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CN101207512A - 一种数据库系统冗灾备份和切换方法 - Google Patents

一种数据库系统冗灾备份和切换方法 Download PDF

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CN101207512A CNA2006101706243A CN200610170624A CN101207512A CN 101207512 A CN101207512 A CN 101207512A CN A2006101706243 A CNA2006101706243 A CN A2006101706243A CN 200610170624 A CN200610170624 A CN 200610170624A CN 101207512 A CN101207512 A CN 101207512A
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Abstract

本发明涉及一种数据库系统冗灾备份和切换方法，包括：主用和备用机代理通过同时侦听以太网内广播的数据库操作数据包对各自数据库实例进行相同数据库操作完成数据复制；数据库实例向对应代理返回成功/失败标示；主用机代理接收失败标示而备用机代理接收成功标示，则由主用机代理通知备用机代理进行主备切换。这种方法，利用以太网广播在多节点进行备份，利用消息确认机制、进一步利用切换计时器来进行数据库系统主备机切换，从而能在一个确定的数据操作周期的时间中完成主备切换且系统简单，特别能够解决移动通信HLR网元中，数据库系统常常因为瞬断或一些程序中断等异常而引起的业务瘫痪，尽可能减小因为数据库异常带来的系统不稳定性。

Description

一种数据库系统冗灾备份和切换方法
技术领域
本发明涉及数据库技术，具体涉及一种数据库系统冗灾备份和切换方法。
背景技术
广义的数据库系统冗灾指的是减小自然、战争等不可抗力造成的数据丢失；狭义的数据库系统冗灾，包括因为误操作、硬件损坏、业务高峰、断电等对数据库系统造成的冲击等带来的数据库系统瘫痪，这在数据库系统存在BUG的情况下，更为常见，这种情况比较频繁，而且对业务的正常运行带来了不可估量的损失。按业务是否中断，又分为数据级冗灾和应用级冗灾①。应用级指的是系统自动完成灾备切换，最大减小切换时间，使应用不间断的运行；数据冗灾则不可避免的会中断业务，在数据恢复到数据库系统这段时间内，数据库系统是不能工作的，最常见的就是绝大多数商用关系数据库提供的备份恢复，在恢复之前，数据库是不可用的。
冗灾数据库系统一般由两部份构成，一是数据库系统切换，二是数据复制。IBM的应用级灾备主要采用基于AIX平台的High AvailabilityGeographical Cluster/High Availability Cluster Multi-Processing，简称HAGEO/HACMP方案或基于S/390的Geographically Dispersed ParallelSysplex，简称GDPS方案，而数据级的方案采用基于磁盘系统的Peer ToPeer Remote Copy或Extend Remote Copy，简称PPRC或XRC功能软件②。Veritas的系统切换策略则可由用户定制，并在Global Cluster Manager/Veritas Cluster Server，简称GCM/VCS软件中实现，数据复制则采用VolumeReplicator，简称VVR将逻辑卷复制到多个备份节点上③。数据复制，一般来说可以在硬件或软件层上实现，如，磁盘硬件存储级，文件系统级，操作系统级，数据库级，SNA网络级等。
目前的冗灾方案大多还是针对数据级的冗灾，例如，IBM的PPRC/XRC功能软件，它是通过光纤通道，以逻辑卷为单位，将本地数据同步镜像到远端，可以有同步和异步方式，区别在于主机是否收到备机写完成信号后才确认数据写成功。
