一种集群体系架构的实时数据库

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摘 要：针对传统实时数据库面临大型复杂环境的不足，设计并实现了一种基于集群和双机热备技术的实时数据库。为了解决集群架构中服务器节点的安全可靠性问题，采用了双机热备技术，同时提出了一种新的主备机切换算法。

关键词：实时数据库 集群 双机热备 组播

一、引言

随着企业规模的不断扩大，客户数量和数据量快速增长。特别是电力、石化、钢铁等一些环境复杂的工业控制领域呈现出海量数据[1]。传统的实时数据库的处理能力已无法承担数据库的访问以及保证数据库系统的持续运行。因此，提出基于集群和双机热备技术的实时数据库，解决支持大型复杂环境人机交互系统的实时数据库负载均衡、安全性以及可扩展性问题。

二、传统实时数据库的架构及改进

1.传统实时数据库的架构

传统的实时数据库由三层结构组成[2]，如图1所示。由图可知，整个系统分为三个层次，即数据采集服务器层、实时数据库层、客户端层（HMI系统）。

图1 传统实时数据库的架构图

1.1引入集群技术后的新架构

一些大型复杂环境的实时数据库系统中，特别是一些实时监控的人机交互系统中，大量的数据会在毫秒内产生，并且要求数据库服务器必须不停的运转[3]。为了减小服务器故障造成系统服务中断的成本损失以及保证实时数据库系统做到实时安全可靠。这里采用双机热备份技术[4]。

利用了多个服务器集群技术将多个内容同步的数据库服务器组成集群，每次将请求按照分配策略分给多个数据库服务器进行处理，这样负载均衡就具有最大的潜力来提高数据库的处理速度，同时会具有非常高的数据可用性，预防数据灾难。改进后的实时数据库架构图如图2所示。

图2 改进后的实时数据库的架构图

1.2集群技术

传统的服务器上有可能同时运行着多个应用，如果服务器的存储和处理能力不够大的话就会造成负载过大。在这种情况下，多点集群就显示出了其必要性[6]。

实时数据库集群技术就是将具有相同处理能力的多个服务器组成一个集群。集群应用图如图3所示。根据客户端对不同应用请求服务的实际情况，可以灵活地在这些服务器上进行部署，同时可以灵活地设置接管策略。比如，有40000个Ta实时值需要处理，一台服务器上最多可操作5000个Ta，这时便可以将它们平均分配给8台服务器进行处理。这样，就可以充分地利用服务器的资源，同时保证系统的高可用性。

图3 集群应用图

三、双机热备技术的引入

1. 双机热备的概念与应用

传统的单机系统存在着可用性不高、数据容易丢失、硬盘可能出现各种不可预知的故障。双机热备可以解决上述问题，双机热备实现了并行处理和节点机失效后的任务平滑接管[7]。双机热备份是目前服务器端广泛应用的容错技术，其原理是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。

2.双机热备的主备切换算法

双机热备实现的关键技术就是主备机切换技术[8]。提出的主备机切换算法流程图如图4所示。算法如下：

步骤1：实时数据库服务器节点启动，获取OPCServer提供的Ta实时值，并通过初始化程序将它们生成对象。主机、备机都开始通过广播监听同名节点的心跳；

步骤2：判断是否监听到心跳，如果没有监听到心跳，接着判断自身节点状态是否主节点，如果不是主节点，跳转步骤6；

步骤3：如果监听到心跳，首先判断自身节点的优先级是否比监听到的其他节点的优先级高，如果自己的优先级最高，然后判断自身节点是否主节点，如果不是主节点，跳转至步骤6；

步骤4：如果优先级比监听到的优先级低的话，判断自身节点状态是否主节点，如果是主节点，跳转到步骤7；

步骤5：如果不是主节点，判断是否备份节点，如果不是备份节点，接收主节点组播的报警记录、客户端注册列表信息；把自身节点状态改为备份节点；

步骤6：启动处理事件、生成报警记录、向客户端组播实时值及报警记录；定频向网段广播心跳；启动向网段同名节点组播报警记录、客户端注册列表信息。或者，启动处理事件、生成报警记录、接收主节点的报警记录、客户端注册列表、向客户端组播实时值及报警记录；

步骤7：停止处理事件、生成报警记录、向客户端组播实时值及报警记录；停止向预设的除自身外的节点组播报警记录；停止向网段广播心跳；接收主节点组播的报警记录、客户端注册列表信息；把自身节点状态改为备份节点。

图4 主备机节点切换算法流程图

四、结语

本文提出的基于集群和双机热备技术的实时数据库有效的缓解了传统实时数据库的负载，以及提高了数据库的可用性、可靠性和可扩展性。但是，它也有很多不足，比如大量的冗余存储浪费资源和加大了投入成本等等。后面还会继续对此作更深入的研究与探索，最大程度地应对大数据到来对实时数据库的挑战。

参考文献

[1]赵光煜，赵平. 实时数据库的现状及发展趋势[J]. 天津农学院学报，2002，03：50-52.

[2]吴明光，张玉润，金建祥，顾大雷. 工业控制实时数据库的研究[J]. 控制与决策，1995，03：238-243.

[3]张勇，侯立刚，肖炎良，周翔. 工控组态软件实时数据库系统的开发与设计[J]. 自动化仪表，2011，12：28-31+35.

[4]张金仙，郝英立，张利，仲崇权. 工控组态软件双机热备的研究与实现[J]. 计算机测量与控制，2005，11：1292-1295.

[6]崔勇，徐恪，吴建平，宋林健. 面向大规模实时流媒体的应用层组播方案[J]. 软件学报，2009，02：394-402.

[6]冯玉才，刘冉冉. 基于任务分配的数据库集群模型[J]. 计算机工程与科学，2007，12：114-116.

[7]杨华丽，石锐，胡捷，秦鹏. 组态软件中实时数据库系统的设计和实现[J]. 实验技术与管理，2007，03：80-83.

[8]郑军，付强，李权. 一种纯软件的双机热备份算法[J]. 计算机应用，2002，12：98-100.