備份技術(shù)研究

柳鵬 何瀟銳 山西省電力公司長治供電分公司，山西長治 046011

備份技術(shù)研究

柳鵬 何瀟銳 山西省電力公司長治供電分公司，山西長治 046011

在電力系統(tǒng)中，很多關(guān)鍵應(yīng)用和服務(wù)都需要采用備份技術(shù)保證系統(tǒng)的高可靠運(yùn)行。本文總結(jié)了常用的備份技術(shù)，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于組播的溫備份技術(shù)，其支持多個(gè)副本同時(shí)運(yùn)行，自動選舉主副本。提出了副本狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法，溫備份算法，為實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵應(yīng)用的備份進(jìn)行了有效探討和實(shí)現(xiàn)。

1、概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種關(guān)鍵企業(yè)業(yè)務(wù)中。由于計(jì)算機(jī)軟硬件都會不可避免地發(fā)生故障，這些故障可能給企業(yè)帶來極大損失，因此，對信息處理系統(tǒng)的高可用性需求，極大地刺激了備份技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[1,2]。備份是指利用技術(shù)、管理手段以及相關(guān)資源確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)和關(guān)鍵信息系統(tǒng)在發(fā)生災(zāi)難后，在確定的時(shí)間內(nèi)可恢復(fù)和繼續(xù)運(yùn)營。電力行業(yè)是關(guān)系到國計(jì)民生的基礎(chǔ)性行業(yè)，隨著電力市場化以及電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)正在發(fā)生變化。各級電力公司普遍建立了自己的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了辦公自動化，各種管理信息如財(cái)務(wù)、收費(fèi)、電力營銷、生產(chǎn)管理等應(yīng)用系統(tǒng)在電力行業(yè)日常業(yè)務(wù)中扮演了越來越重要的角色。隨著電力信息化的日益增強(qiáng)，對各種信息服務(wù)的可用性、穩(wěn)定性有了更高的要求。

采用RAID和數(shù)據(jù)備份可以提高關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠性[3]，但是，RAID技術(shù)只能解決硬盤的問題，數(shù)據(jù)備份只能部分解決系統(tǒng)故障后數(shù)據(jù)的恢復(fù)。而服務(wù)器本身軟硬件出現(xiàn)的問題，都將造成服務(wù)的中斷。因此，對于需要持續(xù)可靠地提供信息服務(wù)的系統(tǒng)，必須實(shí)現(xiàn)服務(wù)級別的備份和快速的服務(wù)切換，對用戶表現(xiàn)為透明持久的可靠服務(wù)。雙機(jī)熱備的方式得到了廣泛應(yīng)用[4,5,6]，其能保證企業(yè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的穩(wěn)定性和可用性，提供7×24不間斷服務(wù)，其缺點(diǎn)是大都僅提供兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的備份，而且，備份服務(wù)需要一直運(yùn)行，這樣使系統(tǒng)資源的有效利用率降低。

本文在總結(jié)和分析各種備份技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出基于組播技術(shù)的溫備實(shí)施方案。其支持多個(gè)后備副本的同時(shí)運(yùn)行，支持主副本的自動選舉；采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)主、后備副本狀態(tài)一致性維護(hù)和功能切換，后備副本只有在切換為主節(jié)點(diǎn)時(shí)才啟動應(yīng)用服務(wù)，有效減少了后備副本的資源占用。

2、備份技術(shù)分析

在備份技術(shù)中，副本之間的地位不同。有一副本為主副本，負(fù)責(zé)與外部交互；其他副本為后備副本，其只與主副本進(jìn)行交互，備份技術(shù)主要包含冷備份、溫備份和熱備份。

冷備份指后備副本在主副本正常操作時(shí)不活動，僅在主副本故障時(shí)切換、啟動，并代替主副本。主副本在處理過程中將各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存在一個(gè)中間存儲系統(tǒng)中，當(dāng)主副本發(fā)生故障時(shí)，后備副本從存儲系統(tǒng)中讀取最新的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，繼續(xù)提供系統(tǒng)服務(wù)。其優(yōu)點(diǎn)在于避免了出現(xiàn)掉電等故障時(shí)，數(shù)據(jù)丟失的可能性，提供了以數(shù)據(jù)為中心的信息系統(tǒng)的可靠性。缺點(diǎn)是發(fā)生故障時(shí)，后備副本才從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，造成切換時(shí)間較長。冷備份方式適用于數(shù)據(jù)庫類型的備份，或業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生大量中間數(shù)據(jù)的場景。

