基于SSM的高并發(fā)慕課網(wǎng)的設計與實現(xiàn)

鞠宏軍　佘春燕

摘要：為了幫助IT學子能夠更加便利的獲取學習資源，該系統(tǒng)采用B/S架構的方式，將大量學習資源通過互聯(lián)網(wǎng)整合在一起，提供給用戶學習使用。系統(tǒng)主要實現(xiàn)視頻學習、發(fā)布討論、撰寫博客、站內(nèi)搜索、程序在線測評等功能，用戶也可以通過評論的方式實現(xiàn)問題解答、交流互動。

關鍵詞：負載均衡;慕課;SSM;Nginx;Redis

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0054-03

Abstract： In order to help IT students to obtain learning resources more conveniently， the system adopts the B/S architecture method to integrate a large number of learning resources through the Internet and provide them for learning and use. The system mainly realizes video learning， publishing discussion， writing blog， station search， program online evaluation function， and users can solve problems and exchange interaction through comments.

Key words： load balancing; mooc; ssm; nginx; redis

1 背景

在21世紀的今天，計算機的作用可謂是舉足輕重，互聯(lián)網(wǎng)在教育行業(yè)的發(fā)展更是突飛猛進，一種新型的教學模式——慕課，進入人們的視野，它打破了傳統(tǒng)課堂教育的固定模式，將學習資源通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來，彌補了傳統(tǒng)課堂教育的局限性，為學生提供了更廣大、開放的學習平臺。《基于SSM的高并發(fā)慕課網(wǎng)的設計與實現(xiàn)》是針對計算機相關專業(yè)學生開發(fā)的在線學習系統(tǒng)。本系統(tǒng)提供大量視頻課程提供給學生學習，通過討論和博客，實現(xiàn)了學生的交流與互動;系統(tǒng)還提供了站內(nèi)搜索引擎、程序在線測評等功能。為了給學生提供更佳的學習體驗。本系統(tǒng)采集了學生的使用特征及有關操作，為每個用戶推薦與自己相關或者感興趣的課程，給所有學生推薦合理的課程進行學習。

2 關鍵技術

2.1 服務器集群

當業(yè)務量逐漸遞增，一臺服務器的單機架構模式難以支撐整個web系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行，此時，需要提出了服務器集群的系統(tǒng)架構，在后臺同時啟動多臺服務器，同時啟動多臺數(shù)據(jù)庫服務器將業(yè)務與數(shù)據(jù)分離，在高并發(fā)的環(huán)境下，為了減輕后臺 Tomcat 的壓力，得到很快的用戶訪問速度體驗，可以做Nginx和Tomcat動靜分離，前端Nginx和keepalived 做雙機熱備，后臺 Apache 服務器做負載均衡。Nginx 將 location 做動靜分離后的JSP等程序文件分發(fā)到后臺Tomcat集群上，將靜態(tài)資源使用前端的Nginx來處理，以減輕后臺 Tomcat 的壓力，使用 Nginx 作為后臺服務器的調(diào)度者，以此實現(xiàn)后臺眾多服務器的負載均衡，當一臺服務器因為物理原因或者其他原因宕機以后，Nginx 會進行檢測，選擇其他可以正常工作的服務器分發(fā)請求。

2.2 數(shù)據(jù)庫集群

隨著系統(tǒng)的運營，系統(tǒng)的用戶量、并發(fā)量逐漸增加，一臺數(shù)據(jù)庫的單機模式難以難度高并發(fā)情況下的讀寫需求，當系統(tǒng)在線上的運營時間逐步增加，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)量在量級上發(fā)生了變化，即使用 DBA 的不斷優(yōu)化，一臺數(shù)據(jù)庫的讀寫速度還是顯得有些力不從心，此時，提出了數(shù)據(jù)庫服務器集群的系統(tǒng)架構，在后臺同時啟動多臺數(shù)據(jù)庫，使用主從復制、讀寫分離、分表分庫的機制緩解數(shù)據(jù)庫的讀寫壓力，使用 mycat 作為數(shù)據(jù)庫中間件，將讀 sql和寫 sql分別路由到不同的數(shù)據(jù)庫中，以此緩建每臺數(shù)據(jù)庫的壓力，提高數(shù)據(jù)庫的響應速度和性能，mycat 還提供了心跳檢測機制，當一臺主機宕機以后， 會選擇一臺從機作為寫庫，以此保證系統(tǒng)的高可用。在大型的軟件系統(tǒng)中，為了緩解后臺數(shù)據(jù)庫的壓力，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢速度，提出了緩存的解決方案，當前市場中Redis 是一款非常優(yōu)秀的緩存數(shù)據(jù)庫，它是一款內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，所有的對數(shù)據(jù)的讀寫操作都是面向內(nèi)存而言，因此能夠為用戶提供更加良好的檢索速度。集群架構圖如圖1所示。

