收稿日期：2023-05-22

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.04.010

摘? 要：文章介紹了某艦船武器調(diào)度系統(tǒng)高可用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，其硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)均采用熱備方式。方案應(yīng)用在軍用船艙中，所設(shè)計(jì)的硬件既能節(jié)省空間又能在多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)冗余，且出現(xiàn)故障時(shí)互相不影響。軟件設(shè)計(jì)上采用容錯(cuò)軟件將兩塊計(jì)算單元組成雙機(jī)熱備系統(tǒng)；采用同步鏡像軟件將數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)到兩個(gè)磁盤陣列；采用連續(xù)備份軟件將兩塊計(jì)算單元的操作系統(tǒng)和重要數(shù)據(jù)備份。這種高可用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案消除了艦船數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中設(shè)備或軟件單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的軍事意義和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫(kù)；雙機(jī)熱備；鏡像；主備

中圖分類號(hào)：U665.261? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）04-0046-04

High Availability Data Storage Scheme for Shipborne Weapon Scheduling System

LIU Zhaoxia1， 2， 3

（1.The 713 Research Institute of CSSC， Zhengzhou 450015， China; 2.The Key Laboratory for Smart Field Area Management and Scheduling Technology? in Zhengzhou City， Zhengzhou? 450015， China; 3.The Key Laboratory for Intelligent Scheduling and Transportation Technology， Zhengzhou? 450015， China）

Abstract： This paper introduces a high availability data storage scheme for a ship's weapon scheduling system. The hardware and software designs both adopt a hot standby method. The scheme is applied in military cabins， and the designed hardware can save space and achieve redundancy in multiple aspects， without affecting each other in case of failure. In terms of software design， fault-tolerant software is used to form a dual machine hot standby system with two computing units. It uses synchronous mirroring software to synchronize and store database data on two disk arrays， and uses continuous backup software to backup the operating systems and important data of two computing units. This highly availability data storage scheme eliminates the risk of single point failure of equipment or software in ship database systems， and has good military significance and social benefits.

Keywords： database; hot standby; mirror image; standby

0? 引? 言

關(guān)鍵數(shù)據(jù)的持續(xù)可用和安全問題關(guān)系到軍用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的生存和發(fā)展。保證數(shù)據(jù)的持續(xù)可用和安全的需求也越來(lái)越多樣化，單一的解決方案已經(jīng)不能滿足用戶的實(shí)際需求。因此，采用高可用解決方案保證數(shù)據(jù)持續(xù)可用和安全，可徹底解決軍用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中設(shè)備或軟件單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

本方案提供一種某艦載武器調(diào)度系統(tǒng)高可用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器故障時(shí)，僅僅使用一次服務(wù)器的重新啟動(dòng)即可以修復(fù)故障服務(wù)器，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中高可用系統(tǒng)設(shè)備或軟件單點(diǎn)故障的問題，極大地降低服務(wù)器的維護(hù)次數(shù)，延長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的維修周期，節(jié)省數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)成本。

1? 硬件軟件組成

本方案應(yīng)用在軍用船艙里，要求硬件選型必須節(jié)省空間。在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上都采用了熱備方式，這種高可用解決方案能夠保障數(shù)據(jù)不丟失和系統(tǒng)不停頓，解決了軍用船艙數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。本方案應(yīng)用硬件如圖1所示。

（a）計(jì)算單元? （b）磁盤陣列

圖1? 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器示意圖

本方案所有硬件采用海軍鑒定的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜和組件，硬件的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)節(jié)省空間，并且在多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)冗余，出現(xiàn)故障互相不影響，其硬件包括：

1）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用軍用機(jī)柜內(nèi)配置四塊計(jì)算單元，兩兩計(jì)算單元組成主備數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)雙冗余。

2）四個(gè)計(jì)算單元安裝了兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，正常數(shù)據(jù)庫(kù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件雙冗余。

每個(gè)計(jì)算單元采用雙硬盤，實(shí)現(xiàn)雙冗余：

3）每個(gè)計(jì)算單元采用多個(gè)網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)雙冗余。

