（计算机科学与技术专业论文）san环境下高可用性文件系统备份方案的研究与开发.pdf

硝北一r 业大学硕十学位论文 摘要 摘要 随着数据信息化步伐的日益加快，数据已经呈现出爆炸式的增长趋势，所以 对数据进行有效、完整、安全的存储已经成为数据信息化过程中最关键的一步。 目前被广泛应用的存储区域网( s a n ) 由于具有管理方便、扩展性强、容错能力 好、高可用性、配置灵活、支持异构服务器等优点，较好的解决了数据的高可用 性、安全性以及数据存储性能等方面的问题，并且已经越来越多地被使用在存储 系统的建构中。 s a n 的存储技术作为一种被广泛应用的技术，发展空间还很大。实现对s a n 的有效管理离不丌对存储管理软件的支持，所以存储管理软件在存储系统中的地 位越来越重要，并且由丁数据作为存储系统的基础，对数据的备份和恢复又是存 储管理软件的核心功能之一。笔者参与了在s a n 环境下的存储管理软件的设计与 ， ：发工作，从而对存储区域网的技术及发展前景有了更深刻的认识。 本文以数据备份为研究内容，以数据的高可用性为研究目标，设计并实现了 业务不停止的数据备份软件n o n s t o pf s b ( n o n s t o pf i l es y s t e mb a c k u p ) 。笔者的 主要工作和成果是： 1 研究并设计了业务不停止备份模块的功能及备份管理在整个存储管理系 统中的关系。 。 2 设计实现了在v x f s 文件系统类型下的冻结功能。 3 设计并实现了多p a t h 的处理以及文件系统的自动挂接和卸载功能。 4 设计并实现了以朋陷( a l o m i ct r a n s a c t i o ng r o u p ) 为操作对象的业务不停止 备份方案。 关键词：存储区域网，镜像，快照，原予事务组，高可用性，业务不停止备份 两北：i ：业大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fd a t ai n f l ) r i t l a t i o n ，e x c e s s i v ea v a i l a b l ed a t aa r ep r o d u c e d s oh o wt 0e i i l i a n c ct h ea v a i l a b l i l i t y ，h o wt og u a r a n t e et h ed a t av a l i d i t ya n dh o wt o p m t e c tt h es e c u r i t ya n dt h ei n t e 鲥t yb e c o m et h ek e ys t c pi nd a t ap r o c e s s i n g a tp r e s e n t ， s t o r a g ca r e an e m o r k ( s a n ) i se 勰yt om a n a g c ，a i l di th a ss t r o n ge x p a l l s i b i 王i t y ，g o o d f a u l t - t o l e m n c ca b i l i t y ，a 王l dh i g l lu s a b i l i t y i t sa l s oa 西1 et oc o n f i g i i r a t c 卸ds u p p o r t i s o m e r i s ms e e r s f o rt h e s ea d v a n t a g c s ，s a nh a sr e s o l v e dm a n yp r o b l e m s ，s u c h 硒 h i g hd e p e n d a b i l i t yo fd a t a ，s e c u r i t yo fd a t aa n ds t o r a g ep e i b 珊a n c e ，a n dh a sb e e n u s e d i ne s t a b l i s h i n gs t o r a g cs y s t e m s a nh a sb e e nw i d e l yu s e d 弱as t o r a g ct e c h n o l o g y ，a j l di ts t i l lh a sab r i g h t p m 印e c t a se a e c t i v em a n a g e m e n ts h o u l dh a v et h es u p p o n so fs t o r a g em a n a g e m e n t s o 胁缸e ，t h es o f 似盯ei sm o r ea i l dm o r ei m p o r t a n ti ns t o r a g cs y s t e m f u n h e m o t e ，鹤 t h eb a s i so fs t o r a g es y s t e m ，t h eb a c k u pa n dr e s t o r a g eo fd a t a sa r ec o r cf h n c t i o n so f s