（计算机科学与技术专业论文）web信息系统中几个关键技术的研究与应用.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：街赴日期：型生扛 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢引坼磋翩c ：半互，删 武汉理1 ：人学硕十学位论文 摘要 随着w e b 信息技术的日趋发展，w e b 信息系统已经成为人们处理工作和日 常生活的一个重要平台。如何构建一个业务功能符合用户需求，系统性能稳定， 用户体验友好，系统总体框架和结构又十分合理的w e b 信息系统，这些都是w e b 信息系统开发中的关键问题。 本文从原理上对w e b 信息系统开发中的几个关键问题进行剖析，提出解决 这些关键问题的思路和方法，达到增强w e b 系统性能，提升用户体验的目的。 本文重点研究的是增强w e b 服务器性能。在分析w e b 系统性能影响因素和 原有系统存在的问题的基础上，从系统并发性能，系统软件结构，服务调用方 式等方面对系统进行改善和优化，针对性地提出了相应的优化方案。首先，深 入研究了一种基于软件实现方式的系统群集服务思想m s c s 服务群集，通过 引入m s c s 群集服务管理来均衡系统负载，增强系统并发处理能力。第二，研 究n e tf r a m e w o r k4 中的并行编程技术，通过使用并行编程技术改善程序结构和 性能。第三，对基于事件的异步模式设计方法进行了一些研究，叙述了这种设 计方法实现异步调用的过程。最后，为提高w e b 系统的性能，本文引入v b a 技 术实现具有特定功能的w o r d 文档，并在n e t 环境下研究w o r d 文档信息自动抽 取技术，减轻w e b 系统前后台用户的工作量。 一系列对比实验表明：通过引入m s c s 群集服务，可以有效地加强系统处 理并发用户请求的能力；通过使用并行编程技术，在缩短复杂操作运行时间的 同时还提高了系统c p u 资源的利用率；通过使用基于事件的异步模式实现异步 功能，说明该方法对提升用户体验方面的作用。 关键词：w 曲系统性能优化，系统集群，并行编程，基于事件的异步模式 武汉理1 ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw e bt e c h n o l o g y , w e bi n f o r m a t i o ns y s t e mb e c o m e sa n i m p o r t a n tp l a t f o r mi nd e a l i n gw i t hw o r ka n dd a i l yl i f ef o rp e o p l e s o m ei s s u e sa r e e n c o u n t e r e di nt h ed e v e l o p m e n to fw e bi n f o r m a t i o ns y s t e m s ，s u c ha ss a t i s f y i n gu s e r r e q u i r e m e n t s ，s t e a d ys y s t e mp e r f o r m a n c e ，f r i e n d l yu s e re x p e r i e n c e ，a n dr a t i o n a l s y s t e ma r c h i t e c t u r e t h et h e s i sa n a l y z e ss e v e r a lk e yp r o b l e m si n t h e d e v e l o p m e n t o fw e b i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，a n dp r e s e n t sr e l a t e dm e t h o d st os o l v et h e s ek e yp r o b l e m si n o r d e rt oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo fw e bs y s t e m sa n du s e re x p e r i e n c e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es t u d yo fe n h a n c i n gp e r f o r m a n c eo fw e bs e r v e r b y a n a l y z i n gt h ef a c t o r so fw e bs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h ep r o b l e m si nt