存儲備份技術探討

摘 要：在當今網絡信息時代，SAN（存儲區域網絡）是存儲領域近來十分引人注目的技術。它一方面能為網絡上的應用系統提供豐富、快速、簡便的存儲資源；另一方面又能共享存儲資源并對其實施集中管理，成為當今理想的存儲管理和應用模式。討論了SMR系統中卷復制技術和Snapshot備份技術，利用其系列功能，可以大大地減少計劃外或計劃內的宕機時間，充分提高數據的可用性，同時可以提高系統的服務時間。

關鍵詞：存儲；備份；卷復制技術；Snapshot備份技術

中圖分類號：TP文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）08-0348-02

1 數據存儲備份與恢復的作用與意義

隨著計算機的普及和信息技術的進步，特別是計算機網絡的飛速發展，信息安全的重要性日趨明顯。但是，作為信息安全的一個重要內容——數據存儲備份的重要性卻往往被人們所忽視。只要發生數據傳輸、數據存儲和數據交換，就有可能產生數據故障。這時，如果沒有采取數據存儲備份和數據恢復手段與措施，就會導致數據的丟失。有時造成的損失是無法彌補和無法衡量的。

數據故障的形式是多種多樣的。通常，數據故障可劃分為系統故障、事務故障和介質故障三大類。在信息的收集、處理、存儲、傳輸和分發中經常會存在一些新的問題，其中最值得關注的就是系統失效、數據丟失或遭到破環。

因此，數據存儲備份和數據恢復是保護數據的最后手段。

2 數據存儲備份系統的基本構成

一個好的數據存儲備份系統應該具備以下一些基本要素：（1）保護性：全面保護用戶的數據，在災難發生時能快速可靠地進行數據恢復；（2）可管理性：這是存儲備份中一個重要的因素。因為可管理性與存儲備份的可靠性緊密相關。最佳的可管理性當然就是自動化存儲備份方案，這不僅增加了數據的安全性和可靠性，而且在數據恢復時減少了以往十分繁瑣的工作步驟，節約了大量的人力和時間；（3）可擴展性：存儲備份最大的忌諱就是在存儲備份過程中因介質容量不足而更換介質。因為這會降低存儲備份數據的可靠性與完整性。因此，存儲介質的容量在存儲備份中具有壓倒一切的重要性。

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3 卷復制技術

3.1 存儲備份模型

當用戶的數據需要保留相對比較長的時間時，最經濟的方法是采用磁帶，這就需要解決因此帶來的需要長時間存儲備份和恢復的問題。要完成存儲備份/恢復操作，最簡單的方案就是：用戶在每次需要進行數據拷貝時，逐個指定所使用的源/目的Volume，若需要多個副本，則需要多次重復同一過程。這樣把對存儲備份介質的管理和對存儲備份過程的控制責任完全壓在了用戶身上，不但效率低下，而且容易出錯，也沒有充分發揮磁盤陣列硬件的并行優勢。

為此，備份恢復管理模塊首先從介質的管理入手，它通過引入復制的觀點，即在磁盤陣列中將一些磁盤作為主磁盤，另一些作為主磁盤的冗余盤，也叫從磁盤，通過對主磁盤和從磁盤的pair設定，并提供復制、恢復、分離等命令，可實現以下功能：主盤上所有數據的變化可以直接反映到從盤上；當發生意外時，從盤上的數據可以迅速恢復到主盤上等功能，并且通過各種選項的設置，實現不同的復制狀態，按用戶的需要完成不同的備份恢復功能。用戶可以事先規劃好數據的備份和恢復關系，在用戶的參與下建立起多個磁盤陣列間的備份網絡，以后的備份/恢復過程就只需要指定所要操作的備份網絡即可。

備份/恢復操作是以邏輯盤LD為單位進行的。邏輯盤在備份術語中稱為“卷”。基本備份/恢復功能就是通過將磁盤陣列中業務卷上的數據復制到復制卷上，以實現系統的高安全性。當業務卷上的數據被毀壞時，就可以用它的復制卷上的數據來恢復業務卷上的數據內容，或者讓服務器直接訪問這個復制卷。

3.2 Pair信息的存儲

借助pair關系的branch（分叉）和chain（鏈式）特性，可形成一個備份/恢復的多叉樹，并進而形成一個強大的備份網絡。為了在系統中表示與操作這種關系，需要用一種數據結構來存儲它。作為pair中主方的Volume會具有MV屬性，作為pair中從方的Volume會具有RV屬性。

關系總是依賴于實體而存在的，因此筆者將pair關系用volume中的一個稱之為“pair node”的內嵌結構體來表示。pair node中包含MV或RV的定位信息，以及該pair當前所處的狀態。

為了查詢性能的優化，以及為了能通過RDR pair中的一方找到位于遠地的另一方，在MV和RV所對應的Volume中都持有表示同一個pair關系的“pair node”。

pair關系是有方向性的，為了區分這一點，參照Volume的分類方法，可將MV中的那個指向RV的“pair node”稱為“replication pair node”，將RV中的那個指向MV的“pair node”稱為“master pair node”。