t o r a g em a i l a g e m e n ts o f h a f e n ea u t h o rt o o kp a ni nt h ed e s i g i l i n g 柚dd c v e l o p i n go f t h e s t o r a g em a n a g c m e n t s o n w a r ei ns a ne n v i r o n m e n t ， a n dh a s p m f o u n d c o m p r e h e n s i o no ft h es t r o m g ct e c h n o l o g ya n di t sf o r e g r o u n d t h em a i nw o r k so ft h i st l l e s i sa r cd a t ab a c k u pa n dh i 砂l yu s a b i l i t y n o n s t o pd a t a b a c k u ps o 脚a r cw h i c hi san o n s t o pb a c k u pf i l es y s t e mi sd e s i g i l e da n di m p l e m e n t e d t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t sa i e ： 1 r e s e a r c ha n dd e s i g nt h em o d u l eo fn o n s “) pb a c k u ps y s t e m ， i n c l u d i n g d e s i 印i n gt h er e l a t i o n s h i p si nt h es y s t e ma n dt h ew h 0 1 cs t o f a g em a n a g e m e n t s y s t e m 2 r e s e a r c ha n di m p l e m e n tt h em o d u l eo ff r e e z ef u n c t i o no nv x f sf i l e - s y s t e m 3 r e s e a r c ha n di m p l e m e mt h em o d u l eo fr e d u n d a n c yp a t h sm a n a g e m e m ，m o u n t a n du n m o u n tf i l n c t i o n 4 r e s e a f c ha n di m p l e m e n t 气= r gf u i l c t i o n k e yw o r d s ：s t o r a g ea r cn e t ( s a n ) ，m i 丌o r i m a g c ，s n a o s h o t ，h i g l l i yu s a b i l j t y a t o m i ct r a n s a c t i o ng r o u p ( a 1 g ) ，n o n s t 叩b a c k u p u i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了躺学校有关保护知识产权的规定， 器：研究生在校攻读学位制 问论文l ：作的知以产权罄位属丁嘏北一业人学。学饺有权保蟹并向图家有关部 门或机构送交论文的复印仲和电子版。本人允许沦文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采j y j 影印、缩 印或扫描等复制手段僳存和汇编本学能论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题荐撰写的文章一律注明作者单像：j 两托，| ：业入学。 保密论文特勰密赢透刈本声明。 ! 学位论文作者签名：丝 为7 年2 月凇日 益塑 2 月为日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨豹学风秘优越的科学道德，本人郑重声明：所基交的学位论 文，是本人往导师的搬导一f 进行溪究l ：佧艇取得的成果。尽我所知，除文率己 经注明弓l 川的内容和致氍的地方外，本论文不包食任何其他个人或集体已经公 开发表缄撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其它川途使州过 的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：邋 砷年月沁日 两北r 业大学硕十学位论文前言 研究背景及意义 刖置 近年来，随着i n t e m e t 技术和计算机应用在全球各个领域的普及，信息量正以 令人难以置信的速度增长，很多企业不得不多次升级信息存储系统容量以适应企 业的发展。除了对存储容量的需求外，越来越多的企业更要求系统能够2 4 7 3 6 5 ( 每天2 4 小时、每周7 天、每年3 6 5 天) 不间断的处于可用性状态。