4）數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)采用軍用機(jī)柜內(nèi)配置兩個(gè)磁盤陣列，實(shí)現(xiàn)雙冗余。

5）雙網(wǎng)卡心跳檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)心跳檢測(cè)雙冗余。

6）服務(wù)器使用UPS提供斷電保護(hù)，實(shí)現(xiàn)斷電后數(shù)據(jù)不丟失。

本方案每個(gè)組件采用成熟技術(shù)確保硬件安全，包括：

1）每個(gè)計(jì)算單元的雙硬盤采用Raid0或Raid1設(shè)置，提升讀寫速度或避免單硬盤故障。

2）每個(gè)磁盤陣列采用Raid5實(shí)現(xiàn)硬盤容錯(cuò)。

3）網(wǎng)卡采用IPMP將雙網(wǎng)卡綁定為一個(gè)網(wǎng)卡，避免單網(wǎng)卡故障。

本方案采用多種雙機(jī)熱備技術(shù)，包括：

1）采用容錯(cuò)軟件，將兩塊計(jì)算單元組成雙機(jī)熱備系統(tǒng)，設(shè)置雙心跳檢測(cè)，對(duì)外提供一個(gè)虛擬IP供用戶訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）采用同步鏡像軟件，將數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)在兩個(gè)磁盤陣列。

3）采用連續(xù)備份軟件，將兩塊計(jì)算單元的操作系統(tǒng)和重要數(shù)據(jù)備份。

2? 具體實(shí)施方式

雙機(jī)熱備方案實(shí)現(xiàn)首先使用兩個(gè)計(jì)算單元（第一計(jì)算單元test01、第二計(jì)算單元test02）和兩個(gè)磁盤陣列（第一磁盤陣列Z1、第二磁盤陣列Z2），兩個(gè)計(jì)算單元一主一備，兩臺(tái)磁盤陣列一主一備；兩個(gè)計(jì)算單元安裝操作系統(tǒng)為Windows Server 2008 R2，數(shù)據(jù)庫(kù)為Oracle 11g。兩個(gè)機(jī)柜內(nèi)部采用交換設(shè)備互聯(lián)，負(fù)責(zé)計(jì)算單元和磁盤陣列的網(wǎng)絡(luò)通信，具體實(shí)施方式如圖2所示。

實(shí)施步驟具體如下：

1）將兩個(gè)磁盤陣列采用Raid5設(shè)置硬盤容錯(cuò)，一個(gè)磁盤發(fā)生損壞后，不會(huì)影響數(shù)據(jù)的完整性，從而提高磁盤陣列的安全性和可靠性。

2）計(jì)算單元采用雙硬盤配置，可以采用三種方法處理：第一種可以采用Raid1避免單硬盤故障，兩個(gè)硬盤里的數(shù)據(jù)完全一樣，一旦其中一個(gè)硬盤壞了，依靠另一個(gè)硬盤，計(jì)算單元依然能正常運(yùn)行；第二種可以采用Raid0提高存取速度；第三種可以采用操作系統(tǒng)鏡像方式，將計(jì)算單元其中一個(gè)硬盤安裝配置完成后鏡像安裝在另一個(gè)硬盤中備用，其中一個(gè)硬盤損壞后，計(jì)算單元操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)在BIOS中設(shè)置啟動(dòng)另一個(gè)硬盤實(shí)現(xiàn)硬盤切換。

圖2? 雙機(jī)熱備方案示意圖

3）兩個(gè)計(jì)算單元均安裝同步鏡像軟件，利用同步鏡像軟件將數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)在兩個(gè)磁盤陣列，保證兩臺(tái)磁盤陣列的數(shù)據(jù)保持一致，在服務(wù)器系統(tǒng)中兩臺(tái)磁盤陣列采用虛擬技術(shù)虛擬成一臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備提供給計(jì)算單元使用，用戶向虛擬的存儲(chǔ)設(shè)備中提交的數(shù)據(jù)，同步鏡像軟件同時(shí)將數(shù)據(jù)復(fù)制到兩臺(tái)真實(shí)磁盤陣列中。

