虛擬化操作系統的虛擬機的備份與容災

李超越

（云宏信息科技股份有限公司 廣東省廣州市 510642）

隨著云計算行業的在各個行業與領域的深入使用與日益普及，作為云計算應用技術的基石的虛擬化操作系統也同樣部署到了各種物理硬件之上。同樣隨著各種計算機應用程序與云計算的深入結合，虛擬化操作之上的虛擬機承載的業務也將涉及到各行各業，其上的業務規模與復雜性也急劇增大。虛擬化操作系統的安全可用性也就成為了各種應用軟件可用的核心問題。

在航空航天、武器裝備、醫療設備、道路交通、能源工業、金融等安全攸關的領域，虛擬化操作系統基礎上的基礎軟件失效將導致災難性的后果。因此，當虛擬化操作系統的一個完整的環境因災難性事件造成長時間運行環境無法恢復甚至于環境遭受到不可恢復的破壞的時候，為迅速恢復系統的數據和運行環境，需要采用容災備份與恢復技術，確保應用軟件的基層運行環境能夠快速從災難造成的故障與癱瘓狀態恢復到正常狀態，支撐其支持的業務功能從災難造成的不正常狀態恢復到可接受狀態。

1 基于vhd格式的虛擬機備份

從含義上而言，備份是指將用戶的數據從源端拷貝復制一份存放到額外的空間中，將源數據保存幾份以增強安全性的行為。備份本身并不具有實際的意義，其作用主要是為了在原數據被破壞有可以通過一定的技術手段將備份出來的數據重新復制回來從而恢復正常的業務數據，因為備份必須同時需要與恢復同時存在。容災指一種應對數據被破壞的場景恢復數據與應用的技術，即在應用與數據所處的環境發生災難性破壞或者發生自然或認為災害后數據無法獲取，應用短時間無法恢復的一種應對手段。考慮到成本，實現難度等因素，備份恢復往往是容災方案中的一種重要手段。

2 容災技術的分類與恢復等級

目前比較被認可的容災的恢復等級的劃分主要指的就是Share78 容災國際標準，該標準主要通過以下方面將容災等級做了劃分：

（1）備份/恢復的范圍；

（2）災難恢復計劃的狀態；

（3）應用地點與備份地點之間的距離；

（4）應用地點與備份地點如何相互連接；

（5）數據是怎樣在兩個地點之間傳送的；

（6）允許有多少數據丟失；

（7）怎樣保證備份地點數據的更新；

（8）備份地點可以開始備份工作的能力。

從最簡單的僅在本地進行磁帶備份，到將備份的磁帶存儲在異地，再到建立應用系統實時切換的異地備份系統，恢復時間也可以從幾天到小時級到分鐘級、秒級或零數據丟失等將容災的等級劃分七個等級為：

0 級：無異地備份；

1 級：實現異地備份；

2 級：熱備份站點備份；

3 級：在線數據恢復；

4 級：定時數據備份；

5 級：實時數據備份；

6 級：零數據丟失。

針對高等級的容災方案，將同樣付出較多的資源的消耗并需要更高的實現難度。針對各種不同的容災方案，同樣有其建設的衡量標準。衡量災備系統建設的指標有許多：

RTO-恢復及時性

衡量業務恢復正常所需時間

RPO-恢復時間點

衡量業務恢復過程數據丟失的風險

RRO-恢復可靠性

衡量業務恢復的把握性

RIO-恢復完整性

衡量業務恢復之后數據的可用性

ROI-投資回報率

衡量業務連續性系統投資效率

其中最重要的有兩個：一個是 RTO（RecoveryTime Object）即指災難發生后，從系統停機導致業務停頓開始，到IT 系統恢復，業務重新運營，中間所需要的時間；另一個是 RPO（Recovery Point Object）是指一個過去的時間點，當災難或緊急事件發生時，數據可以恢復到的時間點。

3 vhd文件介紹

虛擬化操作系統管理虛擬磁盤有各種虛擬磁盤的格式，VMware 的VMDK 格式、Virtual PC 的VHD 格式、VirtualBox 的VDI 格式、Parallels Desktop 的hdd 格式，qemu 的qcow2 格式等幾種虛擬機的虛擬磁盤文件格式。各種格式都有其自己的固定的管理方式，各種格式都有其特有的容災的處理方案。本方案主要針對在Xen 虛擬化上對VHD 虛擬磁盤格式進行容災方案分析。

VHD 即Microsoft Virtual Hard Disk format，qemu 和tapdisk 都能支持VHD 鏡像格式，不僅提供基本的虛擬機卷功能，還可提供磁盤快照、磁盤擴容等高級功能。

VHD 格式可以分為動態VHD 與靜態VHD 兩種格式：靜態VHD 與裸磁盤格式一一對應，并在末尾添加一個VHD footer 的方式管理；動態VHD 的格式在blktap 代碼中的vhd.h 頭文件定義如下：

