（计算机软件与理论专业论文）多副本异步远程复制系统的设计与研究.pdf

ab s t r a c t a s c o m p a n i e s i n c r e a s i n g l y n e e d a c o m p e t i t i v e e d g e t o m a i n t a i n p r o f i t a b i l i t y a n d s ta y i n b u s i n e s s , i m p r o v e d a v a i l a b i l i t y a n d o u t a g e a v o i d a n c e b e c o m e v i t a l t o t h e ir s u c c e s s . m o r e a n d m o r e f ir m s o p e r a t e i n a 2 4 7 e n v i r o n m e n t , e s p e c i a l l y l a r g e e n t e r p r i s e s , w h e r e g l o b a l o p e r a t i o n s a r e t h e n o r m. i n t h i s e n v i r o n m e n t , w e l l - p l a n n e d b u s i n e s s c o n t i n u i t y o r d i s a s t e r r e c o v e ry s o l u t i o n s b e c o m e c r i t i c a l t o a n o r g a n i z a t i o n . c u r r e n t d i s a s t e r r e c o v e ry s o l u t i o n s a r e m a i n l y o r i e n t t o o n e - t o - o n e m o d e l , i n w h i c h t h e r e i s o n l y o n e c o p y f o r d a t a . h o w e v e r , t h i s t y p e o f d i s a s t e r r e c o v e ry s y s t e m c a n t s a t i 沂 a l l d e m a n d s o f d i s a s t e r r e c o v e ry . s o m e o r g a n i z a t i o n s , s u c h a s b a n k s , n e e d mo r e t h a n o n e c o p y t o i n s u r e t h e s e c u r i t y o f t h e i r i m p o r ta n t d a t a . i n t h e c i r c u ms ta n c e s , h o w t o g e n e r a t e m u l t i p l e c o p i e s o f d a t a s i mu l t a n e o u s ly a n d o n t h e o t h e r h a n d , h o w t o r e d u c e t h e i n fl u e n c e s b r o u g h t b y d a t a c o p y i n g a n d t h e d i ff e r e n c e s b e t w e e n d i ff e r e n t c o p i e s a r e v e ry i m p o r t a n t t o a s y s t e m . t h i s p a p e r m a i n l y s t u d i e s t h e c r u c i a l t e c h n i q u e i n d a t a d i s a s t e r re c o v e ry , r e m o t e c o p y , t h r o u g h w h i c h a r e m o t e a s y n c h r o n o u s m u l t i - c o p y s y s t e m i s d e s i g n e d . t h i s p a p e r f i r s t m a k e s a s u m m a ry o f d i s a s t e r r e c o v e ry t e c h n i q u e s , a n d t h e n i t d i s c u s s e s t h e i m p o r ta n c e o f d i s a s t e r r e c o v e ry , t h e s y s t e m s o f d i s a s t e r re c o v e ry