文/徐秀敏 于海波 田昀 張震雷 賴飛

1 引言

隨著互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網等技術的迅猛發(fā)展，為國內國外、各行各業(yè)的業(yè)務運行模式帶來了改變和挑戰(zhàn)，包括金融行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、公共安全、能源行業(yè)等關系國計民生的重要行業(yè)在內的各大領域均提高了自身的信息化水平，形成了無處不在的泛在信息化網絡，這些行業(yè)對信息系統(tǒng)服務穩(wěn)定性的要求極高。以電網信息化為例，電網發(fā)展與經濟發(fā)展息息相關，其發(fā)展趨勢呈正相關關系。電網調度、電網運行監(jiān)測數(shù)據(jù)等業(yè)務對服務穩(wěn)定性、響應實時性等指標有相當高的要求，不允許業(yè)務中斷。而黑客破壞、自然災害、人為誤操作、設備自身損耗等因素均可造成服務中斷，將為生產運行、生活服務等帶來巨大影響。因此需要業(yè)務服務器及數(shù)據(jù)服務器一直處于持續(xù)的運行狀態(tài)，需要配置高質量高性能高可用的服務器系統(tǒng)，為安全生產提供保障。

因此，為了保障系統(tǒng)中數(shù)據(jù)及作業(yè)安全性、連續(xù)性，需要一種雙機容錯解決方案，即雙機熱備份，它是應對服務器臨時故障所實現(xiàn)的一種備份技術。雙機熱備份通過磁盤陣列或純軟件模式，使兩臺服務器彼此連接成為互為備份的雙機服務器系統(tǒng)，可通過設置檢測點從系統(tǒng)、應用、網絡三方面進行故障檢測，包括：通過雙機熱備軟件間的心跳進行系統(tǒng)檢測；進行用戶應用程序、數(shù)據(jù)庫等的應用檢測；對可選的對網絡路徑、網卡的網絡檢測。一旦主服務器停機后，可通過手動切換或故障切換使備份服務器能繼續(xù)提供服務，防止用戶的數(shù)據(jù)或業(yè)務請求被中斷。雙機熱備系統(tǒng)應運而生，并已成熟應用，但現(xiàn)有的雙機熱備系統(tǒng)存在著或價格昂貴或易發(fā)生負載失衡的狀況，因此本文設計了一種簡便的雙機熱備份的狀態(tài)機，該狀態(tài)機實現(xiàn)在一臺獨立的控制器上，并給出備份實現(xiàn)流程。

1 現(xiàn)有技術分析

1.1 現(xiàn)有技術介紹

現(xiàn)有雙機備份技術主要包括兩種：一是基于存儲器（磁盤陣列）方式，其存儲方式為共享存儲或全冗余（雙機雙存儲），將用戶數(shù)據(jù)放在存儲設備即磁盤陣列上，主備服務器通過磁盤陣列共享數(shù)據(jù),如圖1所示。二是復制方式，僅選用主備兩臺服務器，采用鏡像軟件將數(shù)據(jù)從一臺服務器實時的復制到另一臺服務器，保障兩臺服務器間的數(shù)據(jù)一致性，發(fā)生故障時進行服務器的切換，如圖2所示。

1.2 現(xiàn)有技術特點分析

針對于磁盤陣列方式，共享存儲器的價格昂貴，適用范圍小。針對于復制方式，當主備服務器所構成的雙機服務系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，不易判斷故障狀態(tài)，需要提供額外的狀態(tài)監(jiān)測工作，并針對故障情況制定解決方案；當心跳線出現(xiàn)故障時，主備服務器將同時進入工作狀態(tài)，可能造成系統(tǒng)服務混亂；沒有提供仲裁機制，不能在主備服務器間進行負載均衡，主服務器的性能容易成為服務系統(tǒng)的瓶頸。

本文針對現(xiàn)有問題及諸多學者提出的解決方案進行了研究，如：基于開源項目OpenSAF的雙機熱備系統(tǒng)已經針對現(xiàn)有的共享存儲的硬件備份、非共享存儲的軟件備份等存在的問題提出了解決方案，其有效的減少了數(shù)據(jù)備份時間，但依賴于OpenSAF?；贛ySQL二進制日志(Binlog)進行SQL還原的研究，提出了分布式異構數(shù)據(jù)庫間數(shù)據(jù)同步的解決方案及工具設計，其研究成果可用于解決異構數(shù)據(jù)庫間數(shù)據(jù)同步中存在的數(shù)據(jù)格式不匹配、同步速度不匹配等問題，但應用成果局限于異構數(shù)據(jù)庫。

本文意在解決傳統(tǒng)雙機熱備方案中易出現(xiàn)的控制無序、不穩(wěn)定、高成本的問題，給出一種易于控制、經濟且實現(xiàn)簡單的設計方案，依賴兩臺普通服務器和一臺控制機實現(xiàn)服務器系統(tǒng)。

2 改進的雙機服務器架構設計

在傳統(tǒng)雙機服務器系統(tǒng)基礎上，本文在客戶端、雙機服務器間增加了控制器，我們將兩臺互為備份的服務器稱為服務器1、服務器2.