h eo r i g i n a l s y s t e m ，t h i st h e s i sp r o p o s e ss o m eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e st oi m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c e i nt h e w a y sa r r a n g i n g o nc o n c u r r e n tp e r f o r m a n c ea n ds o f t w a r e a r c h i t e c t u r e f i r s t l y , as o f t w a r e - b a s e ds y s t e mc l u s t e rs e r v i c ei d e ai si n t r o d u c e d t h e s y s t e mo fc o n c u r r e n tp e r f o r m a n c ei se f f e c t i v e l ye n h a n c e da n dt h es y s t e ml o a di s b a l a n c e db yu s i n gt h em s c sc l u s t e rs e r v i c em a n a g e m e n t s e c o n d l y , p a r a l l e l p r o g r a m m i n gi n n e tf r a m e w o r k4i sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , a n dt h e nu s et h i s t e c h n o l o g yt oi m p r o v ep r o g r a ms t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e t h i r d l y , e v e n t - b a s e d a s y n c h r o n o u sd e s i g np a t t e r ni ss t u d i e di ns o m ed e g r e e ，a n dt h ep r o c e d u r ea b o u th o w t ou s et h i sp a t t e r nt oi m p l e m e n ta s y n c h r o n o u sc a l li sd e s c r i b e d l a s t l y , t oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fw e bs y s t e m ，t h i sa r t i c l eu s e sv b at e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tw o r d d o c u m e n tw i t hs p e c i f i cf u n c t i o n s ，a n dd e s c r i b e sa u t o m a t i c i n f o r m a t i o n - e x t r a c t i n g t e c h n o l o g yi nd o t n e tf r a m e w o r k ，w h i c hr e d u c et h ew o r k l o a do fw e bs y s t e m as e r i e so fc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：t h e s y s t e mc a p a c i t y o f c o n c u r r e n tp e r f o r m a n c ec o u l db ee f f e c t i v e l ye n h a n c e db ym s c sc l u s t e rs e r v i c e ；b y u s i n gt h et e c h n o l o g yo fp a r a l l e lp r o g r a m m i n g ，t h er u n n i n gt i m eo fc o m p l e xo p e r a t i o n c a nb er e d u c e dw h i l et h ec p ur e s o u r c eu t i l i z a t i o no fs y s t e mi s i m p r o v e d ； a s y n c h r o n o u sm e t h o di