云模式下共享模型的數據備份與恢復策略研究

陳俊志，白尚旺，張少波

（太原科技大學計算機科學與技術學院，太原　030024）

云模式下共享模型的數據備份與恢復策略研究

陳俊志，白尚旺，張少波

（太原科技大學計算機科學與技術學院，太原030024）

0　引言

軟件即服務[1]（Software as a Service，SaaS）是云計算發展環境下一種新興的商業模式。它基于互聯網平臺，將軟件產品做為服務放到云平臺上。SaaS最大的特征就是單實例多租賃，即多個租戶租賃一個應用服務，并且支持租戶按需定制。

SaaS服務面向互聯網上的所有租戶，每個租戶根據自身的實際情況，所要求的數據結構各不相同，SaaS軟件開發商們在搭建基于共享模型的SaaS架構時就不得不考慮各租戶之間數據結構的差異性問題。同時，為租戶提供的數據備份與恢復策略也是一個無法避免需要解決的問題。

1　SaaS數據模型

在設計基于SaaS模式的系統數據模型時，出于降低開發成本和接受服務的租戶量等考慮，在數據的隔離、共享之間取得一定的平衡是一個必須考慮的重要因素。就一般而言，SaaS系統的數據模型有如下三種形式[2]:

（1）獨立數據庫。

在此數據模型中，每個租戶單獨享有一套數據庫系統，這些數據可以布置在獨立的服務器中，也可以部署在同一個服務器中，無論哪種情況，租戶之間的數據都是高度隔離的，如圖1所示。

圖1　獨立數據庫模型

這種數據模型有一個明顯的缺點就是物理資源共享程度很低，有多少個租戶就要安裝多少個獨立的數據庫，隨之帶來的就是增加了購置成本和維護成本，這對于一般的SaaS服務提供商來說是無法承受的。

（2）共享數據庫、獨立Schema。

共享數據庫獨立Schema模型，即多個租戶共同使用一個數據庫，但獨立使用自己的數據模式集，各租戶各自有一套獨有的數據表來存放各個租戶的數據，如圖2所示。相比于獨立數據庫架構，這在各租戶數據的隔離和共享之間采取了折中的方法。

圖2　共享數據庫獨立Schema模型

（3）共享數據庫、共享Schema。

共享數據庫共享Schema模型，即多個租戶不但共用同一個數據庫，還共享數據表，如圖 3所示。這種模式下多個租戶的數據放在一個表里，通過租戶編號“租戶ID”來區分不同租戶的數據。相對于前兩種數據庫架構，這種模式下的數據隔離性程度最低，共享程度最高，相同規模的硬件設備下，支撐的租戶數量最大，最節省設備成本和運維開支。

圖3　共享數據庫共享Schema模型

2　共享數據庫共享Schema

共享數據庫共享Schema模型，不僅具有投入成本低等特點，而且每臺數據庫服務器可以支持最大的租戶量;但是由于數據共享程度高，所以要實現租戶數據間的隔離和安全需要更加復雜的系統設計和實現。多個租戶的數據都放在同一個表里面，但是在任何情況下，即使系統出現異常和故障，租戶間的數據都是彼此透明的，一個租戶不能訪問操作其他租戶的數據。這對系統的數據存儲和安全來說是巨大的挑戰。

從獨立數據庫，獨立Schema模式，到共享Schema模式，數據共享程度越來越高，相應的，數據備份恢復的操作復雜度也越來越高。因為所有租戶的數據都放在一起，數據備份和恢復操作都不能針對某一租戶而是所有租戶。而且進行大量數據修改操作時會影響其他租戶的事務處理相應速度，降低系統性能。但是這種架構在租戶量大的時候，資源的重用導致成本降低，非常符合SaaS軟件的優勢，是SaaS成熟度模型中最高一級成熟度模型的數據庫架構。

使用共享數據庫共享Schema模式，就不得不面對一個問題——數據備份和恢復操作的問題，當系統出現異常情況需要將歷史備份數據重新恢復的話,流程將變得相對復雜。因為如果每個租戶擁有獨立數據庫的話,那么只需恢復該租戶最近的數據庫備份即可。但在獨立模式的情景下,如果簡單的恢復數據庫備份,那就意味著數據庫內所有租戶的數據將一同被恢復,無論該租戶是否數據受損或需要做數據恢復與否。因此，在共享模式下,如果系統管理員希望恢復某個特定租戶的數據,就需要采取一些必要的處理操作,然而這是相對復雜、受多方面因素影響的。

3　數據備份與恢復方案

（1）完全備份

完全備份[3]，就是復制指定的文件數據或數據庫數據，不管其是否改變都進行備份。對當前系統范圍內所有的數據文件進行備份，它不依賴于文件的備份標記，并在備份的文件重新加上備份標記。這樣，在完全備份之后，所有的文件的都會具備備份標記。當下次完全備份時，并不會檢查備份標記，它只是機械性地對當前備份范圍內所有的數據文件進行備份，而備份標記是為了增量備份和差異備份準備的，其目的是用于確定備份哪些文件。

