IaaS資源池容災關鍵技術及實施建議研究

姚文勝 ，李 軍 ，葉何亮 ，萬 寧

（1.中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630；2.中國電信集團公司 北京 100033）

1 前言

美國國家標準與技術研究院（NIST）對IaaS（infrastructure as a service，基礎設施即服務）的定義為:IaaS是對所有設施的利用，包括處理、存儲、網絡和其他基本的計算資源，用戶能夠部署和運行任意軟件，包括操作系統和應用程序。消費者不管理或控制任何云計算基礎設施，但能控制操作系統的選擇、存儲空間、部署的應用，也有可能獲得有限制的網絡組件的控制[1]。IaaS資源池就是利用虛擬化技術，實現服務器、網絡、存儲等企業的基礎設施資源的抽象，使其成為一個個可以被靈活生成、調度、管理的基礎資源單位，物理資源的管理和調度都按邏輯方式進行，從而形成了一個可統一管理、靈活分配調度、動態遷移的基礎服務設施資源池。

隨著云計算技術快速發展和日漸成熟，各大IT企業的一個典型應用就是:利用虛擬化技術建設IaaS資源池，并將業務系統向資源池環境進行改造和遷移，以達到資源統一調度管理，彈性應用，提高資源利用率，降低總體擁有成本（total cost of ownership，TCO）的目的。IaaS 資源池作為企業云計算體系架構中的資源提供層，承擔著整個云計算架構的資源提供、業務部署、數據存儲、服務提供和安全管理的重要責任。容災系統建設的主要目的就是預防不可避免的、非計劃性的意外災害的發生，如果用戶不能預防或降低災難，災難一旦發生，用戶所面臨的損失將遠不止構建容災系統的成本。之所以越來越多的行業用戶在IT基礎架構建設的同時，會投入大量的精力與財力做容災，就是要把有價值的數據和信息保護起來，并加以有效管理、應用[2]。因此，企業在建設IaaS資源池的同時，從自身情況出發，建設基于IaaS資源池的容災系統，才能最大限度地保證部署在資源池上的各項業務的連續性，IaaS資源池容災系統的建設勢在必行。

2 IaaS資源池的容災關鍵技術選擇

由于技術的發展，云計算環境下的容災備份較傳統環境下的容災更易于實現，主要是采用重復數據刪除（data deduplication）、數據鏡像(mirror)、數據快照(snapshot)和持續數據保護(continuous data protection,CDP)技術。

2.1 重復數據刪除技術

IaaS資源池與存儲密不可分，隨著企業的數據量不斷增長，大量的重復數據給存儲帶來嚴峻的挑戰。舉例來說，現在有一個大小為10MB的PPT文件，要把它發送給100個用戶，這就需要郵件服務器有1 GB的可用存儲空間。當每周都要備份1 GB的重復存儲時，一年后，浪費的1 GB空間最終會導致需要52 GB的磁帶備份或其他方式的備份存儲。

重復數據刪除正是為解決數據冗余問題應運而生的，如圖1所示。基本而言，重復數據刪除就是減小存儲空間的一種方式，它通過“散列算法”（如MD5或SHA-1）對數據進行分塊處理，為每一個數據塊產生一個特定的散列值，并將它保存在索引中。當處理另一個數據塊時，其散列值將與已經編入索引中的其他散列值進行比較，如果該值已經存在于索引中，新的數據塊將會進行重復刪除處理，不被保存，但會插入一個指向已存在數據的“標號”。也就是說，當數據向備份、檔案文件或者復制平臺轉移時，只有最初的數據實例會被保存到磁盤上。隨后的實例會用小標號來簡單地注明并指向已經保存的重復部分，它通過刪除冗余數據，確保只有第一個單一的數據實例保存在存儲介質中，而刪除的冗余數據由一個指向元數據的指針所代替。

圖1 重復數據刪除技術

重復數據刪除帶來了多種好處。目前最新的存儲產品已經可以為用戶提供50∶1的壓縮比，數據存儲量的減少，極大地降低了存儲成本。這意味著只需更少的磁盤和更低頻率的磁盤采購。更少的數據同時也意味著備份更小。這些都將轉化為較少的備份窗口占用時間和更快的恢復時間目標（recovery time objective，RTO）。更小的備份也延長了在虛擬磁帶庫（virtual tape library，VTL）或虛擬檔案庫的保存時間。

