基于学生评教小程序的Web服务端研究与设计.pdf

Computer Era No.10 20230 引言无论是哪一种小程序，基本的用户验证、业务加载、流程提交等数据请求，都需要Web服务端的安全验证与快速响应，因此，Web服务端的数据安全和快速响应是小程序业务的运行基础。传统的互联网服务器可以使用内网方式进行数据通信，但小程序和Web服务端之间必须使用公共域名进行数据通信或数据交换，因此小程序对 Web 服务端的数据安全和响应速度有更高的要求。本文基于实际的高校学生评教小程序项目，对小程序的Web服务端特点进行研究与分析，对Web服务端如何保持安全、高效的运行进行了讨论，结合具体评教业务流程，设计了一套符合该项目需求的Web服务端程序，该服务端程序具备一定的通用能力，包括自定义JSON序列化、自定义Token验证，也包括适合该项目特点的课表数据缓存与同步更新机制。1 小程序Web服务端的研究综述互联网的各种应用均离不开Web服务端的支持，传统Web服务端的基本功能应包括用户身份认证、数据交互、数据安全、数据缓存等，小程序的Web服务端不仅要包含以上功能，还应在这些功能上追求更高的性能和效率，才能应对和满足小程序的轻量、便捷、高效等特点与要求。很多学者对此展开了研究与讨论，并取得了一定的研究成果。DOI:10.16644/33-1094/tp.2023.10.027基于学生评教小程序的Web服务端研究与设计*杨亚仿，林政艺(广西中医药大学，广西 南宁 530200)摘要：小程序的数据加载与业务流程运行需要Web服务端的安全验证与快速响应。基于高校学生评教小程序的应用，结合具体的评教业务流程，对小程序的Web服务端特点进行了研究与分析，重点对Web服务端如何保持安全、高效的运行进行了研究与设计，具体包括自定义JSON序列化、自定义Token以及评教数据的缓存和同步机制等功能。该研究对Web服务端的设计与应用有一定的参考价值。关键词：Web服务端；JSON序列化；自定义Token；数据缓存中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1006-8228(2023)10-132-05Research and design of web server based on student evaluation appletYang Yafang,Lin Zhengyi（Gangxi University of Chinese Medicine,Nanning,Gangxi 530200,China）Abstract：The data loading and business process operation of applets require secure verification and fast response from the webserver.Based on the application of college student evaluation applet,combined with the specific teaching evaluation business,thecharacteristics of the web server side of the applet are researched and analyzed.The focus is on the research and design of howto maintain safe and efficient operation of the web server,including custom JSON serialization,custom Token,and the caching andsynchronization mechanism of teaching evaluation data.It has certain reference value for the design and application of web servers.Key words：web server;JSON serialization;custom Token;data cache收稿日期：2023-06-12*基金项目：广西中医药大学2021年度校级教育教学改革与研究项目“大数据技术驱动下高校学生评教改革研究”（2021A001）作者简介：杨亚仿（1984-），男，湖北天门人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：信息系统研发、校园网络管理。通讯作者：林政艺(1998-)，男，广西南宁人，本科学士，助理工程师，主要研究方向：信息系统应用与研究、网络安全。132计算机时代 2023年 第10期周虎通过对比传统Cookie/Session身份验证机制的不足，提出了一种基于 JWT 认证过程中动态刷新Token的方法，并在Web开发中进行了实践应用1。李毓丽等自定义了一套Token校验机制并利用Swoole下的WebSocket接口实现了消息通知功能2。邹军国在轻量级微服务架构思想指导下按照Token身份认证原理提出了高校实训互动平台的身份认证解决方案3。徐冉通过研究微服务架构，使用消息中间件与高性能缓存，研究实现了秒杀系统的Web服务端设计4。