一種廉價的高效、可靠的災難備份方法

摘要：通過本地監控模塊監控數據變化，并將其傳輸到海量高速緩存中暫存。通過網絡傳輸及優化模塊將緩存的數據高效地傳輸到遠程，由遠程重放模塊完成寫操作重放。本地一致性檢測模塊和遠程一致性檢測模塊協同工作完成數據一致性的保證，該方法對主機及網絡的要求相對較低。在Linux上實現了該方法的演示系統，通過測試工具驗證了該設計具有良好的工作性能。

關鍵詞：備份； 災難恢復； Linux內核； 優化

中圖分類號：TP309.2

文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695（2007）09-0140-03

由于紛繁復雜的原因，計算機信息系統的脆弱性不斷增加[1]，災難備份系統隨之得到愈來愈多的關注[2]。傳統的備份技術，如快照技術、磁帶備份、RAID等，很難應付大規模的災難。即便是人們投入了極高熱情的網絡存儲技術，一般都需要光纖專線等十分昂貴的傳輸基礎設施[2]，這使得NAS[1]等遠距離網絡存儲技術的大范圍推廣受到極大的限制。所以，廉價、高效的災備技術成為了有重要意義的熱點技術[2~7]。

本文提出一種廉價、高效的災難備份方法。該方法具有以下的顯著優點：能夠高效地利用從本地到遠程的帶寬，即使在極低的帶寬下依然有良好的性能表現；對部署環境要求低，成本低廉；對應用程序完全透明；給監控主機帶來的讀寫負載小。并且通過使用NetworkAppliance公司的開源測試工具PostMark[8]，測試在Linux 2.4上實現的演示系統。測試數據表明該方法對需要備份的目標主機幾乎沒有讀寫性能上的影響，而且在低帶寬下依然有良好的性能表現，通過簡單的配置就可以在Internet上實現遠程異地備份。

1設計

1.1總體架構

整個方案從部署上可以分為本地和遠程兩大子系統，如圖1所示。

本地子系統又分為本地服務器和本地網關。本地服務器將監控到的數據變化通過高速本地網絡傳輸到本地網關；本地網關將接收到的數據暫存到海量高速緩存中，然后將海量高速緩存中的數據取出，通過Internet傳輸到遠程重放備份主機上進行重放備份。

1.2模塊設計

從功能上，該方法可以分為以下六個模塊（圖2）：

a)本地監控模塊。運行在需要備份的主機上，負責獲取變化的數據，并通過網絡傳輸模塊將其傳輸到本地網關。

b)網絡傳輸模塊。負責數據在網絡上端到端地傳輸。

c)海量高速緩存模塊。工作于本地網關上，負責將變化的數據暫時緩存本地網關上。

d)優化模塊。工作于本地網關上，它將從海量高速緩存中取出的數據進行整合優化，再傳遞到遠程備份主機。

e)一致性檢測模塊。工作于本地網關及遠程備份主機上，主要負責備份數據一致性檢測。從實現上來講，本地網關的一致性檢查工作主要負責提取必要的相關數據，如數據的原始摘要值等，這些功能分散于海量緩存和優化模塊中。而在遠程備份主機上有獨立的一致性檢查模塊，它利用各種信息進行一致性檢測工作。

f)遠程重放模塊。工作在遠程備份主機，主要負責將變化的數據在遠程主機上進行重放備份操作。

2實現

2.1本地監控模塊

本地監控模塊實現在文件系統以下。在Linux上所有對塊設備的I/O請求都必須經過塊設備驅動，因此選擇塊設備驅動上實現本地監控模塊。這樣的實現層次不僅可以監控Linux的所有文件操作，還可以監控對塊設備的直接I/O操作。這種特性使得本地監控模塊具有良好的對應用程序的透明性。由于需要工作在塊設備驅動之上，將本地監控模塊實現為內核模塊，可以動態地加載和卸載。

本地監控模塊分析所有對塊設備的請求：所有的讀請求直接向塊設備提交；對所有的寫請求進行必要的封裝通過高速網絡發送給本地網關的海量高速緩沖模塊進行緩沖，并且向本地的對應塊設備提交。

2.2網絡傳輸模塊

網絡傳輸模塊主要負責整個方法中端到端的數據傳輸工作?？紤]到效率和本地監控模塊工作的層次以及截獲數據的格式，網絡傳輸模塊和其他模塊都工作在Linux內核中。

網絡傳輸模塊主要功能內核創建通信連接，并且等待上層(如本地監控模塊、優化模塊等)提交的傳輸請求，完成傳輸請求或傳輸出錯后通知請求發起者。

2.3海量高速緩存模塊

海量高速緩存模塊通過網絡傳輸模塊接收來自本地監控模塊的數據，解析這些數據并申請適當大小的空閑磁盤空間。依據公式mddata=H(data)生產本次數據的摘要值；依據公式mddisk=H(mddata+mddisk）更新對應的監控磁盤的摘要值。其中摘要生產算法H可以通過配置文件選擇MD5、SHA-1等；然后把本地網關需要的數據封裝成新的數據結構，格式為sendnode={data，mddata，mddisk，address，len，othermesg}

