用於複製資料庫的方法和系統的製作方法

2023-04-26 10:05:01 1

專利名稱：用於複製資料庫的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於複製資料庫的方法、計算機可讀介質和系統。
背景技術：
在計算機系統中數據常存儲在資料庫中。當資料庫被複製時，相同的數據存儲在 多個存儲裝置中。複製被頻繁地執行且它為相同資料庫提供多個一致的副本。
信息管理系統從若干個源搜集信息並管理該信息，且將信息分布到所限定的系 統。信息例如可以從所有技術、商業或衛生保健領域收集。 在諸如石油煉製的高級處理控制或者監控核電站的操作這樣關鍵任務系統中，需 要過程信息管理系統(PIMS)的高可靠性和不間斷的操作。計算機系統中的任意單點故障 必須不中斷過程信息管理系統或在其上運行的應用程式的實時操作。 典型地，已經使用PC集群技術來建立冗餘過程信息管理系統。於是，系統和數據 庫此時運行在一個節點上，且在硬體或軟體故障情況下，系統在獨立的節點啟動。故障總是 導致系統操作中的不希望中斷。 關係資料庫系統提供建立高可用性解決方案和資料庫複製功能性的若干概念，但
是它們的性能並不滿足通常針對過程信息管理系統所設置的要求。 —些過程歷史產品能夠提供過程歷史的冗餘，但是它們不能存儲關係數據。

發明內容
本發明的目的是創造一種用於複製資料庫的方法、設備和系統。為了實現這一 目 的，本發明的特徵在於權利要求1、4、8和9的特徵部分中規定的特徵。本發明的一些其他 優選實施方式具有從屬權利要求中規定的特性。 —種用於複製資料庫的方法，在該方法中，至少兩個資料庫被複製，每個資料庫包 含一個或多個表，且每個表具有數據和唯一樹索引，該唯一樹索引包含索引關鍵字和在每 個樹索引層上從數據計算的分層次的循環冗餘校驗值和。在該方法中，通過比較資料庫表 的循環冗餘校驗值和來維持資料庫中相應表之間的數據的邏輯一致性；且如果發現循環冗 餘校驗值和之間的差異，則將樹索引邏輯地分割成兩個子樹索引且相互比較子樹索引的循 環冗餘校驗值和。使比較和分割一直持續到導致差異的數據被發現，並且在資料庫之間復 制不一致的數據。 —種用於在信息管理系統中確保資料庫一致性的複製資料庫的方法。在該方法 中，至少兩個資料庫被複製，每個資料庫包含一個或多個表，且每個表具有實時數據和唯一 樹索引，該唯一樹索引包含索引關鍵字和在每個樹索引層上從數據計算的分層次的循環冗 餘校驗值和。通過比較資料庫表的循環冗餘校驗值和來維持資料庫中相應表之間的數據的 邏輯一致性；且如果發現循環冗餘校驗值和之間的差異，則將樹索引被邏輯地分割成兩個 子樹索引且相互比較子樹索引的循環冗餘校驗值和，且該比較和分割一直持續到導致差異 的數據被發現。在資料庫之間複製不一致的數據，並且將複製的資料庫服務於信息管理系
—種用於複製資料庫的設備，其中，至少兩個資料庫被複製，每個資料庫包含一個 或多個表，且每個表具有數據和唯一樹索引，該唯一樹索引包含索引關鍵字和在每個樹索 引層上從數據計算的分層次的循環冗餘校驗值和，所述設備包括用於通過比較該資料庫 表的循環冗餘校驗值和來維持該資料庫中相應表之間的數據的邏輯一致性的裝置；以及用 於如果發現循環冗餘校驗值和之間的差異，則將該樹索引邏輯地分割為兩個子樹索引且相 互比較該子樹索引的循環冗餘校驗值和，且使該比較和分割一直持續到導致差異的數據被 發現，並且在該資料庫之間複製不一致的數據的裝置。 —種用於複製資料庫的系統，包括至少兩個資料庫，該資料庫具有一個或多個 表，且每個表具有數據和唯一樹索引，該唯一樹索引包含索引關鍵字和在每個樹索引層上 從數據計算的分層次的循環冗餘校驗值和；用於通過比較資料庫表的循環冗餘校驗值和來 維持資料庫中相應表之間的數據的邏輯一致性的裝置；用於發現循環冗餘校驗值和之間的 差異的裝置，用於將樹索引邏輯分割為兩個子樹索引的裝置，用於相互比較子樹索引的循 環冗餘校驗值和的裝置和用於使得該比較和分割一直持續到導致差異的數據被發現的裝 置，以及用於在資料庫之間複製不一致的數據的裝置。 