對(duì)存儲(chǔ)高可用性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)現(xiàn)方法的分析

國(guó)家新聞出版廣電總局五七三臺(tái) 馮 莉

引言

在互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等信息技術(shù)取得快速發(fā)展的同時(shí)，各行各業(yè)都將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息。而在存儲(chǔ)系統(tǒng)建設(shè)方面，無論是新系統(tǒng)建設(shè)還是舊系統(tǒng)改造，都應(yīng)加強(qiáng)高可靠性技術(shù)的運(yùn)用，從而解決數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)問題。因此，還要加強(qiáng)對(duì)存儲(chǔ)高可用性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)現(xiàn)方法的分析，以便更好的完成系統(tǒng)建設(shè)。

1.存儲(chǔ)系統(tǒng)可用性問題分析

伴隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全問題引起了人們的普遍關(guān)注。對(duì)于企業(yè)來講，數(shù)據(jù)為重要的資源，能否保證數(shù)據(jù)得到安全、可靠的存儲(chǔ)，將對(duì)企業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生直接影響。對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)展開可用性分析，則能反映出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和可靠性，從而結(jié)合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)存在的問題加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全保護(hù)。目前，對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)可用性能夠產(chǎn)生影響的因素主要有兩種，一種為故障率，另一種則為修復(fù)周期。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)建需要采用存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，主要包含硬盤和存儲(chǔ)控制器，平均無故障時(shí)間能夠達(dá)到百萬小時(shí)以上，年故障率平均為0.88%。然而就實(shí)際情況來看，受機(jī)房溫濕度、灰塵、靜電等環(huán)境因素的影響，同時(shí)受自身固有特性引起的元器件損壞等問題的影響，硬盤會(huì)出現(xiàn)損壞、老化等問題。此外，軟件設(shè)置和病毒入侵等問題的存在，也將引起硬盤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混亂，繼而導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生無法識(shí)別的故障。為解決這一問題，存儲(chǔ)行業(yè)大多采用熱插拔技術(shù)，在硬盤發(fā)生故障時(shí)可直接進(jìn)行備份硬盤的預(yù)置或更換新硬盤，促使存儲(chǔ)系統(tǒng)重新建立數(shù)據(jù)，整個(gè)過程無數(shù)據(jù)丟失問題。但是采用該種技術(shù)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間恢復(fù)數(shù)據(jù)，同時(shí)也將造成系統(tǒng)存儲(chǔ)性能下降，難以滿足存儲(chǔ)的高可用性技術(shù)要求。采用存儲(chǔ)控制器，可以將多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器組織在一起，提供高效數(shù)據(jù)讀寫、傳輸和存儲(chǔ)等服務(wù)。但是這類存儲(chǔ)設(shè)備存在控制器故障這一安全隱患，一旦故障發(fā)生盡管不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，卻將導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)器難以進(jìn)行數(shù)據(jù)的正常讀寫，因此同樣難以滿足存儲(chǔ)系統(tǒng)的高可用性要求。

2.存儲(chǔ)高可用性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合存儲(chǔ)可用性問題，還要利用高可用性技術(shù)構(gòu)建存儲(chǔ)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)展開高可用性評(píng)價(jià)，以便使系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中可以發(fā)揮更好的功效。目前，針對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行高可用性評(píng)價(jià)可以采用較多的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但是結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，主要可以采用故障恢復(fù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的適用性標(biāo)準(zhǔn)展開評(píng)價(jià)，從而保證系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

2.1 故障恢復(fù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

采用故障恢復(fù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)展開評(píng)價(jià)，需要利用RPO和RTO兩個(gè)參數(shù)作為系統(tǒng)的故障恢復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)。所謂的RPO，即為Recovery Point Objective的英文縮寫，為故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)可接受的最大容忍數(shù)據(jù)丟失量。該指標(biāo)將受到系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)的影響，如采用同步數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)能夠使該指標(biāo)達(dá)到秒級(jí)。而RTO為Recovery Time Objective的英文縮寫，為系統(tǒng)發(fā)生故障后從業(yè)務(wù)停止到恢復(fù)需要的時(shí)間[1]。該項(xiàng)指標(biāo)將受到系統(tǒng)采用的系統(tǒng)切換技術(shù)的影響，采用系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)能夠達(dá)到秒級(jí)。對(duì)于具有高可用性的存儲(chǔ)系統(tǒng)來講，還要盡量降低設(shè)備故障率，即便發(fā)生故障系統(tǒng)在數(shù)據(jù)恢復(fù)期間數(shù)據(jù)丟失也應(yīng)當(dāng)趨近零，并且業(yè)務(wù)中斷時(shí)間同樣趨近于零。

