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摘要：为解决我校教务管理系统在集中选课期间web访问量激增所造成的拥堵问题，本文对教务管理系统web端性能优化相关技术进行研究，分析了基于集群的负载均衡技术，并对应用服务器进行了优化部署，充分提高了现有硬件设备的利用率以及教务管理系统的运行效率，有效缩短了系统响应时间，提高了学生的选课效率。
关键词：集群；负载均衡；Nginx
本文引用格式：陈丽萍.基于集群的教务管理系统性能优化研究及部署[J].教育现代化,2019,6(20):116-117.
在我国，校园信息化建设的水平是评价高校教育资源发展程度的重要指标。教务管理系统是高校教育信息化工作的重要组成部分，而选课模块是教务系统的核心功能之一，目前很多正在使用的教务管理系统就是由选课系统发展而来的。然而，随着高等院校学分制的推广普及，由学生自主在线选课已经替代了以往的传统选课方式。目前各高校办学规模不断扩大，学生数量不断增加，选课时几千人同时登录系统，经常会出现选课页面无响应、选课失败的情况，严重影响了学生的选课效率以及正常的教学管理工作。而综合教务中的选课模块在设计开发之初只注重了功能上的实现，忽略了性能要求。因此，如何提高教务管理系统的性能已经成为当今高校教育信息化工作的一项重要课题。
一 教务管理系统使用现状
我校教务管理系统于2016年进行了部分需求升级，目前系统采用B/S与C/S相结合的软件架构，学生及教师采用B/S架构进行选课、查成绩、查课表、录入成绩等操作，教学管理人员采用C/S架构进行管理工作。整个教务管理系统包括课程管理、培养方案、排课管理、选课管理、考务管理、成绩管理等模块。系统应用服务器及数据库服务器均位于教务处自建并运维的机房中。由于选课时几千人同时登陆Web端，经常出现Web页面无响应、服务器宕机等现象。出现此类问题后只能到机房中重启服务器来解决。目前，整个系统的使用性能瓶颈全部集中在选课时期的Web端，其他时间段系统运行较平稳、响应较及时。
二 基于集群的优化部署
（一）集群的概念及分类
集群是指，利用网络将一组具有独立功能的计算机或系统连接起来的工作群，集群中所有结点能一起协同工作完成某项特定任务。根据需完成任务的不同，集群可分为：高可用性集群（High Availability Cluster）、负载均衡集群(Load Balance Cluster)、科学计算集群(High Performance Computing Cluster)，本文将详细研究如何将负载均衡集群应用于教务管理系统中。
（二）负载均衡算法
负载均衡是指对系统中的负载进行动态调整，以尽量消除或减少系统各节点负载不均衡的现象。实现方法是由多台服务器组成一个集群，每台服务器都可以单独提供服务而无须其他设备辅助，通过某种算法将外部发送的请求均匀分配到某台服务器上，而接收到请求的服务器独立响应请求，尽可能实现系统各节点的负载平衡，提高系统吞吐量。这种集群技术可以解决大量并发访问问题，用最少的投资获得近乎于大型主机的性能。目前从宏观上来讲，负载均衡分为利用硬件设备实现的负载均衡和使用软件实现的负载均衡。硬件负载均衡是直接在服务器和外网间部署实现负载均衡的硬件设备，其性能较好，但成本较高；软件负载均衡是指在服务器上安装一个软件来实现的负载均衡。软件负载均衡有很多开源资源，如Nginx、LVS、HAProxy等，这些方式成本较低，且配置简单，可扩展性好，完全能够满足我校负载均衡需求。
