姚文勝 ，李 軍 ，葉何亮 ，萬 寧

（1.中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630；2.中國電信集團公司 北京 100033）

1 前言

美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）對IaaS（infrastructure as a service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）的定義為:IaaS是對所有設(shè)施的利用，包括處理、存儲、網(wǎng)絡(luò)和其他基本的計算資源，用戶能夠部署和運行任意軟件，包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。消費者不管理或控制任何云計算基礎(chǔ)設(shè)施，但能控制操作系統(tǒng)的選擇、存儲空間、部署的應(yīng)用，也有可能獲得有限制的網(wǎng)絡(luò)組件的控制[1]。IaaS資源池就是利用虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲等企業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施資源的抽象，使其成為一個個可以被靈活生成、調(diào)度、管理的基礎(chǔ)資源單位，物理資源的管理和調(diào)度都按邏輯方式進行，從而形成了一個可統(tǒng)一管理、靈活分配調(diào)度、動態(tài)遷移的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施資源池。

隨著云計算技術(shù)快速發(fā)展和日漸成熟，各大IT企業(yè)的一個典型應(yīng)用就是:利用虛擬化技術(shù)建設(shè)IaaS資源池，并將業(yè)務(wù)系統(tǒng)向資源池環(huán)境進行改造和遷移，以達到資源統(tǒng)一調(diào)度管理，彈性應(yīng)用，提高資源利用率，降低總體擁有成本（total cost of ownership，TCO）的目的。IaaS 資源池作為企業(yè)云計算體系架構(gòu)中的資源提供層，承擔著整個云計算架構(gòu)的資源提供、業(yè)務(wù)部署、數(shù)據(jù)存儲、服務(wù)提供和安全管理的重要責(zé)任。容災(zāi)系統(tǒng)建設(shè)的主要目的就是預(yù)防不可避免的、非計劃性的意外災(zāi)害的發(fā)生，如果用戶不能預(yù)防或降低災(zāi)難，災(zāi)難一旦發(fā)生，用戶所面臨的損失將遠不止構(gòu)建容災(zāi)系統(tǒng)的成本。之所以越來越多的行業(yè)用戶在IT基礎(chǔ)架構(gòu)建設(shè)的同時，會投入大量的精力與財力做容災(zāi)，就是要把有價值的數(shù)據(jù)和信息保護起來，并加以有效管理、應(yīng)用[2]。因此，企業(yè)在建設(shè)IaaS資源池的同時，從自身情況出發(fā)，建設(shè)基于IaaS資源池的容災(zāi)系統(tǒng)，才能最大限度地保證部署在資源池上的各項業(yè)務(wù)的連續(xù)性，IaaS資源池容災(zāi)系統(tǒng)的建設(shè)勢在必行。

2 IaaS資源池的容災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)選擇

由于技術(shù)的發(fā)展，云計算環(huán)境下的容災(zāi)備份較傳統(tǒng)環(huán)境下的容災(zāi)更易于實現(xiàn)，主要是采用重復(fù)數(shù)據(jù)刪除（data deduplication）、數(shù)據(jù)鏡像(mirror)、數(shù)據(jù)快照(snapshot)和持續(xù)數(shù)據(jù)保護(continuous data protection,CDP)技術(shù)。

2.1 重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)

IaaS資源池與存儲密不可分，隨著企業(yè)的數(shù)據(jù)量不斷增長，大量的重復(fù)數(shù)據(jù)給存儲帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。舉例來說，現(xiàn)在有一個大小為10MB的PPT文件，要把它發(fā)送給100個用戶，這就需要郵件服務(wù)器有1 GB的可用存儲空間。當每周都要備份1 GB的重復(fù)存儲時，一年后，浪費的1 GB空間最終會導(dǎo)致需要52 GB的磁帶備份或其他方式的備份存儲。

