基于NAS架構(gòu)的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：石油行業(yè)地質(zhì)資料數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、增長(zhǎng)快和數(shù)據(jù)種類復(fù)雜等特點(diǎn)，如何備份這些海量的數(shù)據(jù)成了一大難題。以中國(guó)南海東部海域石油勘探數(shù)據(jù)為例，結(jié)合石油行業(yè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“兩地三中心”的數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)架構(gòu)，建成了三級(jí)數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)。該系統(tǒng)以NAS存儲(chǔ)數(shù)據(jù)快照技術(shù)為基礎(chǔ)，各級(jí)備份系統(tǒng)采用不同的備份策略，對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，通過(guò)對(duì)各級(jí)備份數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)驗(yàn)證，各級(jí)備份數(shù)據(jù)都是完整有效的，取得了預(yù)期的效果，達(dá)到了系統(tǒng)建設(shè)的目的。

關(guān)鍵詞：NAS；數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)；異地容災(zāi)；數(shù)據(jù)恢復(fù)

中圖分類號(hào)：TP309.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The geological data of petroleum industry has the characteristics of large data volume，fast growth and complex data types.How to backup these huge data is a difficult problem.Taking the data of oil exploration in the eastern South China Sea as an example，combining with the characteristics of the oil industry data，the paper designs the Three Centers for Two Places data backup system architecture，and constructs the three-level backup system.The system is based on NAS storage data snapshot technology，and different backup strategies at all levels are adopted，corresponding to different levels of risk.Through the study of recovery verification，all levels of the backup data are complete and effective，and the expected results and the purpose of system construction are achieved.

Keywords：NAS；data backup system；remote disaster recovery；data recovery

1 引言 （Introduction）

隨著中國(guó)南海東部海域石油勘探逐漸進(jìn)入深水領(lǐng)域，勘探所涉及的海域面積越來(lái)越大，由此產(chǎn)生的石油勘探開發(fā)數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大，這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行石油勘探開發(fā)的基礎(chǔ)，也是企業(yè)最重要的財(cái)富。因此，為了保障勘探開發(fā)科研數(shù)據(jù)的安全，降低因人為誤操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，防范因各種自然災(zāi)害而造成硬件設(shè)備損毀導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，建設(shè)一套有效的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份系統(tǒng)顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)備份多以磁帶庫(kù)為介質(zhì)，這種備份模式具有介質(zhì)不易管理、存儲(chǔ)容量有限和數(shù)據(jù)查找恢復(fù)不便等缺點(diǎn)，已不能滿足新形勢(shì)下的企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)備份需求。文中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份系統(tǒng)以NAS存儲(chǔ)為基礎(chǔ)，建立了多級(jí)備份系統(tǒng)，可滿足從過(guò)去幾小時(shí)到幾年內(nèi)的數(shù)據(jù)恢復(fù)需要，并在異地建立了數(shù)據(jù)災(zāi)備中心，為企業(yè)的重要數(shù)據(jù)建立了多重安全保障[1]。

2 現(xiàn)狀分析（Analysis of the situation）

南海東部海域經(jīng)歷30余年的勘探開發(fā)，已實(shí)現(xiàn)連續(xù)20年油氣產(chǎn)量超千萬(wàn)方，經(jīng)過(guò)多年的積累，形成了海量的勘探開發(fā)數(shù)據(jù)資料庫(kù)，目前共有數(shù)據(jù)大約170TB，數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)量如表1所示。

從上表來(lái)看，勘探開發(fā)數(shù)據(jù)主要是GeoFrame應(yīng)用數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)是GeoFrame軟件應(yīng)用平臺(tái)下的綜合地質(zhì)資料數(shù)據(jù)，采取結(jié)構(gòu)化的存儲(chǔ)形式，結(jié)合Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，利用GeoFrame軟件平臺(tái)進(jìn)行地質(zhì)資料綜合解釋，其次是Eclipse油藏?cái)?shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)行油田數(shù)值模擬，采取非結(jié)構(gòu)化的存儲(chǔ)形式。

由于數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)種類多，數(shù)據(jù)增長(zhǎng)快，數(shù)據(jù)讀取頻率高，目前所有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)使用模式已由過(guò)去的單一機(jī)器存儲(chǔ)，變成了分布式的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)形式為NAS存儲(chǔ)（網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)），利用磁盤陣列和專業(yè)的軟件來(lái)管理數(shù)據(jù)[2，3]。以此為基礎(chǔ)再結(jié)合應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用客戶端和千兆光纖網(wǎng)絡(luò)，形成了分布式的應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)[4]，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。由于所有數(shù)據(jù)都是存儲(chǔ)于NAS設(shè)備上，應(yīng)用人員只需要一臺(tái)瘦客戶機(jī)（PC）即可使用各種專業(yè)軟件，調(diào)用所有數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)建設(shè)（System construction）