在用於複製資料庫的方法中，索引是引用(例如指向資料庫文件或表中的記錄或 數據行的指針)的有序集。索引基於表的一列或多列。資料庫中的索引結構例如是B-樹 (B-tree)或B+樹。B-樹是維持有序數據集且允許找到、刪除、插入和瀏覽數據的有效操作 的數據結構。 用於複製資料庫的方法和系統例如用於確保過程信息管理系統中的資料庫的一 致性。當在過程信息管理系統中提供資料庫服務的伺服器之一由於硬體故障或磁碟系統升 級而停機時，其他伺服器可以運行。提供給過程信息管理系統的數據被存儲在運行的一個 或多個伺服器的資料庫中。數據來自工廠的控制和監控系統，且包含來自各裝置的測量得 到的操作值或參數以及用於處理裝置的計算得到的控制值。在伺服器恢復之後，它丟失了 停機期間提供給其他伺服器的數據。然後，通過用於複製資料庫的方法和系統來控制服務 器中的資料庫的一致性，即，將丟失或變化的數據傳送到停機的伺服器，且檢查已經運行的 伺服器的一致性。當資料庫的複製完成時，資料庫具有相同的存儲信息內容，且任意資料庫 可以在過程信息管理系統中工作。 用於複製資料庫的方法實現了在計算機系統中任意單點故障情況下的無中斷操 作以及在故障之後將系統復原為原始系統時的無中斷操作。 其他優點在於在負載共享情況下的高可用性和更好的數據存取性能。高可用性數
據庫提供了使用PC集群技術不能實現的冗餘計算機之間的負載共享可能性。 用於複製資料庫的系統不需要事務存檔或類似存檔，而有一些關係資料庫在複製
中要使用該事務存檔。事務存檔消耗存儲空間且降低性能。信息的複製和檢查是獨立的基
於需要的過程。 用於複製資料庫的方法提供了資料庫高可用性，且提供並發運行資料庫系統的兩 個或多個實例而在單個計算機故障的情況下在系統中沒有任何中斷的可能性。用於複製數 據庫的系統提供了選項來建立在一個系統中含有若干複製資料庫的系統以提供更高級別 的可用性。負載共享功能性提供了將資料庫系統擴展為包含大量計算和/或極大量並發用戶的解決方案的可能性。 用於複製資料庫的系統可以使用低成本的硬體實現。其實現了使用不昂貴的PC計算機來建立高度可靠的實時過程信息管理系統。 在用於複製資料庫的系統中，硬體可以是分散的，例如，資料庫可以存儲在不同的計算機中，無需任意專用硬體。從物理的視角，分散例如防止火險。


在下文中，將通過參考附圖在特定實施方式的幫助下更詳細地描述本發明，附圖中 圖1是用於資料庫複製的系統的一般示圖； 圖2是存儲在B+樹中的分層次的循環冗餘校驗值的一般示 圖3是用於過程信息管理系統的資料庫複製的系統的一般示圖。
具體實施例方式圖1圖示了資料庫複製系統。 在用於複製資料庫的方法中，兩個或更多資料庫被彼此複製。在圖1中，存在3個
資料庫1A-1C。在本實施方式中，資料庫1A-1C是符合關係模型的關係資料庫。 每個資料庫1A-lC包括含有數據的表2a-2i。在複製方法中，B-樹(B-tree)或B十
樹(B+tree)應用為資料庫表中的索引結構。B+樹在圖2中示出。它保持存儲的數據且允
許在邏輯分攤時間(amortized time)內進行搜索、插入和刪除。存儲在B-樹中的數據片
通常被稱為關鍵字。在唯一索引中，每個關鍵字在邏輯上是唯一的，且可以只出現在B-樹
