基于SAN存儲的醫療衛生數據中心異步數據災備設計

張 鶴，黎茂林，葛蘊翊，呂德奎

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

基于SAN存儲的醫療衛生數據中心異步數據災備設計

張 鶴，黎茂林，葛蘊翊，呂德奎

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

隨著數據中心建設的興起，及其所承擔業務重要性的逐漸提升，災備中心越來越多地伴隨主數據中心共同建設。目前災備中心的建設思路多種多樣，從存儲網絡上可涵蓋DAS、NAS、SAN，從災備級別上可涵蓋數據級、應用級、業務級災備，從災備技術上可涵蓋冷備、暖備、熱備、雙活，從實現方式上可涵蓋異步、同步，從部署地點上可涵蓋同城、異地。詳細比較各類存儲網絡、災備級別、災備技術的特點，并以醫療衛生災備數據中心為設計和建設出發點，介紹了以SAN為存儲網絡，建設遠程異步數據級災備中心的詳細思路與工作流程，可為中小型數據災備中心建設提供參考。

SAN；數據存儲；數據級災備；災備技術

0 引言

隨著計算機技術與網絡通信技術的不斷進步，各級政府在進行日常工作時，越來越多地依賴于使用信息化手段進行數據處理，而數據處理的效率則依賴于數據中心的穩定運行。由于數據中心本身固有的特性，它將用于承擔海量數量的存儲與處理，而隨著網絡的開放性逐漸加大，以及各類不可控災難的發生，數據中心出現數據丟失的可能性也與日俱增。如果不能夠對這些風險進行有效地控制與處理，一旦出現數據丟失，很有可能對各級政府的日常工作造成不可估量的損失。因此，如何確保數據中心的高可用性與高可靠性，是數據中心建設必須要考慮的問題。

鑒于上述問題，本文提出采用SAN存儲網絡進行數據存儲，并搭建醫療衛生主數據中心與遠程異步數據災備中心，為中小型醫療衛生數據中心進行災難備份提供應用參考。

1 災備技術簡介

災備，即災難備份，是指為了防止出現操作失誤或系統故障而導致的數據丟失，而將整個系統或部分數據，從應用服務器主機的存儲介質復制到其它存儲介質的過程[1]。

1.1 災難備份級別

災難備份從保障的程度上一般分為3個級別：數據級、應用級和業務級。其中數據級災備用于保障數據不受到損壞、應用級災備用于確保災備中心應用能夠快速地接管主數據中心應用，業務級災備用于備份業務場景。

(1)數據級災備。數據級災備主要關注數據，就是在災難發生之后，可以確保數據不受到損壞[2]。對于低級別數據級災備來說，只需要定期將備份的數據存儲設備從主數據中心轉運至異地保存即可。而對于高級別的數據級災備，則需要借助于數據復制工具來實現主備數據中心之間的數據傳輸。

(2)應用級災備。應用級災備關注于應用系統，在異地災備中心再構建一套應用支撐系統，支撐系統包括數據備份、備用數據處理、備用網絡等系統。應用級災備中心能夠在主數據中心發生故障后快速接管應用，從而盡量減少系統宕機時間，提高業務連續性。

(3)業務級災備。業務級災備是最高級別的災備系統。業務級災備不局限于業務數據、業務應用的備份，而是將備份的范疇拓展到了實際業務場景。當發生嚴重災難而導致用戶的業務場景出現損壞時，業務級災備為用戶提供了另外一套備份業務場景用于業務處理。當然，業務級災備的使用必須在數據級災備與應用級災備的基礎之上完成。

1.2 災難備份技術

隨著數據中心承載業務的重要性逐漸提高，只有引入切實有效的災備技術，才能夠真正意義上減輕數據中心發生故障后帶來的損失。數據中心災備技術主要分為4種：冷備、暖備、熱備和雙活。

(1)冷備。冷備技術是中小型數據中心或者承載業務不重要的站點經常使用的災備技術。當數據中心出現故障時，數據中心管理人員借用其它的數據中心(例如其它企業數據中心或網絡公用云數據中心)臨時恢復數據中心的運轉，而當數據中心故障恢復后，再將業務切回本中心。這種災備方式的時間難以保證，有時臨時搭建的平臺也可能因為不穩定而再次出現中斷。當然這種方式不必準備大量的空閑設備，維護成本可以忽略不計。冷備技術從啟用到真正可以開始工作需要較高的成本和時間，通常需要幾天甚至一周或者更長的時間。

(2)暖備。暖備技術是在主備數據中心的基礎上實現的。應用業務部署于主數據中心，備用數據中心則采用暖備部署方式。當主數據中心出現故障后，需要在規定的RTO之內，啟用備用數據中心，實現業務的整體切換。暖備中心平時處于休眠狀態，只有當主數據中心出現故障時，才由數據中心管理人員手工啟用。