3.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)目前的系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)容量，以及每天的數(shù)據(jù)增量，綜合考慮建設(shè)成本和網(wǎng)絡(luò)帶寬限制，結(jié)合系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)承受能力和需求分析，提出了“兩地三中心”的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，即在深圳建設(shè)兩套數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)：近線備份系統(tǒng)和同城備份系統(tǒng)，在北京建設(shè)異地?cái)?shù)據(jù)容災(zāi)備份中心，其數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

按照“兩地三中心”的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，需要在深圳和北京建設(shè)三套備份系統(tǒng)，其中近線備份系統(tǒng)是對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)的在線備份系統(tǒng)，部署在與生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)的同一地點(diǎn)，同城備份系統(tǒng)為近線備份系統(tǒng)的半同步備份系統(tǒng)，部署在與近線備份系統(tǒng)同一城市的不同地點(diǎn)，異地容災(zāi)中心為同城備份系統(tǒng)的異步備份。三級(jí)備份系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[5]，其中近線備份系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，主要包括人為誤操作和軟硬件及系統(tǒng)故障導(dǎo)致的短期內(nèi)數(shù)據(jù)丟失，需要利用近線備份系統(tǒng)恢復(fù)數(shù)據(jù)；同城備份系統(tǒng)對(duì)應(yīng)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，主要是水災(zāi)、火災(zāi)等災(zāi)難導(dǎo)致主機(jī)房硬件設(shè)備損毀導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，需要利用同城備份系統(tǒng)恢復(fù)數(shù)據(jù)，以及需要找回過(guò)去更長(zhǎng)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)；異地容災(zāi)中心對(duì)應(yīng)三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，主要是地震、恐怖襲擊等不可抗力因素導(dǎo)致所在城市毀滅，繼而導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮杏布O(shè)備損毀和數(shù)據(jù)丟失，需要利用異地容災(zāi)中心恢復(fù)數(shù)據(jù)。三級(jí)備份系統(tǒng)分別采取不同的備份策略進(jìn)行數(shù)據(jù)備份：近線備份系統(tǒng)的備份策略是數(shù)據(jù)保留周期短密度高，同城備份系統(tǒng)的備份策略是數(shù)據(jù)保留周期長(zhǎng)密度適中，異地容災(zāi)中心的備份策略是數(shù)據(jù)保留周期短密度低[6]。

3.2 技術(shù)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，備份數(shù)據(jù)流傳輸路徑依次為生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)至近線備份系統(tǒng)，近線備份系統(tǒng)至同城備份系統(tǒng)，同城備份系統(tǒng)至異地容災(zāi)中心。目前生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用NetApp存儲(chǔ)設(shè)備，通過(guò)進(jìn)行調(diào)研和需求分析，并結(jié)合前期的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，最終決定近線備份系統(tǒng)也采用NetApp存儲(chǔ)設(shè)備，同城備份系統(tǒng)和異地容災(zāi)中心采用DELL Compellent存儲(chǔ)設(shè)備，生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)至近線備份系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸利用NetApp Data ONTAP的SnapMirror模塊實(shí)現(xiàn)，近線備份系統(tǒng)至同城備份系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸利用Nexenta NexentaStor的Auto-Tier模塊實(shí)現(xiàn)，同城備份系統(tǒng)至異地容災(zāi)中心的數(shù)據(jù)傳輸利用DELL ENTERPRISE MANAGER的Replication實(shí)現(xiàn)，其架構(gòu)圖如圖3所示。

3.3 方案實(shí)施

近線備份系統(tǒng)采用NetApp存儲(chǔ)設(shè)備，主要硬件配置為NetApp FAS8020 控制器，以及配套的NetApp DS4243磁盤柜，磁盤柜配置4T/7200RPM的sata硬盤，軟件許可配置為SnapMirror、SMO、OSSVhe和FlexClone等模塊。

由于近線系統(tǒng)采用NetApp存儲(chǔ)設(shè)備，與生產(chǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備屬于同構(gòu)設(shè)備，因此數(shù)據(jù)傳輸可利用SnapMirror實(shí)現(xiàn)。SnapMirror是NetApp ONTAP的一項(xiàng)集成功能，可在各存儲(chǔ)端之間提供一種高效的數(shù)據(jù)復(fù)制解決方案，通過(guò)配置SnapMirror參數(shù)，可滿足從幾分鐘到幾小時(shí)不等的數(shù)據(jù)恢復(fù)點(diǎn)目標(biāo)要求，從而滿足了近線備份系統(tǒng)周期短密度高的數(shù)據(jù)備份需求。

