信息技術(shù)（IT）系統(tǒng)備份及容災(zāi)技術(shù)研究

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院 孫恒超、梁 晶

由于各種客觀原因，人們無法預(yù)測(cè)何時(shí)、何地會(huì)發(fā)生何種程度的系統(tǒng)災(zāi)難，也不可能完全阻止其發(fā)生。據(jù)IDC（因特網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）統(tǒng)計(jì)，1990年至2000年十年間，在所有發(fā)生過系統(tǒng)災(zāi)難的美國(guó)公司中，55%當(dāng)時(shí)倒閉，剩下的45%，因?yàn)閿?shù)據(jù)丟失，有29%也在兩年內(nèi)倒閉，生存下來的僅占16%。因此，如何備份和保護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，保證IT（信息技術(shù)）系統(tǒng)的安全運(yùn)行，已經(jīng)成為信息化時(shí)代每一家公司都必須解決的重要問題。

1 備份及容災(zāi)

1.1 備份

備份一般是指利用備份軟件將數(shù)據(jù)從磁盤備份到磁帶進(jìn)行離線保存（最新的備份技術(shù)也支持磁盤到磁盤的備份）的過程。通過備份，可以在原始數(shù)據(jù)遭到破壞甚至丟失的時(shí)候，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，降低甚至杜絕數(shù)據(jù)損失，保證數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的完整性[1]。

一套完整的備份系統(tǒng)通常包括備份軟件、備份服務(wù)器和磁帶3個(gè)部分。備份服務(wù)器上安裝備份軟件服務(wù)器端，應(yīng)用服務(wù)器上安裝備份軟件客戶端，按照預(yù)先制定的備份策略，自動(dòng)或手動(dòng)地將主機(jī)數(shù)據(jù)備份到磁帶上。具體的備份策略制定、備份介質(zhì)管理以及一些擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)，都由備份軟件完成。

其中，備份策略的制定是備份工作的重要組成部分，它決定了備份工作的工作量。常用的備份策略有3種：全量備份、增量備份和差量備份。

全量備份，是對(duì)指定的數(shù)據(jù)集進(jìn)行一次完整的備份，備份的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)總量相等。

增量備份，是在上一次備份（全量備份或增量備份）的基礎(chǔ)上，對(duì)所指定的數(shù)據(jù)集在上次備份后發(fā)生了改變的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，備份的數(shù)據(jù)量較小，需要的時(shí)間較短。

差量備份，是在上一次全量備份的基礎(chǔ)上，對(duì)所指定的數(shù)據(jù)集在上次全量備份后發(fā)生了改變的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，備份的數(shù)據(jù)量通常小于數(shù)據(jù)總量。

全量備份是最完整、最安全的備份方式，使用全量備份，一次就可以將數(shù)據(jù)完整的恢復(fù)過來，缺點(diǎn)是耗費(fèi)的時(shí)間與空間較多；增量備份所需的時(shí)間與空間較少，通過較小的代價(jià)保存多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)狀態(tài)，但是單一增量備份無法對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行恢復(fù)，要恢復(fù)到某次增量備份時(shí)的數(shù)據(jù)狀態(tài)，必須將該增量備份之前的全量備份和所有增量備份依次進(jìn)行恢復(fù)；差量備份同樣存在這個(gè)問題，要恢復(fù)到某個(gè)差量備份時(shí)的數(shù)據(jù)狀態(tài)，必須先恢復(fù)該差量備份之前的全量備份。

1.2 容災(zāi)

廣義上，任何可以提高系統(tǒng)可用性和業(yè)務(wù)連續(xù)性的活動(dòng)，都可被稱為容災(zāi)。狹義層面上，容災(zāi)是指在生產(chǎn)站點(diǎn)之外，建立與生產(chǎn)站點(diǎn)功能相同的冗余站點(diǎn)，當(dāng)生產(chǎn)站點(diǎn)發(fā)生災(zāi)難時(shí)，冗余站點(diǎn)可以快速接管業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的連續(xù)性[2]。

從對(duì)IT系統(tǒng)的保護(hù)程度來講，可以將容災(zāi)分為兩個(gè)級(jí)別：數(shù)據(jù)容災(zāi)和應(yīng)用容災(zāi)。