中的一個位置中。 每個表2a-2i均具有唯一樹索引，該唯一樹索引包含索引關鍵字和從每個樹索引層上的數據計算所得的分層次的循環冗餘校驗值和。樹索引是條目的有序集。每個條目包含搜索關鍵字值和指向表中包含該值的特定行的指針。索引關鍵字是來自數據行的一個或多個欄位組成的數據量。 圖2代表實施用於48個數據行的索引的簡單三層B+樹的一部分。在葉節點24中，存儲每個數據行的循環冗餘校驗值(C,..n)及相應索引關鍵字內部節點23包含指向葉節點的大量指針。相應葉節點中的相應索引關鍵字和所有循環冗餘校驗值和與每個指針存儲在一起，最後的指針除外。最後的指針所指的葉節點的循環冗餘校驗值和被包括在上層內部節點的循環冗餘校驗和中，在該示例中，該上層內部節點是根節點22。整個索引21中的所有循環冗餘校驗值和與指向根節點的指針存儲在一起。
B-樹包括含有索引關鍵字的節點結構以及將B-樹的節點連結到一起的指針。
用於複製資料庫的方法基於針對數據表2a-2i中所選邏輯唯一索引的B或B+樹的所有層計算和存儲關於數據的循環冗餘校驗值和。其是存儲結構且提供用以檢查資料庫表2a-2i的冗餘副本的一致性且在發現不一致性時校正差異的服務。對於每個關鍵字，即，資料庫中的數據行，計算循環冗餘校驗值，且將其存儲到葉。關鍵字的循環冗餘校驗值相加在一起成為葉所屬的內部節點的循環冗餘校驗值和，且內部節點的循環冗餘校驗值的和被進一步相加到它們所屬的節點。最後，存在一個從資料庫表中的所有數據計算的循環冗餘
6校驗值和。 通過比較資料庫表的冗餘副本的循環冗餘校驗值和，可以驗證副本是否彼此邏輯一致。邏輯一致性意味著表包含有效數據。在冗餘副本的循環冗餘校驗值和彼此不同的情況下，樹索引被邏輯分割為兩個子樹索引，且將子樹索引的循環冗餘校驗值和相互比較，一直到發現數據中的實際差異為止。不一致的數據在資料庫之間複製。如果數據存在於表的若干副本中，數據的修改時間(行修改時間)用於決定哪個數據副本是最新的副本。使用保存在每個資料庫中的刪除日誌檢測刪除的數據行。 所述循環冗餘校驗值和的比較處理允許在O(logn)時間內發現兩個任意大小的表的差異。例如，對於具有l 000 000 OOO行的兩個表，將花費30次迭代發現副本之間的差異。然而，因為通常很多差異彼此靠近，所以使用例如64行的塊反而使得迭代減小為24。
在B-樹中，內部節點可以具有在某個預定範圍內的數目可變的子節點。當數據被插入或者從節點刪除時，其子節點的數目變化。為了維持該預定範圍，內部節點可以結合或分離。因為一定範圍的子節點被允許，B-樹不需要像其他自平衡搜索樹那樣頻繁的重新平衡，但是可能會浪費一些空間，因為節點並不完全充滿。子節點的數目的下限和上限對於特定實施方式一般是固定的。例如，在2-3的B-樹中，每個內部節點可以僅具有2或3個子節點。 當節點存取次數遠超過節點內部的存取次數時，B-樹具有優於備選實施方式的實質性優點。這通常在大多數節點處於諸如硬碟驅動這樣的輔助存儲器中時發生。通過最大化每個內部節點內的子節點的數目，樹的高度減小，平衡的發生更不頻繁，且效率增加。通常，該值被設置為使得每個節點佔據輔助存儲器的整個磁碟存儲塊(disk block)或相當大小。儘管2-3B-樹在主存儲器中可能有用，且相當容易解釋，但是如果節點大小變為磁碟存儲盤塊的大小，則結果可能是257-513B-樹。 每個B-樹具有某種"次序n"，意味著節點包含從n到2n個關鍵字，且節點的關鍵字由此總是至少半滿。關鍵字以排列次序保持在每個節點內。相應指針列表有效地散布在關鍵字之間以指示如果關鍵字不在當前節點中則到哪裡搜索該關鍵字。包含k個關鍵字的節點總是包含k+l個指針。 B-樹的每個節點具有可變數目的關鍵字和子節點。關鍵字以非減小順序存儲。每個關鍵字具有相關的子節點，該子節點是包含的所有節點的關鍵字均小於或等於該關鍵字但大於前面關鍵字的子樹的根。節點也具有附加的最右邊的子節點，該子節點是包含的所有關鍵字均大於節點中任意關鍵字的子樹的根。 B-樹具有針對每個節點的最小允許子節點數目，其已知為最小因子。如果t是該最小因子，則每個節點必須具有至少t-l個關鍵字。在某些狀況下，根節點被允許違反這種屬性，可以具有小於t-l個關鍵字。每個節點最多可以具有2t-l個關鍵字，或等價地具有2t個子節點。 因為每個節點傾向於具有大的分支因子(大量的子節點)，典型地，必須在定位所需關鍵字之前遍歷相對少的節點。如果對於每個節點的存取需要磁碟存取，則B-樹將最小化所需的磁碟存取的數目。最小因子通常被選擇為使得每個節點的總大小對應於底層存儲裝置的存儲塊大小的倍數。這種選擇簡化且優化了磁碟存取。因此，B-樹是用於當所有數據不能存儲在主存儲器中且存取輔助存儲器相對昂貴或耗時的情況時的理想數據結構。
