（计算机应用技术专业论文）高校教务管理系统双机容错的研究.pdf

摘要学分制是高等教育发展到一定阶段的产物，是一种以学分为计量单位衡量学生学业完成状况的教学管理制度。学分制的推行是我国高校实施教学管理改革的一项重要措施。但我国实施学分制不能完全照搬外国成型经验，必须要根据中国高等教育的实际情况，创建中国的学分制教育方式。随着计算机技术的飞速发展和高等教育体制改革的不断深入，传统的教务管理方法、手段以及工作效率已不能适应新的发展需要，无法很好地完成教学管理工作。运用先进的信息化技术，采用多功能的高校综合教务管理系统，是深化教务体制改革的有利措施。通过教务管理系统，学分制的诸如自主选课等思想方得以贯彻。教务管理系统如此的重要，也直接导致了另一个问题的产生。目前较单一的教务管理系统的体系结构还不足以抵御诸多的意外的灾害，而且人们对教务管理系统的单点依赖性过高。如果教务管理系统发生故障，全校的老师和学生都会在很短时间内感受到系统出现问题。同时教务管理系统发生故障后的诊断和修复时间却是无法估计的，这很有可能会导致学校的教学运行停顿时间过长。因此，提高系统的高可用性是目前急需解决的问题。本文首先参考了集群高可用性的特点，对可用性的定义公式进行分析，得出提高系统的可用性，有增加系统的可靠性和减少系统排除故障的时间两种途径的结论。然后，本文简单介绍了我校自2 0 0 5 年开始使用的乾豪教务管理系统，并结合乾豪教务管理系统的结构，根据提高系统可用性的两种方法，提出了双机容错的乾豪教务管理系统的总体架构和具体的模块设计。通过使用基于p x e的自动部署的方法，降低了双机系统的初始化的高耗时；通过使用h e a r t b e a t软件和m o n 软件结合增加系统的可靠性；利用o r a c l e 数据库的基于事务日志恢复的特性减少系统修复的时间。最终实现了对乾豪教务管理系统的双机容错的架构，并得出相对于改造前系统的可用性得到了大幅的提高的结论。关键词：教务管理系统；双机容错；h e a r t b e a t ：o r a c i e ；数据恢复a b s t r a c tb e i n gap r o d u c tw h e nh i g h e re d u c a t i o nd e v e l o p st oac e r t a i ns t a g e ，c r e d i ts y s t e mi sat e a c h i n ga d m i n i s t r a t i o ns y s t e mw h i c ha p p l i e sc r e d i ta sam e a s u r e m e n tu n i tt oe v a l u a t es t u d e n t s a c a d e m i cp e r f o r m a n c e t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec r e d i ts y s t e mi sa ni m p o r t a n tm e a s u r eo fh i g h e re d u c a t i o nr e f o i t s h o w e v e r , ac r e d i ts y s t e me d u c a t i o nm o d es p e c i f i ct oc h i n as h o u l db ec o n s t r u c t e di na c c o r d a n t ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no fc h i n e s eh i g h e re d u c a t i o ni n s t e a do fi m i t a t i n gi n d i s c r i m i n a t e l yt h ee x p e r i e n c eo ff o r e i g nc o u n t r i e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya sw e l la st h eg r a d u a la d v a n c e m e n to ft h er e f o r mo fh i g h e re d u c a t i o ns y s t e m ，t h em e t h o d s ，m e a n sa n dw o r k i n ge f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a la c a d e m i ca f f a i r sa d m i n i s t r a t i o ns y s t e mc a n n o ts a t i s f yt h ed e m a n d so fn e wd e v e l o p m e n to ra c c o m p l i s ht h et e a c h i n ga d m i n i s t r a t i o nw o r ke f f e c t i v e l y a p p l y i