sw e l li m p l e m e n t e dw i t ht h em e t h o do fe v e n t - b a s e d a s y n c h r o n o u sp a t t e ma n dt h eu s e re x p e r i e n c ei se f f e c t i v e l ye n h a n c e d k e yw o r d s ：p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no fw e bs y s t e m s ，m i c r o s o f tc l u s t e rs e r v i c e ， p a r a l l e lp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g y , e v e n t - b a s e da s y n c h r o n o u sp a t t e r n 武汉理j ：人学硕士学位论文 目录 第1 章引言1 1 1 研究背景1 1 2w e b 技术国内外研究现状2 1 3 本文技术背景4 1 3 1 影响w e b 系统性能的主要因素4 1 3 2w e b 系统服务器性能评价指标5 1 3 3 本文研究的几个关键问题5 1 4 本文研究主要内容6 1 5 本文的组织结构7 第2 章提升系统并发性能使用基于软件实现方式的系统群集 提升w e b 服务器性能8 2 1 优化前的系统构架8 2 1 1 原有系统网络拓扑结构8 2 1 2 原有系统框架9 2 1 3 原有系统框架设计存在的问题9 2 2w e b 服务器负载均衡1 0 2 2 1 基于硬件实现的服务器负载均衡技术1 l 2 2 2 基于软件实现的服务器负载均衡技术1 l 2 3m s c s 群集服务1 2 2 3 1m s c s 简介1 2 2 3 2m s c s 结构：1 3 2 4 引入m s c s 后的系统新架构1 4 2 4 1 优化后的系统网络拓扑结构1 4 2 4 2 优化后的系统架构1 5 2 5 服务器性能测试1 6 2 5 1 测试问题描述1 6 2 5 2 测试目的1 7 武汉理l ：火学硕士学位论文 2 5 3 测试方法1 7 2 5 4 测试结果和结论1 7 2 6 本章小结1 9 第3 章改善程序结构和性能使用并行编程技术实现软件优化2 0 3 1 并行编程技术2 0 3 1 1 软件优化2 0 3 1 2 并行编程与多线程编程的区别2 l 3 1 3 并行编程技术的设计要求2 2 3 2 程序的设计和实现2 3 3 2 1 n e tf r a m e w o r k 对并行编程技术的支持2 3 3 2 2 n e t4 中的并行编程方法介绍2 6 3 2 3 并行应用程序的设计与实现2 9 3 3 程序性能测试3 4 3 3 1 测试问题描述3 4 3 3 2 测试目的3 4 3 3 3 测试方法3 4 3 3 4 测试结果和结论3 5 3 4 本章小结3 7 第4 章提升用户体验使用基于事件的异步模式实现异步功能3 8 4 1w e b 服务调用3 8 4 1 1 同步调用和异步调用3 8 4 1 2w e b 服务异步调用的应用场景分析3 8 4 2 基于事件的异步模式3 9 4 2 1 基于事件的异步模式概述3 9 4 2 2 基于事件的异步模式特征4 0 4 3 设计与实现4 1 4 3 1 基于事件的异步模式实现的要求和准则4 l 4 3 2 基于事件的异步模式的实现4 2 4 4 运行与测试4 4 4 4 1 测试目的4 4 4 5 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 第6 章 6 1 6 2 致 参考文 攻读硕 武汉理上人学硕+ 学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 随着互联网的飞速发展，w e b 技术在企业的生产，公司的管理，甚至人们 的日常生活等各个方面起着越来越重要的作用。w e b 已经成为信息系统主要的 运行平台。从大型门户网站到个人主页空间，从网上商务贸易到在线教育教学， 可以说，当前的w e b 信息系统规模各异，类型层出不穷。 作为计算机科学体系中的一部分，w e b 系统开发已经成为计算机领域里重 点研究的一个课题。根据传统的软件工程学方法，开发一个合格的软件系统需 要覆盖三个方面：功能性、可靠性和安全性【l 】。从用户需求角度上看，像开发任 何其他软件系统一样，w e b 系统设计人员在开发w e b 信息系统时需要满足两个 方面的需求：功能性需求和非功能性需求。满足功能性需求是一个软件系统能 够被使用的基本要求和保证，而满足非功能性需求( 即提高软件系统性能) 同 样也是十分重要的，软件系统性能是评估系统质量高低的关键因素。