基于國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的超融合水電站數(shù)據(jù)容災(zāi)機制探討及應(yīng)用

國能大渡河大崗山發(fā)電有限公司 楊娟 楊軍 何亞東

為了滿足水電站等能源產(chǎn)業(yè)向智慧型發(fā)展的需要，一些電站開始引入信息化技術(shù)，使其融入到電力生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)中心作為電站信息系統(tǒng)運行的核心組件，其承擔(dān)著對關(guān)鍵業(yè)務(wù)的計算、運營業(yè)務(wù)的承載以及數(shù)據(jù)存儲和備份的重要任務(wù)，隨著數(shù)據(jù)量日益增大，數(shù)據(jù)項越來越龐雜，電站對數(shù)據(jù)中心的依賴性越來越大，信息化系統(tǒng)最大的價值就是數(shù)據(jù)，保護好數(shù)據(jù)尤為重要，這些數(shù)據(jù)影響著電站運行的方方面面，因此需要對數(shù)據(jù)的傳輸和存儲加強管理，以確保水電站數(shù)據(jù)的安全。近幾年一些銀行和航空企業(yè)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)故障帶來的社會影響，讓我們不得不引起重視，一旦發(fā)生意外，有可能直接造成核心業(yè)務(wù)癱瘓，帶來嚴(yán)重的后果。

1 現(xiàn)狀分析

通過梳理電站數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，影響數(shù)據(jù)安全的主要有以下幾點問題：

（1）缺乏整體規(guī)劃。電站數(shù)據(jù)機房集成了多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，涉及軟硬件眾多，新系統(tǒng)缺乏長遠規(guī)劃，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心管理混亂，系統(tǒng)架構(gòu)臃腫無序，計算、存儲的需求在各個服務(wù)器之間不均衡，大量的軟硬件資源被浪費。

（2）硬件故障隱患。數(shù)據(jù)中心前期搭建過程中，數(shù)據(jù)量及相應(yīng)的訪問量并沒有達到過多，所以采用單服務(wù)器的模式運行，且數(shù)據(jù)存放于外置存儲，發(fā)生故障將導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可用，業(yè)務(wù)宕機。同時業(yè)務(wù)軟件和硬件緊耦合，追加容量一般只追加磁盤，隨著容量變多后存儲性能容易成為瓶頸，無法實現(xiàn)容量和性能的線性平滑擴容。

（3）數(shù)據(jù)存儲隱患。隨著越來越多的業(yè)務(wù)系統(tǒng)上線，隨之而來的是相應(yīng)的業(yè)務(wù)操作不熟練問題對數(shù)據(jù)產(chǎn)生巨大風(fēng)險，因不規(guī)范的使用方法將會造成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被誤操作、誤刪除，海量數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險直線上升，且系統(tǒng)缺乏專門的數(shù)據(jù)管理制度和存儲備份恢復(fù)保護機制，一旦發(fā)生故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失無法恢復(fù)，將導(dǎo)致電站業(yè)務(wù)平臺癱瘓，造成重大經(jīng)濟損失。

2 解決方案

2.1 總體設(shè)計思路

數(shù)據(jù)容災(zāi)系統(tǒng)（如圖1 所示）采用軟件虛擬化技術(shù)對電站業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行虛擬化，將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全等資源虛擬融合到一臺服務(wù)器中，構(gòu)建水電站超融合統(tǒng)一平臺架構(gòu)，采用UXDB 作為數(shù)據(jù)庫支撐軟件，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)存儲方式的分離管理，結(jié)合電站業(yè)務(wù)實際，研究并制定可靠的數(shù)據(jù)備份策略，設(shè)計可視化數(shù)據(jù)庫管理界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份進度、數(shù)據(jù)備份質(zhì)量、數(shù)據(jù)同步風(fēng)險等信息展示，進一步提高運維效率和質(zhì)量。

圖1 數(shù)據(jù)容災(zāi)系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)Fig.1 Overall design architecture of data disaster recovery system

2.2 超融合系統(tǒng)設(shè)計

超融合服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存儲備份的硬件支撐，將傳統(tǒng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用虛擬化技術(shù)進行支持，通過虛擬化網(wǎng)絡(luò)組件進行連接和網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離，虛擬化存儲組件構(gòu)建統(tǒng)一的虛擬存儲池，具備良好的擴容性，滿足業(yè)務(wù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲量的要求和高速I/O 的讀寫需求，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的增長和平臺橫向擴展性。超融合結(jié)構(gòu)將整個系統(tǒng)的計算節(jié)點和存儲節(jié)點部署在同一位置，在提供存儲能力的同時具備計算能力，提高資源利用率[1]。

