基于动态反馈负载均衡算法的集群聊天服务器--需求分析与设计

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1. 概述

本项目将实现一个基于改进Nginx负载均衡算法的高并发集群聊天服务器。项目中将使用muduo网络库进行网络模块设计，基于nginx的tcp负载均衡器配置集群，基于发布-订阅的服务器中间件redis消息队列进行服务器间通信，为了进一步提升服务器并发性能，本项目将采用神经网络及遗传算法对nginx原有的负载均衡算法进行改进，以期望能够比传统的Nginx服务器表现出更好的负载均衡能力。

2. 业务概念原型

2.1 业务功能分析

根据对类似该类的调研，本系统应实现以下的业务功能：

• 用户的注册与登录
• 用户添加好友以及删除好友
• 用户创建以及删除群组
• 用户加入以及退出群组
• 用户之间的聊天，其中包括：用户发送离线消息，用户发送普通消息，用户发送群聊消息，用户接受消息，用户撤回消息等

接下来我们从以上需求描述中提取用例，判断以上动名词短语是不是用例，要看它们是否满足以下四个必要条件：

1. 是业务过程
2. 由某个参与者触发开始
3. 显式地或隐式地终止于某个参与者
4. 为某个参与者完成了有用的业务工作

根据以上四个条件，我们可以排除掉一些不是用例的需求描述：比如用户的注册与登录，这一功能是为此后的一系列业务过程服务的，不满足第四个必要条件；用户接受消息不是有某个参与者触发开始，不满足第二个条件；用户撤回消息不是终止于参与者的，不满足第三个条件。综上，我们排除掉“注册”、“登录”、“用户接受消息”和“用户撤回消息”后，剩下的需求描述全部是用例。

得到本系统的用例图如下:

2.2 业务结构分析

业务领域建模是为了让开发团队获取业务领域知识，通过对业务领域的概念进行抽象和分类，区别出类和属性以及它们之间的关系。本项目通过收集领域相关信息、小组成员头脑风暴、对相关知识进行分类等步骤，最后完成业务领域建模，UML类图如下：

2.3 数据模型设计

结合以上功能及结构分析，得到本系统的数据库表设计如下：

User表，记录系统中用户的基本信息：

字段名称	字段类型	字段说明	约束
id	INT	用户id	PRIMARY KEY、AUTO_INCREMENT
name	VARCHAR(50)	用户名	NOT NULL, UNIQUE
password	VARCHAR(50)	用户密码	NOT NULL
state	ENUM('online', 'offline')	当前登录状态	DEFAULT 'offline'

Friend表，记录用户之间的好友关系：

字段名称	字段类型	字段说明	约束
userid	INT	用户id	NOT NULL、联合主键
friendid	INT	好友id	NOT NULL、联合主键

AllGroup表，记录系统中群组的相关信息：

字段名称	字段类型	字段说明	约束
id	INT	群组id	PRIMARY KEY、AUTO_INCREMENT
groupname	VARCHAR(50)	群组名称	NOT NULL, UNIQUE
groupdesc	VARCHAR(200)	组功能描述	DEFAULT ''

GroupUser表，是AllGroup表与User表的中间表，记录用户之间的好友关系：

字段名称	字段类型	字段说明	约束
groupid	INT	组id	NOT NULL、联合主键
userid	INT	组员id	NOT NULL、联合主键
grouprole	ENUM('creator', 'normal')	组内角色	DEFAULT ‘normal’
state	ENUM('online', 'offline')	当前登录状态	DEFAULT 'offline'

OfflineMessage表，记录系统中所有的离线消息：

字段名称	字段类型	字段说明	约束
userid	INT	用户id	NOT NULL
groupid	INT	消息内容	NOT NULL

3. 软件设计方案

3.1 设计模式

本系统中用到了单例模式：
本系统的ChatController在任何时候只需要一个实例，所以应该将其设计成单例模式，具体实现如下：首先将构造函数私有化，避免外部创建ChatController实例对象，然后在类中设计一个公有的接口函数instance()，用其判断并且返回这个唯一的ChatController对象实例，UML类图如下：

3.2 项目架构

3.2.1 MVC架构

整个系统设计采用MVC架构，实现了视图层与模型层的解耦合，UML类图如下（以UserModel为例）：

3.2.1 基于发布-订阅的消息队列

当ChatServer集群部署多台服务器以后，当登录在不同服务器上的用户进行通信时，如果让各个ChatServer服务器互相之间直接建立TCP连接进行通信，相当于在服务器网络之间进行广播。这样的设计使得各个服务器之间耦合度太高，不利于系统扩展，并且会占用系统大量的socket资源，各服务器之间的带宽压力很大，不能够节省资源给更多的客户端提供服务。

本项目引入中间件消息队列，解耦各个服务器，使整个系统松耦合，提高服务器的响应能力，节省服务器的带宽资源，如下图所示：

学号：176