溫備份中，后備副本在主副本正常操作時(shí)也不活動，當(dāng)主副本完成處理時(shí)，必須向其它副本發(fā)送更新消息，后備副本更新其狀態(tài)并且返回應(yīng)答消息，主副本收集到所有的應(yīng)答后才向客戶端返回結(jié)果。正常情況下，后備副本不處理和輸出任何數(shù)據(jù)，后備副本的動態(tài)數(shù)據(jù)由主副本及時(shí)更新。發(fā)生故障時(shí)，后備副本接管系統(tǒng)的輸入和輸出，并且使用最新的動態(tài)數(shù)據(jù)來進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。其優(yōu)點(diǎn)是可避免由于軟件故障而造成的多個(gè)備份同時(shí)失效的情況，缺點(diǎn)是很難有一個(gè)有效的機(jī)制完全備份動態(tài)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)切換后，不可避免地丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)。

熱備份技術(shù)中，后備副本和主副本同時(shí)接收信息輸入，并進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，但只有主副本的輸出信息被輸出。當(dāng)主備切換時(shí)，只需選擇后備副本的信息輸出即可。熱備份的優(yōu)點(diǎn)是可完全保證系統(tǒng)的多個(gè)副本動態(tài)數(shù)據(jù)的一致性，從而減少信息備份不完全造成的不一致性。其缺點(diǎn)是多個(gè)副本同時(shí)運(yùn)行，占用大量的系統(tǒng)開銷。

3、基于組播的溫備份實(shí)現(xiàn)

多副本冗余的工作方式存在兩種不同應(yīng)用模式，一是應(yīng)用服務(wù)無狀態(tài)信息，比如時(shí)間服務(wù)，任何一個(gè)后備副本都可以隨時(shí)充當(dāng)主副本。二是應(yīng)用服務(wù)具有運(yùn)行所需的動態(tài)信息，如資源管理服務(wù)，后備副本必須能周期獲取主副本的當(dāng)前信息。主副本以組播方式周期性向后備副本發(fā)送更新信息，更新的內(nèi)容與具體的應(yīng)用有關(guān)，后備副本以文件或數(shù)據(jù)庫的形式存儲最新信息，當(dāng)副本切換時(shí)，以本地保存的狀態(tài)初始化應(yīng)用服務(wù)。

3.1 主備份選舉算法

在設(shè)計(jì)過程中，采用一種被動發(fā)現(xiàn)的方式，主副本周期性組播hello消息，它包含自身的信息（如優(yōu)先級、域名、周期T0、ID等信息），其他副本通過該組播端口接收hello消息來識別當(dāng)前的主副本信息，如果發(fā)現(xiàn)自身更優(yōu)，或一段時(shí)間都接收不到hello消息，則觸發(fā)進(jìn)行主副本選舉。選舉出的副本提供業(yè)務(wù)服務(wù)，主/后備副本的切換對客戶端透明。

3.1.1 所用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

各副本通過交互Hello消息，實(shí)現(xiàn)主副本的選舉，消息格式為服務(wù)協(xié)議單元SPU，：

struct SPU{

int priority;//主副本的優(yōu)先級別int id;//主副本的id，可通過ip或mac得到一個(gè)唯一的值

char[20] domain;//域名信息，一個(gè)域僅保留一個(gè)主副本

int T;//主副本的hello消息周期，作為系統(tǒng)同步周期。

}

采用priority和id字段共同作為優(yōu)先級參考字段，由于id字段每臺機(jī)器唯一，兩個(gè)優(yōu)先級比較必能選出某一個(gè)。比較的時(shí)候采用以下規(guī)則：

優(yōu)先級priority字段越小，優(yōu)先級越高。

優(yōu)先級字段如果相同，id字段值越小優(yōu)先級越高。

整個(gè)系統(tǒng)中優(yōu)先級最高的副本作為主副本，其他為后備副本。采用224.1.1.1:10096組播接口作為副本的管理接口。

3.1.2 狀態(tài)描述

如果主副本異常中斷或退出，系統(tǒng)將有Tcontest的切換時(shí)間該時(shí)間為后備副本競爭選舉的時(shí)間，切換時(shí)間將導(dǎo)致[n, n+1]T0的服務(wù)延遲。對于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可配置為雙副本機(jī)制，避免選舉過程，唯一的后備副本發(fā)現(xiàn)主副本退出時(shí)，可立刻替代主副本。在客戶方對連接異常采用重傳機(jī)制，合理配置重傳次數(shù)和周期，能確保客戶端請求得到處理。

圖1 狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖

圖1中活躍狀態(tài)、傾聽狀態(tài)以及退出狀態(tài)為三個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，其他狀態(tài)的保持時(shí)間預(yù)設(shè)為3T0。