a n d t i e r s o f d i s a s t e r r e c o v e ry. i n t h e s e c o n d c h a p t e r o f t h e p a p e r , d a t a b a c k u p t e c h n i q u e s a r e s u m m a r i z e d a n d d i s c u s s e d , i n c l u d i n g t h e i r p r in c i p l e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s . t h e t h i r d c h a p t e r g i v e s a n i n tr o d u c t io n o f r e m o t e c o p y t e c h n i q u e s , a n d m a k e s a c o mp a r i s o n a m o n g d i ff e r e n t m o d e l s . b a s e d o n t h e t e c h n i q u e s d i s c u s s e d a b o v e , a d e s i g n o f a r e m o t e a s y n c h r o n o u s m u l t i - c o p y s y s t e m i s g i v e n i n t h e f o u rt h c h a p t e r . i t g e n e r a t e s m u l t i p l e c o p i e s o f d a t a i n a s e r v e r , a n d u s e s a l o a d - b a l a n c e d s t r a t e g y t o r e d u c e t h e i n fl u e n c e s fr o m c o p y i n g . i n t h e l a s t c h a p t e r o f t h i s p a p e r , a p a r a m e t e r u s e d t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e s o f t h e s y s t e m i s g i v e n . t h e a n a l y s i s o f t h e p e r f o r m a n c e s a n d r e l i a b i l i t y o f t h e s y s t e m i s m a d e i n t h e e n d o f t h e p a p e r . k e y wo r d s : d i s a s t e r re c o v e ry , mu l t i - c o p y , r e m o t e c o p y , l o a d - b a l a n c e d 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动 。 学位论文作者签名: 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 指导教师签名 :学位论文作者签名: 解 密 时 间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘 密1 0 年 ( 最长1 0 年， 可少于1 0 年) 机密2 0年 ( 最长 2 0 年，可少于 2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中已经注明 引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明 确方式标明。 本学位论文原创性声明的 法律责任 由本人承担。 学位论文作者 签名: -2 - 7年了 月 才 日 第一章 客灾技术概述 第一章容 灾技术概述 容灾是指为了防止因火灾、地震、人为破坏或设备故障造成系统瘫痪、数 据丢 失、业务中断，而在数据中 心之外的另一地点 建立备份中心，备份中 心具 有与主中心相同或相似的主机、网络和存储设备。系统正常运行时，应用会将 数据同时写向主数据中心和备份中心的存储设备， 并保证二者的实时一致性。 当主数据中心发生灾难时，应用能够快速地自动切换到备份系统，从而保证数 据完整性和业务连续性。当主中心系统恢复后，主中心的存储设备会向备份中 心存储设备进行数据重新同步，然后应用切换回主中心。 第一节容灾技术的应用背景 信息系统的发展 0 和广泛应用， 将人类从重复、 繁杂的数 值计算和信息 处理 任务中 逐步 解脱出 来， 提高了 人类的生产效率和认知能力。 人们不断将信息系 统集成到他们的日常业务中去，一些组织为了充分利用信息系统的优势而重组 组织业务流程。