MV和RV中表示同一個pair關系的“pair node”中所保存的pair狀態值在大多數情況下是完全一樣的，但在pair中一方出現故障而另一方正常時，二者的內容可能會有所差別。另外，系統提供了一些單方強制操作，亦只對pair中的某一方而不是同時對MV和RV同時執行操作，在這種情況下，MV和RV中的pair狀態信息也會有所差別。這種MV和RV中保存的pair狀態信息的不一致性，也是同時在MV和RV方保存pair信息的原因之一。

圖1 pair信息存儲示意圖

3.3 卷復制功能的實現

（1）pair的設定和解除操作。

在設定pair時，首先要檢查指定的兩個Volume是否可以被設定為pair，即：①即將作為RV的Volume必須是一個IV（獨立卷）；②兩個Volume的容量、類型等必須完全一致；③若即將作為MV的Volume不是一個VI，則它所在的所有pair必須處于分離狀態；在解除一個pair時，要檢查指定的兩個volume是否己經是一對pair，且該pair應當處于分離狀態。

（2）Restore/Separate等操作。

這些操作本身的實現并不難，最主要的是要在命令發行前根據硬件的當前狀態進行合法性檢查，預先判斷這些命令發往硬件后，是否能被執行成功。若檢查通過，則將之打包成Agent代理模塊所能識別的電文并發往Agent代理模塊，等待執行結果的返回。

4 Snapshot存儲備份技術

4.1 Snapshot的提出

卷復制技術能夠提供塊級的數據同步功能，并且在性能上比文件復制要高出許多。在備份的時候，可以實現對數據的無間斷備份，僅僅是在主卷和從卷分離的時候，需要停止在主卷上的作業。但是，這種I/0操作，即使是處于同一個磁盤陣列筐體內的兩個磁盤（LD ）之間進行，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技術，更適合于對付突如其來的物理災害。

Snapshot技術是實現瞬間做成volume在某一時間的拷貝，大大降低了備份時業務中斷的時間，同時，它應用差分管理技術實現了備份成本的降低，并且，使得備份的世代管理成為可能。

4.2 Snapshot的實現方式

從Snapshot實現的層次來看，Snapshot功能可以由磁盤陣列內的固件來實現，也可以在操作系統級由卷管理器軟件或文件系統來實現。從實現所采用的技術來看，可采用指針型實現方式。其核心是采用虛擬磁盤技術，Snapshot中的每一個數據塊建立一個指針，指示該數據塊所在的實際地址。對于Snapshot中那些與原始數據相同的數據塊，不需要額外的數據副本，Snapshot中只需要維持一個指向該原始數據塊的指針；只有那些與原始數據不同的數據塊，需要創建一份舊數據的副本。

使用Snapshot時，需要制作較多的Snapshot拷貝，一般需要4至8個Snapshot拷貝循環使用。恢復時，需要配合使用原始數據volume與最新的那個Snapshot卷。最重要的是，需要有一種方法來對這些Snapshot拷貝進行“世代”管理，記錄它們的“新、舊”程度。而卷復制方案只需要2至3個volume，不需要任何“世代”管理方案。

4.3 Snapshot的核心技術實現

（1）數據在SDD中的存放及訪問。

在Snapshot在做成快照映像時，對SOV或是DV寫數據是將差異數據存放在SDD區域的LD中，相應時間點做成的DV保存的則是對應SDD中數據保存位置的地址指針，即通過這些地址指針統一管理所有的差異信息。

圖2 SDD的存儲以及世代示意圖

（2）快照磁盤向源磁盤的數據恢復。Snapshot和其他的數據備份管理相類似，同樣具有備份和恢復功能。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restore將RV備份的數據重新復制回MV的處理方法，通過DV把SDD中的差異信息重新寫回到SOV上。恢復的基礎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的數據是可用的就可以進行數據恢復，而是如果SOV出現了物理故障，DV失去了恢復數據的基礎，從而所有的DV都變成了無效的。

5 卷復制技術和Snapshot存儲備份技術比較

卷復制技術可以耐物理障害，同時，由于是全盤復制，對復制盤的訪問并不會影響主盤的性能，但是，這些都是在高成本的前提下實現的。

Snapshot技術雖然在耐物理障害方面劣勢明顯，但是，它的存儲備份速度是微秒級的，這使得它對業務的影響最小，當然，代價是對主盤訪問的性能會有所下降。同時，由于Snapshot只復制變化的數據，所以占用空間較少，成本比較低。

綜述之，卷復制技術和Snapshot技術，各有利弊，各有適合使用的應用場合，也可以同時使用，對于中間過程的存儲備份或經常性的存儲備份利用Snapshot，對于階段性的存儲備份利用卷復制技術，這樣結合使用可以實現更加靈活的存儲備份策略。

參考文獻

［1］Robert SPadlnig，郭迅華.存儲網絡完全手冊［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［2］牛云，徐慶.數據備份與災難恢復［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［3］聶丹.適合中小企業的數據備份方案［J］.常州工學院學報，2007，（4）.

［4］王春.數據存儲技術的發展與未來［J］.鐵路通信信號工程技術，2006，（2）.

［5］劉賢揩.網絡存儲方案的選擇［J］.信息技術.2005，（4）.