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服務器備份問題的探討及在視頻領域內的應用
服務器備份問題的探討及在視頻領域內的應用
2001中南地區(qū)廣播電視技術討論會技術論文一等獎計算機及其相關技術進入視頻領域已經成為了一個不爭的事實。以電視臺為例，非線性節(jié)目制作網絡和硬盤播出系統(tǒng)已經開始全面占領節(jié)目的制作和播出部分。數字化和網絡化也被公認為是視頻領域的未來。
無論是在非線性節(jié)目制作網絡或是在硬盤播出網絡中，服務器都是整個工作系統(tǒng)的核心。服務器不能正常的工作將會導致網絡系統(tǒng)的功能紊亂甚至導致整個網絡的崩潰。能否長時間安全穩(wěn)定的工作是衡量一個視頻網絡是否具有實用性的重要指標。尤其在硬盤播出系統(tǒng)中，任何類型的服務器故障引發(fā)的系統(tǒng)失效都會導致播出事故，這是絕對不能允許的。所以，對服務器進行備份工作，在主服務器出現故障時自動接替工作，并且使這個過程相對于用戶"透明"，以保證任何情況下系統(tǒng)功能都不會失效就顯得非常重要了。
我們可以以下面的制作播出一體化網絡（圖-1）來說明對服務器備份的重要性：
在圖-1所示網絡中，服務器管理資源的共享和分配。在播出系統(tǒng)中，視頻播出服務器更是直接進行播出的工作，所以一定要保證服務器所謂的"零故障率"。因此，要對服務器部分進行備份，使得任何情況下服務器部分都能夠正常的工作。我們可以將服務器單元分為兩個部分：
1． 主服務器
正常時提供系統(tǒng)服務的主機。運行包括與網絡相關聯(lián)的管理和應用等所有的服務。
2． 備份服務器
當運行服務器提供的服務已不可用時，自動接替運行服務器的工作而不用重新起動系統(tǒng)，而當運行服務器恢復正常后，按照使用者的設定以自動或手動方式將服務切換到運行服務上運行。
我們可以將圖-1所示網絡改造如下（圖-2）:
在圖-2所示的網絡結構中，當視頻服務器或播出服務器出現故障時，其備份服務器都可以自動接替其正在進行的工作，從而保證系統(tǒng)的正常運行。
我們可以通過以下方式實現服務器的備份工作：
服務器備份的工作模式
在討論服務器備份的工作模式之前，我們必須明白所謂的服務器備份究竟意味著什么。我們以下圖說明一下備份的含義。
假設我們有一項應用任務A正在主服務器上運行，同時設有一個備份服務器，在主服務器出現故障時接替主服務器的工作。我們定時保存任務A的運行狀態(tài)，包括保存任務A的指令狀態(tài)和數據狀態(tài)，我們將定時保存紀錄的現場稱為現場1，現場2……現場n,現場n+1…..,如圖所示
我們保存的這些現場是為了當應用任務A所工作的服務器出現故障，或者當任務A本身出現錯誤時使備份服務器可以接替主服務器正在進行的工作。
我們假設主服務器系統(tǒng)在現場n已被保存，現場n+1尚未被保存的時候發(fā)生故障。如圖
當故障發(fā)生，系統(tǒng)探測到主服務器已經不能夠正常工作后即通知備份服務器接替主服務器的工作。備份服務器調出保存的現場n,使得我們可以在備份系統(tǒng)上啟動應用任務A并接替主服務器繼續(xù)進行工作。
但是必須注意的是，我們不可能從錯誤發(fā)生的那一點上開始使用備份系統(tǒng)恢復工作。我們必須回到狀態(tài)n,并從狀態(tài)n開始繼續(xù)進行應用任務A的工作。
基于上面所述的情況，不同類型的用戶所使用的備份系統(tǒng)在對保存的現場n和現場n+1之間的時間間隔的要求也有所不同。例如對于非線性節(jié)目制作網絡系統(tǒng)，我們看重的是編輯現場和數據的保存，以便在網絡出現故障后可以對編輯現場進行恢復，待故障排除后繼續(xù)進行尚未完成的編輯工作并保證數據的完整性。在這種情況下，我們設定的保存現場n和n+1之間的間隔就不需要很短，我們即使以秒為單位進行現場的保存，每隔一秒或幾秒對現場進行一次保存，也是用戶完全可以容忍的。而對于硬盤播出系統(tǒng)，我們要求從備份服務器對主服務器系統(tǒng)故障的檢測到接替主服務器進行工作的時間周期不能大于人眼所能察覺的范圍，即最佳狀態(tài)應是不超過一幀。這樣就要求在設計硬盤播出服務器方案時保存現場n與n+1之間的間隔必須以滿足上面所述的要求作為設計依據。實際上更安全的辦法是令整個備份系統(tǒng)運行在Active/Active工作模式下，并且主服務器和備份服務器同時運行同一個任務，一但備份服務器檢測到主服務器出現故障便接替主服務器在整個系統(tǒng)中的地位。我們將在后面的部分詳細討論這種工作模式。