(3)熱備。熱備技術同樣在主備數據中心的基礎上完成。不同于暖備技術，熱備技術使用調度軟件感知主數據中心故障，一旦故障發生，立即切換災備數據中心業務應用軟件。熱備中心需要隨時保持待命狀態，一旦主數據中心出現故障，能夠立刻被自動啟用。

(4)雙活。雙活技術一般應用于大型數據中心。使用雙活技術，主備數據中心均需要保持正常運轉，并通過負載均衡技術，將數據中心業務分攤至兩個數據中心當中。當其中一個數據中心出現故障時，另一數據中心將承擔所有業務。使用雙活技術不會造成數據中心資源的浪費，等同于主備數據中心都在為用戶提供服務。

1.3 災備選擇

災難備份的級別與技術需要根據數據中心的級別與承載數據的重要性確定[3]，本文依托的應用背景為中小型醫療業務數據中心，因此選擇對主數據中心進行異地數據級災備，并使用熱備技術確保數據能夠快速地進行切換。

2 存儲網絡簡介

2.1 存儲網絡技術

網絡存儲技術是基于數據存儲的一種通用網絡術語。網絡存儲結構大致分為3種：直連式存儲(DAS)、網絡存儲設備(NAS)和存儲網絡(SAN)。

(1)DAS。DAS，即直連式存儲，是最為簡單，也最為常用的一種存儲網絡。它將外部存儲設備直連在服務器的內部總線上，使數據存儲設備成為整個服務器結構的一部分。DAS存儲方式主要適用于地理位置分散的網絡、小型網絡和特殊服務器上。

(2)NAS。NAS(網絡附加存儲)存儲方式全面改進了低效的DAS存儲方式。NAS獨立于服務器，單獨為網絡數據的存儲開發了一種文件服務器，用以連接存儲設備，并形成一個網絡[4]。這樣數據存儲就不再是服務器的附屬，而是作為獨立網絡節點存在于網絡之中，可由所有的網絡用戶共享。

(3)SAN。SAN存儲是基于光纖介質，最大傳輸速率達17MB/s的服務器訪問存儲器的一種連接方式，同時SAN也是最昂貴和最復雜的存儲選項，SAN存儲方式創造了存儲的網絡化，存儲網絡化順應了計算機服務器體系結構網絡化的趨勢，SAN的支撐技術是光纖通道技術，它是ANSI為網絡和通道I/O接口建立的一個標準集成，其最大特性是將網絡和設備的通信協議與傳輸物理介質隔離開，這樣多種協議可在同一個物理連接上同時傳送[5]。

2.2 存儲網絡選擇

從連接方式上對比，DAS將存儲設備直接與應用服務器進行相連，具備一定的靈活性；NAS通過網絡技術連接存儲設備和應用服務器，存儲設備位置靈活，隨著萬兆網的出現，傳輸速率有了很大的提高；SAN則是通過光纖通道技術將存儲設備和應用服務器進行連接，具備極快的傳輸速率和極強的擴展性[6]。3種存儲方式各有優勢，相互共存，被廣泛地應用于數據存儲應用中。

表 1中詳細描述了3類存儲網絡技術的區別，其中SAN包括ISCSI/IP SANS與光纖通道兩種類型。

表1 存儲網絡技術對比

存儲網絡的選擇取決于數據中心的預算、存儲數據的類型、災備等級要求等多種因素，本文描述的數據災備中心使用基于磁盤陣列的數據復制技術，在存儲網絡技術上，選擇SAN技術，并使用光纖通道連接磁盤陣列與服務器。

3 醫療衛生數據中心災備設計

3.1 數據中心概述

本文依托的項目為區域醫療信息化項目，主數據中心部署于當地政府衛生局數據機房當中，用于存儲當地醫療衛生機構和居民的醫療衛生信息。考慮到主數據中心存儲的居民新農合與醫保結算費用信息、居民健康檔案信息、居民健康卡維護信息等一旦丟失，將嚴重影響醫療衛生體系的正常運轉，影響居民的日常就診行為，因此在進行數據中心設計時，要為主數據中心配備一個異地災備中心。

由于業務需要，異地災備中心部署于離主數據中心超過2 000km的軟件公司數據機房中?？紤]到主備數據中心之間傳輸距離過長，在進行同步與異步的災備方式選擇時，決定使用異步的方式進行災備。同時，考慮到本次災備設計的出發點，是保證數據不丟失，并能夠在主數據中心恢復1小時之內完成主備切換，因此，在災備級別選擇時，系統選擇使用數據級災備的方式，并通過磁盤陣列自身盤陣的數據塊復制技術進行數據的遠程拷貝。

3.2 網絡設計

如圖 1所示，系統主數據中心網絡結構采用“雙活”策略，防火墻、核心交換機、匯聚交換機均使用雙機備份。其中，所有服務器通過兩臺雙活匯聚交換機接入到網絡中。同時，所有服務器與磁盤陣列之間使用存儲交換機進行連接，存儲交換機也使用雙機備份的策略，所有服務器通過光纖交換機與磁盤陣列共享存儲。