张欣将知识图谱引入小程序，面向学生个性化学习设计了认知诊断、个人知识图谱和课程推荐等功能，实现了基于微信小程序的教育知识图谱个性化学习平台5。饶煜等分析了在线学习系统的需求，在Web服务端设计了文件上传、题库和考试管理、统计分析等功能，完成了基于微信平台的在线学习系统的设计与实现6。贾欧等通过使用缓存技术，对用户需要查阅的数据进行预读取，提前在数据库中查询出符合条件的数据存入缓存中，减少数据库的访问次数，优化了电能质量智能信息系统，提高了 Web 应用系统的性能7。翁美珍等在多媒体会议系统的研究中，设计实现了基于LRU替换策略的缓存系统，有效提高了缓存系统的字节命中率，同时将Memcached技术应用于Hibernate框架中实现了数据库数据缓存，提高了访问吞吐量和服务响应速度8。综上所述，基于Web服务端的信息系统在各行各业中发挥着举足轻重的作用，Web服务端通过Token机制能有效标识用户身份，通过缓存技术能有效提高信息系统的响应速度。2 学生评教小程序Web服务端功能分析本文中的学生评教小程序来自于实际的教育教学改革与研究课题，基本的功能要求是每个学生正常登录后可以针对教师已讲授的所有课程做出实时的教学评价，具体需求有：身份验证，学生须用学号登录；学生以移动端方式（如手机、平板）评教为主，以课表为单位进行评教，课表数据来自于教务系统；数据传输过程中应采用有效的安全检测方法，防止数据恶意请求及数据泄漏；Web服务端须高效稳定运行，能实时响应学校近数千名学生的评教数据请求；评教界面应操作简单。针对以上需求，本文的Web服务端采取如下方式进行设计：系统结构方面采取经典的三层模式架构应对评教业务功能，即业务逻辑层、数据访问层和实体层。该架构最大的优势是各层之间的结构清晰、易于扩展和逻辑复用，如未来可在同一系统架构下较为方便的增加同行评教、督导评教等功能。采取自定义JSON序列化方式传输数据。小程序与Web服务端之间的数据传输须使用标准JSON格式，本文提出了一种自定义JSON序列化的方式，能实现定制化输出，在一定程度上提高了对象序列化为JSON字符串的效率，提升了系统性能。采取自定义Token方式对用户身份和数据请求进行安全验证，防范数据恶意请求及数据泄漏。采取数据缓存的方式将课表数据加载到内存中，提高数据查找效率，根据不同数据的特点分别采取特定时间间隔进行同步更新，保持数据一致。评教界面以课表为单位，最近七天需要评教的课表采取列表方式，让学生一次选择后即可打开评教页面进行内容填写，其他需评教的课表采取列表和表格两种方式进行选择。3 学生评教小程序Web服务端设计3.1 自定义JSON序列化Newtonsoft.Json、JavaScriptSerializer 等现有组件提供了较为通用的JSON序列化方法，使用起来也比较简单，但还不够灵活，较难实现定制化输出，如根据实体中的多个属性值进行逻辑判断后输出不同的JSON字符串、组合多个实体的属性值输出JSON字符串等，现有组件面对此种特殊需求较难实现。根据面向对象编程的基本思想，哪里出现变化就封装哪里，即封装变化点，软件设计的关键是能将变化点抽象提炼出来。通过对本文的Web服务端功能进行分析，学生、课表等各实体对象在进行JSON序列化过程中可能出现较大变化，因此将该JSON序列化过程封装在特定接口中，具体如下：public interface IJsonstring ToJson();其他实体类须继承实现该接口的ToJson方法来实JSON序列化的定制输出，如学生用户User类继承了IJson接口，并实现了ToJson方法，实现了level属性的格式化定制输出，具体如下：public class User:IJson133Computer Era No.10 2023/此处省略其他属性的定义public string level get;set;public string ToJson()string json=String.Format(id:0,name:1,pw:2,group:3,+department:4,email:5,level:6,id,name,pw,group,department,email,LevelFormat();return json;private string LevelFormat()if(level=1)return 系统管理员;else if(level=2)return 督导秘书;else if(level=2)return 部门领导;else if(level=2)return 督导;elsereturn 学生;其他实体类实现 IJson 接口的过程与上类似，如图1所示。图1Web服务端的实体类设计3.2 自定义TokenToken 的使用在一定程度上提高了数据的安全性，在 Token认证体系下，小程序通过用户身份验证后，接下来与Web服务端的数据交互内容均由正常的业务数据+Token内容两部分组成，其中Token内容用于验证数据请求的有效性。标准 Token 内容包括Header，Payload，Signature，其中Payload存储着主要的数据内容，包括用户Id，TokenId，颁发时时间和过期时间等，在实际业务中也可根据需要包括其他自定义内容，此举固然安全，但标准Token的内容较多，增加了开销，此外，Token过期后，用户需要重新进行用户名密码验证，降低了用户体验。