第十一章 故障管理

内容提要:

1. 了解故障管理类型及数据库恢复技术
2. 了解数据转储技术
3. 了解如何利用日志文件进行数据恢复
4. 了解硬件容错方案

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11.1 故障管理概述

1. 故障类型及解决方案：
   1. 事务内部故障 ：导致数据不一致
      1. 预期的事务内部故障 ： 可通过事务过程本身发现
         • 解决办法：事务回滚
      2. 非预期的事务内部故障 ： 不能由事务程序处理，如运算溢出
   2. 系统故障 ： 又称软故障，运行期间，由于硬件故障、数据库软件及OS漏洞、突然断电等故障，导致数据不一致。
      • 解决办法：重启后，撤销(UNDO )所有未提交的事务；重做(REDO)所有已提交的事务。
   3. 介质故障 ：又称硬故障，运行期间由于磁头碰撞、磁盘损坏、强磁干扰、天灾人祸等，使得数据丢失的一类故障。导致物理存储设计损坏，数据文件及数据全部丢失，破坏性最大。
      • 容错策略：软件容错及硬件容错
   4. 计算机病毒故障 ： 病毒是恶意的计算机程序，破坏OS及数据库系统(破坏数据文件为主)。
      • 解决办法：防火墙、杀毒软件、数据库备份文件。

1. 数据库恢复技术：
   • 恢复的基本原理：冗余
   • 数据库恢复：把数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。
   • 在DBMS中，数据库恢复子系统占10%以上
   • 恢复机制涉及两个问题：
     1. 如何建立冗余数据
        • 建立冗余数据的技术：数据备份、登记日志文件、数据库复制、数据库镜像、为段设立保存点以及使用后备段与现行页表来支持对段的保存等。
     2. 如何利用这些冗余数据实施数据库恢复。

11.2 数据转储

• 数掘转储即数据备份
  • 指DBA或DBMS定期复制数据库，并将其存放到其他介质的过程。
  • 这些保存的副本被称为后援副本或后备副本。

1. 静态转储和动态转储
   1. 静态转储：期间系统不能运行其他事务，不允许任何存取、修改活动。
      • 静态转储保证数据的一致性，但降低了数据库的可用性。转储和事务是互斥的。
   2. 动态转储：即允许转储和事务并发执行。
      • 动态转储不能保证转储数据的一致性。

        因此，动态转储+日志文件(记录转储期间各事务对数据库的修改活动记录)

• 既保证数据一致性又提高了数据库的可用性。

1. 数据转储机制
   1. 完全转储：对数据库中所有数据进行转储，占据较多时间和空间，但恢复时间短。
   2. 增量转储：只复制上次转储后发生变化的文件或数据块。所需时间及空间短，但只能和完全转储配合才能对数据库进行恢复。
   3. 差量转储：对最近一次数据库完全转储以来发生的数据变化进行转储。

1. 多种转储方法结合使用
   1. 仅使用完全转储：占据时间和空间多，代价大
   2. 完全转储+增量转储：恢复时间较长
   3. 完全转储+差量转储：恢复时间短

11.3 日志文件

1. 日志文件的概念：

• DBMS运行中，将所有事务的修改操作登记到日志文件。
• 日志文件的具体作用：
  1. 事务故障恢复和系统故障恢复必须使用日志文件
  2. 在动态转储方式中必须建立日志文件
  3. 在静态转储方式中也可使用日志文件

1. 日志文件的格式与内容：

        两种格式:

1. 以记录为单位的日志文件

• 需要记录的内容：
  1. 各个事务的开始标记  BEGIN TRANSACTION
  2. 各个事务的结束标记 COMMIT OR  ROLLBACK
  3. 各个事务的所有更新操作

1. 以数据块为单位的日志文件

• 日志记录的内容包括:

                事务标识和被更新的数据块

1. 登记日志文件的原则
   1. 登记的次序严格按并行事务执行的时间次序。
      • 保证事务对数据库的操作的可再现性和正确性。
   2. 必须先写日志文件，后写数据库。
      • 先后顺序导致必然性。

1. 检査点
   • 检查点的作用：最大限度地减少数据完全恢复时必须执行的日志部分。
   • 基于检查点的恢复步骤：

                        ①从“重新开始文件”中找到最后一个检查点记录在日志文件中的地址，从而找到最后一个检查点记录。

                        ②由该检查点记录得到执行的事务清单ACTIVE LIST。

                        ③从检查点开始正向扫描文件。

                        ④对UNDO-LIST中的事务执行UNDO，对REDO-LIST中的事务执行REDO。

11.4 硬件容错方案

• 相关度最紧密的技术：数据库存储保护技术，服务器容错技术，数据库镜像与容灾技术。

1. 磁盘保护技术：

• RAID依靠冗余技术数据保护
  1. 镜像冗余
     • 即把所有的数据复制到其他设备。
     • 额外开销大：更多的磁盘、控制器、电缆
  2. 校验冗余
     • 对成员磁盘的数据执行异或（XOR)操作，得到其校验值，并存放在另外的校验盘上
     • 实现复杂，但比镜像冗余占据的空间小。

1. 服务器容错技术
   • 引入服务器容错原因：

                 解决服务器硬件异常问题。

• 服务器容错技术简介：

                采用两台相同的服务器，共享存储设备。(双机热备)

                两台服务器之间会有私有网络进行心跳检

1. 数据库镜像与数据库容灾
   • 引入数据库镜像原因：前面几种恢复技术都必须及时正确地转储数据库。
   • 数据库镜像简介：是一种用于提高数据库可用性的解决方案，它根据DBA的要求，自动把整个数据库或关键数据复制到另一个磁盘上。
   • 数据库镜像分类：
     • 双机互备援模式：

                                两台机器均为工作机。正常状况下均为系统提供支持，互相监视对方的运行情况

                       2.  双机热备份模式：

                                一台为工作机，一台为备份机。工作机为系统提供支持，备份机监视工作机的运行情况

• SQL Server数据库镜像提供三种实现方式
  1. 高可用性：两台服务器同步事务写入支持自动错误恢复。
  2. 高保护性：两台服务器同步事务写入，手工错误恢复。
  3. 高性能：两台服务器写入不同步，手工错误恢复。

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