電力ERP系統(tǒng)基于X86架構(gòu)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)研究

吳斗 蔣何 金鑫 李海

摘要：本文首先闡述了電力ERP分布式分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)和特性，對(duì)于其分布機(jī)制以及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上闡述了分布式分布式數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容以及具體應(yīng)用情況，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)專業(yè)人士有所幫助。

關(guān)鍵詞：電力ERP系統(tǒng);X86架構(gòu);分布式數(shù)據(jù)庫(kù);IB網(wǎng)絡(luò)

1 引言

雖然多年的發(fā)展出現(xiàn)了很多新型能源，但是電力能源還是最主要的能源之一。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平有了飛速發(fā)展，特別是電力企業(yè)資源管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“ERP”）對(duì)于確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性具有越來(lái)越重要的作用。對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了更好的滿足用戶需求就要建立起更為先進(jìn)的系統(tǒng)，在其中融入分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)已經(jīng)成為關(guān)鍵內(nèi)容之一。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的關(guān)鍵分支之一有了多年發(fā)展，特別是近些年Infiniband（以下簡(jiǎn)稱“IB”）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展為分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)提供了有效支撐，將其應(yīng)用到電力系統(tǒng)中能夠滿足現(xiàn)代工程的需要，具有非常實(shí)用的價(jià)值。

2 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)介紹

2.1 傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)

對(duì)于電力ERP系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)說(shuō)，不但要滿足數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)要求，同時(shí)也要滿足一體化系統(tǒng)（SCADA/EMSIDTS）應(yīng)用要求。其具有如下特點(diǎn)：

（1）可以快速進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)，符合實(shí)時(shí)性要求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)以及重載;

（2）符合電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析要求，能夠保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)以及訪問(wèn);

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)并存運(yùn)行，不同數(shù)據(jù)庫(kù)之間可以實(shí)現(xiàn)便捷的數(shù)據(jù)切換，以此來(lái)提升項(xiàng)目管理效率;

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)鏡象功能，可以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)切換，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的接口采用標(biāo)準(zhǔn)形式，能夠保證數(shù)據(jù)的安全性：

（5）具有較好的開(kāi)放性，可以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的交換和共享。

2.2 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)并非只是將集中數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)分散，其主要包括兩方面內(nèi)容，一方面為存儲(chǔ)要具有分散性，就是指要將數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在不同計(jì)算機(jī)設(shè)備當(dāng)中，另一方面數(shù)據(jù)要具有整體性，就是指存儲(chǔ)在每一個(gè)計(jì)算機(jī)當(dāng)中的數(shù)據(jù)在邏輯方面要具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，要構(gòu)建成整體。總的來(lái)說(shuō)其具有如下幾方面特點(diǎn)：

（1）其采取的是自治和集中結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，對(duì)于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)說(shuō)，其最主要的內(nèi)容就是數(shù)據(jù)的重復(fù)以及合理分配;

（2）分布式分布式數(shù)據(jù)庫(kù)要具有整體性，同時(shí)要具有可串行性，并且能夠有效恢復(fù);

（3） 一定程度上提升數(shù)據(jù)的冗余度，就是指為了確保數(shù)據(jù)的安全性，在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中要設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)冗余，需要在不同區(qū)域存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的不同副本;

（4）具有透明性，用戶無(wú)需注意數(shù)據(jù)物理位置分布以及邏輯分片情況。

現(xiàn)階段有關(guān)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)方面的研究更多關(guān)注的是服務(wù)器技術(shù)內(nèi)容，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)采取的是多X86服務(wù)器模式，不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同服務(wù)器當(dāng)中，不同客戶能夠?qū)Χ鄠€(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，并且不同服務(wù)器之間能夠協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明性訪問(wèn)。

2.3 IB網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)

IB是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接標(biāo)準(zhǔn)，主要用于節(jié)點(diǎn)間需要有大量數(shù)據(jù)傳輸需求的HPC高性能計(jì)算，隨著技術(shù)發(fā)展和新業(yè)務(wù)場(chǎng)景出現(xiàn)，使用領(lǐng)域變得越來(lái)越廣泛。整個(gè)IB網(wǎng)絡(luò)由主機(jī)上的HCA （HostChannel Adapter）卡，IB交換機(jī)和IB線纜組成，IB網(wǎng)絡(luò)能夠保證在低延時(shí)情況（ 200ns）通過(guò)4倍聚合通道（4X aggregate links）的單個(gè)物理接口支持最高lOOGb的帶寬。