软件负载均衡的核心是其算法，它主要解决如何将接收到的任务合理、均衡的分配到某个服务器节点上，实现整个系统的负载均衡。常见的负载均衡算法有以下几种：①轮询法。将请求按顺序轮流分配到后台服务器上，它均衡对待每一台服务器，不关心服务器实际的连接数和当前的系统负载。该方法适用于集群中所有服务器的处理能力基本相同的情况。②加权轮询法。后台服务器如果配置和系统负载不同，它们的抗压能力也不同。给配置高、负载低的机器配置更高的权重，让其处理更多请求；而配置低、负载高的机器，给其分配较低的权重，降低其系统负载，加权轮询能很好地处理这一问题，并将请求顺序按照权重分配。③随机法。通过系统的随机算法，根据服务器列表大小值来随机选取其中一台服务器访问。由概率统计理论可知，随着客户端调用服务器次数的增加，其效果会越来越接近于平均分配，也就是轮询的结果。④加权随机法。与加权轮询法一样，加权随机法也根据后台服务器的配置以及系统负载分配不同权重。不同的是，它按权重随机请求后台服务器，而非顺序。⑤源地址哈希法。根据获取到的客户端IP地址，通过哈希函数计算得到一个值，用该数值对服务器列表大小进行取模，得到的结果便是客服端要访问服务器的序号。采用源地址哈希法进行负载均衡，同一IP地址客户端，当后台服务器列表不变时，每次都会映射到同一台服务器。⑥最小连接数法。由于服务器的配置不同，对于请求的处理速度也不尽相同，该算法是根据后台服务器的当前连接情况，动态选取当前积压连接数最少的一台服务器来处理当前请求，尽可能提高后端服务利用率，将负载合理分配到每一台服务器。
（三）负载均衡部署
负载均衡构建于服务器集群之上，如果其中一台服务器出现故障，能自动切换到集群中的其他服务器上，终端用户感觉不到任何变化。配置软件负载均衡时，使用轮询法，即每个请求按时间顺序轮流分配到不同的后台服务器上，如果某台服务器死机，则自动剔除掉故障机，用户访问不受任何影响。
实体服务器配置高、性能好但价格昂贵，如参与搭建负载均衡的服务器集群，总成本过高、且单台服务器利用率较低，性价比不高，资源严重浪费。可以考虑在一台实体服务器上搭建多台虚拟机的方式来构建web端服务器集群。目前共规划出3台4U、2*6核、64GB内存机架式实体服务器，每台实体服务器上虚拟出8台web端，搭建成由24台虚拟机组成的web端服务器集群。每台web虚拟服务器均设置2GB内存、4*2核、40GB硬盘，其上安装centos7.0系统，虚拟机IP地址采用NAT模式并设置另一个同网段IP，以确保三台不同宿主机之间的虚拟服务器能互相通讯。将Web端Resin部署到这24台虚拟机上，由于其处理能力相同，选择轮询算法较为合适。
软件负载均衡的开源资源中，Nginx采用C编写，不论是系统资源开销还是CPU使用效率都比其他开源资源要好很多。它能够支持高达50000个并发连接数的响应，是虚拟主机经常选择的软件平台。且其配置简洁，启动容易，并且几乎可以做到7*24不间断运行，即使运行数月也不需重启，故最终选择Nginx来实现web端的负载均衡。
将Nginx安装到一台实体服务器上作为负载均衡服务器，用户看不到实际提供服务的24台虚拟机，只能看到负载均衡服务器（web地址栏会显示该服务器的地址）。配置方案为：配置nginx.conf文件，设置Nginx用户、工作进程数、错误日志存放路径等，将所有虚拟服务器的内网互联IP地址全部列出，如下所示：
三 结语
通过上述研究分析及综合性的优化部署，集群技术在高校综合教务管理系统的性能优化提高上有了较好的实施效果，有效解决了集中选课时web访问量激增产生的一系列问题，满足了学生集中选课时对综合教务管理系统的并发性访问要求。综合教务系统性能优化是一项非常复杂的系统工程，需要从系统涉及到的各个方面进行全方位优化。例如：选课制度、流程优化，Web端Resin启动参数优化，Web Service优化，数据库及I/O优化等。在今后的工作中将对该课题继续进行研究，以期将综合教务管理系统的性能提高到更高的水平。
参考文献
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