秦 昳

(西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710054)

0 引 言

在航天產(chǎn)品可靠性工作開展過程中，建立可靠性數(shù)據(jù)庫是一項(xiàng)非常重要的工作［1］，但卻沒有得到足夠的重視?？煽啃詳?shù)據(jù)庫，是為了滿足可靠性研究和可靠性設(shè)計(jì)工作所必需的各種數(shù)據(jù)資料的集合體，是可靠性工程師進(jìn)行準(zhǔn)確可靠性設(shè)計(jì)的必要條件［2-3］。在方案論證階段，系統(tǒng)工程師和可靠性工程師要借助于數(shù)據(jù)庫全面研究現(xiàn)有的同類產(chǎn)品或類似產(chǎn)品的可靠性、維修性、總結(jié)規(guī)律性，為研制產(chǎn)品提供可靠性模型，選定適當(dāng)?shù)目煽啃粤慷龋⒖煽啃灾笜?biāo)。在設(shè)計(jì)階段，可靠性工程師要利用數(shù)據(jù)庫全面了解有關(guān)材料，零件、元件和部件的可靠性情況，進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配，把系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)變成分系統(tǒng)、部件、器件、元件和零件的可靠性指標(biāo)。在設(shè)計(jì)評審、生產(chǎn)以及產(chǎn)品改進(jìn)中，同樣要利用數(shù)據(jù)庫去保持或提高產(chǎn)品的可靠性［4］?？煽啃詳?shù)據(jù)庫應(yīng)該包括以下3 個方面的內(nèi)容［5］:第一，來自科研單位的論文和研究報告;涉及到可靠性數(shù)學(xué)建模方法，可靠性設(shè)計(jì)和評審方法等方面;第二，來自實(shí)驗(yàn)室和外場基地的;涉及到元件、部件和整機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)報告和鑒定數(shù)據(jù)報告;第三，來自使用部隊(duì)及使用方，產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究所和產(chǎn)品生產(chǎn)方的故障分析報告;涉及故障率，有效度、故障模式、維修性等方面。

然而在目前的實(shí)際工作中，由于數(shù)據(jù)的多樣性和多源性，各方面的數(shù)據(jù)都是采用各自獨(dú)立的一套系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫軟件以及相應(yīng)的服務(wù)器和存儲器［6-7］。這種工作模式勢必會產(chǎn)生諸如數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)操作效率低，無法快速有效的獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，整個數(shù)據(jù)的監(jiān)控和安全機(jī)制無法統(tǒng)一調(diào)度等方面的缺陷［8］。

因此，文中以關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫為著眼點(diǎn)，研究一種新的數(shù)據(jù)庫體系架構(gòu)來適應(yīng)航天產(chǎn)品可靠性信息的復(fù)雜性，海量性和多源性特點(diǎn)。

1 關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫服務(wù)模型

1.1 關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型

云數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求選擇不同的數(shù)據(jù)模型，主要包括:鍵/值模型和關(guān)系模型［9-10］。關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫模型引入行組和表組等相關(guān)概念。每個表仍然表示一個邏輯關(guān)系，但每個表都新增加一個分區(qū)鍵列用來對本表進(jìn)行區(qū)分。具有相同分區(qū)鍵類型的多個表的集合稱為表組，在同一表組中分區(qū)鍵值相同的行的集合稱為行組［11］。如圖1 所示，表1 和表2 各自有一個分區(qū)鍵列并且數(shù)據(jù)類型相同，所以表1 和表2 屬于同一個表組。在表1 和表2 中分區(qū)鍵值為25 的行共有三行，屬于同一個行組。圖1 還顯示了表組有不同的數(shù)據(jù)分區(qū)，但同一行組都在一個分區(qū)中。

1.2 數(shù)據(jù)訪問策略

在上述關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫模型中，不論行屬于哪一個表，只要這些行屬于同一個行組就會被分配到同一個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上，同時每個表組包括一個或多個行組，這些行組會分配到不同的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上［12-13］。而數(shù)據(jù)分區(qū)通常是按照分區(qū)鍵值的范圍進(jìn)行劃分，并且每個數(shù)據(jù)分區(qū)含有多個行組，所以每個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都將存儲相應(yīng)分區(qū)鍵值區(qū)間內(nèi)的所有行。圖2 描述了關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問方法。當(dāng)客戶端有數(shù)據(jù)請求時，先向云數(shù)據(jù)管理服務(wù)器請求一段分區(qū)的映射，服務(wù)器應(yīng)答向客戶端返回;客戶端得到服務(wù)器的應(yīng)答之后根據(jù)分區(qū)鍵值匹配正確的數(shù)據(jù)存儲位置，同時向?qū)?yīng)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請求，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)收到客戶端的請求之后應(yīng)答將數(shù)據(jù)提供給客戶端。

2 航天產(chǎn)品可靠性信息數(shù)據(jù)庫平臺架構(gòu)構(gòu)建

在可靠性信息數(shù)據(jù)收集的過程中，數(shù)據(jù)具有區(qū)域性的特點(diǎn)，結(jié)合上述關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫模型特點(diǎn)和存儲方法，文中將按照分區(qū)管理的思路構(gòu)建可靠性信息數(shù)據(jù)庫架構(gòu)。

