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世紀以來，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)中同時在線學(xué)習(xí)的人數(shù)至少在數(shù)千人以上，對系統(tǒng)額并發(fā)能力提出了嚴峻的考驗和挑戰(zhàn)，本文從以下幾個方面介紹了高并發(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)是通過計算機互聯(lián)網(wǎng)，或是通過手機無線網(wǎng)絡(luò)，在一個網(wǎng)絡(luò)虛擬課堂進行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的教育模式。通過遠程視頻授課、網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)、互動交流、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)動的平臺和以教學(xué)資源驅(qū)動的平臺。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)生利用課外時間觀看課前視頻，在課堂上與老師面對面交流，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。因為微課具有小、短、精等諸多特點，學(xué)生可以選擇性的學(xué)習(xí)。只要學(xué)生愿意學(xué)習(xí)，就能隨時點擊觀看“微課”，可以保持終身學(xué)習(xí)狀態(tài)。

慕課：大興開放式網(wǎng)絡(luò)課程，慕課進一步推動了支持終身學(xué)習(xí)的開放教育資源運動，目前已經(jīng)出現(xiàn)了不同形式和風(fēng)格的慕課，它們在學(xué)生規(guī)模、公開程度、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)計中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過設(shè)計保證系統(tǒng)能夠同時并行處理很多請求。高并發(fā)相關(guān)常用的一些指標有響應(yīng)時間，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)用戶在萬人以上，同時在線人數(shù)達到千人以上的教學(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)計思想，通過模塊化設(shè)計每一層架構(gòu)，層間與模塊間通過較少的結(jié)構(gòu)通信保證低耦合性。這樣的設(shè)計是提升系統(tǒng)并發(fā)性、可用性的基礎(chǔ)。

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

2.3 混合數(shù)據(jù)存儲。混合數(shù)據(jù)存儲利用不同的數(shù)據(jù)存儲模式，將相對獨立的數(shù)據(jù)集以合適的方式存儲，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。混合數(shù)據(jù)存儲的核心還是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，關(guān)系數(shù)據(jù)庫高性能穩(wěn)定性的特性是其它非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和其它存儲方式無法比擬的。對于高頻操作的數(shù)據(jù)，除了在數(shù)據(jù)庫中存儲外，還應(yīng)該在緩存中存儲。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存儲數(shù)據(jù)與索引。對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)倉庫存儲，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。混合數(shù)據(jù)存儲，充分利用各個存儲方式的有事，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。對于經(jīng)常變化或者個性化的數(shù)據(jù)與界面可以抽象詳細數(shù)據(jù)。客戶端對靜態(tài)資源的并發(fā)訪問性能要遠高于對從架構(gòu)角度，可以將靜態(tài)資源與動態(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，動態(tài)資源從業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器上請求獲取，從而提高系統(tǒng)的訪問性能與并發(fā)能力。

3、業(yè)務(wù)實現(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)庫實現(xiàn)，確保緩存不會丟失。流媒體服務(wù)器對數(shù)據(jù)的讀寫，大部分是直接與緩存層交互，很大程度上提高了讀寫性能。大部分的讀寫操作多是基于這部分隨著緩存內(nèi)視頻的讀寫，有些熱視頻狀態(tài)變化成了冷視頻，如果學(xué)生查看視頻，就需要同時讀取緩存和數(shù)據(jù)庫，合并讀取信息作為讀取結(jié)果。

3.2事務(wù)降級策略

讀取視頻需要使用事務(wù)保證 All or Nothing，以及事務(wù)的隔離級別（ 鎖實現(xiàn)） 來確保并發(fā)事務(wù)中部分代碼片段的Before or After 隔離性，讀取操作是一個完整的事務(wù)，事務(wù)過程的設(shè)計方案有 2 種：

方案1：讀取事務(wù)開始后，馬上進入子事務(wù)，首先檢測視頻是否足夠，然后完成一系列操作，更新后臺數(shù)據(jù)，提交整個事務(wù)。考慮到并發(fā)的事務(wù)，在 redis 上需要序列化執(zhí)行，那么，事務(wù)到提交很長一段時間內(nèi)不能并發(fā)。所以方案1對高并發(fā)的支持比較差。

方案2：讀取視頻事務(wù)開始后，先完成一系列非事務(wù)的操作，到事務(wù)末尾，進入事務(wù)，檢測視頻是否存在，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，這時候仍有大量學(xué)生讀取視頻，開始事務(wù)，都執(zhí)行完然后進入事務(wù)，陸續(xù)檢測到內(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，有的比較長的一段處理過程。所以回滾問題，會給系統(tǒng)帶來很多不必要的資源浪費。

4、總結(jié)

本文針對在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)高并發(fā)性的需求進行研究，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)級高并發(fā)高可用策略和業(yè)務(wù)級高并發(fā)高可用策略。架構(gòu)級策略包括： 三層架構(gòu)、集群負載均衡、混合數(shù)據(jù)存儲、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)降級策略。

參考文獻：

[1]王小戲.高并發(fā)高可用零售 O2O 交易系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計與業(yè)務(wù)實現(xiàn)[J].計算機與現(xiàn)代化， 2016（04）.

[2]鞏曉悅.基于個性化推薦的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué)，2019.

[3]王承軍.高并發(fā)大數(shù)據(jù)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)，2015.

[4]蔣志輝.在線開放課程學(xué)習(xí)者滿意度研究：發(fā)展、影響因素提升路向[J].現(xiàn)代遠距離教育2017（03）.

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