2.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用UXDB 作為數(shù)據(jù)庫支撐軟件，包括國產(chǎn)DB 數(shù)據(jù)處理引擎、國產(chǎn)DBDFS 分布式存儲、國產(chǎn)DB可選組件的部署，如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Database system architecture

2.3.1 國產(chǎn)DB 數(shù)據(jù)處理引擎

數(shù)據(jù)庫引擎是用于存儲、處理和保護數(shù)據(jù)的核心服務(wù)。當(dāng)訪問數(shù)據(jù)庫時，不是直接讀寫數(shù)據(jù)庫文件，而是通過數(shù)據(jù)庫引擎去訪問數(shù)據(jù)庫文件。當(dāng)SQL 語句給數(shù)據(jù)庫引擎時，數(shù)據(jù)庫引擎會解釋SQL 語句，提取數(shù)據(jù)給調(diào)用者。對于國產(chǎn)DB 數(shù)據(jù)處理引擎是保證水電站數(shù)據(jù)容災(zāi)機性能的核心部件。

數(shù)據(jù)庫引擎提供容災(zāi)備份相關(guān)任務(wù)如下：

（1）創(chuàng)建電站多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫以保存系統(tǒng)所需的關(guān)系或XML 文檔。

（2）創(chuàng)建能夠滿足電站業(yè)務(wù)需要的數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化設(shè)計、創(chuàng)建和維護各個組件，確保數(shù)據(jù)庫的性能處于最佳狀態(tài)。

（3）提供有關(guān)如何有助于確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和日志文件安全的信息能力。

（4）提供日常數(shù)據(jù)備份管理支持，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫存儲、查詢性能。

（5）提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲，查詢故障排除能力[2]。

2.3.2 國產(chǎn)DBDFS 分布式存儲

在分布式集群中增加數(shù)據(jù)服務(wù)的結(jié)點就可以無限的增加數(shù)據(jù)存儲的量，突破了本地磁盤和盤陣的容量存在存儲上限的瓶頸；分布式存儲將數(shù)據(jù)分散存儲在多臺獨立的設(shè)備上，突破了傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)因集中存放所有數(shù)據(jù)系統(tǒng)性能受限的瓶頸。

（1）分布式存儲打破數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的上限。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫均采用本地文件系統(tǒng)或者磁盤陣列的方式進行數(shù)據(jù)存儲，理論上，這種存儲方式是有上限的，其上限取決于本地磁盤系統(tǒng)的容量或者磁盤陣列服務(wù)器的容量。而分布式存儲是沒有上限的，只要在分布式集群中增加數(shù)據(jù)服務(wù)的結(jié)點就可以無限的增加數(shù)據(jù)存儲的量。

（2）分布式存儲提升數(shù)據(jù)訪問性能。磁盤的I/O 一直是數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的軟肋，尤其當(dāng)數(shù)據(jù)增加到TB 甚至PB級別之后，這種I/O 的延遲將變得更為明顯。采用分布式存儲就是為了解決數(shù)據(jù)增加到TB 甚至PB 級別之后的I/O 瓶頸問題。眾所周知，相對于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，磁盤I/O 的發(fā)展要遠遠滯后，分布式系統(tǒng)將數(shù)據(jù)訪問分散在不同的數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點上，其效果是多個硬盤的同時讀寫操作（并發(fā)處理），該方式將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的磁盤I/O 的壓力轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)I/O，從而提升整體性能。

（3）分布式存儲集群和容錯。UXDB 是將數(shù)據(jù)處理（數(shù)據(jù)庫引擎）和數(shù)據(jù)存儲（分布式存儲）分離的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲分離之后，數(shù)據(jù)庫引擎將不再參與數(shù)據(jù)的復(fù)制，該工作將由分布式存儲接管，UXDB 的分布式存儲系統(tǒng)支持：無復(fù)制、讀復(fù)制和讀寫復(fù)制。當(dāng)啟動了復(fù)制功能后，同一份數(shù)據(jù)會分別存儲在不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容服務(wù)節(jié)點上，當(dāng)集群中任何一臺數(shù)據(jù)內(nèi)容服務(wù)結(jié)點失敗時，分布式存儲都將能夠提供完整的數(shù)據(jù)，這將不會影響數(shù)據(jù)庫引擎的正常工作。此外，分布式存儲還包括DIR-目錄服務(wù)器、元數(shù)據(jù)和復(fù)制服務(wù)器，這兩種服務(wù)器均支持Hot-Standby 的集群。