數(shù)據(jù)容災(zāi)是指在異地建立一個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是本地關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可用復(fù)制，在本地?cái)?shù)據(jù)及應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難時(shí)，通過該數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)，確保數(shù)據(jù)的安全性。該級(jí)別的災(zāi)難恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，且只能保證數(shù)據(jù)無丟失，無法保證應(yīng)用和業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

應(yīng)用容災(zāi)是在數(shù)據(jù)容災(zāi)的基礎(chǔ)上，把業(yè)務(wù)處理能力也復(fù)制一份，在備份站點(diǎn)建立起業(yè)務(wù)系統(tǒng)的備份，當(dāng)生產(chǎn)站點(diǎn)發(fā)生災(zāi)難時(shí)，備份站點(diǎn)快速接管業(yè)務(wù)，保證系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和業(yè)務(wù)的連續(xù)性。建立一個(gè)應(yīng)用級(jí)別的容災(zāi)系統(tǒng)是比較復(fù)雜的，不僅需要備份數(shù)據(jù)，還需要包括網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)、應(yīng)用、甚至IP等資源的支持，以及各種資源之間的良好協(xié)調(diào)。

1.3 備份和容災(zāi)的關(guān)系

備份和容災(zāi)都是存儲(chǔ)領(lǐng)域的重要組成部分，二者有著密切聯(lián)系。首先，二者都包含數(shù)據(jù)保護(hù)工作，備份多采用磁帶方式，性能低，成本低，容災(zāi)則使用磁盤進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，性能高，成本高；其次，備份是存儲(chǔ)領(lǐng)域的基礎(chǔ)，一個(gè)完整的容災(zāi)方案中必然包括備份；最后，備份還是容災(zāi)的有效補(bǔ)充，容災(zāi)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)始終在線，存儲(chǔ)有被完全破壞的可能，而備份提供了最后一道防線，如果在線數(shù)據(jù)丟失，還可以從備份中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。

二者的區(qū)別在于各自的關(guān)注對(duì)象不同，備份關(guān)注的是數(shù)據(jù)安全性，容災(zāi)關(guān)注的是業(yè)務(wù)安全性，具體來看，容災(zāi)和備份的不同主要體現(xiàn)為[3]：

·容災(zāi)主要是應(yīng)對(duì)火災(zāi)、地震等重大自然災(zāi)害帶來的數(shù)據(jù)破壞，因此生產(chǎn)中心與災(zāi)備中心之間必須具有一定的安全距離；備份是在同一數(shù)據(jù)中心進(jìn)行。

·容災(zāi)不僅保護(hù)數(shù)據(jù)，還能有效保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性；備份只保護(hù)數(shù)據(jù)。

·容災(zāi)保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)完整性；備份只能對(duì)備份時(shí)間點(diǎn)以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。

·容災(zāi)系統(tǒng)的故障切換時(shí)間非常短；備份系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間一般比較長(zhǎng)。

·容災(zāi)是在線過程，備份是離線過程。

2 容災(zāi)技術(shù)分析

2.1 技術(shù)指標(biāo)

衡量容災(zāi)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要有兩個(gè)：RPO（恢復(fù)點(diǎn)目標(biāo)）和RTO（恢復(fù)時(shí)間目標(biāo)），RPO表示災(zāi)難發(fā)生時(shí)允許丟失的數(shù)據(jù)量，RTO表示系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間[4]。

RPO針對(duì)的是數(shù)據(jù)丟失，RTO針對(duì)的是服務(wù)丟失，RPO與RTO越小，系統(tǒng)的可用性就越高，但二者沒有必然的關(guān)聯(lián)。RPO和RTO的合理制定，需要以風(fēng)險(xiǎn)分析和業(yè)務(wù)影響分析為前提，同時(shí)結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求來完成，二者的基本關(guān)系如圖1所示。

2.2 容災(zāi)等級(jí)

