机载嵌入式数据库高可用策略研究_李明娟.pdf

2023.4电脑编程技巧与维护1概述随着机载嵌入式系统中数据量的爆炸式增长，机载嵌入式系统逐渐成为数据高度密集型系统，数据呈现海量、分布、异构等特点12，传统的数据存储管理方式从数据量、数据操作等方面都已无法满足机载嵌入式系统对数据管理的要求。为提升数据管理能力，引入数据库系统实现数据管理。为了满足机载嵌入式系统的要求，机载数据库通常采用嵌入式数据库。嵌入式数据库具有体积小、可移植性好、直接与应用程序集成等特点，主要用于对实时性、可靠性及资源占用方面要求较高的嵌入式系统35。2机载数据管理需求分析2.1传统数据库技术数据库是长期存储在计算机内、有组织、可共享的大量数据的集合。数据库管理系统是一个数据管理软件，位于操作系统与数据库应用程序之间。数据库管理系统的组成如图1所示，数据库管理系统的主要功能包括数据定义，数据操作，数据组织、存储和管理，事务管理和运行管理，数据库的建立和维护等。与传统的数据管理方式相比，数据库系统具有以下3个优点。（1）数据整体结构化、共享性高、冗余度低、系统易扩充。数据库系统实现了将使用数据库的组织机构作为一个整体的结构化，不但使数据内部具有结构，而且数据与数据之间也具有联系。数据库不仅仅面向某一方面的应用，还被多个用户、多个应用共享使用，极大地减少了数据冗余，同时避免了数据之间的不一致性。因为数据库是共享使用的，所以基于数据库开发的管理系统很容易扩充新的应用。（2）数据在物理上和逻辑方面独立。物理独立是指应用程序与数据的存储细节独立，应用程序不需要关心数据如何存储；逻辑独立是指应用程序与数据的逻辑结构相互独立，即使数据的逻辑结构改变，应用程序也可以保持不变。（3）部署统一的数据库管理系统。数据库的建立和维护、数据操作、数据的存储、数据库的备份与恢复等工作均由数据库管理系统实现，极大地减轻了应用开发人员和数据库用户的负担。2.2嵌入式数据库技术嵌入式数据库是高度集成在应用程序中的，不占用独立的服务或进程的数据库管理系统。与非嵌入式数据库相比，其主要的特征是专用性。嵌入式数据库只为其嵌入的应用程序提供数据管理服务，是该应用程序的一个功能模块，不是为整个系统提供服务。嵌入式数据库的技术特征主要体现在以下5个方面。（1）在功能和实现方式上进行了精简和优化，具有适当的体积，占用的资源较少，降低了对应用程序主要功能的影响。体积缩小后代码路径相应缩短，保证了在资源受限情况下数据管理操作的性能。（2）功能可裁剪，可以方便地根据使用场景对嵌入作者简介：李明娟（1989），女，工程师，硕士，研究方向为计算机软件。机载嵌入式数据库高可用策略研究李明娟，邸海涛（中航工业西安航空计算技术研究所，西安710065）摘要：由于机载嵌入式系统对实时性、可靠性及可用性的要求非常高，因此机载嵌入式数据库除了具有数据库的一般特性，还应满足强实时性、高可靠性及高可用性等要求。通过对机载数据管理需求进行分析，针对机载嵌入式数据库高可用性的要求，在研究机载嵌入式数据库高可用架构的基础上，通过对数据备份与复制、数据服务恢复等方面的研究，提出了一种保障机载嵌入式数据库高可用的方法。关键词：机载系统；嵌入式数据库；高可用性；数据备份与复制；数据服务恢复图1数据库管理系统的组成数据库应用程序数据库管理系统数据定义数据组织、存储和管理事务管理和运行管理数据库的建立和维护数据操作操作系统硬件数据库接口操作系统接口84DOI:10.16184/prg.2023.04.0432023.4电脑编程技巧与维护式数据库的功能进行组合。例如，对于不存在并发数据操作的单任务应用程序，就不需要事务管理功能，在部署嵌入式数据库的时候就可以裁剪掉相关组件和代码，进一步缩小嵌入式数据库的体积和资源占用。（3）支持多种运行时环境和操作系统平台，并且具有较强的可移植性，可以快速地集成到现有的应用程序中，减少移植和适配的工作量。