數(shù)據(jù)容災(zāi)及其相關(guān)技術(shù)研究

【摘 要】容災(zāi)就成為保證系統(tǒng)高可靠性的重要手段。簡要介紹了容災(zāi)的概念及內(nèi)涵、技術(shù)指標(biāo)、等級、分類、災(zāi)備模式，深入探討了核心技術(shù)、實(shí)現(xiàn)方式、系統(tǒng)組成，最后對其發(fā)展進(jìn)行了簡要回顧。

【關(guān)鍵詞】信息系統(tǒng) 容災(zāi) 備份

一、引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛和深入。計(jì)算機(jī)中存儲的大量信息數(shù)據(jù)維系著各行各業(yè)的生存和發(fā)展，這些數(shù)據(jù)一旦因?yàn)榇鎯ο到y(tǒng)遭受計(jì)算機(jī)病毒襲擊、物理損害或者其他不可避免的自然災(zāi)害，造成大量數(shù)據(jù)丟失，對于企業(yè)和用戶來說，無疑是一場災(zāi)難。傳統(tǒng)的離線備份、備份介質(zhì)異地保存等方法可以在一定程度上解決上述問題。但隨著業(yè)務(wù)對系統(tǒng)可用性、實(shí)時(shí)性要求的提高，容災(zāi)系統(tǒng)成為保障用戶需求的唯一選擇。

因此，容災(zāi)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生的。容災(zāi)備份是信息系統(tǒng)安全的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，越來越多的信息系統(tǒng)要求構(gòu)建災(zāi)難備份系統(tǒng)，以防范和抵御災(zāi)難所帶來的毀滅性打擊。

二、數(shù)據(jù)容災(zāi)技術(shù)概述

（一）容災(zāi)備份的概念

容災(zāi)備份是指利用技術(shù)、管理手段以及相關(guān)資源確保已有的關(guān)鍵數(shù)據(jù)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和關(guān)鍵業(yè)務(wù)在災(zāi)難發(fā)生后在確定的時(shí)間內(nèi)可以恢復(fù)和繼續(xù)運(yùn)營的過程[1]。數(shù)據(jù)容災(zāi)的基本思路是“數(shù)據(jù)冗余+異地分布”，即在異地建立和維護(hù)一份或者多份數(shù)據(jù)冗余，利用數(shù)據(jù)的冗余性和地理分散性來提高對災(zāi)難事件的抵御能力。

（二）容災(zāi)備份系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

衡量容災(zāi)系統(tǒng)建設(shè)，必須通過恢復(fù)時(shí)間目標(biāo)（Recovery Time Objective，RTO）及恢復(fù)點(diǎn)目標(biāo)（Recovery Point Objective，RPO）兩個(gè)指標(biāo)來衡量業(yè)務(wù)系統(tǒng)對容災(zāi)的需求及容災(zāi)系統(tǒng)的有效性。

RPO標(biāo)志系統(tǒng)能夠容忍的最大數(shù)據(jù)丟失量。系統(tǒng)容忍丟失的數(shù)據(jù)量越小，RPO的值越小。RTO標(biāo)志系統(tǒng)能夠容忍的服務(wù)停止的最長時(shí)間。系統(tǒng)服務(wù)的緊迫性要求越高，RTO的值越小。RPO針對的是數(shù)據(jù)丟失，而RTO針對的是服務(wù)丟失，二者沒有必然的關(guān)聯(lián)性。RTO和RPO的選擇必須在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和業(yè)務(wù)影響分析后根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求確定。對于不同企業(yè)的同一種業(yè)務(wù)，RTO和RPO的需求也會有所不同。

