計算機輔助工藝設計（CAPP）系統 數據備份模式的研究

張旭明，李曼麗，趙永平

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

用來編制航天器工藝文件的計算機輔助工藝設計（CAPP）等工藝編制系統對于航天器的生產制造具有重要的作用，需要針對其特點采取合理的備份模式進行數據備份，保證數據安全。

北京衛星環境工程研究所擁有國內最大、功能最完善、技術最先進的AIT 中心，建立了比較完善的生產管理系統，包括CAPP、MES 和AVIDM。其中，CAPP 用于航天器總裝工藝設計，已經在幾十個在研型號上成功開展，促進了工藝文件編制的規范性，提高了編制效率[1]。同時，在CAPP 中編制的工藝文件作為MES 和AVIDM 的輸入數據，其數據的完整性和可靠性是確保MES 和AVIDM正常運行，保證航天器的總裝與試驗穩定進行的前提條件。因此，必須對CAPP 系統數據進行完整的數據備份，以避免因數據缺失或損壞對生產造成不利影響。

本文針對航天器工藝數據的特點，以CAPP 系統為備份對象，結合其程序架構以及實際運用中的特點和規律，為CAPP 系統設計合理的備份模式，確保其數據的安全，并為相同類型工藝編制系統備 份模式的制定提供了理論和實踐的參考。

1 CAPP 系統備份需求分析

1.1 航天器工藝數據特點

航天器工藝數據用于指導航天器的總裝操作，相對于其他類型的系統數據，具有可靠性要求高、數據間歇性更新、數據總量變化相對較小等特點。

1）航天器工藝數據記錄航天器總裝操作的步驟、零件規格、注意事項等，任何數據的錯誤或者丟失都可能給整個型號任務的完成帶來極為不利的影響，因此，航天器工藝數據在可靠性方面具有極高的要求，必須對其實施可靠的備份。

2）CAPP 等工藝編制系統是航天器裝配的重要工具，工藝人員在工作時間的使用頻率較高，使用人數較多，因此，工作時間數據更新的操作頻率相對較高，也相應提高了服務器的訪問頻率；且此類系統通常采用獨立的服務器，若在工作時間段內進行異地備份會占用有限的網絡帶寬與硬件資源，難以同時滿足備份和正常應用的需要，易對用戶的正常使用造成不利影響。

3）以CAPP 系統為例，圖1為CAPP 數據日增長量的抽樣結果，與高數據量并發的商用信息化系統不同，CAPP 系統以文本數據為主，不存儲視頻、音頻等多媒體大容量數據，整體數據量處在較小的量級，且變化比較平緩，增長速度有限；同時新增工藝數據較少，有大量刪除操作時還可能出現負增長，整體數據量將長期保持在較小的量級。因此，對數據的整體備份不會占用過多的時間和硬盤空間。

圖1 CAPP 數據日增量Fig.1 Daily increased data of CAPP

1.2 CAPP 系統的備份要求

CAPP 屬于面向生產的信息化系統，使用頻率高，數據丟失帶來的風險大，對數據的可靠性要求較高[2]，通常要保持較高的數據備份頻率。同時，為了能夠有選擇地恢復某個時間點的數據，需要保留一定時段的歷史數據。

CAPP 系統用來進行工藝文件的編制[3]，在與MES 和AVIDM 系統集成后增加了文件簽署和將文件導入MES 的功能，其工藝文件數據對航天器的生產制造具有重要意義。

此外，CAPP 系統采用C/S 架構，由客戶端、簽署服務器、數據庫服務器3 部分組成，客戶端以 及簽署服務器不存儲任何與業務相關的數據，它們發生故障不會導致數據丟失；所有工藝文件數據均存儲在數據庫服務器中，其故障可能會產生數據丟失或出錯等嚴重后果，需要對其中數據進行完整可靠的備份。

2 CAPP 系統的數據備份策略

2.1 備份方法

在CAPP 系統的備份設計中，需要選擇合理的備份方法，以充分利用存儲空間，簡化備份過程，縮短備份和恢復數據的操作時間。常見的備份方法包括完全備份、增量備份和差異備份等[4]。

完全備份方法只需要最后一次備份的介質，就可以恢復丟失的數據，備份與恢復的過程相對簡單，但需要占用較大的磁盤空間和較長的備份時間[5]，適用于整體數據量不大的情況。增量備份[6]只備份前一次備份后發生改變和新增的數據，節省了備份數據所占用的磁盤空間，且備份作業所需時間要短于完全備份，但恢復過程較為復雜，且局部數據的損壞可能導致整個恢復作業的失敗[7]。差異備份介于完全備份與增量備份之間，占用的存儲空間比完全備份少，比增量備份多；數據恢復的快捷性與安全性不如完全備份高，而又優于增量備份。3 種備份方法及其數據恢復的原理如圖2所示。