啟動狀態(tài)：不啟動應(yīng)用服務(wù)，該狀態(tài)接收hello消息，用于判斷是否存在更優(yōu)先的副本；以自身的同步周期作為T，持續(xù)時(shí)間為Tinit。若接收到其它hello包，則以該包中的周期T作為系統(tǒng)同步周期；如果hello消息中優(yōu)先級低于自身優(yōu)先級，則直接進(jìn)入競爭狀態(tài)；若存在優(yōu)先級與自身相等或者更高的，或者在Tinit中沒有hello消息，則進(jìn)入傾聽狀態(tài)。

傾聽狀態(tài)：不啟動應(yīng)用服務(wù)，該狀態(tài)接收hello包。如果接收的hello包中的主副本優(yōu)先級等于或大于自身時(shí)，一直處于該狀態(tài)；如果hello消息中的優(yōu)先級低于自身，則進(jìn)入競爭狀態(tài)；如果Taging時(shí)間內(nèi)收不到hello消息，認(rèn)為主副本異常，進(jìn)入競爭狀態(tài)。

競爭狀態(tài)：仍然不啟動應(yīng)用服務(wù)，以自身屬性構(gòu)造hello消息，參與競爭主副本，周期為Tcontest。如果接收到優(yōu)先級高于自身的hello包時(shí)，說明有更好的副本正在運(yùn)行，則直接進(jìn)入傾聽狀態(tài)；如果在3T的時(shí)間內(nèi)收不到hello消息，或者收到hello消息的優(yōu)先級都低于自身時(shí)，進(jìn)入活躍狀態(tài)。

活躍狀態(tài)：該狀態(tài)下的副本為主副本，啟動應(yīng)用服務(wù)，周期性的組播hello消息，通告自身優(yōu)先級和T參數(shù)，并監(jiān)聽管理接口，如果存在更高優(yōu)先級的hello消息，則進(jìn)入退避狀態(tài)；若收到退出指令，則直接進(jìn)入退出狀態(tài)。

退避狀態(tài)：該狀態(tài)由活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)換而來，仍然充當(dāng)主副本的功能，提供應(yīng)用服務(wù)，目的是確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)上是否存在優(yōu)先級更高的副本，以避免系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的頻繁切換。若Tretreat時(shí)間內(nèi)收到優(yōu)先級更高的hello包，則直接進(jìn)入傾聽狀態(tài)，延遲2T0后關(guān)閉應(yīng)用服務(wù)，確保新的主副本已經(jīng)啟動應(yīng)用服務(wù)；若Tretreat之內(nèi)不能收到更好的副本信息，則重新回到活躍狀態(tài)，而應(yīng)用服務(wù)功能不變。

退出狀態(tài)：該狀態(tài)關(guān)閉應(yīng)用服務(wù)，并退出管理線程。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，或收到退出指令時(shí)觸發(fā)該狀態(tài)。

3.2 溫備份算法

溫備份算法實(shí)現(xiàn)主、后備副本的狀態(tài)一致性維護(hù)，其流程如圖2所示。

圖2 溫備份流程

算法描述如下：

4、結(jié)論

本文從多個(gè)副本選舉實(shí)現(xiàn)和溫備份算法兩個(gè)方面，闡述了多副本備份技術(shù)的原理和相關(guān)實(shí)現(xiàn)。為提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可靠性提供了一種可行的備份實(shí)施方案，目前已初步應(yīng)用于長治市供電局用電稽查系統(tǒng)，改造后的系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不間斷的功能服務(wù)，證實(shí)了該技術(shù)的可行性。

[1] 葉國駿, 李莉麗, 雷航. 基于EDF的分布式系統(tǒng)實(shí)時(shí)容錯(cuò)調(diào)度算法. 計(jì)算機(jī)工程. 2006.32(4), pp 76-78

[2] 楊軍. 容災(zāi)備份技術(shù)在電信企業(yè)中的應(yīng)用. 江蘇通信技術(shù). 2002.18(6), pp 41-45

[3] 王玲. 企業(yè)數(shù)據(jù)備份和災(zāi)難恢復(fù). 信息技術(shù)與信息化. 2006(3), pp 64-66

[4] 畢全起. 數(shù)據(jù)的可靠性和軟件容錯(cuò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn). 河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(木然科學(xué)版). 2002. 26(1).pp 29-31, 64

[5] 武建鋒, 荊文芳. 雙機(jī)容錯(cuò)方案設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù). 2006.24(1), pp 19-22

[6] 鄭軍, 付強(qiáng), 李權(quán). 一種純軟件的雙機(jī)熱備份算法. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用. 2002.22(12), pp 98-100

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.075

柳 鵬，男，1976年3月出生，1999年7月畢業(yè)于華北電力大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)，工程師，在長治供電分公司科技信息中心工作，任副主任。

何瀟銳，男，1981年12月出生，2003年7月畢業(yè)于河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)，助理工程師，在長治供電分公司科技信息中心工作，任信息安全專責(zé)。