子系统发起创建请求
课程子系统内部逻辑自动生成考卷
老师根据考卷标记分割点,发送请求至课程子系统
课程子系统进行标记处理后返回
之后进行考试,考试完老师将考卷的扫描件上传,考卷数据发送至课程子系统
课程子系统进行识别处理
老师对考卷进行评分,发送评分数据至课程子系统,课程子系统完成评分记录
4.2 关键设计
1) 数据存储可靠性
采用 MySQL 一主一备的设计来保障数据可靠。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)服务可用性
为了保障服务可用性达到 99.9%,计算层需要采用多实例设计,每个子系统部署两个实例。引入多实例设计后必然需要负载均衡,可以使用 nginx 服务器进行子系统之间调用的负载均衡,同时配置一定的健康检查机制来实现故障转移。
3)服务的可扩展性
将系统拆分为权限子系统、课程子系统、学生子系统,其中权限子系统包含权限管理和教师管理;课程子系统包含课程管理和考试管理;学生子系统包含学生管理。
拆分后每个子系统内部的业务相对内聚,后续可以进行单独迭代升级,从而保证了一定的可扩展性。
4)安全性
系统部署在云服务厂商的虚拟网络中,服务器和 MySQL 均在内部虚拟网络,外网无法访问;
Nginx 前置增加 WAF 作为入口流量防护,防止常规攻击及小规模 DDOS 攻击;
后端大部分服务都需要登录可访问,同时部分页面是授权可访问;
4.3 设计规范
整个系统必须满足以下设计规范
1)使用 SpringBoot 来构建应用,SpringMVC 来构建 Web 层;
2)使用 MyBatis 作为 ORM 框架;
3)数据库存储采用 MySQL 5.7,innodb 存储引擎,一主一备异步复制模式;
4)使用 SpringBoot 内嵌的 Tomcat 作为 Web 服务器;
5)前后端及子系统之间采用 HTTP 接口进行通讯
6)使用 Java 1.8
5. 质量设计
5.1 可测试性
系统分为三个子系统,对外采用 HTTP 接口,方便按照模块进行单元测试、接口测试。
5.2 可维护性
系统有一个简易管理模块,能够进行基础的维护工作,如组织架构调整、人员导入。
5.3 可观测性
系统部署在云厂商的环境中,云厂商提供虚拟机、服务器的常规 Metric 监控;
系统日志输出到控制台及文件,方便查看;
本系统暂不需要支持 tracing。
5.4 安全
系统部署在云厂商的虚拟网络中,外部网络无法直接访问系统及数据库,保障了数据及应用的安全;
流量入口使用 WAF 作为防火墙,能够过滤大部分外部攻击;
系统内部采用认证、授权机制,保障了内部人员不越权篡改系统。
5.5 成本
系统采用了分布式架构,但是没有采用微服务架构,所以没有微服务庞大的治理组件,降低复杂度的同时也降低了部署成本;
目前在计算层面和存储层面,仅使用了最基础的多实例保障机制,一方面满足了一定高可用需求,另外一方面也降低了运维成本。
6. 演进规划
学生管理目前计划分三个迭代周期:
6.1 学生管理系统一期(本期)
完成学生管理系统初始版本的建设,使系统有学生管理、教师管理、课程管理、考试管理、权限管理等基础功能,满足学校选课、考试等基础业务。
6.2 学生管理系统二期
在一期的基础上进行功能迭代,支持多租户特性,以满足分校,附属学校的使用需求;
为了满足更高的可扩展、可用性、高性能要求,将学生管理系统进行为微服务化,课程子系统、权限子系统、学生子系统成为真正的微笑服务,引入微服务治理体系;
6.3 学生管理系统三期
引入容器化技术,来实现降低运行成本的目标;
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【intelamd】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/bff3ba743b40c7ebe549ff99f】。文章转载请联系作者。
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