4）第一磁盤陣列Z1、第二磁盤陣列Z2充當(dāng)存儲(chǔ)，用來(lái)存放數(shù)據(jù)，兩個(gè)計(jì)算單元使用iSCSI連接兩個(gè)磁盤陣列。采用同步鏡像軟件，將第一磁盤陣列Z1和第二磁盤陣列Z2虛擬成一個(gè)虛擬陣列，計(jì)算單元將數(shù)據(jù)寫入虛擬陣列中，實(shí)際上是同時(shí)將數(shù)據(jù)寫入到第一磁盤陣列Z1和第二磁盤陣列Z2。當(dāng)?shù)谝淮疟P陣列Z1損壞之后，第二磁盤陣列Z2即刻接管業(yè)務(wù)，繼續(xù)提供數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)層面確保了服務(wù)的連續(xù)性。當(dāng)修復(fù)的磁盤陣列重新上線使用時(shí)，鏡像軟件會(huì)將第一磁盤陣列Z1和第二磁盤陣列Z2做數(shù)據(jù)增量同步，確保數(shù)據(jù)的一致性。

5）虛擬的磁盤陣列在主備計(jì)算單元需要指定相同的驅(qū)動(dòng)器符號(hào)，如圖3所示，設(shè)置虛擬磁盤陣列磁盤1為Z盤。

6）兩個(gè)計(jì)算單元均安裝容錯(cuò)軟件，利用容錯(cuò)軟件將主數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算單元與備用數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算單元組成一對(duì)雙機(jī)熱備系統(tǒng)，設(shè)置雙心跳監(jiān)測(cè)、對(duì)外虛擬IP、卷

鎖、監(jiān)控Oracle服務(wù)和監(jiān)聽。

圖3? 磁盤1為虛擬磁盤陣列示意圖

7）計(jì)算單元test01包括至少5塊網(wǎng)卡，將網(wǎng)卡1和網(wǎng)卡2采用雙網(wǎng)綁定功能IPMP將兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)卡綁定為一個(gè)對(duì)外使用IP為192.168.10.110。計(jì)算單元test02進(jìn)行同樣設(shè)置，將網(wǎng)卡1和網(wǎng)卡2采用雙網(wǎng)綁定功能IPMP將兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)卡綁定為一個(gè)對(duì)外使用IP為192.168.10.120。

8）首先使用容錯(cuò)軟件創(chuàng)建心跳，心跳是兩個(gè)計(jì)算單元的通信通道，只有建立了心跳才能監(jiān)聽到相互的狀態(tài)，連接狀態(tài)正常才能進(jìn)行后續(xù)的配置，如圖4所示。對(duì)外網(wǎng)絡(luò)和心跳的IP設(shè)置在不同網(wǎng)段，計(jì)算單元其他網(wǎng)卡可使用不同網(wǎng)段連接磁盤陣列。

圖4? 心跳狀態(tài)正常示意圖

9）計(jì)算單元test01網(wǎng)卡3（IP為10.0.0.3）和網(wǎng)卡4（IP為10.0.0.1）做雙心跳設(shè)置，計(jì)算單元test02網(wǎng)卡3（IP為10.0.0.4）和網(wǎng)卡4（IP為10.0.0.2）做雙心跳設(shè)置。計(jì)算單元test01網(wǎng)卡3監(jiān)聽計(jì)算單元test02網(wǎng)卡3的狀態(tài)，計(jì)算單元test01網(wǎng)卡4監(jiān)聽計(jì)算單元test02網(wǎng)卡4的狀態(tài)，只要有一個(gè)心跳狀態(tài)正常，容錯(cuò)軟件就能實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備應(yīng)用。

