劉國秀，蔣朝根

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031）

雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的主用主控板、備用主控板和業(yè)務(wù)卡分布在背板不同的槽位上，為了保障系統(tǒng)的高可靠性，需要主從備份和實(shí)時(shí)信息變化時(shí)主用主控板、備用主控板和業(yè)務(wù)卡的信息同步，并且還需要存儲(chǔ)路由信息、設(shè)備信息和配置數(shù)據(jù)等。然而，目前雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余備份在實(shí)現(xiàn)上存在著代碼重用率低和數(shù)據(jù)同步的質(zhì)量不可控等缺點(diǎn)，并且需要同步的路由信息、設(shè)備信息和配置數(shù)據(jù)等由各個(gè)應(yīng)用模塊采取不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)接口不統(tǒng)一。針對(duì)以上存在的問題，設(shè)計(jì)了嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫，它具有的特點(diǎn)可以滿足雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的主用主控板、備用主控板和業(yè)務(wù)卡對(duì)物理分布性和對(duì)存儲(chǔ)、備份功能的需求。

1 主控冗余備份

主控冗余備份是指設(shè)備提供兩塊主控板，互為備份。其中一塊為主用主控板（Master Mpu），處于工作狀態(tài)，另一塊作為備用主控板（Slave Mpu），處于備份狀態(tài)。主用主控板運(yùn)行過程中，將所有靜態(tài)配置信息和一部分動(dòng)態(tài)信息備份到備用主控板，使得備用主控板具有與主用主控板相同的配置信息。

在雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，為了提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性，主控采用冗余備份，當(dāng)主用主控板宕掉或用戶強(qiáng)制切換時(shí)，備用主控板將接替主用主控板，保證系統(tǒng)無間斷的轉(zhuǎn)發(fā)。雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余備份的實(shí)現(xiàn)包括熱切換和熱備份兩個(gè)部分。而本文主要介紹基于嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)的熱備份。系統(tǒng)提供同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)熱備份功能。系統(tǒng)同步主要包括批量同步、實(shí)時(shí)同步和強(qiáng)制同步。

2 基于嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余備份

2.1 嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫

嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫運(yùn)行在嵌入式設(shè)備上，并且在物理分布上是分布在雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不同槽位上的主控卡、備用主控卡和線卡上，不僅具有嵌入式數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)，而且具有分布式數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)，因此，在本課題中稱之為嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫。

嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫是使用精簡(jiǎn)代碼編寫的，運(yùn)行在嵌入式設(shè)備上，需要較少的內(nèi)存，其速度更快，效果更理想。并且還具有應(yīng)用的可配置性和可適應(yīng)性、支持全駐內(nèi)存的操作、支持多線程等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，嵌入式應(yīng)用一般很少需要處理結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）那樣的復(fù)雜查詢，能夠針對(duì)具體應(yīng)用完成用戶提出的任務(wù)比支持通用的查詢界面更重要。因此嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫就無需像傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)庫那樣支持開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)（ODBC）和SQL界面。

嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫從所處的物理位置上來講，是物理上分散而邏輯上集中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。它們雖分布在雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不同槽位上的主控板和業(yè)務(wù)板上，但又需要集中管理和控制，由以太通道連接起來共同組成一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2.2 嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)

嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫首先是一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它有一般數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）的基本功能，即：數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)庫的定義、存儲(chǔ)和維護(hù)等；有效的數(shù)據(jù)庫操作包括查詢、插入、更新和刪除。當(dāng)然它也具有嵌入式數(shù)據(jù)庫和分布式數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)，如嵌入式、代碼量小輕便靈活、物理分布性、自治性和同步性等。其中同步性是嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫的顯著特點(diǎn)。

嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫的同步機(jī)制，在設(shè)計(jì)中把數(shù)據(jù)庫的同步機(jī)制作為重點(diǎn)。嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫可以分為分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步和表的公共存儲(chǔ)兩大部分，體系結(jié)構(gòu)如圖1。其中，分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步主要由以下幾個(gè)子模塊構(gòu)成：

圖1 嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)庫初始化模塊：完成數(shù)據(jù)庫資源的初始化。

（2）分布式數(shù)據(jù)庫注冊(cè)模塊：分布式數(shù)據(jù)庫注冊(cè)模塊完成數(shù)據(jù)庫的分布式注冊(cè)，建立主用主控板、備用主控板和業(yè)務(wù)板上數(shù)據(jù)庫表間的關(guān)系。