同城備份系統(tǒng)采用DELL存儲(chǔ)設(shè)備，主要硬件配置為Dell Compellent SC8000控制器，Dell Compellent SC200磁盤柜和3T/7200RPM的sata硬盤，由于近線備份設(shè)備與同城備份屬于異構(gòu)設(shè)備，因此還配置一臺(tái)Dell Powerdge R720控制器，用于安裝Nexenta公司的NexentaStor軟件產(chǎn)品，該軟件能夠解決不同廠商的設(shè)備兼容和數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，其中的Auto-Tier模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從近線備份系統(tǒng)至同城備份系統(tǒng)的傳輸，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)刪除和壓縮，Auto-Snap模塊能對(duì)文件系統(tǒng)做快照備份，從而滿足了同城備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存周期長(zhǎng)的需求。

異地容災(zāi)中心也采用DELL存儲(chǔ)設(shè)備，硬件配置與同城備份系統(tǒng)一樣，作為同城備份系統(tǒng)的異地備份，通過(guò)iSCSI協(xié)議利用DELL ENTERPRISE MANAGER的Replication模塊從廣域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[7]。

4 關(guān)鍵技術(shù)（The key technology）

4.1 磁盤陣列

RAID是英文Redundant Array of Independent Disks的縮寫，中文簡(jiǎn)稱為獨(dú)立冗余磁盤陣列，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，RAID就是一種把多塊獨(dú)立的硬盤按不同的方式組合起來(lái)形成一個(gè)大的存儲(chǔ)資源池，從而提供比單個(gè)硬盤容量更大、可靠性更高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。硬盤的不同組合方式，對(duì)應(yīng)RAID不同的級(jí)別，提供了不同的數(shù)據(jù)讀寫速度和可靠性。

在此次數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)建設(shè)中，各級(jí)備份系統(tǒng)都采用了RAID技術(shù)，通過(guò)RAID技術(shù)，有效保障了各級(jí)備份系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。近線備份系統(tǒng)采用RAID 5，即將所有硬盤形成一個(gè)大的存儲(chǔ)池，將所有數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)信息條塊化的存儲(chǔ)在所有硬盤上，并通過(guò)設(shè)置Hot-Spare（熱備份）盤來(lái)提高數(shù)據(jù)的安全性，即使RAID有硬盤出現(xiàn)故障，也能保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全。同城備份系統(tǒng)和異地容災(zāi)中心由于采用了ZFS文件系統(tǒng)，因此使用了RAIDZ解決方案，RAIDZ可以利用ZFS文件數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和其他機(jī)制進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和更正，可以對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，并可在有正確副本時(shí)對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。

4.2 存儲(chǔ)快照技術(shù)

存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會(huì)SNIA（StorageNetworking Industry Association）對(duì)快照（Snapshot）的定義是：關(guān)于指定數(shù)據(jù)集合的一個(gè)完全可用拷貝，該拷貝包括相應(yīng)數(shù)據(jù)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)（拷貝開始的時(shí)間點(diǎn)）的映像?？煺湛梢允瞧渌硎镜臄?shù)據(jù)的一個(gè)副本，也可以是數(shù)據(jù)的一個(gè)復(fù)制品。快照的作用主要是能夠進(jìn)行在線數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)，當(dāng)存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)生應(yīng)用故障或者文件損壞時(shí)可以進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)恢復(fù)，將數(shù)據(jù)恢復(fù)至某個(gè)可用的時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)。

同樣，在此次數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)中都采用了存儲(chǔ)快照技術(shù)，通過(guò)對(duì)備份系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)卷按時(shí)間點(diǎn)做快照，即可形成該時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)保護(hù)點(diǎn)（CDP），若該時(shí)間點(diǎn)以后出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，則可利用快照恢復(fù)至該時(shí)間點(diǎn)，從而找回丟失的數(shù)據(jù)?？煺盏念l率和保存時(shí)間長(zhǎng)短決定了對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)程度，在此次備份系統(tǒng)建設(shè)中，根據(jù)需要制定了不同的快照策略，即對(duì)近線備份系統(tǒng)采取密度高保存周期短的策略，滿足近線備份系統(tǒng)短期的數(shù)據(jù)保護(hù)需求，而對(duì)同城備份系統(tǒng)和異地容災(zāi)中心，則采取密度低保存周期長(zhǎng)的策略，滿足數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)的要求。

4.3 數(shù)據(jù)卷克隆

數(shù)據(jù)卷克隆主要是針對(duì)數(shù)據(jù)恢復(fù)的，一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)快照是只讀不可寫的，因此要真正使用快照恢復(fù)的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)卷克隆，即利用快照克隆出一份與相應(yīng)數(shù)據(jù)集一樣的可讀可寫的數(shù)據(jù)卷，從而達(dá)到數(shù)據(jù)恢復(fù)并可用的目的。