10）使用容錯(cuò)軟件創(chuàng)建虛擬IP，兩個(gè)計(jì)算單元的對(duì)外的IP地址是容錯(cuò)軟件虛擬出來(lái)的IP地址，為兩個(gè)計(jì)算單元對(duì)外提供訪問的IP地址，即用戶客戶端訪問的IP地址，對(duì)外使用的綁定IP要和虛擬IP設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段，本次設(shè)置的三個(gè)IP在同一個(gè)192.168.10網(wǎng)段。將兩個(gè)計(jì)算單元雙網(wǎng)卡綁定IP（192.168.10.110和192.168.10.120）虛擬成一個(gè)IP（192.168.10.100），其中一臺(tái)為主，出現(xiàn)問題時(shí)另外一臺(tái)接管這個(gè)IP，對(duì)外只需要提供192.168.10.100即可供用戶訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖5所示。

11）使用容錯(cuò)軟件創(chuàng)建卷鎖，對(duì)共享磁盤陣列文件系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制是設(shè)置卷鎖，不允許兩個(gè)計(jì)算單元同時(shí)操作共享虛擬磁盤陣列。設(shè)置卷鎖后文件不能同時(shí)被來(lái)自兩個(gè)計(jì)算單元的系統(tǒng)訪問，避免了對(duì)文件系統(tǒng)造成損壞。創(chuàng)建完成卷鎖以后，在主計(jì)算單元上可以正常讀寫共享磁盤陣列，在備計(jì)算單元是不顯示共享磁盤陣列的，主計(jì)算單元故障切換至備用計(jì)算單元時(shí)才能在備用計(jì)算單元顯示共享磁盤陣列，備用顯示也是Z盤。

12）在主計(jì)算單元安裝Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，卷鎖切換至主計(jì)算單元上，將數(shù)據(jù)文件存放在Z盤；在備用計(jì)算單元安裝Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，卷鎖切換至備用計(jì)算單元上，刪除Z盤已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)文件，將新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件存放在Z盤。

13）在Oracle Net Manager中增加主機(jī)為192.168.

10.100數(shù)據(jù)庫(kù)的監(jiān)聽和服務(wù)。

14）使用容錯(cuò)軟件創(chuàng)建NT服務(wù)資源，為保障雙機(jī)熱備的正常使用，應(yīng)該通過(guò)容錯(cuò)軟件來(lái)完成啟動(dòng)和停止NT服務(wù)。將Oracle的“OracleServiceDatabaseName”和“OracleOraDb10g_home1TNSListener”兩個(gè)服務(wù)依次添加成容錯(cuò)軟件里的NT服務(wù)資源。

15）在操作系統(tǒng)的服務(wù)列表中停止Oracle的“OracleServiceDatabaseName”和“OracleOraDb10g_home1TNSListener”兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)，并設(shè)置啟動(dòng)類型為“手動(dòng)”，由容錯(cuò)軟件啟動(dòng)和停止數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)和監(jiān)聽。

16）雙機(jī)熱備配置完成后，為保障兩個(gè)計(jì)算單元之間心跳線的正常工作，打開兩個(gè)計(jì)算單元的防火墻，關(guān)閉防火墻或開啟軟件使用的所有相關(guān)端口。

17）殺毒軟件的查殺、掃描和惡意檢測(cè)行為會(huì)干擾雙機(jī)熱備軟件，應(yīng)該在殺毒軟件的“文件白名單”和“目錄白名單”兩個(gè)選項(xiàng)卡將相關(guān)文件排除在外。

18）配置完成雙機(jī)熱備后進(jìn)行測(cè)試，可采用網(wǎng)絡(luò)故障切換測(cè)試、關(guān)機(jī)測(cè)試、關(guān)閉進(jìn)程測(cè)試、客戶端連接測(cè)試等方法，主機(jī)備機(jī)逐個(gè)資源啟動(dòng)停止，確保測(cè)試充分。圖6為雙機(jī)熱備資源啟動(dòng)正常示意圖。

圖6? 雙機(jī)熱備4資源啟動(dòng)正常示意圖

19）按照相同步驟在另外兩個(gè)計(jì)算單元上安裝訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)，正常數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)真實(shí)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，正常數(shù)據(jù)庫(kù)故障可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)中直接使用。