为了减少小程序与Web服务端的数据传输开销，本文基于标准Token，自定义了Token内容，使用Guid（128位，用32个十六进制数表示）作为TokenId，小程序与 Web 服务端之间的数据传输仅加上该 TokenId（32位字符串）用于标识验证用户，TokenId的颁发时间和有效期验证转移到Web服务端处理。标准Token和本文自定义 Token 两种情况下的数据传输对比如图2所示。图2标准Token与自定义Token数据传输对比图3Token类和TokenBll类设计Web 服务端对 Token 的处理主要由 Token 类和TokenBll类完成，具体设计如图3所示。Token类的成员以数据属性为主，如表1所示。表1Token类属性名属性名AddDateTokenIdUserId类型类型DateTimestringstring说明说明Token的颁发时间32位16进制数表示的Guid用户标识，对应数据库中的用户IdToken类在构造函数中实现了TokenId的自动生成，具体代码如下：public Token(string userId)TokenId=Guid.NewGuid().ToString(N);/32位TokenId134计算机时代 2023年 第10期UserId=userId;AddDate=DateTime.Now;TokenBll类包括属性成员和方法成员两种，最重要的属性是Toekens字典集合，其存储了所有的Token集合，其他属性和方法均围绕该字典集合展开相应的增加与更新操作，主要说明如表2所示。表2TokenBll类成员名成员名LockObjTokenExpireMinuteTokensTokenAddTokenUpdateTokenCheckTokenCheckUser成员类型成员类型属性属性属性私有方法私有方法公开方法公开方法说明说明object类型，作为锁变量，用于多线程并发时使得Tokens集合的写入或更新保持一致double类型，Token有效时间，默认为60分钟字典集合类型，存储所有Token集合在Tokens对象中添加新的Token在Tokens对象中移除过期Token，颁发新的Token多用于业务数据传输，根据 TokenId 验证 Token是否有效，如TokenId不存在则返回假，如过期则调用TokenUpdate方法更新用于用户密码验证成功后，根据userId检查TokenId是否存在，如存在则调用TokenUpdate方法更新，如不存在则调用TokenAdd方法添加新的Token私有方法 TokenAdd 和 TokenUpdate 在实际使用过程中需同时处理多个客户端的并发请求，即需实现多线程环境下对共享数据Tokens字典集合的同步与互斥操作，本文结合Lock锁和LockObj对象，实现了对该共享资源的控制，具体实现过程如下：private static string TokenAdd(string userId)lock(LockObj)Token t=new Token(userId);Tokens.Add(t.TokenID,t);return t.TokenID;private static string TokenUpdate(string userId,stringoldTokenId)lock(LockObj)Tokens.Remove(oldTokenId);Token t=new Token(userId);/给userId颁发新的TokenTokens.Add(t.TokenID,t);return t.TokenID;3.3 数据缓存传统模式下，小程序的数据交互由小程序端向Web服务端发出数据请求，Web服务端向数据库提交SQL命令取得返回结果，再向小程序端发出数据响应，该模式经过Web服务端与数据库两次数据响应，当用户并发数较多时，对整个程序的性能会有一定影响。本文采用了数据缓存模式下的数据交互方式，Web服务端将数据库中的数据提前读取到数据缓存中，当收到小程序端的数据请求时，从数据缓存中查询数据进行数据响应，因内存查询的速度远高于数据库的查询速度，从而提高了数据响应能力。传统模式和数据缓存模式下的数据交互对比如图4所示。图4传统模式与数据缓存模式下的数据交互对比数据缓存的关键在于选择哪些数据进行缓存，缓存的数据何时更新同步。缓存的数据应该较少变化，或者是呈现有规律的变化，如果数据经常变化，数据同步的代价太高，那就失去了缓存的意义。通过对学生评教小程序的业务进行分析，需要交互的评教数据及其特点如下：学生登录数据，包括学号、密码等，因为用户会随时修改密码，所以一般不做缓存处理。课表数据，包括学号、课程名、教师、上课的教室、上课的时间等。课表数据属于数据交互最集中的数据，学期课表正式公布后，一般不会调整，如果需要调整，也要提前一到二天，属于有周期变化规律的数据，可做缓存，每天定时进行数据同步。教师列表总数据，可能会单独请求该数据，教师列表总数据在学期中途较少有变化，可做缓存，可从最新的课表数据中同步更新。教室列表总数据，可能会单独请求该数据，教室列表数据是本系统中最少变化的数据，可做缓存，可从最新的课表数据中同步更新。