但是信息系统越是普及，它的高可用性及容灾能力就越成为关 注的一个焦点。 容灾的 历史可以 追溯到计算机的 诞生。早期的 信息系统处于辅助地位， 仅 替代部分业务流程，原始的业务处理 过程基本保留， 信息处理量相对较少， 对 信息系统的依 赖程 度比 较低. 此时的 应用强调信息系统的 可恢复性和业务的 可 继续性，7 2小时的恢复时间对于多数用户来说是可以接受的，因此采取的主要 恢复手段是数据备份。 9 0年代， 计算 机软 硬件、网络、 应用技术都 得到了 空前的 发展， 用户开始 将信息技术集成到 他们的业务流程中去，信息系统成为 用户各项业务的支撑平 台， 很多用户利用i t 系统将各项业务整合为高 度互动的 业务体系。 这时 信息系 统己 成为 用户最重要的基础设施之一， 用户更加依赖于信息系统，从而它的 高 可用性和容灾能力 就成为用户必须考 虑的重要问 题。 信息系统的容灾能力关系 到企业的 生存。 这时7 2 小时的恢复时间对于一 些用户来 说就 变得不可接受了， 企业要求更短的恢复时间 和恢复点目 标，一般的 恢复时间 要求在4 小时 到2 4 小 时之间。 第一章 容灾技术概述 进入 2 1 世纪，随着网络技术的发展，信息系统已经由分立的应用系统向应 用集成方向发展，特别是一些电子商务应用，全球性跨国企业业务，实时处理 业务， 他们要求 7 x 2 4 小时的连续运作。 4 小时到 2 4小时的停机将对组织造成不 可弥补的损失。 这时 i t系统需要 7 x 2 4 小时的连续可用性， 同时需要将高可用特 性集成到系统的灾难恢复中去。 信息技术飞速发展和得以广泛应用的同时，我们注意到虽然信息安全和风 险防范能力在不断增强， 但相 关的 风险也在不断增加。 如何有效的控制应用信 息系统所带来的风险，成为今天信息系统安全领域研究的一个重要课题。信息 技术 风险管理包括两个方面， 其一是通过风险控制方法和技术来减少灾难的发 生， 如采用防火墙、访问 控制、硬件冗余等技术;其二是灾难恢复，即在信息 系统中 构架灾难恢复技术和措 施，以 便在发生灾难时尽快恢复 应用和服务2 1 ， 保 障业务的连续性，这也是容灾技术研究的主要目标。 第二节容灾 技术的重要性 信息时 代的高速发展使得 数据呈爆炸性的增长， 在知识经济体系中， 企业内 部最重要的资产越来越成为长期 积累下 来的数 据资料， 如产品 研发资 料、 客户资 料等关键性资产。数据的安全存储和高可用性己经被提高到了一个前所未有的 高 度， 并且成为 衡量服务质量的一 个主 要方面。 对数据进行3 6 5 x 7 x 2 4 小时的不 间断访问已经成为信息时代的普遍要求。 2 0 0 1 年9 月 1 1 日 ， 美国 世贸大厦遭受的恐怖袭击。 灾难 发生前世贸大厦中约 有3 5 0 家企业 在其中 工作， 在事故发生 一年后， 生存 下来的 只有 1 5 。 家。 有2 0 0 家企业由 于关键数据的丢失 而永远的关闭消失了。 e a g l e r o c k a l l i a n c e的 调查报告3 1 统计了 各类关键业 务信息系统的停机所带来的不 可估量的 损失. 容灾 问题被提到了前所未有的高度。 今天，信息系统已 成为大多数业务流程的重要组成部分和关键环节， 信息 系统基础设施与商业过程形成了一种紧密祸合的关系，信息系统的可用性和灾 难恢复能力直接影响到业务流程的连续性。 在商业环境中，随着竞争形势的日 益严峻， 企业 ( 尤其电 子商务 类型 企业) 对业务的连续性提出了 更高的要求， 要求 企业能在发生灾难性事件时能及时恢复业务并保障业务的连续运营。据美国的 一项研究报告显示， 在灾害 之后， 如果无法在 1 4 天内 恢复业务数据， 有7 5 % 的 第一章 容灾技术概述 公司业务会完全停顿， 4 3 %的公司再也无法重新开业， 2 0 %的企业在两年之内宣 告破产。 美国mi n n e s o t a 大学的研究表明，遭遇灾难而又没有灾难恢复计划的企 业， 6 0 %以 上将在两到三年后退出市场。随着企业对数据处 理依赖程度的 递增， 此比例还有上升的趋势。在政府组织中，业务连续性在也日益受到重视，一些 国家 纷纷以立法的方式对政府机构和组织的业务连续性和灾难防备提出了明 确 要 求，例如美国 的医疗保险责 任条 款以 及各州的 应急计 划条款。现代社会中， 业务的 连续性对一个组织越来越重要，在组织中已 不是rr一个部门的问 题， 而 是整个企业生死相关的问题.为保障组织的业务连续运作和灾难生存能力，企 业或政府必需建 立具有高可用性和灾难恢复能力的i t 系统o l 第三节容灾技术的分类 1 . 3 . 1 本地容灾与远程容灾 根据实施地域， 容灾可以 分为本地容灾与远程容灾u 。 一套完整的 容灾方案 应该包括本地容灾和远程容灾两套系统。 本地容灾 本地容灾主要是为了预防由于用户的错误操作或者硬件失效等而导致的数 据 丢失而 对数据进行的 本地的冗余的存储。 本地容灾的主要 手段是容错和备份。 容错的基木思想是在系统体系结构上精心设计，利用外加资源的冗余技 术来达到掩蔽故障的影响，从而自动地恢复系统或达到安全停机的目的。 