3 需求分析

《基于SSM的高并發(fā)慕課網(wǎng)的設計與實現(xiàn)》是針對我國計算機相關專業(yè)學生開發(fā)的在線學習系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要實現(xiàn)：提供大量的計算機相關課程給學生進行學習，同時學生可以發(fā)布討論和撰寫博客以及進行評價;為了方便用戶的使用，系統(tǒng)采用推薦算法為每個用戶推薦與自己相關的課程或者感興趣的課程;教師可以在后臺系統(tǒng)申請開設新的課程，并且系統(tǒng)根據(jù)該教師開設課程的學習情況生成相應的統(tǒng)計分析圖反饋給教師;網(wǎng)站后臺管理員審核維護網(wǎng)站基本信息。慕課的教育模式可以將處于傳統(tǒng)教育模式中的教師從復雜煩瑣的工作中解放出來，從而降低教師的工作量，并且可以做到隨時隨刻學習，使學生的學習時間更加靈活。廣大學子可以在系統(tǒng)中發(fā)起討論，全網(wǎng)學子互相討論，不僅可以快速地解決問題，還可以增強學習興趣，能夠真正做到集思廣益。互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)使用的技術層出不窮，且技術更新迭代快速，傳統(tǒng)的教學模式不足以跟上知識的更新，IT知識在IT的教學模式下學習定會事半功倍。因此慕課教學應運而生。

學生系統(tǒng)：瀏覽課程，視頻學習，課程評論，課程評論點贊;瀏覽討論，發(fā)起討論，討論回復，討論點贊;瀏覽博客，撰寫博客，評論博客，博客點贊;根據(jù)不同用戶推薦課程及正在學習的相關課程;個人基本信息，個人發(fā)布討論、博客、正在學習的課程信息;登錄注冊;程序在線測評;站內(nèi)搜索。

教師系統(tǒng)：個人信息;瀏覽個人開設的課程，上傳新的課程數(shù)據(jù);根據(jù)該教師開設的課程和學習該課程的學生信息生成統(tǒng)計分析圖，教師根據(jù)統(tǒng)計分析圖分析該課程線上的學習情況，分析其中的不足與缺陷，在之后的開設的課程中能夠做出相應的優(yōu)化，使課程能夠更加的適合學生的需求;登錄驗證。

管理員系統(tǒng)：個人信息;管理網(wǎng)站的基本素材信息;更新系統(tǒng)首頁推薦的最新、初級、中級、高級課程信息和用戶在未登錄的情況下的默認推薦課程信息，教師將首頁的推薦信息存到緩存中，在高并發(fā)的環(huán)境下，以此提高首頁的響應速度、降低后臺數(shù)據(jù)庫的壓力、提高系統(tǒng)的并行性。

4 系統(tǒng)設計

4.1 功能設計

《基于SSM的高并發(fā)慕課網(wǎng)的設計與實現(xiàn)》總共有三類用戶：學生、教師、管理員，各自登錄各自的系統(tǒng)，系統(tǒng)可以分為三個子系統(tǒng)，學生使用的慕課網(wǎng)系統(tǒng)，教師使用的教師后臺系統(tǒng)，管理員使用的后臺管理系統(tǒng)。學生用戶的主要功能是在線視頻學習，發(fā)布討論，撰寫博客，發(fā)布評價，程序在線測評，站內(nèi)搜索等;教師用戶的基本功能是發(fā)布課程，生成統(tǒng)計分析圖等;管理員的主要功能是管理網(wǎng)站的基本素材信息，認證高訪問量的推薦課程。系統(tǒng)功能結構圖如圖2，3，4所示：

4.2 數(shù)據(jù)庫設計

《基于SSM的高并發(fā)慕課網(wǎng)的設計與實現(xiàn)》的實體有：管理員、教師、學生等。

按照用戶類型分類有：管理員、教師、學生;按照需求分析，系統(tǒng)建立管理員表（admin）、博客表（blog）、博客評論表（blog_comment）、類別表（category）、課程表（course）、課程評論表（course_comment）、課程詳情表（course_detail）、方向表（direction）、討論表（discussion）、討論評論表（discuss_comment）、學習表（learn）、等級表（level）、輪播圖表（loop_picture）、學生表（student）、操作日志表（student_log）、教師表（teacher）。系統(tǒng)總體E-R圖如圖5所示。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 程序在線測評模塊

當用戶進入在線測評頁面，為用戶展現(xiàn)兩個文本域，一個文本域提供給用戶撰寫源程序，另一個文本域展示用于程序的運行結果或者錯誤提示。用戶選擇當前撰寫程序的類型，系統(tǒng)提供了C/C++、Java兩種語言的在線測評，當用戶撰寫完源程序之后，點擊測評，系統(tǒng)后臺自動將用戶提交的源程序進行編譯、執(zhí)行。獲取其運行結果或錯誤提示信息發(fā)送到用戶界面進行展示。功能執(zhí)行流程圖如圖6所示。

