设计千万级学生管理系统的考试试卷存储方案

前言

本文是千万级学生管理系统的考试试卷存储架构设计方案，用于指导考试试卷存储的部署和运维。

词汇表

Redis: 开源内存数据库

Sentinel: 哨兵模式

1. 业务背景

基于千万级学生管理系统的案例来搭建考试试卷存储系统。

假设每门学科每学期 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：

• 一期试卷考题存储量： 1000(学校) * 100(专业) * 3(年级) * 20(课程) * 5000(试卷) = 30G。

• 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。

• 一期试卷答题结果存储量： 1000 万 * 20（课）* 1000（答案）= 200G

• 一期课程成绩结果存储量： 1000 万 * 20（课）* 200（答案）= 40G

2. 约束和限制

1、试卷考题存储大小 30G， 由于大部分是文字，压缩只有大概在 20G

2、QPS=5w

3. 总体架构

教师出卷：通过题库选择和出题，然后组成一份试卷存入 MySQL，并同步到 Redis。

学生考试：根据学校、专业、班级、课程、考期在 Redis 中分块获取试卷信息，答题之后保存到 HBase 中。

教师阅卷：获取学生的答题结果，进行批阅和评分，将评分结果存入 MySQL，并同步到 HBase 中。

查询成绩：根据学校、专业、班级、课程、考期、学号获取考试的结果和成绩。

3.1 架构分析

3.1.1 高性能

由于考试请求试卷的峰值较大，需要从并发量，请求数据大小进行分析。根据估算 QPS 在 5 万每秒，采用单台 Redis 也能满足要求，但是数据量 250M/s（5w*5k）超出单机吞吐量，至少需要两台机器。

3.1.2 高可用

防止出现从 Redis 中获取试卷信息意外宕机的风险，冗余一台机器的能力。保障关系数据高可用，通过半同步方式部署两台从机。

3.2 总体架构

针对考试试卷，MySQL 进行一主二从自动切换部署，Redis 采用三个 Sentinel 实例的集群和一主二从三个 Redis 实例的集群部署，Sentinel 哨兵监控三个实例，三台服务器上每台部署一个 Sentinel 实例和一个 Redis 实例；HBase 采用集群部署测试。MySQL 存储考题信息、试卷考题关系、课程考试结果；Redis 存储当期的试卷基础信息和试题信息；HBase 存储试卷答题结果信息。

4. 详细设计

4.1 核心功能

4.1.1 教师出卷

从题库中调取题目信息，然后选择或编辑题目，并保存新的考题，并组成一份试卷的关系，保存到数据库中，并发布到 Redis 中。

4.1.2 学生考试

考试时，先从 Redis 中获取试卷基本信息，然后逐块或按题获取题目信息；答题之后，把题目、解答保存到 HBase 中。

4.1.3 教师阅卷

从 HBase 中调取学生答卷信息，并做结果评分，记录保存到 Hase 中；课程考试成绩和答题正确率统计，保存在 MySQL 中。

4.1.4 查询成绩

学生查询答题和评分明细从 HBase 中获取，查询课程成绩从 MySQL 中获取。

4.2 关键设计

1、考题、试卷

考题按照课程题型分表存储；试卷按照学校、专业分表存储；课程考试结果按照学校、专业、课程分表存储；当期试卷在 Redis 上采用 Hash 数据结构存储，key 是学校、专业、班级、课程，field 是试卷基础信息和题型题号两类，value 是具体题目信息。

2、考试结果

课程考试成绩按学校/专业/课程分表存储；学生答题结果按照学校、学号、考试 ID 为 key，题目、答题、评分为列进行存储。

4.3 设计规范

1、MySQL 按学校、专业、课程分表存储；

2、Redis 采用 Hash 数据结构存储；

3、HBase 按学校、学号、考试 ID 键值存储；