重復(fù)數(shù)據(jù)刪除正是為解決數(shù)據(jù)冗余問題應(yīng)運而生的，如圖1所示?；径?，重復(fù)數(shù)據(jù)刪除就是減小存儲空間的一種方式，它通過“散列算法”（如MD5或SHA-1）對數(shù)據(jù)進行分塊處理，為每一個數(shù)據(jù)塊產(chǎn)生一個特定的散列值，并將它保存在索引中。當處理另一個數(shù)據(jù)塊時，其散列值將與已經(jīng)編入索引中的其他散列值進行比較，如果該值已經(jīng)存在于索引中，新的數(shù)據(jù)塊將會進行重復(fù)刪除處理，不被保存，但會插入一個指向已存在數(shù)據(jù)的“標號”。也就是說，當數(shù)據(jù)向備份、檔案文件或者復(fù)制平臺轉(zhuǎn)移時，只有最初的數(shù)據(jù)實例會被保存到磁盤上。隨后的實例會用小標號來簡單地注明并指向已經(jīng)保存的重復(fù)部分，它通過刪除冗余數(shù)據(jù)，確保只有第一個單一的數(shù)據(jù)實例保存在存儲介質(zhì)中，而刪除的冗余數(shù)據(jù)由一個指向元數(shù)據(jù)的指針所代替。

圖1 重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)

重復(fù)數(shù)據(jù)刪除帶來了多種好處。目前最新的存儲產(chǎn)品已經(jīng)可以為用戶提供50∶1的壓縮比，數(shù)據(jù)存儲量的減少，極大地降低了存儲成本。這意味著只需更少的磁盤和更低頻率的磁盤采購。更少的數(shù)據(jù)同時也意味著備份更小。這些都將轉(zhuǎn)化為較少的備份窗口占用時間和更快的恢復(fù)時間目標（recovery time objective，RTO）。更小的備份也延長了在虛擬磁帶庫（virtual tape library，VTL）或虛擬檔案庫的保存時間。

重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)需要對數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個可供重復(fù)刪除適用的全面索引，所以它適用于保存生命周期較長的數(shù)據(jù)，那些生命周期較短的數(shù)據(jù)（例如只需要保存一周的數(shù)據(jù)）對于重復(fù)刪除來說是毫無意義的。

2.2 數(shù)據(jù)鏡像技術(shù)

數(shù)據(jù)鏡像技術(shù)適用于這種場合:數(shù)據(jù)一致性對于一個企業(yè)非常關(guān)鍵，并且對于恢復(fù)時間的目標要求為0。

數(shù)據(jù)鏡像在存儲和I/O層面上有著多種實現(xiàn)方式，但其基本原理都在于系統(tǒng)在兩個獨立的存儲單元上保存數(shù)據(jù)的兩個副本，其中一個為主鏡像，另一個為副鏡像，如圖2所示。對于主鏡像中數(shù)據(jù)的變更，同步地反映在副鏡像中，從而在主鏡像發(fā)生故障而無法繼續(xù)工作時，系統(tǒng)可以通過使用數(shù)據(jù)的副鏡像繼續(xù)運行而不會中斷，直到修復(fù)發(fā)生故障的部件為止。

圖2 數(shù)據(jù)鏡像技術(shù)

虛擬化管理軟件中（如VMware vCenter），虛擬機的高可用性（HA）功能和容錯（FT）功能都是在數(shù)據(jù)鏡像技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

2.3 數(shù)據(jù)快照技術(shù)