n ga d v a n c e di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n da d o p t i n gm u l t i f u n c t i o n a lc o m p r e h e n s i v ea c a d e m i ca f f a i r sa d m i n i s t r a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e ma r ef a v o r a b l em e a s u r e st ob et a k e nt od e e p e nt h er e f o m lo fe d u c a t i o n a la d m i n i s t r a t i o ns t r u c t u r e t h r o u g ha c a d e m i ca f f a i r sad m i n i s t r a t i o ns y s t e m ，c r e d i ts y s t e ms u c ha sa u t o n o m o u sc o u r s es e l e c t i o nc a nb er e a l l yc a r r i e do u t 。t h ei n c r e a s i n gi m p o r t a n c eo fa c a d e m i ca f f a i r sa d m i n i s t r a t i o ns y s t e ml e a d st oa n o t h e rp r o b l e m t h ec u r r e n tu n i f o r ma c a d e m i ca 行a i r sa d m i n i s t r a t i o ns y s t e mc a n n o tr e s i s tm a n yu n e x p e c t e dh a z a r d si na d d i t i o nt op e o p l e sh e a v yd e p e n d e n c eo nt h eo n e - p o i n tc h a r a c t e r i s t i co ft h ea c a d e m i ca f f a i r sa d m i n i s t r a t i o ns y s t e m i ft h ea c a d e m i ca f f a i r sa d m i n i s t r a t i o ns y s t e mg o e sw r o n g ，t h ef a c u l t ym e m b e r sa n ds t u d e n t sw i l lf i n dt h ep r o b l e mi nas h o r tt i m e h o w e v e r , t h et i m eo ff a u l td i a g n o s i sa n dr e s t o r a t i o nc a n n o tb ee s t i m a t e de x a c t l y , w h i c hi sm o s tl i k e l yt oc a u s eal o n gi n t e r r u p t i o no ft e a c h i n go p e r a t i o n a sar e s u l t t h ep r o b l e mo fi m p r o v i n gt h ea v a i l a b i l i t yo ft h es y s t e mi su r g e n tt ob es o l v e d m a k i n gr e f e r e n c et ot h eh i g ha v a i l a b i l i t yf e a t u r eo fc l u s t e ra n da n a l y z i n gt h ed e f i n i t i o nf o r m u l ao fa v a i l a b i l i t y , t h ep a p e rf i r s tp u t sf o r w a r dt w oa p p r o a c h e st oe n h a n c et h es y s t e ma v a i l a b i l i t y , o n eo fw h i c hi st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dt h eo t h e ri st or e d u c et h et i m eo fs o l v i n gt h ef a u l t t h e n ，a f t e rab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h et s a n g h a oa c a d e m i ca f f a i r sa d m i n i s t r a