（三）容災(zāi)備份的等級

我國的國家標(biāo)準(zhǔn)《信息安全技術(shù)信息系統(tǒng)災(zāi)難恢復(fù)規(guī)范》（GB 20988-2007-T）對災(zāi)備數(shù)據(jù)中心的RPO與RTO兩項(xiàng)指標(biāo)分成了6個(gè)相應(yīng)的等級，具體如下[2]：第1級：數(shù)據(jù)介質(zhì)轉(zhuǎn)移（異地存放、安全保管、定期更新）；第2級：備用場地支持（異地介質(zhì)存放、系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)可調(diào)）；第3級：電子傳送和部分設(shè)備支持（網(wǎng)絡(luò)傳送、磁盤鏡像復(fù)制）；第4級：電子傳送和完整設(shè)備支持（網(wǎng)絡(luò)傳送、網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)就緒）；第5級：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送及完整設(shè)備支持（關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)復(fù)制、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就緒、人機(jī)切換）；第6級：數(shù)據(jù)零丟失（在線實(shí)時(shí)鏡像、作業(yè)動態(tài)分配、實(shí)時(shí)無縫切換）。

（四）容災(zāi)備份的模式

災(zāi)備模式主要有“同城災(zāi)備”、“異地災(zāi)備”以及“同城/異地災(zāi)備”三種主要方式。同城災(zāi)備是指災(zāi)備中心與數(shù)據(jù)中心處于同一城市內(nèi)，可同時(shí)采用同步備份與異步備份技術(shù)。其具有最低的投資成本，最快的災(zāi)難恢復(fù)速度，極高的數(shù)據(jù)保障，但無法應(yīng)對區(qū)域性的災(zāi)難風(fēng)險(xiǎn)。異地災(zāi)備是指災(zāi)備中心與數(shù)據(jù)中心不在同一城市，一般只能實(shí)現(xiàn)異步備份。其投資成本較高，災(zāi)難恢復(fù)速度與數(shù)據(jù)保障能力略低，但可應(yīng)付廣泛的災(zāi)難風(fēng)險(xiǎn)。同城/異地災(zāi)備模式兼具同城災(zāi)備和異地災(zāi)備的優(yōu)點(diǎn)，但成本高。

（五）容災(zāi)的分類

從應(yīng)用的角度及對系統(tǒng)的保護(hù)程度來分[3]，可將容災(zāi)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)級容災(zāi)、應(yīng)用級容災(zāi)和業(yè)務(wù)級容災(zāi)。從對用戶整個(gè)業(yè)務(wù)連續(xù)性的保障程度來看，它們的高可用級別也逐漸提高。

1.數(shù)據(jù)級容災(zāi)。數(shù)據(jù)級容災(zāi)是僅將生產(chǎn)中心的數(shù)據(jù)完整地復(fù)制到容災(zāi)中心的容災(zāi)方式。數(shù)據(jù)級容災(zāi)是異地容災(zāi)的最低級形式，也是最基本的方式，是實(shí)現(xiàn)更高級容災(zāi)方式的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)級容災(zāi)的關(guān)注點(diǎn)在于數(shù)據(jù)本身，在災(zāi)難發(fā)生之后要確保原有的數(shù)據(jù)不會丟失或者遭到破壞。數(shù)據(jù)級容災(zāi)是最低級別的容災(zāi)方式，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)其他級別容災(zāi)的基礎(chǔ)。在災(zāi)難發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)級容災(zāi)無法保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，僅可以保證數(shù)據(jù)是可用的。數(shù)據(jù)級容災(zāi)的恢復(fù)時(shí)間比較長，應(yīng)用會被中斷，但是相比其他容災(zāi)級別來講它的費(fèi)用比較低，而且構(gòu)建實(shí)施也相對簡單。

2.應(yīng)用級容災(zāi)。應(yīng)用級容災(zāi)是指在數(shù)據(jù)級容災(zāi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的可用性，確保業(yè)務(wù)可以快速恢復(fù)。應(yīng)用級容災(zāi)的目標(biāo)是保證應(yīng)用服務(wù)的連續(xù)性。它是在數(shù)據(jù)級容災(zāi)的基礎(chǔ)上，在備份站點(diǎn)同樣構(gòu)建一套應(yīng)用系統(tǒng)。這樣可以保證關(guān)鍵應(yīng)用在允許的時(shí)間范圍內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行，盡可能減少災(zāi)難帶來的損失，讓用戶基本感受不到災(zāi)難的發(fā)生，這樣就可以保證系統(tǒng)服務(wù)的完整性、可靠性和安全性?；謴?fù)或接管后的容災(zāi)系統(tǒng)應(yīng)用功能不改變原有的業(yè)務(wù)處理邏輯，是對生產(chǎn)系統(tǒng)的基本復(fù)制。

