劉傳堯，謝火木，施芝元

（1.廈門大學現(xiàn)代教育技術(shù)與實踐訓練中心，2.廈門大學信息科學與技術(shù)學院，福建 廈門361005）

高校校園信息化在建設初期由于沒有進行統(tǒng)籌規(guī)劃，各部門各自為陣，在全校范圍內(nèi)逐步建立了自己的信息系統(tǒng)，如教務系統(tǒng)、科研系統(tǒng)、人事系統(tǒng)等，經(jīng)過近20年的發(fā)展，系統(tǒng)功能已經(jīng)趨于完善，并已經(jīng)融入到日常工作中，但隨著校園信息化的基礎(chǔ)設施的完善，這些孤立的系統(tǒng)逐漸顯現(xiàn)出了它們的弊端，其中最主要的問題就是這些系統(tǒng)之間無法實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)同步與信息共享而形成了所謂的“信息孤島”［1］.目前主要解決的辦法有2種：1）推翻原有系統(tǒng)，建立校級數(shù)據(jù)中心，由學校重新規(guī)劃建設各部門信息系統(tǒng)，但成本過高；2）對原有的系統(tǒng)進行升級改造，然后實現(xiàn)跨部門之間的實時數(shù)據(jù)同步，讓“數(shù)據(jù)孤島”之間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有效共享、合并冗余數(shù)據(jù)［2］，這是目前普遍采用的方法.

1 數(shù)字校園“信息孤島”簡介

所謂“信息孤島”（information isolated island）指的是相對獨立的不同類型的信息系統(tǒng)，由于相互封閉，無法進行順暢的信息交流，猶如一個個分散、獨立的島嶼［3］.其本質(zhì)問題就是這些獨立的系統(tǒng)之間所生成的數(shù)據(jù)無法相互共享、數(shù)據(jù)不一致，這不僅導致了不同的系統(tǒng)因獨立管理而產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù)，而且由于系統(tǒng)與系統(tǒng)之間缺乏數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，無法對數(shù)據(jù)進行科學分析，特別在大數(shù)據(jù)時代學校無法使用這些數(shù)據(jù)進行科學的管理與決策.高?！靶畔⒐聧u”產(chǎn)生的原因主要是在信息化建設初期，在認識上，沒有充分理解信息化內(nèi)涵；在管理上，缺少統(tǒng)一規(guī)劃；在技術(shù)上，只注重硬件投入，而忽略軟件資源的建設［3］.

查閱文獻發(fā)現(xiàn)，目前在解決高?！靶畔⒐聧u”問題上，主要還是從政策理論上去避免“信息孤島”的產(chǎn)生，通過技術(shù)來解決現(xiàn)存的“信息孤島”的方案相關(guān)文獻比較缺乏.目前也有專家提出基于信息交換平臺的實現(xiàn)方法，比如，顏廷良［4］提出基于XML消息的安全數(shù)據(jù)交換平臺研究與應用，郭向陽［5］提出基于數(shù)據(jù)庫復制技術(shù)的云交換平臺研究與實現(xiàn)等.本文提出的是一種基于日志解析數(shù)據(jù)同步的“數(shù)據(jù)孤島”解決方案.該方案的優(yōu)勢在于操作方便，適合遠程同步操作，可以實現(xiàn)記錄級、表一級以及異構(gòu)表間的數(shù)據(jù)同步等.

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 系統(tǒng)設計的總體思想

本文提出的數(shù)字校園的數(shù)據(jù)同步方案，主要依靠分析Oracle數(shù)據(jù)庫Redo日志文件，解析日志中的SQL語句，進而讓遠程目標服務器執(zhí)行同樣SQL語句來實現(xiàn)云同步.

Oracle數(shù)據(jù)庫的操作事務都記錄在Redo日志中，但是原始的Redo日志是加密存儲的非開放二進制數(shù)據(jù)，無法直接提取閱讀，要解析Oracle日志，目前比較好的方法就是使用Oracle公司提供的LogMiner工具.LogMiner工具是Oracle8i版本以后新增加的功能，通過使用LogMiner程序，可以對Oracle日志進行解析，解析在線日志、離線日志以及數(shù)據(jù)庫的重作日志文件［6］，從而獲得相應數(shù)據(jù)庫操作的DML語句，然后利用Flex詞法分析編譯工具，構(gòu)造針對SQL語句的解析器，并在解析以后重構(gòu)同步端需要的目標語句.

