艦載武器調度系統高可用數據存儲方案

收稿日期：2023-05-22

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.04.010

摘? 要：文章介紹了某艦船武器調度系統高可用數據存儲方案，其硬件設計和軟件設計均采用熱備方式。方案應用在軍用船艙中，所設計的硬件既能節省空間又能在多個方面實現冗余，且出現故障時互相不影響。軟件設計上采用容錯軟件將兩塊計算單元組成雙機熱備系統；采用同步鏡像軟件將數據庫數據同步存儲到兩個磁盤陣列；采用連續備份軟件將兩塊計算單元的操作系統和重要數據備份。這種高可用數據存儲方案消除了艦船數據庫系統中設備或軟件單點故障的風險，具有良好的軍事意義和社會效益。

關鍵詞：數據庫；雙機熱備；鏡像；主備

中圖分類號：U665.261? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）04-0046-04

High Availability Data Storage Scheme for Shipborne Weapon Scheduling System

LIU Zhaoxia1， 2， 3

（1.The 713 Research Institute of CSSC， Zhengzhou 450015， China; 2.The Key Laboratory for Smart Field Area Management and Scheduling Technology? in Zhengzhou City， Zhengzhou? 450015， China; 3.The Key Laboratory for Intelligent Scheduling and Transportation Technology， Zhengzhou? 450015， China）

Abstract： This paper introduces a high availability data storage scheme for a ship's weapon scheduling system. The hardware and software designs both adopt a hot standby method. The scheme is applied in military cabins， and the designed hardware can save space and achieve redundancy in multiple aspects， without affecting each other in case of failure. In terms of software design， fault-tolerant software is used to form a dual machine hot standby system with two computing units. It uses synchronous mirroring software to synchronize and store database data on two disk arrays， and uses continuous backup software to backup the operating systems and important data of two computing units. This highly availability data storage scheme eliminates the risk of single point failure of equipment or software in ship database systems， and has good military significance and social benefits.

Keywords： database; hot standby; mirror image; standby

0? 引? 言

關鍵數據的持續可用和安全問題關系到軍用數據庫系統的生存和發展。保證數據的持續可用和安全的需求也越來越多樣化，單一的解決方案已經不能滿足用戶的實際需求。因此，采用高可用解決方案保證數據持續可用和安全，可徹底解決軍用數據庫系統中設備或軟件單點故障的風險。

本方案提供一種某艦載武器調度系統高可用數據存儲方案，在數據庫服務器故障時，僅僅使用一次服務器的重新啟動即可以修復故障服務器，能夠解決現有技術中高可用系統設備或軟件單點故障的問題，極大地降低服務器的維護次數，延長數據庫系統的維修周期，節省數據庫維護成本。

1? 硬件軟件組成

本方案應用在軍用船艙里，要求硬件選型必須節省空間。在硬件設計和軟件設計上都采用了熱備方式，這種高可用解決方案能夠保障數據不丟失和系統不停頓，解決了軍用船艙數據庫系統中單點故障的風險。本方案應用硬件如圖1所示。

（a）計算單元? （b）磁盤陣列

圖1? 數據庫服務器示意圖

本方案所有硬件采用海軍鑒定的標準機柜和組件，硬件的應用方案設計節省空間，并且在多個方面實現冗余，出現故障互相不影響，其硬件包括：

1）數據庫服務器采用軍用機柜內配置四塊計算單元，兩兩計算單元組成主備數據庫服務器，實現雙冗余。

2）四個計算單元安裝了兩個數據庫，正常數據庫和訓練數據庫實現數據庫軟件雙冗余。

每個計算單元采用雙硬盤，實現雙冗余：

3）每個計算單元采用多個網卡，實現雙冗余。

4）數據庫存儲采用軍用機柜內配置兩個磁盤陣列，實現雙冗余。

5）雙網卡心跳檢測，實現心跳檢測雙冗余。

6）服務器使用UPS提供斷電保護，實現斷電后數據不丟失。

本方案每個組件采用成熟技術確保硬件安全，包括：

1）每個計算單元的雙硬盤采用Raid0或Raid1設置，提升讀寫速度或避免單硬盤故障。

2）每個磁盤陣列采用Raid5實現硬盤容錯。

3）網卡采用IPMP將雙網卡綁定為一個網卡，避免單網卡故障。

本方案采用多種雙機熱備技術，包括：

1）采用容錯軟件，將兩塊計算單元組成雙機熱備系統，設置雙心跳檢測，對外提供一個虛擬IP供用戶訪問數據庫。

2）采用同步鏡像軟件，將數據庫數據同步存儲在兩個磁盤陣列。

3）采用連續備份軟件，將兩塊計算單元的操作系統和重要數據備份。

2? 具體實施方式

雙機熱備方案實現首先使用兩個計算單元（第一計算單元test01、第二計算單元test02）和兩個磁盤陣列（第一磁盤陣列Z1、第二磁盤陣列Z2），兩個計算單元一主一備，兩臺磁盤陣列一主一備；兩個計算單元安裝操作系統為Windows Server 2008 R2，數據庫為Oracle 11g。兩個機柜內部采用交換設備互聯，負責計算單元和磁盤陣列的網絡通信，具體實施方式如圖2所示。

