（计算机应用技术专业论文）基于存储区域网的数据备份系统的研究与设计.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 存储区域网( s a n ) 是一种类似于l a n 的高速网络技术，它用来 在存储单元与客户端之间建立直接的高速数据连接。与l a n 不同的 是s a n 针对存储备份进行了优化，通常使用专用的通信协议，比如 s c s i 协议和f c 协议，而不是l a n 使用的各种通信协议。 随着网络基础建设的逐步发展与完善，s a n 技术由于其自身所 具有的诸多优点正在得到越来越广泛的应用。同时数据信息的急剧膨 胀，对数据备份系统的规模、效率、安全性和可靠性都提出了更高的 要求。现有的备份系统主要包括分布式备份系统和基于l a n 的备份 系统。但是，这些备份系统的备份速度较慢且都会影响服务器的性能， 已经不能满足现有应用的要求。因此，设计一个速度快、性能优的备 份系统就非常有意义了。 论文深入分析了网络备份系统的各个层次的主要问题，提出了解 决问题的总体方案。经过详细考虑和多方论证，本文设计了一种基于 存储区域网的网络备份系统。本系统是一个三层结构的网络备份系 统，它以s a n 技术为基础，使用f c 通信协议，在现有的s a n 备份 模型上引入了一个管理协议网络数据管理协议( n d m p ) 来对该备 份系统进行管理和控制。一方面，通过使用f c 协议s a n 网络可以 提供高速传输能力，从而提高了备份速度、减小了备份窗口；另一方 面，n d m p 协议对备份系统中的数据流和控制流进行了有效的管理与 控制，大大地减轻了服务器的负担。在三层结构的网络各份系统中， 软件复杂程度从下往上逐步增加，而数据通信量从上往下不断增大， 极大地提高了备份性能。该模型不但结构简单、便于维护，而且不使 用特殊器件，是一个具有较好整体性能的网络备份系统。 关键词：存储区域网，数据备份，光纤通道，网络数据管理协议 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t o r a g ea r e an e t w o r k ( s a n ) i sah i g h - s p e e dn e t w o r kt e c h n o l o g y s i m i l a rw i t hl a n i tc a np r o v i d eh i g h - s p e e dc o n n e c t i o nb e t w e e ns t o r a g e u n i t sa n dc l i e n t s u n l i k el a n s a no p t i m i z e st h es t o r a g ea n db a c k u p s a nu s e ss o m es p e c i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，s u c h 觞s c s ia n df c ， i n s t e a do f t h en o r m a lp r o t o c o l st h a tl a nu s e s w i t ht h e d e v e l o p m e n t a n dc o n s u m m a t i o no ft h en e t w o r k i n f r a s t r u c t u r e s ，s a nt e c h n o l o g yi sb e i n gu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s a n dw i t h t h e r a p i di n c r e a s i n g o fd a t a i n f o r m a t i o n , m o d e mn e t w o r ks t o r a g es y s t e m sa r en o wb i d d i n gf o rm o r e a n dm o r ed e m a n d so nd a t ab a c k u pi ns c a l a b i l i t y , e f f i c i e n c y , s e c u r i t ya n d a v a i l a b i l i t y t h ee x i s t i n gb a c k u ps y s t e m sm a i n l yi n c l u d ed i s t r i b u t e d b a c k u ps y s t e ma n db a c k u ps y s t e mb a s e d0 1 1l a n b u tt h e s es y s t e m s c a n tb eq u i 钯s u i t a b l ef o rt h er e q u i r e m e n to f t h ea p p l i c a t i o n s ，b e c a u s et h e b a c k u ps