基于云計算的數據中心容災系統的建設

馬錫坤，吳艷君，王鵬

南京軍區南京總醫院 信息科，江蘇 南京 210002

云計算作為信息化建設的新理念、新技術、新模式，在發達國家已被確立為國家優先發展戰略。近幾年，我國也相應制訂了不同層次的云計算發展規劃，并在不同行業中得到推廣與應用[1]。云計算平臺具有虛擬化、云存儲、分布式計算等特性，利用虛擬機構建虛擬服務器集群，能夠有效地實現應用系統的高可用性，排除設備的單點故障，保障系統安全運行。然而任何系統在運行過程中，必然會受到來自不同層面的威脅，存在不同等級的風險[2]，因此必須考慮容災系統的建設。現就基于云計算的數據中心容災系統的建設進行探討。

1 云計算數據中心和“雙活”

1.1 云計算數據中心

數據中心包括服務器、存儲系統、交換設備、安全平臺等內容，是整個信息平臺的核心。基于云計算的數據中心使用“池”的概念，把各種IT資源都放在云計算平臺中統一管理，將各種資源實現整合，通過虛擬化技術形成標準化的虛擬計算池、存儲池、網絡池、安全池等資源池，每個池均可實現資源的動態調整，能夠實現虛擬資源池中動態的資源調度，以達到調度過程中充分利用資源的能力[3]，實現平臺統一部署、資源按需配置、系統高度安全的新環境，提高信息資源利用率，提升信息系統的安全性，徹底消除傳統數據中心服務器利用率低、系統可用性低、數據保護性差、運維管理困難等問題[4]。

1.2 “雙活”基本概念

出于災備的目的，一般都會建設2個（或多個）數據中心。一個是主數據中心用于承擔用戶的業務，一個是備份數據中心用于備份主數據中心的數據、配置、業務等。主備數據中心之間一般有熱備、冷備、雙活3種備份方式。所謂“雙活”數據中心，區別于熱備、冷備的模式，前者2個數據中心都處于運行當中，同時承擔用戶的業務，所以稱為“雙活”，主備2個數據中心互為備份，并且進行實時備份；后者是1個數據中心投入運行，另外1個數據中心處在不工作狀態，只有當災難發生時，生產數據中心癱瘓，災備中心才啟動。在雙活/多活數據中心下，對于前端用戶來講其實就是一個邏輯的大中心，能夠充分利用資源，避免了1個數據中心常年處于閑置狀態而造成浪費。

1.3 云計算和“雙活”的融合

在云計算技術架構的基礎上，通過服務器虛擬化軟件和存儲系統虛擬化方案的結合，實現跨數據中心服務器自由流動的功能，增強應用系統的靈活性，充分體現“雙活”的理念。運用虛擬化技術，將生產資源和容災資源放在統一的資源池里，在業務高峰時或業務突發時，將容災資源動態分配給生產應用。由于虛擬機以及服務器、存儲和網絡設備完全虛擬化，基于云計算的容災系統，能夠實現幾乎零停機實時遷移，從而最大程度地降低任何由系統故障等災難性事件帶來的威脅。在發生災難時，能夠保證業務的連續性，利用備用系統透明地代替生產系統，實現系統透明的遷移[5]。

2 容災系統的建設

容災系統是指建立2套或多套功能相同的系統，互相之間可以進行健康狀態監視和功能切換，當一處系統因意外（如火災、地震等）停止工作時，整個應用系統可以切換到另一處，使得該系統功能可以繼續正常工作[6]。本文提出4種容災預案，旨在利用各種技術和管理手段將災難的影響化解。

2.1 基于高可用性的本地接管預案

本地接管預案指通過構建云計算數據中心，在出現單點故障或設備主動維護時，各個業務系統均實現本地高可用性（High Availability，HA）接管。經過充分調研論證，我院采用VMware vSphere服務器虛擬化軟件、Cisco UCS統一計算系統、EMC存儲設備以及Vplex存儲虛擬化設備、F5負載均衡器、Deep Security趨勢服務器深度安全防護系統，構建了1個全冗余架構的醫院云計算數據中心，其結構示意圖，見圖1。將8個刀片服務器整合成1個虛擬計算池、3臺存儲設備整合成1個虛擬存儲池、新增了1個虛擬網絡池和1個虛擬安全池。

云計算數據中心高度共享計算和存儲資源，以靈活安全的方式達到快速擴展和縮減的效果，將服務器、存儲和網絡設備完全虛擬化，使得正在運行的整個虛擬機能夠在瞬間從1臺服務器移到另1臺服務器上。虛擬機實際上是被封裝成了1個檔案文件和若干相關環境配置文件，通過將這些文件放在SAN存儲陣列上，可以讓不同服務器上的虛擬機都可以訪問到該文件，從而消除了單點故障[7]。只要虛擬機對應的文件能夠恢復，那么在需要恢復時服務器就能夠恢復。然后，虛擬機的活動內存和精確的執行狀態可通過高速網絡迅速傳輸。由于網絡也被虛擬化，因此，虛擬機保留其網絡標識和連接，從而確保實現無縫遷移。數據中心的高可用集群由多個虛擬機組成，采用HA軟件檢測物理服務器的工作狀態，當出現故障時自動接管服務。同時HA軟件時刻監控群集中是否有足夠的資源可用，確保資源池中始終有充足的資源，以便能夠在出現服務器故障時在不同的物理服務器上重啟虛擬機。

