第六章數(shù)據(jù)保護(hù)數(shù)據(jù)恢復(fù)

6.4數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)6.4.1數(shù)據(jù)庫恢復(fù)概述故障是不可避免的計算機(jī)硬件故障系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的錯誤操作員的失誤惡意的破壞故障的影響運行事務(wù)非正常中斷，影響數(shù)據(jù)的正確性破壞數(shù)據(jù)庫，全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失2024/4/121數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對故障的對策DBMS提供恢復(fù)子系統(tǒng)保證故障發(fā)生后，能把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)從錯誤狀態(tài)恢復(fù)到某一已知的正確狀態(tài)(一致狀態(tài)或完整狀態(tài))保證事務(wù)ACID恢復(fù)技術(shù)是衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)2024/4/1226.4.2故障的種類一、事務(wù)故障某個事務(wù)在運行過程中由于種種原因，未能運行至正常終止點就夭折了。2024/4/123事務(wù)故障分為兩類可預(yù)料的可通過事務(wù)程序本身發(fā)現(xiàn)例：銀行轉(zhuǎn)帳事務(wù)不可預(yù)料的事務(wù)沒有在預(yù)定的結(jié)束點結(jié)束而引起的故障運算溢出并發(fā)事務(wù)發(fā)生死鎖而被選中撤銷該事務(wù)違反了某些完整性限制等2024/4/124BEGINTRANSACTION

讀賬戶甲的余額BALANCE；

BALANCE=BALANCE-AMOUNT；(AMOUNT為轉(zhuǎn)賬金額)

寫回BALANCE；

IF(BALANCE<0)THEN{打印'金額不足，不能轉(zhuǎn)賬'；

ROLLBACK；(撤銷剛才的修改，恢復(fù)事務(wù))}ELSE{讀賬戶乙的余額BALANCE1；

BALANCE1=BALANCE1+AMOUNT；寫回BALANCE1；

COMMIT；

}2024/4/125事務(wù)內(nèi)部更多的故障是不可預(yù)料的事務(wù)故障僅指這類不可預(yù)料的故障2024/4/126發(fā)生事務(wù)故障時，夭折的事務(wù)可能已把對數(shù)據(jù)庫的部分修改寫回磁盤事務(wù)故障的恢復(fù)撤消事務(wù)（UNDO）強行回滾（ROLLBACK）該事務(wù)，清除該事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的所有修改，使得這個事務(wù)象根本沒有啟動過一樣2024/4/127二、系統(tǒng)故障(軟故障)造成系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)的任何事件，使得系統(tǒng)要重新啟動。整個系統(tǒng)的正常運行突然被破壞所有正在運行的事務(wù)都非正常終止內(nèi)存中數(shù)據(jù)庫緩沖區(qū)的信息全部丟失外部存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)未受影響2024/4/128系統(tǒng)故障的常見原因操作系統(tǒng)或DBMS代碼錯誤操作員操作失誤特定類型的硬件錯誤（如CPU故障）突然停電2024/4/129系統(tǒng)故障的恢復(fù)發(fā)生系統(tǒng)故障時，事務(wù)未提交系統(tǒng)重新啟動時，恢復(fù)程序強行撤消（UNDO）所有未完成事務(wù)發(fā)生系統(tǒng)故障時，事務(wù)已提交，但緩沖區(qū)中的信息尚未完全寫回到磁盤上。系統(tǒng)重新啟動時，恢復(fù)程序重做（REDO）所有已提交的事務(wù)2024/4/1210三、介質(zhì)故障(硬故障)外存故障硬件故障使存儲在外存中的數(shù)據(jù)部分丟失或全部丟失。介質(zhì)故障比前兩類故障的可能性小得多，但破壞性大得多2024/4/1211介質(zhì)故障的常見原因硬件故障磁盤損壞磁頭碰撞操作系統(tǒng)的某種潛在錯誤瞬時強磁場干擾2024/4/1212介質(zhì)故障的恢復(fù)裝入數(shù)據(jù)庫發(fā)生介質(zhì)故障前某個時刻的數(shù)據(jù)副本重做自此時始的所有成功事務(wù)，將這些事務(wù)已提交的結(jié)果重新記入數(shù)據(jù)庫2024/4/1213四、計算機(jī)病毒一種人為的故障或破壞，是一些惡作劇者研制的一種計算機(jī)程序可以繁殖和傳播危害破壞、盜竊系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)破壞系統(tǒng)文件2024/4/1214各類故障，對數(shù)據(jù)庫的影響有兩種可能性數(shù)據(jù)庫本身被破壞數(shù)據(jù)庫沒有被破壞，但數(shù)據(jù)可能不正確，這是由于事務(wù)的運行被非正常終止造成的。2024/4/12156.4.3恢復(fù)的實現(xiàn)技術(shù)恢復(fù)操作的基本原理冗余利用存儲在系統(tǒng)其它地方的冗余數(shù)據(jù)來重建數(shù)據(jù)庫中已被破壞或不正確的那部分?jǐn)?shù)據(jù)恢復(fù)的實現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜一個大型數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，恢復(fù)子系統(tǒng)的代碼要占全部代碼的10%以上2024/4/1216恢復(fù)機(jī)制涉及的關(guān)鍵問題1.如何建立冗余數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲（backup）登錄日志文件（logging）2.如何利用這些冗余數(shù)據(jù)實施數(shù)據(jù)庫恢復(fù)2024/4/12176.4.3.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲一、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲：DBA將整個數(shù)據(jù)庫復(fù)制到磁帶或另一個磁盤上保存起來的過程。這些備用的數(shù)據(jù)文本稱為后備副本或后援副本。2024/4/1218二、轉(zhuǎn)儲的作用轉(zhuǎn)儲是數(shù)據(jù)庫恢復(fù)中采用的基本技術(shù)。一旦系統(tǒng)發(fā)生介質(zhì)故障，數(shù)據(jù)庫遭到破壞，可將后備副本重新裝入，把數(shù)據(jù)庫恢復(fù)起來。重裝后備副本只能將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到轉(zhuǎn)儲時的狀態(tài)，要想恢復(fù)到故障發(fā)生時的狀態(tài)，必須重新運行自轉(zhuǎn)儲以后的所有更新事務(wù)。2024/4/1219