p e e do ft h e s es y s t e m si ss l o wa n dt h es e r v e r s p e r f o r m a n c eo f t h e s e s y s t e m s i s b e i n g a f f e c t e d s o d e s i g n a h i g h s p e e d a n d h i g h - p e r f o r m a n c eb a c k u ps y s t e mh a sv e r yi m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n g t h et h e s i sd e 印l ya n a l y s e st h em a i n l yp r o b l e m so ft h en e t w o r k b a c k u ps y s t e m , t h e np u tf o r w a r das e t t l e dp r o j e c to ft h e s ep r o b l e m s t h r o u g ht h ed e t a i l e dc o n s i d e r a t i o na n dm a n ya s p e c t sd e m o n s t r a t i o n ，t h i s t h e s i sd e s i g n san e t w o r kb a c k u ps y s t e mb a s e do ns a n t h i ss y s t e mi sa t h r e e l a y e rn e t w o r kb a c k u ps y s t e m i tb a s e d0 ns a n , a n du s e st h ef c c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n di m p o r t sam a n a g e m e n tp r o t o c o l - - n e t w o r k d a t am a n a g e m e n tp r o t o c o l ( n d m p ) i n t ot h ee x i s t i n gs a nb a c k u pm o d e l t om a n a g ea n dc o n t r o lt h eb a c k u ps y s t e m o no n eh a n d ，w i t ht h ea i do f h i g h - s p e e dt r a n s p o r ta b i l i t yp r o v i d e db yf cc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，i t c a ni n c r e a s et h es y s t e m sb a c k u ps p e e da n dr e d u c et h es y s t e m sb a c k u p w i n d o w o nt h eo t h e rh a n d ，n d m pc a ne f f e c t i v e l ym a n a g et h es y s t e m s d a t as t r e a ma n dc o n t r o ls t r e a m ，s oi tc a ng r e a t l yl i g h t e nt h es y s t e m s b u r d e n i nt h i st h r e e - l a y e rn e t w o r kb a c k u ps y s t e m ，t h ec o m p l e x i t yo f s o f r w a r ei s i n c r e a s i n g f r o mb o t t o mt o t o p ，a n dt h e d a t at r a f f i ci s i n c r e a s i n g f r o m t o p t o b o t t o m ，i t sg r e a t l y i n c r e a s et h e s y s t e m s p e r f o r m a n c e t h i ss y s t e mm o d e l n o to n l yh a ss i m p l es t r u c t u r ea n de a s yt o n i 中南大学硬士学位论文 a b s l r a c t m a i n t a i n , b u ta l s on e e d n ts p e c i a lc o m p o n e n t s i no n ew o r d ，i ti s a n e t w o r kb a c k u ps y s t e mw i t hb e t t e rh o l i s t i cp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s t o r a g ea r e an e t w o r k , d a t ab a c k u p ，f i b r ec h a n n e l ， n e t w o r kd a t am a n a g e m e n tp r o t o c o l ( n d m p ) 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究工作所做的贡献均已在 论文中作了明确的说明。 