王晉明，肖騫宇，廖國龍

（四川大學計算機學院，成都　610065）

一種改進的持續(xù)數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)遠程恢復方法

王晉明，肖騫宇，廖國龍

（四川大學計算機學院，成都610065）

持續(xù)數(shù)據(jù)保護；遠程數(shù)據(jù)恢復；塊數(shù)據(jù)；I/O重定向

0　引言

目前信息技術(shù)正處在一個飛速發(fā)展的階段，隨之而來的是數(shù)據(jù)的爆炸式增長以及重要性的不斷提高。對于企業(yè)來說，數(shù)據(jù)信息是業(yè)務(wù)運行的根本，是非常重要的財富，一旦數(shù)據(jù)丟失或者遭到破壞，由此帶來的損失是難以估量的?；谄髽I(yè)對于數(shù)據(jù)安全的需求，各種數(shù)據(jù)保護技術(shù)不斷產(chǎn)生。持續(xù)數(shù)據(jù)保護（Continuous Data Protection，CDP）技術(shù)是一種能對數(shù)據(jù)進行連續(xù)保護的容災(zāi)技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的定時數(shù)據(jù)備份方法存在備份窗口的問題，它能在數(shù)據(jù)因為病毒入侵，人為誤操作等情況造成邏輯災(zāi)難（占數(shù)據(jù)損失原因的60%～80%）[1]時，將數(shù)據(jù)恢復到過去任意時刻的狀態(tài)，消除了備份窗口。

針對塊級持續(xù)數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)在恢復過程中上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)無法正常運行的問題，本文提出了一種改進的遠程恢復方法，通過后臺恢復以及讀時重定向機制，將業(yè)務(wù)流程與恢復流程重疊，能在恢復過程中支持對于數(shù)據(jù)卷的讀寫操作，降低業(yè)務(wù)中斷的時間。

1　傳統(tǒng)恢復方法

1.1傳統(tǒng)恢復方法的原理

CDP系統(tǒng)在恢復的時候，恢復時間點通常比較靠近最新時間點，因此采用復制參考數(shù)據(jù)模式[6]實現(xiàn)的CDP系統(tǒng)往往有更好的恢復性能。在系統(tǒng)開始進行數(shù)據(jù)保護之后，備份服務(wù)器上需要維護一個與受保護數(shù)據(jù)卷狀態(tài)相同的鏡像卷；備份過程中采用Copy on Write技術(shù)，即鏡像卷中的原始數(shù)據(jù)被覆寫之前先將其拷貝到日志卷中，并按照時間的先后順序依次存放，形成一個原始數(shù)據(jù)鏈。當用戶需要將數(shù)據(jù)卷恢復到指定時間點Ttarget時，恢復流程的算法如下：

（1）將鏡像卷遠程拷貝到目標數(shù)據(jù)卷

（2）假設(shè)Tlast是最新備份時刻，則原始數(shù)據(jù)鏈中存在一個按時間升序排列的子鏈{Ttarget，…，Tlast}。將該子鏈中的原始數(shù)據(jù)按照備份時間的逆序，也就是Tlast→Ttarget的順序，依次寫入目標卷，即可完成恢復。

通過(a)、(b)、(c)3步構(gòu)建了一個優(yōu)化模式庫，由于有工況指數(shù)S判斷，保證了紙漿洗滌質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上，(d)步生產(chǎn)效益提高，從而構(gòu)成了紙漿洗滌過程的綜合優(yōu)化控制。

1.2業(yè)務(wù)中斷時間分析

對于傳統(tǒng)恢復方法，上層業(yè)務(wù)需要等待數(shù)據(jù)完全恢復之后才能正常運行，因此業(yè)務(wù)中斷的時間等于完全恢復的時間。假設(shè)數(shù)據(jù)卷的大小為Svol，{Ttarget，…，Tlast}子鏈中的原始數(shù)據(jù)大小為Sorig，遠程恢復速度為R，則業(yè)務(wù)中斷時間T=（Svol+Sorig）/R。數(shù)據(jù)卷越大，回退時間點到最新時間點這段時間區(qū)間內(nèi)的原始數(shù)據(jù)越多，則業(yè)務(wù)中斷時間越長。

2　改進的恢復方法

目前的持續(xù)數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)在執(zhí)行遠程恢復的時候，都需要將恢復時間點數(shù)據(jù)遠程拷貝到生產(chǎn)服務(wù)器上，業(yè)務(wù)才能繼續(xù)運行。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種改進的遠程恢復方法，可以在數(shù)據(jù)卷選擇恢復到指定時間點后很短的時間內(nèi)讓業(yè)務(wù)恢復運行，并繼續(xù)對數(shù)據(jù)卷進行保護。