圖1 云計算數據中心結構示意圖

2.2 基于“雙活”的本異地互備預案

基于“雙活”的本異地互備預案是指利用裸光纖將生產中心和容災中心的SAN網絡連接起來，建立負荷分擔、互為備份的異地“雙活”云計算數據中心。在前端應用服務器與后端存儲區域網絡（Storage Area Network，SAN）之間，加入一層存儲網關，前端連接服務器主機，后端連接存儲設備，實現異地數據復制。

“雙活”云計算數據中心的數據復制是通過存儲網關來執行，相對于主機型遠程容災來說，它的性能影響十分低。另外，通過存儲網關的虛擬化技術，可以整合前端異構平臺的服務器和后端不同品牌的存儲設備。通過存儲網關，即存儲系統虛擬化設備，實現存儲卷跨數據中心數據鏡像，并且通過虛擬化設備的分布式緩存一致性技術，實現虛擬卷的隨處訪問，即兩個數據中心的不同主機同時訪問同一個數據卷，可以將虛擬機隨時遷移至任意數據中心，切換時間接近于零。該方案可以跨數據中心搭建應用系統，通過跨數據中心負載均衡設備，實現客戶端對應用服務器訪問優化，基于響應速度實現負載均衡，確保隨時訪問到最優的應用服務器，提高整體應用系統性能。

2.3 基于備份恢復的數據保護預案

數據安全包含兩個方面，一個是存儲系統硬件導致的數據丟失，稱為數據的物理錯誤；另一種情況是應用程序、病毒、人為誤操作導致的數據丟失，稱為數據的邏輯錯誤。在虛擬化存儲搭建完成后，完全可以確保在數據出現物理錯誤時數據不丟失、應用不中斷；但如果是數據的邏輯錯誤導致數據丟失的話，就必須使用數據備份恢復解決方案。基于備份恢復的數據保護預案就是指通過建立高效的數據備份恢復系統，預防數據出現邏輯錯誤，從而起到保護數據的作用。備份恢復系統提供生產數據快照、磁帶備份或虛擬磁帶庫備份等多種形式[8]，日常全備和增量備份均直接通過遠程SAN備份到異地中心，用于嚴重事件的應急恢復工作。

我院選用了Networker備份軟件和虛擬磁帶庫作為備份介質，其LAN-FREE備份拓撲，見圖2。數據備份流程如下：① 備份服務器發起備份；② 服務器作為備份客戶機將數據通過光纖網絡發送到備份介質中。數據備份作為數據保護的最后一道屏障[9]，確保系統數據崩潰時能夠快速恢復數據。備份數據一般存在大量的重復數據，在此情況下，備份數據的重復數據消除變得十分重要，既減少了備份和恢復的時間，也減少了備份介質的需求，降低了備份系統搭建的資金投入[10]。

圖2 LAN-FREE備份拓撲示意圖

2.4 基于數據庫復制的系統切換預案

基于數據庫復制的系統切換預案是指利用數據庫復制技術，在異地建立一套完整的與本地生產系統相當的備份應用系統。當本地出現意外（如壞數據塊、壞數據文件等）停止工作時，整個應用系統可以切換到備份應用系統。數據庫復制技術一般是由數據庫廠商或者第三方開發，基于數據庫日志或者數據流實現復制的技術。經過實際測試驗證，我院采用DSG RealSync軟件實現數據的異構實時復制，把網絡中心機房主設備上的Oracle數據實時復制到門診機房的備用設備，實現應用系統容災[11]，其工作原理，見圖3。

圖3 DSG RealSync工作原理

DSG RealSync軟件復制原理是將源數據庫日志中發生變化的部分單獨提取出來，壓縮加密后通過網絡發送至遠程的目標數據中心，然后用SQL寫入目標數據庫。這種方式的實時性更高，通常可以達到秒級甚至亞秒級；可以支持雙向復制，能夠用于雙活站點間的數據雙向實時復制。雙活站點在實時復制的過程中，目標數據庫一直處于活動狀態，可以訪問和分擔生產系統的服務。復制操作集中于對數據的改變，因此將對源數據庫系統、源操作系統和網絡的影響最小化。復制實時準確、非常快速，在源數據庫系統一個交易開始時就開始復制，保證了目標系統和源系統的一致性。

3 結束語

隨著社會的發展和技術的進步，加強信息化建設成為醫院現代化建設持續發展的必然趨勢[12]，而確保信息系統穩定可靠運行和數據安全就成為醫院信息化建設的重中之重。容災系統的建設就是以最合理的代價保護應用數據的完整性和業務系統的連續性。信息化建設，任重而道遠，誰搶占了技術制高點，誰就能占據未來競爭的主導地位。當醫院的信息化建設走向了一個新的層次，面臨各類法律法規、市場競爭、高質量服務的新的要求時，能否有效建立災難容災體系就成了醫院進一步發展的里程碑。

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