Однонаправленная репликация между двумя базами (постановка)

Рассмотрим вариант однонаправленной репликации между двумя базами A и B. Все изменения осуществляются на базе A. База B работает в режиме только для чтения. В дальнейшем, мы будем использовать термины "Удаленная база данных (УБД)" для базы А и "Центральная база данных (ЦБД)" для B.

Базы обмениваются между собой сообщениями. Канал связи между базами может быть непостоянным. Т.е. база A может посылать сообщения в тот момент, когда база B недоступна и наоборот. Порядок выполнения действий над объектами на базе A должен сохраняться при переносе на базу B. Транспорт передачи сообщений не гарантирует нам ни сохранности и целости конкретного сообщения, ни сохранения порядка при передаче нескольких сообщений.

Состояния объекта в УБД

Каждый объект в УБД находится в определенном состоянии. В таблице ниже перечислены возможные состояния, а также определены допустимые переходы из одного состояния в другое.

Состояние	Описание	Блокировка	Переход
I	Каждый объект, который существовал до настройки схемы репликации (т.е. до создания УБД на основе изначально существовавшей ЦБД), имеет состояние I. В начальный момент времени такой объект присутствует как в УБД, так и в ЦБД.	Нет	L
L	Изменение объекта занесено в лог. Используется для информирования системы о необходимости отсылки сообщения "Передача объекта" на ЦБД.	Объект в состоянии L может быть изменен только в том случае, если после него в логе нет никаких других записей. Последовательные изменения (в смысле порядка записей в логе) одного и того же объекта допускаются.	S, B
B	Используется для остановки процесса передачи данных на ЦБД. При обработке объекта в состоянии B, процесс формирования сообщений останавливается с уведомлением пользователя о том, какая именно запись вызвала остановку.	Аналогично состоянию L.	L
S	Объект был отослан на ЦБД.	Аналогично состоянию L.	C
C	Изменение объекта успешно записано в ЦБД.	Нет	L

Состояния объекта в ЦБД

Поскольку данные передаются только в одном направлении, для объектов в ЦБД мы выделяем только три состояния.

Состояние	Описание	Переход
I	Объект существовал до настройки схемы репликации.	R
R	Объект получен и записан в базу данных.
F	Объект получен, но не может быть записан в базу данных. Необходимо срочное вмешательство системного администратора для ручного разрешения конфликта данных.	R

Лог изменений

Фиксирование изменений состояния объекта осуществляется в логе, который заполняется триггерами и содержит:

• целочисленный порядковый номер изменения (начиная с единицы),
• идентификатор объекта,
• тип объекта,
• вид операции (создание, изменение, удаление),
• состояние объекта,
• дата и время изменения состояния.

В дальнейшем, символом N мы будем обозначать номер изменения, а символом М -- максимальный номер изменения в логе. М принимается равным нулю, если лог пуст.

Состояние базы данных

Мы будем называть целое число S состоянием базы данных. Если S = М, значит все изменения переданы на ЦБД. Если S < M, -- необходимо осуществить передачу. Ситуация, когда S > M означает серьезный сбой в данных репликации, нарушение логической целостности.

В начальный момент времени:

 S = M = 0

Базы данных А и B находятся в идентичном состоянии, если M_a = S_b.

Состояние УБД увеличивается на единицу каждый раз, когда подтверждается передача очередного объекта. S_a равно максимальному номеру записи в логе в состоянии C.

Состояние ЦБД увеличивается на единицу каждый раз, когда успешно принимается и записывается в базу очередной объект. S_b равно максимальному номеру записи в логе в состоянии R.

В начальный момент времени базы данных находятся в идентичном состоянии и выполняется равенство:

 Sa = Sb = Мa = Мb = 0

Связь в асинхронном режиме

В том случае, если при обмене данными между УБД и ЦБД нет постоянного канала связи, мы будем использовать следующие параметры:

 Tr -- Допустимое время ожидания ответа на посланное сообщение.
 Ts -- Время простоя ЦБД с момента обработки последнего сообщения до отсылки запроса о состоянии УБД.
 Ti -- Период с которым УБД осуществляет проверку очереди сообщений и отсылку изменений на ЦБД.

Критерий идентичности УБД и ЦБД

УБД знает о том, что она идентична ЦБД, если S_a=M_a. Т.е. нет объектов в состоянии L, B или S.

ЦБД знает о том, что она идентичная УБД, если получен ответ на сообщение "Запрос состояния УБД" из которого следует что S_a=S_b.

