基于ＲＡＩＤ的雙機集群系統應用研究

摘要：對集群相關技術進行分析，提出了基于RAID的雙機集群系統的兩種應用模式。該模式通過功能整合和故障過渡技術實現集群系統的高可用性和高可靠性。

關鍵詞：磁盤陣列； 集群系統； 容錯； 基于通信的列車控制

中圖分類號：TP302文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)07－0092－02

CBTC采用通信技術，通過數據通信網絡實現城軌列車與軌旁設備的雙向通信以及對列車的控制。它具有技術和經濟優勢，是城市軌道信號系統的發展方向。CBTC需要安全、可靠和高效的網絡服務體系，提供高性能計算、服務器負載平衡及容錯機制來保障城軌列車的正常運行。

計算機集群系統可以提高網絡服務系統的整體性能。在集群系統中，數據和服務器是網絡通信系統的核心，其可靠性和可用性對整個系統至關重要。通過硬件冗余可以提高系統的可用性，但是它只能解決一部分問題，難以滿足CBTC對應用、數據庫可用性的高要求。本文闡述了RAID技術和雙機集群技術的基本原理，提出了基于RAID的雙機集群系統的兩種應用模式，對于應用和數據庫服務器系統是一種有效的解決方法。它可以保障系統運行安全可靠，實現數據的永不丟失及業務系統的永不停機。

1磁盤陣列技術

RAID即冗余廉價磁盤陣列，其技術思想是把多個磁盤用一定的方法組成一個磁盤陣列，通過一些硬件技術和調度算法，由多個磁盤驅動器構成一個邏輯單元，使之成為一個安全可靠性高、速度快、容量大的磁盤存儲系統。根據RAID的結構、要求及數據處理特點，將其定義為六個級別，常用的有四個級別。簡單描述及特征如表1所示。

RAID的關鍵技術包括：

(1)硬盤數據跨盤（Spanning）。數據跨盤技術使多個硬盤像一個硬盤那樣工作，這樣可以通過組合已有的資源或增加一些資源來廉價地突破現有的硬盤空間限制，但它不能改善硬盤的可靠性和速度。

(2)硬盤分段(Striping)。該技術采用并行處理方式把數據寫到RAID陣列的所有硬盤上，而不只是寫到一個硬盤上。在磁盤陣列系統中，數據以段為單位依次寫入多個硬盤。由于數據是順序傳輸的，多個讀寫操作相互重疊進行，速度很快。但是它不能提供數據冗余，可靠性得不到保證。

(3)硬盤鏡像(Mirroring)。鏡像是把數據同時寫入兩個獨立的硬盤上，當其中一個硬盤出現問題，系統可以訪問鏡像的硬盤，也可以恢復數據，防止數據意外丟失；但需要雙倍的硬盤，性價比低。

(4)奇偶校驗(Parity)。它是應用于RAID中的一種冗余技術。奇偶校驗位是由數據做邏輯異或（XOR）運算產生的，如果其中一個數據位丟失，可以通過其他位恢復這個數據。在RAID中，故障硬盤通過無故障硬盤上的數據（含校驗碼）來重建數據，實現硬盤的熱備份。

(5)硬盤故障恢復（Rebuilding）。鏡像和RAID提供了從硬盤故障中恢復數據的方法。因為數據是有冗余的，即使在某個硬盤發生故障時，系統仍能正常工作，數據有效性提高。

采用雙控器可以進一步改善冗余性能，并且可以提高數據傳輸速度。

2雙機集群系統

2．1集群技術

集群技術是新興起的一項高性能計算技術。它是將一組相互獨立的計算機通過網絡整合成一個單一的計算機系統，并以單一系統的模式加以管理。其目的是實現系統高可靠性和抗災難性，同時提高系統的可用性和可縮放性。數據和服務器是計算機信息系統的核心，一個服務器集群包含多臺擁有共享數據存儲空間的服務器，當客戶與集群相互作用時，集群就像一個獨立的服務器，對用戶是透明的。這樣的集群系統可以實現數據的永不丟失和系統的永不停機。集群系統通過功能整合和容錯技術實現系統的高可用性和高可靠性，集群技術還能夠提供相對低廉的總體擁有成本和強大靈活的系統擴充能力。具體來說，集群系統具有以下特點：

(1)集群系統由若干完整的計算機組成，整合了多臺計算機的性能，提高了系統的整體計算能力。

(2)集群中的服務器，通過系統的負載轉移機制實現負載平衡和容錯任務。

(3)在數據存儲中，采用磁盤陣列技術提高存儲系統的容量、數據讀寫速度和可靠性，使系統存儲性能得以大幅度提高，并實現數據的容錯。

(4)可實現單一系統映像，即操作控制、IP登錄點、文件結構、存儲空間、I/O空間、作業管理系統等的單一化。(5)在集群系統中可以動態地加入新的服務器和刪除需要淘汰的服務器，從而最大限度地擴展系統以滿足不斷增長的應用需要。