传统的数据 备份需要整个系统停止运行j 能进行，在备份期间，无法进行正常的数据访问。 所以人们迫切地需要一个能够保证他们所拥有的海量数据安全可靠，并且能够实 现数据的高可用性、快捷性、高效集中的管理能力和提高灾难发生时的快速恢复 能力的系统。作为一种新的网络概念，s a n ( s t o r a t g e 加e a n e 铆o f k ，存储区域网) 应运而生，解决了很多企业的燃眉之急。 目i ； ，信息主要是以数据的方式存在的，作为承载数据生命周期的存储技术， 自然成为当前计算机技术发展的方向之一。国外许多大公司的研发机构已经投入 了大量的人力、物力进行基于s a n 的存储系统的研究，许多存储管理软件也已经 问世，如h p 公司的n e t 、v o r kn o d em a n a t g e rf o rw i n d o w sn t ，i b m 公司的 a d s r m ，以及s t o r a t g e t e k ( 美国存储技术公司) 的s t o r a t g e n e t6 0 0 0 系列存储 区域管理器等。相比之下，国内在此领域的研究才刚起步，对于产品的研发更是 处于雏形阶段，因此，开发与研究基于s a n 的存储系统具有相当重要的意义。 1 客观上的需要使我们不得不进行s a n 这个领域的研究。 2 不仅可以填补我国在s a n 这个领域的空白，而且为将来开发更好的存储 系统积累经验和进行技术储备。 3 信息的海量存储问题对于我国的经济建设有相当重要的推动作用，这是由 当前信息业发展的形势决定的。 4 基于s a n 的存储系统是存储技术领域一个重要的发展方向，可带来巨大 的经济效益和社会效益。 因此我们认为对数据存储技术的研究既具有理论价值，更具有实际应用价值。 西北i ：业人学硕士学位论文 研究内容 本文讨论的基于s a n 的存储备份系统是由作者所在的课题组与国外某大型企 业共同开发的。针对文件系统的高可用性原则，设计并实现了n o n s t o pf i l es y s t e m b a c k u p 系统( 以下简称n o n s t o pf s b 系统) 。在此系统中，研究并实现了最基本的 备份技术：镜像备份和快照备份；以传统的备份技术为基础，研究并实现了在文 件系统进行备份的同时，不终止文件系统访问业务的热备份方案；当n o n s t o pf s b 系统遇到p a t h 障害时，通过卷管理软件v x v m 与p a t h 管理软件s p s 的结合使用， 实现了冗余p a t h 的自动切换功能；通过在n o n s t o pf s b 系统中添加a r g 的功能， 使得n o n s t o pf s b 系统更为有效的支持了对大型数掘库的丌发。 论文组织结构 为了更好的介绍业务不停止备份方案的设计与实现，全文分以下六章： 前言 主要对本文的研究背景及意义、研究内容进行了说明。 第一章s a n 的概述 本章对本文所涉及到的理论知识做了必要的介绍。其中着重介绍了s a n 的构 成要素和特点，以及文件系统的存储介质磁盘阵列的工作原理和备份的对象。 第二章n o n s t o pf s b 系统的整体介绍 本章主要介绍了n o n s t o pf s b 系统的整体功能，包括镜像备份技术和快照备 份技术的概念，构成元素和应用环境。并且对n o n s t o pf s b 系统的镜像备份功能 和快照备份功能的操作设计，操作状态迁移设计以及高可用性业务不停止备份模 块的基本功能没计作了详细的说明。 第三章n o n s t o pf s b 系统中a t g 的设计 本章主要介绍n o n s t o pf s b 系统中新引入的a t g 功能的设计，包括提出背景、 组成原则、实现原理以及在实现过程中可能遇到的问题，最后着重阐述了a r g 的 状态变迁。 第四章n o n s t o pf s b 系统的设计与实现 本章主要阐述了n o n s t o pf s b 系统的设计与实现的过程，主要包括了设计目 标、体系构成、主要流程、实现备份操作用到的命令接口和核心的数据结构。并 且详细介绍了n o n s t o pf s b 系统中的各个功能模块的设计与实现。最后对a r g 功 2 砖北一 业人学硕士学位论文 能的实现作了详细的说明。 第五章n o n s t o pf s b 系统性能分析及发展趋势 本章对n o n s t 叩f s b 系统的性能作了详细的分析，并且提出了系统存在的一 些不足以及系统未来的发展趋势。 西北r 业人学硕十学付论文第章s ，、n 的概述 第一章s a n 的概述 本章首先介绍几种网络存储技术，然后主要说明s a n 的基础知识，包括几种 网络存储技术的概述、s a n 的概念、s a n 的构成要素、s a n 的特点、s a n 的优 越性等，使读者对s a n 有明确的认识，从而为理解后面的章节打下基础。 1 1 几种网络存储技术的介绍 通过网络及其互联来实现数据和文件以及相关资源的共享已经成为当今存储 的主流，从本质上来看，对这些资源的共享是以共享相关的存储资源为基础的， 这种通过一定的网络将存储资源按特定方式连接在一起，从而实现存储资源及数 据共享的技术，我们称之为网络存储。