基于三層C/S架構(gòu)的高校業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉磊，施勇，劉慶俞

（淮南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心，安徽 淮南 232038）

基于三層C/S架構(gòu)的高校業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉磊，施勇，劉慶俞

（淮南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心，安徽 淮南 232038）

在充分調(diào)研本校教務(wù)、學(xué)工、就業(yè)等業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸管理模塊進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的基于三層C/S架構(gòu)的輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架，為研發(fā)業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸功能的支持。

高校業(yè)務(wù)信息管理；輕量級架構(gòu)；數(shù)據(jù)傳輸；C/S

1引言

作為各類業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，數(shù)據(jù)傳輸框架的性能優(yōu)劣直接決定著整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)響應(yīng)速度。本文首先針對教務(wù)、學(xué)工、就業(yè)等業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)展開調(diào)研，發(fā)現(xiàn)這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)傳輸模塊在結(jié)構(gòu)和功能方面具有一定的共性，存在將其與上層的業(yè)務(wù)邏輯處理模塊剝離的可能性。因此，本文旨在設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的輕量級的數(shù)據(jù)傳輸框架，簡化數(shù)據(jù)傳輸管理模塊，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ軇冸x，并以此研發(fā)具備穩(wěn)定高效數(shù)據(jù)傳輸能力的原型系統(tǒng)，從而為學(xué)校自主研發(fā)各類業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)提供基礎(chǔ)平臺支持。

2系統(tǒng)平臺架構(gòu)分析

目前，高校主流的業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)大多基于B/S或C/S架構(gòu)，①李云云：《淺析B/S和C/S體系結(jié)構(gòu)》，《科技之友》2011年第1期，第6-8頁。也有部分系統(tǒng)采用B/S和C/S相結(jié)合的交叉架構(gòu)。②謝偉明：《基于B/S和C/S混合架構(gòu)的教務(wù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》，《科技風(fēng)》2017年第2期，第39-40頁。候杰：《基于C/S、B/S混合模式的高校試卷管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》，《電腦知識與技術(shù)》2016年第23期，第54-55、58頁。

C/S架構(gòu)（Client/Server），是由客戶機(jī)與服務(wù)器合作完成的系統(tǒng)平臺架構(gòu)。傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)是兩層結(jié)構(gòu)，其中的表示層與功能層包括顯示邏輯和業(yè)務(wù)處理邏輯部分被放在客戶端，而數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)處理邏輯和數(shù)據(jù)庫放在服務(wù)器端。兩層C/S架構(gòu)中，在服務(wù)器和客戶機(jī)上各自運(yùn)行應(yīng)用程序，服務(wù)器主要承擔(dān)對數(shù)據(jù)庫的管理，客戶機(jī)完成業(yè)務(wù)處理和顯示功能。后來，為了使系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)更加清晰，提高系統(tǒng)和軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，又發(fā)展出三層結(jié)構(gòu)的C/S架構(gòu)，③唐玉琦等：《三層c/s模式體系結(jié)構(gòu)研究》，《科技咨詢》2009年第9期，第5頁。其中將功能層的業(yè)務(wù)處理邏輯部分轉(zhuǎn)移至服務(wù)器端，與服務(wù)器端數(shù)據(jù)層分別放在不同的服務(wù)器中，這樣能夠最大程度地適應(yīng)客戶機(jī)數(shù)目的增加和處理負(fù)荷的變動。

B/S架構(gòu)（Browser/Server）是WEB興起后的一種系統(tǒng)架構(gòu)，WEB瀏覽器作為客戶端最主要的應(yīng)用軟件。B/S架構(gòu)也是一種具有三層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)，這種架構(gòu)統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用。

由于高校業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)主要面向校園網(wǎng)用戶，所有終端都處于一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，更多是集中于業(yè)務(wù)部門的信息管理人員，網(wǎng)絡(luò)狀況相對單一，且用戶量較少，系統(tǒng)無需考慮在Internet網(wǎng)絡(luò)中為海量用戶提供服務(wù)時(shí)的服務(wù)器負(fù)載問題；為最大程度滿足用戶個(gè)性化需求并提供強(qiáng)大的交互功能，需要設(shè)計(jì)功能豐富、結(jié)構(gòu)靈活的客戶端軟件。綜上兩方面因素考慮，本文將采用C/S架構(gòu)作為輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。

3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1系統(tǒng)整體框架圖

本文首先對業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，如圖1所示，系統(tǒng)采用三層C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，在服務(wù)器端，業(yè)務(wù)處理和數(shù)據(jù)管理分別搭建在不同的服務(wù)器上，這樣做一方面可以有效降低數(shù)據(jù)庫訪問量，從而提高數(shù)據(jù)安全性；另一方面將業(yè)務(wù)處理與用戶訪問管理功能移至服務(wù)器前端能夠滿足多用戶實(shí)時(shí)訪問需求。