5 數(shù)據(jù)恢復(fù)與驗(yàn)證（Data recovery and validation）

數(shù)據(jù)容災(zāi)備份系統(tǒng)建成后，還需要配備相應(yīng)的備用服務(wù)器，搭建應(yīng)用軟件環(huán)境，以便對(duì)備份數(shù)據(jù)定期進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)驗(yàn)證，確保備份數(shù)據(jù)是有效和可靠的。此次數(shù)據(jù)容災(zāi)備份系統(tǒng)包括三級(jí)備份系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜，實(shí)施難度大，在系統(tǒng)建成后，制訂了詳細(xì)的備份系統(tǒng)日常管理辦法和應(yīng)急恢復(fù)預(yù)案及數(shù)據(jù)恢復(fù)操作手冊(cè)，形成了完整的制度規(guī)范。

按照制度要求，除了日常對(duì)各級(jí)備份系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)、故障預(yù)警、日志記錄和運(yùn)行評(píng)估外，還需定期進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)驗(yàn)證，其中對(duì)近線備份系統(tǒng)每月進(jìn)行一次數(shù)據(jù)恢復(fù)驗(yàn)證，同城備份系統(tǒng)每季度進(jìn)行一次數(shù)據(jù)恢復(fù)驗(yàn)證，異地容災(zāi)中心每年進(jìn)行一次容災(zāi)恢復(fù)演練，通過(guò)模擬生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或系統(tǒng)崩潰，從備份系統(tǒng)恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)或進(jìn)行系統(tǒng)切換，并對(duì)恢復(fù)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行記錄。

6 結(jié)論（Conclusion）

此次容災(zāi)備份系統(tǒng)的建設(shè)，從前期的需求分析、調(diào)研測(cè)試、方案設(shè)計(jì)，到方案的實(shí)施、軟硬件的安裝部署，前后歷經(jīng)半年時(shí)間，目前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，所有數(shù)據(jù)都能按照設(shè)計(jì)的鏈路進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)壓縮和重復(fù)刪除功能也都得到了實(shí)現(xiàn)，各級(jí)備份系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證都是有效的，均符合前期設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)建成后，為企業(yè)的重要數(shù)據(jù)建立了多重保障，已多次利用備份系統(tǒng)找回因誤操作和系統(tǒng)故障而丟失的數(shù)據(jù)，受到了廣大應(yīng)用人員的好評(píng)，極大的提高了南海東部海域勘探開發(fā)數(shù)據(jù)的安全性。

在數(shù)據(jù)容災(zāi)備份系統(tǒng)的建設(shè)及日常維護(hù)過(guò)程中，筆者有幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)體會(huì)：一是前期要做好調(diào)研，結(jié)合自身的應(yīng)用需求和現(xiàn)狀，制訂一個(gè)符合自身需求的建設(shè)方案；二是系統(tǒng)建設(shè)要通盤考慮，要結(jié)合軟件、硬件、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)房等因素，確保方案從技術(shù)層面是可行的；三是備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)一定要進(jìn)行恢復(fù)驗(yàn)證，要定期進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)演練，檢驗(yàn)備份數(shù)據(jù)的可用性；四是系統(tǒng)建設(shè)和日常維護(hù)要進(jìn)行記錄，要制訂相應(yīng)的管理規(guī)定和操作手冊(cè)，形成系統(tǒng)的技術(shù)文檔和總結(jié)報(bào)告，并歸檔保存。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] YU J，REN K，WANG C，et al.Enabling Cloud Storage Auditing with Key-Exposure Resistance[J].IEEE Transactions on Information Forensics and curity，2015，10（6）：1167-1180.

[2] YU Y，LI Y N.Public Integrity Auditing for Dynamic Data Sharing with Multiuser Modification[J].IEEE Transactions on Information Forensics & Security，2015（10）：1717-1726.

[3] YU Rongwei，WANG Lina，WANG Dejun，et al.Study on Security Enhancement Technology for Disaster Tolerant[J].Wuhan University Journal of Natural Sciences，2009，14（1）：019-023.

[4]鄭如秋，梁庭瑋.一種分布式并行文件系統(tǒng)的介紹及在海洋地震數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].電腦與信息技術(shù)，2015，23（4）：44-46.

[5] 汪生珠，何慶兵，歐陽(yáng)欣.集群NAS存儲(chǔ)技術(shù)在石油勘探高性能計(jì)算中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2016（6）：29-31.

[6]陳勝華，伍德雁.異地?cái)?shù)據(jù)容災(zāi)備份與恢復(fù)的應(yīng)用研究[J].科技訊，2012（13）：45.

[7]王春才，閆磊，李英韜.基于iSCSI的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)研究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（4）：98-100.

作者簡(jiǎn)介：

葉虹余（1984-），男，本科，工程師/信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師.研究領(lǐng)域：信息系統(tǒng)開發(fā)、運(yùn)維及管理.