3.業(yè)務(wù)級容災(zāi)。業(yè)務(wù)級容災(zāi)是生產(chǎn)中心與容災(zāi)中心對業(yè)務(wù)請求同時(shí)進(jìn)行處理的容災(zāi)方式，能夠確保業(yè)務(wù)持續(xù)可用。業(yè)務(wù)級容災(zāi)的目標(biāo)是企業(yè)整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連續(xù)性。這種級別的容災(zāi)大部分的內(nèi)容是非IT系統(tǒng)的。因?yàn)閷τ谀承┢髽I(yè)而言，在受到重大災(zāi)難影響的時(shí)候，僅有IT系統(tǒng)的保障還是不夠的。用戶除了需要原有的數(shù)據(jù)和應(yīng)用系統(tǒng)之外，還需要有備用的電話、工作場地、基礎(chǔ)設(shè)施來繼續(xù)進(jìn)行業(yè)務(wù)辦理。

上述三種容災(zāi)層次對比如表達(dá)式所示。

三、核心技術(shù)

建立容災(zāi)系統(tǒng)時(shí)會涉及到多種技術(shù)，但其關(guān)鍵技術(shù)有遠(yuǎn)程鏡像、快照和互連技術(shù)等。

（一）數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)

數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)容災(zāi)的關(guān)鍵技術(shù)，它對于數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一致性和可靠性以及系統(tǒng)的應(yīng)變能力具有非常重要的作用。通過有效的數(shù)據(jù)復(fù)制，容災(zāi)中心與本地?cái)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步，確保一旦本地系統(tǒng)故障，遠(yuǎn)程的容災(zāi)中心能迅速完整地接管。數(shù)據(jù)復(fù)制在實(shí)現(xiàn)上可分為同步數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)和異步數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)。同步數(shù)據(jù)復(fù)制就是將本地?cái)?shù)據(jù)以完全同步的方式復(fù)制到異地，這種復(fù)制方式基本可以做到零數(shù)據(jù)丟失。這種方式實(shí)時(shí)性強(qiáng)，災(zāi)難發(fā)生時(shí)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)與本地?cái)?shù)據(jù)完全同步，但受帶寬影響較大，數(shù)據(jù)傳輸距離較短。如果容災(zāi)系統(tǒng)要求RPO=0，就必須采用同步數(shù)據(jù)復(fù)制方式。異步數(shù)據(jù)復(fù)制指將本地?cái)?shù)據(jù)以后臺同步的方式復(fù)制到異地，無需等待遠(yuǎn)程復(fù)制的完成。這種復(fù)制方式不影響本地交易，傳輸距離長，但其數(shù)據(jù)比本地?cái)?shù)據(jù)略有延遲，因此在災(zāi)難發(fā)生時(shí)，會有少量數(shù)據(jù)丟失，這與網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)延遲、I/O吞吐量相關(guān)。在異步復(fù)制環(huán)境中，最關(guān)鍵的是要確保數(shù)據(jù)的一致性。

容災(zāi)數(shù)據(jù)復(fù)制的性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬、復(fù)制距離、數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)據(jù)塊打包方式、系統(tǒng)處理能力有關(guān)。其中通信問題是影響遠(yuǎn)程復(fù)制效率的最關(guān)鍵的因素，因此，容災(zāi)系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況、業(yè)務(wù)類型等來選擇合適的復(fù)制方式。

（二）快照技術(shù)

快照是通過軟件對要備份的磁盤子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)快速掃描，建立一個(gè)要備份數(shù)據(jù)的快照邏輯單元號LUN和快照cache。在正常業(yè)務(wù)進(jìn)行的同時(shí)，利用快照LUN實(shí)現(xiàn)對原數(shù)據(jù)的完全備份，可使用戶實(shí)時(shí)提取當(dāng)前在線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。但由于快照是將內(nèi)存作為緩沖區(qū)，由快照軟件提供系統(tǒng)磁盤存儲的即時(shí)數(shù)據(jù)映像，所以存在緩沖區(qū)調(diào)度的問題。

