架构实战营模块四作业

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:

• 完善 Redis 的数据结构设计，明确具体使用哪种 Redis 数据结构。

• 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)。

• 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。

【提示】

1. 性能可以有一定冗余。2. 如果对 Redissentinel 不熟悉，请参考官方文档:https://redis.io/topics/sentinel。

行为建模+性能估算

试题保存的场景，一般是大学老师出题，假设每个科目每次试题都不一样。

• 试卷记录大小：20 判断题、20 选择题、4 道大题从题干来看，没有图片的情况下假设一道判断题 50 字，选择题加上选项 100 字，大题一道 200 字，则一条试卷大小大约是 50*20+100*20+200+4 ≈ 3000 字*2 字节 = 6KB。

• 每年试卷数量：假设每门课学生 100 人的考试题目相同，则全年应该有试卷 1000 万人 * 20（课）/ 100 人每课 = 200 万份/年

• 试卷存储大小：永久存储，200 万 * 6KB ≈ 12 GB/年

• 试卷写入频率：假设老师在考试月内工作日上传试卷 200 万 / 20 天 / 8 小时 / 3600 秒 ≈ 4 TPS；试卷有存储需求

• 试卷读取频率：5 万/每秒（热数据）；实际上除了考试时，应该还有考生查看答案、老师重新查看并编辑试卷等，这里由于相对于考试时的请求过少，所以并发不会很高，可忽略不计；当前被请求的试题应该是热点数据，而已经过期的试题信息并不是热点数据，需要还考虑如何存储和读取冷数据，以处理每年的存储增量。

数据结构设计

redis

key：试卷 ID

value：试题 json string

mysql

cloumn：自增 ID、试卷 ID、试卷内容

读写分析

• 上传试卷：老师编辑好试卷， 生成试卷内容并上传 redis，上传完试卷由服务器生成试卷 ID，4TPS

• 考试读试卷：读取试卷时按照 ID 直接查找即可，5W QPS，且单条数据量不大

• 至于如果有批量查看试卷列表的需求，包括按学校、学科、出题人、时间元数据等来批量查询的情况，则还需另行生成一条 MySQL 记录来存储元数据，以便后续定制查询，在此不详细讨论。

• 考试试卷数据有明显的冷热数据区别，可以考虑将近期的数据存在 Redis 中，过往的冷数据迁移至 MySQL 数据库中。

• 冷数据读试卷：做一个配置，试卷 ID 自增，每年迁移以后配置一下哨兵试卷 ID，大于此则从 redis 查，否则从 MySQL 库查。

热数据存 Redis sentinel

单机是否能存储所有数据：是

单机是否可以支撑写性能：是

单机是否可以支撑读性能：单机 5-10W TPS，比较危险，所以考虑

是否需要自动切换：需要

最终选型：主从切换，一主一从。

冷数据迁移至 MySQL

单机是否能存储所有数据：否

是否需要分区部署：否

最终选型：分片架构，可以随时间平滑扩展，N 台服务器

题外——————————————————————————————————

考试结果记录的存储量为：

• 在校学生 = 2.4T。

• 离校学生 = 每年 0.6T，永久保存

• 请求试卷 ≈ 5 万/每秒。

• 提交试卷 = 1700/每秒。

数据估算有个 BUG 就是中国汉字应该是 2 字节一个字，则考试结果记录大小，在大题处 800 字应该大概要大一倍，即考试结果记录的存储量为：

• 在校学生 = 4T。

• 离校学生 = 每年 1T，永久保存

• 请求试卷 ≈ 5 万/每秒。

• 提交试卷 = 1700/每秒。