根據(jù)圖2 描述的數(shù)據(jù)存儲方法，將整個可靠性信息數(shù)據(jù)庫平臺的處理過程也分為3 個部分:客戶端，云服務(wù)器和若干數(shù)據(jù)區(qū)域。下面分別構(gòu)造每個節(jié)點(diǎn)的工作流程。

2.1 數(shù)據(jù)區(qū)域

每個數(shù)據(jù)區(qū)域包含多個數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)，每一個數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)都是一個虛擬機(jī)，一個數(shù)據(jù)區(qū)域可以看做一個包含許多虛擬機(jī)的虛擬機(jī)組，這樣每個數(shù)據(jù)區(qū)域都可以根據(jù)各自的數(shù)據(jù)量來動態(tài)改變虛擬機(jī)的數(shù)量。通常一個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)庫會被分散到若干個數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)(虛擬機(jī))中，因此還需要給每個虛擬機(jī)上安裝相應(yīng)的管理服務(wù)，負(fù)責(zé)交換和監(jiān)控每個數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)信息。對于數(shù)據(jù)區(qū)域來說，每個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)都獨(dú)立向外提供SQL 服務(wù)，可以不依賴于任何一個其他數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)而存在于平臺中。結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

在整個架構(gòu)中，每個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)都具有故障轉(zhuǎn)移，數(shù)據(jù)備份的能力，同時它們的軟件結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是相同的，是同質(zhì)的，只是物理結(jié)構(gòu)可以不同［14-15］。這樣的設(shè)計(jì)可以保證當(dāng)云服務(wù)器增加一個新的業(yè)務(wù)時，只要有一個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)可以運(yùn)行，那么所有的數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)都可以運(yùn)行。

2.2 云服務(wù)器

如圖4 所示，整個可靠性信息平臺中的云服務(wù)器由服務(wù)層、系統(tǒng)管理模塊、資源管理模塊、安全管理模塊、關(guān)系數(shù)據(jù)庫資源模塊5 部分組成。

其中服務(wù)層的主要功能是負(fù)責(zé)給客戶端提供服務(wù)，包括獲取數(shù)據(jù)庫連接，返回?cái)?shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)信息，對整個系統(tǒng)進(jìn)行配置和監(jiān)控。系統(tǒng)管理模塊的主要功能是用戶賬號的配置和權(quán)限管理，數(shù)據(jù)區(qū)域的映射，多個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的并發(fā)控制和調(diào)度。資源管理模塊的主要任務(wù)是監(jiān)測各個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，一旦發(fā)生故障時啟動修復(fù)程序或屏蔽程序。安全管理模塊的主要功能是保障云服務(wù)的整體安全性，確認(rèn)云服務(wù)的身份。關(guān)系數(shù)據(jù)庫資源模塊和各個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)相連接，它的主要功能是控制動態(tài)的增加或減少數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)。

圖4 云服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Cloud sever system structure

2.3 客戶端

客戶端在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問之前，先訪問云服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，獲得適合與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的某些數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的信息，產(chǎn)生連接描述符，連接相關(guān)的數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)為客戶端提供SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)。

綜上所述，航天產(chǎn)品可靠性信息數(shù)據(jù)庫平臺架構(gòu)如圖5 所示。

3 航天產(chǎn)品可靠性信息數(shù)據(jù)庫平臺架構(gòu)分析

如圖5 所示，客戶端和云服務(wù)器之間的傳輸只有控制流而沒有數(shù)據(jù)，而客戶端和各個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且可以同時訪問多個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)，從而使得整個平臺的輸入輸出操作可以并行執(zhí)行，整體性能得到提高。另外云服務(wù)器可以協(xié)調(diào)各個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)同步工作，這樣便于進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘工作，提高該平臺的資源利用率。

在目前可靠性工作中使用的數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)中，所有的數(shù)據(jù)集中在一起，隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷變大，數(shù)據(jù)的備份效率越來越低，數(shù)據(jù)丟失或錯誤的風(fēng)險也會不斷變大。而采用文中提出的模型構(gòu)建可靠性信息數(shù)據(jù)庫平臺，當(dāng)數(shù)據(jù)量增加到趨于飽和狀態(tài)時，可以采用分割的方法，將大的數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)分割成小的數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)，整個平臺在云服務(wù)器的控制下也可以動態(tài)增加新的數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)，同時原來的獨(dú)立備份也可劃分為多個小的獨(dú)立備份。這樣可以提供高效可靠的備份機(jī)制。

反之，當(dāng)平臺出現(xiàn)處理能力下降或不足的情況時，同樣可以采用分割的方式以老換新，提高數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的處理能力，完成平穩(wěn)的平臺升級。此外，由于各個數(shù)據(jù)區(qū)域節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)庫是同構(gòu)的，所以便于實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)的互通和置換，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫高效統(tǒng)一。

4 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫模型下的數(shù)據(jù)訪問策略，構(gòu)建航天產(chǎn)品可靠性信息云數(shù)據(jù)庫平臺。

2)通過對該云數(shù)據(jù)庫平臺架構(gòu)的分析，驗(yàn)證了構(gòu)建方法的有效性。為提高當(dāng)前可靠性信息管理系統(tǒng)的系統(tǒng)擴(kuò)充，數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)，業(yè)務(wù)部署和安全管理能力提供技術(shù)思路。

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