圖2 3 種備份方法原理Fig.2 The theory of three backup methods

綜上所述，雖然增量備份與差異備份更加節省磁盤空間與備份時間，但是在備份數據量有限，完全備份產生的開銷能夠被接受的情況下，應優先選擇可靠性與簡易性較高的完全備份作為備份方法。

由于業務特點的限制，單份工藝文件的數據量對于存儲空間的占用比較有限，且新工藝文件的創建頻率較低，因此，CAPP 系統數據庫的數據量將長期穩定在較小量級，且試驗證明其完全備份時間也不超過1 h，處于可接受范圍內。同時，在采用 適當的介質循環策略后，完全備份所占用的磁盤空間也在當前磁盤容量的可接受范圍內。因此，針對北京衛星環境工程研究所的現有條件，確定對CAPP 系統采取完全備份方式進行備份。

2.2 介質循環策略

在信息化系統的備份作業中，數據通常被存儲到磁帶等介質上，若不采用介質循環策略，每次備份都使用一塊新的存儲介質區域，將造成存儲介質的無限增長。而采取合理的介質循環策略，可以在使用量保證數據可靠性的前提下高效地利用存儲介質，避免存儲空間的浪費。介質循環策略是指通過重復使用介質的方式備份數據，不同的介質循環策略所需的介質數目，以及介質再次被使用之前保存數據的時間段不同[8]。傳統的介質循環策略包括子循環策略、父子循環策略及祖父循環策略等。

子循環策略是指在一個介質上重復進行完全備份，如設定備份周期為1 d，則使用一個介質每天進行一次完全備份，每次備份覆蓋上一次的備份。

父子循環策略使用完全備份與差異備份或增量備份的組合。其備份介質分為A、B 兩組，B 組介質定期循環進行完全備份，A 組介質在B 組介質兩次完全備份的間隔期間進行差異備份或增量備份。

祖父循環策略也使用完全備份與差異備份或增量備份的組合。其備份介質分為A、B、C 共3組，C 組以T0為備份周期進行完全備份，B 組介質在C 組介質兩次完全備份的間隔期間以T1（T1＜T0）為備份周期進行完全備份，A 組介質則在B 組介質兩次完全備份的間隔期間進行差異備份或增量備份。

以上3 種介質循環策略各有優缺點，子循環策略規則簡單，管理方便，但只能恢復到上一次備份的狀態。父子循環策略保存數據的時間比子循環策略的長。祖父循環策略通過增加有限的介質獲得比父子循環策略更長的備份數據回溯時間。

在實際業務中，CAPP 系統發生故障時要選擇性地恢復之前某一時刻的數據，因此子循環策略反復覆蓋上一次備份數據的方式不適用于CAPP 系統的數據備份。而父子循環策略和祖父循環策略所使用的完全備份與差異備份（或增量備份）相結合的方法，雖然在很大程度上節省了備份所使用的介質空間，但是其數據恢復上的復雜性不利于信息化管理工作的實施，且存在因局部數據備份的失敗或錯誤導致整個數據無法恢復的可能性。因此，以上3 種傳統的介質循環策略均不適用于CAPP 系統的備份。

CAPP 系統使用針對其應用特點改進的父子循環策略進行備份。傳統的父子循環策略在兩次完全備份之間進行若干次增量備份或差異備份，一旦用于某次增量備份的介質發生損壞，將導致之后的所有增量備份數據均無法恢復。因此需要對傳統的父子循環策略進行改進，用完全備份代替增量備份或差異備份，在一個周期內每次都用新的介質進行完全備份；在下一個周期中對上一個周期使用的介質進行覆蓋。改進后的父子循環策略既避免了傳統父子循環策略在管理和安全上的問題，又保留了其保存數據時間較長、介質利用率高的優點。改進后的父子循環策略將磁盤空間劃分為小塊模擬存儲介質，如圖3所示，設介質的循環周期為5 d，則循環1 的5 d 時間內，每天分別使用不同的存儲介質進行完全備份；在循環2 中，每天備份時依次覆蓋循環1 中對應的存儲介質，進行完全備份；以此類推，在循環3 中覆蓋循環2 中使用的存儲介質區塊。

圖3 改進的父子循環策略Fig.3 The improved strategy of cyclic backups

2.3 覆蓋保護周期

覆蓋保護周期是指介質不可被覆蓋的時間長度。覆蓋保護周期從上次寫入介質的時間（即上次附加或覆蓋作業結束的時間）開始計算。覆蓋保護周期結束之后，介質變為可回收介質，可以進行覆蓋。覆蓋保護周期每增加一個單位，需要對應增加一個存儲介質，用磁盤模擬存儲介質時則增加一塊磁盤空間。因此，在設定覆蓋保護周期時要綜合考慮工藝文件編制所花費的時間與現有資源的限制。 工藝文件從被創建到完成簽署的時間段內存在被修改的可能，而完成的工藝文件經過簽署被導入MES 系統后，僅做查看用，不再進行修改。因此尚未經過簽署的工藝文件是CAPP 系統數據庫的變量，發生錯誤或丟失時，通常要求能夠恢復到之前某一時刻的狀態。