Журнал репликации

Журнал используется системным администратором для выявления проблем и/или профилирования репликации. В журнал заносятся:

• Информативные сообщения
• Предупреждения
• Критические ошибки

Последовательность обмена сообщениями

Последовательность обмена сообщениями между исходной и конечной базами данных выглядит следующим образом:

База А

Проверяется очередь сообщений:

1. Очередь сообщений пуста:
   1. Для объектов в состоянии S, с момента отправки которых прошло времени больше чем T_r, на ЦБД отсылаем сообщение "Запрос подтверждения передачи объекта" с указанием идентификаторов объектов. Одновременно в журнале отражаем факт превышения времени ожидания ответа на сообщение "Передача объекта".
   2. Для каждого объекта в состоянии L формируется и посылается отдельное сообщение "Передача объекта". После формирования и успешной отправки сообщения, запись в логе переводится в состояние S.
2. Если в очереди присутствуют только сообщения типа "Запрос состояния УБД", отвечаем сообщением "Состояние УБД" и очищаем очередь.
3. Если в очереди присутствуют сообщения, сортируем их по порядковому номеру. В процессе сортировки удаляем сообщения типа "Запрос состояния УБД". Обрабатываем последовательно:
   1. "Подтверждение передачи объекта":
      1. Если номер изменения из сообщения соответствует номеру первого объекта со статусом S (в порядке очередности записей в логе), то переводим объект в состояние C. Удаляем сообщение из очереди и продолжаем обрабатывать список.
      2. Если номер из сообщения меньше номера первого объекта со статусом S, то игнорируем такое сообщение. Удаляем сообщение из очереди и продолжаем обрабатывать список. Заносим в журнал информацию о получении лишнего подтверждения.
      3. Если номер из сообщения больше номера первого объекта со статусом S:
         1. Еще не истек допустимый интервал времени с момента отправки первого объекта в состоянии S. Сообщение из очереди не удаляем. Продолжаем обрабатывать список, пропуская все последующие сообщения типа "Подтверждение передачи объекта".
         2. Истекло время, отпущенное ЦБД на ответ. Отсылаем на сервер сообщение "Запрос подтверждения передачи объекта" с указанием идентификаторов всех объектов, для которых с момента отправки прошло времени больше чем T_r. Сообщение из очереди не удаляем. Продолжаем обрабатывать список, пропуская все сообщения типа "Подтверждение передачи объекта". Помещаем информацию о недошедшем подтверждении в журнал.
   2. "Запрос на передачу объекта":
      1. Если запрашиваемый объект находится в состоянии S, то передаем его на ЦБД. Удаляем сообщение из очереди и продолжаем обрабатывать список. Помещаем в журнал информацию о повторной передаче объекта.
      2. Если запрашиваемый объкт находится в состоянии L или C, или вообще отсутствует в списке, то игнорируем сообщение и удаляем его из очереди, а в журнал помещаем запись с информацией о запросе на передачу ранее переданного и подтвержденного объекта.

База B

Проверяется наличие сообщений в очереди.

1. Очередь пуста:
   1. Ранее было отправлено сообщение "Запрос состояния УБД":
      1. Если интервал времени на ответ не истек, то продолжаем ожидать.
      2. Интервал времени истек. Информируем системного администратора. Повторяем "Запрос состояния УБД".
   2. Если истек интервал проверки связи и состояния УБД, то отсылаем "Запрос состояния УБД".
2. Очередь не пуста:
   1. ...

1. Если он соответствует ожидаемому, то происходит считывание и обработка сообщения.
2. Если номер первого сообщения в очереди меньше ожидаемого, то просто игнорируем его (удаляем).
3. Если номер первого сообщения в очереди больше ожидаемого, то посылаем запрос на пересылку сообщений с нужными номерами. Останавливаем дальнейшую обработку очереди. Ждем ответа от исходной базы.
4. ...

Запрос состояния УБД

Когда база B хочет узнать текущее состояние синхронизации с базой А, она посылает специальное сообщение "Запрос состояния УБД" и фиксирует время его отправки. Получив данное сообщение, база А действует в соответствии со своим логом. Если он содержит записи, подлежащие отправке, то формируются и посылаются соответствующие сообщения. Непосредственного ответа на "Запрос состояния УБД" в этом случае не отсылается. Если лог не содержит записей для отправки, то формируется специальное сообщение "Состояние УБД", которым передается число S_a. После отсылки запроса База B периодически проверяет свою очередь сообщений. Если в течение заданного тайм-аута в очередь не поступило ни одного ответа от базы А, то системный администратор оповещается о возможном нарушении канала связи или неполадках на УБД. Если поступил ответ "Состояние УБД", то S_a сверяется с S_b. При их равенстве базы данных считаются идентичными (синхронизированными). Если S_a > S_b, то база B отсылает сообщение "Запрос на передачу объекта" с указанием номера S_b + 1. Состояние, когда S_a < S_b, свидетельствует о серьезной рассинхронизации двух баз данных и требует немедленного информирования системного администратора.

"Запрос состояния УБД" отсылается автоматически по истечении заданного интервала времени с момента обработки последнего сообщения от УБД или с момента отправки предыдущего запроса на состояние, на который не поступило ответа.

Структура сообщения

Поле	Описание
Контрольная сумма	Хэш код MD5, который позволяет контролировать целостность полученного сообщения. Рассчитывается по всему потоку данных, включая и заголовок.
Идентификатор УБД
Идентификатор ЦБД
Номер записи в логе
Данные