针对业务不间断的应用级冗灾并不多见，成熟的产品，如IBM的HAGEO/HACMP(HACMP的规则同样适用于HAGEO，两者支持的距离有所区别④)集群技术，其数据复制方式有三种：同步，镜像同步和异步，同步过程基本是一个线性过程，先写远端再写本地，等主备写完了，才宣告写完成，镜像同步采用了一个状态图的设备，先写状态图，再写本地盘，本地写完即宣告写完成，由后台负责远端写，直到远端和本地数据完全一致，异步的方式是允许主备之间一定数据差异，当达到差异值之后转换为镜像同步，以提高性能。
HAGEO/HACMP切换过程是利用lan来监控主机、网络和网卡的状态，该环境由两套网络构成，一是客户端访问的公共网，即TCP/IP网络，一是替代TCP/IP的通讯路径，可以是RS232串口等，即非TCP/IP网络，它实际上是一个‘心跳’线，专门用来监测缺省的三类故障：网卡故障、网络故障、节点故障。主备节点一旦加入该集群，节点的各个网卡、非TCP/IP网络会不断的发送接收K_A(Keep_Alive)信号，如果备机接收的TCP/IP网络和非TCP/IP网络上的K_A信号都丢失，那么HACMP可以断定为节点故障；如果备机接收的TCP/IP网络上K_A信号丢失，而TCP/IP网络上的K_A信号存在，那么HACMP可以断定为网络故障；如果某一网卡的K_A信号全部丢失，则HACMP可以断定为网卡故障，默认情况下，HACMP只判断这三种情况，其它故障可以结合AIX基本功能和HACMP提供的一些机制，如Error Notification Facility，clinfo API等对故障进行监控并采取切换等恢复措施。
ORACLE Data Guard则提供了数据库层次上的一个灾备方案，它是将主机的redo日志拷贝到备机上，同时恢复日志，以达到主备机数据一致，但某个节点发生事故需要主备切换，仍然需要人工参与，ORACLE RAC允许N节点备份，但节点之间仍然通过交换方式链接，发生切换仍然需要clustermanager模块进行心跳监控⑤，而不是利用业务过程中产生的信息来进行判断。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种数据库系统冗灾备份和切换方法，使数据库系统在确定的时间范围内做出正确的响应，尽可能减小因为数据库异常带来的系统不稳定性。
本发明的上述技术问题这样解决，提供一种数据库系统冗灾备份和切换方法，使用同一局域网内的主用机和备用机，包括以下步骤：
1.1)主用和备用机代理通过同时侦听以太网内广播的数据库操作数据包对各自数据库实例进行相同数据库操作完成数据复制；
1.2)数据库实例向对应代理返回成功/失败标示；
1.3)主用机代理接收失败标示而备用机代理接收成功标示，则由主用机代理通知备用机代理进行主备切换。
按照本发明提供的备份和切换方法，所述步骤1.1)中设定主用机切换计时器，所述步骤1.3)中主用机切换计时器超时主用机代理未接收成功/失败标示而备用机接收成功标示，则由主用机发起主备切换。
按照本发明提供的备份和切换方法，所述步骤1.3)还包括备用机代理通知主用机代理其对应的成功/失败标示，主用机代理返回响应消息。
按照本发明提供的备份和切换方法，主用机代理和备用机代理通过TCP/IP或串口RS235链接进行通讯。
按照本发明提供的备份和切换方法，所述备用机代理通知主用机代理之前设置备用机切换计时器，备用机切换计时器超时且未收到所述响应消息，由接收成功标示的备用机代理发起主备切换。
按照本发明提供的备份和切换方法，所述备用机是多个，按队列优先顺序发起主备切换。
按照本发明提供的备份和切换方法，所述主用和备用机的网卡设为Promiscuous模式。
按照本发明提供的备份和切换方法，所述主备切换是将原备用机的网卡IP地址改为主用机IP地址，原主用机的网卡IP地址改为局域网内其他不同IP地址。
按照本发明提供的备份和切换方法，所述数据库操作包括读操作和写操作；所述步骤1.1)中仅主用机代理返回读操作的业务数据或写操作的成功/失败标示给发出数据库操作数据包的业务处理系统。
按照本发明提供的备份和切换方法，主用机代理接收备用机代理对应数据库操作响应的通知后进行所述返回；所述响应是备用机代理接收成功/失败标示。
本发明提供的数据库系统冗灾备份和切换方法，利用以太网广播特点在多网络节点进行数据备份，并利用消息确认机制和切换计时器来进行数据库系统主备机切换，数据库系统构造简单，且能在一个确定的数据操作周期的时间中完成主备切换，达到多机实时热备份的效果，特别能够解决移动通信HLR网元中，数据库系统常常因为瞬断或一些程序中断等异常而引起的业务瘫痪，尽可能减小因为数据库异常带来的系统不稳定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。
