多點多備的容災備份技術研究與實現

傅思達，王福喜，高彬娜

(華北計算技術研究所，北京　100083)

多點多備的容災備份技術研究與實現

傅思達，王福喜，高彬娜

(華北計算技術研究所，北京100083)

隨著信息應用技術的發展，越來越多的信息系統投入使用，容災備份技術作為系統高可用性的首要保障從未停止過研究，適合于不同場景的容災備份解決方案日新月異。本文針對大型信息系統多地區分散部署、硬件設施不同和軟件結構復雜的特點，提出一種多點多備的容災備份系統方案使信息系統的每一個部署節點具備一對多和多對一的災備能力，部署節點之間互為備份，最終實現多個節點的數據同時備份，每個備份數據都有多個異地備份副本的高可靠數據容災。本文深入研究了實現多點多備的數據遠程復制技術、數據備份方式和數據同步協議，提出了相應的實現方案和具體的同步協議。

容災備份；多點多備；遠程復制；數據同步協議

本文著錄格式：傅思達，王福喜，高彬娜. 多點多備的容災備份技術研究與實現[J]. 軟件，2016，37（9）：101-104

0　引言

隨著信息應用技術的發展，越來越多的信息系統投入使用，容災備份技術作為系統高可用性的首要保障從未停止過研究，適合于不同場景的容災備份解決方案日新月異。

大型的綜合信息系統網絡地域分布廣泛、涉及業務繁多、層次復雜，系統具有多樣性，硬件設施和軟件結構復雜。例如，軍事信息系統會部署到不同的地方，使得即使某個系統被擊毀，也不會影響其他系統正常運行，達到抗毀頑存[1]；銀行數據分別存放到總行和各個地區分行的數據中心，在系統離線時（與總行系統失去連接）仍然可以繼續進行業務交易；跨國企業會在不同的國家建立數據中心，以保證該地區的信息系統正常運轉和提供高效的業務處理能力。對于這類信息系統，每一個數據中心都需要備份，而且需要多個備份副本來保證數據安全，傳統的容災備份技術無法滿足這類信息系統的多點多備需求。

本文針對大型信息系統多地區分散部署、硬件設施不同和軟件結構復雜的特點，提出一種多點多備的容災備份系統方案使信息系統的每一個部署節點具備一對多和多對一的災備能力，部署節點之間互為備份，最終實現多個節點的數據同時備份，每個備份數據都有多個異地備份副本的高可靠數據容災。本文深入研究了實現多點多備的數據遠程復制技術、數據備份方式和數據同步協議，提出了相應的實現方案和具體的同步協議。

1　多點多備的災備系統方案

大型信息系統通常會將系統部署在多個地方，每個信息系統都能獨立靈活的完成業務功能，同時彼此之間通過網絡傳輸數據進行業務耦合。多點多備的災備系統方案利用這類應用系統的部署具有地域上的分散性，讓各個地區之間的數據互為備份，實現數據容災。將信息系統所在的地區當做一個部署節點，在一個部署節點可以部署有多套具有不同業務功能的應用系統。部署節點之間，能夠建立起多點多備的災備模式。如圖1所示。

圖1　容災備份系統部署結構

對于每一個部署節點來說，都實現了一對多和多對一的災備模式，一對多指每一個部署節點都需要將業務數據備份到其相它多個設施節點形成多個災備副本，多對一指每一個部署節點存儲著其它多個部署節點備份過來的數據備份，因此多個部署節點之間并發進行互為容災備份，構成了多點多備的災備系統架構。多點多備的容災備份部署架構在實際運用中要考慮各個部署節點之間互為備份的策略，即一個部署節點的數據要備份到哪幾個異地部署節點。因為每一個部署節點在地域上彼此之間分布不均勻，有些部署節點之間距離比較近，有些部署節點之間距離比較遠，所以可以將比較靠近的部署節點分成一組，每一組內的各個部署節點數據互相備份，然后再組內選出一個部署節點代表每一組進行組間互為備份。