（三）互連技術(shù)

由于容災(zāi)涉及到主站點(diǎn)與冗余站點(diǎn)，因此將它們連接起來的互聯(lián)技術(shù)在容災(zāi)中十分重要。目前，主站點(diǎn)與冗余站點(diǎn)之間的連接主要有兩種方式。第一種方式為光纖通道連接，可以提供很高的性能，但是成本較高。另一種方式是近期發(fā)展的IP互聯(lián)技術(shù)包，括FCIP、iFCP、iSCSI等。

（四）存儲虛擬化技術(shù)

存儲虛擬化（stoarge vrituailzaiton）按照一定的虛擬存儲體系結(jié)構(gòu)將不同的物理存儲設(shè)備通過不同的接口協(xié)議如（SCS、ISICSI、FICP、FCIP等）整合成一個(gè)虛擬的存儲池，為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)，現(xiàn)資源共享。通過虛擬化將物理存儲設(shè)備和服務(wù)器所見的存儲設(shè)備視圖分開，為服務(wù)器提供統(tǒng)一的邏輯存儲空間，使得服務(wù)器所能看到的是一個(gè)邏輯的存儲空間，而無需知道實(shí)際物理存儲設(shè)備的位置、路徑和每個(gè)設(shè)備的具體特點(diǎn)[4]。

目前有多種不同的存儲虛擬化技術(shù)（如IBM San Volume Controller和HDS Tagma Store存儲平臺提供的Universal Replicator等），利用這些存儲虛擬化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)存儲平臺之間的數(shù)據(jù)復(fù)制（同步或異步方式）。存儲虛擬化技術(shù)可以在不同層面實(shí)現(xiàn)，如在智能交換機(jī)層面、存儲層面或增加第三方設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

（五）分布式災(zāi)備存儲技術(shù)

當(dāng)前的災(zāi)備存儲都采用集中式的存儲管理方式，而面對爆炸性的數(shù)據(jù)增長，這種模式越來越不適應(yīng)未來的發(fā)展需要。為此，建立安全的分布式海量存儲系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)信息動態(tài)分配到多個(gè)自治系統(tǒng)中將是未來發(fā)展的主流方向。

分布式存儲技術(shù)，尤其是基于P2P的分布式存儲技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，并出現(xiàn)了許多存儲系統(tǒng)，如OceanStore、PAST、Pastiche、CFS等。這些存儲系統(tǒng)主要關(guān)注均衡負(fù)載和減少訪問響應(yīng)時(shí)間。對于分布式存儲技術(shù)，現(xiàn)在更加關(guān)注數(shù)據(jù)復(fù)制過程中多副本存儲一致性問題、可信節(jié)點(diǎn)的評估與驗(yàn)證問題、安全數(shù)據(jù)通路的優(yōu)化問題等。

四、容災(zāi)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式

（一）基于主機(jī)的容災(zāi)

通過在主機(jī)上安裝軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在服務(wù)器之間的復(fù)制。這種方式對存儲系統(tǒng)沒有限制，支持異構(gòu)存儲系統(tǒng)，不需要增加硬件，同時(shí)可以在服務(wù)器層增加應(yīng)用遠(yuǎn)程切換功能軟件，從而構(gòu)成完整的應(yīng)用級災(zāi)備方案。但這種方式對軟件要求高，生產(chǎn)中心和災(zāi)備中心的每一臺應(yīng)用服務(wù)器上都需要安裝專門的軟件，隨著服務(wù)器數(shù)目的增加，成本也線性增加。同時(shí)存儲目標(biāo)數(shù)據(jù)的邏輯卷不能被業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接使用。由于需要在服務(wù)器上運(yùn)行軟件，對服務(wù)器兼容性和性能也會有所影響。

（二）基于存儲設(shè)備的容災(zāi)