图1是本发明冗灾备份和切换方法实现的系统结构示意图。
图2是本发明数据备份方法逻辑流程示意图。
图3是本发明主备切换方法逻辑流程示意图。
具体实施方式
首先，说明本发明的关键：在读/写数据操作过程中，利用数据包在以太网中进行广播的特点进行备份数据，并且把数据库系统的失效时间通过切换定时器等机制限定在一个确定的时间范围内。
第二步，说明本发明应用总体网络环境，具体如图1所示，包括①业务处理(应用)系统40，②路由器50以及③由主用机10和备用机20组成的数据库局域网系统30，具体如下：
①业务处理(应用)系统40，它产生对数据库系统的读/写操作；
②路由器50，位于业务处理系统和数据库局域网系统之间，也可以是交换机或者HUB集线器；
③数据库局域网系统30，是构成后台整个数据库系统的“共享式”局域网，其实质是一个载波检测多路侦听机制控制传输的共享信道，主用机10和备用机20之间通过交换机、HUB集线器或者路由器50以总线方式相连，业务处理系统40产生的各类数据包在该信道中以广播方式传输，为备用机20的数据备份提供了物理环境；
数据库局域网系统30由主用机10和备用机20组成，备用机20可以是一个或多个，这里只列出了一个备用机20，主用机10和备用机20的网卡被设置为“混杂”Promiscuous模式，接收共享信道局域网上的数据包；
主用机代理101位于主用机10上的，备用机代理201位于备用机20上的代理，分别操作处理主用机10上的数据库实例102和备用机20上的数据库实例202，它们可以是任何一种支持SQL的数据库；
主用机代理101和备用机代理201以及多个备用机代理201之间通过代理间通信网络60通讯，通信网络60可以是TCP/IP也可以是RS235，代理间通过消息确认用以主备切换。
其中，业务处理系统40和由主用机10和备用机20组成的数据库局域网系统30之间采用TCP/IP网络连接；主用机10和备用机20上各有一个代理进程101和201负责：1)数据包处理2)IP地址替换3)发起主备切换；主用机上的代理和备用机上的代理之间通过主用机和备用机之间采用TCP/IP或串口RS235链接进行通讯；备用机人为定义为第一个备用机、第二个备用机等；主/备用机软硬件配置相同。
第三步，进一步说明本发明数据库局域网系统的读写操作：
㈠读数据操作，包括以下步骤：
1.业务处理系统中，读数据操作(SQL语句字符串)，经网络/传输/链路层打包后，进入TCP/IP网络中的交换机缓存；
2.交换机向主/备用机，通过广播方式发出读数据操作数据包，主用机上的代理收到读数据操作数据包，备用机上的代理也收到读数据操作数据包；
3.主/备用机上的代理接受读数据操作数据包后，主用机和备用机上的切换计时器同时开始计时；
4.主用机上的数据库实例对数据包中SQL语句字符串处理后，返回给主用机上的代理两类数据：业务数据，成功/失败标识(包括硬件，当机，超时，SQL语法，查不到数据等故障，由代理进一步分拣处理然后进行判别)，备用机上处理过程与主用机一样，也返回这两类数据，如果备用机失败次数达到一定次数，则第一备用机由原第二备用机替代，依次类推，并告警；
5.主用机上的代理将业务数据打包通过TCP/IP网络返回给业务处理系统，备用机上的代理则将各自数据库返回的数据全部屏蔽(全部拦截，不向业务处理系统返回数据包)，将成功/失败标识通过另一套网络返回给主用机上的代理，主用机上的代理然后向各备用机发回响应消息；
6.如果主用机上的代理监测到主机上的数据库实例失败，或者主用机上的切换计时器已经超时，并且已收到第一个备用机上的代理返回的成功标识，则由主机代理发起切换，由第一个备用机接管主机，这个备用机上的代理首先发起替换主用机IP操作，然后将业务数据打包通过交换机网络返回给业务处理系统。这是主用机上的代理正常，在一个读数据操作周期的时间中，由主用机上的代理发起主备切换的情况；
7.如果第5步中，备用机上的代理在第4步启动的切换计时器超时到来之前，仍未收到主用机上的代理的响应消息，则由第一个备用机上的代理发起主备切换；
8.如果第一个备用机发起主备切换失败，则由第二个备用机接着发起主备切换，直到备用机全部失败；
(二)写数据操作，包括以下步骤：