容错是依靠外加资源的方法来换取可靠性的，主要方 法包括: ( 1 ) 硬件冗余.通过硬件的重复使用而提高可靠性的方式，包括: 硬 件堆积冗 余， 待命存储冗余， 及混合冗余等; ( 2 )时间冗余。通过消耗时间资源来达到容错 目的的，例如: 程序卷回， 指令复执等; ( 3 ) 信息 冗余。 靠增加信息的多余度来提高可靠性的， 一般来说，附 加的 信息 位越多，其 检错纠错能力越强。 备份的基本思想主要是以 磁带 或光盘为介质对系统 数据进 行转移存储。 数 据备份技术将在下一章进行详细介绍。 远程容灾 远程容灾是为了预防由于火灾、地震等灾难引起的本地数据全部丢失而在 第一章 容灾技术概述 相隔较远的异地建立起的一套或多套功能相同的备份系统。当主系统因意外停 止工作时， 备份系统可以 接替工作， 可以 较好地实现灾 难恢复功能。示意图如 下 : ( 上 层 应 用) _ _ 鑫_ 主系统 - 国川巍 曰曰以 本地 异地 图1 . 远 程容灾示意图 远程容灾系统是能够在灾难中提供正常应用服务的计算机信息系统，它可 以 是数据的 动态备份系统， 也可以是应用的动态备份系统。它是最能经受灾难 考验和最具战略 价值的容灾系统， 也是实现 难度和成本最大的容灾系统。 远程容灾的主要手段是通过远程数据复制。数据复制技术将在第三章中进 行详细介绍。 目 前，企业、部门多采取系统定 期检测 与维护、 双机热备、 磁盘镜像或容 错、备份磁带异地存放、关键部件冗余等灾难预防措施。这些措施一般能够进 行数据备 份，并 且在系 统发生故障后能够进行系统恢复。 但是这种一般的 措施 只能处理计算机单点 故障， 对区域性、 毁灭性灾难则束手无策， 也不具 备灾难 恢复能力，所以 远程容灾成为容灾系统实现大范围抗灾、 增强灾难恢复能 力的 首选。 1 .3 . 2 数据容灾与应用容灾 根 据 所 保 障 内 容分 类， 容灾 5 6可以 分 为 数 据 级 容 灾 (简 称 数据 容 灾 ) 和 应 用 级容灾( 简称应用容灾 ) . 这是一个完整的 容灾系 统的 不可或确的两个部 分。 数据容灾 所谓数据容灾，就是指建立一个异地的数据系统，该系统是本地关键应用 第一章 容灾技术概述 数据的一个可用复 制。 在本地数据及整个 应用系统出现灾难时，系统至少在异 地保存有一份可用的 关键业务的数据。该数据可以是与本地生产数据的 完全实 时复制，也可以比 本地数据略微落后， 但一定 是可用的。 数据容灾技术，按照其实现的技术方式来说，主要可以分为同步传输模式 和异步传输模式 ( 各厂商在技术用语上可能有所不同 ) ， 另外，也有如 “ 半同 步” 这样的方式。半同步 传输方式基本与同步 传输方式相同， 只是在r e a d 占u o比 重比 较大时， 相对同 步传输方式， 可以 略微提高u o的速度。 而根据容灾的 距离， 数据容灾 又可以 分成远程数据容灾和近程数 据容灾方式。 数据容灾可以保证用户数据的完整性、可靠性和安全性，但对于提供实时 服务的信息系统， 用户的服务请求在灾难中 可能 会中断，即数据容灾可以 保证 数据不丢失，但不能保证服务不中断。 应用容灾 所谓应用容灾， 是在数据容灾的基础上， 在异地建立一套完整的与本 地生 产系统相当的备 份应用系统( 可以 是互为备份) 。 在灾 难情况下， 远程系统迅速接 管业务运行，提供不间断的应用服务，让客户的服务请求能够透明地毫无觉察 灾难发生地继续运行， 保证信息系统提供的 服务 完整、 可靠和安全。可以 说， 数据容灾是抗御 灾难的 保障， 而应用容灾则是容灾系统建设的目 标。 建立这样一个系统是相对比较复杂的， 不仅需要一份可用的数 据复制，还 要有包括网络、主机、应用、甚至 ip 等资源，以及各资源之间的良好协调。主 要的技术包括负载均衡、集群技术.数据容灾是应用容灾的基础，应用容灾是 数据容灾的目 标. 虽然应用容 灾具有很高的 可用性， 能够保证业务的连续运行，但构建复杂， 因 而成本较高。 所以 在实际的 应用中，应根据业务的 不同性质和容灾系统 成本 来进行选择。 数据容灾是容灾系统的 基本要求，也是容灾系统能 够正常工作的 保障; 应 用容灾则是容灾系统的建设目 标，它必须建立在可靠的 数据容灾的 基础之上， 通过应用系统、网络系统等各种资源之间的良好协调来实现。 第四节容灾系统的七个级别 设计 一个容 灾系统需要考虑多方面的因 素门 ， 包括备 份、 恢复的数据量大小、 第一章容灾技术概述 应用数据中心和备份中 心之间 的距离 和连接方法、灾难发生时所要求的 恢复速 度、 备份中心的管理和经营方法， 以及可投入的资金多少等. i b m 公司的s h a r e 7 8标准( 1 9 9 2年 ) 根据这些因素将容 灾系统 解决方案分为7个 等级， 分别适 用 于不同的规模和应用场合。 ( i ) 第0 级一无异地数据备份( n o o f f - s i t e d a t a ) 第 0级被定义为没有信息存储的需求，没有建立备份硬件平台的需求，也 没有发展应急计划的需 求， 数据仅在本地进行备份恢复， 没有数据送往异地。 