在廣域網(wǎng)數(shù)字校園環(huán)境下開發(fā)云同步系統(tǒng)，主要技術(shù)瓶頸還是增量事件和數(shù)據(jù)如何同步到云端以及云同步系統(tǒng)的效率問題［7］.傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫環(huán)境中采用的靜態(tài)數(shù)據(jù)備份技術(shù)，由于傳輸數(shù)據(jù)文件容量巨大，導致效率很低［8－9］，不適用于今天的云技術(shù)發(fā)展，所以增量事務同步成為云同步方案中唯一可行的選擇［10－11］.在 Oracle數(shù)據(jù)庫中，增量事務同步需要解決Redo日志的解析以及增量事務和數(shù)據(jù)在云端計算機快速入庫的問題.

2.2 語法解析器的構(gòu)造原理

快速詞法分析產(chǎn)生器（Flex）是一種詞法分析程序，它是LEX的開放源代碼版本，以BSD許可證發(fā)布.本文使用的Flex版本為Flex2.5.2.Flex主要功能是依據(jù)用戶定義的正則表達式構(gòu)詞規(guī)則，生成掃描詞法結(jié)構(gòu)的自動程序.與自己設計詞法解析程序相比，F(xiàn)lex的速度和準確度高得多，并且采用它，可以減少書寫大量的代碼.

2.2.1 SQL語句解析器

本文的SQL語句解析器的設計如下：

1）基本SQL關(guān)鍵字解析，采用依據(jù)正則表達式直接構(gòu)造關(guān)鍵詞的方法.

2）SQL中的 Where語句解析.以下適用于不帶like，in等結(jié)構(gòu)的簡單where語句.

3）SQL語句中的insert的values值域解析.本文采用的構(gòu)造規(guī)則僅適用于標準SQL insert語句：

4）SQL語句中Set語句解析.舉例SQL結(jié)構(gòu)解析針對帶有to＿date類型的SQL語句.

采用如下的SQL詞法構(gòu)造方法：

2.2.2 SQL語句解析類的設計

利用Flex構(gòu)造的SQL語句解析規(guī)則后需要在云同步系統(tǒng)中調(diào)用，還需要設計可重用的C＋＋類庫.以下列舉本文云同步系統(tǒng)中采用的SQL語句解析類的結(jié)構(gòu)說明，其中FlexLexer.h為Flex類庫中的標準頭文件.

3 數(shù)字校園云同步系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)總體設計由3大模塊構(gòu)成，分別為云源端、云目的端和云控制端.云源端和云目的端以服務的方式運行，云控制端為一個在Windows下運行的32位應用程序.云源端根據(jù)云控制端發(fā)送的要求，操縱地方各局數(shù)據(jù)庫，然后提供系統(tǒng)所需的源數(shù)據(jù).目的端依據(jù)系統(tǒng)在云控制端的設置，在設定的周期內(nèi)，抽取云源端的數(shù)據(jù)，并進行入庫.云控制端操縱云源端和云目的端運行，并提供圖形控制界面供用戶設置云同步系統(tǒng)運行所需參數(shù).云同步系統(tǒng)各端定義如下：

1）云控制端：獲取云源端、云目的端數(shù)據(jù)庫的表信息和字段信息，并提供展示界面；提供云源端和云目的端對應數(shù)據(jù)表和字段映射的圖形操作界面；提供ftp信息配置界面和同步時間設置界面，并提供ftp連接測試界面；反饋信息圖形展示界面；將相關(guān)云同步配置信息發(fā)送給云客戶端和云服務端的監(jiān)聽端口.

2）云源端：捕獲指定監(jiān)聽端口的云控制端表格映射信息、同步文件夾和同步信號；依據(jù)捕獲到的時間信號，調(diào)用LogMiner進行解析入庫，并根據(jù)得到的表格映射信息，將入庫結(jié)果保存為.XML文件中；在云端同步時間到達時，將.XML文件上傳到指定的同步文件夾；周期捕獲云目的端的時間信號.

3）云目的端：在指定的監(jiān)聽端口捕捉來自云控制端的時間同步信號；在指定的時間同步信號內(nèi)讀取云源端上傳的語法構(gòu)造.XML文件，并依據(jù)語法規(guī)則構(gòu)造SQL語句執(zhí)行入庫.

3.1 云源端的實現(xiàn)

云源端運行數(shù)據(jù)存儲過程LOG＿DUMP，利用LogMiner對Oracle數(shù)據(jù)庫的Redo日志文件進行解析，并將結(jié)果存入與Redo日志文件同名的表中.云源端程序（Cloud＿XS）將讀取的解析結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)在云控制端配置的數(shù)據(jù)表映射關(guān)系將相關(guān)的SQL語句進行轉(zhuǎn)換，保存為.XML格式的文件，在云交換時間到達時以ftp方式上傳到云目標端.

