淺談高并發(fā)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

郎裕

【摘要】21世紀(jì)以來(lái)，隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展，教育信息化、高等教育大眾化的普及，基于互聯(lián)網(wǎng)的在線教育蓬勃發(fā)展。為了提高教學(xué)質(zhì)量，各高校不約而同地推出了質(zhì)量管理和監(jiān)督的相關(guān)措施。在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)中同時(shí)在線學(xué)習(xí)的人數(shù)至少在數(shù)千人以上，對(duì)系統(tǒng)額并發(fā)能力提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)，本文從以下幾個(gè)方面介紹了高并發(fā)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)中使用的技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】高并發(fā)? 在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)? 技術(shù)

1、什么是在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)

在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)，或是通過(guò)手機(jī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬課堂進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的教育模式。通過(guò)遠(yuǎn)程視頻授課、網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)、互動(dòng)交流、文檔共享等方式，讓教師與學(xué)生再網(wǎng)絡(luò)山形成一種教與學(xué)互動(dòng)和自助學(xué)習(xí)氛圍。目前在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)大致分為兩種，以學(xué)習(xí)管理驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)和以教學(xué)資源驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)。翻轉(zhuǎn)課堂、微課和慕課都是其具體的表現(xiàn)形式。

翻轉(zhuǎn)課堂：老師創(chuàng)建課程視頻發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，學(xué)生利用課外時(shí)間觀看課前視頻，在課堂上與老師面對(duì)面交流，最后共同協(xié)作完成課程學(xué)習(xí)與作業(yè)。

微課：教師制作5-10分鐘左右的視頻教程。因?yàn)槲⒄n具有小、短、精等諸多特點(diǎn)，學(xué)生可以選擇性的學(xué)習(xí)。只要學(xué)生愿意學(xué)習(xí)，就能隨時(shí)點(diǎn)擊觀看“微課”，可以保持終身學(xué)習(xí)狀態(tài)。

慕課：大興開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程，慕課進(jìn)一步推動(dòng)了支持終身學(xué)習(xí)的開(kāi)放教育資源運(yùn)動(dòng)，目前已經(jīng)出現(xiàn)了不同形式和風(fēng)格的慕課，它們?cè)趯W(xué)生規(guī)模、公開(kāi)程度、是否完全再現(xiàn)和事發(fā)后完成課程或形成互聯(lián)社區(qū)等方面各有千秋。

高并發(fā)是互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過(guò)設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)能夠同時(shí)并行處理很多請(qǐng)求。高并發(fā)相關(guān)常用的一些指標(biāo)有響應(yīng)時(shí)間，吞吐量，每秒查詢率QPS，并發(fā)用戶數(shù)等。高并發(fā)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)一般是指系統(tǒng)用戶在萬(wàn)人以上，同時(shí)在線人數(shù)達(dá)到千人以上的教學(xué)系統(tǒng)。

2、如何提升系統(tǒng)的并發(fā)能力

2.1 三層架構(gòu)。系統(tǒng)的整體架構(gòu)使用的是分層設(shè)計(jì)思想，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)每一層架構(gòu)，層間與模塊間通過(guò)較少的結(jié)構(gòu)通信保證低耦合性。這樣的設(shè)計(jì)是提升系統(tǒng)并發(fā)性、可用性的基礎(chǔ)。

2.2 集群負(fù)載均衡。單一的負(fù)載均衡器有單點(diǎn)故障的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，為了保證系統(tǒng)的高可用性，采用雙負(fù)載均衡器與心跳檢測(cè)其構(gòu)建主從負(fù)載均衡結(jié)構(gòu)，負(fù)載均衡器的選擇有多種，大體可以分為2大類：軟件負(fù)載均衡和硬件負(fù)載均衡。軟件負(fù)載均衡可以選擇Nginx，硬件負(fù)載均衡可以選擇Radware。

2.3 混合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?；旌蠑?shù)據(jù)存儲(chǔ)利用不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，將相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)集以合適的方式存儲(chǔ)，在保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性的技術(shù)提高并發(fā)性與可用性?；旌蠑?shù)據(jù)存儲(chǔ)的核心還是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)高性能穩(wěn)定性的特性是其它非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和其它存儲(chǔ)方式無(wú)法比擬的。對(duì)于高頻操作的數(shù)據(jù)，除了在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)外，還應(yīng)該在緩存中存儲(chǔ)。持久化緩存采用日志的方式保證緩存的非易失性。換入換出緩存是純內(nèi)存的緩存，當(dāng)容量達(dá)到閾值，利用算法換出一塊老的緩存，加需要使用全文檢索引擎來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與索引。對(duì)于用戶海量的歷史數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)應(yīng)定期存入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。混合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，充分利用各個(gè)存儲(chǔ)方式的有事，有效提升系統(tǒng)的并發(fā)性和可用性。