作者签名； 墅盎日期：逊年生月刍 - 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名：强导师签名：日期：型年上月兰日 中南大学硕士学位论文第一章概述 第一章概述 本章首先介绍了课题的研究背景和国内外的研究现状，描述了s a n 的基本 概念。其次，分析了存储区域网的架构、技术特点及其应用，最后给出了本课题 的研究目标及论文结构。 1 1 课题的研究背景 i n t e m e t i n t r a n e t 以及其它网络相关的各种应用飞速发展，网络上的信息资 源呈爆炸型增长趋势，通过网络进行传输的信息量不断膨胀，大量信息需要进行 处理并通过网络传输，这对信息存储系统提出了空前的要求。除了对存储容量的 需求外，越来越多的企业要求能够提供2 4 x 7 ( 每天2 4 小时，每周7 天) 不间断 的数据服务。人们迫切地希望能对他们拥有的海量数据实现共享、快速访问、高 效集中的管理、保证数据的安全性。这些都对存储技术提出了更高的要求。传统 的存储器是一种总线型结构，当客户连接数增多时i o 总线将会成为一个潜在的 瓶颈，并且会影响到服务器本身功能，严重情况下甚至会导致系统崩溃。因此， 探索新的存储体系结构就非常必要了，近年来网络存储技术成为了国际上比较热 门的一个研究方向。网络存储技术是最近提出来的一项新技术，它利用传统存储 设备和网络设备实现网络存储功能，构造出能直接被网络访问的网络存储设备。 目前网络存储技术在具体实现上由于采用的技术和协议不同，可以分成几种不同 的技术类型，包括直接连接存储( d a s ) 技术、附网存储( n a s ) 技术、存储区 域网( s a n ) 技术、i s c s i 技术和j i n i 技术等，而s a n 正是其中一种比较突出的 技术【l 捌。 s a n 是类似于普通局域网的一种高速存储网络，它通过专用的集线器、交 换机和网关建立与服务器和磁盘阵列之间的直接联系 4 , 5 1 。s a n 不是一种产品而 是配置网络化存储的一种方法。这种网络技术支持远程通信，使存储设备从特定 的服务器解脱出来成为自由的存储设备，可以把存储设备通过一些网络设备与网 络直接相连。这样连接在网络上的存储设备对于网络上的任何一台服务器都是可 见的，存储设备与服务器之间是一个多对多的关系，其不再隶属于网络上某一个 特定的服务器，从而为网络上所有的服务器、工作站所共享。s a n 也允许各个 存储子系统，如磁盘阵列和磁带库，无需通过专用的中间服务器即可互相协作。 虽然s a n 的接口可以是e s c o n 、s c s i 、s s a 、h i p p i ，但是在开放式存储系统 中通常选择光纤通道( f c ，f i b e rc h a n n e l ) 作为其接口。 中南大学硕士学位论文第一章概述 光纤通道是在s c s i - - 2 的基础上发展而来的一种新的高速串行接口。光纤 通道的采用使得数据传输具有很高的速度，它为存储区域网提供三种拓扑结构， 点对点方式、仲裁环结构、交换开关方式。这三种方式都能提供1 0 0 兆字节秒 的高性能数据管道和共享的集中管理的存储设备，全双工时可达到2 0 0 兆字节 秒。( 关于光纤通道将会在随后的章节中进行详细地介绍) 。 s a n 能够解决与网络存储备份有关的问题，它将消除人们对网络带宽的顾 虑，大幅度地减少管理费用支出，并将减少备份系统的总体拥有成本。s a n 的 主要思路是将l a n 上的存储转换到主要由存储设备组成的s a n 上，使得数据的 访问、备份和恢复不影响到l a n 的性能，在有大量数据访问时不会大幅降低网 络性能。总之，s a n 是另外一种必不可少的网络类型。 s a n 技术的出现，较好地解决了数据的高可用行、安全性及存储性能方面 的问题。由于s a n 具有管理方便、扩张性强、容错能力好、高可靠性、配置灵 活、支持异构服务器等优点，已经被越来越多地使用在存储系统的建构中【3 】。存 储区域网有着无法替代的优点和巨大的潜在价值，而一个性能良好的存储管理软 件更能够充分发挥存储区域网的强大优势。从存储系统的组成角度上来说，存储 管理软件在存储系统中的地位越来越重要，没有存储管理软件的支持，再好的硬 件也难以发挥作用。存储管理软件主要包括存储资源管理( 存储媒介、卷、文件 管理) 、数据备份和数据迁移、远程备份、集群系统、灾难恢复以及存储虚拟化 等。存储管理可以提高资源的利用率、系统的可用行和人们的工作效率。在这方 面，国外许多公司已经开发出了种类繁多的存储管理软件，但是在国内，目前还 没有具有自己自主知识产权的产品问世。 