2.1系統(tǒng)框架

本文提出的恢復方法在恢復時的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1　恢復任務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)

其中，包含了幾個主要的模塊：

（1）虛擬卷（Virtual volume）。CDP系統(tǒng)服務(wù)端在恢復開始之后，利用張等[7]提出的虛擬重構(gòu)方法，快速地重構(gòu)出了恢復時間點的數(shù)據(jù)卷狀態(tài)。重構(gòu)出來的虛擬卷通過iSCSI掛載到待恢復的生產(chǎn)服務(wù)器上。這時，在生產(chǎn)服務(wù)器上可以像讀取本地卷一樣讀取虛擬卷，但是不支持數(shù)據(jù)寫入。

（2）監(jiān)控驅(qū)動（CDP driver）。為了實時的獲取數(shù)據(jù)卷的數(shù)據(jù)變化，通常塊級持續(xù)數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)都會在內(nèi)核的通用塊層監(jiān)控應(yīng)用層對數(shù)據(jù)卷的所有讀寫請求，然后根據(jù)任務(wù)狀態(tài)進行相應(yīng)的處理。

（3）恢復模塊（Recovery module）?；謴湍K會在后臺將數(shù)據(jù)卷恢復時間點的數(shù)據(jù)拷貝到本地卷上，完成整個恢復任務(wù)。

（4）數(shù)據(jù)塊狀態(tài)位圖（Block status bitmap）。在恢復任務(wù)開始之后，驅(qū)動會創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)塊狀態(tài)位圖。在位圖中，1位數(shù)據(jù)只有0和1兩個值，代表了一個數(shù)據(jù)塊的恢復狀態(tài)。當數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)為0時，表明該數(shù)據(jù)塊既沒有被上層應(yīng)用寫入也沒有被恢復模塊恢復到指定時間點；反之，狀態(tài)為1時，表明該數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被上層應(yīng)用或者恢復模塊修改過了。

（5）CDP服務(wù)端（CDP server）。負責接收生產(chǎn)服務(wù)器上的客戶端發(fā)送過來的備份數(shù)據(jù)，并寫入到CDP倉庫中；此外還負責虛擬卷的重構(gòu)以及生成iSCSI target。

2.2恢復流程

由于在生產(chǎn)服務(wù)器上可以通過訪問掛載過來的虛擬卷來獲取數(shù)據(jù)卷在恢復時間點的數(shù)據(jù)，因此本文提出的恢復方法在生產(chǎn)服務(wù)器上由監(jiān)控驅(qū)動和恢復模塊共同完成。監(jiān)控驅(qū)動負責監(jiān)控讀寫操作以及讀時重定向，從而支持上層應(yīng)用在恢復過程中對數(shù)據(jù)卷的讀寫。而恢復模塊則在后臺負責將恢復時間點的數(shù)據(jù)拷貝到本地數(shù)據(jù)卷。

監(jiān)控驅(qū)動在恢復任務(wù)時的監(jiān)控流程如圖2 所示：

圖2　監(jiān)控驅(qū)動流程

開始恢復之后，監(jiān)控驅(qū)動會監(jiān)控到所有對數(shù)據(jù)卷的讀寫請求。對于寫請求，會將請求數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)修改為1，然后將數(shù)據(jù)復制一份并加上時間戳信息發(fā)往備份服務(wù)器，最后將該寫請求分發(fā)給下層驅(qū)動處理，下層驅(qū)動負責將數(shù)據(jù)寫入磁盤。對于讀請求，首先判斷讀取數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)，如果狀態(tài)為1，則表示本地卷中相應(yīng)數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被恢復或者寫入，因此不做處理，直接分發(fā)給下層驅(qū)動來從本地卷讀取數(shù)據(jù)并返回給應(yīng)用層；如果狀態(tài)為0，則將請求的數(shù)據(jù)卷修改為虛擬卷，再分發(fā)給下層驅(qū)動，下層驅(qū)動會讀取虛擬卷中的數(shù)據(jù)然后返回給應(yīng)用層。

恢復模塊在恢復任務(wù)時的流程如圖3 所示。

恢復模塊在恢復開始之后，將讀取塊號初始化為0。然后判斷讀取塊號對應(yīng)數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)，如果狀態(tài)為1，則不做處理，如果狀態(tài)為0，則從虛擬卷里讀取對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊并寫入本地卷，然后將數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)置為1。接著讓讀取塊號指向下一個數(shù)據(jù)塊，重復上述處理步驟，直到所有數(shù)據(jù)塊都被處理，恢復任務(wù)結(jié)束。

