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多点多备的容灾备份技术研究与实现

2016-11-29傅思达王福喜高彬娜

软件 2016年9期
关键词:备份文件灾备容灾

傅思达,王福喜,高彬娜

(华北计算技术研究所,北京 100083)

多点多备的容灾备份技术研究与实现

傅思达,王福喜,高彬娜

(华北计算技术研究所,北京100083)

随着信息应用技术的发展,越来越多的信息系统投入使用,容灾备份技术作为系统高可用性的首要保障从未停止过研究,适合于不同场景的容灾备份解决方案日新月异。本文针对大型信息系统多地区分散部署、硬件设施不同和软件结构复杂的特点,提出一种多点多备的容灾备份系统方案使信息系统的每一个部署节点具备一对多和多对一的灾备能力,部署节点之间互为备份,最终实现多个节点的数据同时备份,每个备份数据都有多个异地备份副本的高可靠数据容灾。本文深入研究了实现多点多备的数据远程复制技术、数据备份方式和数据同步协议,提出了相应的实现方案和具体的同步协议。

容灾备份;多点多备;远程复制;数据同步协议

本文著录格式:傅思达,王福喜,高彬娜. 多点多备的容灾备份技术研究与实现[J]. 软件,2016,37(9):101-104

0 引言

随着信息应用技术的发展,越来越多的信息系统投入使用,容灾备份技术作为系统高可用性的首要保障从未停止过研究,适合于不同场景的容灾备份解决方案日新月异。

大型的综合信息系统网络地域分布广泛、涉及业务繁多、层次复杂,系统具有多样性,硬件设施和软件结构复杂。例如,军事信息系统会部署到不同的地方,使得即使某个系统被击毁,也不会影响其他系统正常运行,达到抗毁顽存[1];银行数据分别存放到总行和各个地区分行的数据中心,在系统离线时(与总行系统失去连接)仍然可以继续进行业务交易;跨国企业会在不同的国家建立数据中心,以保证该地区的信息系统正常运转和提供高效的业务处理能力。对于这类信息系统,每一个数据中心都需要备份,而且需要多个备份副本来保证数据安全,传统的容灾备份技术无法满足这类信息系统的多点多备需求。

本文针对大型信息系统多地区分散部署、硬件设施不同和软件结构复杂的特点,提出一种多点多备的容灾备份系统方案使信息系统的每一个部署节点具备一对多和多对一的灾备能力,部署节点之间互为备份,最终实现多个节点的数据同时备份,每个备份数据都有多个异地备份副本的高可靠数据容灾。本文深入研究了实现多点多备的数据远程复制技术、数据备份方式和数据同步协议,提出了相应的实现方案和具体的同步协议。

1 多点多备的灾备系统方案

大型信息系统通常会将系统部署在多个地方,每个信息系统都能独立灵活的完成业务功能,同时彼此之间通过网络传输数据进行业务耦合。多点多备的灾备系统方案利用这类应用系统的部署具有地域上的分散性,让各个地区之间的数据互为备份,实现数据容灾。将信息系统所在的地区当做一个部署节点,在一个部署节点可以部署有多套具有不同业务功能的应用系统。部署节点之间,能够建立起多点多备的灾备模式。如图1所示。

图1 容灾备份系统部署结构

对于每一个部署节点来说,都实现了一对多和多对一的灾备模式,一对多指每一个部署节点都需要将业务数据备份到其相它多个设施节点形成多个灾备副本,多对一指每一个部署节点存储着其它多个部署节点备份过来的数据备份,因此多个部署节点之间并发进行互为容灾备份,构成了多点多备的灾备系统架构。多点多备的容灾备份部署架构在实际运用中要考虑各个部署节点之间互为备份的策略,即一个部署节点的数据要备份到哪几个异地部署节点。因为每一个部署节点在地域上彼此之间分布不均匀,有些部署节点之间距离比较近,有些部署节点之间距离比较远,所以可以将比较靠近的部署节点分成一组,每一组内的各个部署节点数据互相备份,然后再组内选出一个部署节点代表每一组进行组间互为备份。

2 基于多点多备的数据同步

2.1远程复制技术

多点多备的容灾备份系统方案要考虑信息系统多个部署节点的差异性,部署节点之间和部署节点内部的硬件设施不完全统一、软件结构复杂多样。数据的远程复制方式有同步复制和异步复制两种,同步复制方式需要专业链路以及要求软件的每一次IO事务都要在异地节点完成复制后才释放,若采用同步复制方式,则代价昂贵且不利于灾备方案的实施部署,因而采用异步复制的方式进行数据远程复制。

