周春華

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東　廣州　510610）

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系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可靠性分析

周春華

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東廣州510610）

摘要：近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,數(shù)據(jù)庫技術(shù)取得了迅速的發(fā)展,其可靠性也引起了人們越來越多的關(guān)注。首先,簡單地介紹了數(shù)據(jù)庫技術(shù)；然后,對導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫失效的主要原因進(jìn)行了歸納總結(jié)；其次,對數(shù)據(jù)庫的可靠性進(jìn)行了分析,通過分析發(fā)現(xiàn),將并聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想融入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)中，可以大大地提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的可靠性；最后,對提高系統(tǒng)建設(shè)中數(shù)據(jù)庫的可靠性的常見方法和技術(shù)進(jìn)行了闡述和分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫；失效原因；可靠性分析；設(shè)計(jì)技術(shù)

0　引言

在現(xiàn)今的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,涉及到數(shù)據(jù)的存儲和管理時(shí)基本上都使用到了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),特別是大中型和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng),都是以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)的,因而數(shù)據(jù)庫的可靠性是系統(tǒng)運(yùn)行可靠、正常對外提供服務(wù)的基礎(chǔ)性決定因素。

1　數(shù)據(jù)庫技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需要, 20世紀(jì)60年代末至70年代初出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫技術(shù),其目的主要是為了有效地組織與存儲計(jì)算機(jī)信息處理過程中的大量的數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中減少數(shù)據(jù)存儲冗余、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和保障數(shù)據(jù)安全,以及高效地檢索和處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要經(jīng)歷了層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和以面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型為主要特征的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)幾個(gè)階段[1]。近年來,云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展,非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（NoSQL: Not Only SQL）取得了迅速的發(fā)展,成為了極其熱門的新領(lǐng)域。

典型的應(yīng)用系統(tǒng)模型如圖1所示:

圖1　典型的應(yīng)用系統(tǒng)模型

典型的應(yīng)用系統(tǒng)由應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和磁盤存儲單元組成,通過網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。其中,跟數(shù)據(jù)庫有關(guān)的是數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和磁盤存儲單元,數(shù)據(jù)訪問層主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)表的查詢（Select）、插入（Insert）、更新（Update）和刪除（Delete）等操作；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器一般由一臺或多臺計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件共同構(gòu)成,為上層應(yīng)用提供操作訪問的服務(wù)；磁盤存儲單元是數(shù)據(jù)的實(shí)際物理存儲位置,部分系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)服務(wù)器的硬盤,一般設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)采用磁盤存儲陣列。

2　數(shù)據(jù)庫的可靠性分析

數(shù)據(jù)庫的可靠性是指在規(guī)定的時(shí)間和條件下,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完成規(guī)定的數(shù)據(jù)存儲與管理的能力。根據(jù)圖1中應(yīng)用系統(tǒng)的3個(gè)層次,可以將引起數(shù)據(jù)庫失效的主要因素劃分為3類,分別是: 1）應(yīng)用失效,主要由于應(yīng)用程序設(shè)計(jì)存在缺陷,在操作過程中因缺陷暴露而引起的數(shù)據(jù)庫暫時(shí)性的錯(cuò)誤,或者是由于應(yīng)用負(fù)載超出了設(shè)計(jì)的閾值,致使數(shù)據(jù)操作失??；2）系統(tǒng)失效,指操作系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)崩潰,重新啟動(dòng)后系統(tǒng)能正常工作,此類失效會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存數(shù)據(jù)丟失,但數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不會(huì)遭到破壞；3）硬件失效,指計(jì)算機(jī)硬件發(fā)生故障,從而導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作,可能發(fā)生故障的硬件主要包括磁盤、網(wǎng)絡(luò)通信、處理器、內(nèi)存和布線等。

根據(jù)圖1,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和磁盤3個(gè)層次,每個(gè)層次既相互獨(dú)立又相互依存,形成了一個(gè)整體并為應(yīng)用提供服務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)中每一層都正常工作時(shí),數(shù)據(jù)庫才能正常工作,當(dāng)系統(tǒng)中有一層或一層以上失效時(shí),數(shù)據(jù)庫就失效,因此數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以用串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型進(jìn)行分析。串聯(lián)模型中每層內(nèi)部存在獨(dú)立失效,層與層之間存在共因失效和級聯(lián)失效。串聯(lián)模型的系統(tǒng)可靠性框圖如圖2所示[2]。

圖2　串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型

在串聯(lián)模型中,設(shè)各層的可靠度分別為r1, r2, …, rn,串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為Rs,則串聯(lián)系統(tǒng)級聯(lián)失效可靠度為:

由上式可知,系統(tǒng)的可靠性是各層模塊的可靠性的乘積。因此,想要提高系統(tǒng)的整體可靠度,就必須提高每層模塊的可靠度。串聯(lián)模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的脆弱性,主要表現(xiàn)為當(dāng)其中一層模塊失效時(shí),整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)失效。但是由于其建設(shè)成本較低,因而仍在被大多中小型可靠性要求不高的系統(tǒng)使用。與串聯(lián)模型相對應(yīng)的是并聯(lián)模型,其特點(diǎn)是系統(tǒng)中只要有一個(gè)模塊正常工作,系統(tǒng)就能正常工作,只有當(dāng)全部模塊均失效時(shí),系統(tǒng)才會(huì)失效。并聯(lián)模型可靠性框圖如圖3所示:

圖3　并聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型

設(shè)系統(tǒng)各模塊的失效率（不可靠度）分別為f1, f2,…, fn,并聯(lián)系統(tǒng)的失效率為Fs,則并聯(lián)系統(tǒng)的失效率為:

并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度Rs為:

在進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)時(shí),融入并聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想可以提高系統(tǒng)的可靠性。

3　數(shù)據(jù)庫的可靠性設(shè)計(jì)

從上面的分析中可以發(fā)現(xiàn),可以通過提高各層模塊的可靠性,降低各層模塊的獨(dú)立失效率,通過并聯(lián)設(shè)計(jì)降低級聯(lián)失效率的方式來提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的整體可靠性,具體的設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括以下幾項(xiàng)。

3.1軟件設(shè)計(jì)時(shí)的容錯(cuò)和預(yù)防

a）軟件冗余

提供足夠的冗余信息和算法程序,使系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,采取補(bǔ)救措施,以提高軟件的可靠性,保證整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

b）故障-停止模塊

不斷地對自身進(jìn)行檢測,當(dāng)檢測到一個(gè)故障時(shí)就自動(dòng)停止,縮短了故障檢測的潛伏期。在軟件設(shè)計(jì)中對異常進(jìn)行捕捉,當(dāng)捕捉到影響到系統(tǒng)運(yùn)行的故障時(shí)便自動(dòng)停止。

c）進(jìn)程對

通過軟件模塊的雙工可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。具體包括了2個(gè)進(jìn)程:一個(gè)是主進(jìn)程,另一個(gè)是備份進(jìn)程。它們同時(shí)提供同樣的服務(wù),主進(jìn)程和備份進(jìn)程都是基于故障-停止模塊實(shí)現(xiàn)的。

3.2分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是分布在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)結(jié)點(diǎn)上,在邏輯上有內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)據(jù)庫集合。在物理上,數(shù)據(jù)分散存儲在不同的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上,每個(gè)子數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),擁有各自的數(shù)據(jù)庫、管理軟件、硬件和存儲單元,可以獨(dú)立地工作。在邏輯上,分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可被視為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫,對于上層應(yīng)用而言,分布式是透明的,用戶不必關(guān)心具體的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu),可以像訪問集中式數(shù)據(jù)庫一樣進(jìn)行操作。

集中式數(shù)據(jù)庫是指所有數(shù)據(jù)存儲在一臺數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器上,所有的數(shù)據(jù)處理集中在一臺計(jì)算機(jī)上完成。集中式數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或服務(wù)器硬件一旦發(fā)生失效,整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)就將無法工作,用串聯(lián)可靠性模型來解釋,就是當(dāng)ri=0時(shí),。從第2章的分析中可知,通過將串聯(lián)系統(tǒng)改造成并聯(lián)系統(tǒng),可以大大地提高系統(tǒng)的可靠性。分布式數(shù)據(jù)庫存在一定的數(shù)據(jù)冗余,同樣的數(shù)據(jù)可能分布在兩個(gè)或以上的節(jié)點(diǎn)中,任何單個(gè)節(jié)點(diǎn)上的崩潰、通信連接故障或數(shù)據(jù)出錯(cuò)都只會(huì)影響到一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn),不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效[3]。雖然應(yīng)用可能無法訪問某些數(shù)據(jù),但其他沒有發(fā)生問題的節(jié)點(diǎn)仍然可以繼續(xù)提供服務(wù),從系統(tǒng)失效和硬件失效兩方面都有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。

分布式數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)方法包括自頂向下法、自底向上法和混合設(shè)計(jì)法3種。常用的自頂向下法主要包括數(shù)據(jù)分片和數(shù)據(jù)分配。分片是指把一個(gè)全局的對象（關(guān)系或?qū)嶓w）細(xì)化,分成若干個(gè)邏輯片段；分配是指將各個(gè)分片映射到一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)[4]。分片可分為垂直分片和水平分片,垂直分片的原則是將業(yè)務(wù)緊密、表間關(guān)系密切的表劃分在一起。若垂直劃分后的數(shù)據(jù)片數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)增長速度快,則需要進(jìn)行水平分片。

3.3硬件冗余

a）集群技術(shù)