然而，在 实际开发过程中，开发人员往往只重视系统是否满足功能性需求，非功能性需 求问题却常常被忽视。 针对如何提高w e b 信息系统的性能，本文分析和提出w e b 系统开发中几个 共性的、关键的问题，这些问题包括： 1 ) 系统并发性差 系统并发性反应了一个w e b 系统处理用户请求个数的能力。例如，在为某 部属重点大学开发的“自主创新研究基金项目管理系统”【2 】中，系统并发用户多， 而且用户访问量不均衡，有明显的使用高峰期。当系统处于访问高峰期时，系 统并发性能成为影响系统整体性能的瓶颈。 2 ) 系统响应时间长 系统响应时间是衡量w e b 系统性能好坏的关键要素。实际调查表明，一般 情况下，当系统的响应时间超过8 秒时，大多数w e b 用户都会选择放弃或中止 访问请求。 3 ) 系统操作不便，用户体验不友好 操作是否简便，是否符合用户习惯是系统性能的另一种体现。因操作不便 武汉理j ：人学硕+ 学位论文 而带来的用户体验不友好是w e b 系统开发中普遍存在的问题。 针对w e b 系统开发中以上几个的共性的、关键的问题，本文提出相应的解 决方法，对当前w e b 系统的构建具有一定的实用价值和现实意义。 如何构建一个系统业务功能符合用户需求，系统性能十分稳定，用户使用 和体验相当友好，同时总体框架和结构又很合理的w e b 信息系统呢? 这也是本 文研究的目的和意义。 本文主要是对w e b 系统性能进行研究，通过改进系统性能达到满足系统非 功能性需求，提升用户体验的目的。本文结合具体w e b 项目，在给定的软硬件 资源和环境下，进行详细的分析和设计，采用合适的方法，极大地满足系统需 求，合理均衡资源使用，提高系统的响应速度，均衡服务器负载，增强用户体 验。本文寻求在指定情况下能够使得系统用户需求得到满足，用户体验达到友 好，w e b 系统服务器性能得到最大优化的解决方案，旨在为当前w e b 系统的构 建提供参考依据。 1 2w e b 技术国内外研究现状 随着二十一世纪以来w e b 技术的发展，目前国内外对w e b 技术的研究也相 当多，从w e b1 0 发展到w e b2 0 ，从同步调用机制到异步调用模型的出现，从 起初w e b 瘦客户端到如今的富客户端技术的出现等，w e b 技术发展十分迅速。 下面主要介绍一下当前国内外w 曲系统中几个重要概念和几种常见新技术。 1 ) w e b 2 o w e b 2 0 是对新一类互联网应用的统称。对于w e b 2 0 ，目前存在很多不同的 定义。w 3 c 这样定义w e b 2 o ：“w e b 2 0 是从网站的集合转变为向互联网用户提 供各种w e b 应用的综合平台的统称【3 】，。w e b 2 0 可以看做是w e b 应用发展的一 个阶段，是促成这个阶段的各种技术和相关的产品与服务的总称。因而，也有 人这样定义w 曲2 0 ：w e b 2 0 是以c r a i g s l i s t 、i i n k e d i n 、d e l i c i o u s 、4 3 t h i n g s t o m 等网站为代表，以b l o g 、t a g 、r s s 、w i k i 等应用为核心，依据x m l ，a j a x 等 新理论和技术实现的新一代互联网模式【4 】。 w e b 2 0 是w e b l 0 的基础上发展起来的。w e b1 0 到w e b2 0 的转变，具体 体现在以下几个方面。从模式上，是单纯的“读”向“写”、“共同建设 发展； 从工具上，是由互联网浏览器向各类浏览器、r s s 阅读器等方面发展；从运行 机制上，由“c l i e n ts e r v e r ”向“w e bs e r v i c e s ”转变；在内容创建上，内容创建 武汉理i ：大学硕士学位论文 者则由程序员等专业人士向全部普通用户发展。 综上所述，我们可以将w e b 2 0 与w e b l 0 的异同总结如表1 1 所示： 表1 1w e b 2 0 与w e b l 0 的异同 w e b1 0 ( 19 9 3 - 2 0 0 3 ) w e b 2 0 ( 2 0 0 3 - ) 模式 读读写共存 主要内容单元 网页 发表记录的消息 形态静态动态 浏览方式互联网浏览器各类浏览器、r s s 阅读器、其它 体系结构 c l i e n ts e r v e r晒s e r v i c e s 内容建立者 程序员人人 2 ) a j a x a j a x 是异步j a v a s c r i p t 和x m l 的简称( 英文全称为a s y n c h r o n o u sj a v a s c r i p t a n dx m l ) ，是指一种创建交互式网页应用的w e b 开发技术娜6 】川。 a j a x 是一种异步交互技术，它提升了互联网用户的体验和感受，主要解决 用户发起请求后页面响应速度慢，造成网络传输带宽和服务器压力大的问题。 