故障發(fā)生點

轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)↓正常運行─┼───────┼─────────────

Ta

TbTf

重裝后備副本

重新運行事務(wù)恢復(fù)

─┼───────┴－－－－－－－－－－－－→2024/4/1220三、轉(zhuǎn)儲方法1．靜態(tài)轉(zhuǎn)儲與動態(tài)轉(zhuǎn)儲靜態(tài)轉(zhuǎn)儲在系統(tǒng)中無運行事務(wù)時進(jìn)行轉(zhuǎn)儲轉(zhuǎn)儲開始時數(shù)據(jù)庫處于一致性狀態(tài)轉(zhuǎn)儲期間不允許對數(shù)據(jù)庫的任何存取、修改活動2024/4/1221優(yōu)點實現(xiàn)簡單缺點降低了數(shù)據(jù)庫的可用性轉(zhuǎn)儲必須等用戶事務(wù)結(jié)束新的事務(wù)必須等轉(zhuǎn)儲結(jié)束2024/4/1222利用靜態(tài)轉(zhuǎn)儲副本進(jìn)行恢復(fù)

故障發(fā)生點

靜態(tài)轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)↓正常運行─┼───────┼─────────────

Ta

TbTf

重裝后備副本

恢復(fù)

─┼───────┥2024/4/1223利用靜態(tài)轉(zhuǎn)儲副本進(jìn)行恢復(fù)

運行事務(wù)

故障發(fā)生點

動態(tài)轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)↓正常運行─┼───────┼─────────────

Ta

TbTf重裝后備副本

利用日志文件恢復(fù)恢復(fù)

━━━━━━╋━━━┥2024/4/1224動態(tài)轉(zhuǎn)儲轉(zhuǎn)儲操作與用戶事務(wù)并發(fā)進(jìn)行轉(zhuǎn)儲期間允許對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存取或修改優(yōu)點不用等待正在運行的用戶事務(wù)結(jié)束不會影響新事務(wù)的運行缺點不能保證副本中的數(shù)據(jù)正確有效例：在轉(zhuǎn)儲期間的某個時刻Tc，系統(tǒng)把數(shù)據(jù)A=100轉(zhuǎn)儲到磁帶上，而在下一時刻Td，某一事務(wù)將A改為200。轉(zhuǎn)儲結(jié)束后，后備副本上的A已是過時的數(shù)據(jù)了。2024/4/1225利用動態(tài)轉(zhuǎn)儲得到的副本進(jìn)行故障恢復(fù)需要把動態(tài)轉(zhuǎn)儲期間各事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的修改活動登記下來，建立日志文件后備副本加上日志文件才能把數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到某一時刻的正確狀態(tài)2024/4/1226利用動態(tài)轉(zhuǎn)儲副本進(jìn)行恢復(fù)

Ta

TbTf

動態(tài)轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)

