1、数据保护PPT课件2022-11-102数据库管理系统对故障的对策 DBMS提供恢复子系统 保证故障发生后，能把数据库中的数据从错误状态恢复到某一已知的正确状态(一致状态或完整状态)保证事务ACID恢复技术是衡量系统优劣的重要指标2022-11-1036.4.2故障的种类一、事务故障 某个事务在运行过程中由于种种原因，未能运行至正常终止点就夭折了。2022-11-104事务故障分为两类 可预料的 可通过事务程序本身发现例：银行转帐事务 不可预料的 事务没有在预定的结束点结束而引起的故障运算溢出并发事务发生死锁而被选中撤销该事务违反了某些完整性限制等2022-11-105BEGIN TRANSA
2、CTION 读账户甲的余额BALANCE；BALANCE=BALANCE-AMOUNT；(AMOUNT 为转账金额)写回BALANCE；IF(BALANCE 0)THEN 打印金额不足，不能转账；ROLLBACK；(撤销刚才的修改，恢复事务)ELSE 读账户乙的余额BALANCE1；BALANCE1=BALANCE1+AMOUNT；写回BALANCE1；COMMIT；2022-11-106事务内部更多的故障是不可预料的事务故障仅指这类不可预料的故障2022-11-107发生事务故障时，夭折的事务可能已把对数据库的部分修改写回磁盘事务故障的恢复 撤消事务（UNDO）强行回滚（ROLLBACK）该
3、事务，清除该事务对数据库的所有修改，使得这个事务象根本没有启动过一样2022-11-108二、系统故障(软故障)造成系统停止运转的任何事件，使得系统要重新启动。整个系统的正常运行突然被破坏 所有正在运行的事务都非正常终止 内存中数据库缓冲区的信息全部丢失 外部存储设备上的数据未受影响2022-11-109系统故障的常见原因 操作系统或DBMS代码错误 操作员操作失误 特定类型的硬件错误（如CPU故障）突然停电2022-11-1010系统故障的恢复 发生系统故障时，事务未提交 系统重新启动时，恢复程序强行撤消（UNDO）所有未完成事务 发生系统故障时，事务已提交，但缓冲区中的信息尚未完全写回到磁
4、盘上。系统重新启动时，恢复程序重做（REDO）所有已提交的事务2022-11-1011三、介质故障(硬故障)外存故障 硬件故障使存储在外存中的数据部分丢失或全部丢失。介质故障比前两类故障的可能性小得多，但破坏性大得多2022-11-1012介质故障的常见原因 硬件故障 磁盘损坏 磁头碰撞 操作系统的某种潜在错误 瞬时强磁场干扰2022-11-1013介质故障的恢复 装入数据库发生介质故障前某个时刻的数据副本 重做自此时始的所有成功事务，将这些事务已提交的结果重新记入数据库2022-11-1014四、计算机病毒 一种人为的故障或破坏，是一些恶作剧者研制的一种计算机程序 可以繁殖和传播 危害 破坏
5、、盗窃系统中的数据 破坏系统文件2022-11-1015各类故障，对数据库的影响有两种可能性 数据库本身被破坏 数据库没有被破坏，但数据可能不正确，这是由于事务的运行被非正常终止造成的。2022-11-10166.4.3恢复的实现技术恢复操作的基本原理 冗余 利用存储在系统其它地方的冗余数据来重建数据库中已被破坏或不正确的那部分数据恢复的实现技术 复杂 一个大型数据库产品，恢复子系统的代码要占全部代码的10%以上2022-11-1017恢复机制涉及的关键问题1.如何建立冗余数据 数据转储（backup）登录日志文件（logging）2.如何利用这些冗余数据实施数据库恢复2022-11-1018
6、6.4.3.1数据转储一、数据转储数据转储：DBA将整个数据库复制到磁带或另一个磁盘上保存起来的过程。这些备用的数据文本称为后备副本或后援副本。2022-11-1019二、转储的作用转储是数据库恢复中采用的基本技术。一旦系统发生介质故障，数据库遭到破坏，可将后备副本重新装入，把数据库恢复起来。重装后备副本只能将数据库恢复到转储时的状态，要想恢复到故障发生时的状态，必须重新运行自转储以后的所有更新事务。2022-11-1020 故障发生点故障发生点 转储转储 运行事务运行事务 正常运行正常运行 Ta Ta Tb Tb Tf Tf 重装后备副本重装后备副本 重新运行事务重新运行事务恢复恢复 202
