高可用性軟件架構(gòu)設計和實現(xiàn)論文

　　摘要：硬件冗余可以極大地提高計算機應用系統(tǒng)的可用性，然而，一旦關鍵硬件出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)庫宕機，正在進行中的業(yè)務流程通常會中斷。探討了一種如何實現(xiàn)應用系統(tǒng)高可用性的軟件架構(gòu)的設計方案，以彌補純硬件冗余應用系統(tǒng)的不足。

　　關鍵詞：高可用性;軟件容錯;分布式數(shù)據(jù)庫

　　在業(yè)內(nèi)，計算機應用系統(tǒng)的可用性定義為計算機應用系統(tǒng)保持正常運行時間的百分比，通常用表1所示的“9”的個數(shù)來劃分可用性的類型。

　　通常，硬件冗余(容錯計算機、雙機或多機集群、磁盤陣列、SAN等)、數(shù)據(jù)復制、合理的災難備份和恢復策略都可以極大地提高計算機應用系統(tǒng)的可用性。正因為如此，當前，對于計算機應用系統(tǒng)的高可用性、業(yè)務的可持續(xù)性要求，業(yè)內(nèi)通常以硬件系統(tǒng)的高可用性來應對或代替。常見的解決方案是雙機(或多機)集群方案或直接采用容錯計算機來保障系統(tǒng)的高可用性，應用軟件的設計和開發(fā)往往僅注重業(yè)務流程的分析和過程控制。在這種完全依賴硬件來保障整個系統(tǒng)的可用性的系統(tǒng)里，一旦關鍵硬件出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)庫宕機，正在進行中的業(yè)務流程(如需較長執(zhí)行時間的事務處理、后臺批處理過程等)必然會中斷，這是因為雙機切換也需要時間。對此，應用軟件本身并無多少作為，該類業(yè)務必須等待系統(tǒng)重新恢復后全部或部分重做。

　　本文以基于大型數(shù)據(jù)庫的應用系統(tǒng)為例，從“軟件容錯”設計的概念出發(fā)，參考“分布式”數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設計，以“系統(tǒng)服務總線”為核心，給出了一種可行的高可用性軟件架構(gòu)的設計方案，可以極大地提高應用軟件的可用性和業(yè)務系統(tǒng)的可持續(xù)性。無論是傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)，還是近年來流行的B/S架構(gòu)，本文中給出的設計方案都有一定的參考意義。

　　1軟件結(jié)構(gòu)模型

　　任何基于大型數(shù)據(jù)庫的應用系統(tǒng)，都可以抽象為對數(shù)據(jù)的“讀”和“寫”操作。至于客戶端如何展現(xiàn)“讀”到的數(shù)據(jù)，以及“客戶端”與“服務端”基于何種通信協(xié)議通信，不在本文討論之列。

　　軟件結(jié)構(gòu)的設計其實就是針對“讀”和“寫”的一系列流程的設計。如何最大限度地保證系統(tǒng)中的所有“硬件”和“軟件”協(xié)同工作，正確完成每一次“讀”和“寫”的操作，也就是對系統(tǒng)“高可靠性”和“高可用性”的要求。

　　圖1是基于“軟件容錯”和“分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”的原理，并參照了計算機“總線”的工作原理給出的一種基于分布式數(shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng)的高可用性的軟件架構(gòu)設計方案。系統(tǒng)采用3層架構(gòu)：客戶端、中間應用層和數(shù)據(jù)庫層。

　　2系統(tǒng)設計

　　2.1數(shù)據(jù)庫配置為了更清楚地闡述本文的設計方案，先對數(shù)據(jù)庫的配置及其功能進行描述。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫按角色可劃分為如下三類數(shù)據(jù)庫：控制數(shù)據(jù)庫(COTROLL DB)、日志數(shù)據(jù)庫(LOG DB)、業(yè)務數(shù)據(jù)庫(BUS DB_N)。

　　2.1.1控制數(shù)據(jù)庫

　　控制數(shù)據(jù)庫也可以是一個或多個系統(tǒng)控制(參數(shù))文件。它存放要訪問的目標數(shù)據(jù)庫的節(jié)點(N)、端口、用戶、文件頭、表、視圖等信息;存放對節(jié)點、業(yè)務數(shù)據(jù)庫、表或視圖的授權(quán)或訪問控制信息;目標數(shù)據(jù)庫(或文件)的當前狀態(tài)(聯(lián)機/脫機、忙/空閑等);目標數(shù)據(jù)庫中的表或視圖的當前狀態(tài)(聯(lián)機/脫機、忙/空閑、加鎖/解鎖等)。

　　2.1.2日志數(shù)據(jù)庫

　　日志數(shù)據(jù)庫獨立于業(yè)務數(shù)據(jù)庫之外，用于記錄客戶端節(jié)點信息、請求時刻和發(fā)來的'所有請求的原始內(nèi)容，但不做業(yè)務流程相關的處理、運算等。記錄每次數(shù)據(jù)操作分配的唯一的“事件號”(EVENT_ID)。對每一次客戶端的“請求”，“系統(tǒng)服務總線”(SYSSRV)會分配唯一的標識符號，可以定義為有一定意義的字符串，比如，“當前時刻+流水號”。以上信息可以被壓縮、打包、加密后存放，以記錄格式保存于數(shù)據(jù)庫的表或文件中。它可以設計為數(shù)據(jù)庫中的一個或多個表，也可以是文件格式。

　　2.1.3業(yè)務數(shù)據(jù)庫

　　業(yè)務數(shù)據(jù)庫記錄所有業(yè)務相關的數(shù)據(jù)信息。所有業(yè)務數(shù)據(jù)庫的相關業(yè)務邏輯的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同，即，N個節(jié)點的業(yè)務數(shù)據(jù)庫中與業(yè)務模式相關的表、視圖、過程或其他程序設置相同。