a j a x 的基本原理是：使用x m lh t t p r e q u e s t 对象【8 】【9 】发送请求并得到服务器响应， 在不重新加载全部页面的情况下，利用j a v a s c r i p t 脚本操作文档对象模型( d o m ) 来更新网页局部信息，达到满足用户需求的同时提升用户体验的目的【1 0 】【】。 3 ) 富客户端 富客户端( r i c hc l i e n t ) 是富因特网应用程序( r i c hi n t e r n e ta p p l i c a t i o n s ，r i a ) 的简称。r i a 是一种交互性技术，它可以将用户的使用体验提升到一个更高的层 次。r i a 结合了一般桌面应用程序的交互性和w e b 应用程序部署的灵活性，满 足用户需求的同时还极大提升了用户体验。 富客户端技术中的“富 包括两个方面：丰富的用户界面元素和丰富的数 据模型。与h t m l 相比，r i a 提供了更加丰富的页面表现元素。另一方面，r i a 提供的丰富的数据模型可以使一些数据缓存在客户端，从而响应速度更快。 在实现原理上，富客户端应用程序使用异步的c s 结构连接到现有的应用 服务器，这是一种安全的、可升级的、具有良好适应性的面向服务模型，这种 模型由当前采用的w e b 服务所驱动。 目前，较为成熟的富客户端技术应用有m a c r o m e d i a 公司推出的 f l a s h f l e x t l 2 1 ，m i c r o s o f t 公司的s m a r tc l i e n t 13 1 ，i b m 公司推出的e c l i p s er c p t l 4 】 武汉理t 人学硕十学位论文 ( r i c hc l i e n tp l a t f o r m ) 等。 1 3 本文技术背景 1 3 1 影响w e b 系统性能的主要因素 随着w e b 信息技术突飞猛进的发展，w e b 系统性能不仅成为w e b 开发人员 研究的主题，更加成为广大互联网用户关心的焦点。w e b 系统性能评价已经发 展为计算机领域的一门重要的技术。 本文的核心内容是增强w e b 系统性能，提升用户体验。在展开说明本文的 研究内容之前，我们要首先了解影响w e b 系统性能的主要因素。影响w e b 系统 性能的因素有很多，简单来讲，可以把这些因素分为两种：网络因素和服务器 端因素。 1 ) 网络因素 请求应答模式是w 曲服务的工作方式【1 5 】，即客户端通过网络向服务器发出 h t r p 请求，服务器通过网络对客户机进行h t t p 响应。由于网络是客户端与服 务器进行通信的桥梁和纽带，所以网络质量是影响w e b 系统性能的一个因素。 通常，衡量网络质量的主要指标有：网络传输速率，网络吞吐量，传输延时等【1 6 】。 从系统开发的角度，这些因素很多时候都是系统开发人员难以预计和控制的， 因此我们可以把网络因素称作影响w e b 系统性能的外部因素。 2 ) 服务器端因素 影响w e b 服务器性能的因素很多，从系统构成的角度，可以把这些因素分 为两个方面：服务器硬件配置和服务器软件环境【1 7 】。w e b 服务器硬件配置主要 包括：服务器的处理器、内存、数据处理总线、磁盘适配器以及i o 设备的读写 能力等【1 8 】。服务器软件环境主要包括系统运行环境( 操作系统、数据库服务器 等) 、系统软件架构设计、应用程序设计等。 由于网络传输情况的难以预计和硬件成本高，本文的研究方向即是对服务 器端软件方面进行优化即从w e b 服务器性能这一点切入，在系统软件框架 和程序结构方面对w e b 服务器的软件进行优化。与网络因素相比，我们可以把 服务器端因素称作影响w e b 系统性能的内部因素。 4 武汉理1 ：大学硕士学位论文 1 3 2w e b 系统服务器性能评价指标 w e b 系统服务器性能的评价指标有很多，主要包括以下几点【1 9 1 ： 1 ) 系统并发用户数 衡量系统并发处理能力的参数。最大并发用户数是服务器能够同时正确及 时服务的用户数量，最大并发用户数反映了系统能同时容纳用户的能力。 2 ) 页面响应时间 客户端用户从发送h i t p 请求到收到完整页面这个过程所消耗的时间。 3 ) 系统资源利用率 在系统正常运行时系统各种资源的使用效率，包括c p u 使用率，内存利用 率，i o 设备利用率等。 4 ) 每秒用户数 单位时间( 1 秒) 内成功连接到w e b 服务器的新用户的数量。 5 ) 事务处理次数 w e b 服务器处理h t t p 事务的累计数量。一次成功的事务处理过程如下： w e b 服务器返回的h t t p 响应为2 0 1 ；客户端下载完全部的请求数据；服务器完 成报文确认。 1 3 3 本文研究的几个关键问题 本文研究的主要目标是增强w e b 服务器性能，提升用户体验。根据影响w e b 系统性能的内部因素和w e b 服务器性能评价指标，本文将重点研究以下几个方 面的问题。 1 ) 增强系统并发能力 增强系统并发处理能力最常用的方法就是均衡负载。