云源端數(shù)據(jù)存儲過程主要功能包括SQL語句分析，通過Flex編寫詞法解析器，解析并重構(gòu)符合OTL接口標準的SQL語句［12］；創(chuàng)建.XML文件，將構(gòu)造好的SQL語句依據(jù)云控制端的表項映射倒入到一個.XML文件中；訪問Oracle數(shù)據(jù)庫，從云控制端讀取同步參數(shù)（包括握手參數(shù)、時間參數(shù)和回滾參數(shù)等）；客戶端功能，向云目標端上傳構(gòu)造好的含有SQL語句的.XML文件.云源端數(shù)據(jù)存儲過程業(yè)務邏輯詳見圖1.

云源端程序主要功能包括自動歸檔Redo日志和調(diào)用LogMiner解析最新歸檔的Redo日志.云源端的輸入為經(jīng)過LogMiner所解析的Redo日志，表的字段為：SCN，TIMESTAMP，SEG ＿OWNER，SEG ＿NAME，ROW＿ID，SQL＿REDO.表名稱同其對應的Redo日志名稱同名.云源端程序?qū)腞edo日志解析中獲取的結(jié)果，根據(jù)云控制端配置的表映射信息進行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果以XML文件的形式輸出.云源端程序流程詳見圖2.

3.2 云目標端的實現(xiàn)

云目標端主要負責在云交換時間到達時，讀取云源端程序上傳的.XML文件，將提取內(nèi)部保存的SQL語句執(zhí)行入庫.云目標端的主要功能包括創(chuàng)建Cloud＿XD數(shù)據(jù)庫，解析.XML文件和執(zhí)行入庫操作.云目標端輸入為Cloud＿XS程序上傳的.XML文件.云目標端程序流程詳見圖3.

3.3 云控制端的實現(xiàn)

云控制端程序主要負責提供圖形化的云源端與云目標端數(shù)據(jù)表映射關(guān)系，以及增刪改操作界面（由于云源端與云目標端對應表的字段可能不一致，可能在此過程中需要人工確定對應表格映射關(guān)系）.

圖1 云源端數(shù)據(jù)存儲過程Fig.1 Cloud source client data storage process

云控制端的處理流程包括：通過用戶輸入獲取云目標端數(shù)據(jù)庫的信息后，連接云目標端數(shù)據(jù)庫，讀取Cloud＿XD.Source表獲取云源端的數(shù)據(jù)庫表信息.通過Cloud＿XD.Source表獲取源數(shù)據(jù)庫的信息可以訪問云源端各個數(shù)據(jù)庫Cloud＿XS.Map和Cloud＿XS.Field獲取配置完成的數(shù)據(jù)表映射信息.

云控制端提供操作的數(shù)據(jù)表和字段如下：

1）云交換時間設置：設置云交換時間后，云控制端需要將Cloud＿XS.OM 和Cloud＿XD.OM 的Exe＿time＿tag設置為云系統(tǒng)的同步時間.

2）云交換立即執(zhí)行的觸發(fā)：當用戶觸發(fā)界面上立即同步按鈕后，云控制端需要將Cloud＿XS.OM 和Cloud＿XD.OM 的 Next＿time＿tag設置為當前時間.

3）云源端配置步驟：添加云源數(shù)據(jù)端后，需將相關(guān)信息填入Cloud＿XD.Source數(shù)據(jù)庫，和Cloud＿XS.OM的 Destination＿IP、Destination＿USER、Destination＿PASSWORD、FTP＿USER、FTP＿PASSWORD字段.

4）云控制端的映射信息增刪改：用戶在云控制端進行映射信息的刪改操作時，將結(jié)果寫入Cloud＿XS.Map和Cloud＿XS.Field，并且將Cloud＿XS.OM 表中的對應行ID值進行修改.

圖2 云源端程序流程Fig.2 Cloud source clien flow

圖3 云目標端程序流程Fig.3 Cloud target client flow

5）云系統(tǒng)的日志顯示：通過讀取Cloud＿XS.OM和Cloud＿XD.OM可以獲取當前云同步系統(tǒng)運行的日志.

6）云系統(tǒng)的同步控制：通過判斷Cloud＿XD.OM的SYS＿STATUS字段可以判斷云系統(tǒng)是否正在進行數(shù)據(jù)同步.

4 數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)處理

本次云交換系統(tǒng)云源端與云目標端程序均采用服務進程的方式設置為系統(tǒng)服務.云控制端程序負責遠程初始化云源端程序的交換時間、交換數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表映射關(guān)系設置和交換數(shù)據(jù)的有效起始時間等參數(shù).云同步系統(tǒng)的時序圖詳見圖4.