IB網(wǎng)絡(luò)相比較于傳統(tǒng)的光纖傳輸技術(shù)，具有高帶寬、低延遲的優(yōu)勢(shì)，與以太網(wǎng)及光纖網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1。

IB技術(shù)與以太網(wǎng)萬(wàn)兆技術(shù)的對(duì)比說(shuō)明：

（1）主流設(shè)備性能對(duì)比。目前IB交換機(jī)主流為100G產(chǎn)品，100G已經(jīng)推出并且進(jìn)入市場(chǎng);以太網(wǎng)絡(luò)目前依然以10G為主。

（2）性價(jià)比。目前每GB的的費(fèi)用IB的綜合成本為以太網(wǎng)絡(luò)的一半，25G、100G以太網(wǎng)絡(luò)價(jià)格很高，大規(guī)模商用成本很高，IB的100G商用市場(chǎng)價(jià)格成熟。

（3）性能。TCP的性能開(kāi)銷遠(yuǎn)高于IB的RDMA開(kāi)銷。

（4）通用性。以太的兼容性非常好，適用場(chǎng)景廣泛，目前以太網(wǎng)絡(luò)也能支持RoCE（RDMA over以太）但是支持的設(shè)備非常少，支持的軟件就更少了，成熟度也不高。

3 電力ERP分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)

分布式分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)融合了實(shí)時(shí)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)，以內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)滿足網(wǎng)絡(luò)情況下控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，能夠推動(dòng)電力系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。以此理念為基礎(chǔ)并最大程度利用Infiniband網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載之間的均衡以及雙機(jī)備用，其中較為典型的ERP系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1能夠得知ERP系統(tǒng)中存在著多種類型的服務(wù)器，不同應(yīng)用服務(wù)器中都設(shè)置有差異化的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)以及服務(wù)進(jìn)程，并且不同類型服務(wù)器之間也可以實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享和交換，以此來(lái)確保數(shù)據(jù)的同步性以及一致性。在充分考慮電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)要求的基礎(chǔ)上可以將數(shù)據(jù)氛圍“動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)”、“靜態(tài)數(shù)據(jù)”、“統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)”等類型，對(duì)于這些不同類型數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)需要采取“提取頻繁訪問(wèn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)”以及“計(jì)算數(shù)據(jù)和部分必要靜態(tài)屬性信息”等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。

在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了確保實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享可以采用現(xiàn)行操作系統(tǒng)所具有的共享內(nèi)存機(jī)制，在初始化過(guò)程中就可以將整個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)映像文件載入到共享內(nèi)存區(qū)當(dāng)中，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)將完整的數(shù)據(jù)庫(kù)或者其中某一部分映射到相應(yīng)的虛擬地址空間中來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。可以通過(guò)指針的方式來(lái)應(yīng)對(duì)關(guān)系以及索引數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中的情況，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)利用指針或者數(shù)據(jù)庫(kù)偏移量訪問(wèn)數(shù)據(jù)來(lái)快速實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橹羔樉哂泄潭ǖ拈L(zhǎng)度，所以能夠有效處理變長(zhǎng)字段方面的問(wèn)題。除此之外，如果數(shù)據(jù)庫(kù)中多次出現(xiàn)較大的數(shù)據(jù)對(duì)象，那么只要在內(nèi)存中存儲(chǔ)以此即可，其他的地方就可以利用指針對(duì)其進(jìn)行引用。