2.2 技術(shù)的適用性標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)展開高可用性評(píng)價(jià)，還要采用技術(shù)的適用性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫性能、兼容性能、實(shí)施性能和管理性能展開評(píng)價(jià)。分析設(shè)備讀寫性能，要求采用高可用性技術(shù)構(gòu)建的存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠保持良好的數(shù)據(jù)讀寫性能，數(shù)據(jù)吞吐量和讀寫次數(shù)保持原有水平。其次，構(gòu)建的存儲(chǔ)系統(tǒng)需要對(duì)不同型號(hào)和品牌的存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行兼容，并對(duì)各種操作系統(tǒng)進(jìn)行兼容[2]。再者，存儲(chǔ)系統(tǒng)無需實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大幅度改造，實(shí)施改造不會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間業(yè)務(wù)中斷。最后，存儲(chǔ)系統(tǒng)在技術(shù)升級(jí)和運(yùn)維管理方面較為容易，有助于加強(qiáng)系統(tǒng)管理。

3.存儲(chǔ)高可用性實(shí)現(xiàn)方法

3.1 傳統(tǒng)技術(shù)方案

伴隨著數(shù)據(jù)信息的海量增長(zhǎng)，企業(yè)大多采用海量存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)系統(tǒng)建設(shè)，利用集群滿足海量數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份管理。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)器群、前后端高性能網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)器集群構(gòu)成，利用應(yīng)用服務(wù)器集群可以從數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取或向服務(wù)器寫入數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢等服務(wù)；利用數(shù)據(jù)服務(wù)器群可以采用管理節(jié)點(diǎn)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)保存，如對(duì)象地址、控制信息等，并采用數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與后端網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)協(xié)同；利用前端高性能網(wǎng)絡(luò)，則能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)請(qǐng)求的發(fā)送，利用后端網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)同步，完成數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和通信。目前，海量存儲(chǔ)系統(tǒng)采用的傳統(tǒng)高可用性技術(shù)方案包含主從方式、對(duì)稱方式和多機(jī)互備方式。采用主從方式，即利用主服務(wù)器進(jìn)行服務(wù)的提供，利用備服務(wù)器進(jìn)行主服務(wù)器的監(jiān)測(cè)，并在主服務(wù)器斷電、故障等情況下進(jìn)行服務(wù)的接管。采用對(duì)稱方式，即實(shí)現(xiàn)服務(wù)器兩兩相互監(jiān)測(cè)，一旦一臺(tái)故障，另一臺(tái)會(huì)實(shí)現(xiàn)工作接管。采用多機(jī)互備方式，存儲(chǔ)系統(tǒng)各服務(wù)器都要進(jìn)行多種服務(wù)的提供，同時(shí)進(jìn)行相互監(jiān)測(cè)，隨時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行其他服務(wù)器的替代。

3.2 系統(tǒng)技術(shù)方案

針對(duì)海量存儲(chǔ)系統(tǒng)，采用單一某種高可用性技術(shù)方案難以滿足服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全需求，但是設(shè)置過多備用設(shè)備也將導(dǎo)致系統(tǒng)成本過高。結(jié)合系統(tǒng)服務(wù)器特征，還要采用相適應(yīng)的高可用性技術(shù)方案。具體來講，就是分別采用不同技術(shù)進(jìn)行管理服務(wù)器和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的管理。針對(duì)管理服務(wù)器，由于其需要完成元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并為應(yīng)用服務(wù)器提供數(shù)據(jù)查找路徑和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)管理，采用一臺(tái)服務(wù)器難以保證系統(tǒng)安全性和可用性，因此還要采用主從方式進(jìn)行服務(wù)器配置。而在主從服務(wù)器之間，需要利用后端網(wǎng)絡(luò)確保數(shù)據(jù)協(xié)同，繼而使備用服務(wù)器能夠順利接管主機(jī)。針對(duì)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，通常利用不同數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)副本的存儲(chǔ)，因此還要采用多機(jī)互備的方式提高服務(wù)器群的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全，利用后端網(wǎng)絡(luò)保證服務(wù)器間數(shù)據(jù)同步。