圖3　恢復模塊流程

3　實驗結(jié)果

3.1實驗環(huán)境

測試環(huán)境由兩臺服務(wù)器組成，分別是一臺生產(chǎn)服務(wù)器和一臺遠程災(zāi)備服務(wù)器。在生產(chǎn)服務(wù)器上部署CDP系統(tǒng)客戶端，在災(zāi)備服務(wù)器上部署CDP系統(tǒng)服務(wù)端，具體的配置如表1所示。

表1　實驗環(huán)境

3.2實驗結(jié)果

實驗參考存儲性能理事會發(fā)布的Trace數(shù)據(jù)，通過在應(yīng)用層發(fā)起讀寫請求來模擬數(shù)據(jù)卷的讀寫。數(shù)據(jù)卷大小為10G，模擬讀寫3個小時。然后以開始備份時間點作為起點，以30分鐘為時間間隔，選取6個恢復時間點，分別采用傳統(tǒng)恢復方法和本文提出的恢復方法進行恢復，然后測量各情況下的業(yè)務(wù)中斷時間，即從恢復開始到上層業(yè)務(wù)能夠正常運行的時間。結(jié)果如表2所示。

表2　業(yè)務(wù)中斷時間

上文已經(jīng)對傳統(tǒng)恢復算法的業(yè)務(wù)中斷時間進行了分析，即業(yè)務(wù)中斷時間等于遠程數(shù)據(jù)完全恢復的時間，和數(shù)據(jù)卷大小以及回退時間點到最新時間點這段時間區(qū)間中的數(shù)據(jù)改變量成正比。

對于本文提出的恢復方法來說，業(yè)務(wù)中斷的時間等于數(shù)據(jù)重構(gòu)的時間，只需要遍歷元數(shù)據(jù)文件，找到回退時間點到最新時間點之間改變了的數(shù)據(jù)即可，期間只涉及到元數(shù)據(jù)的讀取操作，通常只需花費很短的時間。

4　結(jié)語

本文針對CDP系統(tǒng)在遠程恢復的過程中，不支持對于數(shù)據(jù)卷的讀寫操作，從而導致業(yè)務(wù)中斷時間較長的問題，通過后臺恢復以及讀時重定向機制，將業(yè)務(wù)流程與恢復流程重疊，使數(shù)據(jù)卷在恢復過程中支持讀寫操作。通過實驗驗證了本文提出的恢復方法能在恢復任務(wù)開始之后很短的時間支持數(shù)據(jù)卷的讀寫，極大地降低了上層業(yè)務(wù)中斷的時間。

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CDP;Remote Data Recovery;Block-Level Data;I/O Redirection

An Improved Remote Recovery Method for Continuous Data Protection System

WANG Jin-Ming，XIAO Qian-Yu，LIAO Guo-Long
（College of Computer Science,Sichuan University,Chengdu 610065）

王晉明（1990-），男，四川成都人，碩士研究生，研究方向為網(wǎng)絡(luò)與信息安全

肖騫宇（1990-），男，四川江油人，碩士研究生，研究方向為網(wǎng)絡(luò)與信息安全

廖國龍（1991-），男，四川成都人，碩士研究生，研究方向為網(wǎng)絡(luò)與信息安全

2016-01-05

2016-02-01

針對目前持續(xù)數(shù)據(jù)保護（CDP）系統(tǒng)在遠程恢復的過程中，不支持對于數(shù)據(jù)卷的讀寫操作，從而導致業(yè)務(wù)中斷時間較長的問題，提出一種改進的備份數(shù)據(jù)遠程恢復方法，通過后臺恢復以及讀時重定向機制，將業(yè)務(wù)流程與恢復流程重疊，支持恢復過程中上層業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)卷的讀寫操作。通過實驗驗證所提出的恢復方法能在恢復任務(wù)開始之后很短的時間支持數(shù)據(jù)卷的讀寫操作，極大地降低上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)的中斷時間。

During the remote data recovery process，current Continuous Data Protection system does not support to read and write data volume, causing business interruption for a long time.Against to this problem,presents an improved recovery method for remote backup data, based on background recovery and reading redirection mechanism,overlapping business process and recovery process.The experiment proves that this recovery method can significantly reduce the business system interrupt time.