t i o ns y s t e mw h i c hh a sb e e np u ti n t ou s ei nl i a o n i n gn o r m a lu n i v e r s i t ys i n c e2 0 0 5 c o m b i n e dw i t hs y s t e ms t r u c t u r e s t h ep a p e ra l s op r e s e n t st h eg e n e r a ls t r u c t u r e 厅a m ea n dc o n c r e t em o d u l ed e s i g no ft s a n g h a oa c a d e m i ca f f a i r sa d m i n i s t r a t i o ns y s t e mo nt h eb a s i so ft h ea b o v et w oa p p r o a c h e s b ya p p l y i n ga u t o m a t i cd e p l o y m e n tb a s e do np x e ，t h ei n i t i a l i z a t i o nt i m eo fd o u b l es e r v e r ss y s t e mi sr e d u c e d b yu s i n gh e a r t b e a t t h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mi si m p r o v e d b yu t i l i z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i eo fd a t ar e s t o r a t i o nb a s e do nt r a n s a c t i o nl o gi no r a c l e t h er e s t o r a t i o nt i m ei ss h o r t e n e d t h es t r u c t u r ef l a m eo ff a u l tt o l e r a n c ew i t hd o u b l eu n i t so ft s a n g h a oa c a d e m i ca f f a i r sa d m i n i s t r a t i o ns y s t e mh a sb e e nf i n a l l yr e a l i z e da n dt e s t sh a v ep r o v e dt h a ta f t e rt h et r a n s f o r m a t i o n t h ea v a i l a b i l i t yo ft h es y s t e mh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y k e yw o r d s ：a c a d e m i ca f f a i r sa d m i n i s t r a t i o ns y s t e m ；d o u b l es e r v e r s f a u l tt o l e r a n c e ；h e a r t b e a t ；o r a c l e ；d a t ar e s t o r a t i o n高校教务管理系统双机容错的研究学位论文独创性声明本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特；l , j ) j n 以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。学位论文作者签名：燃日期：m z 司，p学位论文版权的使用授权书本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后使用本授权书。学位论文作者签名：指导教师签名：甸音髟e l期：加罗6 ，2高校教务管理系统双机容错的研究1 1 背景1 1 1 高校教务管理系统第一章绪论高校教务管理系统是学分制与信息化技术结合的产物。随着选课制在德国的诞生，并且经过其在美国的发展，又有英国导师制的填充，逐渐形成了今天的学分制n 1 。学分制是一种教学管理制度，是对学生在完成学业的过程中的一种管理手段，学生针对学分制中的具体制度，来制定自己的学习计划瞳1 。相对于传统的学年制，学分制强调了学生的自主性，给了学生充分的自我发展空间，同时，也给教学管理带来了更大的，甚至是人工难以完成的工作量口劓。高校教务管理系统便是为了使用信息化手段来解决学分制骤然而生的巨大工作量而诞生的。高校教务管理系统一经诞生，便受到了众多高校以及软件公司的关注，一时间，众多高校教务管理系统如雨后春笋般迅速成长。然而，我国的学分制发展还处于起步阶段瞄1 ，因此，各学校的学分制的运行状态各不相同，同时，由于学分制的改革一刻没停，教务管理系统的开发也一直没有停止，这导致了众多小规模的软件开发商难以持久的进行开发。