　　需要特別指出的是：

　　(1)控制數(shù)據(jù)庫、日志數(shù)據(jù)庫和業(yè)務數(shù)據(jù)庫可以是不同數(shù)據(jù)庫廠家或品牌的產(chǎn)品。比如，日志數(shù)據(jù)庫可以采用低端的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品或開源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，業(yè)務數(shù)據(jù)庫可以采用高端的大型數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。

　　(2)控制數(shù)據(jù)庫、日志數(shù)據(jù)庫和業(yè)務數(shù)據(jù)庫在物理上和邏輯上是可以相互隔離的，這可以極大地提高系統(tǒng)的整體安全性。目標數(shù)據(jù)庫和要訪問的表或視圖對客戶端來說是“不可見”的，由控制數(shù)據(jù)庫動態(tài)定義和控制。

　　(3)所有類別的數(shù)據(jù)庫在物理上位于一個或多個節(jié)點上，即節(jié)點N>=1;任意一個節(jié)點N上建有一個或多個業(yè)務數(shù)據(jù)庫(邏輯數(shù)據(jù)庫>=1);任意一個節(jié)點是一個完整的、可獨立工作的計算機。根據(jù)性能要求，可以是高性能PC機、PC服務器、小型機、集群或超級計算機，或是它們的“混合體”;任意一個節(jié)點是指定網(wǎng)絡中的一個指定節(jié)點。

　　2.2應用層設計

　　中間應用層由5個后臺進程構(gòu)成：(1)系統(tǒng)服務總線(SYSSRV);(2)數(shù)據(jù)庫寫進程(DBWRT_N);(3)數(shù)據(jù)庫讀進程(DBRED_N);(4)數(shù)據(jù)庫在線恢復進程(DBRCY);(5)日志檢查進程(LOGCHK)。

　　2.2.1系統(tǒng)服務總線

　　這是一個后臺監(jiān)聽、分發(fā)、調(diào)度總進程。設計目標具有一定的“自我修復”和“自我復制”動能。它可以根據(jù)負載情況，自我復制或開啟子進程響應新的負載;可以動態(tài)配置可服務的節(jié)點或客戶端;可以為特定節(jié)點或客戶端指定專用進程;它通過“DBWRT”和“DBRED”“讀/寫”日志數(shù)據(jù)庫或日志文件。

　　2.2.2寫進程

　　寫進程負責向所有節(jié)點寫數(shù)據(jù)。它可以配置成多進程/單進程模式;多進程模式，指對應每個業(yè)務數(shù)據(jù)庫N都有獨立的“寫”進程;單進程模式，指對應多個業(yè)務數(shù)據(jù)庫只有一個主進程，主進程開啟多個線程提供“寫”服務。

　　2.2.3讀進程

　　讀進程負責向所有節(jié)點讀數(shù)據(jù)，它可以配置成多進程/單進程模式。多進程模式指對應每個業(yè)務數(shù)據(jù)庫N都有獨立的“讀”進程，單進程模式指對應多個業(yè)務數(shù)據(jù)庫只有一個主進程，主進程開啟多個線程提供“讀”服務。

　　根據(jù)需要，讀進程可以配置成：向所有在線節(jié)點并發(fā)讀數(shù)據(jù)，返回最快的結(jié)果集，拋棄其他的結(jié)果集，并中斷其他讀進程;也可以配置成：隨機讀某個節(jié)點的數(shù)據(jù)，如果失敗或超時，則再隨機讀余下的在線節(jié)點，直到“讀”成功或失敗;還可以配置成向所有節(jié)點順序讀數(shù)據(jù)，過程類似上面“隨機讀”。

　　以上“讀寫”業(yè)務數(shù)據(jù)庫的進程，設計上支持多種數(shù)據(jù)庫訪問接口，針對“表”或“視圖”提供統(tǒng)一格式的、標準的、動態(tài)的SQL數(shù)據(jù)操作接口和方法，完成對數(shù)據(jù)庫中表或視圖的增、刪、改、查和批處理操作。它們可以設計為數(shù)據(jù)庫中的存儲過程，也可以是C++，Java程序的API或混合體。

　　2.2.4數(shù)據(jù)庫在線恢復進程

　　該進程負責檢查全部或部分節(jié)點數(shù)據(jù)庫(包括所有授權(quán)控制數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫和日志數(shù)據(jù)庫)或文件的工作狀態(tài);檢查數(shù)據(jù)庫或文件表中數(shù)據(jù)的一致性;將以上檢查結(jié)果寫入日志數(shù)據(jù)庫(或日志文件)。

　　當某個業(yè)務數(shù)據(jù)庫中的表寫入失敗時，它負責從“日志數(shù)據(jù)庫”的表或日志文件中讀出原始數(shù)據(jù)，接著寫入出現(xiàn)問題的業(yè)務數(shù)據(jù)庫的表中，并檢查結(jié)果。或從其他節(jié)點的數(shù)據(jù)庫中讀相關數(shù)據(jù)并寫入到出現(xiàn)問題的業(yè)務數(shù)據(jù)庫的表中。

　　接收外部命令，根據(jù)“時間點”或“事件號”從特定時刻、特定數(shù)據(jù)庫(包括日志數(shù)據(jù)庫)、特定表恢復數(shù)據(jù)到特定目標數(shù)據(jù)庫的表或文件。

　　2.2.5日志檢查進程

　　該進程負責讀、寫日志文件，檢查數(shù)據(jù)操作結(jié)果的一致性。如果不一致，則報告給“系統(tǒng)服務總線”，將問題數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)庫中的表、視圖設置為“離線”狀態(tài)。