负载均衡方式一般有 两种：硬件负载均衡和软件负载均衡。本文第2 章研究基于软件方式实现的系 统负载均衡技术，通过引入m s c s 群集服务软件，达到增强w e b 服务器并发能 力，提高系统性能的目的。 2 ) 提高系统资源利用率，缩短页面响应时间 一个w e b 系统存在各种各样的资源，服务器的c p u 、内存、输入输出设备 等都是最常用的系统资源。提高系统各种资源的利用率也是增强系统性能的有 效方法。另外，使用w e b 系统时，用户最关心的是：当点击鼠标后多长时间能 够看到自己想要得到的信息( 即页面响应时问) 。页面响应时问是评价一个w e b 武汉理- i ：大学硕士学位论文 系统性能高低最直接的指标。减少用户等待时间的技术和方法很多，如页面文 件缓存，数据访问优化，m i c r o s o f ts i l v e r l i g h t 技术 2 0 1 等。本文第3 章研究w 曲 系统开发中的并行编程技术，通过n e tf r a m e w o r k4 对并行编程技术的支持，实 现并行应用程序，改善程序性能，提高w e b 服务器c p u 使用率的同时缩短页面 响应时间。 3 ) 提升用户体验 用户体验是用户对系统性能最直接的感受。操作不便、长时间等待系统响 应、经常访问中断、破坏了用户原有的操作习惯等都是用户体验不好的表现。 目前，提升用户体验的方法很多，如专业的用户界面设计、a j a x 技术、富客户 端技术等。本文第4 章的内容是在n e t 框架下采用基于事件的异步模式设计方法 实现具有异步功能的应用程序，达到提升用户体验的目的。而第5 章通过在n e t 中引入v b a 技术，实现具有特定功能的w o r d 文档，并研究在w e b 系统服务器 端对w o r d 文档中的信息进行自动抽取的技术，方便用户使用，简化用户操作， 提升用户体验。 1 4 本文研究主要内容 本文是以为某高校开发的“自主创新研究基金项目管理系统“为背景，对 系统软件性能和程序结构等方面进行针对性研究。本研究旨在通过几种w e b 技 术的应用，有效提升w e b 系统性能，为当前w e b 系统的构建提供参考依据，具 有一定的实用价值和现实意义。 主要研究内容归纳如下： 1 ) 了解国内外w e b 技术的研究现状，学习w 曲系统开发的最新技术，深 入分析当前w e b 信息系统开发中普遍存在的问题，特别是w e b 系统性能方面的 问题，提出相应的解决方法。 2 ) 学习w 曲服务器负载均衡基本原理和方法，深入研究基于软件实现方式 的服务器负载均衡技术，引入m s c s 群集管理思想【2 1 1 ，增强w e b 服务器并发能 力，提升系统性能。 3 ) 研究n e tf r a m e w o r k4 对并行编程技术的支持，利用任务分割法一将 一个复杂的任务分成n 个小任务，在多核多线程级对系统进行性能优化处理。 4 ) 研究基于事件的异步模式设计方法，通过该方法实现异步调用，改善程 序性能，提升用户体验。 6 武汉理j 1 ：入学硕士学位论文 5 ) 学习v b a 编程技术，根据系统功能需求，研究并开发具有辅助用户填 写，方便用户使用的“申请书”( 实际上是w o r d 文档模板) ，并进一步研究如何 在w e b 系统服务器端自动提取w o r d 文档中相关信息的方法，为“自主创新研 究基金项目管理系统”的后续开发做好技术研究和准备工作。 1 5 本文的组织结构 本论文总共六大章，可以分为四个部分： 第一部分为第l 章的内容，即本文绪论，主要介绍本课题的研究背景和意 义，阐述研究本课题的原因，简要分析与本课题相关的国内外研究现状，对本 文研究的技术进行了说明，并在最后给出了本文的主要工作内容和论文的组织 结构。 第二部分包括第2 、3 、4 、5 章。主要对w e b 信息系统中的几个关键技术分 别进行了研究。包括以下几个方面： 1 ) 增强并发性能一学习w e b 服务器负载均衡基本原理和方法，深入研究 基于软件实现方式的服务器负载均衡技术，介绍m s c s 群集服务的相关内容， 并通过引入m s c s 群集管理思想提升服务器并发性能。最后通过实验数据来验 证服务器的并发性能得到了相应的提升。 2 ) 改善程序结构使用并行编程技术，并通过实验数据来验证程序性能 得到了改善。 3 ) 提升用户体验通过提出了一种基于事件的异步模式来实现异步调 用，达到提升用户体验的目的。 4 ) 方便用户使用研究并开发一种具有自动检验功能的结构化信息申报 书模板，并进一步研究在w e b 服务器端自动解析和提取w o r d 文档信息的技术。 第三部分为第6 章的内容，主要是对研究成果进行总结，对系统的待改进 之处进行分析和总结，并指出了以后的研究方向，为“自主创新研究基金项目 管理系统”的后续开发工作做技术准备。 武汉理1 ：人学硕士学位论文 第2 章提升系统并发性能使用基于软件实现 方式的系统群集提升w e b 服务器性能 上一章对本文的研究背景，国内外研究现状等问题进行了阐述，本章的主要 内容是：使用基于软件实现方式的群集技术提升系统并发性能。