于是，大批的小规模的软件开发商撤出了这篇营地，时至今日，仅有少数的几家大型的软件公司还在继续提供服务，并且，这几家公司大多依托于某所高校，以保证教务管理系统的与时俱进。1 1 2 集群和双机容错系统第一台计算机问世己经半个世纪了，在这期间计算机技术经历了五次更新换代。更新换代的标志主要有两个：一个是计算机的器件，另一个是系统体系结构。从第一代到第五代计算机，器件发生了根本的变化：从电子管、晶体管发展到集成电路，而集成电路又经小规模、中规模、大规模等阶段发展到超大规模阶段。系统体系结构的不断改进，许多重要的概念的不断提出并且得到实现，推动计算机技术向更高的层次发展。从早期的变址寄存器、通用寄存器、高校教务管理系统双机容错的研究程序中断和i o 通道等概念，到虚拟存储器、c a c h e 存储器、微程序设计、系列机、基于总线的多c p u 系统、向量处理机等概念，发展到6 4 位r i s c 处理器、基于m p p ，n u m a 、集群等体系结构的可伸缩并行处理系统，计算机系统技术也取得了突飞猛进的发展。集群系统主要分为两种：高可用性集群和高性能集群。高可用性集群的主要功能就是提供不间断的服务。有许多应用程序都必须一天二十四小时地不停运转，如所有的w e b 服务器、工业控制器、a t m 等。对这些应用程序而言，暂时的停机都会导致数据的丢失和灾难性的后果。高性能集群通过将多台机器连接起来并行处理复杂的计算问题。天气预报、自然资源勘探等情况都需要对大量的数据进行处理。传统的处理方法是使用超级计算机来完成计算工作，但是超级计算机的价格比较昂贵，而可用性和可扩展性不够强，因此集群成为了高性能计算领域的重要研究方向哺1 。近年来，随着计算机技术的飞速发展，服务器的性能有了大幅度的提升，服务器作为处理关键性事物的业务主机已随处可见。同时，企业对计算机系统的依赖程度也日渐增加。在这些行业性关键业务处理系统中，服务器端保存有大量关键业务数据，一旦信息发生丢失或破坏，将带来灾难性的影响和损失。双机容错目的在于保证数据永不丢失和系统永不停机( n o n s t o p ) 。双机容错系统通过软硬件的紧密配合，将两台独立服务器在网络中表现为单一的系统，提供给客户一套具有单点故障容错能力，且性价比优越的用户应用系统运行平台。1 2 研究内容本文从目前教务管理系统的运行环境进行分析，并从提高教务管理系统的高可用性入手，参考了拥有高可用性的双机容错系统的相关理论与技术，最终以乾豪教务管理系统为例，对乾豪教务管理系统的拓扑结构进行改造，设计出了一套可行的双机容错系统。1 3 论文结构第二章从学分制的产生和发展介绍开始，逐步提出了教务管理系统的产生的必要性以及目前教务管理系统的基本结构和功能。单独介绍了本文使用的乾2高校教务管理系统双机容错的研究豪教务管理系统。然后介绍了集群以及双机容错的基本理论。第三章中首先对乾豪教务管理系统改造双机容错进行了功能需求的分析，提出了设计目标，并针对每个功能模块给出了设计。第四章就乾豪教务管理系统的双机容错的设计和实现进行了详细的介绍。第五章是全文总结。3高校教务管理系统双机容错的研究第二章高校教务管理系统和双机容错系统综述2 1 高校教务管理系统的现状2 1 1 学分制的产生与发展1 8 世纪末，由于科学技术的迅速发展，高等学校的传统课程设置已经不能满足科学技术发展的需要，学校的教学既要保留基础学科课程，又要增设新的科学技术课程，课程体系越来越庞大，在一定年限内，学生不可能修读完所有的课程，只能在一定的专业和学科范围内修习其中的部分课程，因此产生了选课制。另外，随着科技的发展，社会急需多种规格和受过专业训练的人才，因此受教育者对学习自主权和主动适应社会的需求越来越迫切，统一的教学模式下培养出来的学生己经不能适应社会发展的需要，并且不利于学生获得最佳发展，这也在一定程度上促使了对学年制的改革和选课制的实行。1 8 1 0 年，德国著名教育家威廉冯堡，以“学术自由 、“教学与科研相统一为办学方针，主张由学生自行选择学习的课程、教师，自行安排学习的进度和顺序，并在柏林大学推行此主张。这就是选课制的萌芽。选课制的最早实施在德国，其进一步改进、发展并逐步完善是在美国。1 8 2 4年，美国第三任总统、独立宣言的起草人一托马斯杰斐逊晚年创建了弗吉尼亚大学，实现了他的选课制思想：学生可以在8 个不同科类所开设的8 组规定课程中选学一组，学位课程全部必修，不准备攻读学位的学生可任意选学课程，这是选课制的雏形。1 8 6 9 年，青年化学家艾略出任哈佛大学校长后，将选课制引入哈佛大学并全力推广、完善，他认为人的能力、素质等有差异，不能按同一僵硬的模式培养，主张“扩充 ，允许学生有“非常宽广的选择范围，到1 8 8 6 年，选修课基本建立起来了。以此为开端，选课制于1 9 世纪末2 0 世纪初在全美高校中确立，随后为适应这种高度自由化的学习方式确立了学分制n 1 。由此可见，学分制是在选课制发展的基础上产生的，没有选课制就没有学分制。和所有新生事物一样，学分制的发展也并非一帆风顺，尽管其中困难重重，但因为这种制度的先进性、灵活性和适应性，保证了学生的学习自由，使学生4高校教务管理系统双机容错的研究成为教学中的主体，学生可以根据自己的志趣和劳动力市场的需求选修课程，自己制定学习进度，因而渐渐得到美国学生和美国高教界的承认和欢迎，许多大学竞相效尤，并引起其他国家的兴趣，如法、德、日、加拿大等国也相继实行( 或部分实行) 学分制，就连一向保守自信的英国也走上了学分制改革的道路，学分制在二十世纪上半叶成为高教改革的趋势性举措。