1 2 课题的研究现状 利用现代计算机技术进行网络存储的研究，国际上始于2 0 世纪9 0 年代，是 近几年来国内外研究的一个热点。目前，国内对s a n 的研究相对落后，而国外 对s a n 技术的研究已经有了一段时间，也取得了多方面的成果。本节主要从s a n 技术的现有架构、特点及应用几方面介绍s a n 技术的研究现状。 1 2 1 现有s a n 技术的架构 s a n 技术的现有架构主要可以从物理架构和逻辑架构两方面来看： 从物理的角度上来看，典型的s a n 环境应包括4 个主要组成部分：最终用 户平台、服务器、存储子系统和互连设备。在s a n 中，最终用户平台可与光纤 连接并可直接访问存储设备。其中s a n 的存储子系统采用s a n 方案除了需要具 2 中南大学硕士学位论文 第一章概述 有f c 连接性以外，还有一些对存储子系统的特别要求【5 6 1 。 第一是高容错性。由于存储是集中式的，这些存储系统必须具备极高的 可靠性和容错性。虽然系统可以设计得具有很高可靠性，但是部件仍然可能发生 故障。冗余部件则可确保高容错性。系统设计也应该允许故障部件的热插拔，这 样在进行维护的时候就不会影响系统的正常运行。 第二是远程管理性。理想情况下，通过支持标准网络管理协议如s n m p 以及可以提供运行在网络上的管理工具，设备应可以提供远程管理。有一种专用 管理端口称为“带外”管理，是大多数网络设备比较倾向的方法。利用带外管理， 在存储系统运行的同时与其通信不会产生问题，数据接口的故障也不会影响管理 工具访问该系统。 第三是可扩张性。s a n 存储子系统应在容量和性能方面具有可扩张性以 配合网络上日益增加的数据量。 s a n 的互连设备是通过高带宽光纤通道连接的。光纤通道( f c ) 是当今主 干网首选，它已经成为s a n 接口的工业标准，它允许无限制的设备数量( 服务 器和存储系统) 互相连接。对所有组成s a n 的部件第一个要求就是具有f c 连 接性。对服务器，即意味着安装f c 主机总线适配卡以及兼容设备驱动程序。对 r a i d 或磁带库等存储子系统，即意味着支持f c 或是通过f c 至s c s i 桥( 可将 传统的s c s i 设备连接到s a n 上) 。 从逻辑角度上来说，s a n 是由软件而非硬件拓扑结构来定义的。一个s a n 的逻辑运行要求有应用程序和管理工具地参与，这些工具能够对许多主机系统中 的存储资源进行管理。这种逻辑管理体系结构包括从数据管理应用程序到设备管 理在内的几个层次，还必须包括每一层中的管理控制。 s a n 需要通过网络进行集中或远程的管理，即需要管理工具或一整套工具 软件。通常，每个可生产f c 设备的厂商都会提供各自专用的软件来管理其特有 的设备。理想的方案是单一的端对端管理应用程序来管理s a n 上所有的设备。 这样的一个工具应该基于业界标准协议如s n m p 。 s a n 应用软件根据存储类型_ r a 、磁带库、光盘库使用不同的应 用软件。以磁带库为例，最常用的应用是网络备份恢复。当今大多数主要应用 软件供应商都在致力于对s a n 进行支持。对应用软件而言没有业界标准，所以 很重要的一点是确保存储子系统和网络硬件全部兼容。 1 2 2 现有s a n 技术的特点 国外对s a n 技术的研究已经比较成熟并有了相当的成果，当前s a n 技术的 优点如下： 3 中南大学硕士学位论文第一章概述 1 s a n 可以自由地扩展，用户可以灵活地在s a n 结构上添加各种存储设 备，整个系统扩展起来十分方便快捷，并且s a n 可以很好地融合到现有的l a n 环境中。 2 s a n 采用光纤通道作为传输介质，并以块传输方式来传输数据。一方面 能提供高速数据访问，特别适合于处理音频，视频这类的大容量数据；另一方面 具有较好的数据完整性、可用性和可靠性，特别适合于用作备份和灾难恢复的镜 像站点。 、 3 s a n 结构可以采用l a n - - f r e c 或s c r v e r l c s sb a c k u p 的方式进行数据的备 份，使得数据备份工作可以在不影响现有系统正常运行的情况下方便快捷地进 行。 4 s a n 使得存储数据不再依赖于某个具体的多功能服务器，消除了传统的 附属于服务器存储方式中的i o 瓶颈。s a n 通过提供对数据存储的集中管理从而 大大减少了管理开销，用户并不需要把u n i x 系统或者是n t 系统生成的数据分 开存储。 s a n 克服了传统的网络瓶颈，它提供了一种新的存储方法能够提高数据的 可靠性和系统的性能。随着网络基础建设的逐步深入与完善，s a n 技术所具备 的诸多优点也将越来越显著。同时，s a n 技术作为一项正在不断发展和完善的 热门课题也存在着一些不足之处。这主要是由于目前网络基础建设有限和s a n 技术本身还不够成熟造成的，具体表现在【7 】： 1 在s a n 结构中存储的所有数据都是以“块”的形式存在，每一个应用在存 储介质中都有一个专属于自己的局域，也就是说s a n 考虑的是集中存储而不是 共享存储。这使得s a n 的互操作性较差，应用于大量存在的文件共享服务时比 较困难。 