通過存儲控制器實(shí)現(xiàn)的設(shè)備級數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程鏡像或復(fù)制，是傳統(tǒng)災(zāi)備中最高效最可靠的方式?；诖鎯υO(shè)備的容災(zāi)與服務(wù)器平臺無關(guān)，遠(yuǎn)程復(fù)制由生產(chǎn)中心和災(zāi)備中心的存儲系統(tǒng)完成，對應(yīng)用服務(wù)器完全透明。設(shè)備往往采用的是一些專用的設(shè)備和通信方式，安裝維護(hù)都比較復(fù)雜。由于兩個(gè)中心之間必須有專用的網(wǎng)絡(luò)連接作為數(shù)據(jù)通道，使得該系統(tǒng)對通信線路的要求較高，初期成本非常昂貴。

（三）基于網(wǎng)絡(luò)級的容災(zāi)

主要是指基于虛擬化存儲技術(shù)的災(zāi)備。這種方式無需在應(yīng)用服務(wù)器上安裝任何軟件，遠(yuǎn)程復(fù)制過程不會對應(yīng)用服務(wù)器產(chǎn)生影響。存儲設(shè)備可以完全異構(gòu)，不同廠商不同接口的陣列可以混合使用，而且完全不用考慮現(xiàn)有的存儲設(shè)備是否支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)災(zāi)備，大大降低了方案復(fù)雜程度和實(shí)施難度。但是數(shù)據(jù)的寫入必須由虛擬化數(shù)據(jù)管理產(chǎn)品進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

五、災(zāi)備中心的組成要素

一個(gè)典型的容災(zāi)備份中心應(yīng)由基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)施、數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)、備份處理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、災(zāi)難恢復(fù)計(jì)劃等組成。基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)施：要求能夠保障數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)和備份處理系統(tǒng)的工作，可提供完備的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)施，全面的供配電系統(tǒng)、綜合布線、精密空調(diào)系統(tǒng)、消防及自動氣體滅火系統(tǒng)、中心閉路監(jiān)控、漏水檢測等。

數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)：是容災(zāi)備份中心建設(shè)的最基本要素。如何將數(shù)據(jù)（包含系統(tǒng)、應(yīng)用和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)）完整、安全、可靠地復(fù)制到災(zāi)備中心，是系統(tǒng)建設(shè)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的事項(xiàng)。

備份處理系統(tǒng)：是指在災(zāi)難恢復(fù)時(shí)需配備的主機(jī)系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等，備份處理系統(tǒng)所需要達(dá)到的處理能力和范圍應(yīng)基于恢復(fù)目標(biāo)及成本效益等因素綜合考慮；網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)要求能夠提供正常業(yè)務(wù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)備份通道和災(zāi)難發(fā)生時(shí)系統(tǒng)切換后的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，保證關(guān)鍵備份業(yè)務(wù)峰值性能要求。災(zāi)難恢復(fù)計(jì)劃：為保證災(zāi)備中心在敵障發(fā)生時(shí)可按預(yù)期及時(shí)替代生產(chǎn)系統(tǒng)而制足的管理制度、規(guī)范和流程，如安全管理、運(yùn)維管理、恢復(fù)管理、變更管理、災(zāi)難恢復(fù)演練流程等災(zāi)難恢復(fù)計(jì)劃需足期維護(hù)、測試和演練及審核，以保持其持續(xù)可用性。

六、結(jié)束語

在當(dāng)前自然災(zāi)害頻發(fā)及各種安全隱患越來越嚴(yán)重的背景下。容災(zāi)備份中心己經(jīng)成為電子政務(wù)安全保障體系中不可或缺的一部分。

參考文獻(xiàn)：

[1]柳新民. 應(yīng)用級異地容災(zāi)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D] .哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[2]馬淑桂. 信息系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)--容災(zāi)備份[J]. 數(shù)字與微縮影像，2008（3）.

[3]王樹鵬， 云曉春， 余翔湛，胡銘曾. 容災(zāi)的理論與關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2004（28）.

[4]楊義先， 姚文斌， 陳釗. 信息系統(tǒng)災(zāi)備技術(shù)綜論[J]. 北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)， 2010. 33（2）：1-6