7、2-11-1021三、转储方法1静态转储与动态转储静态转储 在系统中无运行事务时进行转储 转储开始时数据库处于一致性状态 转储期间不允许对数据库的任何存取、修改活动2022-11-1022优点 实现简单缺点 降低了数据库的可用性 转储必须等用户事务结束 新的事务必须等转储结束2022-11-1023利用静态转储副本进行恢复 故障发生点故障发生点 静态静态转储转储 运行事务运行事务 正常运行正常运行 Ta Ta Tb Tb Tf Tf 重装后备副本重装后备副本 恢复恢复 2022-11-1024利用静态转储副本进行恢复 运行事务运行事务 故障发生点故障发生点 动态动态转储转储 运行事务运行事务
8、正常运行正常运行 Ta Ta Tb Tb Tf Tf重装后备副本重装后备副本 利用日志文件恢复利用日志文件恢复恢复恢复 2022-11-1025 动态转储 转储操作与用户事务并发进行 转储期间允许对数据库进行存取或修改 优点 不用等待正在运行的用户事务结束 不会影响新事务的运行 缺点 不能保证副本中的数据正确有效例：在转储期间的某个时刻Tc，系统把数据A=100转储到磁带上，而在下一时刻Td，某一事务将A改为200。转储结束后，后备副本上的A已是过时的数据了。2022-11-1026利用动态转储得到的副本进行故障恢复 需要把动态转储期间各事务对数据库的修改活动登记下来，建立日志文件 后备副本加
9、上日志文件才能把数据库恢复到某一时刻的正确状态2022-11-1027利用动态转储副本进行恢复 Ta Ta Tb Tb Tf Tf 动态动态转储转储 运行事务运行事务 故障发生点故障发生点正常运行正常运行 登记日志文件登记日志文件 登记新日志文件登记新日志文件 转储日志文件转储日志文件 重装后备副本，然后利用转储的日志文件恢复重装后备副本，然后利用转储的日志文件恢复恢复到一恢复到一 致性状态致性状态2022-11-10282海量转储与增量转储海量转储：每次转储全部数据库。增量转储：只转储上次转储后更新过的数据。海量转储与增量转储比较 从恢复角度看，使用海量转储得到的后备副本进行恢复往往更方便
10、如果数据库很大，事务处理又十分频繁，则增量转储方式更实用更有效2022-11-10293转储方法小结转储方法分类转储状态转储状态动态转储动态转储静态转储静态转储转储转储方式方式海量转储海量转储动态海量转储动态海量转储静态海量转储静态海量转储增量转储增量转储动态增量转储动态增量转储静态增量转储静态增量转储2022-11-1030转储策略 应定期进行数据转储，制作后备副本。转储是十分耗费时间和资源的，不能频繁进行。DBA应该根据数据库使用情况确定适当的转储周期和转储方法。例：每天晚上进行动态增量转储 每周进行一次动态海量转储 每月进行一次静态海量转储2022-11-10316.4.3.2登记日志文
11、件一、日志文件的内容1.日志文件(log)用来记录事务对数据库的更新操作的文件。2.日志文件的格式 以记录为单位的日志文件 以数据块为单位的日志文件2022-11-10323.日志文件内容以记录为单位的日志文件内容 各个事务的开始标记(BEGIN TRANSACTION)各个事务的结束标记(COMMIT或ROLLBACK)各个事务的所有更新操作 与事务有关的内部更新操作以上为日志文件中的一个日志记录(log record)2022-11-10334.基于记录的日志文件每条日志记录的内容 事务标识 操作类型（插入、删除或修改）操作对象（记录ID、Block NO.）更新前数据的旧值（对插入操作而
12、言，此项为空值）更新后数据的新值（对删除操作而言,此项为空值）2022-11-10345.基于数据块的日志文件每条日志记录的内容 事务标识（标明是那个事务）操作对象（记录ID、Block NO.）更新前数据所在的整个数据块的值（对插入操作而言，此项为空值）更新后整个数据块的值（对删除操作而言,此项为空值）2022-11-1035二、日志文件的用途1用途 进行事务故障恢复 进行系统故障恢复 协助后备副本进行介质故障恢复2022-11-10362与静态转储后备副本配合进行介质故障恢复 静态转储的数据已是一致性的数据 如果静态转储完成后，仍能定期转储日志文件，则在出现介质故障重装数据副本后，可以利用