二战以后，随着世界经济和科技的高速发展，学分制实施过程中逐渐暴露出诸多问题，各国围绕高等教育问题，根据自身国情对学分制进行了一系列的调整和完善，不断丰富着学分制的理论和实践哺1 。2 1 2 我国高校学分制实行现状学分制作为一种新的教学管理模式正在为我国大多数高校所接受并努力实践。目前我国高校推行的学分制各有差别，归纳起来有完全学分制( 复旦大学、暨南大学等) 、学年学分制( 华东师范大学、吉林大学等) 、计划学分制( 北京大学、武汉大学等) 、复合学分制( 少数工科或医科大学) 、全面加权学分制( 北京航天航空大学等) 、整合学分制、绩点学分制、特区学分制等旧。目前我国高校普遍推行的都基本上是学年学分制，最典型的特征是：有基本的修业年限( 本科4 年制) ，但学生可以在规定的年限内( 一般为3 - 6 年) 选择提前或推后毕业；有年级和班级之分。严格说来，我国现行的学分制并非完全意义上的学分制，这一方面与我国的现实国情和教育传统有关，另一方面，也表明我国教育界对学分制理论研究的严重不足。我国开展学分制理论研究要比西方国家晚得多，而且缺乏系统性，2 0 世纪8 0 年代以前，有关学分制的研究只是停留在对外国实施学分制情况的介绍，散见于一些外国教育资料中。8 0 年代以后，原先的学年制的矛盾愈来愈突出，学分制改革的呼声越来越高，学分制研究开始向纵深发展n 们。这些理论主要集中在以下几个方面：( 1 ) 关于国外实施学分制情况的介绍，如对麻省理工学院、欧柏林大学、斯坦福大学等的学分制实施情况介绍；( 2 ) 我国高校学分制的发展历程研究；( 3 ) 学分制的可行性和意义探讨；( 4 ) 学分制改革的制约因素研究；( 5 ) 学分认定和管理的研究；( 6 ) 学分制形式的研究；( 7 ) 与学分制相关的制度和配套建设的研究；( 8 ) 某些院校实施学分制的具体情况和经验介绍等1 2 1 。高校教务管理系统双机容错的研究2 1 3 高校教务管理系统的必要性虽然学分制有很多优点，但是目前在普通高校实施起来较困难，主要体现在教学管理上。因为学分制是与选课紧密相联系的，实行学分制将淡化原有的以班级为单位的学生管理体制，专业的界限也将被打破。学生的自主性大大增强，学生有了选择课程和选择教师的权利，原有的全班一张课表变成了每人一张课表，每个学生的学习进度和上课时间不尽相同，不同专业、不同年级的学生有可能会坐在同一课堂上课。这将会加大学生管理的工作量。教学管理部门必须改变管理的模式。一是教学管理变面向班级为面对学生个体，原来每班一张课表，现为每个学生一张课表。二是学分制下的选课系统、学分管理系统以及学生管理系统必须用计算机进行管理，否则管理的工作量太大，并且效率低下。三是要对教室、实验实习场地、计算机房、图书馆等教学场所统筹安排，充分提高现有资源的利用率n 引。综上，高校为了学分制的顺利运行以及发展趋势，必须利用信息化的手段参与教学管理。结合我国学分制发展的现状，高校教务管理系统“引还应具有以下的特点：( 1 ) 选课阶段的瞬时高访问量。在选课阶段，由于学分制倡导的为学生提供最大的选课自由，因此，高校为学生设置的可选择的课程也很多，这就造成了在选课这一个固定的时间段内，系统被访问量较平时高出数千倍或者更多。因此，教务管理系统对网络的瞬时高访问量需要有合理的解决方案。( 2 ) 形式多样的实践类教学活动在目前的高等教育中，普遍的将学生的动手实践能力的培养放到了第一位。因此，各学校千方百计的运用各种形式多样的实践类的教学活动来提高学生的实际动手能力。这就需要教务管理系统对多种多样的实践类教学活动需要有适当的解决方案。( 3 ) 二次开发性由于我国的学分制还是处于初级阶段，因此关于学分制的各种规章制度还不完善，所以教务管理系统应该具有良好的软件二次开发性和数据库结构的可扩展性。6高校教务管理系统双机容错的研究2 2 高校教务管理系统的体系结构高校教务管理系统的使用人群为全体在校的学生、教师、教务处人员和院系教辅人员。众多的学生和教师需要能够随时、随地使用系统，因此，系统应为b s 结构；而教务处人员和院系教辅人员需要大量的处理数据，并且地点固定，因此，系统还需要c s 结构。综上，教务管理系统应为b s 结构和c s 结构相结合的混合结构。此外，教务管理系统中需要存储大量的数据，比如在校生的信息和已毕业学生的信息，历年学生的成绩，教师的信息，教材的信息等等，数据量已经达到了百万条甚至千万条以上。因此，应选择中、高级的数据库系统，比如s o ls e r v e r 或o r a c l e 等。2 3 乾豪教务管理系统介绍我校自2 0 0 5 年1 月份开始使用乾豪教务管理系统，使用至今效果良好。乾豪教务管理系统n 5 1 以学生为中心、教学过程为主线，涵盖了高校的所有教学管理过程，包括教学计划管理、排课系统、选课系统、考务管理、成绩管理、学籍管理、教师管理、教材管理、学生管理、收费管理、网上综合管理、系统管理等模块。