一種改進(jìn)的持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)遠(yuǎn)程恢復(fù)方法

王晉明，肖騫宇，廖國龍

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都　610065）

一種改進(jìn)的持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)遠(yuǎn)程恢復(fù)方法

王晉明，肖騫宇，廖國龍

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065）

持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)恢復(fù)；塊數(shù)據(jù)；I/O重定向

0　引言

目前信息技術(shù)正處在一個(gè)飛速發(fā)展的階段，隨之而來的是數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)以及重要性的不斷提高。對(duì)于企業(yè)來說，數(shù)據(jù)信息是業(yè)務(wù)運(yùn)行的根本，是非常重要的財(cái)富，一旦數(shù)據(jù)丟失或者遭到破壞，由此帶來的損失是難以估量的。基于企業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)安全的需求，各種數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)不斷產(chǎn)生。持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)（Continuous Data Protection，CDP）技術(shù)是一種能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)保護(hù)的容災(zāi)技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的定時(shí)數(shù)據(jù)備份方法存在備份窗口的問題，它能在數(shù)據(jù)因?yàn)椴《救肭郑藶檎`操作等情況造成邏輯災(zāi)難（占數(shù)據(jù)損失原因的60%～80%）[1]時(shí)，將數(shù)據(jù)恢復(fù)到過去任意時(shí)刻的狀態(tài)，消除了備份窗口。

針對(duì)塊級(jí)持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)在恢復(fù)過程中上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行的問題，本文提出了一種改進(jìn)的遠(yuǎn)程恢復(fù)方法，通過后臺(tái)恢復(fù)以及讀時(shí)重定向機(jī)制，將業(yè)務(wù)流程與恢復(fù)流程重疊，能在恢復(fù)過程中支持對(duì)于數(shù)據(jù)卷的讀寫操作，降低業(yè)務(wù)中斷的時(shí)間。

1　傳統(tǒng)恢復(fù)方法

1.1傳統(tǒng)恢復(fù)方法的原理

CDP系統(tǒng)在恢復(fù)的時(shí)候，恢復(fù)時(shí)間點(diǎn)通常比較靠近最新時(shí)間點(diǎn)，因此采用復(fù)制參考數(shù)據(jù)模式[6]實(shí)現(xiàn)的CDP系統(tǒng)往往有更好的恢復(fù)性能。在系統(tǒng)開始進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)之后，備份服務(wù)器上需要維護(hù)一個(gè)與受保護(hù)數(shù)據(jù)卷狀態(tài)相同的鏡像卷；備份過程中采用Copy on Write技術(shù)，即鏡像卷中的原始數(shù)據(jù)被覆寫之前先將其拷貝到日志卷中，并按照時(shí)間的先后順序依次存放，形成一個(gè)原始數(shù)據(jù)鏈。當(dāng)用戶需要將數(shù)據(jù)卷恢復(fù)到指定時(shí)間點(diǎn)Ttarget時(shí)，恢復(fù)流程的算法如下：

（1）將鏡像卷遠(yuǎn)程拷貝到目標(biāo)數(shù)據(jù)卷

（2）假設(shè)Tlast是最新備份時(shí)刻，則原始數(shù)據(jù)鏈中存在一個(gè)按時(shí)間升序排列的子鏈{Ttarget，…，Tlast}。將該子鏈中的原始數(shù)據(jù)按照備份時(shí)間的逆序，也就是Tlast→Ttarget的順序，依次寫入目標(biāo)卷，即可完成恢復(fù)。

通過(a)、(b)、(c)3步構(gòu)建了一個(gè)優(yōu)化模式庫，由于有工況指數(shù)S判斷，保證了紙漿洗滌質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上，(d)步生產(chǎn)效益提高，從而構(gòu)成了紙漿洗滌過程的綜合優(yōu)化控制。

1.2業(yè)務(wù)中斷時(shí)間分析

對(duì)于傳統(tǒng)恢復(fù)方法，上層業(yè)務(wù)需要等待數(shù)據(jù)完全恢復(fù)之后才能正常運(yùn)行，因此業(yè)務(wù)中斷的時(shí)間等于完全恢復(fù)的時(shí)間。假設(shè)數(shù)據(jù)卷的大小為Svol，{Ttarget，…，Tlast}子鏈中的原始數(shù)據(jù)大小為Sorig，遠(yuǎn)程恢復(fù)速度為R，則業(yè)務(wù)中斷時(shí)間T=（Svol+Sorig）/R。數(shù)據(jù)卷越大，回退時(shí)間點(diǎn)到最新時(shí)間點(diǎn)這段時(shí)間區(qū)間內(nèi)的原始數(shù)據(jù)越多，則業(yè)務(wù)中斷時(shí)間越長(zhǎng)。

2　改進(jìn)的恢復(fù)方法

目前的持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)在執(zhí)行遠(yuǎn)程恢復(fù)的時(shí)候，都需要將恢復(fù)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程拷貝到生產(chǎn)服務(wù)器上，業(yè)務(wù)才能繼續(xù)運(yùn)行。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的遠(yuǎn)程恢復(fù)方法，可以在數(shù)據(jù)卷選擇恢復(fù)到指定時(shí)間點(diǎn)后很短的時(shí)間內(nèi)讓業(yè)務(wù)恢復(fù)運(yùn)行，并繼續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)卷進(jìn)行保護(hù)。