13、这些日志文件副本对已完成的事务进行重做处理 不必重新运行那些已完成的事务程序就可把数据库恢复到故障前某一时刻的正确状态2022-11-1037 故障发生点故障发生点 静态转储静态转储 运行事务运行事务 正常运行正常运行 Ta Ta Tb TfTb Tf 登记日志文件登记日志文件 重装后备副本重装后备副本 利用日志文件恢复事务利用日志文件恢复事务 继续运行继续运行介质故障恢复介质故障恢复 登记日志文件登记日志文件 2022-11-1038上图中：系统在Ta时刻停止运行事务，进行数据库转储 在Tb时刻转储完毕，得到Tb时刻的数据库一致性副本 系统运行到Tf时刻发生故障 为恢复数据库，首先由DBA重
14、装数据库后备副本，将数据库恢复至Tb时刻的状态 重新运行自TbTf时刻的所有更新事务，把数据库恢复到故障发生前的一致状态2022-11-10393介质故障恢复：LOG FILE+动态转储后备副本 动态转储数据库，同时转储同一时点的日志文件 后备副本与该日志文件结合起来才能将数据库恢复到一致性状态。利用这些日志文件副本进一步恢复事务，避免重新运行事务程序。2022-11-1040三、登记日志文件的原则为保证数据库是可恢复的，登记日志文件时必须遵循两条原则 登记的次序严格按并行事务执行的时间次序 必须先写日志文件，后写数据库 写日志文件操作：把表示这个修改的日志记录写到日志文件 写数据库操作：把对
15、数据的修改写到数据库中2022-11-1041为什么要先写日志文件？写数据库和写日志文件是两个不同的操作 在这两个操作之间可能发生故障 如果先写了数据库修改，而在日志文件中没有登记下这个修改，则以后就无法恢复这个修改。如果先写日志，但没有修改数据库，按日志文件恢复时只不过是多执行一次不必要的UNDO操作，并不会影响数据库的正确性。2022-11-10426.4.4恢复策略6.4.4.1事务故障的恢复事务故障：事务在运行至正常终止点前被中止。恢复方法 由恢复子系统应利用日志文件撤消（UNDO）此事务已对数据库进行的修改事务故障的恢复由系统自动完成，不需要用户干预2022-11-1043事务故障的
16、恢复步骤1.反向扫描文件日志（即从最后向前扫描日志文件），查找该事务的更新操作。2.对该事务的更新操作执行逆操作。即将日志记录中“更新前的值”（Befor Image,BI）写入数据库。插入操作，“更新前的值”为空，则相当于做删除操作删除操作，“更新后的值”为空，则相当于做插入操作若是修改操作，则用BI 代替 AI（After Image）2022-11-10443.继续反向扫描日志文件，查找该事务的其他更新操作，并做同样处理。4.如此处理下去，直至读到此事务的开始标记，事务故障恢复就完成了。2022-11-10456.4.4.2系统故障的恢复系统故障造成数据库不一致状态的原因 一些未完成事务
17、对数据库的更新已写入数据库 一些已提交事务对数据库的更新还留在缓冲区没来得及写入数据库2022-11-1046恢复方法 Undo 故障发生时未完成的事务 Redo 已完成的事务系统故障的恢复由系统在重新启动时自动完成，不需要用户干预2022-11-1047系统故障的恢复步骤1.正向扫描日志文件（即从头扫描日志文件）Redo队列：在故障发生前已经提交的事务 T1，T3，T8Undo队列：故障发生时尚未完成的事务 T2，T4，T5，T6，T7，T9 2022-11-10482.对Undo队列事务进行UNDO处理反向扫描日志文件，对每个UNDO事务的更新操作执行逆操作T2，T4，T5，T6，T7，T
18、93.对Redo队列事务进行REDO处理正向扫描日志文件，对每个REDO事务重新 执行登记的操作T1，T3，T82022-11-10496.4.4.3介质故障的恢复介质故障的恢复方法 重装数据库，使数据库恢复到一致性状态 重做已完成的事务2022-11-1050介质故障的恢复步骤1.装入最新的后备数据库副本，使数据库恢复到最近一次转储时的一致性状态。对于静态转储的数据库副本，装入后数据库即处于一致性状态对于动态转储的数据库副本，还须同时装入转储时刻的日志文件副本，利用与恢复系统故障相同的方法（即REDO+UNDO），才能将数据库恢复到一致性状态。2022-11-1051利用静态转储副本将数据库
19、恢复到一致性状态 故障发生点故障发生点 静态静态转储转储 运行事务运行事务 正常运行正常运行 Ta Ta Tb Tb Tf Tf 登记日志文件登记日志文件 重装后备副本重装后备副本 恢复恢复 2022-11-1052利用动态转储副本将数据库恢复到一致性状态 Ta Ta Tb Tb Tf Tf 动态动态转储转储 运行事务运行事务 故障发生点故障发生点正常运行正常运行 登记日志文件登记日志文件 登记新日志文件登记新日志文件 转储日志文件转储日志文件 重装后备副本，然后利用转储的日志文件恢复重装后备副本，然后利用转储的日志文件恢复恢复到一恢复到一 致性状态致性状态2022-11-10532.装入有关
