[发明专利]故障切换系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机和网络体系结构，并且更具体地涉及故障切换系统和方法。 

背景技术

社会越来越依靠计算机和网络来进行交互和开展业务。为了获得关键系统中要求的高级别可用性，应当将由软件和硬件缺陷引起的计划外停机降低到最小。 

金融服务行业是要求高可用性系统的行业中的一个实例。实际上，当今金融行业中的大量数据处理活动都是由计算机系统支持的。最有趣的是所谓的“实时”和“接近实时”在线交易处理(OLTP)应用，该应用通常在很长的时段中以高速度且低延迟地处理大量商业交易。这些应用通常显示出下述特性：(1)复杂和高速度数据处理，(2)可靠的非易失性数据存储，和(3)高级别可用性，即在基本不受干扰的基础上支持服务的能力。但是在实施时，由于它们对系统行为的互相矛盾的影响，现有的系统倾向于在这些性能要求之间折衷，不存在如同后面将详细描述的、能同时完全满足全部三个特性的方案。 

首先，复杂数据处理指的是以及时的方式执行大量计算、数据库检索/更新等的能力。这可以通过并行处理实现，其中在同一物理机器上或分布式网络上同时执行多个工作单元。在一些系统中，每个交易的结果是基于之前完成的交易的结果。由于竞态条件、操作系统调度任务或者各种网络延迟，这样的系统的并行方面天生就是非确定性的，既不能预测消息和线程执行的顺序，也不能简单地通过将输入消息的副本传递给复制系统来并行地处理该消息和线程执行。非确定性系统具有非恒定的输出，因此它们不是在两个不同计算机器上并行运行的、虽然其本意是在出现故障时用一个代替另一个。 

其次，可靠的非易失性数据存储指的是甚至在系统的一些软件或者硬件组件经历意料之外的故障时，持久地存储数据的能力。这通常是通过在存取或者修改共享数据时，使用原子性、一致性、隔离性和持久性(“ACID”)交易实现的。一个单元的工作一完成，ACID交易就可以保证数据的完整性和持久性。每个提交的ACID交易被写入非易失性计算机存储器(硬盘)，该存储器协助确保数据持久性，但是这样很耗费性能，通常拖慢了整个系统。 

第三，高可用性系统尝试确保给定计算机系统的可用性百分比尽可能接近100％的时间。可以通过使用冗余软件和/或硬件实现这样的可用性，当检测到组件故障时，冗余软件和/或硬件接管功能。为了取得成功，故障切换不仅复制数据，还复制处理状态。如同本领域的技术人员所理解的，在非确定性系统(即同样一组事件的计算处理根据这些事件的处理顺序可以获得多于一个结果的系统)中状态复制尤其具有挑战性。 

高可用性软件应用通常被配置在冗余环境中，从而减少和/或消除故障的单一点，该点通常与基础硬件相关。已知的两个常规方法是热故障切换和温故障切换。热故障切换指的是同时在多个系统中处理同一输入，本质上是在这些系统中的出现一个故障时提供完全冗余。温故障切换指的是在备份系统中复制应用的状态(即数据)，而不在备份系统中处理该数据，但是具有可以在主系统出现故障时处理加载的数据并且待机的应用。被很多人不视为一种高可用性的冷故障切换指的是简单地唤醒备份系统和将备份系统准备用于承担主系统的处理责任。 

在热故障切换中，应用的两个实例同时运行在两个不同的硬件设备上，处理同一输入的副本。如果它们中的一个经历严重的故障时，附加的同步系统可以确保另一个将继续支持工作负载。在温故障切换配置中，这些系统中的被指定为主要的一个运行该应用；在出现故障时，被指定为备份的、处于待机状态等待的第二系统将“苏醒”，接管和恢复功能。 

现有技术的热故障切换方式至少具有两个缺点。首先，附加软件必须运行从而确保两个系统同步。在不确定性系统的情况下，该同步努力可能导致不能接受的(或者不希望的)性能降低和必须保证事件到达的 顺序完全一致的复杂性。同样，在这样的应用中使用的现有并行系统通常允许多个线程同时执行，因此它们天生就是非确定性的。同样带有服务器和地理上分散的客户机的系统也是非确定性的，其中各种网络延迟以无法预测的顺序向服务器发送消息。 

温故障切换可以被用于克服热故障切换的某些问题。通过将系统数据复制到冗余备份系统，并且随后在第二系统恢复应用功能，温故障切换可以成为实现非确定性系统的故障切换的另一种方式。该方式的缺点在于将数据恢复为一致状态、随后将应用带到功能状态，并且最后，将应用恢复到它从处理中离开的位置这一过程所需要的时间。该过程通常花费几小时，需要人工干涉并且不能完全恢复进行中的交易。