本节将介绍现存的几种网络存储技术，并 分析其优缺点。 1 1 1 直接连接存储 直接连接存储d a s ( d i r e da t t a c h e ds t o r t g e ) 又称为s a s ( s e e ra t t a c h e d s t o r a t g e ，服务器连接存储) ，它实际上是传统c 幅架构中的文件服务器存储方式。 直接将存储资源连接到服务器上，同一l a n 上的其它工作站或服务器必须通过这 台服务器爿能访问存储设备上的数据。传统的d a s 体系结构如图1 1 所示。不同 类型的计算机日j 要想实现数据共享，必须通过n f s ( n e t w o r kf j l es y s t e m ) c l f s ( c o m m o ni n t e m e tf i l es y s t e m ) 等防议来进行。 图1 1 传统的d a s 体系结构图 这种存储方式，存储资源的利用率很低，而且不同的服务器之间很难进行资 源的共享，当服务器发生异常时，会使数据不可获得。另外，数据存储在不同的 5 两此- 1 ：业大学硕十学伊论文第一章s a n 的概述 服务器上，导致了难以进行数据的管理和备份。 1 1 2 网络连接存储 网络连接存储n a s ( n e l w o f k a t t a c h e ds t o f a t g e ) 通常通过集线器( h u b ) 或交换 器( s w i t c h ) 直接连接到共用的数据网络上，使磁盘容量的扩展简单方便，并且， n a s 系统拥有一个专用的服务器，服务器上安装了一个优化的文件系统和“瘦”( 剥 离的1 操作系统，可用于实现涉及文件级的存取和管理功能。典型的n a s 体系结构 如图1 2 所示。n a s 通常在一个l 气n 上占有自己的节点，其物理位置灵活，有高 速的数据访问能力，它基本上是一种结合了网络与容错的即插即用的存储技术。 n a s 设备一般支持多操作系统平台，用户通过网络支持协议可访问相同的文件， 因而，设备无需改造即可用于混合u n i x l i n u x ，w j n d o w s 网。但n a s 的一个缺点是 它将存储事务由并行s c s i 连接转移到网络上。这就是说u 蚪除了必须处理正常 的最终用户传输流外，还必须处理包括备份操作的存储磁盘请求。因此，n a s 没 自解决与服务器相关的个关键性问题，即备份过程中的带宽消耗。 1 1 3 存储区域网 幽1 2 典犁的n a s 体系结构幽 存储区域网s a n ( s t o r a f g e e an e 柳o r k ) 是一种类似于普通局域网的高速存 储网络，它通过专用的集线器、交换机和网关建立起与服务器和磁盘阵列之间的 直接连接，从而形成专用于存储数据传输的后端网络。典型的s a n 体系结构如图 6 西匕： 业人擘硕十学位论文第一章酣州的概述 董。麝示。s 艄不是一种产品丽是配嚣瓣络纯存镶麴一种方法。遮种飚络技术中鲍 服务器帮存储设备，以发存稽设备和存储设餐之阕帮是黻多点辩多点的方式避行 数据的存储控制信息交换，支持远躐离通信，并允许存储设备冀难与服务器隔离， 使存储成为弼由所有服努器共享的资源。s a n 也允许各个存储子系统，如磁盘阵 剽和磁豢艨，无需通道专阕的中阀服努嚣鼯可甄鞠辫律。s 奠满解决方案怒斌基本 功能剥离出存储功能，所以执行数搦的访闷、备份和恢复操作时不会影响m n 的 性能，当存在大量数据访问时，对网络总体性能的影响很小。 1 2s a n 的构成要素 隧重。魏犁酶豁薛体襞缭擒隧 掣蠛系统主要由以下三个要素梅成：鼷络嚣连结构、存褥系统朝管理较件。 1 2 i 网络互连结构 鲥瀚的网络互述结构由硬件和连接协议掰部分组成。 _ 耋。嫒讳 s a n 环境下的磺件部分主要包括光纤通道、主机总线适配器、集线器以及交 换机等。 光缓通道：它其商两层意愚，一层是佟羚连接的协议，馥人稍广泛傻阕，关 7 两北工业大学硕士学位论文第一章s a n 的概述 予巍纾通遴协议将在连搂撩谈部分俸一介绍；鬟龄一墨意思辘蹩措采瓣钢辘秀麓 和光导纤维痒为连接服务器与存赭设备之蠲的连攘设备，就是举节所说的s 矧的 硬件部分组成。 主枧总线适配嚣；鲜酗秘e 瓢毪麟越珏i 罐丑峨a 蠖疆p t 髓，用于鸯照务主概翻管理 圭枫提供光纤接因，使褥这些撮舞嚣腱! 橇靛够穗入党纤两络，势能诱阀其中躺存 储资源。我们也可通俗地将它称为“光纤卡”。 集线器：又称秀耩鹱鹣，在s a 慕中，服务器通过一个或多个煮绛运道集线嚣或交 换帆来访润存储网络。 光纤通道交换机：是专门服务于s a n 的设备，它能为存储设备提供千兆绂豹 奉行网络访润熊力，隽懑繁宽和低惩逛数据透信提供光纾通邀切换功能，以提供 高速数据镶输和数据共枣。 2 连接协议 s a 鬻帮境下黧连攘撩议通常鸯黻下凡静方式；并行蜒掰、专用协议、光纾遥 道等。其中并行s c s i 姆没在传统酌阻服务器为串心的系统率镁闹广泛，氆不适用 于远距离的离可靠性的容灾和备份。而专用协议一般用于专用的封闭系统中，竟 持厂商少，没宵广泛期一致的标准。 光纤邋遂( f ，辩鹣雕c h 雏黜1 ) 协议是s a 黼环境下的童瑟连接方式，宅提供 了许多优褥的性能，例如多主机连接、支持最高1 6 0 0 万节点琏接、区域问涟接距 离远至l o 公疆等，尧臌了s e s l 技术在传输速度裙传输距离上的限制。