故障發(fā)生點正常運行─┼───────┼─────────────登記日志文件登記新日志文件─────────┼─────────────

轉(zhuǎn)儲日志文件

重裝后備副本，然后利用轉(zhuǎn)儲的日志文件恢復(fù)恢復(fù)到一

━━━━━━┥致性狀態(tài)2024/4/12272．海量轉(zhuǎn)儲與增量轉(zhuǎn)儲海量轉(zhuǎn)儲：每次轉(zhuǎn)儲全部數(shù)據(jù)庫。增量轉(zhuǎn)儲：只轉(zhuǎn)儲上次轉(zhuǎn)儲后更新過的數(shù)據(jù)。海量轉(zhuǎn)儲與增量轉(zhuǎn)儲比較從恢復(fù)角度看，使用海量轉(zhuǎn)儲得到的后備副本進(jìn)行恢復(fù)往往更方便如果數(shù)據(jù)庫很大，事務(wù)處理又十分頻繁，則增量轉(zhuǎn)儲方式更實用更有效2024/4/12283．轉(zhuǎn)儲方法小結(jié)轉(zhuǎn)儲方法分類

轉(zhuǎn)儲狀態(tài)動態(tài)轉(zhuǎn)儲靜態(tài)轉(zhuǎn)儲轉(zhuǎn)儲方式海量轉(zhuǎn)儲動態(tài)海量轉(zhuǎn)儲靜態(tài)海量轉(zhuǎn)儲增量轉(zhuǎn)儲動態(tài)增量轉(zhuǎn)儲靜態(tài)增量轉(zhuǎn)儲2024/4/1229轉(zhuǎn)儲策略應(yīng)定期進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲，制作后備副本。轉(zhuǎn)儲是十分耗費時間和資源的，不能頻繁進(jìn)行。DBA應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)庫使用情況確定適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)儲周期和轉(zhuǎn)儲方法。例：每天晚上進(jìn)行動態(tài)增量轉(zhuǎn)儲每周進(jìn)行一次動態(tài)海量轉(zhuǎn)儲每月進(jìn)行一次靜態(tài)海量轉(zhuǎn)儲2024/4/12306.4.3.2登記日志文件一、日志文件的內(nèi)容1.日志文件(log)用來記錄事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的更新操作的文件。2.日志文件的格式以記錄為單位的日志文件以數(shù)據(jù)塊為單位的日志文件2024/4/12313.日志文件內(nèi)容以記錄為單位的日志文件內(nèi)容各個事務(wù)的開始標(biāo)記(BEGINTRANSACTION)各個事務(wù)的結(jié)束標(biāo)記(COMMIT或ROLLBACK)各個事務(wù)的所有更新操作與事務(wù)有關(guān)的內(nèi)部更新操作以上為日志文件中的一個日志記錄(logrecord)2024/4/12324.基于記錄的日志文件每條日志記錄的內(nèi)容事務(wù)標(biāo)識操作類型（插入、刪除或修改）操作對象（記錄ID、BlockNO.）更新前數(shù)據(jù)的舊值（對插入操作而言，此項為空值）更新后數(shù)據(jù)的新值（對刪除操作而言,此項為空值）2024/4/12335.基于數(shù)據(jù)塊的日志文件每條日志記錄的內(nèi)容事務(wù)標(biāo)識（標(biāo)明是那個事務(wù)）操作對象（記錄ID、BlockNO.）更新前數(shù)據(jù)所在的整個數(shù)據(jù)塊的值（對插入操作而言，此項為空值）更新后整個數(shù)據(jù)塊的值（對刪除操作而言,此項為空值）2024/4/1234二、日志文件的用途1．用途進(jìn)行事務(wù)故障恢復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)故障恢復(fù)協(xié)助后備副本進(jìn)行介質(zhì)故障恢復(fù)2024/4/12352．與靜態(tài)轉(zhuǎn)儲后備副本配合進(jìn)行介質(zhì)故障恢復(fù)靜態(tài)轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)已是一致性的數(shù)據(jù)如果靜態(tài)轉(zhuǎn)儲完成后，仍能定期轉(zhuǎn)儲日志文件，則在出現(xiàn)介質(zhì)故障重裝數(shù)據(jù)副本后，可以利用這些日志文件副本對已完成的事務(wù)進(jìn)行重做處理不必重新運行那些已完成的事務(wù)程序就可把數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到故障前某一時刻的正確狀態(tài)2024/4/1236