設覆蓋保護周期為T，可用磁盤空間總容量為S，每次備份的介質占用磁盤的預估空間上限為ds，則可用磁盤所包含介質個數為

設兩次備份開始時間的間隔為Tm，由于覆蓋保護周期是從介質最后一次備份結束的時間算起，所以設進行一次備份預估的時間上限為TB，則最大覆蓋保護周期為

設編制每份工藝文件花費的時間為，則編制工藝文件的平均時間為

由于為每一份工藝文件單獨設定覆蓋保護周期將大大增加備份運維的成本，所以采用如下的折中策略，設某一時刻工藝文件的備份數據最大留存時間為t+Δt，其中Δt代表備份數據最大留存時間與編制工藝文件平均時間t的允許偏差，可為正值或負值。則覆蓋保護周期為

3 備份作業部署及運行

3.1 備份系統架構

信息化備份系統的架構有多種形式，其中LAN-Based、LAN-Free[9]以及Server-Free[10]較為常見。如圖4所示，在LAN-Based 備份系統架構中，數據通過網絡傳輸，備份服務器負責整個系統的備份操作，備份介質連接在某臺服務器上，備份服務器把備份對象數據傳輸到備份介質中實現備份。其優點在于節省投資，備份介質共享，備份集中管理；缺點在于對網絡的傳輸壓力大。

圖4 LAN-Based 備份架構Fig.4 LAN-Based backup infrastructure

如圖5所示，在LAN-Free 備份系統架構中，備份對象服務器和備份介質位于共同的SAN 中，各自作為獨立的光纖點，數據流不再經過網絡，而是直接從備份對象的磁盤陣列通過光纖傳輸到備份介質上。Server-Free備份系統架構則在LAN-Free架構的基礎上增加了“第三方代理”的設置，與LAN-Based 架構相比，它的備份速度更快，網絡傳輸壓力減小，但投資增大。

圖5 LAN-Free 備份架構Fig.5 LAN-Free backup infrastructure

LAN-Based 的備份架構可充分利用現有網絡資源，與LAN-Free 和Server-Free 備份架構相比，可以節省光纖等方面的投入，只需添加一臺備份服務器和備份存儲介質即可。鑒于CAPP 系統的數據量有限，通過合理地設定備份時間可以解決網絡帶寬被占用所帶來的問題，所以，CAPP 系統的備份架構采用LAN-Based 形式。

3.2 備份實現

在備份的實現上，將CAPP 數據庫所在服務器作為備份對象，采用LAN-Based 備份系統架構，設置1 臺CAPP 數據庫服務器之外的備份服務器，對備份作業進行管理和監控，同時將備份服務器本身的磁盤空間作為備份介質，按照第2 節所述的方式設定介質循環策略與覆蓋保護周期，對CAPP 系統的數據信息進行周期性的異地備份。

為避免備份時占用較大的網絡帶寬，影響用戶的正常使用，根據CAPP 系統用于工藝設計人員進行工藝文件設計，白天工作時間數據庫訪問最為頻繁的特點，將CAPP 系統的備份作業設定在夜晚服務器訪問量較少的時間段進行。

在備份的具體實現上，采用Symantec Backup Exec 作為備份管理軟件，安裝該軟件的備份服務器通過與安裝在CAPP 數據庫服務器上的Agent進行通信來獲取CAPP 的工藝文件數據，并將數據完全備份在備份服務器的磁盤空間上。經一段時間的試運行，備份作業運行正常，備份介質能夠按照計劃進行寫入與覆蓋，且能夠通過使用備份介質將CAPP 數據庫信息完全恢復到另一臺服務器上，驗證了此備份模式的可行性。

4 結束語

本文分析了適合用于編制航天器工藝文件用CAPP 系統的備份模式，根據航天器工藝數據的特點以及CAPP 系統的特點和應用情況，對備份方法、介質循環策略和覆蓋保護周期等進行了設定和分析，確定對CAPP 數據庫中的航天器工藝數據采用改進的父子循環策略進行完全備份，根據建立的公式設定覆蓋保護周期。最后，對CAPP 備份作業的具體部署進行了分析和設計，采取LAN-based備份系統架構搭建備份平臺，實現數據的異地周期性備份，保障數據安全。

本文針對航天器工藝數據特點為CAPP 系統制定的備份架構和備份策略，可推廣到同類型工藝信息化系統的備份模式制定和實施。對于其他類型的信息化系統，如何針對不同系統的特點，隨需應變地設置備份模式，科學地實施對多個應用系統的備份，將是未來研究的重點。

（References）

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