1.业务处理系统中，写数据操作(SQL语句字符串)，经网络/传输/链路层打包后，进入TCP/IP网络中的交换机缓存；
2.交换机向主/备用机，通过广播方式发出读数据操作数据包，主用机上的代理收到写数据操作数据包，备用机上的代理也收到写数据操作数据包；
3.主/备用机上的代理接受写数据操作数据包后，主用机和备用机上的切换计时器开始计时；
4.主用机上的数据库实例对数据包中SQL语句字符串处理后，返回给主用机上的代理仅一类数据：成功/失败标识(包括硬件，当机，超时，SQL语法，查不到数据等故障，由代理进一步分拣处理然后进行判别)，备用机上处理过程与主用机一样，也返回这一类数据，如果备用机失败次数达到一定次数，则第一备用机由原第二备用机替代，依次类推，并告警；
5.主用机上的代理将成功/失败标识通过TCP/IP网络返回给业务处理系统，备用机将成功/失败标识通过另一套网络返回给主用机上的代理，主用机上的代理然后向各备用机发回响应消息；
6.如果主用机上的代理监测到主机上的数据库实例失败，或者主用机上的切换计时器已经超时，并且已收到第一个备用机上的代理返回的成功标识，则由主机代理发起切换，由第一个备用机接管主机，这个备用机上的代理首先发起替换主用机IP操作，然后将业务数据打包通过交换机网络返回给业务处理系统。这是主用机上的代理正常，在一个读数据操作周期的时间中，由主用机上的代理发起主备切换的情况；
7.如果第5步中，备用机上的代理在第4步启动的切换计时器超时到来之前，仍未收到主用机上的代理的响应消息，则由第一个备用机上的代理发起主备切换；
8.如果第一个备用机上的代理发起主备切换失败，则由第二个备用机上的代理接着发起主备切换，直到备用机全部失败；
其中，读/写数据过程中，最大的区别是主/备用机上的数据库实例处理SQL后返回结果不同：如果是读数据过程，则除了成功/失败标识，还有返回查询结果集，写数据过程则不会返回结果集，主/备用机在这上面的处理不一样，其余相同。
第四步，说明本发明数据备份/数据复制过程，具体如图2所示，包括以下步骤：
1.业务处理系统40发起读、写操作，在共享信道的局域网中，数据包能被该局域网中包括主用机10和备用机20的所有节点侦听到；
2.主用机代理101和备用机代理201接收到包含执行SQL指令的数据包，启动“切换计时器”，同时，主用机上的数据库实例102和备用机上的数据库实例202也收到该数据包；
3.主用机数据库实例102对该SQL操作执行完毕，返回成功/失败标志等状态码，主用机上代理101对该标志进行归类判断处理，见表1：
表1
  故障类型   归类标准  处理过程
  逻辑故障，如：主键冲突，找不到数据，表被锁…等   故障可恢复，不影响下一次的数据库操作  如果为异步模式，主用机上代理101直接返回业务系统40本次操作结果；如果为同步模式，主用机上代理101将等待所有备用机上代理201“操作完毕”通知消息后再返回业务处理系统40本次操作结果
  软件故障，如：数据库实例当机，程序异常退出，通信异常…等   故障不可恢复，影响下一次的数据库操作，但不需要人工干预  主用机上代理101启动的“切换计时器”已超时，进入图3中由“计时器”触发的切换流程“2”。
  硬件故障，如：机器当机，网卡异常，磁盘坏道…等   故障不可恢复，影响很长时间段的数据库操作，需要人工干预  硬件故障已影响到主用机上代理101的运行，无法对备用机上代理201“操作完毕”通知消息进行响应。
4.备用机数据库实例202对该SQL操作执行完毕，返回成功/失败标志等状态码，备用机上代理201对该标志进行归类判断处理，见表2：
表2
  故障类型   归类标准  处理过程
  逻辑故障，如：主键冲突，找不到数据，表被锁…等   故障可恢复，不影响下一次的数据库操作  备用机上的代理201向主用机上的代理101发本次“操作完毕”的通知消息
  软件故障，如：数据库实例当机，程序异常退出，通信异常…等   故障不可恢复，影响下一次的数据库操作，但不需要人工干预  备用机上代理201启动的“切换计时器”已超时，进入图3中由“计时器”触发的切换流程“2”，但不切换。
  硬件故障，如：机器当机，网卡异常，磁盘坏道…等   故障不可恢复，影响很长时间段的数据库操作，需要人工干预  硬件故障已影响到备用机上代理201的运行，无法发起“操作完毕”通知消息