这种方式是最为低成本的 灾难备份解决方案， 但事实上这种灾难备份并没有真 正灾 难备份的能力，因 为它的数据并 没有被送往远离本地的地方， 而数 据的恢 复也仅是利用本地的记录。 ( 2 )第1 级 一i 17 . u 车 辆 转 送 方 式 ( p ic k u p t r u c k a c c e s s m e t h o d ) 作为第 1级的灾难备份方案需要设计一个应急方案，能够备份所需要的信 息并将它存储在异地，然 后根据灾难备份的 具体需求，有选择 地建立备份平台， 但事先并不提供数据处理的 硬件平台。 p t a m是一种用于许 多中 心备份的 标准方 式， 数据在完成写操作之 后， 将会被送到远离本地的 地方，同时 具备有数据恢 复的程序。在灾难发生后，一整套系统和应用安装动作需要在一台未启动的计 算机上重新完成.系统和数据将被恢复并重新与网络相连。这种灾难备份方案 相对来说成本较低( 仅仅需要 传输工具的消耗以 及存储设备的消耗 ) . 但同时有 难于管理的问题，即很难知道什么样的数据在什么样的地方。一旦系统可以工 作，标准的做法是首先恢复关键应用，其余的应用根据需要恢复。这样的情况 下， 恢复是可能的 ，但需要一定的时间，同时依赖于什么时 候硬件平台 能够被 提供准备好。 当备份系统开始工作后，首先应及时恢复关键应用，非关键应用可根据需 要慢慢恢复。因为 p t a m 的 备份地点 事先往往只有很少的 硬件设 备，因 此我们 将其称为冷备份站点。它的 恢复时间往往较长，如一星期 甚至更久。 (3 )第2 级 一 p t a m卡 车 转 送方 式 + 热 备 份中 心 (p t a m + h o t s ite ) 第2级相当 于是第 1 级再加上具有热备份能力中 心的 灾难备份.热备份中 心拥有足够的硬件和网络设备去支持关键应用的安装需求。对于十分关键的应 用，在灾难发生的同时，必须在异地有正运行着的硬件平台提供支持。这种灾 难备份的方式 依赖于 用 p t a m 的方 法去将日 常数据放在异地 存储，当 灾难发生 的时候，数据再被移动到一个热备份的中心。虽然移动数据到一个热备份中心 第一章 容灾技术概述 增加了成本，但却明显降低了灾难备份的时间，一般在一天左右。 ( 4 ) 第3级一电子 传送( e l e c t r o n i c v a u l t i n g ) 第 3级是在第2级的基础上用电子链路取代了卡车进行备份数据传送的容 灾系统。热备份站点和主数据中心在地理上必须远离，备份数据通过网络传输。 由 于热备份站点要持续运行，因此系 统成本高于第 2级， 但进一步提高了 灾难 恢复的速度，典型的在一天以内。 ( 5 ) 第4级一活动状态的 备份中 心 ( a c t i v e s e c o n d a ry s i t e ) 第 4级要求地理上分开的两个站点同时处于工作状态并相互管理彼此的备 份数据。 另一项重大的改进就是 两个站点之间可以 相互分担工作负载，站点一 可以 成为站点二的 备份; 反之亦然， 备份活动可以在任何一个方向 发生。 关键的 在线数据不停地在两个站点 之间 复制和传送着，在灾难发生时，另一站点 可通 过网络迅速切换用于支持关键应用。 但是该系统自 最近一次 数据复制以 来的 业 务数据将会丢失，其它非关键应用也 将需要手 工恢复. 第 4级容灾系统把关键 应用的灾难恢复时间降低到了小时级或分钟级。 ( 6 )第5 级 一 两中 心 两阶 段 确 认 ( 1 w o -s it e t w o- p h a s e c 。 口 . it) 第5级与第 4级的 结构类似， 在满足第4级所有功能要求的 基础上， 进一步 提供了两个站点间的数据互为镜像( 如数据库的一次提交过程会同时 更新本地和 远程数据库中的数据 。数据库的两步提交方法保证了任何一项事务在被接受以 前， 两个站点间的数据都必须同时被 更新。 ) 在备 份站点中需要配备一些专用硬件 设备， 以 保证在两个站点 之间自 动 分担工 作负载和两步 提交的正确执行。因 为采 用了 两步提交来同步数据在两个站点间互作镜像， 所以当灾难发生时， 仅仅只有 传送中尚未完成提交的数据被丢失 ， 恢复的时间 被降 低到了 分钟级。 ( 7 ) 第级一零数据丢失 ( z e ro d a t a l o s s ) 第6级是灾难恢复的最高级别 ， 可以实现零 数据丢失。 只要用户按下e n t e r 键向系统提交了 数据， 那么不管发生了 什么灾难性事件， 系统都能保证该数据的 安全。 所有的 数据都将在本地和 远程数据库之间同 步更新， 当发生灾难事件时， 备份站点能通过网络侦测故障并立即自 动切换 ， 负 担起关键应用。 第6级是容灾 系统中 最昂贵的方式， 但也是速 度最 快的恢复方式。 第一章 容灾技术概述 第五节容灾系统的组成结构和技术参数 下图是一 个完整的 容灾系统结构示意图9 1 ， 它具有以下几个组成部分: 数据 备份系统， 远程数据复 制系 统， 本地高可用系统和远程高可用系统。容灾系统 的建设在这几个方面均不可或缺。下面分别一一介绍。 