3.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

結(jié)合系統(tǒng)高可用性技術(shù)方案，在具體進(jìn)行方案實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要利用GFS文件系統(tǒng)進(jìn)行海量存儲(chǔ)系統(tǒng)的構(gòu)建，并利用開源軟件Heartbeat實(shí)現(xiàn)服務(wù)器間的通信，采用Pacemaker對(duì)服務(wù)器集群進(jìn)行管理。在實(shí)際進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，主備用管理服務(wù)器的CPU為Intel quad core 2.13GHz，采用的操作系統(tǒng)為Federo，網(wǎng)卡為千兆網(wǎng)卡，內(nèi)存為2GB 133MHz。采用的文件系統(tǒng)為KFS 0.5，采用的使GFS架構(gòu)。采用GFS，其實(shí)就是利用開源分布式文件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密集型服務(wù)，具有較高的數(shù)據(jù)讀寫效率和較高的可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)陣列的共享[3]。在該種架構(gòu)下，可以利用Client端對(duì)Master服務(wù)器和Chunk服務(wù)器進(jìn)行訪問。利用Master服務(wù)器，則能對(duì)系統(tǒng)元數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)地址信息、控制信息和命名空間等內(nèi)容的管理。采用Chunk服務(wù)器，能夠進(jìn)行對(duì)象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，利用后端網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器間數(shù)據(jù)同步。針對(duì)管理服務(wù)器和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，還要采用Heartbeat3.0.4 stable Pacemaker 1.1高可用軟件。采用Heartbeat，可以利用其發(fā)送的心跳信號(hào)對(duì)其他服務(wù)器狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并利用軟件提供的多播、組播和單播等方式進(jìn)行信息發(fā)送或接收，完成服務(wù)器狀態(tài)查詢[4]。該軟件內(nèi)部包含集群協(xié)同模塊，可以對(duì)各服務(wù)器間平等協(xié)調(diào)通信進(jìn)行保證。采用該軟件，也能對(duì)系列進(jìn)程間的通信函數(shù)進(jìn)行定義，并對(duì)伙伴進(jìn)程實(shí)現(xiàn)無障礙訪問，同時(shí)也可以進(jìn)行系統(tǒng)日志的記錄。采用Pacemaker，可以與Heartbeat配合，促使打開服務(wù)停止。利用該軟件，能夠?yàn)榧汗芾碥浖耐卣固峁┲С郑⒔Y(jié)合管理軟件提供的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)將服務(wù)適時(shí)打開或關(guān)閉，對(duì)服務(wù)在集群上的位置進(jìn)行調(diào)整，增強(qiáng)集群的可用性。此外，系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器采用的CPU同樣為為Intel quad core 2.13GHz，操作系統(tǒng)為Federo，網(wǎng)卡為千兆網(wǎng)卡，內(nèi)存為2GB 133MHz。

4.存儲(chǔ)高可用性技術(shù)評(píng)價(jià)

采用高可用性技術(shù)方案完成海量存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)建后，還要對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)展開高可用性評(píng)價(jià)，確定技術(shù)方案的實(shí)施效果。具體來講，就是要利用應(yīng)用服務(wù)器每隔50ms進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求的發(fā)送，管理服務(wù)器則需要實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求接收，并利用數(shù)據(jù)服務(wù)器返回5k數(shù)據(jù)包。在RTO測(cè)試的過程中，需要對(duì)主管理服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分別中斷，然后對(duì)中斷前后應(yīng)用服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量，得到服務(wù)器恢復(fù)時(shí)間。在RPO測(cè)試中，需要利用同步鏡像方式進(jìn)行系統(tǒng)檢查，確定數(shù)據(jù)丟失情況。此外，需對(duì)系統(tǒng)讀寫性能、兼容性等性能進(jìn)行綜合分析，確定系統(tǒng)構(gòu)建效果。

從測(cè)試結(jié)果來看，重復(fù)30次對(duì)管理節(jié)點(diǎn)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中斷，得到的服務(wù)恢復(fù)時(shí)間在4.8-5.6s之間；重復(fù)30次對(duì)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中斷，得到的服務(wù)恢復(fù)時(shí)間在5.3-6.2s之間。由此可見，采用該種存儲(chǔ)系統(tǒng)，服務(wù)器中斷恢復(fù)時(shí)間將在5-6s之間，而系統(tǒng)設(shè)定的服務(wù)器請(qǐng)求為50ms，因此從RTO測(cè)試結(jié)果來看，服務(wù)器發(fā)生中斷后，備用服務(wù)器會(huì)在5-6s內(nèi)完成主機(jī)自動(dòng)接管，整個(gè)過程不需要人工干預(yù)，提供的服務(wù)也未發(fā)生中斷。從RPO測(cè)試結(jié)果來看，系統(tǒng)未發(fā)生數(shù)據(jù)丟失問題，存儲(chǔ)可用性得到了有效提高。此外，系統(tǒng)每秒讀寫次數(shù)、吞吐速率等指標(biāo)均無明顯下降，因此可以認(rèn)為方案能夠滿足數(shù)據(jù)服務(wù)的可用性要求。

5.結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，伴隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、醫(yī)藥等行業(yè)都需要完成海量數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提出了較高的安全性要求。而采用高可用性技術(shù)進(jìn)行海量存儲(chǔ)系統(tǒng)的構(gòu)建，能夠按照相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)與實(shí)現(xiàn)，并對(duì)系統(tǒng)的高可用性展開評(píng)價(jià)，從而為數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)提供更多的安全保障。因此相信在企業(yè)存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，高可用性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)方法能夠獲得較好的應(yīng)用前景。

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