黃海端，張佳杰，李紅斌，陳曉

(1.河北聯(lián)合大學(xué)遷安學(xué)院，河北唐山064400;2.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

“金保工程”是利用先進(jìn)的信息技術(shù)，以中央、省、市三級網(wǎng)絡(luò)為依托，支持勞動和社會保障業(yè)務(wù)經(jīng)辦、公共服務(wù)、基金監(jiān)管和宏觀決策等核心應(yīng)用，覆蓋全國統(tǒng)一的勞動和社會保障電子政務(wù)工程［1］。其內(nèi)涵可以簡要概括為“一二三四”四個字:“一”是一個工程，指在全國范圍建設(shè)一個統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)共用、信息共享、覆蓋各項(xiàng)勞動和社會保障業(yè)務(wù)的電子政務(wù)工程;“二”是兩大系統(tǒng)，指建設(shè)社會保險子系統(tǒng)和勞動力市場子系統(tǒng);“三”是三級結(jié)構(gòu)，指由中央(勞動保障部)、省、市三層數(shù)據(jù)分布和管理結(jié)構(gòu)組成;“四”是四項(xiàng)功能，指具備業(yè)務(wù)經(jīng)辦、公共服務(wù)、基金監(jiān)管和宏觀決策四項(xiàng)功能。

隨著計(jì)算機(jī)的普及和信息技術(shù)的進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，信息安全的重要性日趨明顯。系統(tǒng)一旦遭到災(zāi)難性銷毀，如果沒有備份措施，則所有重要數(shù)據(jù)就沒有辦法恢復(fù)，將面臨永久性銷毀，這樣的損失是極其嚴(yán)重的，有可能是無法承受的，所以在一個重要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，備份設(shè)計(jì)是非常有必要性的。因此數(shù)據(jù)備份非常重要，也是數(shù)據(jù)安全的最后一道屏障。

1 存儲架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于SAN的存儲架構(gòu)設(shè)計(jì)

SAN(Storage Area Network)，即存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，是一項(xiàng)將存儲設(shè)備、連接設(shè)備和接口集成在一個高速網(wǎng)絡(luò)中的技術(shù)。SAN是由一組被設(shè)計(jì)用于服務(wù)器和存儲設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)透明連接的部件構(gòu)成的［2］。

在NAS中，數(shù)據(jù)傳輸是通過現(xiàn)有局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，這給用戶局域網(wǎng)帶寬造成了沉重的負(fù)擔(dān)，因?yàn)榫钟蚓W(wǎng)只適合短暫的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。另一方面，在SAN網(wǎng)絡(luò)中，所有的數(shù)據(jù)傳輸都發(fā)生在一個專門數(shù)據(jù)傳輸?shù)木哂懈咚?、高帶寬的網(wǎng)絡(luò)中。通過提供一種不同于傳統(tǒng)存儲技術(shù)的新技術(shù)，SAN降低了網(wǎng)絡(luò)中的交通阻塞。另外，SAN本身是一個存儲網(wǎng)絡(luò)，由于該網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)了原本在主網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)存儲，從而提高了SAN的性能和升級能力。

作為目前流行的存儲架構(gòu)SAN將所有的備份數(shù)據(jù)流都遷移到一個專門進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中，備份和恢復(fù)的時間縮短了，網(wǎng)絡(luò)擁擠也減少了。它是一種可以實(shí)現(xiàn)跨平臺，集中式管理的網(wǎng)絡(luò)存儲。在數(shù)據(jù)的可用性和網(wǎng)絡(luò)性能方面都有了大大的改善。

在基于SAN的存儲系統(tǒng)中，所需的備份數(shù)據(jù)量為600GB，使用LTO磁帶機(jī)LTO II磁帶機(jī)的速度為35MB/S，希望進(jìn)行全備份在5小時內(nèi)能完成，根據(jù)公式:磁帶機(jī)數(shù)量=(備份的數(shù)據(jù)量/備份的時間窗口)/磁帶機(jī)的速度。(600000/18000)/35=0.9，計(jì)算當(dāng)前磁帶機(jī)的數(shù)量為2個。磁帶庫的技術(shù)配置為多于2個的磁帶庫驅(qū)動器，可擴(kuò)展數(shù)為大于等于4;支持LTO，SDLT，AIT磁帶機(jī)類型;支持1GB和2GB的自適應(yīng)模式的光纖接口。

