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 Redis sentinel 不熟悉，请参考官方文档:https://redis.io/topic/sentinel。

考试试卷存储方案设计

数据结构设计

Key：exams:<学校 ID>:<考试 ID>

Value：String 类型。使用 JSON 序列化储存试卷内容。

读写分析

1. 老师上传试卷。JSON 序列化试卷内容，若有图片则上传图片至 CDN 并加 URL 加入 JSON 中。考试 ID 由系统根据学校、课程、学期、A/B 卷等信息得出并另存于关系型数据库。最后向 Redis 发起 SET 请求。

2. 学生请求试卷。根据学校 ID 和试卷 ID 得出 key 并向 Redis 发起 GET 请求。

3. 使用 Redis Sentinel 来实现主从读写分离，提高读取性能，并实现故障时自动主从切换。

4. 主从之间的复制延迟可以忽略不计，因为上传试卷到试卷被读取之间通常有几天时间。

性能估算

用户行为建模

• 假设每个学生一学期 20 门课，学校的考试都安排在某一个月内，考试的时候请求试卷，答题过程浏览器本地完成，考试集中在上午 4 小时和下午 4 小时，每场考试 2 小时，请求试卷集中在考试开始前的一分钟内，则：

• 请求试卷: 1000 万 x 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 (QPS)

• 假设每一门课有 200 个学生参加，老师在考试开始前的一周内上传试卷，则：

• 上传试卷：1000 万 x 20(课) / 200 / 5(周末不加班) / 8(一天 8 小时工作制度) / 60 = 420 请求/分钟 ≈ 7/秒 (TPS）

• 假设每门课的试卷有 50 道题，每一题的题干加选项为 200 汉字外加图片（约 1000 字节，UTF-8 一个汉字 3 个字节，外加图片的 url 信息以及 JSON 序列化的 overhead，再外加 key 的长度）

• 试卷存储：1000 万 x 20(课) / 200 x 50 x 1000 = 50GB

需求汇总

• 读取性能 50K QPS

• 储存 100 万条 key，共 50GB 数据

• 按照两倍冗余设计，则

• 100K QPS

• 100GB 数据

Redis sentinel 集群的服务器配置

• 100G 数据可以放入单机内存内，使用 128G 内存的单机即可

• Redis 单机 QPS 为 50K，3 台 Redis 单机组成的 Sentinel 集群即可满足 QPS 的需求并达到一台宕机时另外两台也能顶住流量的需求

• 3 台 Redis 单机各自亦运行 Sentinel 进程，节省机器数量并同时达到不错的高可用性

• 配置如下（M = Master, S = Sentinel, R = Replica）

       +----+       | M1 |       | S1 |       +----+          |+----+    |    +----+| R2 |----+----| R3 || S2 |         | S3 |+----+         +----+