設(shè)計(jì)容災(zāi)備份系統(tǒng)需要考慮的因素很多，如備份/恢復(fù)數(shù)據(jù)量大小、生產(chǎn)中心和災(zāi)備中心的距離、災(zāi)難發(fā)生時(shí)要求的恢復(fù)速度、災(zāi)備中心的投入與回報(bào)等。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可以將災(zāi)備系統(tǒng)分為4個(gè)等級(jí)：

1）第0級(jí)：本地備份、本地保存的冷備份。

這一級(jí)的容災(zāi)實(shí)際上就是本地?cái)?shù)據(jù)備份，數(shù)據(jù)備份在本地進(jìn)行，備份磁帶在本地保存，容災(zāi)能力最弱，無法防御能對(duì)生產(chǎn)中心實(shí)際場(chǎng)所造成破壞的災(zāi)難。在這種方案中，最常用的備份設(shè)備就是磁帶機(jī)，根據(jù)需要可以是手工加載磁帶機(jī)或自動(dòng)加載磁帶機(jī)。

2）第1級(jí)：本地備份、異地保存的冷備份。

這一級(jí)的容災(zāi)是在本地將數(shù)據(jù)備份，然后把備份磁帶送到異地保存。若系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難，則從異地取回備份磁帶，利用備份磁帶對(duì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。這種容災(zāi)方案也是采用磁帶機(jī)等存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行備份，磁帶設(shè)備的選擇可參見前面介紹，也可以選擇磁帶庫(kù)、光盤庫(kù)等存儲(chǔ)設(shè)備。

3）第2級(jí)：熱備份站點(diǎn)備份。

這一級(jí)的容災(zāi)是在異地建立熱備份點(diǎn)，通過生產(chǎn)中心和災(zāi)備中心之間的網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行在線數(shù)據(jù)備份。即通過網(wǎng)絡(luò)以同步或異步的方式，把生產(chǎn)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)備份到備份站點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)災(zāi)難時(shí)，備份站點(diǎn)可迅速接管生產(chǎn)站點(diǎn)的業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

4）第3級(jí)：活動(dòng)互援備份。

這一級(jí)的容災(zāi)與第2級(jí)都采用了熱備份，不同的是主、從系統(tǒng)的關(guān)系不再是固定的，而是互為備份。生產(chǎn)站點(diǎn)和備份站點(diǎn)分別在相隔較遠(yuǎn)的地方建立，同時(shí)處于工作狀態(tài)，并相互進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。任一個(gè)站點(diǎn)發(fā)生災(zāi)難，另一站點(diǎn)都可快速接管之。在這兩個(gè)站點(diǎn)間的連接中通常還提供冗余通道，以備工作通道出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)接替。采用這種容災(zāi)方式的主要是資金較為雄厚的大型企業(yè)和電信企業(yè)。

2.3 常用容災(zāi)技術(shù)

2.3.1 磁盤陣列

很多服務(wù)器都使用磁盤陣列來提高數(shù)據(jù)的安全性，常用的有 RAID1（獨(dú)立磁盤冗余陣列 1）、RAID5、RAID6 等，分別為磁盤數(shù)據(jù)提供了不同級(jí)別的保護(hù)，為信息系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)保護(hù)，當(dāng)單塊磁盤出現(xiàn)故障時(shí)，通過磁盤陣列對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。

但其缺點(diǎn)也比較明顯。首先，它無法實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的連續(xù)性，在數(shù)據(jù)恢復(fù)期間系統(tǒng)無法提供服務(wù)，對(duì)于由于服務(wù)器其他部件故障導(dǎo)致的宕機(jī)或其他原因?qū)е碌臉I(yè)務(wù)停滯，它也無法解決；其次，它只能解決單個(gè)服務(wù)器問題，不是一種集中解決方案。

2.3.2 磁帶庫(kù)/虛擬磁帶庫(kù)

傳統(tǒng)的磁帶庫(kù)以及近年出現(xiàn)的虛擬磁帶庫(kù)技術(shù)是一種為超大容量數(shù)據(jù)提供的存儲(chǔ)備份方式，能夠以較高的性能和較低的成本為異構(gòu)系統(tǒng)提供存儲(chǔ)、歸檔和備份，廣泛應(yīng)用于銀行、石油、軍隊(duì)等需要海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的行業(yè)和部門，便于備份和保存。

