魏能強(qiáng) 陳源 任少波

摘要：自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，如何減少數(shù)據(jù)丟失是數(shù)據(jù)容災(zāi)備份的重要研究內(nèi)容。傳統(tǒng)的容災(zāi)備份方案主要是通過人工的方式對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，這類方案最大的缺點(diǎn)就是不能動態(tài)快速地響應(yīng)數(shù)據(jù)丟失的情況。基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)備份方法是一種新的數(shù)據(jù)存儲方法。該方法通過互聯(lián)網(wǎng)將服務(wù)器互聯(lián)，將數(shù)據(jù)分散存儲在各個(gè)數(shù)據(jù)分中心，具有數(shù)據(jù)備份和實(shí)時(shí)共享的功能。結(jié)合該技術(shù)特點(diǎn)，本文提出了一種基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案，當(dāng)災(zāi)禍發(fā)生導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失時(shí)，該方案能夠快速應(yīng)急響應(yīng)，并且動態(tài)恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，減少因數(shù)據(jù)缺失帶來的社會經(jīng)濟(jì)影響。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算;數(shù)據(jù)災(zāi)害;容災(zāi)備份;分布式存儲

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0039-04

0 引言

云計(jì)算[1]、大數(shù)據(jù)背景下，多元化的數(shù)據(jù)應(yīng)運(yùn)而生，人們將數(shù)據(jù)與模型結(jié)合，挖掘數(shù)據(jù)背后潛藏的規(guī)律，如：行為感知預(yù)測[2，3]、氣象預(yù)測、疾病檢測等。模型的訓(xùn)練離不開海量的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲安全變得尤為重要。近年來，各種自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，火災(zāi)、臺風(fēng)、地震、海嘯等無時(shí)無刻的威脅著數(shù)據(jù)安全。

針對隨時(shí)可能發(fā)生的自然災(zāi)害對存儲數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，單一地將數(shù)據(jù)存儲在一個(gè)服務(wù)器已不能滿足生產(chǎn)生活的要求。比如：地震引起的服務(wù)器故障中，本地服務(wù)器中存儲的數(shù)據(jù)不能被遠(yuǎn)程訪問，導(dǎo)致遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)獲取失敗，造成各種經(jīng)濟(jì)損失。又如：數(shù)據(jù)中心起火時(shí)，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)可能被永久的摧毀了，若不能快速的恢復(fù)這些數(shù)據(jù)，那么與這些數(shù)據(jù)相關(guān)的事宜將無法進(jìn)行，可能產(chǎn)生嚴(yán)重的社會問題，造成嚴(yán)重的社會危機(jī)。

當(dāng)災(zāi)禍發(fā)生時(shí)，傳統(tǒng)解決數(shù)據(jù)缺失的方法主要是通過人工進(jìn)行操作，人工對服務(wù)器進(jìn)行故障排除和數(shù)據(jù)恢復(fù)。人工對服務(wù)器的數(shù)據(jù)維護(hù)不僅耗時(shí)長、成本高，而且特定情況下一些服務(wù)器數(shù)據(jù)有可能沒有及時(shí)進(jìn)行備份和保存，產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失的情況?，F(xiàn)階段來說，一些重要的數(shù)據(jù)，都會進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。其一，將數(shù)據(jù)進(jìn)行雙份保存，即一臺服務(wù)器配置兩個(gè)數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。當(dāng)主用數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)問題時(shí)，可以啟用備用數(shù)據(jù)，但該方案不能應(yīng)對大型災(zāi)禍發(fā)生導(dǎo)致的本地兩個(gè)數(shù)據(jù)庫被損毀的情況。雙數(shù)據(jù)庫備份方案如圖1所示。

為了應(yīng)對本地雙數(shù)據(jù)庫備份的不足，異地備份方案可以有效緩解本地備份的缺陷。該方法主要是將數(shù)據(jù)保存在兩臺異地服務(wù)器上達(dá)到數(shù)據(jù)備份的目的，如圖2所示。該方案有如下優(yōu)勢：