2 由于目前远距离光纤通道价格比较昂贵，而且s a n 建设难度较大，通常 需要定制安装和配有专业人员管理，这使得s a n 的建设费用大为增加。并且随 着网络环深度的增加，方案的规模和复杂度也会增加，所需要的费用也必然随之 增加。 1 2 3 现有s a n 技术的应用 随着网络的发展，数据的重要性越来越得到人们广泛地认同，未来网络的核 心将是数据。存储区域网可以很方便地通过光纤通道把各种服务器、存储设备连 接在一起构成一个具有高性能、较好的数据可用性，可扩展的群集环境。s a n 技术的这些特点使它具有了广泛的应用范围8 ，9 ，10 1 1 1 ： 4 中南大学硕士学位论文 第一章概述 1 共享数据 s a n 技术的一个主要应用是共享数据，它具有让不同类型的服务器访问和 共享同一个存储器上数据的功能。在现有的标准网络和文件系统的基础上，s a n 利用软件可以非常方便动态共享各种文件。如果利用l a n 来处理数据通常只有 1 0 m 字节，秒或者更慢，但是通过光纤接口技术，s a n 可以为多个系统同时提供 1 0 0 m 字节，秒的数据共享速度。对于运行不同操作平台的系统，s a n 也能够提 供很高的吞吐率让每个系统在同一时刻访问同一数据，比传统的l a n 文件服务 器所提供的吞吐率快了l o 倍到1 0 0 倍。 一个真正的基于s a n 技术的数据共享环境，应该能够忽略操作系统和生产 厂商的因素，让每一个服务器、客户端和存储设备都可以访问所有存储在该环境 中的数据。 2 共享存储器资源 早期s a n 的缺点是当它们在多个主机和驱动器间共享网络媒介时，它们并 没有真正共享存储器上的数据。存储器阵列可能分配到不同的机器，数据也被拷 贝或复制到不同的地方，但是对单个或多个给定文件的访问并没有在机器间得到 真正地共享。原因很简单；现有的操作系统并没有设计用于处理物理存储器的共 享。现在流行的操作系统( w i n d o w sn t 、s o l a r i e s 、和a i x 等) 的标准文件系统仅 允许一台计算机来修改磁盘驱动器的内容。 在存储区域网络技术实现之前，这样的操作系统是非常合理且审慎的设计。 但是s a n 技术的出现改变了人们对存储器，特别是对存储器共享的观念。事实 上，在光纤通道技术出现之后不久，人们就开始思考：“如何能够实现不通过服 务器，让多台计算机可以直接访问和共享同一个存储体系中的数据。”多个计算 机系统能够以很高数据率来访问共享数据，这个数据率比基于服务器的共享还要 更快。 3 远程镜像 远程镜像已经变成一种非常普遍的灾难恢复手段。除开正在运行的应用程 序，远程镜像可以为站点上其他的关键数据提供一份完整且最新的备份目前， 主站点进行远程镜像的距离范围是1 0 到4 0 千米，但是随着光学连接器技术以及 相关软件的发展，这个距离最终可以趋近于无限远。在远程镜像中有两种主要数 据传输类型： 同步传输类型 它是指本地系统将备份数据作为y o 命令处理过程中必不可少的一部分传给 远程站点。这种类型的远程镜像通常需要很高的带宽，因此一般局限在相对比较 近的范围内在这种情况下站点之间不能超过l o 千米。然而，这种技术目前 中南大学硕士学位论文 第一章概述 被广泛使用，一旦主站点或主系统因故障而失效，用户可切换到备用站点，利用 其上的远程备份数据来维持系统的正常运行。 异步传输类型 在这种类型里，本地的i 0 数据传输需要排队等候，这样可以有利于长距离 传输或受到低带宽限制的系统。显然，对于这种传输类型，如果主系统崩溃那么 正在处理的数据和排队等候的数据就很可能会丢失。但是我们可以把这种情况控 制在可以接受的范围内。 除了这两种传输方式，现在还有一种新的半同步方式。这种方式融合了以上 两种方式的优点：既可以在比较远的距离内传输数据，又不需要数据排队等候， 这样就避免了丢失数据的危险。 。 4 在线备份 t 使用s a n 进行数据备份可能是最快的方法，而且对于服务器或者l a n 没有 任何影响。这是因为磁带系统同服务器都是直接依附在同一个存储器上，通过光 纤接口，磁带系统就可以获得1 0 0 兆字节或更快的速度而不会影响服务器或者对 l a n 造成额外负担。 使用s a n 备份方法可以使一个或多个服务器获得额外的空间和更快的操作 速度，同时还能降低l a n 的负担并减少数据备份工作所需的花销。对于一个超 负荷运行的局域网，s a n 备份方法可以在不增加负荷的情况下，让任何一个备 份系统都能以前所未有的高数据率来得到所有服务器上的所有数据。此外，这种 无服务器备份方法还可以释放一部分服务器处理能力通常数据备份所需的 那部分处理能力现在交由存储子系统来处理。 通过s a n 备份策略用户可以重新部署备份和恢复措施，可以在服务器和局 域网( 广域网) 之间移动文件和复制数据，还可以通过s a n 光纤通道在磁盘( 磁 带) 之间直接移动数据。s a n 备份策略的优势在于： 备份工作可在后台安静地进行； 释放服务器的处理能力用在业务应用上； 释放网络性能给用户； 远程灾难恢复站点每分钟都可以维护数据。 以上的所有这些既不需要改变已经存在的应用程序和数据库管理系统，也不 需要改变用户通过当前局域网来连接应用程序的方法只需要将存储设备从 服务器移到s a n 网络结构中就可以了。