由于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量比較大，在該市勞動保障信息系統(tǒng)項(xiàng)目中區(qū)備份系統(tǒng)采用SAN架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將磁盤陣列直接連接到SAN的交換機(jī)上［3，4］，和備份服務(wù)器、多臺服務(wù)器均通過SAN相互連接，利用SAN的高性能來提高備份速度、降低數(shù)據(jù)備份對網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器的影響。實(shí)際的SAN存儲架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 SAN存儲框架結(jié)構(gòu)

通過以上的分析和比較，采用基于SAN架構(gòu)的第三方存儲設(shè)備作為最后整個生產(chǎn)系統(tǒng)的存儲設(shè)備是社會保險應(yīng)用存儲的最佳選擇，通過這種方式能夠最大限度的保證系統(tǒng)隨著業(yè)務(wù)量的不斷發(fā)展而具有最佳的擴(kuò)展性(跨平臺數(shù)據(jù)資源整合)。

1.2 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲設(shè)計(jì)

在“金保工程”市域網(wǎng)生產(chǎn)區(qū)建設(shè)中，基于SAN架構(gòu)的勞動保障信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲中實(shí)際的配置主要包括以下五部分:

①Server(服務(wù)器):它是SAN解決方案的基礎(chǔ)，該市勞動保障信息系統(tǒng)中市勞動和社會保障局信息中心連入SAN中的服務(wù)器為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)雙機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng)雙機(jī)系統(tǒng)。

②Storage(存儲設(shè)備):存儲設(shè)備包括本地、遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和本地數(shù)據(jù)備份設(shè)備三部分。其中本地和遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備部分，本系統(tǒng)中采用的是2臺同檔次高端存儲服務(wù)器，存儲容量應(yīng)該大于等于3TB;本地數(shù)據(jù)備份設(shè)備，本系統(tǒng)中采用的是1臺磁帶庫設(shè)備作為備份設(shè)備，并配置兩個以上光纖驅(qū)動器。

③SAN fabric(連接設(shè)備):配置了3臺16端口光纖交換機(jī)作為SAN連接設(shè)備，構(gòu)架成數(shù)據(jù)中心存儲區(qū)域網(wǎng)以及容災(zāi)中心的存儲區(qū)域網(wǎng)。

④Software(管理軟件):SAN的管理包括存儲系統(tǒng)的管理、存儲網(wǎng)絡(luò)的管理和系統(tǒng)級管理。SAN存儲級管理由不同的存儲設(shè)備組成，如磁盤、磁盤陣列、磁帶、磁帶庫等。SAN存儲網(wǎng)絡(luò)的管理由可以提供連通性的所有各類逐漸組成，如SAN線纜、SAN交換機(jī)、SAN網(wǎng)關(guān)以及主機(jī)總線適配器等。

⑤SAN存儲級管理軟件:根據(jù)配置的存儲設(shè)備配置了不同的管理軟件。

1.3 軟件架構(gòu)模型設(shè)計(jì)

從邏輯上網(wǎng)絡(luò)備份系統(tǒng)分為客戶端程序、備份管理程序和備份代理程序三個子系統(tǒng)［5］。備份管理程序向客戶端程序和備份代理程序發(fā)送控制信息，并不進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸工作，這三個子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立又相互依存，工作時需要三者配合才能完成。具體部署系統(tǒng)時，客戶端程序、備份代理程序和備份管理程序分別部署在備份客戶機(jī)上、備份服務(wù)機(jī)上和管理服務(wù)機(jī)上。可以在一個主機(jī)上同時部署這三種程序，但一個備份系統(tǒng)只能有一個管理服務(wù)機(jī)，系統(tǒng)中的任一臺成員計(jì)算機(jī)至少擔(dān)任這三種角色之一。圖2為系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)圖。

圖2 軟件體系結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，備份系統(tǒng)有備份管理程序、備份代理程序和備份客戶程序三個邏輯子系統(tǒng)。由若干個功能模塊構(gòu)成的這三個邏輯子系統(tǒng)之間通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接。