當(dāng)沒有災(zāi)禍發(fā)生時(shí)，所有的數(shù)據(jù)都是通過服務(wù)器1進(jìn)行交互，并且服務(wù)器1與服務(wù)器2保持?jǐn)?shù)據(jù)同步更新;當(dāng)服務(wù)器1發(fā)生災(zāi)禍時(shí)，服務(wù)器2就會啟動以保證正常的服務(wù)。這種方式存在一些缺點(diǎn)：首先，該方法需要同時(shí)維護(hù)兩臺服務(wù)器，其次，需要每時(shí)每刻同步更新兩臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)信息。這樣才能確保一臺服務(wù)器出現(xiàn)問題時(shí)，另一臺能夠快速準(zhǔn)確響應(yīng)，為用戶提供不間斷的服務(wù)。這種容災(zāi)備份方案的實(shí)現(xiàn)通長是在兩地架設(shè)兩臺相同的服務(wù)器，在維護(hù)的時(shí)候需要同時(shí)維護(hù)兩臺服務(wù)器，在線路搭建的時(shí)候，需要同時(shí)保證兩臺服務(wù)器能夠單獨(dú)運(yùn)行，成本非常高;而且這種容災(zāi)備份方法最致命的缺陷是，若短期內(nèi)兩臺服務(wù)器同時(shí)出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)丟失，則用戶的訪問將會被終止，用戶的數(shù)據(jù)可能永遠(yuǎn)丟失。

為了解決傳統(tǒng)容災(zāi)備份方案存在的問題，人們迫切需要一個(gè)能夠快速響應(yīng)數(shù)據(jù)丟失的應(yīng)急方案，該方案能夠在服務(wù)器故障數(shù)據(jù)丟失時(shí)，不僅能夠快速的對數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，而且還能夠繼續(xù)響應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)請求。

1 相關(guān)工作

云計(jì)算是一種新型的計(jì)算方式，其主要的思想是分布式計(jì)算，通過將云端任務(wù)分配下發(fā)到處于云端邊緣的計(jì)算機(jī)，再將各個(gè)位于云端邊緣計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行返回，達(dá)到分布式并行計(jì)算的目的[4-6]。通過這種計(jì)算方式，一個(gè)龐大的任務(wù)可以被劃分為許許多多不同的小任務(wù)，這樣在短期內(nèi)，就能夠?qū)崿F(xiàn)完成一個(gè)龐大的計(jì)算任務(wù)[7]。云計(jì)算中，數(shù)據(jù)不僅存儲在云端，而且數(shù)據(jù)也分散的下發(fā)存儲到了各個(gè)處于云端邊緣的用戶端[8]，這樣數(shù)據(jù)的保存形式就以“總-分”或“分-總”的形式保存在了不同邏輯空間的不同端上[9]。

容災(zāi)備份方案主要是為了解決在災(zāi)難發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)的安全性、數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)的可持續(xù)訪問性的問題。傅思達(dá)等人[10]提出，一般的容災(zāi)備份方案存在許多安全性問題;因此，數(shù)據(jù)備份應(yīng)該具有多點(diǎn)多備的特點(diǎn)，這樣能有效提升數(shù)據(jù)的安全特性。倪凱等人[11]在容災(zāi)備份方案的數(shù)據(jù)安全性方面進(jìn)行了討論設(shè)計(jì)，有效提升了生產(chǎn)中數(shù)據(jù)容災(zāi)備份的安全性。陳小建[12]將OS中的技術(shù)方法運(yùn)用在了數(shù)據(jù)庫中，有效的提升了數(shù)據(jù)庫中容災(zāi)備份資源的利用率。基于容災(zāi)備份方案的社會需求，Shi等人[13]提出了一種新穎的數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制，提升了容災(zāi)備份的效率。

將云計(jì)算的特點(diǎn)與容災(zāi)本分相結(jié)合，本文提示一種基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案，該方案不僅具有動態(tài)恢復(fù)數(shù)據(jù)的特性和保持?jǐn)?shù)據(jù)持續(xù)訪問的特點(diǎn)，而且不需要同時(shí)對多臺服務(wù)器進(jìn)行維護(hù)，具有成本低，安全性高的特點(diǎn)。

2 基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案特點(diǎn)