在建设低 延迟的蠢过程中，巍舞通道鼗术遂示嵩了离栽麓，可扩充赣、霹管理性瓣震灵 活性等方诫的强大优势。它允许用户巍不重新配戳服务器的情况下增加存储容量， 在网络管理方面它能袒整个网络结构中被当成个元素进行整体管理，述熊提供 抉速故障定位寨l 排除。竞纾通道链潮较大的数据浚终输，熊程谴箨缫襄僳谜传输 正确。 另外，l p s a n 拦成为目前s 麒发展的一个热点方向，出于光纤通道技术复 杂度离，魇户需要学习光绣赫使用窝嚣瑾技术，遮样健褥管理成本提高，并是幽予 特殊设餐的健蛹掰导致的总俸搠脊成本报高，嚣搽槔性差等原因，幢新一代的网 络存储架构i p s a n 歼始受到关注。它可以在腰网络中以块缎为单位进稃数据的 传输，使得服务器可以邋过臻网络连接s e s l 设备，并且像使用本地的被备榉， 秃需美心设磊的地址藏键受。 8 西北工业人学硕士繁 哿论文第一裁s a n 的概述 重。2 。2 存储系统 存储系统为襻簸数据提供了一个稳定涤、非易失瀚并且可靠的空闻，保证数 据能够被重复使用。存储系统即拥有物理成分也拥有逻辑成分。物理成分包括磁 盘鞭韵器、电源、冷却设备和连接等；逻辑成分包摄黼、镜像、卷管理软件等。 卷管理软件的黼黪是把多个磁盘錾动器影瓣溅单一的蠹熬设备。遂鞲蠛分还苞= 撬 存储黼络适配器的应用级驱动程序，它用予表示通过存储网络在计冀机和存储设 备殿子系统之删倦递命令和数据。 在s 叠n 环壤下，很多郝髂都是智麓纯鹩，警翔磁卷氖统、磁带系统以及连攘 部件都有一定程度的管理能力，并且提供管理接口；还黼智能化更离的存储服务 器，同时带有专用的处理器和管理软件。能也包括许多a 簪智能化的设备，如磁盘 鞠裴a 耋銎设备，它黼稷霞函是的内部控制功能柬竞戚镜豫等数掘蓊豁劫能。嚣 储系统还可以连接磁带和光驱等设备。 1 。2 。3 管理软件 s 越嚼环境下运行酶较蒋分舞存髓管理载释帮受务赣髂褥类。箕枣s 感环境 下的业务软件与普通的软件没有什么区别，在这里就不褥讨论，下丽主要介绍一 下襻髓管理软传。 s a 麓环境下麴存赭管理救襻主要分隽三类：驱动稳廖、存麓嬲络管理较糌翻 存储设备管理较件。 l 。驱动程序 驱动程序愚镬瘸光纤遥邋逶配卡醛需要瀚特定程痔，戳增强功熬魏驱动理廖 醚雠。 2 。存镰网络管理软件 誊储嬲终罄理软粹是簿柬澍网络流量翻器瓣络节赢鹣活动进行虢攘，著黻蹋 户图形接口( o u l ) 的方式显示网络的拓扑结构，可以对嘲络性能和s 进行一定黪 分析。 3 。存储设备管理较髂 存储设备管理软件是对存储瑟鍪进行构成设定、眷敢访闯控制、性能监视与 优化，设备故障的监测与报嚣、数掘备份愀复等功能的管理软件，觎括行政级管 理、数据管理、眷赭资源管理、安全管理戡及文件管理。其中对数据帮应用进行 备髂嗣後复是一个存德漫备管理软件毖须实现的核心驹熊，穰多存籍管理较件厂 9 硒北i 业人举硕士学位论文第一章驰烈的概述 藏的主打产晶都具宥备谂与溉复鳃功麓，如v e 默礅s 的b 8 e 鞣珏爹篓溘e c 、n 豳鼗菲堙， 姒的辩啦蠹l s 衄系剥，k g a 沁的n 霉黼静赡f 。 目前，s a n 硬件禚商可靠性和离性能方面已经取得了很多优秀的成果，s a n 软件的发瓞方囱主要是罐嵩s a n 的舞可愚性，磁离可用性煮撩解决的主要阏题包 括热籍提供更热灵活瓣存储或者备份策略。 本文提出的基于s 力蝌的高可用憔文件系统级备份系统n o n s t o pf s b 系统备 份软件就是典型的s a n 控制软件管理予系统。 1 ：3s a n 的特点 上文殴经对s 撒噻技术、s a 辩的鞫裁等棒了篱单魏介绍，酃么s 甜蓟赢具有 行么样的特点，并盛能解决些背么样麴润题，下面就进幸亍探讨。 1 灵活性 在计算撬箍短鳃麓矮魇史中，颡韵黼髓计筹占蒋的篦测蹩避大的，瞧蹩变能最 为丰富的。在未来几年内，各个企溉将会逐步逡立一个全新的、畅通韵商鼗运季亍 模式，s a n 能够快速逑惠这些变化，满足企业的要求：将单一的控制管理改进为 统一管理所有的存熊瓷源，霹以灵活的进行权黢的管理以及眷份、灾难恢复舱控 翻；随着数蓊量韵增翻，可以隧瞬遗麓存锗资源。锤褥不裁逡庶这穗快速变化的 存储系统，将会被抛羚。 2 。离扩展性 纛统麴妻。鼹是最常见蟾系缆变纯之一，s 瀵申存赭系统期溅务器之阑楚透过 f c 集线器或存储变换机进行连接的，使得存储系统的扩展非常灵活，可以秃缝添 加更多的存储设各和服务器，建立合理的存储稚局，以使数据在得到高度燕攀和高 速访闻鹣隔时，实现集中警理帮无裂扩晨，兔诲嗣户在进行数兹昝量扩展的阕时， 溅务并无润断l 懿。 3 。离传输性 s 鲥掏建在孬储设蠡熊接豳上，使得存赭懿蜜源麓罄被掏建于雅务器以外， 所以在不影响系统梭麓的情况下，多个主机服磐器艇能够分孪遮些存储爨源，使 得数掘的访阀、备份和恢复不影响b 蛾的性能，在有大量数据访问时，不会大幅 度降低斓络性能。 l o 两匕：c 业大学颂十学位论文 第一章s a n 的概述 碡。管理篱镬 在s 艄环境下，允许溺户通过s 瀚管理歉襻对备份资源进行集中式鹩管理， 通过网络对存储设备进行集中或远程的配置、监管和无人值守运行，使其有能力管 理超过蔓1 嚣的存储容量，并降低存储管理的成本，从丽使管理燮得更为简便，备份 瓷源鹣剩篇率也更高。 