(6)能夠為用戶提供不間斷的服務。系統中包括了多個節點，當一個節點出現故障時，整個系統仍然能夠繼續為用戶提供服務。

(7)具有極高的性價比。與傳統的大型主機相比，具有很大的價格優勢。

(8)資源可充分利用。集群系統的每個節點都是相對獨立的機器，當這些機器不提供服務或不需要使用時，仍然能夠被充分利用。

2．2雙機集群系統應用模式

在服務器集群中，雙機集群的磁盤陣列系統應用最為廣泛。硬件架構上有兩臺服務器，并在兩臺服務器之間設一組磁盤陣列子系統實現數據的冗余和容錯；集控軟件DualCluster在服務器的多處理器之間分配資源和應用，將其進行整合，使之成為一個整體，服務于系統。根據負載的分配和容錯技術，有兩種基本應用模式：

(1)雙機互備（Dual Active）

雙機互備就是兩臺主機均為工作機，在正常情況下，兩臺工作機均為系統提供支持，并互相監視對方的運行情況。當一臺主機出現異常，不能支持系統正常運行時，另一臺主機則主動接管異常機的工作，繼續支持系統的運行。這樣保證了系統不間斷運行，達到永不停機的目的。異常機經過維修恢復正常后再切換回來。其架構模型如圖1所示。

雙機熱備就是一臺主機為工作機，另一臺主機為備份機。系統在正常情況下，工作機為系統提供支持，備份機監視對方的運行情況；當一臺主機出現異常，不能支持系統正常運行時，另一臺主機則主動接管異常機的工作，繼續支持系統的運行，從而保證系統不間斷運行，實現永不停機的功能。當異常機修復后再進行切換。其架構模型如圖2所示。

2．3工作原理

(1)服務進程

雙服務器采用TCP/IP網絡協議與用戶連接，對于Client/Sever網絡用戶是透明的。

①網絡服務。雙機后臺對于用戶一端，由監控軟件提供一個邏輯IP地址，如202.168.66.88，任意用戶上網只需要用到此地址。當后臺有一臺服務器出現故障時，另外一臺服務器會自動將其網卡的IP地址替換為202.168.66.88。這樣，用戶網絡不會因為一臺服務器出現故障而斷掉。

②數據庫服務。當有一臺服務器出現故障時，另一臺服務器會自動接管數據庫引擎，同時激活數據庫和應用程序，使用戶數據庫可以繼續操作，用戶不受影響。

(2)監控原理

故障監視通過監測服務器心跳來實現。為提高系統偵測的準確性，心跳偵測可以通過兩條途徑來保障，即SCSI偵測和網絡偵測。磁盤陣列中開設一個通信交換區，在該區域中記錄服務器心跳信息。心跳偵測系統從通信交換區收集心跳信息來決定服務器是否在正常工作。從交換區得來服務器異常信息后，偵測系統會進一步向服務器發送信息以確認服務器的狀態。如果屬實，心跳偵測系統便會發出接管信息給接管系統；另一臺服務器便會自動接管故障服務器，實現切換。

①SCSI偵測。當一臺主機出現故障時，對等主機的可調變心跳頻率不斷提高。在最小心跳時間內發現記錄內容沒有更新，即會調用網絡心跳偵測再次確認系統狀態。當兩組心跳均判斷確認系統故障時，系統將在最小安全時間內把故障主機任務切換到正常主機上。

②網絡偵測。當一臺主機出現網絡故障或其他原因不能正常工作時，對等主機的可調變心跳頻率不斷提高。在最小心跳時間內發現記錄內容沒有更新，即會調用SCSI心跳偵測再次確認系統狀態。當兩組心跳都判斷確認系統故障時，系統將在最小安全時間內把故障主機任務切換到正常主機上。

(3)監控對象

操作系統運行狀態；數據庫運行狀態；

應用業務；對等主機系統運行狀態；

系統網絡設備、硬件資源。

(4)基本功能

①在以下情況發生時，系統自動切換:服務器停電時；服務器的硬盤、CPU等發生故障，影響系統運行時；網絡連接發生故障時；操作系統、數據庫、應用程序發生故障時；雙機軟件本身發生故障時。

②手動切換功能。系統管理員可以在主機負載過大時實現手動切換。

③系統監測。監測系統狀態，顯示系統資源利用情況，保證備份機的可靠性。

④系統日志。自動保存完整的系統日志，便于系統管理。

⑤報警提示。發生任何故障，在監視窗口顯示出錯信息，并給出處理建議；發生重大故障或切換時，應發出報警提示信號。

3結束語

通過RAID技術和集群技術實現的雙機集群系統，可以提高網絡通信系統的可靠性和可用性。本文討論的應用系統架構方案可以實現數據冗余和雙機容錯，可以在系統出現故障時實現動態切換，保障了數據庫安全和業務系統正常運行，從而為CBTC系統提供安全、可靠的網絡通信平臺。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”