故障發(fā)生點

靜態(tài)轉(zhuǎn)儲運行事務(wù)↓正常運行─┼──────┼──────────┼──

Ta

TbTf

登記日志文件└───────────┴──

重裝后備副本利用日志文件恢復(fù)事務(wù)繼續(xù)運行介質(zhì)故障恢復(fù)─────────┴－－－－－─－－－－－－－┴──────

登記日志文件└──────2024/4/1237上圖中：系統(tǒng)在Ta時刻停止運行事務(wù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)儲在Tb時刻轉(zhuǎn)儲完畢，得到Tb時刻的數(shù)據(jù)庫一致性副本系統(tǒng)運行到Tf時刻發(fā)生故障為恢復(fù)數(shù)據(jù)庫，首先由DBA重裝數(shù)據(jù)庫后備副本，將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)至Tb時刻的狀態(tài)重新運行自Tb～Tf時刻的所有更新事務(wù)，把數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到故障發(fā)生前的一致狀態(tài)2024/4/12383．介質(zhì)故障恢復(fù)：LOGFILE+動態(tài)轉(zhuǎn)儲后備副本動態(tài)轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)庫，同時轉(zhuǎn)儲同一時點的日志文件后備副本與該日志文件結(jié)合起來才能將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到一致性狀態(tài)。利用這些日志文件副本進(jìn)一步恢復(fù)事務(wù)，避免重新運行事務(wù)程序。2024/4/1239三、登記日志文件的原則為保證數(shù)據(jù)庫是可恢復(fù)的，登記日志文件時必須遵循兩條原則登記的次序嚴(yán)格按并行事務(wù)執(zhí)行的時間次序必須先寫日志文件，后寫數(shù)據(jù)庫寫日志文件操作：把表示這個修改的日志記錄寫到日志文件寫數(shù)據(jù)庫操作：把對數(shù)據(jù)的修改寫到數(shù)據(jù)庫中2024/4/1240為什么要先寫日志文件？寫數(shù)據(jù)庫和寫日志文件是兩個不同的操作在這兩個操作之間可能發(fā)生故障如果先寫了數(shù)據(jù)庫修改，而在日志文件中沒有登記下這個修改，則以后就無法恢復(fù)這個修改。如果先寫日志，但沒有修改數(shù)據(jù)庫，按日志文件恢復(fù)時只不過是多執(zhí)行一次不必要的UNDO操作，并不會影響數(shù)據(jù)庫的正確性。2024/4/12416.4.4恢復(fù)策略6.4.4.1事務(wù)故障的恢復(fù)事務(wù)故障：事務(wù)在運行至正常終止點前被中止?；謴?fù)方法由恢復(fù)子系統(tǒng)應(yīng)利用日志文件撤消（UNDO）此事務(wù)已對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的修改事務(wù)故障的恢復(fù)由系統(tǒng)自動完成，不需要用戶干預(yù)2024/4/1242事務(wù)故障的恢復(fù)步驟1.反向掃描文件日志（即從最后向前掃描日志文件），查找該事務(wù)的更新操作。2.對該事務(wù)的更新操作執(zhí)行逆操作。即將日志記錄中“更新前的值”（BeforImage,BI）寫入數(shù)據(jù)庫。插入操作，“更新前的值”為空，則相當(dāng)于做刪除操作刪除操作，“更新后的值”為空，則相當(dāng)于做插入操作若是修改操作，則用BI代替AI（AfterImage）2024/4/12433.繼續(xù)反向掃描日志文件，查找該事務(wù)的其他更新操作，并做同樣處理。4.如此處理下去，直至讀到此事務(wù)的開始標(biāo)記，事務(wù)故障恢復(fù)就完成了。2024/4/12446.4.4.2系統(tǒng)故障的恢復(fù)系統(tǒng)故障造成數(shù)據(jù)庫不一致狀態(tài)的原因一些未完成事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的更新已寫入數(shù)據(jù)庫一些已提交事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的更新還留在緩沖區(qū)沒來得及寫入數(shù)據(jù)庫2024/4/1245恢復(fù)方法Undo故障發(fā)生時未完成的事務(wù)Redo已完成的事務(wù)系統(tǒng)故障的恢復(fù)由系統(tǒng)在重新啟動時自動完成，不需要用戶干預(yù)2024/4/1246系統(tǒng)故障的恢復(fù)步驟1. 正向掃描日志文件（即從頭掃描日志文件）Redo隊列：在故障發(fā)生前已經(jīng)提交的事務(wù)

T1，T3，T8……Undo隊列：故障發(fā)生時尚未完成的事務(wù)

T2，T4，T5，T6，T7，T9……2024/4/12472.對Undo隊列事務(wù)進(jìn)行UNDO處理反向掃描日志文件，對每個UNDO事務(wù)的更新操作執(zhí)行逆操作