圖3圖示了用於過程信息管理系統的資料庫複製系統。 過程信息系統是信息管理系統的一個示例。過程信息管理系統(PIMS)30與各種控制或其他系統通信接口，以使用一秒或更多或更少的採樣時間收集過程數據。過程信息管理系統提供應用程式31、分布控制系統(DCS)32、可編程邏輯控制器(PLC)33、實驗室信息管理系統(LMS)34、製造執行系統(MES)35、協調生產管理系統(CPM) 36、計算機化維護管理系統(C匪S)37、先進過程控制應用程式(APC)38以及各方面的其他信息技術系統之間的數據交換。過程信息管理系統提供數據處理服務、數據採集和存取接口、數據可視化和分析工具、計算和應用程式開發工具，且集成所有有效值和信息，並將它們存儲在大型、有效的實時關係資料庫中。 過程信息管理系統通常具有兩個或更多向其他電腦程式或計算機提供資料庫服務的獨立伺服器。在該示例中，存在兩個伺服器ID、IE，且它們均包含在彼此複製的資料庫之間獨立地工作的、數據產生以及歷史記錄和應用。在該實施方式中，資料庫存儲在不同的計算機中。 實時過程信息管理具有以下特性，例如以每秒10至100000個數據行的速度連續地將來自處理裝置的數據流輸入到資料庫中，用於歷史記錄；將輸入數據流的連續數據處理、聚集和存儲為聚集歷史值；在相同資料庫中存儲其他關聯應用數據；1秒響應時間，對於應用和用戶而言具有高數據存取性能。 當過程信息管理系統的伺服器之一 ID例如由於硬體故障或磁碟系統升級而停機時，另一伺服器IE運行。於是例如包含過程裝置的測量值和/或操作參數的實時數據僅被供給到被升級的運行伺服器IE的資料庫表2j_21。在伺服器ID恢復之後，在運行時間連續地驗證和控制伺服器中的資料庫的一致性。資料庫複製系統具有自動一致性控制和恢復。資料庫是很多表，且一致性控制和恢復基於關於每一行的時間戳和校驗和以及邏輯唯一索引中的循環冗餘校驗值和。具有最新時間箋的行被設定為正確的行，且在檢測行的列表上搜索丟失的行。 在伺服器之一中硬體故障的情況下，在過程信息管理系統的操作中不存在中斷。
磁碟故障也不導致信息流的故障。在故障之後可以不中斷地重建系統，且系統能夠承受計
算機的若干次連續故障而沒有過程信息管理系統的操作的中斷或者數據的丟失。 用於複製資料庫的系統還允許磁碟系統在不中斷過程信息管理系統的情況下升級。 用於複製資料庫的該方法有利地使用計算機實施。使用的程序被存儲在計算機的內存或存儲在可以被裝載到計算裝置上的計算機可讀介質(例如DVD)中。這些計算機可讀介質具有使得計算機執行方法的指令。 已經在特定實施方式的幫助下描述了本發明。然而，描述不應理解為限制了專利保護的範圍；本發明的實施方式可以在下述權利要求書的範圍內變化。
權利要求
一種用於複製資料庫的方法，在該方法中，至少兩個資料庫被複製，每個資料庫包含一個或多個表，且每個表具有數據和唯一樹索引，該唯一樹索引包含索引關鍵字和在每個樹索引層上從數據計算的分層次的循環冗餘校驗值和，在該方法中，通過比較資料庫表的循環冗餘校驗值和來維持資料庫中相應表之間的數據的邏輯一致性；且如果發現循環冗餘校驗值和之間的差異，則將該樹索引邏輯地分割為兩個子樹索引並相互比較該子樹索引的循環冗餘校驗值和，且使該比較和分割一直持續到發現導致差異的數據，並且在資料庫之間複製不一致的數據。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中該資料庫中的索引結構是具有節點以及循環冗餘 校驗值的B-樹或B+樹，且資料庫表的循環冗餘校驗值和被存儲在資料庫表的唯一樹索引 的節點中。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中該資料庫存儲在不同的計算機中。