不同類型及要求的備份服務器系統(tǒng)可以分為以下的幾種工作模式：
1． Active/Standby工作模式
Active/Standby 即激活/備用工作模式。它的特點是兩臺服務器處于不同的工作狀態(tài)。主服務器處于處理狀態(tài)，備份服務器處于備用狀態(tài)，以防主服務器上發(fā)生故障影響整個網絡運行。備用服務器可以是規(guī)模較小、性能稍低的服務器，但是，當主服務器出現故障時，它必須具有保證網絡功能的處理能力。例如，假設服務器一是主"激活"節(jié)點，服務器二是次"備用"節(jié)點。如果服務器一節(jié)點發(fā)生故障了，它的被保護資源由服務器二節(jié)點來恢復。當服務器一節(jié)點恢復后， 資源可以被服務器一節(jié)點重新獲得。然而，當服務器二節(jié)點出現故障時，服務器二節(jié)點上并沒有需要被服務器一節(jié)點恢復的資源。
如圖-3所示，應用A在處于Active狀態(tài)的服務器一上運行，當服務器一出現故障時，處于Standby狀態(tài)的服務器二接替服務器一運行應用A。
2． Active/Active工作模式
Active/Active工作模式即激活/備用工作模式。它的特點是兩臺服務器節(jié)點均同時處于工作狀態(tài)，同時處理不同的應用。這就要求兩臺服務器應該具有相等或相近的處理能力。
如圖-4所示，當系統(tǒng)正常工作時，兩個服務器節(jié)點都處于激活狀態(tài)，但是它們也可分別作為其對應節(jié)點上的資源和資源層次的從屬節(jié)點。
我們可以假設在系統(tǒng)中有兩個應用：應用A和應用B在同時運行。我們可以令應用A在服務器一上運行，處于激活狀態(tài)，可以令應用B在服務器二上運行，也處于激活狀態(tài)。應用A從硬盤陣列的區(qū)域a讀取所需的數據，應用B從硬盤陣列的區(qū)域b讀取所需的數據，同時為系統(tǒng)提供服務。當服務器一節(jié)點出現故障時，服務器二節(jié)點啟動應用B以接替服務器一的工作，同時從硬盤陣列中的區(qū)域b中讀取所需的數據。這樣的工作方式可以使兩臺服務器都可以得到充分的利用，我們甚至可以
利用兩臺服務器節(jié)點分別為兩個不同性質的工作單元進行服務。當其中的一個工作單元的服務器出現故障的時候，另一個工作單元可以分配出一些系統(tǒng)資源以承擔出現故障服務器的處理工作，直到出現故障被排除。如我們可以將圖-2所示網絡結構中的備份視頻服務器設置成為流媒體播出服務器。在網絡系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)下，備份視頻服務器運行Internet 視頻流播放功能，并且可以為作為代理服務器為網絡提供Web服務等Internet服務。當主視頻服務器出現故障時，備用視頻服務器便分出一些或讓出全部的系統(tǒng)資源，運行主服務器上所提供的服務，保證網絡系統(tǒng)的正常工作。我們也可以采用另外一種工作方式，即上面所說過的主服務器和備份服務器同時運行同一任務。在像硬盤播出這種可預置的、并執(zhí)行針對同一任務的事先設定程序，并且在程序運行過程中可保證其過程不會發(fā)生不同變化的任務就非常適合這種工作方式。
除了以上兩種服務器備份工作模式外，我們還可以采用超過兩個服務器的服務器集群工作模式和服務器各自擁有獨立硬盤陣列鏡像工作方式。我們下面將分別討論。
3 . N-Way（N=3，N=4…… N=16）工作模式