本章以“自主 创新研究基金项目管理系统”为实例，通过对比改进前后系统并发性能的变化， 说明本章方法对提升系统并发能力的作用。在原有系统中，系统的架构设计和 网络拓扑结构都存在一些不足，特别是当系统的并发用户数较多，系统进入访 问高峰时期时，系统处理用户请求的能力一定会受到很大影响。本章深入研究 和剖析原系统的特点和原系统结构中存在的问题，改善系统的架构设计和网络 拓扑结构，详细介绍优化系统所使用到的技术和方法，最后通过实验数据来说 明该方法的方案的可行性以及优化效果。 2 1 优化前的系统构架 2 1 1 原有系统网络拓扑结构 w e b 系统是一种支持网络上相互协作的机器到机器交互作用的软件系鲥2 2 1 。它 是一种分层次的结构，由不同协议栈【2 3 】来支撑的。目前大部分的w e b 系统都是 三层应用模式，即由客户端的浏览器、w e b 服务器、数据库服务器组成。基于 w e b 的三层模式具有以下特点：降低了客户端的维护工作，增强了数据访问的 安全控制能力，专用的服务器提供了附加的安全功能等等。从网络技术与处理 器、内存生产技术的发展对比来看，网络带宽的增长远高于处理器速度和内存 访问速度的增长，因此，相对于网络因素，w e b 服务器端本身越来越有可能成 为网络服务质量的瓶颈【2 4 】。在原有自主创新研究基金项目管理系统的实现方案 中，我们采用的是使用两台服务器，一台配置为w e b 服务器，专门用于处理客 户端传来的h t t p 请求和一些与系统业务相关的逻辑事务处理。另外一台配置 为数据库服务器，用于存储系统中的所有数据，包括字段数据、上传的文件、 图片等等。原系统的网络拓扑结构如图2 1 所示： 武汉理j ：大学硕士学位论文 用尸 图2 1 原系统的网络拓扑结构 在原系统实现方案中，w e b 服务器和数据库( d a t a b a s e ) 服务器分别为两台 不同的计算机。与使用同一台计算机同时作为w e b 服务器和数据库服务器相比， w e b 服务器与数据库服务器的分离能够使得w e b 服务器和数据库服务器完全负 责各自的功能，均衡业务逻辑和数据访问的负载，在提升w e b 服务器性能的同 时也使得数据库对外部网络是不可见的，增强了数据库的安全性。w e b 服务器 在收到客户端用户的服务请求后，经过w e b 服务器业务逻辑处理程序，再向数 据库服务器发送连接请求，执行相应的数据操纵操作。 2 1 2 原有系统框架 在原有自主创新研究基金管理系统的实现方案中，服务器端的系统框架如 图2 2 ： 嚣即r e 棼, m s t 。 厂囝、 豫岫s t 。 厂臼、 r l 豫t 粼 掣c h a 棚e 即g r a 乡 l 鸷t 珏l 瓢 潍钕嘴嬲 图2 - 2 原有系统框架结构图 2 1 3 原有系统框架设计存在的问题 在原有的系统方案设计中，影响系统性能的因素有以下两点： 9 武汉理。1 ：人学硕士学位论文 第一，系统并发用户多。“自主创新研究基金项目管理系统”的使用者包括 了项目申请者( 包括教师，研究生和本科生) 、评审专家、校院两级基金管理人 员，系统使用人数较多，在项目申报阶段，系统的并发访问用户较多。 第二，系统访问量不均衡，有明显的使用高峰期。项目申报工作的几个重 要阶段都要求操作者在规定的同期内完成，很多人可能会在系统关闭前一、两 天进行操作，这样一来，很容易造成系统出现难以预料的使用高峰期，进而使 服务器承担很大的访问负荷。例如在某年的项目申报中，规定申报基金的时间 是1 0 天，而所有申请者的人数大概为5 0 0 0 人，按照最坏情况，会有接近5 0 0 0 个并发用户在最后一天同时访问w e b 服务器。对于一般的单个w e b 服务器，系 统服务器的c p u 、内存以及i o 设备等难以承担如此大的访问量。 2 2w e b 服务器负载均衡 随着家庭网络的普及，互联网用户数成几何级数的增长。为了满足众多并 发用户的服务请求，提高服务质量，w e b 服务器必须拥有处理大量并发用户请 求的能力。根据实际调查表明，目前i t 界硬件发展速度( 计算机的c p u ，内存 和输入输出设备) 远远赶不上用户对w e b 系统性能的需求，服务器的处理能力 已经成为w e b 系统开发中的一个瓶颈。此时，服务器负载均衡技术应运而生。 服务器负载均衡技术是一种有效解决网络吞吐量，增强系统并发处理能力的方 法。负载均衡是一种服务器集群技术，服务器集群是由两台或两台以上计算机 通过网络设备连接而组成的一个完整系统，在这个系统中，每台计算机都能被 看作是一个可以单独处理用户请求而无需其它计算机辅助的独立个体可以 称每个计算机为集群系统中的节点，每个节点在集群系统具有等价的地位。服 务器集群作为一个整体，可以有效地增强系统并发性能，扩展系统网络吞吐量， 提高网络服务质量。 利用负载均衡技术，w e b 集群系统将外部用户请求均匀的分配到集群中某 台服务器上，由接收到请求的计算机独立响应用户的请求。