5.2 站內(nèi)搜索模塊

首先獲取用戶輸入的搜索關鍵詞，根據(jù)用戶輸入的搜索關鍵詞，在數(shù)據(jù)庫中使用模糊查詢，獲取搜索集，在同一個搜索集中，根據(jù)搜索關鍵詞和搜索集中的數(shù)據(jù)進行相似度計算，然后將搜索集中的數(shù)據(jù)很具相似度降序排序呈現(xiàn)給用戶，將相似度最高的數(shù)據(jù)盡量呈現(xiàn)在頁面的前方，展示給用戶。

在字符串相似度的計算中采用余弦相似度的方式計算機兩個字符串的相似度，首先根據(jù)搜索關鍵詞和目標字符串進行分詞，然后計算出分解之后每個詞出現(xiàn)的詞頻率，根據(jù)兩個字符串的詞頻率生成測評向量a（x1， x2， x3…xn），b（y1， y2， y3…yn），最后根據(jù)生成的兩個向量計算出他們的相似余弦值，公式如圖（1）：

若向量之間的余弦值越接近于1，則兩個向量越相似，則兩個字符串相似。若向量時間的余弦值越接近于0，則兩個向量越不相似，則兩個字符串不相似。綜上所述：兩個字符串的相似余弦可以用來度量兩個字符串的相似程度，因此在同一搜索集合中，分別計算該集合中的各個數(shù)據(jù)與目標搜索關鍵詞的相似度，根據(jù)相似度降序排序之后，將集合中的數(shù)據(jù)展示給用戶。

5.3 在線視頻學習模塊

當用戶登錄之后，實現(xiàn)在線視頻學習，因為類似視頻這種大的二進制文件而言就，如果直接存儲到數(shù)據(jù)庫中，無疑會降低數(shù)據(jù)庫的讀寫性能，將重負載壓到了數(shù)據(jù)庫中，所以系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中知識存儲了該視頻在服務器中的存儲路徑，并不是直接將該視頻文件存儲到數(shù)據(jù)庫中，這樣若是要獲取一個視頻，只需要獲取該視頻的路徑即可，以此降低數(shù)據(jù)庫的讀寫壓力。

5.4 首頁熱點數(shù)據(jù)加載

首頁功能模塊主要是實現(xiàn)課程方向，課程類別輪播圖的展示，緊接著展示出系統(tǒng)推薦的最新、初級、中級、高級課程以及優(yōu)秀博客和優(yōu)秀教師的基本信息。因為首頁信息類型復雜，所需計算量大，數(shù)據(jù)量大的原因，系統(tǒng)將首頁推薦信息存儲到redis緩存中，以提高系統(tǒng)的獲取數(shù)據(jù)的速度，提高系統(tǒng)的響應速度。

6 結束語

系統(tǒng)基于Linux平臺，采用B/S結構，采用Layui、JSP、SSM、Redis、MySQL、Mycat、Nginx等技術實現(xiàn)。本系統(tǒng)主要包括三個子系統(tǒng)，分別是：慕課網(wǎng)、教師上傳課程系統(tǒng)、后臺管理系統(tǒng)。主要實現(xiàn)了課程展示、在線視頻播放學習、討論展示、發(fā)布討論、博客展示、撰寫博客、評論點贊、個人信息瀏覽、上傳課程、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)基本設計、推薦認定等功能。系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性，能夠穩(wěn)定的為用戶提供服務，具有一定的推廣和實用價值。

在系統(tǒng)實現(xiàn)期間，夯實了SSM三大框架的知識架構，對SSM產(chǎn)出了更深的理解。在高并發(fā)的環(huán)境下，傳統(tǒng)的用戶、服務器、數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)站架構難以滿足用戶的需求，此時意識到一臺服務器的網(wǎng)站架構需要做出進一步的升級，需要在后臺同時部署多臺web服務器和數(shù)據(jù)庫服務器，在用戶與服務器之間使用Nginx做反向代理，以此實現(xiàn)多臺服務器的調(diào)度，在web應用于數(shù)據(jù)庫之間使用Mycat中間件代理多臺數(shù)據(jù)庫，在多臺數(shù)據(jù)庫之間啟用主從復制、讀寫分離的機制，將讀SQL和寫SQL分別路由到不同的數(shù)據(jù)庫，以此降低單臺數(shù)據(jù)庫的讀寫壓力，提高系統(tǒng)的并行性。在整個系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，新學習了Layui、Redis、Nginx的使用，對高并發(fā)情況下的網(wǎng)站有了新的解決方案——使用Redis做數(shù)據(jù)庫緩存、使用Nginx實現(xiàn)負載均衡，以此降低高并發(fā)給后臺服務器和后臺數(shù)據(jù)庫帶來的壓力。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】