这样即使是在几千米以外，s a n 网络中 的数据也能以“本地”速度来使用应用程序 值得一提的是，网络数据作为网络服务的主要内容，对它的存储管理不仅是 目前网络技术研究的重心，而且也是网络用户投资最大和最关心的部分。 6 中南大学硕十学位论文 第一章概述 i d c ( i n t e m a t i o n a ld o c u m e n t a t i o nc e n t r e ) 报告指出，目前用户在服务器和存储产品 上的花费已经接近l ：3 ，而且硬件支出的7 5 将用于存储硬件【1 1 。特别是近几 年，i n t e m e t 正在使存储技术发生着革命性的变化。首先，存储量急剧膨胀，运 行在不同系统平台上的数据资料呈几何级数激增，i d c 预测今后几年世界范围内 的磁盘存储系统容量将以每年7 9 6 的速度递增：其次，随着数据就绪时间延展， 网络数据必须时刻保持就绪状态，提供2 4 小时的实时数据服务；最后，不同的 数据结构和系统平台，不再受地域空间的约束，面向全球提供数据信息服务。以 上的这些需求都大大推动了s a n 技术的发展【4 5 1 。 从网络应用开始时起，网络数据的存储备份就得到世界上许多计算机厂商的 重视，越来越多的专业存储厂商跻身于s a n 技术的研究领域，并不断提出新的 研发计划。当前，s a n 正处于发育期，各种接口标准尚不完善，但专门从事s a n 研究及标准指定的国际组织已经成立，该组织取名为存储网络工业协会( s n t a ) 。 许多计算机厂商和存储系统厂商都加入了这个协会，其中比较著名的企业有 c o m p a q 、d e l l 、e m c 、h p 、i b m 、q u a n t u m 、s e q u e n t ，s t o r a g e t e k 、s u n 和s g i 。 随着s a n 技术不断成熟，并被广泛应用，一个“网络就是存储”的时代必将到 来。这对我国网络存储产业既是机遇也是挑战，更是巨大的推动力。 1 3s a n 的构成要素 组成s a n 系统的要素是互连协议、专用硬件和软件( 包括管理软件和应用 软件) 下面分别进行介绍。 1 3 1 存储区域网使用的协议 s a n 环境下的连接方式通常有三种：光纤通道、s c s i 和e s c o n 9 e s c o n 一般用于m m 大型机系统；s c s i 在传统的以服务器为中心的系统中使用很广泛， 但有以下缺点：单主机连接、最多支持1 5 台外设、连接距离限制在1 2 米等；光 纤通道是开放的s a n 环境的主流连接方式，它具有诸多优点：多主机连接、可 以支持高达1 6 0 0 万节点连接，每个区域连接距离远至l o 公里等。 现在存储区域网中使用的协议主要是f i b r ec h a n n e l 。f c ( f i b r ec h a n n e l ) 协议 规定了网络中传输数据使用的格式和控制方式以及其他高层协议的接口。在主机 和f c - s a n 之间使用的仍是以前的协议，如s c s i 等，并在最新的s c s i - 3 中支 持了新的命令集，增加了新的命令集合。关于f c 协议的层次构成等内容将会在 本文第三章中做详细地介绍。 7 中南大学硕士学位论文 第一章概述 1 3 。2 存储区域网的构筑硬件 存储区域网中的硬件包括存储设备、业务主机、网络设备和其他设备。存储 设备包括磁盘阵列、磁光盘和磁带库等 1 2 , 1 3 1 。下面主要介绍磁盘阵列。磁盘阵列 并不是简单的磁盘集合，它通过使用r a i d 和热冗余技术向服务器提供高可靠性 的存储服务。在磁盘阵列和主机之间只有通过光纤连接的接口，主机通过f c 协 议上的s c s i 协议识别并使用磁盘阵列中的资源。在磁盘阵列内部，首先将多个 物理磁盘组成r a i d ，根据r a i d 级别的不同，此时的磁盘组已经具有较强的性 能或者一定的高可靠性，这样的磁盘组就被称为r a n k ，然后在r a n k 的基础 上划分逻辑磁盘l d ，这时逻辑磁盘就具有了r a i d 的特性。从主机来看，每一 个l d 就相当于一个s c s i 硬盘。 业务主机可以是大型机、工作站和服务器等。这些系统的操作系统、文件格 式和安全机制各不相同，如何在这些设备间共享存储区域网的资源是s a n 需要 解决的问题。由于该部分和日常应用的业务主机并没有太多的差别，所以不做特 别说明。 网络设备主要是指实现s a n 环境下光纤连接的设备，主要包括：桥接设备、 光纤集线器、光纤交换机以及光纤通道主机总线适配器等。桥接设备用于连接不 支持光纤协议的磁带库和光纤设备( 如光纤交换机和光纤集线器) ，实现s c s i 和光纤通道的协议转换，光纤集线器和光纤交换机用于集中连接s a n 环境中的 光纤设备( 如带光纤接口的服务器、存储设备和其他光纤集线器交换机等) ， 光纤通道主机总线适配器则是用于为服务器提供光纤接口。 其他设备主要是指连接网络设备和存储设备的电缆，由于f c 协议并没有限 定使用光纤，因此也可以使用同轴电缆。 