其中：data為這次請求要備份的數據；mddata為備份數據的摘要；mddisk為成功提交數據后對應監控磁盤的摘要值；len為數據的長度；address為數據應該寫到備份磁盤的起始位置； othermesg為一些其他信息；然后將封裝后的數據保存到本地網關上的海量磁盤中，在稍后系統負載較輕時，從海量緩存磁盤中依次讀取這些數據，并將其依次插入發送隊列(sendlist，以sendnode為節點組成的鏈表)中，等待優化模塊處理。只有當優化模塊返回正確的確認，才從海量緩存中把這些數據標志為無效，回收這些磁盤空間。

2.4優化模塊

優化模塊主要的工作就是要使得傳輸工作可以高效地完成。在優化模塊中有兩個主要的數據結構、一個主要的配置參數和兩個主要的算法。這兩個數據結構是待發送集合Stosend和發送集合Ssend。Stosend 和Ssend 有同樣的結構S={{nod1，nod2，…，nodn}，{mdbegin，mdend，count}}。其中：nodi為sendnode，從nod1到nodn是按順序提交的寫請求序列，以鏈表來實現；mdbegin為nod1提交前監控磁盤的md值，mdend為nodn提交后監控磁盤的md值；count 為nod的計數器，即count＝n；重要的配置參數是max表示Stosend最多包含的nod數。max可以通過配置文件進行配置。兩個算法是從發送隊列中生成Stosend的Fget和從Stosend生成Ssend的Fopt。簡而言之：

Stosend=Fget(sendlist);Ssend=Fopt(Stosend)

Fget，Fopt算法具體如下：

Fget（sendlist）

begin

初始化計數器、Stosend集合;

while(sendlist不為空或計數器小于max)

begin

將sendlist的頭節點插入Stosend尾部;

計算器加1;

end

if(如果Stosend不是空集合)

將Stosend尾節點的mddisk賦值給Stosend的mdend;

returnStosend;

end

fopt(Stosend)

begin

初始化 Ssend;

從Stosend的頭節點開始對Stosend中的每一個節點；

begin

if(該節點可以與Stosend已有節點合并)使用該節點替換中Stosend的對應節點；

else

將該節點加入Stosend的尾部；

end

return Ssend;

end

優化模塊將Ssend提交給網絡傳輸模塊，傳輸到遠端備份主機。當整個Ssend在遠端完成備份后，遠端返回確認信息；然后優化模塊對Stosend集合返回確認信息給海量緩沖模塊。整個過程一直循環直到sendlist為空。

2.5一致性檢測模塊

一致檢查模塊的思想是：在遠端進行備份操作之前校驗備份集合（即是本地網關發送的Ssend）的mdbegin與當前備份磁盤的md值是否一致。如果不一致，報錯;如果一致，通過nod.mddata校驗每一個nod的數據是否被竄改，如果沒有通過校驗要求，則要求對端重傳該nod。

2.6遠程重放模塊

數據重放模塊接收經過一致性檢查的備份集合，對集合中每一個操作進行合法性檢驗。當且僅當所有的操作都合法，重放模塊才提交所有的操作。如果任何一個操作不合法，重放模塊立即報錯并通知對端。當所有的操作正確返回時，使用備份集合的mddisk更新當前備份磁盤的md值。

3實驗及分析

3.1實驗環境

實驗環境如表1所述。其中本地網關與遠程備份中心使用512 kbps的帶寬相連，而本地網絡的帶寬為100 Mbps。

3.2方法讀寫性能對比

在本地服務器上分別在使用災備系統和不使用災備系統的情況下對其讀寫性能進行測試。PostMark的參數中transaction=5 000， number=1 000，其他參數使用默認配置。實驗結果如表2所示。

表2中的A代表沒有使用災備系統的情況，B代表使用災備系統的情況。如表2數據所示，該方法對應用程序而言在讀寫性能上幾乎沒有影響。

3.3網絡使用效率分析

本文分別在開啟優化模塊和不開啟優化模塊的情況下使用PostMark對系統進行壓力測試。首先連續對本地服務器的備份磁盤進行大量的讀寫操作，把這些讀寫操作全部記錄下來作為一個標準的分析樣本;然后將這個樣本分別在各種情況下作為數據源進行測試并統計實際發送的網絡流量。分別對max為256、512、1024的三種不同的優化情況進行了測試。表3反映了總體對比情況。其中：tosend列是需要發送的數據量；send是實際發送的數據量； S/TS是實際發送數據量與需要發送數據量的比值。

從上述測試數據可以看出，優化模塊可以對從本地網關發送到遠程備份服務器的數據起到很好的優化作用，尤其是當需要頻繁地讀寫同一系列文件的應用架構在當本災備方法之上的時候。max的設置也直接影響著優化模塊的工作效率。所以max的設置要根據本地網關的硬件配置，尤其是本地網關的內存大小以及需要備份的應用讀寫同一系列文件的周期來設定一個比較合理的值。

4結束語

本文提出一種廉價、高效、可靠的災難備份方法，并且實現了其演示系統。使用PostMark測試了演示系統的效率，測試結果說明，該方法不僅對應用程序透明，而且對文件系統的工作效率幾乎沒有影響。對網絡效率的測試充分說明，該方法在Internet的低帶寬上可以高效地工作，避免了傳統異地災備系統對高速網絡的依賴，極大地降低了該方法的成本。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”