實施步驟具體如下：

1）將兩個磁盤陣列采用Raid5設置硬盤容錯，一個磁盤發生損壞后，不會影響數據的完整性，從而提高磁盤陣列的安全性和可靠性。

2）計算單元采用雙硬盤配置，可以采用三種方法處理：第一種可以采用Raid1避免單硬盤故障，兩個硬盤里的數據完全一樣，一旦其中一個硬盤壞了，依靠另一個硬盤，計算單元依然能正常運行；第二種可以采用Raid0提高存取速度；第三種可以采用操作系統鏡像方式，將計算單元其中一個硬盤安裝配置完成后鏡像安裝在另一個硬盤中備用，其中一個硬盤損壞后，計算單元操作系統啟動時在BIOS中設置啟動另一個硬盤實現硬盤切換。

圖2? 雙機熱備方案示意圖

3）兩個計算單元均安裝同步鏡像軟件，利用同步鏡像軟件將數據庫數據同步存儲在兩個磁盤陣列，保證兩臺磁盤陣列的數據保持一致，在服務器系統中兩臺磁盤陣列采用虛擬技術虛擬成一臺存儲設備提供給計算單元使用，用戶向虛擬的存儲設備中提交的數據，同步鏡像軟件同時將數據復制到兩臺真實磁盤陣列中。

4）第一磁盤陣列Z1、第二磁盤陣列Z2充當存儲，用來存放數據，兩個計算單元使用iSCSI連接兩個磁盤陣列。采用同步鏡像軟件，將第一磁盤陣列Z1和第二磁盤陣列Z2虛擬成一個虛擬陣列，計算單元將數據寫入虛擬陣列中，實際上是同時將數據寫入到第一磁盤陣列Z1和第二磁盤陣列Z2。當第一磁盤陣列Z1損壞之后，第二磁盤陣列Z2即刻接管業務，繼續提供數據，從數據層面確保了服務的連續性。當修復的磁盤陣列重新上線使用時，鏡像軟件會將第一磁盤陣列Z1和第二磁盤陣列Z2做數據增量同步，確保數據的一致性。

5）虛擬的磁盤陣列在主備計算單元需要指定相同的驅動器符號，如圖3所示，設置虛擬磁盤陣列磁盤1為Z盤。

6）兩個計算單元均安裝容錯軟件，利用容錯軟件將主數據庫計算單元與備用數據庫計算單元組成一對雙機熱備系統，設置雙心跳監測、對外虛擬IP、卷

鎖、監控Oracle服務和監聽。

圖3? 磁盤1為虛擬磁盤陣列示意圖

7）計算單元test01包括至少5塊網卡，將網卡1和網卡2采用雙網綁定功能IPMP將兩個獨立的網卡綁定為一個對外使用IP為192.168.10.110。計算單元test02進行同樣設置，將網卡1和網卡2采用雙網綁定功能IPMP將兩個獨立的網卡綁定為一個對外使用IP為192.168.10.120。

8）首先使用容錯軟件創建心跳，心跳是兩個計算單元的通信通道，只有建立了心跳才能監聽到相互的狀態，連接狀態正常才能進行后續的配置，如圖4所示。對外網絡和心跳的IP設置在不同網段，計算單元其他網卡可使用不同網段連接磁盤陣列。

圖4? 心跳狀態正常示意圖

9）計算單元test01網卡3（IP為10.0.0.3）和網卡4（IP為10.0.0.1）做雙心跳設置，計算單元test02網卡3（IP為10.0.0.4）和網卡4（IP為10.0.0.2）做雙心跳設置。計算單元test01網卡3監聽計算單元test02網卡3的狀態，計算單元test01網卡4監聽計算單元test02網卡4的狀態，只要有一個心跳狀態正常，容錯軟件就能實現雙機熱備應用。

10）使用容錯軟件創建虛擬IP，兩個計算單元的對外的IP地址是容錯軟件虛擬出來的IP地址，為兩個計算單元對外提供訪問的IP地址，即用戶客戶端訪問的IP地址，對外使用的綁定IP要和虛擬IP設置在同一個網段，本次設置的三個IP在同一個192.168.10網段。將兩個計算單元雙網卡綁定IP（192.168.10.110和192.168.10.120）虛擬成一個IP（192.168.10.100），其中一臺為主，出現問題時另外一臺接管這個IP，對外只需要提供192.168.10.100即可供用戶訪問數據庫，如圖5所示。

11）使用容錯軟件創建卷鎖，對共享磁盤陣列文件系統的保護機制是設置卷鎖，不允許兩個計算單元同時操作共享虛擬磁盤陣列。設置卷鎖后文件不能同時被來自兩個計算單元的系統訪問，避免了對文件系統造成損壞。創建完成卷鎖以后，在主計算單元上可以正常讀寫共享磁盤陣列，在備計算單元是不顯示共享磁盤陣列的，主計算單元故障切換至備用計算單元時才能在備用計算單元顯示共享磁盤陣列，備用顯示也是Z盤。

12）在主計算單元安裝Oracle數據庫，卷鎖切換至主計算單元上，將數據文件存放在Z盤；在備用計算單元安裝Oracle數據庫，卷鎖切換至備用計算單元上，刪除Z盤已經存在的數據文件，將新產生的數據文件存放在Z盤。

13）在Oracle Net Manager中增加主機為192.168.