2　基于多點多備的數據同步

2.1遠程復制技術

多點多備的容災備份系統方案要考慮信息系統多個部署節點的差異性，部署節點之間和部署節點內部的硬件設施不完全統一、軟件結構復雜多樣。數據的遠程復制方式有同步復制和異步復制兩種，同步復制方式需要專業鏈路以及要求軟件的每一次IO事務都要在異地節點完成復制后才釋放，若采用同步復制方式，則代價昂貴且不利于災備方案的實施部署，因而采用異步復制的方式進行數據遠程復制。

常見的異步遠程復制技術有邏輯卷復制技術、磁盤陣列復制技術和數據庫復制技術。其中，磁盤陣列復制技術要求本地和異地兩端的服務器類型必須是同一廠家、同一系列；邏輯卷復制技術的監控和復制會占用主機進程。多點多備的容災備份系統面對的是多個部署節點，每個部署節點又有多個不同的磁盤陣列和主機系統，如果采用磁盤陣列復制技術，則可能無法兼容原有的磁盤陣列，也不利于以后自由增加新的磁盤陣列；而采用邏輯卷復制技術又會對現有的每一個主機系統性能造成影響，增加額外的主機資源消耗。因此，多點多備的災備系統采用數據庫復制技術，既可以滿足對不同硬件設施的兼容，也可以應對復雜的軟件結構，且除了數據庫內容更新時寫歸檔日志占用少量主機資源外，不額外占用主機進程[5-6]。

2.2數據備份方式

數據進行多點多備，還要考慮備份文件盡可能小，使得設施節點之間并發進行互為備份時不僅高效而且不會占用太多的網絡帶寬。除此之外，數據恢復要盡可能方便快捷，不耽誤業務系統的連續性。如果采用全量備份，那么每次備份的數據量大，對現有的網絡帶寬必然造成極大的壓力，影響業務系統功能。但是如果只采用增量備份，在恢復的時候又比較復雜，需要多份增量備份文件，尤其是增量備份文件會越來越多。

因此，研究采用全量備份和增量備份相結合的數據庫復制技術，利用首次全備份，在異地設施節點建立容災備份數據庫鏡像，之后采用增量備份數據庫日志的方式更新異地設施節點的容災備份數據庫，可以通過定義日志文件大小及增量日志采集頻率來控制備份文件的大小和災難發生時的數據損失盡可能降低。備份恢復時，可以通過直接訪問遠程節點的災備數據庫來快速恢復業務，或者將災備數據庫遷移到本地。

全量備份和增量備份相結合的數據庫復制方式，不僅避免了全量備份的備份數據冗余和備份頻率低容易造成數據丟失，也避免了增量備份恢復的復雜性，同時在備份時通過歸檔日志進行增量備份，能夠自由設置數據采集頻率，且減小了備份文件大小，降低遠程復制時占用的網絡帶寬，有效提高多點并發備份的效率。

2.3多點多備的數據同步協議

多點多備的數據同步協議主要解決多點多備的災備系統進行多點備份時如何保證每一個異地備份副本都與源節點的數據保持一致。為了實現多點多備，協議規定如下：

1）為每一個增量備份文件設置一個版本號。先進行本地增量備份，首次全備份的版本號為零，然后依次累加版本號。異地增量備份基于本地增量備份進行，將一個或多個版本的增量備份文件分別復制到多個異地節點，形成多個備份副本。

2）為每一個部署節點設置節點標志。一對多備份時，根據備份目的節點得標志不同，源節點到每一個目的節點的復制過程互不干擾、并發進行，各自保證備份數據按序到達。多對一數據接收時，根據源節點的標志不同，目的節點分別處理多個源節點的數據。

多點多備的災備系統通過備份數據庫操作日志更新異地節點的鏡像數據庫，在進行異地增量備份時需要保證備份文件按序到達。因此多點多備的同步協議根據備份文件版本號和節點標志，還規定了備份數據從源節點到備份目的節點的可靠遠程復制方式，如圖2所示。