（3）分布式數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)機(jī)制模塊：提供分布式數(shù)據(jù)庫運(yùn)行所必須的任務(wù)、定時(shí)器、消息處理等基礎(chǔ)機(jī)制。

（4）數(shù)據(jù)庫管理模塊：提供外部模塊對(duì)數(shù)據(jù)庫操作和控制的接口，維護(hù)表的分布相關(guān)信息及管理數(shù)據(jù)庫的事務(wù)等。

（5）數(shù)據(jù)分發(fā)模塊：完成對(duì)數(shù)據(jù)庫管理的操作進(jìn)行同步。

表的公共存儲(chǔ)由公共表存儲(chǔ)查詢模塊完成表存儲(chǔ)、查詢和日志管理等功能。

2.3 基于嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余備份的方案

主控冗余備份在軟件上的實(shí)現(xiàn)包括熱切換和熱備份兩個(gè)部分。所謂熱切換，是主控冗余系統(tǒng)采用的一種技術(shù)，是指在有兩塊主控板的分布式系統(tǒng)中，對(duì)其主控板進(jìn)行1+1的冗余備份；其中主控板的主備兩板保持實(shí)時(shí)通信，在備用主控板上保持一份與主用主控板上同樣的數(shù)據(jù)而實(shí)現(xiàn)熱備份；主用主控板會(huì)定期向備用主控板發(fā)送“心跳”報(bào)文，當(dāng)備用主控板一旦檢測(cè)到“心跳”報(bào)文終止或者收到主用主控板的切換通知，會(huì)認(rèn)為主用主控板發(fā)生了故障，接替主用主控板的工作，從而實(shí)現(xiàn)了熱切換。而熱備份就是在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，主用主控板定期將配置信息備份到備用主控板。當(dāng)備用主控板檢測(cè)到主用主控板宕掉或接收到強(qiáng)制切換的shell命令，將接替主用主控板。同時(shí)，對(duì)原來的主控板會(huì)進(jìn)行故障恢復(fù)。由于篇幅所限，本文僅介紹基于嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的熱備份。

基于嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的熱備份方案如圖2，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)主用主控板和備用主控板同時(shí)啟動(dòng)，或在系統(tǒng)已運(yùn)行的情況下再插入備用主控板，主從協(xié)商完之后，進(jìn)入嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，互相通告數(shù)據(jù)庫表的相關(guān)信息，完成數(shù)據(jù)庫的分布式注冊(cè)，建立主用主控板和備用主控板同步時(shí)數(shù)據(jù)庫表間的關(guān)聯(lián)；數(shù)據(jù)庫表的相關(guān)信息通告完之后，則進(jìn)入主用主控板和備用主控板的批量同步階段，主用主控板會(huì)遍歷與備用主控板建立了關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫表，把表中的記錄封裝成報(bào)文的形式發(fā)送到備用主控板，備用主控板接收到報(bào)文后，根據(jù)操作類型完成相關(guān)表的操作（包括對(duì)表的插入、刪除和更新）。完成批量同步后，則進(jìn)入實(shí)時(shí)同步階段，當(dāng)應(yīng)用模塊通過嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫提供的操作接口對(duì)數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行插入、刪除和更新時(shí)，則會(huì)引起數(shù)據(jù)庫表信息的變化，主用主控板上的嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)則會(huì)及時(shí)同步到備用主控板的嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。如果主用主控板發(fā)生故障或強(qiáng)制切換時(shí)，備用主控板則會(huì)接替主用主控板的工作。

在運(yùn)行的系統(tǒng)中插入一張業(yè)務(wù)卡，業(yè)務(wù)卡啟動(dòng)完畢后，進(jìn)入嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，建立與主用主控板同步時(shí)數(shù)據(jù)庫表間的關(guān)聯(lián)；和上述類似，接著批量同步和實(shí)時(shí)同步，這里不再贅述。便保證了業(yè)務(wù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

如圖2，對(duì)嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫需要實(shí)現(xiàn)的功能和接口描述如下。

圖2 雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的熱備份方案

分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步：該模塊提供框架，應(yīng)用程序使用該框架函數(shù)集就可以在嵌入式分布式系統(tǒng)中將信息從主用主控板同步到備用主控板和業(yè)務(wù)卡,并且該模塊還提供將同步過來的數(shù)據(jù)根據(jù)操作類型分發(fā)到相應(yīng)模塊的數(shù)據(jù)庫表中。