本地 异地 图 1 . 2 容灾系统结构示意图 1 . 5 . 1 数据备份系统 数据备份系统的主要功能是将系统的 数据或状态， 按照一定的周期， 存储在 磁带 ( 或者磁盘) 上。 在系 统需要恢复时， 将备份数 据快速恢复到系 统. 本 地数据备 份也可以 和源数据一 起使用，用来均衡负 载， 提高访问速度。 数据备份系统主 要用于抗御用户误操作、病毒入侵、黑客攻击等的威胁。 备份技术是传统的容灾方案的主要实现技术， 随着需求的 提高， 很多 新的备 份技术不断涌现。选 择备份技术的 参数 8 ) 有以 下几 个方面: ( 1 ) 备份介质是选 择磁 带库还是磁盘或虚拟磁带库( v t l ) 。 磁带库一直是备份 的主要介质. 近年来， 随着 磁盘的成本不断下降以 及其支持在线随机访问和 恢复 速度快， 越来越多的 磁盘设 备成为备份介质， 其中， 虚拟磁带库( v t l ) 通过 磁盘来 模 拟磁带库的行为， 不仅提高了 性能， 而且与 现有的软件和系统结构保持一致而获 得了广泛关注。 第一章 容灾技术概述 ( 2 ) 基 于 设 备 的 (d e v i c e -b a s e d ) 备份 或 基 于 文 件 ( f ile s y s te m - b a s e d ) 的 备 份 19 1 。 基 于文件( f i le s y s t e m - b a s e d ) 的备份系统能够理解文 件结构 ， 因此将整个文件和目 录 结构备份到备份设备中 。这种备份方式可快 速恢复 ， 但是将文件连续的存储在备 份设备中降低了 备份 速度。 若采用增量的 基于 文件的 备份系统， 则一个小的 修改 都会引起整个文 件被备份。 基于设备的 ( d e v i c e - b a s e d ) 备份系统 不考虑文件系统 结构， 而仅将磁盘 块拷贝到备份设备中。这种方式提高了 备份性能， 但是进行文 件恢复时速度较慢且很 麻烦， 而且有可能引入 数据不一致性问 题。 (3 ) 备 份 策略 采 用 全 量 备 份 (f ril l b a c k u p ) 还 是 增 量 备 份 (in c r e m e n ta l b a c k u p ) 以 及备份周期的选择。当前主要的方式是采用全量备份和增量备份间隔进行的方 式， 即每隔一段时间进 行一次全量备份， 这期间进 行若干次增量备份。 其中最重要 的设计参数是采用怎样的备份周期， 以使在保证数据可用性的前提下使灾难发生 时丢失的数据量尽量少. (4 ) 是 否 进 行 数 据 压 缩 110 11111 。 在 传输 时 的 安 全 性 考 虑 和 节 省 备 份 设 备的 存 储 空间， 往往需要 对备份数据进行压缩， 但是压缩会消 耗额外的处理器资源和使恢 复的时间延长。 ( 5 ) 在线备份或离线备 份。 总的 来说 ， 在线备 份提供了 更高的 可用性， 但是引 入 了数据一致性问题。 ( 6 ) 快 照 技 术 ( s n a p s h o t) h 2 】及 快 照周 期 的 选 择 。 ( 7 ) 网 络存储备份方式的选择。随着存储网 络技术的发展， 新的备份技术如局 域 网无关 的备份( l a n - fr e e b a c k u p ) ，服务器 无关 的备份 ( s e r v e r - fr e e b a c k u p ) , z e r o - i m p a c t 备 份技术等己 逐渐成熟，这些新技术有更好的 备份性能， 但是 其建设成本会大大增加。 1 . 5 . 2 远程数据复制系统 无论是本地数据容 错还是本地的 数据备份都无法抵御站点 灾难，也无法取 消计划内或计划外的系统维护所导致的系统停机。 为了把灾难的损失减到最小 并保证系统维护时数据的正常访问，就需要用到远程数据复制技术。这是现代 容灾系统中的又一核心技术，也是本文主要讨论的内容。 根据远程复制系统的关键技术和当前采用的主要方法可以 得到远程数据复 制模块的主要参数如下: ( i ) 支持的错 误类型。 主要包括主机硬件出 错，, s a n出 错， 连接线路出错等; 第一章 容灾 技术概述 ( 2 ) 复制模式的 选择.主 要包括同步复制和异步复制。 异步复制主要包括写 命 令 按 序 执 行 的 异步 复 制 模 式 和 允 许 批 处 理 的 异 步 复 制 模 式 1 3114 1 两 者 的 区 别 在 于 后者更新的最小 单位为 若干 1 / 0命令组成的批命 令( b a t c h ) ， 因 此可 进行写 命令 的吸收和 合并。 异步复制模式需要确定更新的最小单 位和周期; ( 3 ) 更新的响应周期。改参数需要根据复 制模式和允许的数据丢失量进行确 定; ( 4 ) 复 制操作在系统中的位置. 按照复 制操作在v 0路径中 的位置， 可以分成: 数据存储层复制、数据交换层复制、数据卷管理器层复制、 应用程序层复制等4 种方式。 1 . 5 . 3 本地的高可用系统 本地高可用系统主要运用冗余的思想， 使用容错技术来达到高可用性。 其 建立在如下假设之上， 即信息系统的任何组成部分， 都有可能因为失效而导致系 统的不可用。