存儲(chǔ)備份技術(shù)

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摘要：在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代，SAN（存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）是存儲(chǔ)領(lǐng)域近來(lái)十分引人注目的技術(shù)。它一方面能為網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用系統(tǒng)提供豐富、快速、簡(jiǎn)便的存儲(chǔ)資源；另一方面又能共享存儲(chǔ)資源并對(duì)其實(shí)施集中管理，成為當(dāng)今理想的存儲(chǔ)管理和應(yīng)用模式。討論了SMR系統(tǒng)中卷復(fù)制技術(shù)和Snapshot備份技術(shù)，利用其系列功能，可以大大地減少計(jì)劃外或計(jì)劃內(nèi)的宕機(jī)時(shí)間，充分提高數(shù)據(jù)的可用性，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的服務(wù)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：存儲(chǔ)；備份；卷復(fù)制技術(shù)；Snapshot備份技術(shù)

1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份與恢復(fù)的作用與意義

隨著計(jì)算機(jī)的普及和信息技術(shù)的進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，信息安全的重要性日趨明顯。但是，作為信息安全的一個(gè)重要內(nèi)容——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份的重要性卻往往被人們所忽視。只要發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)交換，就有可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)故障。這時(shí)，如果沒(méi)有采取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)手段與措施，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。有時(shí)造成的損失是無(wú)法彌補(bǔ)和無(wú)法衡量的。

數(shù)據(jù)故障的形式是多種多樣的。通常，數(shù)據(jù)故障可劃分為系統(tǒng)故障、事務(wù)故障和介質(zhì)故障三大類(lèi)。在信息的收集、處理、存儲(chǔ)、傳輸和分發(fā)中經(jīng)常會(huì)存在一些新的問(wèn)題，其中最值得關(guān)注的就是系統(tǒng)失效、數(shù)據(jù)丟失或遭到破環(huán)。

因此，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)是保護(hù)數(shù)據(jù)的最后手段。

2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份系統(tǒng)的基本構(gòu)成

一個(gè)好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份系統(tǒng)應(yīng)該具備以下一些基本要素：（1）保護(hù)性：全面保護(hù)用戶(hù)的數(shù)據(jù)，在災(zāi)難發(fā)生時(shí)能快速可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)；（2）可管理性：這是存儲(chǔ)備份中一個(gè)重要的因素。因?yàn)榭晒芾硇耘c存儲(chǔ)備份的可靠性緊密相關(guān)。最佳的可管理性當(dāng)然就是自動(dòng)化存儲(chǔ)備份方案，這不僅增加了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，而且在數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)減少了以往十分繁瑣的工作步驟，節(jié)約了大量的人力和時(shí)間；（3）可擴(kuò)展性：存儲(chǔ)備份最大的忌諱就是在存儲(chǔ)備份過(guò)程中因介質(zhì)容量不足而更換介質(zhì)。因?yàn)檫@會(huì)降低存儲(chǔ)備份數(shù)據(jù)的可靠性與完整性。因此，存儲(chǔ)介質(zhì)的容量在存儲(chǔ)備份中具有壓倒一切的重要性。

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3卷復(fù)制技術(shù)

3.1存儲(chǔ)備份模型

當(dāng)用戶(hù)的數(shù)據(jù)需要保留相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間時(shí)，最經(jīng)濟(jì)的方法是采用磁帶，這就需要解決因此帶來(lái)的需要長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)備份和恢復(fù)的問(wèn)題。要完成存儲(chǔ)備份/恢復(fù)操作，最簡(jiǎn)單的方案就是：用戶(hù)在每次需要進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝時(shí)，逐個(gè)指定所使用的源/目的Volume，若需要多個(gè)副本，則需要多次重復(fù)同一過(guò)程。這樣把對(duì)存儲(chǔ)備份介質(zhì)的管理和對(duì)存儲(chǔ)備份過(guò)程的控制責(zé)任完全壓在了用戶(hù)身上，不但效率低下，而且容易出錯(cuò)，也沒(méi)有充分發(fā)揮磁盤(pán)陣列硬件的并行優(yōu)勢(shì)。

為此，備份恢復(fù)管理模塊首先從介質(zhì)的管理入手，它通過(guò)引入復(fù)制的觀點(diǎn)，即在磁盤(pán)陣列中將一些磁盤(pán)作為主磁盤(pán)，另一些作為主磁盤(pán)的冗余盤(pán)，也叫從磁盤(pán)，通過(guò)對(duì)主磁盤(pán)和從磁盤(pán)的pair設(shè)定，并提供復(fù)制、恢復(fù)、分離等命令，可實(shí)現(xiàn)以下功能：主盤(pán)上所有數(shù)據(jù)的變化可以直接反映到從盤(pán)上；當(dāng)發(fā)生意外時(shí)，從盤(pán)上的數(shù)據(jù)可以迅速恢復(fù)到主盤(pán)上等功能，并且通過(guò)各種選項(xiàng)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不同的復(fù)制狀態(tài)，按用戶(hù)的需要完成不同的備份恢復(fù)功能。用戶(hù)可以事先規(guī)劃好數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)關(guān)系，在用戶(hù)的參與下建立起多個(gè)磁盤(pán)陣列間的備份網(wǎng)絡(luò)，以后的備份/恢復(fù)過(guò)程就只需要指定所要操作的備份網(wǎng)絡(luò)即可。