分布式分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)主要包括“數(shù)據(jù)庫(kù)模式信息區(qū)”、“數(shù)據(jù)段索引區(qū)”、“數(shù)據(jù)段信息區(qū)”以及“數(shù)據(jù)區(qū)”等相互獨(dú)立的共享內(nèi)存區(qū)，一般情況下數(shù)據(jù)段信息區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)都是共同應(yīng)用的，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中不同數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行映射。另外，對(duì)于某些較為常用的數(shù)據(jù)表來(lái)說(shuō)，可以增設(shè)一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，可以通過(guò)哈希函數(shù)直接查詢到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，從而提升訪問(wèn)速度。對(duì)于數(shù)據(jù)區(qū)當(dāng)中的每一個(gè)屬性來(lái)說(shuō)，都是通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)指定的，所以為了進(jìn)一步提升訪問(wèn)速度可以將某些常用信息實(shí)時(shí)冗余配置。同時(shí)，電力系統(tǒng)中某些應(yīng)用軟件會(huì)通過(guò)連續(xù)內(nèi)存實(shí)施數(shù)據(jù)處理，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，所以在鏡像內(nèi)存映像過(guò)程中，每個(gè)關(guān)系表數(shù)據(jù)空間都要實(shí)施連續(xù)內(nèi)存分配。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)內(nèi)存組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

4.1 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的部署設(shè)計(jì)

通過(guò)部署計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的硬件分布設(shè)置，從ERP系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖中能夠得知，關(guān)鍵服務(wù)節(jié)點(diǎn)都采取的是多副本的模式，這樣能夠確保內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)復(fù)制備份，并且也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載之間的均衡性。例如對(duì)于三臺(tái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，正常運(yùn)行過(guò)程中每個(gè)服務(wù)器都負(fù)責(zé)直屬下級(jí)網(wǎng)絡(luò)采集終端（RTU）數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸以及解析，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)流以及訪問(wèn)服務(wù)均衡負(fù)載。一旦某些服務(wù)器出現(xiàn)故障，另外的服務(wù)器就會(huì)立即接管服務(wù)而保證無(wú)縫連接。故障服務(wù)器恢復(fù)之后每個(gè)服務(wù)器重新回到正常狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和訪問(wèn)的均衡性處理。

內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)文件分布式設(shè)置。通過(guò)內(nèi)存結(jié)構(gòu)示意圖能夠得知，電力ERP系統(tǒng)具有前置數(shù)據(jù)采集通信服務(wù)、SCADA服務(wù)、PAS應(yīng)用服務(wù)和DTS應(yīng)用服務(wù)等多個(gè)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)處理服務(wù)。每種類型的服務(wù)模式對(duì)于數(shù)據(jù)的要求也有所差異，因此需要按照部署服務(wù)節(jié)點(diǎn)的差異而形成不同內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)映像文件，在對(duì)數(shù)據(jù)映像進(jìn)行訪問(wèn)過(guò)程中分別實(shí)時(shí)加載就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。

對(duì)于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)客戶/服務(wù)器模式進(jìn)行建設(shè)，對(duì)于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)說(shuō)，整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)作為參考，而其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)參照此節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，所以將設(shè)置在主機(jī)上的內(nèi)存數(shù)據(jù)稱之為參考庫(kù)，而將設(shè)置在備用機(jī)上的內(nèi)存數(shù)據(jù)稱之為復(fù)制庫(kù)。

4.2 實(shí)現(xiàn)分布部署的關(guān)鍵技術(shù)分析

數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)復(fù)制技術(shù)（DAR）分析，通過(guò)有效的數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)復(fù)制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)以上所述“參考庫(kù)”以及“復(fù)制庫(kù)”之間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。按照數(shù)據(jù)更新的差異，數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)復(fù)制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新以及下載等方面的內(nèi)容。數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)復(fù)制技術(shù)總的來(lái)說(shuō)可以分成三種技術(shù)類型：

（1）非優(yōu)化更新/下載技術(shù)。此技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模相對(duì)較小的情況下，并不適合規(guī)模較大且完全下載持續(xù)時(shí)間的數(shù)據(jù)庫(kù)，尤其是在數(shù)據(jù)庫(kù)只是某些部分需要修改，而復(fù)制庫(kù)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求下載的情況下;

（2）基本更新/下載技術(shù)。此技術(shù)能夠選擇性的進(jìn)行復(fù)制庫(kù)請(qǐng)求以及出現(xiàn)變化表的下載，利用mod count字段進(jìn)行表的修改計(jì)數(shù)，在實(shí)際運(yùn)行中若是數(shù)據(jù)庫(kù)更新器對(duì)于表實(shí)施修改，那么modcount字段就會(huì)自動(dòng)增加并且此字段新值被傳播給全部復(fù)制數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣全部數(shù)據(jù)庫(kù)能夠得到及時(shí)更新。若是所復(fù)制數(shù)據(jù)庫(kù)需要主動(dòng)下載，那么其會(huì)先向參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)下載服務(wù)器發(fā)送mod count，在滿足條件的情況下下載相應(yīng)表。