隨著存儲應(yīng)用需求的提高，用戶需要以在線方式進行實時的數(shù)據(jù)保護，快照就是在線存儲設(shè)備防范數(shù)據(jù)丟失的有效方法之一。舉個例子來說，一個企業(yè)的數(shù)據(jù)量很大，而且應(yīng)用晝夜不停，做一次磁帶備份需要24 h。現(xiàn)要求備份某日00:00時間的數(shù)據(jù)，如果使用傳統(tǒng)在線備份方式，備份下來的數(shù)據(jù)開始時是00:00的，最后的數(shù)據(jù)是24:00的，數(shù)據(jù)的前后一致性就無法保障了。利用數(shù)據(jù)快照技術(shù)，快照功能會自動尋找沒有數(shù)據(jù)改變的時刻進行拷貝，只需幾秒鐘即可生成需要備份數(shù)據(jù)的索引，再對這些數(shù)據(jù)進行備份。當這個備份過程結(jié)束后，數(shù)據(jù)的一致性得到了保證。

數(shù)據(jù)快照是指對指定數(shù)據(jù)集合的一個完全可用拷貝，該拷貝包括相應(yīng)數(shù)據(jù)在某個時間點 （拷貝開始的時間點）的映像，可以是其所表示的數(shù)據(jù)的一個副本，也可以是數(shù)據(jù)的一個復(fù)制品。快照技術(shù)的基本形式既包括完整卷復(fù)制，也稱鏡像、克隆或業(yè)務(wù)持續(xù)性卷；也包括部分復(fù)制，即只保存發(fā)生變化的數(shù)據(jù)或改變數(shù)據(jù)的指針。數(shù)據(jù)快照技術(shù)如圖3所示。

快照技術(shù)最常見的用途是快速、簡易恢復(fù)意外擦除或損壞的數(shù)據(jù)。除此之外，快照技術(shù)可以實現(xiàn)兩項功能:整合資源、遷移數(shù)據(jù)。利用快照技術(shù)，能很容易地將數(shù)據(jù)遷移到新硬件中，替代現(xiàn)有硬件，重新安排數(shù)據(jù)的存儲方法以及將多種設(shè)備整合為一種。

2.4 持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)

持續(xù)數(shù)據(jù)保護是快照的邏輯擴展。在2.3節(jié)使用快照技術(shù)的例子中，如果在快照的開始時間00:00至備份完成時間點24:00之間發(fā)生故障，那么00:00到發(fā)生故障之間的數(shù)據(jù)就會丟失。而持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)可以很好地解決這個問題。

持續(xù)數(shù)據(jù)保護是一套方法，它捕獲或跟蹤數(shù)據(jù)的變化，并將其獨立存放在生產(chǎn)數(shù)據(jù)之外，以確保數(shù)據(jù)可以快速恢復(fù)到過去的任意時間點。持續(xù)數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)可以基于塊、文件或應(yīng)用實現(xiàn)，可以為恢復(fù)對象提供足夠細的恢復(fù)粒度，實現(xiàn)幾乎無限多的恢復(fù)時間點。持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)可以連續(xù)不斷地將本地變更的數(shù)據(jù)塊或者字節(jié)增量復(fù)制到備份系統(tǒng)中，這從根本上改變了傳統(tǒng)的對數(shù)據(jù)的全備份以及恢復(fù)過程。

高頻小探頭超聲內(nèi)鏡檢查：使用日本UM2000超聲診斷儀進行檢查，高頻小探頭選擇UM2R，探頭頻率為20 MHz，選擇360°旋轉(zhuǎn)掃描的方法進行檢查。在對患者進行檢查前需要禁食10 h，患者選擇左側(cè)臥位，在檢查前使用利多卡因?qū)谘什窟M行麻醉。之后將小探頭超聲內(nèi)鏡送至胃內(nèi)，將胃內(nèi)的空氣吸凈，尋找患者的病變部位，向胃內(nèi)注入300～500 ml的脫氣水。當患者胃內(nèi)病變部位全部浸入脫氣水后，將超聲探頭再次插入，通過超聲內(nèi)鏡觀察小探頭的具體位置，使高頻小探頭所發(fā)出的聲束與胃內(nèi)的病變界面相垂直，從而使病變部位清楚地顯露出來，以便測量病變組織的大小及浸潤深度。