應(yīng)用模塊：在本文中指需要使用分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步的應(yīng)用模塊。

公共數(shù)據(jù)庫：該數(shù)據(jù)庫提供函數(shù)集，應(yīng)用模塊可以通過函數(shù)集向數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行插入、刪除和更新等操作，該數(shù)據(jù)庫僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)庫，提供以表的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

接口A：應(yīng)用程序操作數(shù)據(jù)庫接口，包括創(chuàng)建表、插入、刪除、更新表項(xiàng)、設(shè)置表屬性、啟動(dòng)、確認(rèn)、回滾事務(wù)等。

接口B：分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步模塊內(nèi)部接口，通過卡間通訊等將信息傳遞到備用主控板和業(yè)務(wù)卡上，接口不對(duì)外公開。

接口C：數(shù)據(jù)庫操作接口，包括創(chuàng)建表、插入、刪除、更新表項(xiàng)、設(shè)置表屬性和查詢表。

接口D：分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步模塊與應(yīng)用程序接口，包括插入、刪除、更新表項(xiàng)、啟動(dòng)、確認(rèn)和回滾事務(wù)。

3 新架構(gòu)在三層交換機(jī)上的應(yīng)用

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息化建設(shè)的迅猛發(fā)展，三層交換機(jī)也得到了廣泛應(yīng)用，它的領(lǐng)域已遍及骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)骨干和匯聚層等，特別是用于核心骨干網(wǎng)。因此對(duì)三層交換機(jī)的可靠性也提出了很高的要求。三層交換機(jī)為了提高可靠性，主控板采用了冗余備份技術(shù)。

以前冗余備份的實(shí)現(xiàn)，在三層交換機(jī)的開發(fā)中采用的方式為：上層應(yīng)用模塊通過相關(guān)模塊提供的數(shù)據(jù)收發(fā)接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，由于提供的接口相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因此上層應(yīng)用必須關(guān)心數(shù)據(jù)的封裝、解封裝和分發(fā)，所以也需要關(guān)心熱拔插，主用主控板和備用主控板的批量同步等事件，同時(shí)需要設(shè)計(jì)機(jī)制保證數(shù)據(jù)在主用主控板、備用主控板和業(yè)務(wù)卡中的一致性。在軟件設(shè)計(jì)上由于沒有對(duì)上層應(yīng)用模塊的約束，上層應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)的方式多樣化，沒有統(tǒng)一的接口。缺點(diǎn)：（1）應(yīng)用模塊代碼重用性差；（2）各個(gè)應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)不統(tǒng)一；（3）應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)同步的實(shí)現(xiàn)質(zhì)量不可控。

另外需要同步的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)方面，應(yīng)用模塊采取不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)接口。并且每增加一款新產(chǎn)品，應(yīng)用模塊就要增加相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)產(chǎn)品的新特性。各個(gè)應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，工作量大。

而基于嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫冗余備份的新架構(gòu)，提供了標(biāo)準(zhǔn)且固定，隔離性好的統(tǒng)一的API接口。各個(gè)應(yīng)用模塊直接調(diào)用API接口，不必關(guān)心內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)極其簡(jiǎn)單，工作量減小。并且數(shù)據(jù)的同步對(duì)各個(gè)應(yīng)用模塊已屏蔽。嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫還具有存儲(chǔ)查詢功能。

綜上所述，采用新架構(gòu)的三層交換機(jī)的主控板的冗余備份，提高了代碼的重用性，減少了其它應(yīng)用模塊的工作量和提高了數(shù)據(jù)同步的質(zhì)量，并且實(shí)現(xiàn)了三層交換機(jī)的可靠性。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余備份，在冗余備份的實(shí)現(xiàn)上引入了分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，接著對(duì)基于嵌入式分布式數(shù)據(jù)庫雙主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余備份的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，提出了新的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了原理性介紹，最后把提出的新方案應(yīng)用在三層交換機(jī)的主控板的冗余備份上。這種新方案，提高了代碼的重用性和數(shù)據(jù)同步的質(zhì)量，并減少了其它應(yīng)用模塊的開發(fā)工作量，在一定程度上減少了開發(fā)成本，并且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的高可靠性。本論文的研究意義不僅局限于此，這些成果對(duì)于應(yīng)用于其它領(lǐng)域的研究與運(yùn)用也具有一定的參考價(jià)值。

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