（3）增強(qiáng)更新/下載技術(shù)。此技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)和復(fù)制庫(kù)請(qǐng)求表中被修改記錄的下載，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)修改的檢測(cè)，此技術(shù)要設(shè)置更改計(jì)數(shù)表來(lái)放置基本表項(xiàng)的更改次數(shù)。但是在實(shí)施時(shí)具有額外的內(nèi)存開(kāi)銷，所以此技術(shù)比較適合用在更改基本項(xiàng)的超大表中。

4.3 心跳報(bào)文廣播服務(wù)

雖然多機(jī)具有同樣的優(yōu)先級(jí)，但是在多機(jī)設(shè)置時(shí)會(huì)在某一時(shí)間點(diǎn)存在一臺(tái)作為主機(jī)服務(wù)，其他的作為備機(jī)。先要按照服務(wù)進(jìn)程配置參數(shù)設(shè)定某臺(tái)當(dāng)做主服務(wù)器，提供其相對(duì)較高的優(yōu)先級(jí)，而其他機(jī)器的服務(wù)級(jí)別相對(duì)較低。那么先要通過(guò)最高級(jí)別的服務(wù)器作為主機(jī)進(jìn)行使用，主機(jī)和備機(jī)利用廣播的心跳報(bào)文確保通信的同步以及服務(wù)的監(jiān)控和切換。

心跳報(bào)文廣播具有比較高的效率，主要通過(guò)UDP協(xié)議進(jìn)行通信，更適合應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)未知的情況下，但是其可靠性相對(duì)較低，若是系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)性報(bào)文廣播，那么其報(bào)文丟失率接近1/5。通過(guò)對(duì)以往具體情況分析得知，報(bào)文丟失更多出現(xiàn)在接收端，造成此問(wèn)題的主要原因在于網(wǎng)卡中斷的處理效率相對(duì)較低，接收線程無(wú)法對(duì)連續(xù)報(bào)文進(jìn)行處理，從而造成接收?qǐng)?bào)文隊(duì)列溢出的問(wèn)題。為了能夠有效提升其可靠性，可以對(duì)小報(bào)文進(jìn)行緩存合并，每個(gè)報(bào)文發(fā)送之間采取一定間歇及采取雙收策略，實(shí)際應(yīng)用表明這樣可基本消除報(bào)文丟失現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)電力ERP系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵性計(jì)數(shù)實(shí)施了較為詳盡的闡述。通過(guò)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用能夠有效增加系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的效率、降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，具有非常使用的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)電力系統(tǒng)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

以某省公司電力ERP系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分布式改造為例，在ERP系統(tǒng)資產(chǎn)余額查詢、人資普查報(bào)表、合同信息查詢、項(xiàng)目采購(gòu)清單顯示和工單查詢統(tǒng)計(jì)報(bào)表等100余項(xiàng)核心功能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，使用基于X86的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)小型機(jī)系統(tǒng)相比，響應(yīng)時(shí)間縮短3-20倍，系統(tǒng)整體性能提升超10倍，1/0讀寫能力提升超100倍，計(jì)算能力提升達(dá)15倍，大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)查詢提升8-30倍，系統(tǒng)更加穩(wěn)定高效。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

吳斗（1989-），男，四川省資陽(yáng)市人。碩士研究生，工程師。主要從事信息化建設(shè)、運(yùn)維管理工作，研究方向?yàn)檫\(yùn)維自動(dòng)化、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能。

蔣何（1992-），男，四川省遂寧市人。碩士研究生，助理工程師。主要從事信息系統(tǒng)運(yùn)維工作。

金鑫（1990-），男，四川省成都市人。大學(xué)本科學(xué)歷，助理工程師。主要從事信息系統(tǒng)運(yùn)維工作。

李海（1982-），男，四川省綿陽(yáng)市人。大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，主要從事數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)維工作及數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)優(yōu)化工作。