2.1系統(tǒng)框架

本文提出的恢復(fù)方法在恢復(fù)時(shí)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1　恢復(fù)任務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)

其中，包含了幾個(gè)主要的模塊：

（1）虛擬卷（Virtual volume）。CDP系統(tǒng)服務(wù)端在恢復(fù)開始之后，利用張等[7]提出的虛擬重構(gòu)方法，快速地重構(gòu)出了恢復(fù)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)卷狀態(tài)。重構(gòu)出來的虛擬卷通過iSCSI掛載到待恢復(fù)的生產(chǎn)服務(wù)器上。這時(shí)，在生產(chǎn)服務(wù)器上可以像讀取本地卷一樣讀取虛擬卷，但是不支持?jǐn)?shù)據(jù)寫入。

（2）監(jiān)控驅(qū)動(dòng)（CDP driver）。為了實(shí)時(shí)的獲取數(shù)據(jù)卷的數(shù)據(jù)變化，通常塊級(jí)持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)都會(huì)在內(nèi)核的通用塊層監(jiān)控應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)卷的所有讀寫請(qǐng)求，然后根據(jù)任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

（3）恢復(fù)模塊（Recovery module）。恢復(fù)模塊會(huì)在后臺(tái)將數(shù)據(jù)卷恢復(fù)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)拷貝到本地卷上，完成整個(gè)恢復(fù)任務(wù)。

（4）數(shù)據(jù)塊狀態(tài)位圖（Block status bitmap）。在恢復(fù)任務(wù)開始之后，驅(qū)動(dòng)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)塊狀態(tài)位圖。在位圖中，1位數(shù)據(jù)只有0和1兩個(gè)值，代表了一個(gè)數(shù)據(jù)塊的恢復(fù)狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)為0時(shí)，表明該數(shù)據(jù)塊既沒有被上層應(yīng)用寫入也沒有被恢復(fù)模塊恢復(fù)到指定時(shí)間點(diǎn)；反之，狀態(tài)為1時(shí)，表明該數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被上層應(yīng)用或者恢復(fù)模塊修改過了。

（5）CDP服務(wù)端（CDP server）。負(fù)責(zé)接收生產(chǎn)服務(wù)器上的客戶端發(fā)送過來的備份數(shù)據(jù)，并寫入到CDP倉庫中；此外還負(fù)責(zé)虛擬卷的重構(gòu)以及生成iSCSI target。

2.2恢復(fù)流程

由于在生產(chǎn)服務(wù)器上可以通過訪問掛載過來的虛擬卷來獲取數(shù)據(jù)卷在恢復(fù)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，因此本文提出的恢復(fù)方法在生產(chǎn)服務(wù)器上由監(jiān)控驅(qū)動(dòng)和恢復(fù)模塊共同完成。監(jiān)控驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)監(jiān)控讀寫操作以及讀時(shí)重定向，從而支持上層應(yīng)用在恢復(fù)過程中對(duì)數(shù)據(jù)卷的讀寫。而恢復(fù)模塊則在后臺(tái)負(fù)責(zé)將恢復(fù)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)拷貝到本地?cái)?shù)據(jù)卷。

監(jiān)控驅(qū)動(dòng)在恢復(fù)任務(wù)時(shí)的監(jiān)控流程如圖2 所示：

圖2　監(jiān)控驅(qū)動(dòng)流程

開始恢復(fù)之后，監(jiān)控驅(qū)動(dòng)會(huì)監(jiān)控到所有對(duì)數(shù)據(jù)卷的讀寫請(qǐng)求。對(duì)于寫請(qǐng)求，會(huì)將請(qǐng)求數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)修改為1，然后將數(shù)據(jù)復(fù)制一份并加上時(shí)間戳信息發(fā)往備份服務(wù)器，最后將該寫請(qǐng)求分發(fā)給下層驅(qū)動(dòng)處理，下層驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)寫入磁盤。對(duì)于讀請(qǐng)求，首先判斷讀取數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)，如果狀態(tài)為1，則表示本地卷中相應(yīng)數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被恢復(fù)或者寫入，因此不做處理，直接分發(fā)給下層驅(qū)動(dòng)來從本地卷讀取數(shù)據(jù)并返回給應(yīng)用層；如果狀態(tài)為0，則將請(qǐng)求的數(shù)據(jù)卷修改為虛擬卷，再分發(fā)給下層驅(qū)動(dòng)，下層驅(qū)動(dòng)會(huì)讀取虛擬卷中的數(shù)據(jù)然后返回給應(yīng)用層。