1 3 3 存储区域网的软件 管理复杂的存储区域网需要各种各样的软件，从管理的设备及层次来分类可 以分为以下几类1 4 】： 驱动程序 使用光纤通道适配卡时需要特定的驱动程序 增强功能的驱动程序附件 存储区域网管理软件 监视网络节点的活动 监视网络的流量 8 中南大学硕士学位论文第一章概述 图形化的方式显示网络的拓扑结构 存储区域网业务主机上使用的业务软件 增强文件系统功能的软件 和异种主机共享文件的软件 为优化特定的应用软件使用存储设备的性能而制作的软件 实现数据备份的软件 存储设备管理监控软件 监视和更改存储设备的构成 监视和优化存储设备的性能 存储系统发生故障时通知管理者 存储设备存取访问的控制 数据的复制和恢复功能 1 4 课题的设计目标 从s a n 研究现状的介绍中可以看到数据备份是s a n 技术的一个重要应用。 而s a n 技术当前的主要应用是在数据共享方面，在数据备份方面的应用则刚刚 起步。现有技术在数据备份上的应用普遍存在着一些弊端：备份速度较慢导致备 份窗口过长、数据可靠性不高、对服务器性能影响较大等等。针对当前网络存储 中数据备份的发展现状，本文拟采用理论研究与实践开发相结合的方法，对数据 备份的理论和技术进行深入分析和探讨。在理论研究和对s a n 备份机制分析的 基础上，设计了一个s a n 环境下数据备份的新系统模型。本文设计的网络备份 模型是在现有的s a n 备份模型的基础上引入了网络数据管理协议 n - d m p ( n e t w o r kd a t am a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) ，通过n d m p 协议来管理备份进程中 数据流和控制流，以达到提高备份速度和进一步减轻备份服务器负担的目的。该 模型的具体设计目标主要有以下两点： 使用f c 协议代替原有的s c s i 协议。f c 协议可将网络最大带宽提高到 1 g b s ，大大提高了网络设备的速度和备份设备的速度，因此可为备份系统提供 更高的备份速度。通过提高备份速度可以到达缩小备份窗口或者增大最大的可备 份源的目的； 在现有的s a n 备份模型的基础上，引入n d m p 协议对基于s a n 的备 份系统中的数据进行管理。在没有引入n d m p 协议的s a n 备份模型中，在备份 过程中仍有相当一部分的数据流和数据流通过l a n 来进行传输。也就是说，在 备份的时候仍然需要服务器的参与，对服务器的性能有一定的影响。引入n d m p 协议后。在备份模型中，可以使备份过程中的数据流和控制流只经过s a n 网络， 9 中南大学硕士学位论文第一章概述 而完全不需要流经l a n ，这就意味着可以减小对服务器性能的影响，甚至可以 在备份时不影响其他业务的处理和进行，也就可以实现所谓的“零停工期” 1 5 论文的内容结构 本文共分为五章，结构安排如下： 第一章：概述。主要介绍课题背景、国内外相关研究情况、s a n 的基本概 念和目前s a n 技术的构成要素，最后提出本文的设计目标； 第二章：数据备份基本理论。主要介绍数据备份的定义和所面临的问题，备 份系统的组成、备份操作以及主要备份技术的分类； 第三章：系统的关键技术。首先介绍现有的备份系统，然后介绍s a n 备份 系统的构成并进行比较，最后详细地介绍本文设计的s a n 备份系统中使用的两 个关键技术光纤通道技术和n d m p 协议； 第四章：系统的设计与性能分析。这一章是论文的核心部分，主要进行系统 的设计和实现，在前面介绍的无服务器备份模式的基础上引入一个新的协议 网络数据管理协议( n e t w o r kd a t am a n a g e m e n tp r o t o c o l ，n d m p ) 来设计并实现一个 新的系统，以此提高现有系统的备份速度并减轻服务器的负担。对设计的系统进 行模拟实验得出相关的实验数据进行性能分析，并与现有的基于l a n 的备份系 统进行比较； t 第五章：全文总结。对论文现有的研究工作进行总结分析，并对今后的工作 进行展望。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章数据备份草本理论 第二章数据备份基本理论 数据备份的基本理论包括数据备份的定义以及数据备份在存储系统中的地 位。本章详细介绍了组成数据备份系统的硬件、软件及备份策略。另外还介绍了 对运行系统的备份操作以及主流备份技术的分类。 2 1 数据备份概述及定义 2 1 1 数据备份概述 如今，在以信息为基础的商业时代，对大多数企业来说，保持计算机关键数 据和应用系统始终处于正常运行状态是最起码的要求。另一方面，由于企业的生 存和发展规律依赖于数据，数据的丢失可能意味着企业的终结。但是无论如何小 心翼翼，一场灾难的降临还是可能使企业的数据毁于一旦。误操作、供电故障、 硬件故障、自然灾害等，都可能导致企业信息系统的瘫痪。引起数据失效的原因 主要有以下几类【1 5 1 ： 计算机软硬件故障 预防方法：本地双机热备份，实现系统冗余，增强业务系统地高可用行。 人为操作故障、误操作及人为破坏等 预防方法：提高系统自动化运行管理水平，做好本地数据冷备份，减少人为 操作与干预，指定严格的管理规范，避免误操作，加强计算机系统的物理安全性。 