实时数据库系统双机热备机制设计与实现.pdf
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Computer Engineering and Applications计算机工程与应用
2012，48（29）
1 概述
双机热备是一种高可用的技术方案
[1]
，将中心服
务器安装成互为备份的两台服务器，当运行着的服
务器出现故障无法启动时，另一台自动启动以减少
损失的技术。双机热备技术
[2]
一直是研究的热点。
但是面向实时数据库系统（RTDB）的双机热备还不
是很完善。比如在像面向电力的实时数据库系统
中，要求生产过程响应速度在秒级，数据存档速度
50 000 事件/秒，存档数据回取事务吞吐量50 000 点/秒
的情况下，会产生大量数据并且要求服务器必须不
停运转。为防止服务器故障造成系统服务中断，在
服务器硬件配置上，除了采用磁盘阵列容错，集群措
施外，双机热备
[3-4]
是性价比比较高的一种解决方案。
现在已经存在一些通用的双机热备软件，比如
Microsoft clustering，LifeKeeper
[5]
，PlusWell 等 。 但
是，这些软件在实时数据库系统方面的应用还是有
些欠缺：一方面在技术上，通用的双机热备软件在实
时数据库系统中存在着诸多问题，无法满足实时性
系统的需要，比如切换时间长、占用资源多等；另一
方面在部署和使用上，需要专门购买软件，专门进行
安装调试，并且对硬软件环境有严格的限制，例如，
Microsoft clustering
[6]
要求服务器使用 windows ad-
vanced server 版本，并且必须使用双机共享磁盘阵
列；Life Keeper 还需要进行人员培训等问题。
本文针对实时数据库系统（RTDB）提出了一种
新颖的双机热备系统设计方案，在此基础上，实现了
实时数据库系统双机热备机制设计与实现
杨晓芬，王永会，刘 轶
YANG Xiaofen, WANG Yonghui, LIU Yi
北京航空航天大学 计算机学院，北京 100191
School of Computer Science and Techonology, Beihang University, Beijing 100191, China
YANG Xiaofen, WANG Yonghui, LIU Yi. Design and implementation of dual-server hot-standby system for
real-time database. Computer Engineering and Applications, 2012, 48（29）：124-127.
Abstract：Dual-server hot-standby can implement a good task-reliability, so it is used in power system broadly.
This paper proposes a new dual-server hot-standby system technology for real-time database, implements modular
hardware based on technologies including testing and monitoring the state of system and resources, state synchro-
nous, network communication, mechanism of switching over and data mirror service. Main control modular moni-
tors and arbitrates the state of dual-server, and network communication modular monitors whether server breaks
down. Switch over modular switches whenever the server breaks down, and configuration modular sets information
about switch over. It ensures that the system runs in a good task-reliability.