2.1 基于負載均衡的服務仲裁

圖1：基于共享存儲的雙機熱備

圖2：基于復制方式的雙機熱備

圖3：基于控制器的雙機服務系統(tǒng)架構

客戶端通過控制器與服務器進行數(shù)據(jù)通信，控制器接收到客戶端數(shù)據(jù)讀操作請求后，根據(jù)服務器1、服務器2的運行狀態(tài)及負載狀態(tài)進行仲裁，仲裁后分配同步運行的服務器中低負載的服務器提供服務，并由控制器返回應答信息，可有效的避免負載不均衡造成的服務瓶頸。整個過程中控制器、雙主機對客戶端提供透明服務，客戶端無需了解服務細節(jié)及仲裁過程，該方法簡便且保障了業(yè)務系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.2 服務穩(wěn)定運行機制

在無控制器的雙機雙機服務系統(tǒng)中，若服務器間心跳線出現(xiàn)故障，則主備服務器將同時進入工作狀態(tài)，可能造成系統(tǒng)服務混亂。本文所增加的控制器通過查詢方式定時獲取服務器1和服務器2的狀態(tài)，并接收服務器返回的操作結果。定時讀取服務器同步狀態(tài)，在心跳線出現(xiàn)故障時依靠控制器即可判斷出服務器的運行狀態(tài)，不受心跳線故障的影響，認可提供穩(wěn)定服務。

同時，在控制器中維護主備服務器仲裁狀態(tài)機，在圖3中給出的即是控制機、服務器1、服務器2構成的雙主機服務器系統(tǒng)。

3 主備服務器仲裁狀態(tài)機設計

通過有限狀態(tài)機建立的數(shù)學模型，可解決數(shù)字系統(tǒng)設計中的輸入、輸出等邏輯問題的處理。本文對有限狀態(tài)機在建立數(shù)學模型時的多種場景應用進行了研究，對已有成果中建模方法、模型求解等方面進行了分析，結合本研究方向所面臨的問題進行了深入研究，建立了雙機服務器備份時的仲裁狀態(tài)機。

圖4中所示的是本文所設計的主備服務器仲裁狀態(tài)機，根據(jù)對雙機服務器系統(tǒng)的特點分析可知：

狀態(tài)機有三個臨時態(tài)——上電初始化、實時備份、批量備份；

三個穩(wěn)定態(tài)——單服務器態(tài)、主備同步、主備異步；

有八個輸入——單服務器在線、備服務器上線、批量同步成功、批量同步失敗、服務器離線、實時同步、實時同步成功、實時同步失敗。

將服務器當前穩(wěn)定態(tài)、同步狀態(tài)等約束條件作為輸入信號,以此驅動狀態(tài)機的狀態(tài)轉移,實現(xiàn)雙機服務器同步狀態(tài)的自動控制。

4 控制器與服務器交互流程設計

具體設計如下：

4.1 控制器初始化

控制器上電后進入上電初始化態(tài)時，主要存在兩種場景——服務器已上線、服務器未上線；接收的“單服務器在線”輸入有兩種來源——在初始化時指定的主服務器上報；或根據(jù)服務器上線時間進行主備服務器的選擇，先上線的服務器為主服務器。

4.2 單服務器

單服務器態(tài)時，客戶端所有的操作均通過控制器直接發(fā)送給該服務器。

4.3 實時備份

控制器收到客戶端的數(shù)據(jù)修改和寫請求時，基于服務器的角色發(fā)送給主服務器，在成功響應請求后將數(shù)據(jù)備份給備服務器，并根據(jù)服務器返回的消息運轉狀態(tài)機，此為數(shù)據(jù)的實時備份。

4.4 批量備份

當單服務器掉線后重新上線時，控制器觸發(fā)主服務器向新上線備份服務器的數(shù)據(jù)發(fā)送，并根據(jù)服務器返回的消息運轉狀態(tài)機，此為數(shù)據(jù)的批量備份。

圖4：主備服務器仲裁狀態(tài)機

4.5 查詢操作

在收到客戶端的查詢請求時，如果服務器系統(tǒng)處于“主備同步狀態(tài)”，控制器可根據(jù)主備服務器的負載情況，決定向哪個服務器發(fā)送數(shù)據(jù)查詢的請求。

如果服務器系統(tǒng)處于“主備異步狀態(tài)”，則由主服務器響應客戶端的查詢請求。

5 結論

本文立足解決傳統(tǒng)雙機服務器易發(fā)生的可控性、穩(wěn)定性等問題，在原有雙機服務器的基礎上增加控制器，與服務器1、服務器2共同構成雙主機服務器系統(tǒng)，實現(xiàn)對雙主機服務器系統(tǒng)的控制，可實時了解服務器運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)同步情況、根據(jù)雙機負載情況分發(fā)客戶端請求。同時所設計了主備服務器仲裁狀態(tài)機，通過輸入實現(xiàn)對主備服務器臨時態(tài)、穩(wěn)定態(tài)間的切換，實現(xiàn)對雙機服務器運行狀況的標準化仲裁。雙機服務系統(tǒng)在提供業(yè)務穩(wěn)定運行中實用性強，因此具有進行深入研究的價值。