10.100數據庫的監聽和服務。

14）使用容錯軟件創建NT服務資源，為保障雙機熱備的正常使用，應該通過容錯軟件來完成啟動和停止NT服務。將Oracle的“OracleServiceDatabaseName”和“OracleOraDb10g_home1TNSListener”兩個服務依次添加成容錯軟件里的NT服務資源。

15）在操作系統的服務列表中停止Oracle的“OracleServiceDatabaseName”和“OracleOraDb10g_home1TNSListener”兩個數據庫的服務，并設置啟動類型為“手動”，由容錯軟件啟動和停止數據庫的服務和監聽。

16）雙機熱備配置完成后，為保障兩個計算單元之間心跳線的正常工作，打開兩個計算單元的防火墻，關閉防火墻或開啟軟件使用的所有相關端口。

17）殺毒軟件的查殺、掃描和惡意檢測行為會干擾雙機熱備軟件，應該在殺毒軟件的“文件白名單”和“目錄白名單”兩個選項卡將相關文件排除在外。

18）配置完成雙機熱備后進行測試，可采用網絡故障切換測試、關機測試、關閉進程測試、客戶端連接測試等方法，主機備機逐個資源啟動停止，確保測試充分。圖6為雙機熱備資源啟動正常示意圖。

圖6? 雙機熱備4資源啟動正常示意圖

19）按照相同步驟在另外兩個計算單元上安裝訓練數據庫，正常數據庫存儲真實數據，訓練數據庫存儲訓練數據，正常數據庫故障可將數據導入到訓練數據庫中直接使用。

20）采用連續備份軟件將兩塊計算單元的操作系統和重要數據備份，實時監控操作系統狀態，操縱系統故障時自動還原故障系統，重要數據丟失時將數據還原到發生意外前一秒鐘時狀態。

對于本系統而言，對數據安全性要求較高，因此服務器機柜另外還配置了UPS供電，當外部供電中斷時UPS報警，電池組能夠維持至少10分鐘，確保數據庫服務器有充足時間保存數據和關機，避免數據丟失。

本方案應用在普通雙機熱備數據庫系統中最簡單配置為每臺服務器至少要有兩塊網卡，其中一塊網卡使用直連線連接兩臺服務器，專門用于配置心跳線；另外一塊網卡用于配置外網訪問，同時兼做心跳線。同一臺服務器兩塊網卡的IP地址設置在不同網段即可實現雙機熱備。

3? 效果分析

1）本方案利用容錯軟件將主數據庫計算單元與備用數據庫計算單元組成一對雙機熱備系統，設置雙心跳監測，將數據庫服務安裝在兩塊計算單元上，對外提供一個虛擬IP供用戶訪問數據庫。

2）利用同步鏡像軟件將數據庫數據同步存儲在兩個磁盤陣列，確保兩臺磁盤陣列的數據在任何時候保持一致，在服務器系統中采用虛擬技術將兩臺磁盤陣列虛擬成一臺存儲設備提供給計算單元使用，對于用戶向虛擬的存儲設備中提交的數據，同步鏡像軟件同時將數據復制到兩臺真實磁盤陣列中。

3）采用連續備份軟件將兩塊計算單元的操作系統和重要數據進行備份，實時監控操作系統狀態。

4）數據庫計算單元采用雙硬盤備用，避免單硬盤故障；采用雙網卡綁定IPMP將兩個網卡綁定為一個網卡，防止單網卡故障；將兩個磁盤陣列采用Raid5硬盤容錯設置，提高磁盤陣列安全性；UPS機柜提供斷電保護，避免數據丟失。

最后，在服務器故障時，僅僅使用一次服務器的重啟動即可以修復故障服務器，能夠解決現有技術中高可用系統磁盤陣列出現單點故障的風險，降低服務器的維護次數，延長數據庫系統的維修周期，節省數據庫服務器維護成本。

4? 結? 論

此高可用數據存儲方案滿足了空間占用少、恢復時間短、故障后自動切換以及數據的高可用性等要求，經在艦船某武器系統的若干條船上的應用實踐，證明已達到了預期的數據應用效果，具有良好的實用性和可推廣性。

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作者簡介：劉朝霞（1980.10—），女，漢族，河南鄭

州人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：數據庫和物資管理調度。