系统采用学分制内核，兼顾学时制，同时支持学年制、学分制、学年学分制管理；通过教务处和二级院系用户的权限控制，从数据级和功能级上，全面支持二级、多级管理机制；同时对多个年级的教学计划任务进行规范化管理，在教学计划执行过程中，方便调整，系统提供大量的查询管理功能，彻底解决了计划、任务的遗漏问题：支持学分制的交叉排课，是国内最先进的排课算法，在短时间内排出科学、优质的课表，合理利用教学资源，避免冲突，彻底解决教务工作中最大的难题；支持5 0 0 0 人以上同时在线选课，网络并发量全国第一，并采用抽签机制解决选课冲突；可以对多个年级、多个学期的成绩进行并行管理，支持网上成绩录入、查询、统计，方便快捷，同时提供独有的语音校对和成绩分析功能；从教学角度对教师进行统一管理，可以进行质量评价( 学生、同行、领导、督导考评) 和工作量、酬金计算，数据结果支持方差计算，全面、准确地反映教师教学质量；全面、准确地管理新生、在校生、毕业生数据信息，提供国家要求的上报数据，支持数据导入、导出，注重学生的德高校教务管理系统双机容错的研究育管理，将日常表现做为毕业资格审查的重要指标；根据教学计划和总库信息，自动生成订书、出书计划，实现教材管理零库存，支持学生、班级、教师帐户管理，提供财务管理分析功能；提供如外语报名、迎新管理、收费管理、实践教学、体育课考勤等其他模块，为学校老师提供一系列的实用工具，方便了日常工作，提高办公效率。乾豪教务管理系统的网络拓扑图如图2 1 所示：图2 1 乾豪教务管理系统的网络拓扑图乾豪教务管理系统的软件环境为w i n d o w ss e r v e r2 0 0 3 ，o r a c l e9 i ，w e b服务软件为w e b l o g i c 8 1 。硬件环境为i b mx 2 3 5 系列，双c p u ，主频3 6 ，4 g内存，1 0 0 0 兆网卡。8高校教务管理系统双机容错的研究2 4 集群和双机容错系统概述2 4 1 高可用性概念计算机系统的可用性( a v a i l a b i l i t y ) 是指在容许的机器故障数内，系统按规范成功运行的概率。工程上通常用平均无失效时间( m t t f ) 来度量系统的可靠性，用平均维修时间( m t t r ) 来度量系统的可维护性。可用性是通过系统的可靠性( r e l i a b i l i t y ) 和可维护性( m a i n t a i n a b i l i t y ) 来度量的“们。平均无失效时间m t t f ( m e a nt i m et of a il u r e ) ：指系统( 或系统的一个部件)在发生失效前正常运行的平均时间。m t t f 是一个表示系统可靠性( r e l i a b i l i t y )的可测量参数，也就是表示系统能够连续提供服务的能力。平均修复时间m t t r ( m e a nt i m et or e p a i r ) ：指用于修复系统和在修复后将它恢复到工作状态所用的平均时间。m t t r 是表示一个系统可维护性( s e r v i c e a b i l i t y ) 参数，也就是修复系统故障使系统恢复正常的能力。平均失效间隔时间m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) ，也是一个经常用到的参数，m t b f 等于m t t r 与m t t f 之和：m t b f = m t t r + m t t f n 引。可用性被定义为：m t t f 1 0 0 ：婴!m t b f 哪f + h a i t r各种类别的可用性的举例如表2 1 所示。表2 1 系统可用性举例1 0 0 ( 2 - 1 )可用性年停机时间可用性分类9 9 5 1 8 2 5 天常规系统( c o n v e n ti o n a i )9 9 9 8 7 6 小时可用系统( a v a il a b l e )9 9 9 9 5 2 5 6 分钟高可用系统( h i g h l ya v a i l a b l e )9 9 9 9 9 5 2 5 6 分钟f a u l tr e s i l i e n t2 4 2 服务器容错技术所谓服务器“容错 ，就是允许服务器有自动修复错误( 事实上也可称为“故障 ) 和冗余机制。当错误出现时，这些出错的部件可以得到及时的修复，或用9高校教务管理系统双机容错的研究相同功能部件接替出错部件的工作，继续保持服务器不间断运行。其实这也就是现在人们常说的“解决单点故障，不要因某部分出现故障而影响服务器的整体运行。由于现在人们对服务器数据和不间断运行普遍非常重视，所以对服务器的容错技术也是空前的重视n 。随着计算机技术的发展，p c 服务器的处理能力越来越强大，同时其性价比也越来越高，受到许多中小型企业用户的青睐。但同时由于p c 服务器的安全性能和稳定性相对较差，因此人们在选购这类p c 服务器的同时也在考虑如何弥补p c 服务器的这些不足，以在一些关键应用中提供高可用性保障。各式各样的服务器容错技术就是非常不错的方案。在一般情况下，当系统不能正常运行时，我们需要用人工的方法进行故障的认定、分析、恢复及测试。这些都需要花费很长的时间。在这段时间内，系统必须停顿下来以等待恢复，从而给用户带来难以估计的经济损失。而采取了容错技术的服务器就能克服手工排障的种种缺点，长期保持服务器的高可用运行n 引。目前主流的服务器容错技术有三类，它们分别是：服务器集群技术、双机热备份技术和单机容错技术。