（4）具备一定的自我管理能力，不需要人员介入，包括索引的维护、故障后的数据恢复等操作均由数据库自身完成。（5）支持用户自定义接口，应用程序通过自定义接口可以方便地实现一些特殊的数据操作。2.3机载数据管理需求与一般的嵌入式环境相比，机载设备的工作环境更加恶劣，系统资源严重受限，对软件的实时性和可靠性有着更加严格的要求。为了适应机载环境，数据库系统需要满足以下5个方面的需求。（1）在实时性方面，采用内存数据库方式，数据在内存中存取，消除在执行时间上难以预测的困难；采用优先级事务管理机制，使得数据库优先处理高优先级任务的事务请求。（2）在实用性方面，要根据机载应用所处理的数据的特殊要求，支持更丰富的索引结构。（3）在可靠性方面，避免潜在的内存泄露风险，具备故障管理机制。（4）在持久性方面，具备数据恢复功能。当数据库发生故障并重启后，可以将数据库恢复到最后一个正常状态。（5）在可用性方面，提供数据复制和故障切换机制，定时将主数据库实例的数据复制到备份数据库实例中。当主数据库实例因故障停止服务后，保存相同数据的备份数据库能够继续提供服务，提高数据库的可用性。3机载高可用嵌入式数据库设计3.1高可用架构设计高可用数据库的特点是任何时候都能够有至少一个节点接受请求提供服务。常见的高可用数据库架构包括以下4种67。（1）主备架构，即一个主数据库和一个备份数据库。其中，主数据库提供数据读写服务；备份数据库为主数据库提供备份服务，不直接提供数据访问服务，只在主数据库出现故障时才会切换到备份数据库。（2）双主架构，即存在两个主数据库同时为应用提供数据读写服务。两个主数据库之间必须进行负载均衡，以免出现一个主数据库负载过大，另一个主数据库负载过小而导致资源利用率低。（3）一主多备，即一个主数据库，多个备份数据库，此时主数据库提供数据写服务，备数据库提供数据读服务，可以实现数据的读写分离。（4）双主+主备，即存在两个主数据库为应用提供数据写服务，这两个主数据库互为备份数据库。此外，这两个数据库又分别存在各自的备数据库，这些备数据库为应用提供数据读服务。这4种常见的高可用数据库架构对比结果如表1所示。根据机载嵌入式环境的特点，高可用数据库架构采用实现简单的改进型高可用数据库主从架构方案，如图2所示。所谓改进型主备架构，即一个主数据库提供读写服务，同时存在多个备数据库，一般情况下这些备数据库只作为主数据库的备份，不会向应用提供数据服务。但是，当主数据库出现故障不能继续提供服务时，某个备份数据库会代替成为主数据库继续为应用服务，从而实现数据库服务的高可用。表14种常见的高可用数据库架构对比结果图2改进型高可用数据库主备架构写主数据库主备同步数据库应用备数据库3读备数据库2备数据库1主备架构双主架构一主多备双主+主备可用性可用性高，主数据库挂了会自动切换到备份数据高高高性能容易产生性能瓶颈高写多读少时主数据库容易成为 性 能 瓶 颈；读多写少时存在读性能瓶颈高数据一致性一致双主数据库之间存在数据一致性问题主备数据库之间存在数据一致性问题双主和主备数据库之间都存在数据一致性问题可扩展性差，无法通过加从数据库来扩展读性能好好好可实现性简单复杂复杂复杂优点读写都操作主数据库，不 存 在 数 据 一 致 性问题读写性能提升有利于读写分离，容灾切换及时能够实现读写分离，提升读操作吞吐量和写操作的效率缺点性能一般，可扩展性差双主之间存在数据一致性及负载均衡问题容易导致数据丢失实现过于复杂对比项架构852023.4电脑编程技巧与维护3.2高可用性策略设计3.2.1数据备份与复制在改进型主从架构方案中，主数据库和备份数据库可以分布于不同的物理空间，它们互为镜像并保持数据完全一致，从而达到数据备份的目的。在主数据库出现故障时，备份数据库能够自动取代主数据库继续为用户提供服务，进而保障数据库高可用。如何保证主备数据库之间数据的一致性是高可用数据库应该考虑的重要问题之一，可以采用数据库复制技术来确保主从数据库实例之间的一致性。