持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)通常用來避免時間以及頻繁備份所遇到的一些問題。例如:持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)可以保護終端用戶或者遠程系統(tǒng)通過相對的低速WAN連接。當一個終端用戶遭受了數(shù)據(jù)損失或者文件損壞時，系統(tǒng)就會從數(shù)據(jù)中心的CDP中得到重建；CDP的部署通常也用來保護特定的應(yīng)用，例如郵件和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及處理非常繁忙的網(wǎng)絡(luò)事務(wù)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)如圖4所示。

3 企業(yè)實施IaaS資源池備份和恢復(fù)方案的建議

3.1 傳統(tǒng)的容災(zāi)解決方案不適用于IaaS資源池

圖3 數(shù)據(jù)快照技術(shù)

圖4 持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)

在IaaS資源池中，計算、存儲等資源統(tǒng)一進行管理和彈性調(diào)度，應(yīng)用系統(tǒng)部署運行于虛擬機上，部署架構(gòu)與舊有IT系統(tǒng)相比更為龐大和復(fù)雜，這就對容災(zāi)技術(shù)、產(chǎn)品的選擇與方案的制定提出了新的要求。對于技術(shù)原理和實現(xiàn)方式而言，傳統(tǒng)的容災(zāi)技術(shù)與云計算IaaS資源池的容災(zāi)技術(shù)基本上是一致的。但從解決方案的角度來看，傳統(tǒng)的容災(zāi)產(chǎn)品和方案大多實現(xiàn)的是文件級或應(yīng)用級的容災(zāi)，存在著對IaaS資源池中的大數(shù)據(jù)文件，特別是對部署了各種應(yīng)用系統(tǒng)的虛擬機的備份力度不甚理想等問題；同時，因為傳統(tǒng)容災(zāi)產(chǎn)品和方案與虛擬化技術(shù)的結(jié)合程度不高，也難以實現(xiàn)虛擬機的復(fù)制與動態(tài)遷移的基本要求。所以，傳統(tǒng)的容災(zāi)產(chǎn)品和方案已經(jīng)無法滿足利用虛擬化技術(shù)，對部署于IaaS資源池虛擬機上的多系統(tǒng)統(tǒng)一進行備份和恢復(fù)的需求。

而利用虛擬化容災(zāi)產(chǎn)品和軟件不僅簡化了數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)的過程，快速實現(xiàn)災(zāi)備目標，還降低了運維成本和災(zāi)備系統(tǒng)的總體擁有成本。前述的容災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成熟地應(yīng)用在各主流廠商的軟件和硬件產(chǎn)品當中，比如VMware Consolidated Backup、VMware Site Recovery Manager、IBM Tivoli Storage Manager、EMC Avamar、Symentec NetBackup、FalconStor Software CDP 方案等。

3.2 IaaS資源池容災(zāi)備份策略制定的基本原則

IaaS資源池中實施災(zāi)難恢復(fù)與其他容災(zāi)的目的都是一樣的，就是保證數(shù)據(jù)的零丟失和業(yè)務(wù)7×24 h的不中斷。IaaS資源池的容災(zāi)，實際上是對部署了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的虛擬機以及存儲在資源池中業(yè)務(wù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的容災(zāi)，制定合適的容災(zāi)備份策略，建立一個完備的IaaS資源池容災(zāi)體系應(yīng)符合以下的基本原則。

（1）綜合考慮各種因素，根據(jù)不同的災(zāi)備目標，靈活運用合適的災(zāi)備手段

IaaS資源池的能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬留有一定的冗余，確保部署于IaaS資源池上的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正常運作；明確 IaaS資源池中各類數(shù)據(jù)的容災(zāi)等級劃分，制定符合企業(yè)要求的RTO和RPO與備份恢復(fù)周期；根據(jù)容災(zāi)目標容量大小、更新頻率、關(guān)鍵程度等特點選擇合適的備份和恢復(fù)方式。