N-Way工作模式即集群工作模式是配置Active/Active工作模式或Active/Standby工作模式的一個有三到十六個服務器的擴展。服務器三被配置為服務器一和服務器二的備份。而且，服務器三可以被配置為除了服務器一和服務器二的其他服務器做備份。當任何一個服務器發(fā)生故障時，被保護的應用程序被從該服務器上轉到備用的服務器上。如圖-5所示。
在N-WAY工作模式中，可以配置Cascading Recovery （層疊恢復）工作模式。當主節(jié)點發(fā)生故障時，層疊恢復允許多個從屬節(jié)點被按照一定的優(yōu)先級次序恢復一個資源或層次。對于在一對節(jié)點上的資源恢復，如果節(jié)點服務器一發(fā)生故障了，資源將會失效切換到節(jié)點服務器二上；如果節(jié)點服務器二再發(fā)生故障而服務器一仍然不可用，資源將會失效切換到節(jié)點服務器三上。多個從屬節(jié)點被指定一個恢復優(yōu)先級序列。在上面的例子中，節(jié)點服務器一有最高的優(yōu)先級，節(jié)點服務器二有第二優(yōu)先級，而節(jié)點服務器三有最低優(yōu)先級。系統(tǒng)可以按優(yōu)先級次序測驗節(jié)點來決定在失效切換時哪一個服務器將進行工作。
4. 鏡像工作方式
鏡像工作方式的特點是每個服務器都有獨自的硬盤陣列，且指定特定的卷互為鏡像，如圖6所示。一個服務器被指定為主服務器，另一個為從服務器。當主服務器或所屬于主服務器的硬盤陣列出現故障后，從服務器自動接替主服務器的工作。
在這種工作方式下，客戶只能對主服務器上的鏡像卷進行讀或寫。從服務器上相應的卷被鎖定以防對數據的存取，除非在主服務器上檢測到故障狀態(tài)。這是鏡像工作方式要考慮到的一個重要問題，因為數據的完整性是一個非常重要的因素。
在卷鏡像建立后，主服務器和從服務器上的驅動器已經同步，并且兩個服務器都已啟動運行，就必須注意以下機制：
最初的鏡像建立后，系統(tǒng)禁止所有用戶存取從鏡像卷，不允許對從服務器上的鏡像卷讀和寫。主服務器鏡像則可以進行讀和寫操作。
無論何時主服務器收到一個寫請求，系統(tǒng)首先決定這個請求是否針對某個鏡像卷。如果不是，寫操作可以完全正常的完成。如果主服務器寫請求是針對鏡像卷的，那么請求首先被送到從鏡像卷去。從系統(tǒng)在自己的鏡像卷上執(zhí)行寫請求后，向主系統(tǒng)發(fā)送寫回狀態(tài)。主服務器在收到這個寫回狀態(tài)前不做任何寫操作。
當從系統(tǒng)返回一個成功狀態(tài)時，主系統(tǒng)在自己的鏡像卷執(zhí)行寫操作，并返回到請求方。如果從系統(tǒng)執(zhí)行鏡像卷寫操作時發(fā)生錯誤，那么從系統(tǒng)上的寫操作將被中止，主系統(tǒng)結束自己的鏡像卷寫請求，鏡像狀態(tài)從正常變?yōu)橹兄埂?/p>
在這種工作模式下，也可以將主從服務器設置為Active/Active的方式，即在不同服務器各自的硬盤陣列上設置不同的鏡像卷。并根據工作的需要將服務器一節(jié)點設置為某些應用的主服務器，將服務器二節(jié)點設置為這些應用的從服務器，同時將服務器二節(jié)點設置為其余應用的主服務器，服務器一設置為從服務器，并且在硬盤陣列上設置不同的鏡像卷。根據不同的應用區(qū)別主從服務器，運行鏡像服務器的機制，就可以實現Active/Active的工作方式。我們也可以在硬盤播出上采用這種方式，將需要播出的節(jié)目素材鏡像倒備份服務器的硬盤陣列上，在主服務器進行播出的同時備份服務器進行同樣的工作，當主服務器出現故障試立刻可以接替主服務器的工作。事實上現在國內廠商開發(fā)出來的硬盤播出系統(tǒng)很多都采用這種工作模式。但需要指出的時，這是一種造價昂貴的配置方式，用戶必須考慮到對安全的要求及經濟忍受能力的平衡。
服務器備份的具體實現方法
上面我們了解了服務器被份的幾種工作模式，下面我們將討論實現服務器備份的具體的要求和方法。
一個完善的服務器備份系統(tǒng)應該具備以下幾點要求：
1． 系統(tǒng)設置應該做到真正的數據與硬件無關。