（4）數(shù)據(jù)庫引擎的Hot-Standby 集群。數(shù)據(jù)庫引擎支持Hot-Standby 集群方式，該方式是通過以流方式實時復(fù)制WAL（Write、Headlog）實現(xiàn)的。流復(fù)制傳遞日志的方式有兩種，一種是異步方式;另一種是同步方式。異步方式是事務(wù)提交后不必等日志傳遞到Standby 即可返回，所以Standby 數(shù)據(jù)庫通常比Primary 數(shù)據(jù)庫落后很少；同步方式在Primary 數(shù)據(jù)庫提交事務(wù)時，一定會等到WAL 日志傳遞到Standby 后才會返回，這樣當(dāng)主備庫切換時可以做到零數(shù)據(jù)丟失。

2.4 數(shù)據(jù)備份策略制定

根據(jù)電站需要，制定符合本電站生產(chǎn)及管理需要的數(shù)據(jù)容災(zāi)機制。系統(tǒng)結(jié)合全量備份和增量備份，初建進行人工的全量備份，將歷史數(shù)據(jù)加工清洗，分類存儲到對應(yīng)的備份倉中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)操作和存儲的分離管理。針對各業(yè)務(wù)的實時數(shù)據(jù)采集的秒、小時、日、周、月級的需求，自主備份采用增量方式實現(xiàn)了實時備份，最小備份1周至最大30 日的備份間隔策略。系統(tǒng)備份數(shù)據(jù)范圍包括數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、生產(chǎn)PLC 程序、工作文件，除自主備份外的數(shù)據(jù)集合外，建成圖形化文件管理的即時操作功能。

2.5 可視化界面設(shè)計

系統(tǒng)提供可視化的數(shù)據(jù)中心備份管理、國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫可視化管理功能（如圖3 所示）。

圖3 可視化界面Fig.3 Visualization interface

設(shè)計可視化數(shù)據(jù)庫管理界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份進度、質(zhì)量、同步風(fēng)險等信息展示。

當(dāng)業(yè)務(wù)發(fā)生故障，可通過超融合平臺故障檢測工具，快速定位網(wǎng)絡(luò)故障的節(jié)點。同時可以清晰展示虛擬機、虛擬網(wǎng)絡(luò)間流量，實時獲取數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)狀態(tài)[3]。

3 實施應(yīng)用情況

通過搭建電站超融合數(shù)據(jù)中心，建立了數(shù)據(jù)容災(zāi)備份系統(tǒng)，應(yīng)用國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了電站關(guān)鍵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份，并應(yīng)用數(shù)據(jù)圖形化管理工具，實現(xiàn)電站重要數(shù)據(jù)如PLC 程序、設(shè)備資料等數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲管理。基于國產(chǎn)化數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的超融合水電站數(shù)據(jù)容災(zāi)機制研究及應(yīng)用，可有效降低電站數(shù)據(jù)風(fēng)險，保障站內(nèi)設(shè)備安全穩(wěn)定運行。按每年減少1 次數(shù)據(jù)事故預(yù)估，可減少故障處理工期10天，節(jié)約故障處理直接損失約80 萬元，減少數(shù)據(jù)維護成本50 萬/年。

4 結(jié)語

當(dāng)前國際態(tài)勢下，做好我國能源和數(shù)據(jù)安全的自主可控研究是個迫切的課題。關(guān)鍵發(fā)電企業(yè)的容災(zāi)備份系統(tǒng)建設(shè)及研究有利于增加能源安全性，數(shù)據(jù)可靠性。本文對水電站國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫容災(zāi)備份體系做了多方面研究，結(jié)合實際問題和需求，做了容災(zāi)體系建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)探索及系統(tǒng)應(yīng)用嘗試，形成了國產(chǎn)自主的電站數(shù)據(jù)庫雙向備份架構(gòu)體系，并利用超融合架構(gòu)與國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)容災(zāi)備份的一體化管理。

引用

[1] 馬曉明,張新博.面向達夢數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用系統(tǒng)移植研究與實現(xiàn)[J].電腦編程技巧與維護,2021(4):82-84.

[2] 周亞潔.數(shù)據(jù)庫國產(chǎn)化替代面臨的問題及對策研究[J].信息安全研究,2018,4(1):24-30.

[3] 張歡.某企業(yè)數(shù)據(jù)中心容災(zāi)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué)(工程管理與信息技術(shù)學(xué)院),2015.