（2）制定詳細的數(shù)據(jù)備份和災(zāi)難恢復(fù)計劃，完善災(zāi)備流程的管理

明確企業(yè)業(yè)務(wù)連續(xù)性系統(tǒng)的建設(shè)目標，持續(xù)進行IaaS資源池數(shù)據(jù)集中與架構(gòu)優(yōu)化的工作；根據(jù)既定策略進行定期的演練和測試，確保災(zāi)備前后數(shù)據(jù)的完整性和一致性；制定包括組織、人員以及執(zhí)行步驟在內(nèi)的詳細的容災(zāi)管理流程。

4 企業(yè)構(gòu)建IaaS資源池本地容災(zāi)系統(tǒng)的實施建議

虛擬化是IaaS資源池容災(zāi)的基礎(chǔ)，利用不同的虛擬化軟件建設(shè)虛擬化資源池，會在資源池的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類別的劃分上有所不同。以VMware虛擬化軟件建設(shè)虛擬化資源池為例，雖然資源池可以劃分成不同級別的層次結(jié)構(gòu)，每個資源池也可以包含子資源池，但若根據(jù)數(shù)據(jù)類別來劃分，資源池中的數(shù)據(jù)主要可以劃分成3類:虛擬機操作系統(tǒng)文件數(shù)據(jù)；用戶數(shù)據(jù)；資源池及虛擬機配置文件數(shù)據(jù)。通過對上述3類數(shù)據(jù)的劃分，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬服務(wù)器運行環(huán)境與物理部署環(huán)境的拆分、部署于虛擬服務(wù)器中應(yīng)用系統(tǒng)與用戶數(shù)據(jù)的拆分、用戶配置文件和資源池環(huán)境的拆分，使得虛擬化資源池中的數(shù)據(jù)有更好的容災(zāi)目標性的劃分。

資源池的使用過程中，對于不同的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以采用不同的管理方法，從而降低復(fù)雜度和成本，提高管理效率。同時在數(shù)據(jù)備份恢復(fù)方面也可以有不同的思路和方法，主要包括以下幾點。

·基于備份介質(zhì)的物理備份與恢復(fù):通過備份軟件將目標數(shù)據(jù)備份到其他離線的存儲介質(zhì)，如帶庫、VTL等，當目標數(shù)據(jù)的使用或存儲發(fā)生故障時，可從備份介質(zhì)中恢復(fù)原有生產(chǎn)環(huán)境?；趥浞萁橘|(zhì)的物理備份方式可以應(yīng)對各種故障和誤操作造成的數(shù)據(jù)丟失，但需要較長的恢復(fù)周期，而且數(shù)據(jù)的一致性得不到保證。

·基于快照的邏輯備份與恢復(fù):通過虛擬化軟件的快照機制，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速邏輯備份，當數(shù)據(jù)發(fā)生邏輯錯誤，比如虛擬機內(nèi)數(shù)據(jù)的誤刪除等，能夠從快照快速恢復(fù)?；诳煺盏膫浞莘绞娇梢蕴峁┨摂M機OS故障或丟失數(shù)據(jù)的快速恢復(fù)，但無法應(yīng)對存儲硬件故障等造成的數(shù)據(jù)丟失。

·基于數(shù)據(jù)鏡像技術(shù)的實時數(shù)據(jù)備份:通過備份軟件將資源池的數(shù)據(jù)實時同步復(fù)制至另一臺存儲系統(tǒng)，在主系統(tǒng)存儲設(shè)備出現(xiàn)故障時可切換至鏡像存儲系統(tǒng)迅速恢復(fù)業(yè)務(wù)?；跀?shù)據(jù)鏡像的實時數(shù)據(jù)備份可以在零數(shù)據(jù)丟失的情況下迅速恢復(fù)故障系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問，但無法恢復(fù)誤操作或OS系統(tǒng)造成的數(shù)據(jù)變更。