常见的异步远程复制技术有逻辑卷复制技术、磁盘阵列复制技术和数据库复制技术。其中,磁盘阵列复制技术要求本地和异地两端的服务器类型必须是同一厂家、同一系列;逻辑卷复制技术的监控和复制会占用主机进程。多点多备的容灾备份系统面对的是多个部署节点,每个部署节点又有多个不同的磁盘阵列和主机系统,如果采用磁盘阵列复制技术,则可能无法兼容原有的磁盘阵列,也不利于以后自由增加新的磁盘阵列;而采用逻辑卷复制技术又会对现有的每一个主机系统性能造成影响,增加额外的主机资源消耗。因此,多点多备的灾备系统采用数据库复制技术,既可以满足对不同硬件设施的兼容,也可以应对复杂的软件结构,且除了数据库内容更新时写归档日志占用少量主机资源外,不额外占用主机进程[5-6]。

2.2数据备份方式

数据进行多点多备,还要考虑备份文件尽可能小,使得设施节点之间并发进行互为备份时不仅高效而且不会占用太多的网络带宽。除此之外,数据恢复要尽可能方便快捷,不耽误业务系统的连续性。如果采用全量备份,那么每次备份的数据量大,对现有的网络带宽必然造成极大的压力,影响业务系统功能。但是如果只采用增量备份,在恢复的时候又比较复杂,需要多份增量备份文件,尤其是增量备份文件会越来越多。

因此,研究采用全量备份和增量备份相结合的数据库复制技术,利用首次全备份,在异地设施节点建立容灾备份数据库镜像,之后采用增量备份数据库日志的方式更新异地设施节点的容灾备份数据库,可以通过定义日志文件大小及增量日志采集频率来控制备份文件的大小和灾难发生时的数据损失尽可能降低。备份恢复时,可以通过直接访问远程节点的灾备数据库来快速恢复业务,或者将灾备数据库迁移到本地。

全量备份和增量备份相结合的数据库复制方式,不仅避免了全量备份的备份数据冗余和备份频率低容易造成数据丢失,也避免了增量备份恢复的复杂性,同时在备份时通过归档日志进行增量备份,能够自由设置数据采集频率,且减小了备份文件大小,降低远程复制时占用的网络带宽,有效提高多点并发备份的效率。

2.3多点多备的数据同步协议

多点多备的数据同步协议主要解决多点多备的灾备系统进行多点备份时如何保证每一个异地备份副本都与源节点的数据保持一致。为了实现多点多备,协议规定如下:

1)为每一个增量备份文件设置一个版本号。先进行本地增量备份,首次全备份的版本号为零,然后依次累加版本号。异地增量备份基于本地增量备份进行,将一个或多个版本的增量备份文件分别复制到多个异地节点,形成多个备份副本。

2)为每一个部署节点设置节点标志。一对多备份时,根据备份目的节点得标志不同,源节点到每一个目的节点的复制过程互不干扰、并发进行,各自保证备份数据按序到达。多对一数据接收时,根据源节点的标志不同,目的节点分别处理多个源节点的数据。

多点多备的灾备系统通过备份数据库操作日志更新异地节点的镜像数据库,在进行异地增量备份时需要保证备份文件按序到达。因此多点多备的同步协议根据备份文件版本号和节点标志,还规定了备份数据从源节点到备份目的节点的可靠远程复制方式,如图2所示。

图2 数据远程复制方式

首次全备份:源节点发送零级备份(全备份)和源节点标志m,目的节点收到备份文件后建立镜像数据库,反馈操作成功的确认版本号Ack=0和目的节点标志n。

异地增量备份:源节点依策略采集增量日志数据产生增量备份文件,设版本号k,(k=1,2,3……)。依策略触发向某个目的节点n发送备份文件k和源节点标志m。目的节点接收备份文件并按序加载到镜像数据库,返回响应Ack=k和节点标志n。如果发生断线或者网络不通等情况,在重新连接之后,可能会将多个版本号的备份文件进行打包发送,反馈Ack只需等于最新的成功加载到镜像数据库的版本号。

异地备份失败:如果目的节点接收的某个源节点m的版本序不等于k+1,或者备份数据传输过程中丢包导致加载更新数据库失败,则反馈Ack=k。源节点收到目的节点n的确认版本号k,即说明发往该目的节点n的前k个版本备份文件正常,重发k+1版本备份文件。