它们所对应的容错级别是从低到高的，也就是说服务器集群技术容错级别最低，而单机容错技术级别最高n 引。2 4 3 集群容错技术集群是一种并行或分布式处理系统，由很多连接在一起的独立计算机组成，像一个单独集成的计算资源一样协同工作。其中计算机节点可以是一个单处理器或多处理器的系统，拥有内存、i 0 设备和操作系统。一个集群一般是指连接在一起的两个或多个计算机( 节点) 。节点可以是在一起的，也可以是物理上分散而通过l a n 连结在一起的：集群对于用户和应用程序来说像一个单一的系统，可以提供一种价格合理的并可获得所需性能和优势( 快速而可靠的服务) 的解决方法，这在以往只能通过更昂贵的专用共享内存系统来达到。集群容错技术啪1 是为了保障服务器工作不问断运行而出现的，简单的来说，就是两种功能的综合：监控功能和切换功能。其基本工作原理是服务期间通过软件监控服务器的c p u 或应用，并互相不断发出信号。当某服务器发生中断，其他服务器接收不到其发出的信号时，软件的切换功能发生作用，将中断服务1 0高校教务管理系统双机容错的研究器的工作在指定服务器上启动起来，使服务器的工作得以继续。集群从功能上分可以分为热备份和容错两种，热备份与容错的区别在于热备份软件的工作原理是监控服务器的c p u ，而容错软件的工作原理是监控服务器的应用，即热备份是硬件级的监控，而容错是软件加硬件级的监控，因此，容错软件有着比热备份软件更高的不间断性幢。2 4 4 双机容错的定义双机容错实际上就是集群容错的特例，双机指两台服务器间，集群指多台服务器间，两者区别主要在于服务器数量的不同。双机容错是计算机应用系统稳定、可靠、有效、持续运行的重要保证。它通过系统冗余的方法解决计算机应用系统的可靠性问题，并具有安装维护简单、稳定可靠、检测直观等优点。当一台主机出现故障时，冗余容错软件可及时启动另一台主机接替原主机的任务，保证了用户数据的可靠性和系统的持续运行。目前市场上的双机容错软件很多，见表2 2 。表2 2 市场上常见的双机容错软件的性能和功能比较表c o s t a n d b y项目r e p l i s t o rr o s eh al i f e k e e p e rw i n d o w sn t 集群服务器w i n d o w s软件工作w i n d o w sn t 、w i n d o w sn t 、n t 、w i n d o w sn t 、w i n d o w sn t 、w i n d o w s环境w i n d o w s2 0 0 0w i n d o w sl i n u x 、u n i xw in d o w s2 0 0 02 0 0 0 、n e t w a r e2 0 0 0支持软件通用通用通用通用m i c r o s o f t 软件有( 块物理镜有( 文件物理有( 逻辑分区镜像引擎无无像)镜像)镜像)支持共享磁盘支持扩展支持共享支持共享磁盘支持共享磁盘容错方式阵列和扩展镜镜像方式磁盘陈列阵列和扩展镜阵列像两种方式像两种方式监控级别应用级心跳级心跳级心跳级应用级远程镜像不支持支持不支持不支持不支持价格中低低低高与集群一样，双机也同样可细分为双机热备份和双机容错。一般来讲，双机容错实际上包含了双机热备份和双机容错两种技术。高校教务管理系统双机容错的研究2 4 5 双机容错的工作模式( 1 ) 双机热备份所谓的双机热备份瞳引，就是一台主机为工作机( a c t i v es e r v e r ) ，另一台主机为备份机( s t a n d b ys e r v e r ) 。在这种容错方案中，各服务器只需一块网卡，共同连接在同一网络上，在系统正常情况下，工作机为信息系统提供支持，备份机监视工作机的运行情况，与此同时工作机也监视备份机是否正常。工作机会通过互连的网络线，周期性地发出用于相互检测的测试包给备份机。如果此时工作机出现故障，备份机在连续丢失设定数目的检测包后，会认为工作机出现故障，自动检测设置中是否有第二种心跳，如果没有第二种心跳的话，备份机则根据已设定的规则，启动备份机的相关服务，完成双机热备切换。备份机主动接管( t a k eo v e r ) 工作机的工作，继续支持信息的运营，从而保证信息系统能够不间断地运行( n o n - s t o p ) 。当工作机或备用机修复正常后，系统管理员即可以通过管理命令以人工或自动的方式将备份机的工作切换回工作机，也可以激活监视程序，监视备份机的运行情况，此时，原来的备份机就成了工作机，而原来的工作机就成了备份机。这种双机热备份容错方案如下图2 2 所示。臼同孑喝园夕彩，。磁盘阵列系统妒1，77：私网ii图2 2 双机热备份工作方案图( 2 ) 双机互备援所谓双机互备援，就是两台服务器均为工作机，在正常情况下，两台工作高校教务管理系统双机容错的研究机均为信息系统提供支持，并互相监视对方的运行情况。当一台主机出现异常时，不能支持信息系统正常运行，另一台主机则主动接管异常机的工作，继续支持信息的运营，从而保证信息系统能够不问断地运行，而达到不停机的功能，但正常运行主机的负载会有所增加。此时必须尽快将异常机修复，以缩短正常机负载持续时间。当异常机经过维修恢复正常后，它会自动抓回先前的工作，恢复以前正常时的工作状态他钔。2 4 6 双机容错的工作原理双机容错从工作原理上可以分为共享磁盘阵列柜方式和扩展镜像纯软件方式两种。