系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括服務(wù)器端的業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)傳輸層及客戶端的表示層與數(shù)據(jù)傳輸層，其中主要將數(shù)據(jù)傳輸層與業(yè)務(wù)層、表示層進(jìn)行分離并進(jìn)行模塊集成。本文重點(diǎn)研究的輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架主要針對數(shù)據(jù)傳輸層，具體包括服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)連接管理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、用戶身份認(rèn)證模塊及客戶端的網(wǎng)絡(luò)連接模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、用戶登錄模塊。這種數(shù)據(jù)傳輸框架主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1．輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架中的“輕”主要?dú)w功于系統(tǒng)的研發(fā)框架———Qt對于網(wǎng)絡(luò)連接管理及數(shù)據(jù)傳輸良好的性能支持。Qt框架中的Qt Network模塊包含眾多支持網(wǎng)絡(luò)編程的類，能夠?yàn)檠邪l(fā)人員提供簡便、高效、穩(wěn)定性好的網(wǎng)絡(luò)管理方式。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化封裝，使得僅通過設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)連接管理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、用戶身份認(rèn)證模塊等少數(shù)幾個(gè)功能模塊就能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)支持。

2.本框架實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸層與上層業(yè)務(wù)邏輯層的分離，保持了各層間相對獨(dú)立的松耦合狀態(tài)，使系統(tǒng)變得靈活且易維護(hù)?？蚣芡ㄓ眯詮?qiáng)，重用性高，通過設(shè)計(jì)高效且通用性強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳遞接口函數(shù)，各類業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)研發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂跇I(yè)務(wù)流程的設(shè)計(jì)研發(fā)，無需考慮底層數(shù)據(jù)的傳輸，從而提高研發(fā)效率。

3.1服務(wù)器端

3.1.1網(wǎng)絡(luò)連接管理模塊

此模塊主要功能是負(fù)責(zé)管理用戶的網(wǎng)絡(luò)連接，一方面通過采用端口監(jiān)聽機(jī)制實(shí)時(shí)監(jiān)聽用戶的連接請求，當(dāng)用戶請求連接時(shí)，該模塊負(fù)責(zé)初始化網(wǎng)絡(luò)連接環(huán)境，分配系統(tǒng)資源；另一方面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪問控制功能，通過設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)連接池控制用戶連接數(shù)量，并通過優(yōu)先級確定網(wǎng)絡(luò)連接響應(yīng)順序，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的高效管理。系統(tǒng)在初始化階段根據(jù)不同用戶身份設(shè)定網(wǎng)絡(luò)連接優(yōu)先級P_User，配置網(wǎng)絡(luò)連接池Connection_Pool并設(shè)置最大連接數(shù)量Max_ConnectionNum，設(shè)置等待連接請求等待隊(duì)列L_Wait。具體算法實(shí)現(xiàn)過程如下：

Step1.系統(tǒng)初始化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)連接端口。

Step2.若有新連接請求New_Connection，判斷Connection_Pool內(nèi)活動連接數(shù)是否超過Max_ConnectionNum。若未超過，則轉(zhuǎn)Step6；否則，執(zhí)行下一步。

Step3.將新連接的優(yōu)先級P_User_New與Connection_Pool內(nèi)活動連接的P_User_Current進(jìn)行比較。若P_User_New高于所有P_User_Current，則轉(zhuǎn)Step5；否則，執(zhí)行下一步。

Step4.將New_Connection添加至L_Wait中，并將L_Wait按照優(yōu)先級由高至低排序。

Step5.斷開P_User_Current值最小的網(wǎng)絡(luò)連接，將連接資源讓給New_Connection，并將P_User_Current添加至L_Wait中。

Step6.建立連接，分配網(wǎng)絡(luò)資源。

3.1.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

此模塊是輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架的核心模塊，主要功能是通過封包、拆包、校驗(yàn)等操作保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性，具體功能包括：一是負(fù)責(zé)接收客戶端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)的拆包、提取等處理，獲得控制信息和數(shù)據(jù)信息。二是接收業(yè)務(wù)處理模塊返回的數(shù)據(jù)結(jié)果并進(jìn)行封包處理，再發(fā)送至客戶端。

由于本文采用的是基于Qt框架的QTcpSocket實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，QTcpSocket在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以不受數(shù)據(jù)包大小限制，一次性將數(shù)據(jù)全部發(fā)出，而在接收數(shù)據(jù)時(shí)，由于受到本地?cái)?shù)據(jù)緩沖池等因素影響，無法一次性接收所有數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行多次接收。根據(jù)QTcpSocket的上述特點(diǎn)，本文通過在源數(shù)據(jù)的頭部添加數(shù)據(jù)長度信息Length，以及在數(shù)據(jù)包尾部添加結(jié)束符Check_bit來對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下：