優點是：數據恢復速度快。每次備份就包含了所有的數據文件，只要進行一次恢復操作就可以全部恢復，多以恢復速度會很快。

缺點是：浪費磁盤空間，加大備份成本。由于每次是備份所有數據，而沒有改變的數據也會備份，產生了大量重復的數據。重復的數據備份文件對用戶毫無意義，只會占用磁盤空間，加大備份成本。隨著數據文件的增多，每次備份時間會越來越長。

（2）增量備份

增量備份，備份在前一次備份后有所變動的數據。可以多級增量備份，每次備份都源自前一次備份后的改動部分。增量備份同樣會增加備份標記，備份前都會對上次的備份標記進行判斷，對不同于上次備份標記的進行備份。

優點是：縮短了備份時間，提高了備份效率。由于增量備份只備份變動的數據，這樣就解決了完全備份的缺點。

缺點是：數據恢復時間增長，可靠性降低。每次恢復數據前，要將之前的所有增量備份進行依次恢復。多次的增量備份文件如果不慎丟失一兩個，就無法全部還原，所以可靠性降低。

（3）差異備份

差異備份，是對完全備份后有所改動的數據部分。如果完全備份后存在一次增量備份和一次差異備份，那么這兩次備份的內容是一樣的。差異備份以完全備份為分界線，每次的差異備份都是針對上次完全備份后數據的改動部分，直到下次完全備份，差異備份才會終止。差異備份是一個累積的過程，在數據庫中叫做累計備份。雖然差異備份的備份時間也會隨著數據文件的不斷變大而不斷增加，但是卻比完全備份的時間要短，而且恢復起來較增量備份簡單，只需恢復一次完全備份和一次差異備份即可。總之，從空間和時間上來看，差異備份介于增量備份與完全備份之間，在兩者之間取得了一定的平衡。

（4）混合搭配應用策略

在理解上面的三種備份方式后，可以根據需要選擇合適的備份類型。每種備份方式都有優缺點，如果想要節省備份時間和空間就要犧牲恢復的速度，如果想要恢復的速度，就不得不犧牲備份資源。因此，在實際情況中，很少有單一使用的情況，將不同的備份類型結合起來才是比較符合實際需求的備份策略。在實際備份中，采用的備份策略經常是一下三種模式：

（1）完全備份+增量備份

（2）完全備份+差異備份

（3）完全備份+增量備份+差異備份

以第三種備份策略為例，一個數據庫的備份任務可以做如下的安排，如表1所示。

表1　數據庫備份周期表

這樣的備份模式，第二周重復這一周的安排。假設在第七天，數據庫出現異常，維護人員按照順序，先恢復A，然后恢復E，再恢復F，這樣就能夠回到出現異常的前一天的情況了。相比于單一的備份方式，這種混合策略既節省了空間資源，也在備份時間和恢復時間上都有所改善，是一種相對最優的策略。

4　基于共享Schema模型數據備份和恢復方案

云環境下的SaaS理念強調的是多租戶，為多租戶提供相同的基礎服務下滿足每個租戶的個性化業務需求。SaaS其本質是為租戶提供個性化服務，決定了SaaS的應用系統對用戶的各種業務需求。當然，這其中也包含數據備份和恢復數據的服務。采用共享數據庫共享Schema模型的云平臺當提供單一用戶的數據備份和恢復策略時候，已存在的備份方案無法滿足要求。因此，下面給出針對這一問題的解決方案。

基于共享Schema模型數據的存儲方式以租戶ID來標識每個租戶的數據，這是唯一區分多租戶數據的方式。提供單一租戶的備份和恢復方案，首先要區分租戶的數據，同樣也是根據租戶ID來區分。其思想如圖4所示，將租戶A的數據首先從數據庫中提取出，然后存入到備份數據庫中。

基于共享Schema模型備份和恢復策略方案存在兩種情況：

（1）當數據備份和恢復的操作是云平臺的維護人員操作時。備份數據庫不需要實時存在，當需要恢復某單一租戶的數據時，再根據備份文件構建備份數據庫，然后將備份數據庫中需要恢復數據的租戶的數據存入到數據庫中，在此之前需要將數據庫中該租戶的數據刪除干凈。這種情況的備份操作可以采用第三節提到的混合備份策略，將整體的數據備份，當需要恢復某一租戶的數據時，備份庫中的數據存入到數據庫中即可。這種備份恢復策略在已有的備份策略基礎之上，構建數據庫，然后恢復數據是比較容易想到的。在云平臺以服務提供給租戶時，備份和恢復的功能作為一種服務提供給租戶時，就不能使用這種方法了。