4. 一種用於在信息管理系統中確保資料庫一致性的複製資料庫的方法，在該方法中， 至少兩個資料庫被複製，每個資料庫包含一個或多個表，且每個表具有實時數據和唯一樹 索引，該唯一樹索引包含索引關鍵字和在每個樹索引層上從數據計算的分層次的循環冗餘 校驗值和，在該方法中，通過比較該資料庫表的循環冗餘校驗值和來維持該資料庫中相應 表之間的數據的邏輯一致性；且如果發現循環冗餘校驗值和之間的差異，則將該樹索引邏 輯地分割為兩個子樹索引且相互比較該子樹索引的循環冗餘校驗值和，並且使該比較和分 割一直持續到導致差異的數據被發現為止，並且不在資料庫之間複製一致的數據，且將復 制的資料庫服務於該信息管理系統。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中該資料庫中的索引結構是具有節點和循環冗餘校 驗值的B-樹或B+樹，且資料庫表的循環冗餘校驗值和被存儲在該資料庫表的唯一樹索引 的節點中。
6. 根據權利要求4所述的方法，其中該資料庫存儲在不同的計算機中。
7. 根據權利要求4所述的方法，其中該信息管理系統是過程信息管理系統，且包含處 理裝置的測量值和/或操作參數的實時數據被供給到資料庫表至少其一。
8. —種用於複製資料庫的設備，其中，至少兩個資料庫被複製，每個資料庫包含一個或 多個表，且每個表具有數據和唯一樹索引，該唯一樹索引包含索引關鍵字和在每個樹索引 層上從數據計算的分層次的循環冗餘校驗值和，所述設備包括用於通過比較該資料庫表的循環冗餘校驗值和來維持該資料庫中相應表之間的數據 的邏輯一致性的裝置；以及用於如果發現循環冗餘校驗值和之間的差異，則將該樹索引邏輯地分割為兩個子樹索 引且相互比較該子樹索引的循環冗餘校驗值和，且使該比較和分割一直持續到導致差異的 數據被發現，並且在該資料庫之間複製不一致的數據的裝置。
9. 一種用於複製資料庫的系統，包括至少兩個資料庫，該資料庫具有一個或多個表， 且每個表具有數據和唯一樹索引，該唯一樹索引包含索引關鍵字和在每個樹索引層上從數 據計算的分層次的循環冗餘校驗值和；用於通過比較資料庫表的循環冗餘校驗值和來維持 資料庫中相應表之間的數據的邏輯一致性的裝置；用於發現循環冗餘校驗值和之間的差異 的裝置，用於將樹索引邏輯分割為兩個子樹索引的裝置，用於相互比較子樹索引的循環冗 餘校驗值和的裝置，和用於使該比較和分割一直持續到導致差異的數據被發現的裝置，以及用於在資料庫之間複製不一致的數據的裝置。
10.根據權利要求9所述的系統，其中該資料庫存儲在不同的計算機中。
全文摘要
一種用於複製資料庫的方法，在該方法中，至少兩個資料庫被複製，每個資料庫包含一個或多個表，且每個表具有數據和唯一樹索引，該唯一樹索引包含索引關鍵字和在每個樹索引層上從數據計算的分層次的循環冗餘校驗值和。在該方法中，資料庫中相應表之間的數據的邏輯一致性通過比較資料庫表的循環冗餘校驗值和來維持；且如果發現循環冗餘校驗值和之間的差異，則該樹索引被邏輯地分割為兩個子樹索引，且該子樹索引的循環冗餘校驗值和被相互比較，且該比較和分割一直持續到發現導致差異的數據，且在資料庫之間複製不一致的數據。
文檔編號G06F11/14GK101727480SQ20091020603
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月9日 優先權日2008年10月10日
發明者M·盧託雅爾維, R·伊蒂南, T·維塔裡 申請人:Abb技術有限公司