數(shù)據(jù)庫集群是指將兩臺或以上的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接起來,對外提供統(tǒng)一服務(wù)。數(shù)據(jù)庫集群可以通過多臺服務(wù)器共享存儲和每臺服務(wù)器專享存儲2種方式來實(shí)現(xiàn)。多臺服務(wù)器共享存儲架構(gòu)又分為單活和雙活,雙活即為集群中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)對外提供服務(wù),而單活為集群中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可對外提供服務(wù),集群中的其他服務(wù)器則作為冗余在“活”的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)接替該服務(wù)器對外提供服務(wù)。服務(wù)器專享存儲架構(gòu)中,集群中的節(jié)點(diǎn)會(huì)被分為主節(jié)點(diǎn)和輔助節(jié)點(diǎn),主節(jié)點(diǎn)向外提供服務(wù),輔助節(jié)點(diǎn)則作為熱備或暖備,同時(shí)有可能提供只讀的服務(wù)。輔助節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)保持同步或準(zhǔn)同步,當(dāng)搭配第三方仲裁后,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的故障轉(zhuǎn)移,從而實(shí)現(xiàn)了高可用性,輔助節(jié)點(diǎn)由于和主節(jié)點(diǎn)完全獨(dú)立且數(shù)據(jù)同步或準(zhǔn)同步,因此主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞后,可以從輔助節(jié)點(diǎn)恢復(fù)數(shù)據(jù),從而提高系統(tǒng)的可靠性。

b）磁盤陣列存儲

磁盤陣列（RAID: Redundant Arrays of Independent Disks）技術(shù)是一種把多塊獨(dú)立的物理硬盤按照不同的組織方式組合起來形成一個(gè)硬盤組,通過RAID控制器將磁盤組虛擬成一個(gè)邏輯硬盤,從而實(shí)現(xiàn)快速、并行或交叉存取。一般磁盤陣列由價(jià)格比較便宜的硬盤組成,存儲容量大,速度比單個(gè)硬盤快很多,同時(shí)可以提供數(shù)據(jù)冗余和備份功能。RAID支持自動(dòng)檢測故障硬盤、重建硬盤壞軌資料、不停機(jī)硬盤備援和不停機(jī)更換硬盤等功能,在數(shù)據(jù)遭到損壞后可以迅速恢復(fù),數(shù)據(jù)能夠極大地提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

c）SAN技術(shù)

存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN: Storage Area Network）是一種通過光纖集線器、光纖路由器和光纖交換機(jī)等連接設(shè)備將磁盤陣列、磁帶等存儲設(shè)備與相關(guān)服務(wù)器連接起來的高速專用子網(wǎng)。SAN通常由接口、連接設(shè)備和通信控制協(xié)議3個(gè)基本的組件構(gòu)成,這3個(gè)組件再加上附加的存儲設(shè)備和獨(dú)立的SAN服務(wù)器,便構(gòu)成了一個(gè)SAN系統(tǒng)。SAN提供一個(gè)專用的、高可靠性的基于光通道的存儲網(wǎng)絡(luò),且允許獨(dú)立地增加儲存設(shè)備存儲容量,從而使得管理及集中控制（特別是當(dāng)全部存儲設(shè)備都集群在一起的時(shí)候）更加簡化。而且,光纖接口之間的連線可長達(dá)10 km,這也使得遠(yuǎn)距離存儲變得更加容易。

4　結(jié)束語

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的可靠性主要體現(xiàn)在軟件和硬件兩大方面,硬件是軟件運(yùn)行的基礎(chǔ),從軟件到硬件可以看做是一個(gè)串聯(lián)的系統(tǒng)。將串聯(lián)的系統(tǒng)改造成并聯(lián)或串并結(jié)合的表決系統(tǒng)可以有效地提高數(shù)據(jù)庫的可靠性。計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速,云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)促進(jìn)了數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展,同時(shí)硬件的性能和可靠性也進(jìn)一步地提高,新技術(shù)和新硬件的采用進(jìn)一步地提高了數(shù)據(jù)庫的可靠性。

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Reliability Analysis of System Database

ZHOU Chun-hua
（CEPREI, Guangzhou 510610, China）

Abstract:In recent years, with the development and application of computer technology, database technology has made rapid development, and its reliability has attracted more and more attention. Firstly, the database technology is introduced. Next, the main causes of database failure are summarized. And then, the reliability of database is analyzed. Through the analysis, it is found that the design of parallel system can be integrated into the design of system database, which can greatly improve the reliability of the database. Finally, the common methods and techniques to improve the reliability of database in the system construction are described and analyzed.

Key words:database；failure cause；reliability analysis；design technology

作者簡介：周春華（1987-），男，廣東電白人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所標(biāo)準(zhǔn)與信息研究中心工程師，碩士，從事企業(yè)信息化管理與運(yùn)維工作。

收稿日期：2015-09-23修回日期：2015-11-23

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.011

中圖分類號：TP 302.7；TP 311.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5468（2016）01-0048-04