超时重传:如果网络拥塞导致源节点收不到某个目的节点确认版本号Ack=k,那么可能目的节点没有收到备份数据或者目的节点的确认反馈消息丢失,则源节点重发该版本备份文件,目的节点收到备份文件后,会判断该版本数据是否已经成功加载更新,对于已经更新过的则丢弃该版本,并反馈确认版本号Ack=k。

3 实现

军事信息系统涉及业务繁多、层次复杂,具有多点多级部署的特性,综合考虑采用多点多备的容灾备份解决方案可以真正实现军事系统的抗毁顽存。基于多点多备架构的容灾备份软件已经实现,用于军事信息系统的容灾备份。软件通过配置相应的备份对象、备份频率和备份目的节点等信息,实现将多个源节点的备份对象按频率触发备份到多个目的节点,达到多点多备的目的。该容灾备份软件可以灵活应用于现有的具有多地区部署特性的信息系统环境,实现多点多备。

4 总结

研究容灾备份技术对于保护数据安全和提高信息系统可用性具有重要意义[7]。本文设计的多点多备的容灾备份系统方案结合大型信息系统多地部署的特性,使得部署节点之间能够实现多点互备,每个部署节点的数据都有多个异地备份副本的高可靠容灾备份。针对大型信息系统的部署节点之间存在的硬件设施不同和软件结构复杂等情况,仔细分析比较得出最适合的远程复制技术和数据备份方式。采用异步的数据库复制技术降低容灾备份系统与信息系统的软硬件耦合度,使得部署简单灵活。使用全量备份和增量备份相结合的备份方式,提高多点并发备份效率,减少网络带宽的占用。同时本文还研究实现了基于多点多备的数据同步协议,保证同步数据的一致性和灾备数据的可靠性。

[1] 沈迪, 李建华, 朱瑞. 军事信息系统容灾备份策略仿真研究[J]. 计算机仿真, 2013, 30(1): 23-27.

[2] 曹雪村. 灾难备份系统的数据同步技术研究及应用[D].上海: 上海交通大学, 2012.

[3] 卢正添, 李涛, 赵奎, 胡晓勤, 彭凌西, 刘才铭. 多点多跳的数据库异地容灾备份方法[J]. 四川大学学报, 2008, 40(5): 125-129.

[4] 王浩铭, 穆道生, 周勇. 容灾备份技术、产品和应用现状的分析与研究[J]. 电脑知识与技术, 2014, 10(13): 2914-2918.

[5] 郭伟华, 浅谈Oracle数据同步技术[J]. 科技资讯, 2010.

[6] 刘超, 张明安. 基于Oracle数据库系统的备份与恢复技术研究[J]. 软件, 2014, 35(3): 125-128.

[7] 信怀义, 安卫杰. 金融数据中心数据备份必要性及其机制研究[J]. 软件, 2015, 36(12): 72-75.

[8] 刘皓. 分布式环境下可靠数据同步及通讯的协议分析[J].软件, 2015, 36(9): 113-116.

Research of Disaster Recovery System of Multi-point and Multi-backup

FU Si-da, LIN Zhong, WANG Fu-xi, GAO Bin-na
(North China Institute of Computing technology, Beijing 100083, China)

With the development of information technology, more and more information system put into use.The study of the disaster recovery technology, as the primary guarantee of high availability system, never stopped,thus the disaster backup system can be applied to different scenarios. Based on large information system has characteristics of the more decentralized deployment, different hardware and complex software structure, puts forward a disaster recovery system solution of multi-point and multi-backup, which enable each deployed node have a one-to-multi, and multito-one disaster recovery ability and among deployed nodes are backup to each other, Finally realize backup multiple nodes and at the same time have multiple different backup copies each backup. This paper studied how to implement multi-point and multi-backup deeply, including the data remote replication technology, the way of data backup and the data synchronization protocol, also proposes the corresponding implementation scheme and the concrete synchronization protocol.

Disaster recovery; Multi-point and multi-backup; Remote replication; Data synchronization protocol

TP311.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.024

傅思达(1991-),男,汉族,北京市海淀区,在读研究生,研究方向:计算机软件与理论;王福喜(1981-)男,汉族,北京市海淀区,高级工程师,研究方向:计算机软件与理论;高彬娜(1982-)女,汉族,北京市海淀区,工程师,研究方向:计算机软件与理论

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