5 。离w 靠性 存储瓣络完全不同予数据网络i n 。在典型的挺群辨数据嬲络中，失败的数据 德输不会造成缀大熬揽失，因为数据锯载源有的形式保存在原霄瓣位萋，容嚣进 行数据恢复，丽鲫蝌环境下的数据茁失，恢复的酉能性非常小。所以在s a n 中 就绪的存储设备具有可热插拔的冗余驱动器、介质，电源和冷却系统，还可通过增 加冗余网络部斧壤】疆骥鹣、s 搿i 怒斡及冀连接设各等，泉满除硬僚主蕊攀赢故障，确绦疆 件的高可靠性。 l 。4s a n 的主流备份技术介绍 目前，基于s a n 备防的两大主流技术是镜像技术和快照技术。下面分别对这 两种技术作一简单的介绍。 薹，碡重链豫技术 镜像技术是通过建立主磁盘( m 国) 和冗余盘 d ) 之| - 日j 的p a i r 茨系，将m d 的数据 备份裂r d 中去。当赫粉中鹩数据被徽坏瞬，霹娃透过r d 避行数据内容的恢复， 或者谴服务器壹接诱润歉d 丽得到数据。因舞两个藏懿麓数据黼瓣被损坏麴撬率比 较小，这就使得数据的强壮性要比一个磁盘好得多。主磁盘和冗余磁盘的镜像关 系如图l 罐掰示。 固 效攮蘩天麴 豹缓雾 辩辍0 的缓存发送教瓣 国敞国返国碗认报辫 囝耐业务5 e r 怕r 报辫i ，。完成 梅缓存中的效锅鬻入磁盘 闺至镜缘技术乏箨溅壤烫一 西北- = 业人学硕士学位论文 第一章s a n 的概述 1 4 2 快照技术 首先介绍两个概念：s m d 和s d a 。 s m d ：s n a p s h o tm a s t e rd i s k ，是快照备份的源磁盘，与镜像技术中的m d 类似。 s d a ：s n a p s h o td a t a e a ，是快照备份的数据区，用于保存数据差分。 快照技术是一种数据差分备份技术，通过软件对源磁盘进行快速扫描，建立 备份该时间点的逻辑快照，尽管快照卷在逻辑上与主卷具有相同的容量，但并不 像镜像技术一样是完全拷贝，而只是备份一段时i 日j 内( 从上次备份起) 修改更新的数 据。在快照盘( s d ) 中存在一个位图表( m a p t a b l e ) ，当被创建的s d 的m a p t a b l e 被置为全o 状态，“o ”代表s m d 的相应块上的数据没有被改变，所以该s d 共享了 s m d 上的有效数据；当用户对s m d 上的数据进行更新时，因为s d 上要备份的数 据是时刻t 的数据，所以应将m a pt a b l e 中相应位上的o 值进行改变。由于本系 统采用了写时复制技术，所以当用户的更新数据写入缓存后，并不能直接反映到 s m d 上，而要先将该块上的有效数据拷贝到s d a 中，并将拷贝空间的首地址返回 并写入m a p t a b i e 中的相应位上，上述操作结束后，才能将s m d 缓存中的更新数 据写入s m d 的磁盘上。这些s d 并不像m d 或r d ，有固定的容量，它的大小根 据快照数掘即修改更新的数据大小丽改变【2 1 1 3 匕快照技术的基本工作原理如图1 5 所示。 萋唾萋阁一 ： 鞋黛 隰黧l 潮磕 图1 5 快照技术一l ：作原理图 镜像技术在备份数据的访问效率和运用性方面束说，它要优于快照技术；但 快照技术在备份容量方面比镜像技术要小得多，而且能够汜录某一时间点的数据， 比较灵活，数据的备份效率也要高于镜像技术。 1 2 西北1 ：业人学硕十学位论文第一章s a n 的概述 1 5 小结 本章对本文所涉及到的理论知识作了必要的介绍。其中包括s a n 的概念、s a n 的构成要素、s a n 的特点，还介绍目前主流的两种备份技术镜像技术和快照 技术。 西北工业大学硕士学位论文 第二章n o n s l o pf s b 系统的整体介绍 第二章n o n s t o pf s b 系统的整体介绍 高可用性系统在存储技术日益发展的今天，已经成为最基本的要求。目前， 为了满足7 ，2 4 小时的业务备份，通常采用增加冗余量或者结合多种软件的复杂管 理来实现。但这些备份方案都存在诸如成本过高、容灾能力弱、性能低劣等缺点， 所以应该提出一种更为有效的备份系统来解决这些问题，n o n s t o pf s b 备份系统就 是在这种环境下产生的。 在备份过程中，为了保证主盘数据与冗余磁盘数据的一致性，在主盘上进行 的i o 业务必须暂停使用；另外，文件系统缓冲区中的数据可能还没有刷新到冗余 磁盘上，这将会造成数据的缺失。使用镜像各份和快照备份并不能很好的解决这 些问题，并且必须中止业务或在业务的间隔来进行数据的备份，有很大的局限性。 本文提出的n o n s t o pf s b 系统，结合了磁盘阵列的硬件功能、镜像快照备份 以及卷管理工具等的特性，提出了一种新的解决方案，实现了业务不停止的备份 方案，而且无需增加额外的备份资源。通过n o n s t o pf s b 系统进行备份时，最关 键的就是对主盘上的所有文件系统进行f r e e z e 处理，冻结用户的读写操作。从用 户角度来看，只是感觉到读写操作有些延迟，在备份过程中，用户不需要停止业 务处理，这种方案对于大型机或随机性很强的业务而言，大大提高了系统的可用 性。 