基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案技術(shù)實(shí)現(xiàn)是可行的，主要在于幾個(gè)方面：（1）基于云計(jì)算的設(shè)計(jì)方案簡單明了，利于相關(guān)數(shù)據(jù)備份協(xié)議的設(shè)計(jì);基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案主要是通過數(shù)據(jù)在使用傳遞過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)的備份，數(shù)據(jù)在使用傳遞的過程中，不同的端之間會對數(shù)據(jù)采取不同的存儲方式，基于這些不同的存儲方式使數(shù)據(jù)具備了容災(zāi)備份的特性，提升了數(shù)據(jù)的安全性。（2）數(shù)據(jù)備份代價(jià)小，數(shù)據(jù)恢復(fù)速度快，符合現(xiàn)階段對數(shù)據(jù)存儲代價(jià)與數(shù)據(jù)動態(tài)恢復(fù)的要求;該方案將數(shù)據(jù)劃分，當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生丟失時(shí)，保證了用戶在不同時(shí)間不同地點(diǎn)能夠繼續(xù)的訪問數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)中心也可以通過用戶端對數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。（3）數(shù)據(jù)安全性高，保證了現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)安全的需求;通過控制中心對數(shù)據(jù)的暫時(shí)備份保存和用戶端數(shù)據(jù)冗余備份的設(shè)計(jì)，能夠保證在各種大型災(zāi)禍發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)依然能夠動態(tài)恢復(fù)和數(shù)據(jù)訪問的特性。

基于以上的分析，基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案實(shí)現(xiàn)成本低，運(yùn)行效率高，可以有效地運(yùn)用到各類數(shù)據(jù)的容災(zāi)備份中，包括：醫(yī)療數(shù)據(jù)、生物數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和海洋數(shù)據(jù)等，滿足人們對數(shù)據(jù)容災(zāi)備份的需求。

3 基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案

基于云計(jì)算的容災(zāi)備份方案主要是通過云計(jì)算的數(shù)據(jù)流通手段，將數(shù)據(jù)分別存儲在了不同的用戶端上，這樣我們的數(shù)據(jù)保存形式不僅有云端保存的所有數(shù)據(jù)，而且還將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分割保存在了各個(gè)不同的用戶端上。無論是云端的數(shù)據(jù)丟失還是用戶端的數(shù)據(jù)丟失，我們都可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的恢復(fù)和數(shù)據(jù)的訪問。

基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份系統(tǒng)中主要由幾部分構(gòu)成：（1）云端服務(wù)器：用于存儲數(shù)據(jù)交互中的所有數(shù)據(jù);（2）控制中心：用于控制數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)存儲和保存數(shù)據(jù)存儲列表等;（3）局域網(wǎng)：用于連接不同用戶和控制中心的介質(zhì);（4）用戶端：處于云端邊緣的各個(gè)用戶，用于對分割的數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲。

現(xiàn)實(shí)生活中，數(shù)據(jù)丟失主要包含以下三種情況：

情況1：云端數(shù)據(jù)丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù);當(dāng)云端數(shù)據(jù)產(chǎn)生丟失，云端就會發(fā)送請求給控制中心，告訴控制中心有哪些數(shù)據(jù)缺失，控制中心對請求做出響應(yīng)，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，然后控制中心會根據(jù)數(shù)據(jù)缺失的情況對客戶端發(fā)出相應(yīng)的請求，用戶端收到請求后對請求做出響應(yīng)，發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)給控制端，控制端再將相應(yīng)的數(shù)據(jù)返回云端，這樣，云端就可以恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。具體如算法表1所示。

情況2：云端數(shù)據(jù)丟失的數(shù)據(jù)訪問持續(xù)性;云端的數(shù)據(jù)丟失后，若用戶端i對云端丟失的數(shù)據(jù)發(fā)出請求，控制中心在收到該請求后，發(fā)現(xiàn)該請求的數(shù)據(jù)在云端已經(jīng)缺失，這時(shí)控制中心會進(jìn)行云端數(shù)據(jù)缺失的響應(yīng)，控制中心找到用戶端i請求的數(shù)據(jù)所在的用戶端j，并且給用戶端j發(fā)送請求，獲取響應(yīng)的數(shù)據(jù)并且發(fā)送給用戶端i，這樣用戶端i的數(shù)據(jù)請求不會被迫終止。

情況3：用戶端數(shù)據(jù)丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù);當(dāng)用戶端的數(shù)據(jù)丟失，用戶端可以直接發(fā)送響應(yīng)的請求給控制中心，控制中心響應(yīng)請求，從云端獲取相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶端，解決用戶端數(shù)據(jù)缺失的情況。具體如算法見表2。