這種備份方式是基于數(shù)據(jù)層面的備份，與應(yīng)用系統(tǒng)無關(guān)，因此它可以為由異構(gòu)應(yīng)用構(gòu)成的系統(tǒng)提供統(tǒng)一的、集中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份。但磁帶庫(kù)技術(shù)只是單純的備份技術(shù)，它不能為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)的應(yīng)急恢復(fù)，在數(shù)據(jù)恢復(fù)期間業(yè)務(wù)是停滯的，即它只能保證數(shù)據(jù)的容災(zāi)，不能保證應(yīng)用的容災(zāi)。

2.3.3 集群技術(shù)及雙機(jī)熱備

集群（cluster）是指由一組相互獨(dú)立的計(jì)算機(jī)通過高速網(wǎng)絡(luò)連接組成的一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。每個(gè)群集節(jié)點(diǎn)（集群中的計(jì)算機(jī)）都作為獨(dú)立服務(wù)器運(yùn)行自己的進(jìn)程，進(jìn)程之間可以相互通信。集群技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是為了構(gòu)建一個(gè)具有更高可用性、可管理性和可伸縮性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一個(gè)集群包含多臺(tái)擁有共享存儲(chǔ)空間的服務(wù)器，各服務(wù)器之間通過局域網(wǎng)相互通信，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，它所運(yùn)行的程序由其他節(jié)點(diǎn)自動(dòng)接管，所有節(jié)點(diǎn)協(xié)同合作向用戶提供應(yīng)用程序、系統(tǒng)資源和數(shù)據(jù)，并以單一系統(tǒng)模式進(jìn)行管理，在客戶機(jī)看來就像是一個(gè)系統(tǒng)。

其中，只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的高可用集群又稱為雙機(jī)熱備，即兩臺(tái)服務(wù)器互相備份，當(dāng)其中一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)自動(dòng)迅速接管業(yè)務(wù)，從而在不需要人工干預(yù)的情況下，保證系統(tǒng)能持續(xù)對(duì)外提供服務(wù)。雙機(jī)熱備是集群技術(shù)中最簡(jiǎn)單的一種情況。

雖然集群技術(shù)能夠達(dá)到數(shù)據(jù)和應(yīng)用的雙保險(xiǎn)，但它也有弊端：它無法避免數(shù)據(jù)誤刪除、邏輯性破壞和自然災(zāi)難，且代價(jià)高昂，難以統(tǒng)一和集中管理。

2.3.4 持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)

持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)（CDP）是一種在不影響應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的前提下，持續(xù)捕捉和跟蹤目標(biāo)數(shù)據(jù)所發(fā)生的任何變化，并可以將數(shù)據(jù)恢復(fù)到此前任意時(shí)間點(diǎn)狀態(tài)的技術(shù)方法。CDP技術(shù)通過在操作系統(tǒng)核心層中植入文件過濾驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)時(shí)捕獲所有文件訪問操作，對(duì)于需要CDP連續(xù)備份保護(hù)的文件，當(dāng)CDP管理模塊經(jīng)由文件過濾驅(qū)動(dòng)檢測(cè)到其進(jìn)行寫操作時(shí)，將文件中數(shù)據(jù)發(fā)生變化的部分連同當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間戳一起自動(dòng)備份到存儲(chǔ)設(shè)備，任何一次的文件數(shù)據(jù)變化都會(huì)被自動(dòng)記錄，因而稱之為持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)。

CDP技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)備份技術(shù)的一次重大突破。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)備份技術(shù)專注于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性備份，因此一直存在備份窗口、數(shù)據(jù)一致性以及對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)性能的影響等問題。CDP則提供了全新的數(shù)據(jù)保護(hù)方式，系統(tǒng)管理員無須關(guān)注數(shù)據(jù)的備份過程（CDP會(huì)不斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份），而是僅僅需要在系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難后，簡(jiǎn)單地選擇需要恢復(fù)到的時(shí)間點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速恢復(fù)。

[1] 王彥龍, 李戰(zhàn)懷, 鄭然. 多平臺(tái)數(shù)據(jù)容災(zāi)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2007,24(2): 215-218.

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