2 1n o n s t o pf s b 的定义及实现原理 n o n s t o pf s b 的定义：通过以数据快为单位的复制机能，并且结合操作系统 的系统调用，实现文件系统的冻结操作，从而实现文件系统的业务不停止备份。 n o n s t o pf s b 的实现原理：在进行镜像备份或快照备份做成的过程前对磁盘 上所有文件系统( 即业务的操作对象) 进行同步冻结，在镜像钰份或快照备份作成完 毕后再解冻这些文件系统，其具体要求是阻塞磁艋上的写操作，同时将文件系统 缓冲区中数据刷新到物理盘上。从业务方看来，只是感到i 0 有所延迟，而不需要 停止业务，这样特别对于大型或随机性很强的业务( 即中止后再恢复困难的业务) 来说，可用性得到了大大的提高。 1 5 西北- t 她火学硕十学能论文第二章n o n s t o pf s 鞲系统的整体分绍 2 2 n 。稳s 叩f s b 系统的存储余质及存储对象 2 2 1n 孙l i i s t o pf s b 系统的存储介质s a n 的磁盘阵列 磁盘簿捌是裂瘸凇技术恕多个磁盘组裁一个阵秘，巍箨单一磁盘使用。 它将数据戳分段( m 嘲耀) 的方式储存在不同的磁盘中，存鞭数据时，阵矧中的 相关磁盘起动作，大幅减低数据的存取时间，阍时有更佳的空间利用率。 姒国袋e 巷疆珏纛躺慨蛾l 醚嚣辨襄礤e 攫璜黜) 鄯“独立冗余磁盘阵列”，是一 种通过块缺像技术镬阉磁盘驱动器麴方法，它将一餐磁鑫驱裁器用某静逻辑方式 联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器柬使用。一般情况下，组成的逻辑磁盘 驱动器的容量要小予备个磁盘驱动器容量的总和。 在薹淑l p 中，可戡诖很多磁盘驱动器丽时健输数据，丽遮些磁盘驱动器在逻 辑上又是一个磁盘驱动嚣，所以使用喇d 可以达到单个的磁盘驱动器几倍、几 十倍甚至上酉德的速率。r 鲇d 的枣错功能是建立在每个磁盘骢动器的硬伴容锩功 缝之上鹣，掰戳它提供受高的安垒矬。组威磁盘簿刘鹩不露方式称为薹；a l 势缀戮 ( r 越dk v e l s ) 。在磁盘阵列创建时，可以选择黜辑d 的类型。n o l l ：s t o p 鲻懿系统 的目的就是在提高数掘安全性的同时，保证系统的速度，所以选撵的是默l 脯级 或戳辚嬲缀。下瑟分剃慰融薹磷；缀耧r a | d 艿级避杼篱攀酶介缓。 l 。r a i d 5 级( 条带技术+ 分书式校验) ： 分靠式奇偶校验独立访问，没肖荦独指定的奇偶盘，而是把数据和相对应的 毒偶校验蘩感存锫剿缎成融镯髓的器个磁盘上，磐盈奇偶棱骏信惠鞠楣对鹿麓数 据分别存储在不同的磁盘主，它的个阵捌中至少需要三个物理驱动器。当蘩块 硬盘发生陂障时，其它硬盘可以通过校验数掘饿艇故障硬盘的数据，由于所育校 验数据簧使用一块硬盘的容量作为校验使用，所以实际可以健髑的硬盘容黛应浚 毙总的磁盘容量少一块盘的容量。鼹要采蹋枝骧瓣靛方式，藏套一定程度上影晌 写入性熊，因此在磁盘阵列中加入了写缓存来掇离写入性能。 2 。黼铋p 6 级( 条带技术+ 分靠式双校验) ： 鼹筱验韵独立诱润，是戳黼5 麓基礁蕊扩展麓，它超镞两缀麴冗余，释薄 列中的两个驱动器失败时，阵列仍然能够继缕工作。西莳有两种方法求实现 啪6 ，第一种方法聚用两种不同的校验算法束校对数据，暇如两个磁盘失败， 通过求解薷霸溉个交鬟的方程，魏可默恢复簿个磁盘上的数据。第二秘方法是将 阵列逻瓣埯以艇阵酶行稿酬排列，那么数羲的辨矧魏戳行翻捌来表示，梭验数据 1 6 硝北下业人学硕士学位论文 第二章n s t o pf s b 系铣的整体介绍 可作为阵酬空蚓的菠交矢量来誊f 算，每个数据分块都蝎子两个正变分离和独立 鹣分条，不存纛将阵列中柽簿其他的分条霹入穗闻的校验位置的霹麓性。本系统 使用的是第一种方法，即采用两种不同的梭验算法柬校对数据。 澍越馥雪缓期r 越d 6 缎来说，数掇麴备份都是安全的。妻要辫差别在于 猢s 韵写牲麓菇于蜒p 6 ，蕊黜醚p 鑫的容蜡能力要离予姓至隧。簧跫系统对数 据的容锚能力要求不是很高的话，r 越d 5 魁个不错的选择，而对于像银行这样的 对于数据的容错能力要求很高的企业来说，熙有选择吣d 6 才能保诞数据的安全 糕，霹靠性。 在磁盘阵列内部，首先将多个物理磁盘组成r a m ，这些物理磁盘被称为 p d ( p h y s i c a ld 螽k ) 而由这些p d 组成的磁盘组被称为砒气n k 。它们之间的组成关蒸 絮鼷各熏新示。森黜漆歉的基勰上划分逻辑磁盘巡勤辞捌蝴，晒裁黧商了蝼p 的特性。从主概泉番，每一个m 相当于个s c s l 硬盘，这样的d 又称为一个卷 ( v o l u m e ) 。一个胁可以跨多个p d 前提条件是这些p d 都在一个黜州k 里，s a n 魏襻鞴营理较髂耀是以为单位进行的。娄一个磁盘阵别姆一个服务器构成s 勰 舔麓时，煞菔务嚣鹣搡俸系缝中所看到的磁盘设备是妻黪，丽不是图2 。薹巾熬p d 。 r a n k i! l 舀0 0 j 、。，一， 筘d 0 莲，。 嘲2 1 逻辑磁斑m 的示意图 2 ，2 。2n 。羹s 敬蛩f s b 系统的存储对象 在文件系统的存储过程中，有以下三种存储方式： i ，基于逻辑盘l 【) 的存储 羹参俸受鞭务器所麓谖别的唯一熬磁盘阵剿设备，鼹务器操俸襄绫绘了薹固难 一的标识符，郾竣备文件名圆萨e i a lf i l en a m e ，简称为s f 。