圖1 數據中心主備網絡

系統災備中心網絡結構則較為簡單，磁盤陣列直接掛載在核心交換機上，在進行災備同步時，主數據中心存儲直接通過核心交換機與災備中心存儲進行讀寫操作。

3.3 容災設計

由于異地容災主備中心之間的距離較遠(>200km)，因此采用異步鏡像方式，并且會有少量的數據丟失。本系統采用基于存儲設備的數據復制技術，一旦主數據中心發生數據級故障，可以直接利用災備中心的數據，為主數據中心的業務應用提供數據支撐。當主數據中心數據級故障解除后，也可利用災備中心的數據進行主數據中心業務數據的恢復，從而使主數據中心的業務快速回復到災難發生前的狀態。

基于存儲設備的數據復制技術如圖 2所示。

圖2 數據復制技術

如上圖所示，基于存儲設備的復制技術有多種方式，如“一對一”、“多對一”及“一對多”。其中“一對一”復制技術是將一個存儲的數據復制到另一個遠程存儲中；“多對一”復制技術是將多個存儲的數據復制到同一個遠程存儲中；“一對多”復制技術是將一個存儲的數據復制到多個遠程存儲中。

基于存儲設備的數據復制技術是當前選擇較多的容災技術平臺，這主要是由于基于存儲的復制技術方案有如下優點：①基于存儲的數據復制技術利用存儲設備底層的技術機制，不需要消耗主機的處理資源；②基于存儲的數據復制技術應用于存儲設備底層，受應用、主機環境等因素的影響較小，非常適合于主機和業務系統繁多的環境；③采用異步方式沒有距離限制，可以實現距離超過200km的災難備份；④災備中心的數據可以得到一定程度的有效利用(用作測試或報表等)。

基于存儲的數據復制技術有兩種方式，即同步方式和異步方式。

(1)同步方式。使用同步復制方式，是將主數據中心與備份數據中心的數據進行同步更新，只有每一次I/O寫入操作在主數據中心及備份數據中心都完成之后，才能執行下一條I/O寫入操作。

采用同步復制方式，使得備份數據中心磁盤陣列中的數據總是與主數據中心數據同步，因此當主數據中心發生災難事件時，不會造成數據丟失，可以實現RPO為零。為避免對生產系統性能的影響，同步方式通常在近距離范圍內(FC連接通常是200km范圍內，實際用戶部署多在35km之內)。

(2)異步方式。使用異步復制技術，每一條I/O寫入操作不光在主數據中心執行，也在備份數據中心執行，主數據中心不用等待備份數據中心完成I/O寫入操作，就可以執行下一條數據更新。

采用異步復制方式對遠程備份存儲設備性能的影響較小，并且主數據中心與災備數據中心之間的距離理論上沒有限制(通?；贗P連接來實現數據的異步復制)。

由于本系統主備數據中心之間距離長達2 000km，同步方式會導致延遲太高而無法實現，因此采用異步方式。

4 結語

本文根據某區域衛生信息化系統的實際情況，給出了基于SAN存儲網絡，建設醫療衛生主數據中心的異步、數據級、熱備數據中心的詳細設計方法，并對災備設計過程中常見的問題進行了分析，能夠有效地指導中小型數據中心災備系統的設計與建設。

經過在實際業務系統中為主數據中心搭建災備中心，并進行測試，災備中心基本能夠確保數據不丟失，并且數據恢復時間平均控制在15分鐘左右。

[1] 賈云潔，歐陽旦，王晉東，傅永剛.網絡信息系統遠程備份的設計與實現[J].信息工程大學學報,2006(1)：67-70.

[2] 白勇.數據級災難備份技術的理論與實踐[J].金融科技時代，2012(11):82-83.

[3] 周兵.災備系統建設[J].中國科技縱橫,2014(19):213-214.

[4] 劉利.基于NAS和SAN技術的校園網數據存儲結構策略[J].阜陽師范學院學報:自然科學版,2011,28(2):64-67.

[5] 趙建翊.構建基于SAN存儲網絡架構的煙草企業數據中心[J].硅谷,2010(6)：52,72.

[6] 吳洪橋.基于存儲的數據中心遠程災備技術方法探析[J].國土資源信息化,2012(4):81-84.

(責任編輯：孫 娟)

張鶴(1989-)，男，江西豐城人，碩士，中國電子科技集團公司第二十八研究所工程師，研究方向為區域衛生信息化系統集成技術；黎茂林(1979-)，男，貴州都勻人，中國電子科技集團公司第二十八研究所高級工程師，研究方向為區域衛生信息化系統集成技術；葛蘊翊(1980-)，男，江蘇南京人，中國電子科技集團公司第二十八研究所工程師，研究方向為數據庫復制技術；呂德奎(1983-)，男，山東菏澤人，碩士，中國電子科技集團公司第二十八研究所高級工程師，研究方向為復雜系統集成技術。

10.11907/rjdk.162542

TP392

A

1672-7800(2017)003-0146-03