将可能失效的 部件采用两 个或多个作为 冗余， 从而避免和消除单点 故障 ( s p o f , s i n g l e p o i n t - o f - f a i l u r e ) . 本地高可用系统主要针对硬件故障发生的情况下为了保证系统运行和数据 不丢失进行的处理。应用的技术主要有: ( 1 ) 硬件部件冗余。 冗余的 硬件部件常常包括电 源适配 器、 风扇、 存储子系 统控制器、 磁盘、内 存、固 件( f i r m w a r e ) 等加 u p s ,r a i d磁 盘系统等 ; ( 2 ) 路径冗余。其目 的主要由 于数据传输路 径失 效而导致整 个系 统的 不可用， 在图 1中 ， 主要有存储网络 s a n的路径冗余和远 程连接网络 1 和连接网络 2 的路 径冗余 等; ( 3 ) 系 统 集 群 。 采 用 集 群 技 术 ，c h e c k p o i n t 技 术 ，回 滚 技 术 ( r o ll b a c k )技术 is 16 等， 可实现本地高可用性。 注意的 是冗余部件或系统的 切换过程的自 动化程度和 切换时间是需要可用性评价时需要考虑的重要因素。 1 . 5 . 4 远程的高可用系统 它基于本地的高可用系统 之上，在远程实 现故 障的 判断、 分类并及时 采取 相应的 故障 处理措施， 实现远程广域范围的 数据管理( g l o b a l c l u s t e r )。一 般的 高可用系统会选择存储网络。 存储网络主要有 s a n ( s t o r a g e a r e a n e t w o r k ) 和 n a s ( n e t w o r k a t t a c h e d 第一章 容灾技术概述 s t o ra g e ) 的 选 择 。 n a s 服 务 器 子 系 统 主 要 提 供 文 件服 务 ，在 远程 容 灾系 统中 为 可 选 子系统. 在 s a n中， 存储设备成为独立的实体 ， 其通过网络可以为多 个主机系统 提供基于块的数据服务。 远程高可用系统中另一个重要的组成因素是高速可靠的网络.如何使用通 信链路和链路本身一样重要，协议有着调整带宽利用率的能力，一个好的协议 可以充分利用一种通信链路的带宽。现有的远程容灾方案中使用的数据传输协 议 1 7 1 有: ( i )f c p ( 光 纤 信 道 协 议) 。 f c s 定 义 了 一 种 用于 连 接 主 机 和 存 储 设 备的 高 速 数据传输机制， 光纤信道协议则是在光纤 信道上的 s c s i 接口 协议。光纤信道 网络拓朴支持三种架构:点对点、仲裁环和交换式架构。传输率可以达到 1 0 g b p s ， 支 持 光 介 质 和 电 介 质 ， 可以 传 送 多 种 接口 命 令 集， 包 括 if , s c s i , ip i , h i p p i - f p以及音频 / 视频。如果用光纤做传输介质的话， 本地与远程之间距离 可达到 1 0 公里。 ( 2 ) f c i p( 基于i p的 光纤信道协议) 。 基于t c p / i p 的f c i p 协议利用t c p / i p 数据包封装 f i b e r c h a n n e l 命令和数据， 通过ep 网络传输 f i b e r c h a n n e l 命令和数 据。 f c i p协议能够通过 i p网络将各个孤立的光纤信道 s a n连接起来，形成一 个统一的存储区域网络，因此可以用来克服光纤通道 目 前存在的距离限制因素， 跨越大于光纤通道支持的距离连接 s a n孤岛。 ( 3 ) i f c p ( i n t e r n e t 光纤信道协议) o i f c p 是 一种网 关到网 关的协议， 为 t c p / i p 网络上的光纤设备提供光纤信道通信服务。 i f c p能够使用 t c p 提供的拥塞控制、 差错监测与恢复功能。 i f c p主要目标是使现有的光纤信道设备能够在i p网络上 以线速互联与组网，其中 i p组件和技术取代了光纤信道交换和路由选择结构。 ( 4 ) i s c s i ( i n t e r n e t s c s i 协议) 。i s c s i ( 互联网小型计算 机系统接口) 是一 种基于i p 协议进行数据块传输的标准. 它是由c i s c 。和i b m 两家发起的， 并且 得到了i p 存储技术拥护者的大力支持。i s c s i 的主要功能是 在 t c p / i p网络上 的主机系 统 ( 启动器 i n i t i a t o r ) 和存储 设备 ( 目 标器 t a r g e t ) 之间进行大量数据 的封装和可靠传输.相对于以往的网络接入存储，i s c s i 的出现解决了开放性、 容量、传输速度、兼容性、 安全性等问题， 其优越的性能与 低廉的成 本使其自 发布之日始便受到市场的关注与青睐。 第二章 数据备份技术 第二章数据备份技术 第一节数据备份与容灾的区 别 数据备份是指为防止系统出现操作失误或系统故障导致数据丢失而将全系 统或部分数据集合从应用主机的 硬盘或阵 列复制到其它的存储介质的过程。