基于云計(jì)算的容災(zāi)備份方案具有動態(tài)恢復(fù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，且在數(shù)據(jù)丟失時(shí)，用戶的數(shù)據(jù)訪問也不會被迫終止。云計(jì)算的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案如圖3所示。

基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案主要有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)的自動恢復(fù)與數(shù)據(jù)訪問不被終止;但是在大型災(zāi)難發(fā)生時(shí)，很有可能發(fā)生數(shù)據(jù)中心和用戶端的數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)都遭到破壞，針對這個(gè)問題，我們設(shè)計(jì)了兩個(gè)策略以應(yīng)對大型災(zāi)害對數(shù)據(jù)的損害。

策略1：控制中心數(shù)據(jù)備份，在用戶對服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行請求時(shí)，控制端會對請求的數(shù)據(jù)進(jìn)行短期存儲，這個(gè)期限根具數(shù)據(jù)安全的等級可以設(shè)定不同的時(shí)間值;這不僅能夠有效地提升容災(zāi)備份的安全性，而且一般來說用戶端對數(shù)據(jù)進(jìn)行請求后短期內(nèi)還可能對相同數(shù)據(jù)進(jìn)行請求，控制中心將這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行短期保存可以減少數(shù)據(jù)中心的響應(yīng)次數(shù)，提升數(shù)據(jù)訪問的效率。

策略2：用戶端數(shù)據(jù)冗余備份，用戶端的數(shù)據(jù)冗余備份是指：服務(wù)器在數(shù)據(jù)下發(fā)時(shí)，對一個(gè)用戶端下發(fā)兩份數(shù)據(jù)，其中一份數(shù)據(jù)是當(dāng)前用戶端需要的數(shù)據(jù)，另一份是其它用戶端需要的數(shù)據(jù)。比如：服務(wù)器下發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，A用戶端同時(shí)收到了A用戶端的數(shù)據(jù)和D用戶端的數(shù)據(jù);D用戶端也同時(shí)收到了D用戶端的數(shù)據(jù)和A用戶端的數(shù)據(jù);這樣一個(gè)用戶端收到了兩份數(shù)據(jù);在發(fā)生災(zāi)禍時(shí)，由于A與D用戶是相隔很遠(yuǎn)的兩個(gè)用戶端，它們的數(shù)據(jù)很難在同一較短時(shí)間被破壞，這樣，A與D的數(shù)據(jù)備份多了一份保障，并且這份保障的代價(jià)也是很小的。因?yàn)?，每一個(gè)用戶只保存了一份其它用戶的數(shù)據(jù)，用戶只花費(fèi)了較小的代價(jià)，就能有效的提升數(shù)據(jù)容災(zāi)備份的安全性。

4 結(jié)語

由于人們對數(shù)據(jù)容災(zāi)備份要求的提升，本文動態(tài)地結(jié)合云計(jì)算的特點(diǎn)，將云計(jì)算中分布式存儲的特點(diǎn)巧妙地結(jié)合在了數(shù)據(jù)容災(zāi)備份方案中，該方案有效地解決了災(zāi)難發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)丟失的動態(tài)恢復(fù)和數(shù)據(jù)丟失后的數(shù)據(jù)訪問持續(xù)性的問題?？紤]到大型災(zāi)難對云端服務(wù)器和用戶端數(shù)據(jù)同時(shí)造成的數(shù)據(jù)丟失影響;本文還提出兩種應(yīng)對策略，極大地提高了數(shù)據(jù)容災(zāi)備份的安全等級。該方案不僅有效地運(yùn)用了云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而且為數(shù)據(jù)容災(zāi)備份提供了新的方向。

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Abstract：How to reduce data loss is an important research content of data disaster recovery and backup， when natural disasters occur. Traditional disaster recovery backup solutions mainly use manual methods to back up stored data， the biggest disadvantage of such solution is that they cannot dynamically and quickly respond to data loss. Cloud computing-based data disaster recovery and backup strategy is a new solution on data storage. This method connects the servers through the Internet， stores the data in each data sub center， and has the function of data backup and real-time sharing. Combining the technical characteristics of cloud computing， this paper proposes a cloud computing-based data disaster recovery backup solution， when the disaster occurs and results in data loss， this solution can provide a quick emergency response， dynamically recover lost data and reduce the society and economic impact caused by data loss.

Key words：cloud computing; data disaster; disaster recovery backup; distribute storage