2.4 靜態(tài)分離

對(duì)于不經(jīng)常變化或者模板化的數(shù)據(jù)、界面可以抽象成靜態(tài)資源，例如商品詳情描述界面，商品圖片。對(duì)于經(jīng)常變化或者個(gè)性化的數(shù)據(jù)與界面可以抽象詳細(xì)數(shù)據(jù)。客戶端對(duì)靜態(tài)資源的并發(fā)訪問(wèn)性能要遠(yuǎn)高于對(duì)從架構(gòu)角度，可以將靜態(tài)資源與動(dòng)態(tài)資源分離，靜態(tài)資源保存在專門的靜態(tài)資源Web 服務(wù)器或者 CDN上以及客戶端中，動(dòng)態(tài)資源從業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器上請(qǐng)求獲取，從而提高系統(tǒng)的訪問(wèn)性能與并發(fā)能力。

3、業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的策略

3.1分區(qū)緩存策略

從業(yè)務(wù)的角度考慮，數(shù)據(jù)應(yīng)該切分到不同的分片。數(shù)據(jù)分片上層分別添加一層各自的緩存。緩存使用 redis 持久化內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，確保緩存不會(huì)丟失。流媒體服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，大部分是直接與緩存層交互，很大程度上提高了讀寫(xiě)性能。大部分的讀寫(xiě)操作多是基于這部分隨著緩存內(nèi)視頻的讀寫(xiě)，有些熱視頻狀態(tài)變化成了冷視頻，如果學(xué)生查看視頻，就需要同時(shí)讀取緩存和數(shù)據(jù)庫(kù)，合并讀取信息作為讀取結(jié)果。

3.2事務(wù)降級(jí)策略

讀取視頻需要使用事務(wù)保證 All or Nothing，以及事務(wù)的隔離級(jí)別（ 鎖實(shí)現(xiàn)） 來(lái)確保并發(fā)事務(wù)中部分代碼片段的Before or After 隔離性，讀取操作是一個(gè)完整的事務(wù)，事務(wù)過(guò)程的設(shè)計(jì)方案有 2 種：

方案1：讀取事務(wù)開(kāi)始后，馬上進(jìn)入子事務(wù)，首先檢測(cè)視頻是否足夠，然后完成一系列操作，更新后臺(tái)數(shù)據(jù)，提交整個(gè)事務(wù)?？紤]到并發(fā)的事務(wù)，在 redis 上需要序列化執(zhí)行，那么，事務(wù)到提交很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不能并發(fā)。所以方案1對(duì)高并發(fā)的支持比較差。

方案2：讀取視頻事務(wù)開(kāi)始后，先完成一系列非事務(wù)的操作，到事務(wù)末尾，進(jìn)入事務(wù)，檢測(cè)視頻是否存在，然后更新，提交事務(wù)。方案2將事務(wù)縮短了很多，提高了一定的并發(fā)能力。但是，考慮如下情況： 當(dāng)視頻播放完成，這時(shí)候仍有大量學(xué)生讀取視頻，開(kāi)始事務(wù)，都執(zhí)行完然后進(jìn)入事務(wù)，陸續(xù)檢測(cè)到內(nèi)存不足，都要回滾事務(wù)。那么大批事務(wù)都要回滾到內(nèi)存，有的比較長(zhǎng)的一段處理過(guò)程。所以回滾問(wèn)題，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)很多不必要的資源浪費(fèi)。

4、總結(jié)

本文針對(duì)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)高并發(fā)性的需求進(jìn)行研究，談?wù)劯卟l(fā)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)分為 2 類： 架構(gòu)級(jí)高并發(fā)高可用策略和業(yè)務(wù)級(jí)高并發(fā)高可用策略。架構(gòu)級(jí)策略包括： 三層架構(gòu)、集群負(fù)載均衡、混合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、靜態(tài)分離等技術(shù)。以及業(yè)務(wù)層面的分區(qū)緩存策和事務(wù)降級(jí)策略。

參考文獻(xiàn)：

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注：本文為黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度重點(diǎn)課題“高職院校在線教育系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)和保障制度的研究 ”論文。