“Lenght::長度值;源數(shù)據(jù);Check_bit”

由于數(shù)據(jù)發(fā)送過程較簡單，其發(fā)送算法不做贅述。這里，僅對數(shù)據(jù)接收算法進(jìn)行分析，具體算法實(shí)現(xiàn)過程如下：

Step1.接收第一個(gè)數(shù)據(jù)包，讀取本次接收數(shù)據(jù)的總長度值Length_Total，并記錄當(dāng)前接收數(shù)據(jù)總長度值Length_Current。

Step2.繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)Length_Current，判斷數(shù)據(jù)是否包含Check_bit。若未包含，則繼續(xù)執(zhí)行Step2；否則，執(zhí)行下一步。

Step3.判斷數(shù)據(jù)是否接受完整。若Length_Current=Length_Total,則轉(zhuǎn)Step5；否則，執(zhí)行下一步。

Step4.丟棄此次接受的數(shù)據(jù)，并發(fā)送錯(cuò)誤信息；Step5.對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行拼包處理，提取源數(shù)據(jù)。源數(shù)據(jù)中由控制信息和數(shù)據(jù)信息兩部分構(gòu)成。其中控制信息分為身份認(rèn)證信息和業(yè)務(wù)處理信息兩類，若是身份認(rèn)證信息，則通過用戶身份認(rèn)證模塊進(jìn)行身份認(rèn)證；若是業(yè)務(wù)處理信息，則根據(jù)其具體類型將數(shù)據(jù)信息提交給業(yè)務(wù)層對應(yīng)的業(yè)務(wù)處理模塊進(jìn)行處理。

3.1.3用戶身份認(rèn)證模塊

此模塊主要負(fù)責(zé)對用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證。傳統(tǒng)C/ S架構(gòu)中，一般會將此模塊歸于業(yè)務(wù)層中，本文之所以將其移至數(shù)據(jù)傳輸層，作為數(shù)據(jù)傳輸框架的一部分，主要是為了在業(yè)務(wù)服務(wù)器前端屏蔽掉不必要的網(wǎng)絡(luò)連接，從而降低業(yè)務(wù)服務(wù)器運(yùn)行壓力，以保證業(yè)務(wù)服務(wù)器能夠?qū)Ｗ⒂跇I(yè)務(wù)邏輯的處理。

當(dāng)新的網(wǎng)絡(luò)連接請求到來時(shí)，用戶身份認(rèn)證模塊首先提取用戶身份信息，若通過認(rèn)證則保持連接，將控制權(quán)交給業(yè)務(wù)層，等待用戶的業(yè)務(wù)處理請求；若未通過認(rèn)證則反饋客戶端并斷開連接。為了能在數(shù)據(jù)傳輸層完成用戶的身份認(rèn)證，此模塊需要從數(shù)據(jù)庫中拷貝一份用戶信息，當(dāng)數(shù)據(jù)庫中的用戶身份信息發(fā)生更改時(shí)，同步更新拷貝數(shù)據(jù)。

3.2客戶端

3.2.1網(wǎng)絡(luò)連接模塊

此模塊主要負(fù)責(zé)管理客戶端自身的網(wǎng)絡(luò)連接，包括發(fā)送網(wǎng)絡(luò)連接請求、監(jiān)聽連接狀態(tài)以及斷網(wǎng)重連等功能?？蛻舳塑浖谶\(yùn)行起始階段會完成此模塊的加載，初始化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，并分配網(wǎng)絡(luò)資源。模塊在加載完成后，通過網(wǎng)絡(luò)嗅探功能，用戶可以搜索到局域網(wǎng)內(nèi)的其他網(wǎng)絡(luò)主機(jī)信息，通過選定其中條目進(jìn)行連接，也可以通過指定Ip地址和Port端口遠(yuǎn)程連接到服務(wù)器。

3.2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

此模塊也是輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架的核心模塊，主要負(fù)責(zé)客戶端的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理，具體實(shí)現(xiàn)算法與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)傳輸模塊類似。此模塊會管理一塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)暫存從服務(wù)器端接收的數(shù)據(jù)，由于緩沖區(qū)容量較小，因此當(dāng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)量較大時(shí)需要進(jìn)行多次接收，并通過對數(shù)據(jù)的拆包，以及對長度信息和結(jié)束符的校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)的完整性。如果數(shù)據(jù)校驗(yàn)失敗，則自動向服務(wù)器端發(fā)送重發(fā)請求，并反饋用戶錯(cuò)誤信息。