Key words：dual-server hot-standby; good task-reliability; power system; data mirror
摘 要：双机热备计算机系统可实现高任务可靠性，广泛应用于电力系统。针对实时数据库系统提出了一种
新颖的双机热备设计技术，基于系统及资源状态检测与监控、双机状态一致性同步、网络通信协议、主备切换
机制、数据镜像服务等关键技术实现了模块设计。主控模块对主备服务器工作状态进行仲裁与检测，网络通
信模块检测服务器故障，切换控制模块实时响应服务器故障进行切换，配置模块对双机信息进行设置，保证了
系统高可靠性持续运行。
关键词：双机热备；高可靠性；电力系统；数据镜像
文章编号：1002-8331（2012）29-0124-04 文献标识码：A 中图分类号：TP319
作者简介：杨晓芬，女，硕士研究生，主要研究领域为系统结构；刘轶，男，博士生导师，教授。E-mail：yangxiaofen1987@163.com
收稿日期：2011-09-27 修回日期：2011-11-14 CNKI 出版日期：2012-01-16
DOI：10.3778/j.issn.1002-8331.2012.29.025 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20120116.0926.011.html
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一些关键技术，例如系统及资源状态检测及监控方
法、可靠的主备切换机制、双机状态一致性同步、数
据镜像等。并且完成了实用的系统，该系统在主/备
服务器切换后，对外提供 RTDB 服务的 IP 地址不变，
由于 RTDB 应用均基于 UDP 协议实现，这样可以做
到服务器切换对上层应用透明，应用程序只会在网
络通信时有短暂的停顿，但无须重新启动；另一方
面，切换时直接对 RTDB 服务进行停止/启动，与通用
的双机热备机制相比，切换延迟大大缩短。同时该
系统实现简单，配置容易，不需要硬件要求和人员培训。
本文先给出双机热备的系统结构，然后详细介
绍了各个模块并且指出了技术的重点和难点，最后
对该系统进行了实验分析。
2 双机热备系统设计
2.1 工作原理及系统配置
双机热备包含两台实时数据库服务器，主服务
器在对外提供服务的同时，通过通信通道（如网络）
保证其与备用服务器之间的数据和状态信息保持一
致；主备服务器之间定时传输“心跳”信息以此作为
对方工作正常的标志，当备用服务器超过限定时间
未收到主服务器的心跳信息时，认为主服务器发生
故障，并启动切换机制；在切换机制启动后，备用服
务器取代主服务器对外提供服务，客户端均与新的
主服务器连接；发生故障的主服务器修复后，自动作
为备用服务器运行。
双机热备系统的两种配置方式如图 1 所示，一种
为共享磁盘阵列方式，主备服务器共享专用磁盘阵
列，服务器的本地硬盘只存储操作系统及相关配置
信息，而 RTDB 的存档数据、配置信息均存于磁盘阵
列中。第二种为独立配置方式。操作系统及实时数
据库系统均存储在本地磁盘或单独挂载在磁盘阵列
中。本文实现了分散配置方式的双机热备。
2.2 双机热备组成结构
为满足 RTDB 的实时性特点，减少服务器故障时
的数据损失，提出的双机热备设计原则如下：
双机热备系统包括六个模块：主控模块作为热
备系统的主控线程，进行主备服务器工作状态的仲
裁与检测，并通过调用切换控制等其他模块实现主
备服务器的状态切换、数据一致性维护等功能；切换
控制模块负责完成主备服务器状态的切换；数据同
步模块保证了主备服务器之间存档数据文件及系统
配置参数的一致性；网络通信模块为状态检测、切换
控制和数据同步等模块提供网络传输服务；数据镜
像模块，该模块实现对主备服务器数据的实时备份；
管理配置模块实时监控双机的运行状态并进行一些
控制。
3 模块设计
3.1 主控模块
主控模块包含两个线程：一个主控线程 Thread-
Main 和一个通信线程 ThreadComm。ThreadMain 进
行角色仲裁并调用其他模块进行状态切换、数据一
致性维护等工作；ThreadComm 接收来自对方服务器
及管理配置的报文，将其交给主控线程处理。主控
模块工作流程如图 3。
通信通道
通信通道
实时数据库服务器
（主）
实时数据库服务器
（备）
共享磁盘阵列
实时数据库服务器
（主）
实时数据库服务器
（备）
（b）分散配置方式
（a）共享磁盘配置方式
图 1 双机热备配置方式
标签点定义
TagAttrib.dat
网络接口及 IP 控制
心跳信息收/
发/检测
切换
控制
服务启/停控制
ThreadMain
管理
配置
接口
状态信息
ThreadSyncFile
ThreadComm
文件同步及
一致性维护
管
理
与
监
控
工
具
主/备
服
务
器
网
络
通
信
接
口
存档数据文件
arch001.dat archxxx.dat
标签点定义及系统配置文件
RTDB.ini
图 2 双机热备计算机系统组成结构图
杨晓芬，王永会，刘 轶：实时数据库系统双机热备机制设计与实现
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