（2）租戶使用備份和恢復功能服務。其作為一種服務實時提供給租戶，因此需要云平臺使用的數據庫之外，還需要一個備份數據庫。這個備份數據庫是實時存在的，云平臺提供備份和恢復兩種操作，都是將數據存入到備份庫中。備份的實現方法可以采用存儲過程，使用游標將租戶A的數據提取出來，然后使用循環和插入操作將數據備份到備份數據庫。恢復的方法類似備份的方法，只是從備份庫中提取數據，將提取的數據存入到數據庫中，如圖5所示。

圖4　基于共享Schema模型數據備份示意圖

圖5　租戶自己進行備份和恢復示意圖

5　實現與分析

某珠寶店業務管理云平臺使用的是Oracle數據庫，以此為例實現上述的兩種備份與恢復策略，并分析其優缺點。Oracle數據庫是一個優秀而且功能強大的數據庫，其對數據備份和恢復策略的實現有很好的支持[4]。

（1）當數據備份和恢復的操作是云平臺的維護人員操作時，其實現方案如下：

第一步，實現數據備份，使用混合備份模式。其腳本如下：

第二步，當需要進行恢復時，構建備份數據庫。

第三步，假如是第七天數據庫發生異常，需要恢復某單一租戶的數據。

第四步，創建恢復數據的存儲過程（不是備份庫，而是使用的數據庫中）

完成以上四步，即可恢復某一租戶的數據。

（2）當數據備份和恢復操作作為功能服務由租戶使用時，其實現方案如下：

第一步：前提條件。創建一個和云平臺使用的數據庫一樣大的空間的備份庫。

第二步：創建備份存儲過程。

第三步，借助云平臺的程序端調用該存儲過程，完成數據備份。

第四步，同上面（一）的第四步。

第五步，借助云平臺的程序端調用該存儲過程，完成數據恢復。

通過將兩種方案實現并測試發現，第一種方案在備份和恢復的整個過程中，其缺點是步驟繁瑣，維護人員的工作量相對較大；優點是服務器不需要同時運行兩個數據庫，服務器負載小。第二種方案，其最大優點是數據備份和恢復過程操作簡單，但其也有缺點，服務器同時負載兩個數據庫，當備份操作密集時，云平臺性能有所降低；當數據表過多，且表之間關聯較多，采用此方案，需要考慮數據存入表的先后順序，將關聯度的影響降到最低。

6　結語

總而言之，兩種方案各有優勢，沒有哪個完全優于另一個，各有其適合的環境。在云平臺發展初期，可以采用上面第二種備份與恢復策略。由于其發展初期，租戶較少，且其數據庫結構相對不復雜，而且成本較低，操作相對簡單，適合云平臺的起步發展階段。當云平臺發展到一定程度，租戶較多，不同的租戶需求不同，可以根據實際情況選擇適當的備份與恢復方案。

[1]葉偉.互聯網時代的軟件革命——SaaS架構設計[M].電子工業出版社，2009:6-9.

[2]唐圣潘，周肆清，丁長松.基于SaaS模式的共享模型的數據擴展技術研究[J].計算機技術與發展,2011,27（No.8）:63-70

[3]劉淑艷，魯小利.數據庫災難備份與恢復技術分析與研究[J].電子技術與軟件工程,2013,16:233-234

[4]李峰，劉曉潔，林翰融.基于Oracle數據庫的容災系統[J].計算機工程與設計,2011,32（No.11）:3573-3577

Cloud Mode;Shared Schema;Data Backup and Recovery;SaaS

Research on Data Backup and Recovery Strategies Based on Shared Schema Model in Cloud Mode

CHEN Jun-zhi，BAI Shang-wang，ZHANG Shao-bo
（College of Computer Science and Technology,Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024）

1007-1423（2016）02-0052-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.02.013

太原科技大學校研究生創新基金資助項目（No.20145023）

陳俊志（1990-），男，天津寶坻人，碩士，研究方向為軟件工程技術

白尚旺（1964-），男，山西文水人，碩士，教授，從事領域為數據庫與軟件工程技術、信息管理與決策支持等方面的科研與教學工作

張少波（1989-），男，河北石家莊人，碩士，軟件工程專業，研究方向為軟件分析與建模

2015-12-01

2015-12-23

對云模式下共享模型的數據備份與恢復策略進行研究，解決多租戶應用中單一租戶數據恢復難的問題。首先，簡單地描述了SaaS及其數據模型，分析共享數據庫共享Schema模型，提出采用該模型下不得不面對的數據備份和恢復的問題。根據數據備份和恢復的操作者不同，給出兩種解決方案，并在實際的云平臺中應用實現，最后對兩種解決方案進行對比分析，給出分析結果。

云模式；共享模型；備份與恢復；SaaS

To solve a single tenant's difficulty of data recovery in multi-tenant application,studies the data backup and recovery strategies based on the shared schema in cloud mode.Describes SaaS and its data model,and mainly analyzes the shared database sharing schema model, proposes to solve the issue of data backup and recovery under the model.According to different data backup and recovery of the operator, are gives and realizes two solutions in the actual application in the cloud platform.Compares and analyzes the results,and presents the analysis.