资源不足引起的有计划停机 预防方法：本地双机，系统冗余，设计存储系统时考虑可扩张性。 自然灾害 预防方法：使用跨越多网络的电源系统、远程数据备份和灾难恢复中心。 目前大量的数据都存放在开放的服务器上，懂得如何使这些数据免于灾难是 很重要的。所以，企业信息系统必须具有适当的灾难备份和恢复机制，对重要的 数据进行备份。数据备份技术就是研究如何有效地备份及恢复数据，下面首先给 出数据备份的具体定义。 2 1 2 数据备份的定义 人们对数据备份一词并不陌生，然而对备份的真正内涵并不完全了解。在一 中南大学硕士学位论文第二章数据备份摹本理论 般人脑海里，往往把备份和拷贝等同起来，把备份单纯看作是更换磁带、为磁带 编号等一个完全程式化的、单调的操作过程。其实不然，因为除了拷贝外，还包 括更重要的内容即管理。备份管理包括备份的可计划性，磁带机的自动化操作、 历史记录的保存以及日志记录等。事实上，备份管理是一个全面的概念，它不仅 包含制度的制定和磁带的管理，而且还决定引用的备份技术，如备份技术的选择、 备份设备的选择、介质的选择乃至软件技术的挑选等。所谓数据备份【1 5 1 ，顾名 思义就是将数据以某种方式加以保留，以便在系统遭受破坏或其他特定情况下， 重新加以利用的一个过程。数据备份的根本目的就是为了重新利用，也就是说， 数据备份工作的核心是恢复，一个无法恢复的数据备份，对任何系统来说都是毫 无意义的。 当然，在系统正常工作的情况下，数据备份工作毕竟算是系统的一个“额外 负担”，或多或少会给正常业务系统带来一定性能和功能上的影响。所以，架设 数据备份系统时，如何尽量减少这种“额外负担”，从而更充分地保证系统正常 业务的高效运行，也是数据备份技术发展的一个重要方向。对一个相当规模的系 统来说，完全自动化地进行备份工作是对备份系统的一个基本要求。因此，能够 安全、方便而又高效地恢复数据才是备份系统的真正生命所在。一个好的备份系 统，应该能够以很低的系统资源占用率和很少的网络带宽，来进行自动而高速的 数据备份。 还有一个需要澄清的问题，数据备份更多的是指数据从在线状态剥离到离线 状态的过程，这与服务器高可用集群技术以及远程容灾技术，在本质上有所区别。 虽然从目的上讲，这些技术都是为了消除或减弱意外事件给系统带来的影响，但 是，由于其侧重的方向不同，实现的手段和产生的效果也不尽相同。集群和容灾 技术的目的，是为了保证系统的可用性，也就是说，当意外发生时，系统所提供 的服务和功能不会因此而间断。对数据而言，集群和容灾技术是保护系统的在线 状态，保证数据可以随时被访问。而相对来说，备份技术的目的，是将整个系统 的数据或状态保存下来，这种方式不仅可以挽回硬件设备损坏带来的损失，也可 以挽回逻辑错误和人为恶意破坏的损失。然而，一般来说，数据备份技术并不保 证系统的实时可用性。也就是说，一旦意外发生，备份技术只保证数据可以恢复， 但是恢复过程需要一定的时间，在此期间，系统是不可用的。在具有一定规模的 系统中，备份技术、集群技术和容灾技术互相不可替代，并且稳定和谐地配合工 作，共同保证着系统的正常运转。 2 2 数据备份在存储系统中的地位 数据备份作为存储领域的一个重要组成部分，其在存储系统中的地位和作用 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章数据备份基本理论 都是不容忽视的。对一个完整的i t 系统而言，备份工作是其中必不可少的组成 部分。其意义不仅在于防范意外事件的破坏，而且还是历史数据保存归档的最佳 方式1 1 2 1 。换言之，即便系统正常工作，没有任何数据丢失或破坏发生，备份工 作仍然具有非常大的意义为我们进行历史数据查询、统计和分析，以及重要 信息归档保存提供了可能。 简单的说，一份数据备份的作用，不仅仅像房门的备用钥匙一样，当原来的 钥匙丢失或损坏了，才能派上用场。有时候，数据备份的作用，更像是我们为了 留住美好时光而拍摄的照片，把暂时的状态永久地保存了下来，供我们分析和研 究。当然我们不可能凭借一张儿时的照片就回到从前，在这一点上，数据备份就 更显神奇，一个存储系统乃至整个网络系统，完全可以回到过去的某个时间状态， 或者重新“克隆”一个指定时间状态的系统，只要在这个时间点上，我们有一个 完整的系统数据备份。 在当今的网络时代，存储技术发生着革命性地变化进入了一个全新的时代 1 9 es a n ( 存储区域网络) 是近来业界十分引人注目的技术，它一方面能为网 络上的应用系统提供丰富、快速、简便的存储资源，另一方面又能对网上的存储 资源实施集中统一的管理，成为当今理想的存储管理和应用模式。在s a n 结构 中大量的数据都存放在开放服务器上，所以，懂得如何使这些数据免于灾难是很 重要的。遗憾的是，对数据的许多威胁是难于防范的，它们毁坏数据，也毁坏访 问数据的系统。如果真的发生了上述情况，惟一的解决方法就是恢复系统和数据。 而数据备份就是为了在某一天灾难发生时恢复数据，这是一个常识，并不是什么 深刻的理论。正因为如此，所以数据备份是s a n 对网上存储资源进行管理的基 础。随着存储技术的进步和发展，在存储区域网( s a n ) 这种新的存储系统结构 中，传统的备份技术在结构上也得到了长足的发展。从l a