T2，T4，T5，T6，T7，T9……3.對Redo隊列事務(wù)進(jìn)行REDO處理正向掃描日志文件，對每個REDO事務(wù)重新執(zhí)行登記的操作

T1，T3，T8……2024/4/12486.4.4.3介質(zhì)故障的恢復(fù)介質(zhì)故障的恢復(fù)方法重裝數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到一致性狀態(tài)重做已完成的事務(wù)2024/4/1249介質(zhì)故障的恢復(fù)步驟1.裝入最新的后備數(shù)據(jù)庫副本，使數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到最近一次轉(zhuǎn)儲時的一致性狀態(tài)。對于靜態(tài)轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)庫副本，裝入后數(shù)據(jù)庫即處于一致性狀態(tài)對于動態(tài)轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)庫副本，還須同時裝入轉(zhuǎn)儲時刻的日志文件副本，利用與恢復(fù)系統(tǒng)故障相同的方法（即REDO+UNDO），才能將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到一致性狀態(tài)。2024/4/1250利用靜態(tài)轉(zhuǎn)儲副本將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到一致性狀態(tài)

故障發(fā)生點

靜態(tài)轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)↓正常運行─┼───────┼─────────────

Ta

TbTf

登記日志文件└─────────────

重裝后備副本

恢復(fù)

━━━━━━┥2024/4/1251利用動態(tài)轉(zhuǎn)儲副本將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到一致性狀態(tài)

Ta

TbTf

動態(tài)轉(zhuǎn)儲

運行事務(wù)

故障發(fā)生點正常運行─┼───────┼─────────────登記日志文件登記新日志文件─────────┼─────────────

轉(zhuǎn)儲日志文件

重裝后備副本，然后利用轉(zhuǎn)儲的日志文件恢復(fù)恢復(fù)到一

━━━━━━┥致性狀態(tài)2024/4/12522.裝入有關(guān)的日志文件副本，重做已完成的事務(wù)。首先掃描日志文件，找出故障發(fā)生時已提交的事務(wù)的標(biāo)識，將其記入重做隊列。然后正向掃描日志文件，對重做隊列中的所有事務(wù)進(jìn)行重做處理。即將日志記錄中“更新后的值”寫入數(shù)據(jù)庫。2024/4/1253介質(zhì)故障的恢復(fù)需要DBA介入DBA的工作重裝最近轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)庫副本和有關(guān)的各日志文件副本執(zhí)行系統(tǒng)提供的恢復(fù)命令具體的恢復(fù)操作仍由DBMS完成2024/4/12546.4.5具有檢查點的恢復(fù)技術(shù)一、問題的提出兩個問題搜索整個日志將耗費大量的時間REDO處理：重新執(zhí)行，浪費了大量時間2024/4/1255解決方案具有檢查點（checkpoint）的恢復(fù)技術(shù)在日志文件中增加檢查點記錄（checkpoint）增加重新開始文件恢復(fù)子系統(tǒng)在登錄日志文件期間動態(tài)地維護(hù)日志2024/4/12562024/4/1257二、檢查點技術(shù)檢查點記錄的內(nèi)容建立檢查點時刻所有正在執(zhí)行的事務(wù)清單這些事務(wù)最近一個日志記錄的地址重新開始文件的內(nèi)容記錄各個檢查點記錄在日志文件中的地址2024/4/12582024/4/1259在檢查點維護(hù)日志文件將當(dāng)前日志緩沖區(qū)中的所有日志記錄寫入磁盤的日志文件上。在日志文件中寫入一個檢查點記錄。將當(dāng)前數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的所有數(shù)據(jù)記錄寫入磁盤的數(shù)據(jù)庫中。把檢查點記錄在日志文件中的地址寫入一個重新開始文件。2024/4/1260建立檢查點定期按照預(yù)定的一個時間間隔不定期按照某種規(guī)則，如日志文件已寫滿一半建立一個檢查點2024/4/1261三、利用檢查點的恢復(fù)策略當(dāng)事務(wù)T在一個檢查點之前提交，T對數(shù)據(jù)庫所做的修改已寫入數(shù)據(jù)庫。在進(jìn)行恢復(fù)處理時，沒有必要對事務(wù)T執(zhí)行REDO操作2024/4/1262Tc(檢查點)Tf(系統(tǒng)故障)

REDOUNDOUNDO

REDOT2T3T4T5不要REDOT12024/4/1263利用檢查點的恢復(fù)步驟1、從重新開始文件中找到最后一個檢查點記錄在日志文件中的地址，由該地址在日志文件中找到