2． 全自動的備份數據，包括系統(tǒng)控制數據和應用數據。
3． 對被損壞數據的自動恢復，包括業(yè)務人員可容易地自動恢復文件的誤刪除
維護人員可以自動恢復損壞的整個系統(tǒng)。
4． 系統(tǒng)切換時間短，即在主服務器出現故障時，備份服務器能夠迅速的接替其工作。
5． 系統(tǒng)切換時應對應用程序無影響，用戶應該察覺不到系統(tǒng)的切換，即所謂的"熱備份"。
6． 對歷史數據進行完整的歸檔管理。
7． 擁有高效率，一個完善的系統(tǒng)不應該因為備份服務器的引入而影響其工作性能。
以上是對一個完善的服務器備份系統(tǒng)的基本要求。當然每個用戶都有著自己的工作環(huán)境，對備份系統(tǒng)的工作要求也各不相同，如在視頻領域內應用的服務器，就對系統(tǒng)的切換時間和對應用程序的影響要求的高一些，而在某些其它的領域（如證券交易系統(tǒng)）則將保證數據的完整性放在第一位。有些用戶需要與主服務器配置完全一樣的服務器做系統(tǒng)備份，以保證整個系統(tǒng)的高效率運行，而有些用戶為了提高性能價格比只需要配置稍低或過時閑置的服務器做備份。
無論那種服務器備份方案，其工作原理都是一樣的，我們下面將詳細討論。
首先，服務器被份體系不受操作系統(tǒng)的限制。有些廠商開發(fā)的視頻服務器使用UNIX服務器，有些廠商使用的是Windows NT 服務器，還有一些采用其它服務器如使用Novell服務器或Linux服務器的廠商。在這些服務器體系上都可以建立備份系統(tǒng)。
備份系統(tǒng)的基本原理是在兩臺或多臺服務器之間建立連接，利用軟件控制服務器的主從關系，因此在不同的操作平臺上可以安裝不同的控制軟件。例如Vinca公司提供的服務器備份解決方案Co-standby Server就是一個純軟件產品，可以分別建立基于Novell、Windows NT、OS/2等服務器平臺上的備份解決方案。而其它很多廠商開發(fā)的解決方案如LifeKeeper、Cluster也有基于系統(tǒng)平臺的多種版本。
在服務器之間建立連接的手段有很多種，一般可以采用RS-232 通信端口（Communications port ）或者TCP/IP的連接。我們以運行在Active/Standby工作模式下的備份服務器系統(tǒng)進行說明。
如圖-7所示。服務器一為主服務器，處于Active狀態(tài)，服務器二位備份服務器，處于Standby狀態(tài)。兩個服務器都通過銅纜或者SCSI接口與大容量硬盤陣列連接，服務器之間通過RS232和TCP/IP進行連接。
在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，應用A運行于服務器一上，從硬盤陣列的區(qū)域a讀取或寫入數據。服務器二通過連接向服務器一發(fā)送周期性的檢測信號并從服務器一接收應答信號。
服務器二如果能夠接收到服務器一正常工作的響應信號，則認為服務器一工作正常，則服務器二仍處于Standby狀態(tài)。
如果服務器二不能從服務器一收到應答信號或者收到錯誤的應答信號，則服務器二認為服務器一已經失去正常工作的能力。服務器二從Standby狀態(tài)轉為Active狀態(tài)，從硬盤陣列中的區(qū)域a讀取應用A的狀態(tài)數據并開始運行應用A，同時禁止服務器一訪問區(qū)域a。從而接替服務器一在系統(tǒng)中的主服務器地位。當服務器一恢復正常工作時，服務器二將工作交還給服務器一并恢復Standby狀態(tài)。
交還應用的方法有兩種：一種是手動交還，即管理員排除服務器一的故障后，手動將工作切換給主服務器，并將備份服務器恢復到Standby狀態(tài)。另一種是自動恢復，即在備份服務器接替主服務器工作后繼續(xù)向主服務器發(fā)送檢測信號，一旦收到表示主服務器已經正常的應答信號，就采用與接替主服務器工作的相同方式將工作交還給主服務器并恢復為Standby狀態(tài)。
在實際工作過程中，必須注意以下幾個問題：