圖2　數據遠程復制方式

首次全備份：源節點發送零級備份（全備份）和源節點標志m，目的節點收到備份文件后建立鏡像數據庫，反饋操作成功的確認版本號Ack=0和目的節點標志n。

異地增量備份：源節點依策略采集增量日志數據產生增量備份文件，設版本號k，(k=1，2，3……)。依策略觸發向某個目的節點n發送備份文件k和源節點標志m。目的節點接收備份文件并按序加載到鏡像數據庫，返回響應Ack=k和節點標志n。如果發生斷線或者網絡不通等情況，在重新連接之后，可能會將多個版本號的備份文件進行打包發送，反饋Ack只需等于最新的成功加載到鏡像數據庫的版本號。

異地備份失敗：如果目的節點接收的某個源節點m的版本序不等于k+1，或者備份數據傳輸過程中丟包導致加載更新數據庫失敗，則反饋Ack=k。源節點收到目的節點n的確認版本號k，即說明發往該目的節點n的前k個版本備份文件正常，重發k+1版本備份文件。

超時重傳：如果網絡擁塞導致源節點收不到某個目的節點確認版本號Ack=k，那么可能目的節點沒有收到備份數據或者目的節點的確認反饋消息丟失，則源節點重發該版本備份文件，目的節點收到備份文件后，會判斷該版本數據是否已經成功加載更新，對于已經更新過的則丟棄該版本，并反饋確認版本號Ack=k。

3　實現

軍事信息系統涉及業務繁多、層次復雜，具有多點多級部署的特性，綜合考慮采用多點多備的容災備份解決方案可以真正實現軍事系統的抗毀頑存。基于多點多備架構的容災備份軟件已經實現，用于軍事信息系統的容災備份。軟件通過配置相應的備份對象、備份頻率和備份目的節點等信息，實現將多個源節點的備份對象按頻率觸發備份到多個目的節點，達到多點多備的目的。該容災備份軟件可以靈活應用于現有的具有多地區部署特性的信息系統環境，實現多點多備。

4　總結

研究容災備份技術對于保護數據安全和提高信息系統可用性具有重要意義[7]。本文設計的多點多備的容災備份系統方案結合大型信息系統多地部署的特性，使得部署節點之間能夠實現多點互備，每個部署節點的數據都有多個異地備份副本的高可靠容災備份。針對大型信息系統的部署節點之間存在的硬件設施不同和軟件結構復雜等情況，仔細分析比較得出最適合的遠程復制技術和數據備份方式。采用異步的數據庫復制技術降低容災備份系統與信息系統的軟硬件耦合度，使得部署簡單靈活。使用全量備份和增量備份相結合的備份方式，提高多點并發備份效率，減少網絡帶寬的占用。同時本文還研究實現了基于多點多備的數據同步協議，保證同步數據的一致性和災備數據的可靠性。

[1] 沈迪, 李建華, 朱瑞. 軍事信息系統容災備份策略仿真研究[J]. 計算機仿真, 2013, 30(1): 23-27.

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Research of Disaster Recovery System of Multi-point and Multi-backup

FU Si-da, LIN Zhong, WANG Fu-xi, GAO Bin-na
(North China Institute of Computing technology, Beijing 100083, China)

With the development of information technology, more and more information system put into use.The study of the disaster recovery technology, as the primary guarantee of high availability system, never stopped,thus the disaster backup system can be applied to different scenarios. Based on large information system has characteristics of the more decentralized deployment, different hardware and complex software structure, puts forward a disaster recovery system solution of multi-point and multi-backup, which enable each deployed node have a one-to-multi, and multito-one disaster recovery ability and among deployed nodes are backup to each other, Finally realize backup multiple nodes and at the same time have multiple different backup copies each backup. This paper studied how to implement multi-point and multi-backup deeply, including the data remote replication technology, the way of data backup and the data synchronization protocol, also proposes the corresponding implementation scheme and the concrete synchronization protocol.

Disaster recovery; Multi-point and multi-backup; Remote replication; Data synchronization protocol

TP311.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.024

傅思達(1991-)，男，漢族，北京市海淀區，在讀研究生，研究方向：計算機軟件與理論；王福喜(1981-)男，漢族，北京市海淀區，高級工程師，研究方向：計算機軟件與理論；高彬娜(1982-)女，漢族，北京市海淀區，工程師，研究方向：計算機軟件與理論