我们可以直接在l 胎 或者在其它的菜个分区上创建文件系统或蕾存储文件，邈是一种存储对象。 2 ，蓥予磁赣缎璐麴枣德 d g ( d i s kg 翩p ，即磁盘缀) 是由服务器操作系统将多个l d 缀成磁盘组， 麟j br 业人学硕七学位论文 笫二章n s t o pf s b 累统的整体介绍 梅戚一个存赭池，再敝存镳波母裂分出逻辑卷( 勤瘿龉i l 娜霉。可噬在逻辑卷上 剑建文件系统，建立数据麾。基于逻辑卷僦建文件系统，可以大大掇菇文件诱阁 的性能。比较著名的卷管理软件是v e r i 鼽锚、b l u m em a n a ：r g e r ( v x v m ) 。在下面 章节中会对、v m 技术进行介绍。 3 。基于原予组期隐的存储 在一个大型的业务系统中，通常都要同时使用多个磁盘，有时一个大型的数 据霹建立在多个m 或者d g 之主，又幽予这些不同类型的信息之矧村糍存在某种 蓑糕牲舞控制搭患和霹恚馕患之瓣的联系) ，在遮样瀚情况下，黻数据块舞单佼 的备份很难保证备份数据的完整一致性。凼此，提巍了闻陷。a 翩i c 骶a c t i o n g 粥馘p 的概念，束完成对大型数据库的一致备份。由于斛g 是n o 瞒l pf s b 系统 薪提踽鹃功熊，将会在第三蠢辩懋怒功熊的设计搏详缎懿说明。 2 。3n o n s t o pf s b 系统的应用环境 在存储区域阁孛，备份一般都是蘧逑菱渗隽基本荤位避行酌。羚酗蕤s | 婶嚣嚣系 统的备份以豳为单位，源( 在线数摇盘) 到目标姻( 备份数据盘) 的备份。 n o 瞒l o pf s b 系统运行在业务服务器上，通过向磁盘阵列发送备份的橱关命令进行 数搦餐份，丽答份数据移动不经过蝗务赧务器。国蟋脚瞒b 器髂数撂麓运用于螯 黔服务器，开震诸鳃检索壁势，测试监务等。溪2 之是塾沁瞒脚黯器系统功麓备徐 的成用环境。 阻l d 为纂樾进行镜像，抉鞭餐静 阉2 乏融蘸s 巍蛩醛嚣系缓鞠瑟簧蛰昀疯劂臻壤 1 8 科j 匕t 业大学硕士学位论文 第二章n o n s t 叩f s b 系统的粘体介绍 2 。4n 。羹s 艳pf s b 系统的辅助的卷管理器一v x v m 和搿m 卷管理软件憝介于操作蒸统和数据管理系统间的一个子系统。窀使得用户通 过卷来管理多个物理盘资源。卷是个逻辑存储设备，用户可以像管瑷一般磁盘设 备一样营理卷。卷基于乳毯羚鼓拳，麓瀵兔出于磁盘撼嚣带来的数撼丢失，麓够 提供最大限度的容错与故障懿理；同时，卷带柬更高酶数据访问效率，是一个熟 型的高可用性数据存储方案。基于上述优点，在企业缴存储应用中，卷管理工具 的幢；蠢是非常广泛豹。 常见卷管理工具有、蕊v 狱和m 。n o n s 翻叩f s b 暴统对这两种工兵都支持。 2 ，4 ，lv x v a 压 、壤v m 是骁i t a s 公司开发的强大的磁箍管理工其，在系统卷屡上綮密的与操 作系统相结合，可以实现各种复杂的应用，并且不依赖于特定厂商的磁盘阵列， 圆此是霆翦应焉趱广泛赫卷管理工具之一。 卷管理软件v x v m 包撬五种虚攒对蒙；v m s kd g 、s 鞲b d i 媛、擎l 嚣x 、l u 瓣e 。 图黧。3 反映了v x v m 中五种康拟对象的对成关系。下两将对这五种虚拟对象进行 解释。 p 盼s i c a ld i 矗d i s k s u b 由嫩r e 嚣 一一一一 i s k 0 2 。臼2 d i 矗o u p 豳2 。3v x v 黼虚撼对象的对斑爻暴剡 1 9 、阳缸m e 潍豁一 0 一b x瓣一躺一腿 篓墨 糕瓣 一 一一 一一一一一 稚一孵一略 _一-一- lll鲢一如一切 一裙 篓融 一一一一一一一一一一一 两北工业人学硕十：学位论文第二章n o n s t o pf s b 系统的整体介绍 v md i s k ：v x v m 管理下的物理磁盘，每个v md i s k 至少对应一个p h y s i c a l d i s k ，一个v md i s k 有p u b l i cr e 舀o n 和p r i v a t ef c 百o n 两个部分，其中v x v m 的一 些配置信息存储在p r i v a t er e l 乒o n 中。 d g ：d i s kg r o u p ，是v md i s k 的集合并且可以作为一个整体进行操作，可以 跨盘创建文件系统。 s u b d i s k ：连续d i s kb l o c k 的集合，v x v m 分配空间的单位，一个v md i s k 将 被分割成若干个s u b d i s k ，但各个s u b d i s k 中不能共享同一个d i s kb l o c k 。 p i e x ：s u b d i s k 的集合。 v o l u m e ：p l e x 的集合，可以在d g 上划分多个v o l u m e ，面向应用程序，可以 在v o l u m e 上创建文件系统，类似于物理磁盘，但克服了物理磁盘容量限制的缺陷。 2 4 2 l v m l 、m 是操作系统的一个磁盘管理予系统，是一种基于逻辑卷的管理机制。 p v ：p h y s i c a lv o l u