3.2.3用戶登錄模塊

此模塊主要負(fù)責(zé)客戶端用戶的身份信息管理和系統(tǒng)登錄操作，包括新用戶注冊、用戶登錄兩方面功能。用戶在進(jìn)行身份驗(yàn)證過程中，模塊會暫時(shí)占用數(shù)據(jù)傳輸接口資源，此時(shí)用戶無法進(jìn)行業(yè)務(wù)操作；當(dāng)完成驗(yàn)證以后，此模塊會釋放數(shù)據(jù)傳輸接口的控制權(quán)，移交給上層模塊使用。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文以輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架為基礎(chǔ)，根據(jù)本校網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維業(yè)務(wù)需求，研發(fā)出一套網(wǎng)絡(luò)信息運(yùn)維管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理人員提供運(yùn)維信息的存檔、統(tǒng)計(jì)、查詢等功能，并以數(shù)據(jù)可視化手段予以展示。系統(tǒng)由服務(wù)器端軟件和客戶端軟件兩部分構(gòu)成，運(yùn)行界面如圖2、3所示，系統(tǒng)以Qt作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，運(yùn)用其提供的網(wǎng)絡(luò)管理類中豐富的網(wǎng)絡(luò)連接及管理函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸框架，并通過設(shè)計(jì)功能完備的中間接口函數(shù)為上層模塊提供支持，成功將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸層與業(yè)務(wù)邏輯層的進(jìn)行了分離，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各模塊間的獨(dú)立，研發(fā)人員在業(yè)務(wù)邏輯層僅需考慮業(yè)務(wù)信息的處理，無需關(guān)心網(wǎng)絡(luò)層具體的數(shù)據(jù)傳輸控制，提高了系統(tǒng)的研發(fā)效率。

圖2服務(wù)器端運(yùn)行界面

圖3客戶端運(yùn)行界面

圖4系統(tǒng)性能圖

由于本系統(tǒng)屬于小型業(yè)務(wù)系統(tǒng)，主要面向部門內(nèi)部管理人員，用戶數(shù)相對較少，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量不多，業(yè)務(wù)服務(wù)器運(yùn)行壓力較小，因此本系統(tǒng)暫將數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與業(yè)務(wù)服務(wù)器搭建在一臺物理服務(wù)器上。我們重點(diǎn)對系統(tǒng)（主要針對客戶端）的響應(yīng)速度和發(fā)送數(shù)據(jù)包成功率進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖4所示，在服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)量相同情況下，通過對比不同并發(fā)訪問人數(shù)的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)并發(fā)用戶人數(shù)小于10人時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變化不大，系統(tǒng)響應(yīng)速度普遍較快，且數(shù)據(jù)包發(fā)送成功占比較高；當(dāng)超過20人時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間增長較快，系統(tǒng)響應(yīng)速度相對較慢，且數(shù)據(jù)包發(fā)送丟失占比也會相對增大。因此，就目前結(jié)果而言，本文設(shè)計(jì)的輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架能夠滿足一定的業(yè)務(wù)需求，但對于大量用戶并發(fā)操作的支持還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

5結(jié)語

本文通過對本校在用的各類業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)的深入研究，設(shè)計(jì)出以三層C/S架構(gòu)為基礎(chǔ)的輕量級數(shù)據(jù)傳輸框架，成功將網(wǎng)絡(luò)連接管理與數(shù)據(jù)傳輸功能從業(yè)務(wù)系統(tǒng)中剝離出來并進(jìn)行了模塊集成。本框架不僅能保證系統(tǒng)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和快速響應(yīng)，而且能夠?yàn)楦咝Ｗ灾餮邪l(fā)各類業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_支持。然而，由于各類業(yè)務(wù)的處理流程存在著差異，本框架在對業(yè)務(wù)邏輯層提供支持時(shí)需要進(jìn)行功能上的完善，同時(shí)需要優(yōu)化針對大量用戶的并發(fā)響應(yīng)。因此，怎樣設(shè)計(jì)通用性更強(qiáng)、模塊化更高以及并發(fā)處理更優(yōu)的中間接口將是后續(xù)工作重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

Design and implementation of lightweight data transmission framework based on C/S architecture for university business information management system

LIU Lei,SHI Yong,LIU Qingyu

Based on the full research of our school's educational administration,student administration, employment administration,and other business information management system,this paper centers on the data transmission management module of each business system,and designs an independent lightweight data transmission framework based on three layer C/S architecture,to provide the basic data transfer function support for the research and development of business information management system for different business backgrounds.

information management of university business;lightweight architecture;data transmission; C/S

TP311.5

A

1009-9530（2017）03-0088-04

2017-01-13

劉磊（1987-），男，淮南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心助理工程師。