双机共享磁盘阵列柜方式啪1 是以磁盘阵列柜为中心的双机容错方案。磁盘柜通过s c s i 线连接到两个系统上，并能被两个系统所访问。关键数据放在共享磁盘柜中，在正常运行时，控制权在主用系统上，当主用系统发生故障或主用系统检查到某种故障后，系统控制权就切换到备用主机。主用系统修复后，主备角色互换，双机系统进入正常工作模式。使用共享磁盘阵列方式的两台( 或多台) 服务器的数据同时存放在一个磁盘阵列柜里，因此，不需要进行数据复制，只需在其中一台服务器停机时将此服务器的工作转移至另外一台服务器，工作较为简单。由于数据存储在同一磁盘阵列柜里，一旦磁盘阵列柜的数据损坏则数据全部丢失有单点崩溃的可能性，而且由于服务器与磁盘阵列柜之间通常使用s c s i 线连接，因此受到距离的限制。共享磁盘阵列柜方式一般由监控系统和切换系统组成。双机扩展镜像纯软件方式是纯软件方式的双机容错方案晗引，两个系统之间通过以太网连接，关键数据在两个系统之间呈镜像存在。在正常运行时，控制权在主用系统上，数据实时地镜像到备用系统上。当主用系统发生故障或主用系统检查到某种故障后，系统控制权切换到备用主机。由于采用以太网作为系统的数据链路，主用系统可不干扰备用系统工作，自动脱离并在一个孤立的环境中进行故障的诊断和维修，主用系统修复后，控制权需再切回到主用系统，数据需要从备用系统恢复到主用系统，这个工作在后台自动完成，应用读取数据仍从备用系统上进行而不会中断。数据恢复完成后，双机系统进入正常工作模式。高校教务管理系统双机容错的研究使用纯软件方式的软件不需要共享磁盘阵列柜，它将数据存储于各自服务器内，通过镜像引擎将数据进行实时复制。当其中一台服务器停机时，设定的服务器接管停机服务器的工作。由于数据存储于不同服务器内，因此避免了单点崩溃的可能性，增加了数据的安全性。服务器之间通过网络连接，所以服务器之间的连接受距离的限制较小。由于数据存储在各自服务器硬盘内，因此，服务器之间的应用各不影响，提高了服务器正常使用时的效率。2 5 本章小结本章首先从学分制的起源开始，逐步简单地介绍了学分制发展的历程。然后介绍了我国学分制的发展现状，并从学分制的实施情况来论证了高校教务管理系统是学分制的一个不可或缺的管理工具。然后简单介绍了本校使用的乾豪教务管理系统。2 4 节首先介绍了高可用性的概念，然后介绍了集群和双机容错的定义，最后重点介绍了双机容错的工作原理。1 4高校教务管理系统双机容错的研究第三章双机容错的乾豪教务管理系统的设计3 1 功能需求3 1 1 服务器停顿做为计算机系统核心的服务器，当其发生停顿时所产生的影响是巨大的。系统越复杂，提供的业务越重要，停顿时产生的影响就越大。对于服务器而言，服务器发生停顿乜町的原因大致可分为7 类：按计划的硬件、操作系统进行维护，如增加硬盘、安装操作系统补丁等；应用失效，如数据库出错等；操作员出错，如误操作等人为错误；操作系统故障，如操作系统死机等；硬件故障，如硬盘、网卡损坏等；断电( 无u p s ) ；自然灾害，如火灾、地震、洪水等心9 1 。如图3 1 所示：高出现的频率低3 1 2 乾豪教务管理系统图3 1 服务器停顿原因乾豪教务管理系统的拓扑结构如下图：高校教务管理系统双机容错的研究图3 2 乾豪教务管理系统的拓扑图在图3 2 所示的系统结构中，远程的教师或者学生通过i n t e r n e t 访问网络平台w e b 服务器，网络平台w e b 服务器通过百兆以太网连接到o r a c l e 数据库服务器；校内的教学管理人员通过百兆以太网连接到o r a c l e 数据库服务器。显然，整个乾豪教务管理系统的核心是o r a c l e 数据库服务器，也就是说，o r a c l e 数据库服务器是整个系统中的单点故障点。当o r a c l e 数据库服务器发生故障时，整个系统立即崩溃。对于o r a c l e 数据库服务器，发生故障是无法预计的，而且，不同的故障，需要不同的修复办法。最坏的情况就是操作系统崩溃，此时，需要对服务器的操作系统进行重新部署，然后安装o r a c l e 的d b m s ( 数据库管理系统) ，接着，再继续使用最近的一次数据库备份来恢复数据。整个过程耗时漫长，安装w i n d o w s需要耗时约1 个小时，安装o r a c l e 需要耗时约2 个小时，恢复数据库耗时不定，主要依赖于数据库备份的大小，目前我校的数据库备份文件较大( 4 5 g 左右) ，恢复耗时大约2 个小时。综上，修复时间共约5 个小时。在如此长的修复时间里，整个教务管理系统一直处于停顿状态，全校的师生均无法使用系统，严重影响了正常的教学秩序。3 2 系统设计目标根据3 1 节中提出的功能需求，以及我校具体的资源条件，对双机容错的乾豪教务管理系统提出如下的设计目标。( 1 ) 系统应该具有很强的容错能力和恢复能力，通过完善的备份机制保证系统的可靠性。1 6高校教务管理系统双机容错的研究( 2 ) 系统应该具有可扩展的体系结构，便于以后的系统扩展。( 3 ) 系统应该具有单一系统映像的功能。( 4 ) 系统应该操作简单，易行。( 5 ) 系统应该对服务器的故障切换具有较高的实时相应能力。3 3 双机容错的乾豪教务管理系统的总体架构3 3 1 总体设计目前，o r a c l e 应用集群( o r a c l er e