20）采用連續(xù)備份軟件將兩塊計(jì)算單元的操作系統(tǒng)和重要數(shù)據(jù)備份，實(shí)時(shí)監(jiān)控操作系統(tǒng)狀態(tài)，操縱系統(tǒng)故障時(shí)自動(dòng)還原故障系統(tǒng)，重要數(shù)據(jù)丟失時(shí)將數(shù)據(jù)還原到發(fā)生意外前一秒鐘時(shí)狀態(tài)。

對(duì)于本系統(tǒng)而言，對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求較高，因此服務(wù)器機(jī)柜另外還配置了UPS供電，當(dāng)外部供電中斷時(shí)UPS報(bào)警，電池組能夠維持至少10分鐘，確保數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器有充足時(shí)間保存數(shù)據(jù)和關(guān)機(jī)，避免數(shù)據(jù)丟失。

本方案應(yīng)用在普通雙機(jī)熱備數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單配置為每臺(tái)服務(wù)器至少要有兩塊網(wǎng)卡，其中一塊網(wǎng)卡使用直連線連接兩臺(tái)服務(wù)器，專門用于配置心跳線；另外一塊網(wǎng)卡用于配置外網(wǎng)訪問，同時(shí)兼做心跳線。同一臺(tái)服務(wù)器兩塊網(wǎng)卡的IP地址設(shè)置在不同網(wǎng)段即可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備。

3? 效果分析

1）本方案利用容錯(cuò)軟件將主數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算單元與備用數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算單元組成一對(duì)雙機(jī)熱備系統(tǒng)，設(shè)置雙心跳監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)安裝在兩塊計(jì)算單元上，對(duì)外提供一個(gè)虛擬IP供用戶訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）利用同步鏡像軟件將數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)在兩個(gè)磁盤陣列，確保兩臺(tái)磁盤陣列的數(shù)據(jù)在任何時(shí)候保持一致，在服務(wù)器系統(tǒng)中采用虛擬技術(shù)將兩臺(tái)磁盤陣列虛擬成一臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備提供給計(jì)算單元使用，對(duì)于用戶向虛擬的存儲(chǔ)設(shè)備中提交的數(shù)據(jù)，同步鏡像軟件同時(shí)將數(shù)據(jù)復(fù)制到兩臺(tái)真實(shí)磁盤陣列中。

3）采用連續(xù)備份軟件將兩塊計(jì)算單元的操作系統(tǒng)和重要數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，實(shí)時(shí)監(jiān)控操作系統(tǒng)狀態(tài)。

4）數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算單元采用雙硬盤備用，避免單硬盤故障；采用雙網(wǎng)卡綁定IPMP將兩個(gè)網(wǎng)卡綁定為一個(gè)網(wǎng)卡，防止單網(wǎng)卡故障；將兩個(gè)磁盤陣列采用Raid5硬盤容錯(cuò)設(shè)置，提高磁盤陣列安全性；UPS機(jī)柜提供斷電保護(hù)，避免數(shù)據(jù)丟失。

最后，在服務(wù)器故障時(shí)，僅僅使用一次服務(wù)器的重啟動(dòng)即可以修復(fù)故障服務(wù)器，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中高可用系統(tǒng)磁盤陣列出現(xiàn)單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，降低服務(wù)器的維護(hù)次數(shù)，延長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的維修周期，節(jié)省數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器維護(hù)成本。

4? 結(jié)? 論

此高可用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案滿足了空間占用少、恢復(fù)時(shí)間短、故障后自動(dòng)切換以及數(shù)據(jù)的高可用性等要求，經(jīng)在艦船某武器系統(tǒng)的若干條船上的應(yīng)用實(shí)踐，證明已達(dá)到了預(yù)期的數(shù)據(jù)應(yīng)用效果，具有良好的實(shí)用性和可推廣性。

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作者簡(jiǎn)介：劉朝霞（1980.10—），女，漢族，河南鄭

州人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：數(shù)據(jù)庫(kù)和物資管理調(diào)度。