以上评教数据中，数据交互最频繁的是课表数据，下面以课表数据为例简述其数据缓存和数据同步的实现过程，关键代码如下：public class TimeTableBufferpublic static List ListTimeTable=new List();/缓存变量135Computer Era No.10 2023public static object ObjBuffer=new object();/锁变量private static Timer _timer;/定时器private static DateTime _lastTime;/记录缓存变量上次的同步时间public static void Init()_timer=new Timer(30*60*1000);/设置定时器的时间间隔为半小时_timer.Enabled=false;_timer.Elapsed+=TimeElapse;/到达时间的执行事件_timer.AutoReset=true;/设置一直执行_lastTime=DateTime.Now;TimeTableInit();public static void TimeElapse(object source,ElapsedEventArgs e)var ts=DateTime.Now-_lastTime;if(DateTime.Now.Hour5&DateTime.Now.Hour1)|ts.TotalHours20)return;/每天1点到5点间执行1次，同时防止1点到5点间重复执行_lastTime=DateTime.Now;/记录本次同步时间lock(ObjBuffer)ListTimeTable=TimeTableDAL.GetTimeTable();/定时同步更新课表数据 public static void TimeTableInit()/程序初始化时从数据库取得当前学期课表数据 ListTimeTable=TimeTableDAL.GetTimeTable();4 结束语本文基于实际的高校学生评教小程序项目，研究了小程序Web服务端的实现要点，通过自定义JSON序列化，实现了小程序端与Web服务端的数据传输，通过自定义Token完成了数据请求的安全验证，通过数据缓存提高了Web服务端的响应能力，在实际应用中有效提高了小程序 Web 服务端的处理能力，具有一定的参考价值。参考文献(References):1 周虎.一种基于JWT认证token刷新机制研究J.软件工程,2019,22(12):18-20.2 李毓丽,陈泰宏.基于自定义token消息通知系统的设计与实现J.电脑知识与技术,2020,16(20):84-86.3 邹军国.基于Token的身份认证在高校实训互动平台中的应用研究J.无线互联科技,2018(17):7-9,14.4 徐冉.基于微服务架构的秒杀系统服务端设计与实现D.南京:东南大学,2020.5 张欣.基于知识图谱的个性化学习微信小程序设计与开发D.武汉:华中师范大学,2022.6 饶煜.基于微信平台的在线学习系统的设计与实现D.厦门:厦门大学,2019.7 贾欧.Web 应用系统的性能研究D.保定:华北电力大学,2013.8 翁美珍.Web服务中缓存机制的研究与实现D.北京:北京邮电大学,2014.上海:华东师范大学,2022.8 陈艳姣,朱笑天,于永瑞,等.区块链闪电网络实证分析:拓扑、发展和收费策略J.软件学报,2022,33(10):3858-3873.9 蒋心健.以太坊 ERC721 代币游戏中的用户行为分析D.南京:东南大学,2021.10 阮神裕.论NFT数字资产的财产权益:以权利束为视角J.浙江社会科学,2023(03):55-63,158.11 SHARMA R.Decentralized finance(DeFi)definitionEB/OL.(2022-02-14)2022-05-03.https:/www.investo- BejaouiAzza,FrikhaWajdi,Jeribi Ahmed,et al.Connect-edness between emerging stock markets,gold,cryp-tocurrencies,DeFiandNFT:Somenewevidencefrom wavelet analysisJ.Physica A:Statistical Mechan-ics and its Applications,2023,619.13 阮神裕.区块链数字资产的财产意涵J.中国人民大学学报,2023,37(2):144-156.14 Yingxue Z,Tong L,XinyuW.The Digital EconomyRevolution in China Brought About by the Empow-ered Designers of MetaverseC/中国编辑学会出版综合编辑专业委员会.Proceedings of the 2nd Interna-tional Conference on Communication,Innovation andEconomic Management.MASONPUBLISHGROUP,2021:219-231.15 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