重復數據刪除技術需要對數據產生一個可供重復刪除適用的全面索引，所以它適用于保存生命周期較長的數據，那些生命周期較短的數據（例如只需要保存一周的數據）對于重復刪除來說是毫無意義的。

2.2 數據鏡像技術

數據鏡像技術適用于這種場合:數據一致性對于一個企業非常關鍵，并且對于恢復時間的目標要求為0。

數據鏡像在存儲和I/O層面上有著多種實現方式，但其基本原理都在于系統在兩個獨立的存儲單元上保存數據的兩個副本，其中一個為主鏡像，另一個為副鏡像，如圖2所示。對于主鏡像中數據的變更，同步地反映在副鏡像中，從而在主鏡像發生故障而無法繼續工作時，系統可以通過使用數據的副鏡像繼續運行而不會中斷，直到修復發生故障的部件為止。

圖2 數據鏡像技術

虛擬化管理軟件中（如VMware vCenter），虛擬機的高可用性（HA）功能和容錯（FT）功能都是在數據鏡像技術的基礎上實現的。

2.3 數據快照技術

隨著存儲應用需求的提高，用戶需要以在線方式進行實時的數據保護，快照就是在線存儲設備防范數據丟失的有效方法之一。舉個例子來說，一個企業的數據量很大，而且應用晝夜不停，做一次磁帶備份需要24 h。現要求備份某日00:00時間的數據，如果使用傳統在線備份方式，備份下來的數據開始時是00:00的，最后的數據是24:00的，數據的前后一致性就無法保障了。利用數據快照技術，快照功能會自動尋找沒有數據改變的時刻進行拷貝，只需幾秒鐘即可生成需要備份數據的索引，再對這些數據進行備份。當這個備份過程結束后，數據的一致性得到了保證。

數據快照是指對指定數據集合的一個完全可用拷貝，該拷貝包括相應數據在某個時間點 （拷貝開始的時間點）的映像，可以是其所表示的數據的一個副本，也可以是數據的一個復制品。快照技術的基本形式既包括完整卷復制，也稱鏡像、克隆或業務持續性卷；也包括部分復制，即只保存發生變化的數據或改變數據的指針。數據快照技術如圖3所示。

快照技術最常見的用途是快速、簡易恢復意外擦除或損壞的數據。除此之外，快照技術可以實現兩項功能:整合資源、遷移數據。利用快照技術，能很容易地將數據遷移到新硬件中，替代現有硬件，重新安排數據的存儲方法以及將多種設備整合為一種。

2.4 持續數據保護技術

持續數據保護是快照的邏輯擴展。在2.3節使用快照技術的例子中，如果在快照的開始時間00:00至備份完成時間點24:00之間發生故障，那么00:00到發生故障之間的數據就會丟失。而持續數據保護技術可以很好地解決這個問題。

持續數據保護是一套方法，它捕獲或跟蹤數據的變化，并將其獨立存放在生產數據之外，以確保數據可以快速恢復到過去的任意時間點。持續數據保護系統可以基于塊、文件或應用實現，可以為恢復對象提供足夠細的恢復粒度，實現幾乎無限多的恢復時間點。持續數據保護技術可以連續不斷地將本地變更的數據塊或者字節增量復制到備份系統中，這從根本上改變了傳統的對數據的全備份以及恢復過程。

高頻小探頭超聲內鏡檢查：使用日本UM2000超聲診斷儀進行檢查，高頻小探頭選擇UM2R，探頭頻率為20 MHz，選擇360°旋轉掃描的方法進行檢查。在對患者進行檢查前需要禁食10 h，患者選擇左側臥位，在檢查前使用利多卡因對口咽部進行麻醉。之后將小探頭超聲內鏡送至胃內，將胃內的空氣吸凈，尋找患者的病變部位，向胃內注入300～500 ml的脫氣水。當患者胃內病變部位全部浸入脫氣水后，將超聲探頭再次插入，通過超聲內鏡觀察小探頭的具體位置，使高頻小探頭所發出的聲束與胃內的病變界面相垂直，從而使病變部位清楚地顯露出來，以便測量病變組織的大小及浸潤深度。