通过负载均衡，集 群中的各个服务器节点能够平均的分担所有的用户请求，并及时的响应，从而 大大减轻了单个服务器所承载的负担，有效地提高了整个w e b 系统的工作效率。 w e b 服务器负载均衡方法的实现，一般有两种方式：一种是基于硬件的方 式，即直接通过一个硬件负载均衡器( 可以是一个智能交换机或集线器) 来达 到服务器负载均衡的目的；另外一种就是基于软件实现的方式，即通过一些专 l o 武汉理上人学硕十学位论文 用软件与协议来实现。 2 2 1 基于硬件实现的服务器负载均衡技术( 负载均衡器) 目前，实现负载均衡主要是通过在网络结构中接入一个负载均衡器可 以是一个智能交换机或集线器，如图2 3 所示： 换眦胳器 l 旁占li n t e r n e t 机 口一l 啦詹 l 竹，。 e u 服，! r 面i 集 线 、w e b 嬲- m 器 图2 - 3 基于硬件实现的负载均衡系统 国外许多厂商推出了专用于平衡服务器负载的负载平衡器。这些厂商包括： h y d r a w e bl o a d m a n a g e r ，r n dn e t w o r k sw e bs e r v e rd i r e c t o r ，c i s c o ，i n t e l ，a l t e o n w e b 、c o y o t ep o i n t 、f 5n e t w o r k s 、f o u n d r yn e t w o r k s 、h y d r a w e b 以及r a d w a r e 等【2 5 1 。然而这种方式的最大缺点就是硬件成本昂贵，例如f o u n d r yn e t w o r k s 公 司一款普通的型号为s e r v e ri r o n x l ( f c s l b l 6 ) 的售价高达1 9 万人民币，而f 5 n e t w o r k s 公司一款型号为b i g 5 1 0 0 的低配置负载均衡器的售价更是高达3 3 万 人民币；其次，对服务器及应用状态的掌握，硬件负载均衡策略一般都不会以 实际系统与应用的状态为依据，而只是从网络层来判断，所以有时候系统处理 能力虽然已经不行了，但网络可能还来得及反应。 2 2 2 基于软件实现的服务器负载均衡技术 另一种实现服务器负载均衡技术的方式就是基于软件实现的方式，即在集 群系统中配置一些专用软件与协议来实现。软件负载均衡解决方案是指在一台 或多台服务器相应的操作系统上安装一个或多个附加软件来实现负载均衡，如 d n sl o a db a l a n c e ，c h e c k p o i n tf i r e w a l l 1c o n n e c t c o n t r o l 等，它的优点是基于特 定环境，配置简单，使用灵活，成本低廉，可以满足一般的负载均衡需求。这 是一种基于系统与应用的负载均衡，能够更好地根据系统与应用的状态来分配 负载，这种实现方式的性价比更高。目前，人们已经提出了许多用于实现w e b s e r v e 集群系统的负载平衡算法。无论是基于硬件的实现方式还是基于软件的实 武汉理h l 人学硕十学位论文 现方式，核心的均衡调度思想都是以这些算法为基础的。这些算法主要包括： 轮转算法( r o u n d r o b i n ) 2 6 1 和加权轮转算法m 恸曲e dr o u n d r o b i n ) 2 6 】【2 7 】、快速 反应优先算法( f a s t e rr e s p o n s e r e c e d e n c e ) 2 8 1 、最少连接优先( l e a s tc o n n e c t i o n f i r s t ) t 2 8 】和选择加权百分率算法( f i r s tt w e i g h t e dp e r c e n t a g e ) 2 引。 基于软件方式的负载均衡技术系统结构如图2 4 所示： 负 眦胳引黯能) 载 i 客户 i n t e r n e t 均 衡 w e b 服务器( 配置信息) 应 用 叫乳b 服务器。配置信息) 软 件 图2 4 基于软件实现的负载均衡系统 2 3m s c s 群集服务 2 3 1m s c s 简介 m s c s 是m i c r o s o f tc l u s t e rs e r v i c e 的英文缩写，即微软群集服务。服务器 群集是一组协同工作但能够单独提供服务的服务器【2 9 1 。群集中的某台服务器如 果因为出现故障或其他原因无法正常提供服务时，系统资源和应用程序将会根 据实际部署情况转移到群集系统中其它可用的节点上。m s c s 可以对群集中所有 服务器节点的资源和部署在上面的应用程序提供监控功能，同时还能够对故障 状态进行自动识别以及恢复。这样不仅为群集管理的工作提供了很大的灵活性， 而且还在很大程度上增强了系统的可用性。 一个w e b 系统服务器最重要的部分就是系统