表1 虛擬化數(shù)據(jù)容災(zāi)方式的比較

·基于持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)的實時數(shù)據(jù)備份:提供了一個連續(xù)的、不斷的系統(tǒng)存儲的記錄狀態(tài)，可以使數(shù)據(jù)狀態(tài)恢復(fù)到數(shù)據(jù)遭到破壞之前的任意一個時間點，從而有效規(guī)避了由人為的邏輯錯誤或病毒攻擊所造成的數(shù)據(jù)丟失。但由于持續(xù)數(shù)據(jù)保護的存儲庫存儲了所保護數(shù)據(jù)的同步副本，如果數(shù)據(jù)經(jīng)常發(fā)生變化，日志就會快速增長，所以應(yīng)設(shè)置較短的備份恢復(fù)周期。

虛擬化數(shù)據(jù)容災(zāi)方式的比較見表1。

如表1所示，前3種備份方式各具特點，對于在本地構(gòu)建容災(zāi)系統(tǒng)的需求來說，總體而言，建議采用快照與數(shù)據(jù)邏輯備份相結(jié)合的方式進行資源池數(shù)據(jù)的本地備份與恢復(fù)。

對于核心關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如部署于虛擬機上的關(guān)鍵應(yīng)用以及應(yīng)用所產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)等，可以考慮選用數(shù)據(jù)鏡像的備份方式，建立專門的管理系統(tǒng)對其進行保存和管理，并對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行必要的冗余存儲（數(shù)據(jù)鏡像采用基于存儲層面的方式實現(xiàn)），以盡量避免和降低系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的數(shù)據(jù)丟失。

對于非核心數(shù)據(jù)，例如部署于虛擬機上的非核心應(yīng)用系統(tǒng)、用戶自定義數(shù)據(jù)等，在節(jié)省資產(chǎn)投入的基礎(chǔ)上，采用快照與數(shù)據(jù)邏輯備份相結(jié)合的方式進行將虛擬服務(wù)器系統(tǒng)和應(yīng)用的打包備份，而且在出現(xiàn)問題時可以用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)備份進行恢復(fù)。

持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)相較前3種備份恢復(fù)技術(shù)更為全面和高效。單從恢復(fù)時間目標的角度看，目前幾乎沒有比提供虛擬化恢復(fù)的CDP產(chǎn)品速度更快的產(chǎn)品了。相比其他的容災(zāi)技術(shù)，持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)不但擁有較大的技術(shù)優(yōu)勢，而且仍在不斷地發(fā)展和改進。同時也為實現(xiàn)IaaS資源池遠程異地容災(zāi)提供了一個重要的選擇。

5 結(jié)束語

IaaS資源池容災(zāi)是云計算體系架構(gòu)中的一種重要的災(zāi)難備份形式，本文介紹了IaaS資源池容災(zāi)的4個關(guān)鍵技術(shù):重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)鏡像、數(shù)據(jù)快照與持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)，并淺析了這4種技術(shù)的應(yīng)用場景與相互之間的比較，探討了企業(yè)構(gòu)建IaaS資源容災(zāi)系統(tǒng)的基本原則。

災(zāi)難備份的實施要求企業(yè)綜合考慮其基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)存儲及工作流程管理等多種因素，從本身的實際情況出發(fā)，合理利用各種災(zāi)備技術(shù)與產(chǎn)品，才能建設(shè)有效的、完善的災(zāi)備系統(tǒng)，從而達到最大限度保證企業(yè)業(yè)務(wù)連續(xù)性的目的。同時，隨著云計算容災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，以及各行業(yè)云計算數(shù)據(jù)中心、災(zāi)備中心建設(shè)的深入開展，構(gòu)建在IaaS資源池基礎(chǔ)上的云災(zāi)備系統(tǒng)必將成為災(zāi)難備份市場的主流方式。

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