持續數據保護技術通常用來避免時間以及頻繁備份所遇到的一些問題。例如:持續數據保護技術可以保護終端用戶或者遠程系統通過相對的低速WAN連接。當一個終端用戶遭受了數據損失或者文件損壞時，系統就會從數據中心的CDP中得到重建；CDP的部署通常也用來保護特定的應用，例如郵件和數據庫服務器以及處理非常繁忙的網絡事務的業務系統。持續數據保護技術如圖4所示。

3 企業實施IaaS資源池備份和恢復方案的建議

3.1 傳統的容災解決方案不適用于IaaS資源池

圖3 數據快照技術

圖4 持續數據保護技術

在IaaS資源池中，計算、存儲等資源統一進行管理和彈性調度，應用系統部署運行于虛擬機上，部署架構與舊有IT系統相比更為龐大和復雜，這就對容災技術、產品的選擇與方案的制定提出了新的要求。對于技術原理和實現方式而言，傳統的容災技術與云計算IaaS資源池的容災技術基本上是一致的。但從解決方案的角度來看，傳統的容災產品和方案大多實現的是文件級或應用級的容災，存在著對IaaS資源池中的大數據文件，特別是對部署了各種應用系統的虛擬機的備份力度不甚理想等問題；同時，因為傳統容災產品和方案與虛擬化技術的結合程度不高，也難以實現虛擬機的復制與動態遷移的基本要求。所以，傳統的容災產品和方案已經無法滿足利用虛擬化技術，對部署于IaaS資源池虛擬機上的多系統統一進行備份和恢復的需求。

而利用虛擬化容災產品和軟件不僅簡化了數據備份和恢復的過程，快速實現災備目標，還降低了運維成本和災備系統的總體擁有成本。前述的容災關鍵技術已經成熟地應用在各主流廠商的軟件和硬件產品當中，比如VMware Consolidated Backup、VMware Site Recovery Manager、IBM Tivoli Storage Manager、EMC Avamar、Symentec NetBackup、FalconStor Software CDP 方案等。

3.2 IaaS資源池容災備份策略制定的基本原則

IaaS資源池中實施災難恢復與其他容災的目的都是一樣的，就是保證數據的零丟失和業務7×24 h的不中斷。IaaS資源池的容災，實際上是對部署了業務系統的虛擬機以及存儲在資源池中業務關鍵數據的容災，制定合適的容災備份策略，建立一個完備的IaaS資源池容災體系應符合以下的基本原則。

（1）綜合考慮各種因素，根據不同的災備目標，靈活運用合適的災備手段

IaaS資源池的能力和網絡帶寬留有一定的冗余，確保部署于IaaS資源池上的業務系統的正常運作；明確 IaaS資源池中各類數據的容災等級劃分，制定符合企業要求的RTO和RPO與備份恢復周期；根據容災目標容量大小、更新頻率、關鍵程度等特點選擇合適的備份和恢復方式。

（2）制定詳細的數據備份和災難恢復計劃，完善災備流程的管理

明確企業業務連續性系統的建設目標，持續進行IaaS資源池數據集中與架構優化的工作；根據既定策略進行定期的演練和測試，確保災備前后數據的完整性和一致性；制定包括組織、人員以及執行步驟在內的詳細的容災管理流程。

4 企業構建IaaS資源池本地容災系統的實施建議

虛擬化是IaaS資源池容災的基礎，利用不同的虛擬化軟件建設虛擬化資源池，會在資源池的結構和數據類別的劃分上有所不同。以VMware虛擬化軟件建設虛擬化資源池為例，雖然資源池可以劃分成不同級別的層次結構，每個資源池也可以包含子資源池，但若根據數據類別來劃分，資源池中的數據主要可以劃分成3類:虛擬機操作系統文件數據；用戶數據；資源池及虛擬機配置文件數據。通過對上述3類數據的劃分，能夠實現虛擬服務器運行環境與物理部署環境的拆分、部署于虛擬服務器中應用系統與用戶數據的拆分、用戶配置文件和資源池環境的拆分，使得虛擬化資源池中的數據有更好的容災目標性的劃分。

資源池的使用過程中，對于不同的系統數據，可以采用不同的管理方法，從而降低復雜度和成本，提高管理效率。同時在數據備份恢復方面也可以有不同的思路和方法，主要包括以下幾點。

·基于備份介質的物理備份與恢復:通過備份軟件將目標數據備份到其他離線的存儲介質，如帶庫、VTL等，當目標數據的使用或存儲發生故障時，可從備份介質中恢復原有生產環境。基于備份介質的物理備份方式可以應對各種故障和誤操作造成的數據丟失，但需要較長的恢復周期，而且數據的一致性得不到保證。