5.如果第3步中硬件故障已影响到主用机上代理101的运行，无法对备用机上代理201“操作完毕”通知消息进行响应，则将引起备用机代理201收不到响应而进入切换计时器引起的切换流程“2”；
6.如果第4步中硬件故障已影响到备用机上代理201的运行，无法发起“操作完毕”通知消息，则将引起主用机代理101收不到消息，并将该备用机记为失效，由下一个备用机接替下一次可能发生的切换；
7.数据备份的过程在第2步，第4步中完成，备用机上代理201侦听到业务处理系统40发往主用机10的IP数据包，并不按照正常情况下进行丢弃，而将其分拆处理后继续发给备用机上数据库实例202；
8.如果第4步主用机上代理101收到失败标志和备用机上代理201的成功消息通知，进入消息引起的切换流程“1”。
最后，说明本发明主备机切换过程，具体如图3所示，包括以下步骤：
1.在备用机上数据库实例20b完成本次SQL操作，由备用机上代理201发出本次“操作完毕”的消息，通知主用机上代理101之后，如果备用机上代理201在一定时间之内未收到主用机上代理101的响应消息，则发回本次数据库操作成功/失败标志等结果给业务处理系统40；
2.返回结果后，由备用机上代理201发起切换，通知余下的备用机该备用机升为主用机，并得到所有正常备用机的确认，完成一些初始化工作；
3.在主用机上代理101接收到来自业务处理系统40的SQL操作数据包之后，主用机上代理101启动“切换”计时器，如果主用机正常，到主用机代理101返回业务系统本次成功/失败标志等结果的时候，会将计时器停止清零，如果超时，则发起“切换”流程“2”；
4.由主用机上代理101通知所有的备用机，备用机在整个系统初始化的时候就确定了替换顺序队列，由队列头的备用机升为主用机，主用机10进入替换队列尾，变为备用机20，并得到所有正常备用机的确认，完成一些初始化工作；
5.备用机上代理201将备用机的IP替换成主用机的IP后，即可接收来自业务处理系统40的数据包，进行数据库的SQL操作；
6.主备切换的过程通过主备机上代理间的消息交互和主备机上代理所管理的“切换”计时器来完成，前者确保硬件故障下能进行主备切换，后者确保软件故障下能进行主备切换。

Claims (10)

1.一种数据库系统冗灾备份和切换方法，其特征在于，使用同一局域网内的主用机和备用机，包括以下步骤：
1.1)主用和备用机代理通过同时侦听以太网内广播的数据库操作数据包对各自数据库实例进行相同数据库操作完成数据复制；
1.2)数据库实例向对应代理返回成功/失败标示；
1.3)主用机代理接收失败标示而备用机代理接收成功标示，则由主用机代理通知备用机代理进行主备切换。
2.根据权利要求1所述备份和切换方法，其特征在于，所述步骤1.1)中设定主用机切换计时器，所述步骤1.3)中主用机切换计时器超时主用机代理未接收成功/失败标示而备用机接收成功标示，则由主用机发起主备切换。
3.根据权利要求1或2所述备份和切换方法，其特征在于，所述步骤1.3)还包括备用机代理通知主用机代理其对应的成功/失败标示，主用机代理返回响应消息。
4.根据权利要求3所述备份和切换方法，其特征在于，主用机代理和备用机代理通过TCP/IP或串口RS235链接进行通讯。
5.根据权利要求3所述备份和切换方法，其特征在于，所述备用机代理通知主用机代理之前设置备用机切换计时器，备用机切换计时器超时且未收到所述响应消息，由接收成功标示的备用机代理发起主备切换。
6.根据权利要求5所述备份和切换方法，其特征在于，所述备用机是多个，按队列优先顺序发起主备切换。
7.根据权利要求5所述备份和切换方法，其特征在于，所述主用和备用机的网卡设为Promiscuous模式。
8.根据权利要求1或2所述备份和切换方法，其特征在于，所述主备切换是将原备用机的网卡IP地址改为主用机IP地址，原主用机的网卡IP地址改为局域网内其他不同IP地址。
9.根据权利要求1所述备份和切换方法，其特征在于，所述数据库操作包括读操作和写操作；所述步骤1.1)中仅主用机代理返回读操作的业务数据或写操作的成功/失败标示给发出数据库操作数据包的业务处理系统。
10.根据权利要求9所述备份和切换方法，其特征在于，主用机代理接收备用机代理对应数据库操作响应的通知后进行所述返回；所述响应是备用机代理接收成功/失败标示。
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