備份管理程序是整個系統(tǒng)的中心控制部分，有與代理程序和客戶程序相對應(yīng)的子程序模塊。它控制著各個代理程序和客戶端程序之間的交互和通訊，各部分的分工合作以及各項(xiàng)系統(tǒng)的功能完成。

備份代理程序包括了備份恢復(fù)源代理和目的代理程序，同時還包括了負(fù)責(zé)將備份/恢復(fù)任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果、磁盤損壞等告警信息、用戶登錄等系統(tǒng)事件報告給備份管理程序的報告模塊。

人機(jī)交互處理過程完成備份客戶程序與備份管理程序之間的通訊。

2 備份策略

選擇了存儲備份軟件、存儲備份技術(shù)后，首先需要確定數(shù)據(jù)備份的策略。當(dāng)前所用的備份策略指確定需備份的內(nèi)容、備份時間及備份方式。要根據(jù)自己的實(shí)際情況來制定不同的備份策略。目前被采用最多的備份策略［6］主要有以下三種。

2.1 完全備份

完全備份是對所有數(shù)據(jù)元素的備份。增量備份和差異備份都是以完全備份作為參照的，完全備份是任何備份的起點(diǎn)。特點(diǎn)是備份的數(shù)據(jù)好多都是重復(fù)的，占用了大量的磁盤空間，備份所需時間最長。但恢復(fù)較容易，只需最近的一次備份。

2.2 增量備份

增量備份只備份上次備份以后有變化的數(shù)據(jù)。增量備份的優(yōu)點(diǎn)是能有效利用時間和備份介質(zhì)。沒有重復(fù)的備份數(shù)據(jù)，平均消耗的介質(zhì)相對要少得多。缺點(diǎn)是恢復(fù)起來比較麻煩，可能需要從更多的磁帶中恢復(fù)數(shù)據(jù)。

2.3 差量備份

差量備份只備份上次完全備份以后有變化的數(shù)據(jù)。差量備份的優(yōu)點(diǎn):由于使用了更少的磁帶，所以對系統(tǒng)進(jìn)行完全恢復(fù)的時間比增量備份要快。缺點(diǎn):相比增量備份，它占用較多的磁盤空間和時間。這是因?yàn)樗菂⒄杖珎浞荩@相對于增量備份還有很多重復(fù)的數(shù)據(jù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，備份策略通常是以上三種的結(jié)合。但是以上三種備份策略只能備份某些特定時間的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，無法做到完全備份以及靈活的恢復(fù)。需要改善備份恢復(fù)機(jī)制，在這里提出了一種新的基于事務(wù)日志的差異數(shù)據(jù)備份，彌補(bǔ)傳統(tǒng)的備份恢復(fù)體系中存在的漏洞。

3 基于事務(wù)日志的差異備份

事務(wù)日志［7］是記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作的“流水賬”，目前絕大多數(shù)的系統(tǒng)都支持對事務(wù)日志的記錄，傳統(tǒng)的事務(wù)日志主要記載了事務(wù)操作時間、操作對象、操作類型、操作結(jié)果等，如果把事務(wù)日志記錄得夠詳細(xì)，例如增加對事務(wù)涉及的數(shù)據(jù)庫對象、操作前后的數(shù)據(jù)映像等信息，就可充分靈活的利用起事務(wù)日志，將事務(wù)日志作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份恢復(fù)的數(shù)據(jù)來源和依據(jù)，而不是僅僅用于日志的審計(jì)、統(tǒng)計(jì)等。傳統(tǒng)的事務(wù)操作日志記載信息大致如表1所示。