·基于快照的邏輯備份與恢復:通過虛擬化軟件的快照機制，可以實現數據的快速邏輯備份，當數據發生邏輯錯誤，比如虛擬機內數據的誤刪除等，能夠從快照快速恢復。基于快照的備份方式可以提供虛擬機OS故障或丟失數據的快速恢復，但無法應對存儲硬件故障等造成的數據丟失。

·基于數據鏡像技術的實時數據備份:通過備份軟件將資源池的數據實時同步復制至另一臺存儲系統，在主系統存儲設備出現故障時可切換至鏡像存儲系統迅速恢復業務。基于數據鏡像的實時數據備份可以在零數據丟失的情況下迅速恢復故障系統數據訪問，但無法恢復誤操作或OS系統造成的數據變更。

表1 虛擬化數據容災方式的比較

·基于持續數據保護技術的實時數據備份:提供了一個連續的、不斷的系統存儲的記錄狀態，可以使數據狀態恢復到數據遭到破壞之前的任意一個時間點，從而有效規避了由人為的邏輯錯誤或病毒攻擊所造成的數據丟失。但由于持續數據保護的存儲庫存儲了所保護數據的同步副本，如果數據經常發生變化，日志就會快速增長，所以應設置較短的備份恢復周期。

虛擬化數據容災方式的比較見表1。

如表1所示，前3種備份方式各具特點，對于在本地構建容災系統的需求來說，總體而言，建議采用快照與數據邏輯備份相結合的方式進行資源池數據的本地備份與恢復。

對于核心關鍵數據，例如部署于虛擬機上的關鍵應用以及應用所產生的關鍵數據等，可以考慮選用數據鏡像的備份方式，建立專門的管理系統對其進行保存和管理，并對關鍵數據進行必要的冗余存儲（數據鏡像采用基于存儲層面的方式實現），以盡量避免和降低系統出現故障時的數據丟失。

對于非核心數據，例如部署于虛擬機上的非核心應用系統、用戶自定義數據等，在節省資產投入的基礎上，采用快照與數據邏輯備份相結合的方式進行將虛擬服務器系統和應用的打包備份，而且在出現問題時可以用統一的數據備份進行恢復。

持續數據保護技術相較前3種備份恢復技術更為全面和高效。單從恢復時間目標的角度看，目前幾乎沒有比提供虛擬化恢復的CDP產品速度更快的產品了。相比其他的容災技術，持續數據保護技術不但擁有較大的技術優勢，而且仍在不斷地發展和改進。同時也為實現IaaS資源池遠程異地容災提供了一個重要的選擇。

5 結束語

IaaS資源池容災是云計算體系架構中的一種重要的災難備份形式，本文介紹了IaaS資源池容災的4個關鍵技術:重復數據刪除、數據鏡像、數據快照與持續數據保護技術，并淺析了這4種技術的應用場景與相互之間的比較，探討了企業構建IaaS資源容災系統的基本原則。

災難備份的實施要求企業綜合考慮其基礎設施、數據存儲及工作流程管理等多種因素，從本身的實際情況出發，合理利用各種災備技術與產品，才能建設有效的、完善的災備系統，從而達到最大限度保證企業業務連續性的目的。同時，隨著云計算容災關鍵技術的不斷發展與成熟，以及各行業云計算數據中心、災備中心建設的深入開展，構建在IaaS資源池基礎上的云災備系統必將成為災難備份市場的主流方式。

1 美國國家標準與技術研究院.http://www.nist.gov/index.html

2 郝鵬.居安思危認清容災的重要性.中國計算機用戶，2004(27)

3 Halpert B.Auditing Cloud Computing:A Security and Privacy Guide.Wiley Corporate F&A,2011

4 Greg Schulz.Cloud and Virtual Data Storage Networking.CRC Press,2011

5 EC-Council.Disaster Recovery.Publisher:Course Technology,2010

6 Preston W Curtis.Backup&Recovery:Inexpensive Backup Solutions for Open Systems.O'Reilly Media,2007

7 肖達，劉建毅.云災備關鍵技術.中興通訊技術，2010(10)

8 TT存儲技術專題.http://www.techtarget.com.cn