1. 檢測的準確性
由于檢測信號的出錯或者服務器之間連接的故障可能會導致備份服務器接收不到主服務器發(fā)回的正常響應信號，從而備份服務器認為主服務器已經無法正常運行，就會導致系統(tǒng)進行不必要的切換。
為了防止這種情況的發(fā)生，我們可以采用兩種手段：設置多種檢測應答信號和服務器間的多路連接。我們可以設定不同的檢測及應答信號，當所有的檢測信號均無正常應答時，備份服務器才認定主服務器已經無法正常工作，從而接手主服務器的工作。我們也可以在服務器之間建立不同的硬件連接，如同時建立基于RS232和TCP/IP的連接，同時發(fā)送檢測信號，當所有的通路都得不到正常的應答信號后，備份服務器才認為主服務器已經無法進行正常的工作，接替主服務器的工作。當然最合理的方式是同時采用這兩種方法，在多路連接上同時傳送不同的檢測應答信號。不過采用這種方法時必須要考慮的系統(tǒng)的資源開銷問題。
2. 檢測信號的發(fā)送周期
檢測信號發(fā)送周期的長短取決于用戶對備份系統(tǒng)的啟動響應速度的要求。如果用戶認為數據完整的重要性要遠大于備份系統(tǒng)開始運行的響應速度的重要性，那么就可以令檢測信號的發(fā)送周期適當的長一些，從而保證備份系統(tǒng)啟動時數據可以被完整的保存。如果用戶認為整個系統(tǒng)的工作不能中斷甚至不能出現一定量的延時，那么檢測信號的發(fā)射周期及和從確認主服務器無法正常工作到啟動備份服務器接替主服務器工作的響應周期一定要小于系統(tǒng)所能夠忍受的最大時間。硬盤播出系統(tǒng)就是一個最簡單的例子。硬盤播出服務器的備份啟動時間一定要小于人眼的可察覺的最小范圍，并由此確定檢測信號的發(fā)送周期。
3. 檢測主服務器系統(tǒng)失效的方法
利用檢測應答信號來確定主服務器系統(tǒng)是否失效的方法有很多，大致可分為檢測系統(tǒng)硬件和檢測數據兩種。我們可以通過發(fā)送檢測信號檢測主服務器的系統(tǒng)硬件，如總線或CPU的工作狀態(tài)，從而確定主服務器是否正常工作。我們也可以通過檢測主服務器內存的數據狀態(tài)，I/O端口的數據流動情況來判斷主服務器系統(tǒng)是否出現數據錯誤。我們可以在主服務器上安裝檢測軟件，把檢測結果直接發(fā)給備份服務器，也可以利用主服務器自身的系統(tǒng)檢測來確定主服務器的工作狀態(tài)是否正常。
4. 主從服務器的設置
主從服務器的設置是否一致也取決于用戶對具體工作的不同要求。如果用戶側重于數據的保存，如在辦公網絡系統(tǒng)中，我們可以采用一個配置稍低的服務器作為主服務器的備份。在主服務器出現故障后，啟動備用服務器接替其工作，保存數據并降低整個網絡的性能，直到主服務器的故障被排除。但是有些系統(tǒng)是不能降低其性能的，例如硬盤播出服務器，就應該采用相同配置的主服務器和備份服務器。我們建議在硬盤播出系統(tǒng)中才用鏡像的Active/Active工作模式，采用兩個互為鏡像的硬盤存儲陣列，在兩個服務器上同時運行節(jié)目播出的應用以保證節(jié)目的安全播出。
無論主從服務器的設置是否一致，處于實際工作的考慮，都應該采用相同的操作系統(tǒng)。
以上我們介紹的采用共用硬盤陣列的Active/Standby工作模式下的備份服務器系統(tǒng)的工作原理、實現手段和一些需要注意得問題，這些方面也同樣適用于采用其它存儲方式和其它工作模式的服務器備份系統(tǒng)。
總結
服務器備份系統(tǒng)是整個網絡安全的一個組成部分，同時也是極重要的一個組成部分，只有在服務器能夠正常穩(wěn)定工作的前提下，網絡才有安全和效率可言。隨著視頻領域全面數字化和網絡化時代的到來，每個電視工程技術人員在依然緊密的依托在傳統(tǒng)電視技術的同時，全新到幾乎近似陌生的，在不久前尚屬于IT領域的各種新技術新觀點紛至沓來。是否能做到不至于眼花繚亂，正是本文希望與各位同行共勉的愿望。
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