備份/恢復(fù)操作是以邏輯盤(pán)LD為單位進(jìn)行的。邏輯盤(pán)在備份術(shù)語(yǔ)中稱(chēng)為“卷”。基本備份/恢復(fù)功能就是通過(guò)將磁盤(pán)陣列中業(yè)務(wù)卷上的數(shù)據(jù)復(fù)制到復(fù)制卷上，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高安全性。當(dāng)業(yè)務(wù)卷上的數(shù)據(jù)被毀壞時(shí)，就可以用它的復(fù)制卷上的數(shù)據(jù)來(lái)恢復(fù)業(yè)務(wù)卷上的數(shù)據(jù)內(nèi)容，或者讓服務(wù)器直接訪問(wèn)這個(gè)復(fù)制卷。

3.2Pair信息的存儲(chǔ)

借助pair關(guān)系的branch（分叉）和chain（鏈?zhǔn)剑┨匦裕尚纬梢粋€(gè)備份/恢復(fù)的多叉樹(shù)，并進(jìn)而形成一個(gè)強(qiáng)大的備份網(wǎng)絡(luò)。為了在系統(tǒng)中表示與操作這種關(guān)系，需要用一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)它。作為pair中主方的Volume會(huì)具有MV屬性，作為pair中從方的Volume會(huì)具有RV屬性。

關(guān)系總是依賴(lài)于實(shí)體而存在的，因此筆者將pair關(guān)系用volume中的一個(gè)稱(chēng)之為“pairnode”的內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)體來(lái)表示。pairnode中包含MV或RV的定位信息，以及該pair當(dāng)前所處的狀態(tài)。

為了查詢(xún)性能的優(yōu)化，以及為了能通過(guò)RDRpair中的一方找到位于遠(yuǎn)地的另一方，在MV和RV所對(duì)應(yīng)的Volume中都持有表示同一個(gè)pair關(guān)系的“pairnode”。

pair關(guān)系是有方向性的，為了區(qū)分這一點(diǎn)，參照Volume的分類(lèi)方法，可將MV中的那個(gè)指向RV的“pairnode”稱(chēng)為“replicationpairnode”，將RV中的那個(gè)指向MV的“pairnode”稱(chēng)為“masterpairnode”。

MV和RV中表示同一個(gè)pair關(guān)系的“pairnode”中所保存的pair狀態(tài)值在大多數(shù)情況下是完全一樣的，但在pair中一方出現(xiàn)故障而另一方正常時(shí)，二者的內(nèi)容可能會(huì)有所差別。另外，系統(tǒng)提供了一些單方強(qiáng)制操作，亦只對(duì)pair中的某一方而不是同時(shí)對(duì)MV和RV同時(shí)執(zhí)行操作，在這種情況下，MV和RV中的pair狀態(tài)信息也會(huì)有所差別。這種MV和RV中保存的pair狀態(tài)信息的不一致性，也是同時(shí)在MV和RV方保存pair信息的原因之一。

圖1pair信息存儲(chǔ)示意圖

3.3卷復(fù)制功能的實(shí)現(xiàn)

（1）pair的設(shè)定和解除操作。

在設(shè)定pair時(shí)，首先要檢查指定的兩個(gè)Volume是否可以被設(shè)定為pair，即：①即將作為RV的Volume必須是一個(gè)IV（獨(dú)立卷）；②兩個(gè)Volume的容量、類(lèi)型等必須完全一致；③若即將作為MV的Volume不是一個(gè)VI，則它所在的所有pair必須處于分離狀態(tài)；在解除一個(gè)pair時(shí)，要檢查指定的兩個(gè)volume是否己經(jīng)是一對(duì)pair，且該pair應(yīng)當(dāng)處于分離狀態(tài)。

（2）Restore/Separate等操作。

這些操作本身的實(shí)現(xiàn)并不難，最主要的是要在命令發(fā)行前根據(jù)硬件的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行合法性檢查，預(yù)先判斷這些命令發(fā)往硬件后，是否能被執(zhí)行成功。若檢查通過(guò)，則將之打包成Agent模塊所能識(shí)別的電文并發(fā)往Agent模塊，等待執(zhí)行結(jié)果的返回。

4Snapshot存儲(chǔ)備份技術(shù)

4.1Snapshot的提出

卷復(fù)制技術(shù)能夠提供塊級(jí)的數(shù)據(jù)同步功能，并且在性能上比文件復(fù)制要高出許多。在備份的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的無(wú)間斷備份，僅僅是在主卷和從卷分離的時(shí)候，需要停止在主卷上的作業(yè)。但是，這種I/0操作，即使是處于同一個(gè)磁盤(pán)陣列筐體內(nèi)的兩個(gè)磁盤(pán)（LD）之間進(jìn)行，速度也不是很理想。而且，這種基于主從卷之間的備份和恢復(fù)技術(shù)，更適合于對(duì)付突如其來(lái)的物理災(zāi)害。