数据库复制技术的主要思想是主数据库不断将自身的事务操作复制给从数据库的过程，目的是确保备份数据库拥有与主数据库一致的事务，实现数据备份，从而在主数据库出现问题时代替主数据库提供与主数据库相同的数据服务810。主从数据库之间事务复制的具体过程如下。（1）主数据库接收事务操作。（2）主数据库执行该事务操作，并将该事务操作复制到所有备份数据库。（3）所有备份数据库执行该事务操作，并将执行结果返回给主数据库。（4）主数据库根据所有备份数据库的执行结果判断该事务是否执行成功，只有当所有备份数据库都执行成功时，主数据库才会认为该事务执行成功。3.2.2数据服务恢复数据备份完成后，还有一项重要工作就是在主数据库发生故障时，能够在短时间内迅速切换到备份数据库继续提供数据服务。这时就要在发生故障的主数据库与未发生故障的备份数据库之间进行切换。切换过程涉及两个问题：首先是切换时机，即备份数据库在什么时间切换成主数据库，这个问题通过心跳机制来解决，在正常情况下，主备份数据库通过发送心跳来确定对方是否存活，当从数据库在规定时间内未接收到主数据的心跳消息时，从数据库就认为主数据库发生故障，这时就要进行主备份切换；其次是切换主体，即存在多个备份数据库时切换谁成主数据库继续提供数据库服务，这时可以通过“竞争”来决定。“竞争”的最简单方法就是比较各个备份数据库中数据的新旧程度，选择数据最新的备份数据库成为主数据库，多个备份数据库中数据新旧程度相同时可以随机选择一个作为主数据库，从而完成主备切换。4结语由于机载嵌入式系统对实时性、可靠性及可用性要求非常高，因此机载嵌入式数据库除了具有数据库的一般特性外，为了满足机载环境的要求，还应具有强实时性、高可靠性及高可用性要求。针对机载嵌入式数据库高可用性的要求，在研究机载嵌入式数据库高可用架构的基础上，通过对数据备份与复制、数据服务恢复等方面进行研究，提出了一种机载嵌入式数据库高可用策略，为提高机载嵌入式数据库的可用性提供依据。参考文献1孔祥芬,蔡峻青,张利寒,等.大数据在航空系统的研究现状与发展趋势J.航空学报,2018,39(12):1-16.2CHEN J,LYU Z,LIU YY,et al.A big data analysisand application platform for civil aircraft health man-agement C.2016 IEEE Second International Con-ference on Multimedia Big Data(BigMM).Piscat-away,NJ:IEEE Press,2016:404-409.3史恒亮,白光一.嵌入式数据库的现状和发展趋势J.计算机系统应用,2010,19(2):205-208.4覃雄派,王会举,李芙蓉,等.数据管理技术的新格局J.软件学报,2013,24(2):175-197.5陈雪帆,张鹏,邸海涛.机载嵌入式数据库映像管理策略研究J.信息通信,2018(10):99-102.6于雪平,孟丹.数据库应用的高可用性及实现技术J.计算机应用研究,2004(5):5-8.7PATTERSON D A,GIBSON G,KATZ R H.A case forredundant arrays of inexpensive disks）(RAID)C.Proc of the 1988 ACM SIGMOD Int Conf on Manage-ment of Data.New York:ACM,1988:109-116.8陈雪帆.实时嵌入式数据库系统高可用性策略研究J.软件导刊,2013,12(11):124-126.9杜凯,缪嘉嘉,杨树强,等.数据库复制技术研究进 展J.计 算 机 工 程 与 科 学,2008,30(7):118-135.10史英杰,王远,朱恒,等.一种实时数据库备份恢复方法J.计算机应用,2016,36(S1):54-57.86