20、的日志文件副本，重做已完成的事务。首先扫描日志文件，找出故障发生时已提交的事务的标识，将其记入重做队列。然后正向扫描日志文件，对重做队列中的所有事务进行重做处理。即将日志记录中“更新后的值”写入数据库。2022-11-1054介质故障的恢复需要DBA介入 DBA的工作 重装最近转储的数据库副本和有关的各日志文件副本 执行系统提供的恢复命令 具体的恢复操作仍由DBMS完成2022-11-10556.4.5具有检查点的恢复技术一、问题的提出两个问题 搜索整个日志将耗费大量的时间 REDO处理：重新执行，浪费了大量时间2022-11-1056解决方案 具有检查点（checkpoint）的恢复技术 在
21、日志文件中增加检查点记录（checkpoint）增加重新开始文件 恢复子系统在登录日志文件期间动态地维护日志2022-11-10572022-11-1058二、检查点技术检查点记录的内容 建立检查点时刻所有正在执行的事务清单 这些事务最近一个日志记录的地址重新开始文件的内容 记录各个检查点记录在日志文件中的地址2022-11-10592022-11-1060在检查点维护日志文件 将当前日志缓冲区中的所有日志记录写入磁盘的日志文件上。在日志文件中写入一个检查点记录。将当前数据缓冲区的所有数据记录写入磁盘的数据库中。把检查点记录在日志文件中的地址写入一个重新开始文件。2022-11-1061建立检
22、查点 定期 按照预定的一个时间间隔 不定期 按照某种规则，如日志文件已写满一半建立一个检查点2022-11-1062三、利用检查点的恢复策略当事务T在一个检查点之前提交，T对数据库所做的修改已写入数据库。在进行恢复处理时，没有必要对事务T执行REDO操作2022-11-1063Tc(检查点检查点)Tf(系统故障系统故障)REDOUNDOUNDO REDOT2T3T4T5不要不要REDOT12022-11-1064利用检查点的恢复步骤1、从重新开始文件中找到最后一个检查点记录在日志文件中的地址，由该地址在日志文件中找到最后一个检查点记录2022-11-10652、由该检查点记录得到检查点建立时刻
23、所有正在执行的事务清单ACTIVE-LIST 建立两个事务队列 UNDO-LIST REDO-LIST 把ACTIVE-LIST暂时放入UNDO-LIST队列，REDO队列暂为空。2022-11-10663、从检查点开始正向扫描日志文件，直到日志文件结束 如有新开始的事务Ti，把Ti暂时放入UNDO-LIST队列 如有提交的事务Tj，把Tj从UNDO-LIST队列移到REDO-LIST队列4、对UNDO-LIST中的每个事务执行UNDO操作，对REDO-LIST中的每个事务执行REDO操作2022-11-10676.4.6数据库镜像介质故障是对系统影响最为严重的一种故障，严重影响数据库的可用性
24、 介质故障恢复比较费时 为预防介质故障，DBA必须周期性地转储数据库提高数据库可用性的解决方案 数据库镜像（Mirror）2022-11-1068数据库镜像 DBMS自动把整个数据库或其中的关键数据复制到另一个磁盘上 DBMS自动保证镜像数据与主数据的一致性2022-11-1069数据库镜像的用途 出现介质故障时 DBMS自动利用镜像磁盘数据进行数据库的恢复，不需要关闭系统和重装数据库副本 没有出现故障时 可用于并发操作 一个用户对数据加排他锁修改数据 其他用户可以读镜像数据库上的数据2022-11-10702022-11-1071DBMS必须对事务故障、系统故障和介质故障进行恢复恢复中最经常使用的技术：数据库转储和登记日志文件恢复的基本原理：利用存储在后备副本、日志文件和数据库镜像中的冗余数据来重建数据库小结2022-11-1072常用恢复技术 事务故障的恢复 UNDO 系统故障的恢复 UNDO+REDO 介质故障的恢复 重装备份并恢复到一致性状态+REDO2022-11-1073提高恢复效率的技术 检查点技术 可以提高系统故障的恢复效率 可以在一定程度上提高利用动态转储备份进行介质故障恢复的效率 镜像技术 镜像技术可以改善介质故障的恢复效率