HD footer 中記錄了文件的文件的標識性信息，格式類型與版本信息，記錄了數據的起始位置等信息。從圖中的Data Block 說明我們可以知道，沒有數據塊分兩個部分，一個Bitmap 與實際真是的數據存儲位置，每個數據塊的實際大小根據總的磁盤的大小進行計算，默認為2M。其中重要的機構Bitmap 記錄了每個sector 的實際使用情況。同時VHD 格式采用樹形結構管理各個VHD 文件的父子繼承管理，每個葉子節點為與終端應用程序交互的入口點，或為vhd 虛擬磁盤的入口，或為vhd 快照的入口。各個虛擬磁盤的父子關系記錄在了dd_hdr 的parent_name 字段當中。VHD 格式文件格式文件主要有三種類型，定義如下：

對于存在HD_TYPE_DIFF 類型的VHD 文件在讀寫時首先需要打開在VHD 文件樹上一條分支上的所有VHD 文件，并訪問葉子節點的VHD 文件的footer 讀取的dd_hdr 偏移并讀取，并經過一系列的尋址，找到實際的數據塊。當IO 請求是寫入操作時，將不訪問母盤，直接寫入該葉子VHD 文件的相應位置；若進行讀取操作時，如果讀取的位置葉子VHD 已經進行了修改，則直接讀取該最終內容，如果讀取的位置未進行改動，則依次向根節點查找最后的修改的內容，若從未被修改過，則返回全0。

4 基于vhd文件格式的容災備份方案

基于VHD 的差量的機制，每次寫入新的數據將只修改最終葉子VHD 的固定位置，并將該位置的對應的BAT 與bitmap 進行已使用的設置。因此為了獲取到兩個時間點之間數據發生的變化，只需要在起始時間給原VHD 虛擬磁盤分配一個葉子VHD 虛擬磁盤，其父VHD 磁盤指向原磁盤，并將葉子VHD 虛擬磁盤作為虛擬機的操作磁盤。如此操作之后，虛擬機對磁盤數據的所有變更將只修改葉子VHD 磁盤。到達結束時間后，只需要獲取葉子節點BAT 與每個數據塊的bitmap 就可以獲取到這段時間修改的虛擬磁盤的磁盤塊，并通過讀取葉子節點這些磁盤塊的數據就可以完全讀取出這段時間的內容變更。由于為保證父盤的安全性以及葉子VHD 正在被虛擬機使用數據將實時變化，在實際操作過程中，在起始時間與結束時間分別為父VHD 與葉子VHD 創建一個寫保護的子VHD，通過對比兩個子VHD 來獲取差量。

在備份時，首先將獲取第一個盤的所有的數據。通過一個打開并讀取VHD 文件的程序，并通過網絡將數據發送的服務程序讀取第一個虛擬磁盤中的數據并保存到備份端的存儲介質當中，該數據保存的方式將有備份端的存儲方式決定，可以保存成磁盤，保存成文件，或者保存成存儲LUN，分布式存儲鏡像都可以。當到達第二個備份點時，此時可以有兩種選擇：

（1）仍然選擇全量備份的方式將整個虛擬磁盤的數據進行讀取并備份到備份存儲當中，該方案將每次都在網絡上傳輸這個虛擬磁盤，將大量占用網絡帶寬，傳輸量大、時間慢并且占用大量的備份端的存儲；

（2）對比兩個備份點的差量，將差量的位置信息與實際的差量數據進行傳輸并存儲到備份端。該方案需要額外傳輸一個差量位置信息，并且將有一部分CPU 的運算工作，但占用網絡小、傳輸數據少，備份相對要快得多。

基于以上的兩種方案的優缺點分析，在實際生產中一般采用差量備份的方式。同時，將虛擬化操作系統中的虛擬機Metadate 信息通過網絡備份到備份存儲中就完成了虛擬化操作系統的虛擬機的備份。

在故障或災難發生時，可以通過在另外的一套虛擬化操作系統產品環境中部署備份出來的虛擬機的Metadata 信息重新創建虛擬機，并將備份端的虛擬磁盤數據信息或直接掛在到新的虛擬化操作系統上或讀取其中的數據灌入到新的虛擬磁盤當中，從而達到了虛擬機應用環境的恢復以及最多僅損失一個備份周期內的應用數據的情況下恢復了業務。

5 結論

通過該虛擬化操作系統的虛擬機的備份與容災方案，基本能夠滿足客戶業務容災7 個層次中的第4 層次以上的安全性要求。在應用的配合下將達到第5 層次交易完整性的要求。該方案通過vhd 的差量的功能，根據虛擬機的實際的寫入頻率，適當的縮短備份的周期，實現在故障與災難發生時盡可能少的數據量的丟失。