為了提高云同步系統(tǒng)運行效率和性能，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)同步不是通過傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)表復制來實現(xiàn)，而是通過在云源端每小時調(diào)用一次Oracle數(shù)據(jù)庫自帶的LogMiner進行解析對應同步時段的在線Redo日志，然后將得到的SQL語句入庫.依據(jù)用戶在云控制端設置，將SQL語句中相關(guān)字段和數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，以.XML文件保存，并在用戶指定云同步時間到達時，將.XML文件上傳至同步文件夾.云目的端程序?qū)?XML文件中的SQL語句存入數(shù)據(jù)庫指定表空間中.云源端再提取Redo日志存放表中事務操作內(nèi)容并執(zhí)行，達到云源端和云目標端的數(shù)據(jù)同步的目的.

實驗結(jié)果如表1所示，圖中顯示Redo日志文件規(guī)模直接影響到了云交換系統(tǒng)的交換頻率和交換時間長度.在Redo日志文件規(guī)模較小時，交換頻率偏高會影響到服務器日常工作（LogMiner的運行同時會影響數(shù)據(jù)庫效率），但是Redo日志文件規(guī)模設置較大時，又會導致云交換時間過長（例如必須在晚上非工作時間運行）.根據(jù)實驗結(jié)果，日志文件設置約為50 MB是比較合理而且頻率和交換時間都處在可以接受的水平.

5 結(jié) 論

圖4 云同步系統(tǒng)的時序圖Fig.4 Cloud synchronization system sequence diagram

表1 數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)實驗結(jié)果Tab.1 The test result of exchange system

在數(shù)字校園中的多重數(shù)據(jù)孤島環(huán)境下要開發(fā)云交換系統(tǒng)，我們面對是數(shù)據(jù)庫中增量數(shù)據(jù)如何同步以及數(shù)據(jù)在同步時的效率這兩個主要問題.現(xiàn)高校中由于存在跨地多個校區(qū)，這些校區(qū)之間要進行數(shù)據(jù)實時同步時，不能采用在集中環(huán)境下的那種簡單靜態(tài)數(shù)據(jù)備份技術(shù)，這種技術(shù)在傳輸時文件過大，并且效率很低.因此以數(shù)據(jù)庫中的增量數(shù)據(jù)同步就成為了唯一可行的方案.在基于Oracle數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)中，增量數(shù)據(jù)同步轉(zhuǎn)換成解決數(shù)據(jù)庫日志的解析以及增量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在目標計算機快速入庫的問題.利用LogMiner工具來解析Oracle系統(tǒng)的日志是實現(xiàn)分布式云交換系統(tǒng)所要解決前提條件之一.對LogMiner解析出的日志進行SQL語句分析重構(gòu)（針對目標數(shù)據(jù)庫的快速入庫接口重構(gòu)）是實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)要解決的另一個前提.本文實現(xiàn)了數(shù)字校園網(wǎng)數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)的技術(shù)問題及系統(tǒng)架構(gòu)問題，并給出了系統(tǒng)實現(xiàn)方案.

［1］段宗曜，饒水林.信息化建設在高校校園中的實現(xiàn)模式研究［J］.計算機科學，2013，40（11A）：417－420.

［2］趙衛(wèi)，馮華麗.高校信息化平臺建設中“信息孤島”現(xiàn)象及對策［J］.中國科技信息，2014（24）：52－53.

［3］舒暢.高校數(shù)字化校園的壁壘－－信息孤島［J］.中國教育信息化，2011（5）：16－17.

［4］顏廷良.基于XML消息的安全數(shù)據(jù)交換平臺研究與應用［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2013，23（2）：172－176.

［5］郭向陽.基于數(shù)據(jù)庫復制技術(shù)的云交換平臺研究與實現(xiàn)［J］.計算機與現(xiàn)代化，2011（8）：157－163.

［6］張立奎，閆子熙.基于LogMiner的Oracle數(shù)據(jù)庫日志分析［J］.計算機與網(wǎng)絡，2013（21）：145－147.

［7］張青鳳，張鳳琴，王磊.多數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)同步模型研究與設計［J］.微型機與應用，2013（12）：60－66.

［8］趙榮.分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的故障恢復方法［J］.科技信息，2013（11）：160－161.

［9］秦森，楊艷.基于Oracle日志分析的數(shù)據(jù)還原操作的設計及實現(xiàn)［J］.電腦知識與技術(shù)，2007（3）：626－628.

［10］王玉標，饒錫如，何盼.異構(gòu)環(huán)境下數(shù)據(jù)庫增量同步更新機制［J］.計算機工程與設計，2011，32（3）：948－951.

［11］楊德勇.遠程數(shù)據(jù)同步的設計與實現(xiàn)［J］.信息與電腦，2012（3）：112－113.

［12］孫兆玉，朱鴻宇，黃宇光.Linux環(huán)境中使用Flex、Bison進行SQL語法分析［J］.電腦編程技巧與維護，2007（2）：38－41.