备 份数据通常是离线的，以 磁带或 光盘为 介质。当 操作失误或系统故障发生时， 再把数据从备 份设备恢复到磁盘或阵 列中。 传统的 数据备份主要是 采用数 据内 置或 外置的 磁带 机进行冷备份。 随着数据的不断增加和系统要求的 不断 提高， 附 带的 备份程序根本无法满足日 益增长的需求。要想对数据进行可 靠的 备份， 必须选择专门的备份软、硬件，并制定相应的备份及恢复方案。 数据备份与容灾是两个不同的 概念。 数据备份的目 的是为了 系统数据崩溃 时够快速的恢复数据，使损失减少到 最小。 任何灾难 恢复系统实际上都是建立 在备份基础上的。从这个意义上说， 数据备份是一切灾难恢复系统的基础，也 是容灾系统的基础。 两者的具体区别如下: ( 1 )容灾主要针对火灾、地震等重大自然灾害，因此备份中心与主中心间 必须保证一定的安 全距离; 而数据 备份则一般在同一数 据中 心进行。 ( 2 ) 容灾系 统不仅要保护 数据，更重要的目 的 在于保证业务的 连续性; 而 数据备份系统 只保护数据的 安全性。 ( 3 ) 容灾保证数据的完整性; 备份则只能 恢复出 备份时间点以 前的数 据。 ( 4 ) 容灾是在线过程; 备份是离线过 程。 ( 5 ) 容灾系统中， 两地的数 据是实时一致的 ; 备份的 数据则具有一定的时效 性。 ( 6 ) 故障 情况 下， 容灾 系统的 切换时间是 几分钟; 而备份系统的恢复时间 可 能是几小时到几十小时。 第二节常用的数据备份方式 2 .2 . 1 全量备份方式 第二章 数据备份技术 全量备份0 8 就是用存储介 质定期地对整个系 统进行 完全备 份， 包括系统和 数据。这种备份方式的好处就是很直观， 容易被人理解， 而且当数据丢失时， 只要用灾难发生前最后一次的备份数据就可以 恢复丢失的数据。它也有不足之 处。首先由 于每次都要对系统进行完全备份，因 此在备 份数据中有大量的重复 信息，例如操作系统与应用程序。 这些重复的 数据占 用了 大量的存储空间，这 对用户来说就意味着成本的增加。 其次，由 于需要备份的数据量相当 大，因此 备份所需的时间较长。对于那些业务繁忙、 备份时间相 对有限的单位来说，这 种备份策略无疑是不明智的. 2 . 2 . 2 增量备份方式 增量备份就是每次备份的数据只是上一次备份后增加和修改过的数据。这 种备份方式与全量备份相比优点很明显:没有重复的备份数据，既节省磁带空 间，又缩短了备份时间。它的缺点在于当发生灾难时，恢复数据比较麻烦。举 例来说， 如果系统在星期四 早晨发生故障， 丢失 大批数 据，现在就需要将系统 恢复到星期三晚上的状态。 这时管理员首先需 要找出星期一的那盘完全备份磁 带进行系统恢复， 然后再找出 星期二的磁带来 恢复星期二的数据， 然后再找出 星期三的磁带来恢复星期三的数据。很明显这比第一种策略要麻烦得多。另外 这种备份方式的可靠性也并不理想。在这种方式下，各磁带间的关系就像链子 一样， 一环套一 环， 其中 任何一环出了问 题都会导致整条链子脱节。 2 . 2 . 3 差额备份方式 差额备份就是每次备份的数据是相对于上一次全量备份之后新增加和修改 过的 数据。管理员 先在星期一进行一次系统 完全备份， 然后在接下来的几天里， 再 将当天 所有与 星期 一不同的 数据( 新的 或经改动的) 备 份到 磁带上。 举例来说， 在星期一，网 络管理员按 惯例进行系统完全备份;在星期二， 假设系统内 只多 了 一个资产清单，于是管理员只需将这份资源共享产清单一并备份下来即可; 在星期三，系统内又多了一份产品目 录，于是管理员不仅要将这份目 录， 还要 连同星期二的那 份资产清单一并备份下来.如果在星期四系统又多了一张工资 表，那么星期四 需要备份的内 容就是: 工资表十产品目 录十资产清单。系统进行 恢复时，需要找到前一 天差额 数据和最近一次的全 量备 份。 第 二章 数据备份技术 2 . 2 . 4 备份方式的比较和适用范围 各备份方式的 优缺点【2 0 1 比较见下表: 表 2 . 1 备份方式的比较 比较项目全量备份增量备份差额备份 时间花费多少较少 空间占用大.j 、 较小 备份对原有系统 的性能影响 大小, . 恢复时间短长 较短 恢复负杂度, j .大 较小 由上表可以看出，不同的备份方式都有各自的优缺点，适用于不同的情况。 我们在备份时要根据它们各自的特点灵活使用。 数据量少时， 我们可以 每次都用全量备 份备份数据， 这样， 恢复时，只需 要指定一个数据源即可。 数据量大时， 如果每天作全 备份，效率会很低。 我们可以 结合全备份和增 量备份方式。比 如每星期作 一次 全备份( 如星期天 ) ， 其它时 间，每天作一个增量 备份( 如: 星期一 到星期六 ) 。 恢复时 ，只要依次恢复 最多 七个备份介质即可。 ( 如: 上周日 、 星期一、 星期二，直到出事前一天的 数据。 ) 数据量特别大时，每星期作全备份对系统的压力也会很大。这时，我们可 以结 合全备份、累计增量备份、 增量备份三种方式， 提供相对效率高， 恢复有