表1 傳統(tǒng)的操作日志記載信息

可用于恢復(fù)的事務(wù)操作日志記載信息如表2所示。

表2 可用于恢復(fù)的事務(wù)操作日志記載信息

從表1與表2的對比中可以看出可用于恢復(fù)的事務(wù)操作日志比傳統(tǒng)的事務(wù)日志多了數(shù)據(jù)映像等字段。對象地址記錄變動對象的地址，如某一個數(shù)據(jù)庫中的某一個表單，或者是記錄某個文件的物理地址;操作前的數(shù)據(jù)映像記錄的是此操作COMMIT前的數(shù)據(jù)狀態(tài);操作后的數(shù)據(jù)映像記錄的是此操作執(zhí)行后的數(shù)據(jù)狀態(tài)。如修改操作，將Data原來的值d1修改為d2，則操作前的數(shù)據(jù)映像記錄的是“Data=d1”，操作后的數(shù)據(jù)映像記錄的是“Data=d2”。按表2所示數(shù)據(jù)項(xiàng)詳細(xì)的記載每一個操作信息，實(shí)際上就完成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份工作。

4 本地與異地相結(jié)合的日志同步備份方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)備份設(shè)計(jì)時，除了需要在異地配置一套備份系統(tǒng)以外，還可以在本地配置一套備份服務(wù)器。如圖3所示。

圖3 本地與異地相結(jié)合的日志同步備份方案

系統(tǒng)與本地備份服務(wù)器配置于同一個地方，通過局域網(wǎng)互通，由管理系統(tǒng)將日志變動信息同步給本地備份服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)變動信息高效地實(shí)時備份。本地備份服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)與異地備份系統(tǒng)互通，本地備份服務(wù)器以日志文件的方式將變動日志同步給異地備份系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)異地同步備份。

因?yàn)閮蓛砷g同步的是變動日志，不是變動數(shù)據(jù)池中的變動數(shù)據(jù)，所以不需要再維護(hù)一個變動數(shù)據(jù)池，減少了系統(tǒng)的負(fù)荷，并且有效地避免了因變動數(shù)據(jù)池引起的效率低等問題。因主系統(tǒng)與本地備份服務(wù)器配置于同一個局域網(wǎng)中，如果鏈路上出現(xiàn)故障，很容易進(jìn)行故障排查和定位，能及時進(jìn)行維修。這樣就大大減少了變動信息大量累積的可能，有效地避免了因異常情況導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。另外，本地備份服務(wù)器與異地備份系統(tǒng)間采用文件的形式同步變動日志，將本地備份服務(wù)器未完成異地同步的變動信息打包成文件，以文件形式傳輸給異地備份系統(tǒng)，采用定時同步機(jī)制不用逐條地進(jìn)行同步，能有效地減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

5 小結(jié)

通過對傳統(tǒng)的備份技術(shù)存在的缺陷進(jìn)行分析，針對這些缺陷，提出了基于事務(wù)日志的備份策略，同時采用本地與異地相結(jié)合的備份技術(shù)以及日志文件同步手段，改善了系統(tǒng)的可維修性，提高了數(shù)據(jù)同步的效率和實(shí)時性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的備份體系的不足。并充分利用事務(wù)日志，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)更為靈活，做到數(shù)據(jù)的完全備份和完全恢復(fù)?？傊?，利用基于SAN的數(shù)據(jù)存儲在硬件上實(shí)現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)傳輸，同時根據(jù)實(shí)際情況制定合適的備份策略，保證了高效的數(shù)據(jù)備份。

［1］ 尹靜濤.“金保工程”市域網(wǎng)建設(shè)中系統(tǒng)安全性的設(shè)計(jì)［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，28:123-125.

［2］ 熊琦，王麗娜.基于SAN的集中存儲備份系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都，電子科技大學(xué)，2010.

［3］ Tom C.Designing storage area networks［M］.Publishing House of Electronics Industry，2005:170-174.

［4］ M.Kaczmarski，T.Jiang.Beyond backup toward storagemanagement，IBM Systems Journal，2003，v42，p322-337.

［5］ 郭曉敏.網(wǎng)絡(luò)備份系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.南京:東南大學(xué)，2005.

［6］ 王海飛.基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份方法［J］.電腦學(xué)習(xí)，2010，4:28-30.

［7］ 劉英，王效武，曾兵.一種數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)［J］.通信技術(shù)，2010，01(44):66-68.

［8］ Oracle Corporation.Oracle Database Documentation Library(10gRelease2)［EB/OL］.(2009-11-04)［2010-08-10］.http://www.intelligentedu.com/blogs/post/free_computer_books/4454/oracle-database-10g-documentation-library.