Snapshot技術(shù)是實(shí)現(xiàn)瞬間做成volume在某一時(shí)間的拷貝，大大降低了備份時(shí)業(yè)務(wù)中斷的時(shí)間，同時(shí)，它應(yīng)用差分管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了備份成本的降低，并且，使得備份的世代管理成為可能。

4.2Snapshot的實(shí)現(xiàn)方式

從Snapshot實(shí)現(xiàn)的層次來(lái)看，Snapshot功能可以由磁盤(pán)陣列內(nèi)的固件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以在操作系統(tǒng)級(jí)由卷管理器軟件或文件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從實(shí)現(xiàn)所采用的技術(shù)來(lái)看，可采用指針型實(shí)現(xiàn)方式。其核心是采用虛擬磁盤(pán)技術(shù)，Snapshot中的每一個(gè)數(shù)據(jù)塊建立一個(gè)指針，指示該數(shù)據(jù)塊所在的實(shí)際地址。對(duì)于Snapshot中那些與原始數(shù)據(jù)相同的數(shù)據(jù)塊，不需要額外的數(shù)據(jù)副本，Snapshot中只需要維持一個(gè)指向該原始數(shù)據(jù)塊的指針；只有那些與原始數(shù)據(jù)不同的數(shù)據(jù)塊，需要?jiǎng)?chuàng)建一份舊數(shù)據(jù)的副本。使用Snapshot時(shí)，需要制作較多的Snapshot拷貝，一般需要4至8個(gè)Snapshot拷貝循環(huán)使用。恢復(fù)時(shí)，需要配合使用原始數(shù)據(jù)volume與最新的那個(gè)Snapshot卷。最重要的是，需要有一種方法來(lái)對(duì)這些Snapshot拷貝進(jìn)行“世代”管理，記錄它們的“新、舊”程度。而卷復(fù)制方案只需要2至3個(gè)volume，不需要任何“世代”管理方案。

4.3Snapshot的核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)在SDD中的存放及訪問(wèn)。

在Snapshot在做成快照映像時(shí)，對(duì)SOV或是DV寫(xiě)數(shù)據(jù)是將差異數(shù)據(jù)存放在SDD區(qū)域的LD中，相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)做成的DV保存的則是對(duì)應(yīng)SDD中數(shù)據(jù)保存位置的地址指針，即通過(guò)這些地址指針統(tǒng)一管理所有的差異信息。

圖2SDD的存儲(chǔ)以及世代示意圖

（2）快照磁盤(pán)向源磁盤(pán)的數(shù)據(jù)恢復(fù)。Snapshot和其他的數(shù)據(jù)備份管理相類(lèi)似，同樣具有備份和恢復(fù)功能。由于Snapshot的備份是虛擬的，因此SRestore也是虛擬的。它并不采用傳統(tǒng)restore將RV備份的數(shù)據(jù)重新復(fù)制回MV的處理方法，通過(guò)DV把SDD中的差異信息重新寫(xiě)回到SOV上。恢復(fù)的基礎(chǔ)是還存在工作正常的SOV。因此，SRestor，不能象普通的SRestore那樣，只要RV的數(shù)據(jù)是可用的就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，而是如果SOV出現(xiàn)了物理故障，DV失去了恢復(fù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，從而所有的DV都變成了無(wú)效的。

5卷復(fù)制技術(shù)和Snapshot存儲(chǔ)備份技術(shù)比較

卷復(fù)制技術(shù)可以耐物理障害，同時(shí)，由于是全盤(pán)復(fù)制，對(duì)復(fù)制盤(pán)的訪問(wèn)并不會(huì)影響主盤(pán)的性能，但是，這些都是在高成本的前提下實(shí)現(xiàn)的。

Snapshot技術(shù)雖然在耐物理障害方面劣勢(shì)明顯，但是，它的存儲(chǔ)備份速度是微秒級(jí)的，這使得它對(duì)業(yè)務(wù)的影響最小，當(dāng)然，代價(jià)是對(duì)主盤(pán)訪問(wèn)的性能會(huì)有所下降。同時(shí)，由于Snapshot只復(fù)制變化的數(shù)據(jù)，所以占用空間較少，成本比較低。

綜述之，卷復(fù)制技術(shù)和Snapshot技術(shù)，各有利弊，各有適合使用的應(yīng)用場(chǎng)合，也可以同時(shí)使用，對(duì)于中間過(guò)程的存儲(chǔ)備份或經(jīng)常性的存儲(chǔ)備份利用Snapshot，對(duì)于階段性的存儲(chǔ)備份利用卷復(fù)制技術(shù)，這樣結(jié)合使用可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的存儲(chǔ)備份策略。

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