恢復(fù)模塊在恢復(fù)任務(wù)時(shí)的流程如圖3 所示。

恢復(fù)模塊在恢復(fù)開始之后，將讀取塊號(hào)初始化為0。然后判斷讀取塊號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)，如果狀態(tài)為1，則不做處理，如果狀態(tài)為0，則從虛擬卷里讀取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊并寫入本地卷，然后將數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)置為1。接著讓讀取塊號(hào)指向下一個(gè)數(shù)據(jù)塊，重復(fù)上述處理步驟，直到所有數(shù)據(jù)塊都被處理，恢復(fù)任務(wù)結(jié)束。

圖3　恢復(fù)模塊流程

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

測(cè)試環(huán)境由兩臺(tái)服務(wù)器組成，分別是一臺(tái)生產(chǎn)服務(wù)器和一臺(tái)遠(yuǎn)程災(zāi)備服務(wù)器。在生產(chǎn)服務(wù)器上部署CDP系統(tǒng)客戶端，在災(zāi)備服務(wù)器上部署CDP系統(tǒng)服務(wù)端，具體的配置如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)環(huán)境

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)參考存儲(chǔ)性能理事會(huì)發(fā)布的Trace數(shù)據(jù)，通過在應(yīng)用層發(fā)起讀寫請(qǐng)求來模擬數(shù)據(jù)卷的讀寫。數(shù)據(jù)卷大小為10G，模擬讀寫3個(gè)小時(shí)。然后以開始備份時(shí)間點(diǎn)作為起點(diǎn)，以30分鐘為時(shí)間間隔，選取6個(gè)恢復(fù)時(shí)間點(diǎn)，分別采用傳統(tǒng)恢復(fù)方法和本文提出的恢復(fù)方法進(jìn)行恢復(fù)，然后測(cè)量各情況下的業(yè)務(wù)中斷時(shí)間，即從恢復(fù)開始到上層業(yè)務(wù)能夠正常運(yùn)行的時(shí)間。結(jié)果如表2所示。

表2　業(yè)務(wù)中斷時(shí)間

上文已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)恢復(fù)算法的業(yè)務(wù)中斷時(shí)間進(jìn)行了分析，即業(yè)務(wù)中斷時(shí)間等于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)完全恢復(fù)的時(shí)間，和數(shù)據(jù)卷大小以及回退時(shí)間點(diǎn)到最新時(shí)間點(diǎn)這段時(shí)間區(qū)間中的數(shù)據(jù)改變量成正比。

對(duì)于本文提出的恢復(fù)方法來說，業(yè)務(wù)中斷的時(shí)間等于數(shù)據(jù)重構(gòu)的時(shí)間，只需要遍歷元數(shù)據(jù)文件，找到回退時(shí)間點(diǎn)到最新時(shí)間點(diǎn)之間改變了的數(shù)據(jù)即可，期間只涉及到元數(shù)據(jù)的讀取操作，通常只需花費(fèi)很短的時(shí)間。

4　結(jié)語

本文針對(duì)CDP系統(tǒng)在遠(yuǎn)程恢復(fù)的過程中，不支持對(duì)于數(shù)據(jù)卷的讀寫操作，從而導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷時(shí)間較長(zhǎng)的問題，通過后臺(tái)恢復(fù)以及讀時(shí)重定向機(jī)制，將業(yè)務(wù)流程與恢復(fù)流程重疊，使數(shù)據(jù)卷在恢復(fù)過程中支持讀寫操作。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的恢復(fù)方法能在恢復(fù)任務(wù)開始之后很短的時(shí)間支持?jǐn)?shù)據(jù)卷的讀寫，極大地降低了上層業(yè)務(wù)中斷的時(shí)間。

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CDP;Remote Data Recovery;Block-Level Data;I/O Redirection

An Improved Remote Recovery Method for Continuous Data Protection System

WANG Jin-Ming，XIAO Qian-Yu，LIAO Guo-Long
（College of Computer Science,Sichuan University,Chengdu 610065）

王晉明（1990-），男，四川成都人，碩士研究生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全

肖騫宇（1990-），男，四川江油人，碩士研究生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全

廖國龍（1991-），男，四川成都人，碩士研究生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全

2016-01-05

2016-02-01

針對(duì)目前持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)（CDP）系統(tǒng)在遠(yuǎn)程恢復(fù)的過程中，不支持對(duì)于數(shù)據(jù)卷的讀寫操作，從而導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷時(shí)間較長(zhǎng)的問題，提出一種改進(jìn)的備份數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程恢復(fù)方法，通過后臺(tái)恢復(fù)以及讀時(shí)重定向機(jī)制，將業(yè)務(wù)流程與恢復(fù)流程重疊，支持恢復(fù)過程中上層業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)卷的讀寫操作。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的恢復(fù)方法能在恢復(fù)任務(wù)開始之后很短的時(shí)間支持?jǐn)?shù)據(jù)卷的讀寫操作，極大地降低上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)的中斷時(shí)間。

During the remote data recovery process，current Continuous Data Protection system does not support to read and write data volume, causing business interruption for a long time.Against to this problem,presents an improved recovery method for remote backup data, based on background recovery and reading redirection mechanism,overlapping business process and recovery process.The experiment proves that this recovery method can significantly reduce the business system interrupt time.