李超越

（云宏信息科技股份有限公司 廣東省廣州市 510642）

隨著云計算行業(yè)的在各個行業(yè)與領(lǐng)域的深入使用與日益普及，作為云計算應(yīng)用技術(shù)的基石的虛擬化操作系統(tǒng)也同樣部署到了各種物理硬件之上。同樣隨著各種計算機應(yīng)用程序與云計算的深入結(jié)合，虛擬化操作之上的虛擬機承載的業(yè)務(wù)也將涉及到各行各業(yè)，其上的業(yè)務(wù)規(guī)模與復(fù)雜性也急劇增大。虛擬化操作系統(tǒng)的安全可用性也就成為了各種應(yīng)用軟件可用的核心問題。

在航空航天、武器裝備、醫(yī)療設(shè)備、道路交通、能源工業(yè)、金融等安全攸關(guān)的領(lǐng)域，虛擬化操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)軟件失效將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此，當虛擬化操作系統(tǒng)的一個完整的環(huán)境因災(zāi)難性事件造成長時間運行環(huán)境無法恢復(fù)甚至于環(huán)境遭受到不可恢復(fù)的破壞的時候，為迅速恢復(fù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和運行環(huán)境，需要采用容災(zāi)備份與恢復(fù)技術(shù)，確保應(yīng)用軟件的基層運行環(huán)境能夠快速從災(zāi)難造成的故障與癱瘓狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，支撐其支持的業(yè)務(wù)功能從災(zāi)難造成的不正常狀態(tài)恢復(fù)到可接受狀態(tài)。

1 基于vhd格式的虛擬機備份

從含義上而言，備份是指將用戶的數(shù)據(jù)從源端拷貝復(fù)制一份存放到額外的空間中，將源數(shù)據(jù)保存幾份以增強安全性的行為。備份本身并不具有實際的意義，其作用主要是為了在原數(shù)據(jù)被破壞有可以通過一定的技術(shù)手段將備份出來的數(shù)據(jù)重新復(fù)制回來從而恢復(fù)正常的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，因為備份必須同時需要與恢復(fù)同時存在。容災(zāi)指一種應(yīng)對數(shù)據(jù)被破壞的場景恢復(fù)數(shù)據(jù)與應(yīng)用的技術(shù)，即在應(yīng)用與數(shù)據(jù)所處的環(huán)境發(fā)生災(zāi)難性破壞或者發(fā)生自然或認為災(zāi)害后數(shù)據(jù)無法獲取，應(yīng)用短時間無法恢復(fù)的一種應(yīng)對手段?？紤]到成本，實現(xiàn)難度等因素，備份恢復(fù)往往是容災(zāi)方案中的一種重要手段。

2 容災(zāi)技術(shù)的分類與恢復(fù)等級

目前比較被認可的容災(zāi)的恢復(fù)等級的劃分主要指的就是Share78 容災(zāi)國際標準，該標準主要通過以下方面將容災(zāi)等級做了劃分：

（1）備份/恢復(fù)的范圍；

（2）災(zāi)難恢復(fù)計劃的狀態(tài)；

（3）應(yīng)用地點與備份地點之間的距離；

（4）應(yīng)用地點與備份地點如何相互連接；

（5）數(shù)據(jù)是怎樣在兩個地點之間傳送的；

（6）允許有多少數(shù)據(jù)丟失；

（7）怎樣保證備份地點數(shù)據(jù)的更新；

（8）備份地點可以開始備份工作的能力。

從最簡單的僅在本地進行磁帶備份，到將備份的磁帶存儲在異地，再到建立應(yīng)用系統(tǒng)實時切換的異地備份系統(tǒng)，恢復(fù)時間也可以從幾天到小時級到分鐘級、秒級或零數(shù)據(jù)丟失等將容災(zāi)的等級劃分七個等級為：

0 級：無異地備份；

1 級：實現(xiàn)異地備份；

2 級：熱備份站點備份；

3 級：在線數(shù)據(jù)恢復(fù)；

4 級：定時數(shù)據(jù)備份；

5 級：實時數(shù)據(jù)備份；

6 級：零數(shù)據(jù)丟失。

針對高等級的容災(zāi)方案，將同樣付出較多的資源的消耗并需要更高的實現(xiàn)難度。針對各種不同的容災(zāi)方案，同樣有其建設(shè)的衡量標準。衡量災(zāi)備系統(tǒng)建設(shè)的指標有許多：

RTO-恢復(fù)及時性

衡量業(yè)務(wù)恢復(fù)正常所需時間

RPO-恢復(fù)時間點

衡量業(yè)務(wù)恢復(fù)過程數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險

RRO-恢復(fù)可靠性

衡量業(yè)務(wù)恢復(fù)的把握性

RIO-恢復(fù)完整性

衡量業(yè)務(wù)恢復(fù)之后數(shù)據(jù)的可用性

ROI-投資回報率

衡量業(yè)務(wù)連續(xù)性系統(tǒng)投資效率

其中最重要的有兩個：一個是 RTO（RecoveryTime Object）即指災(zāi)難發(fā)生后，從系統(tǒng)停機導(dǎo)致業(yè)務(wù)停頓開始，到IT 系統(tǒng)恢復(fù)，業(yè)務(wù)重新運營，中間所需要的時間；另一個是 RPO（Recovery Point Object）是指一個過去的時間點，當災(zāi)難或緊急事件發(fā)生時，數(shù)據(jù)可以恢復(fù)到的時間點。

3 vhd文件介紹

虛擬化操作系統(tǒng)管理虛擬磁盤有各種虛擬磁盤的格式，VMware 的VMDK 格式、Virtual PC 的VHD 格式、VirtualBox 的VDI 格式、Parallels Desktop 的hdd 格式，qemu 的qcow2 格式等幾種虛擬機的虛擬磁盤文件格式。各種格式都有其自己的固定的管理方式，各種格式都有其特有的容災(zāi)的處理方案。本方案主要針對在Xen 虛擬化上對VHD 虛擬磁盤格式進行容災(zāi)方案分析。

VHD 即Microsoft Virtual Hard Disk format，qemu 和tapdisk 都能支持VHD 鏡像格式，不僅提供基本的虛擬機卷功能，還可提供磁盤快照、磁盤擴容等高級功能。

VHD 格式可以分為動態(tài)VHD 與靜態(tài)VHD 兩種格式：靜態(tài)VHD 與裸磁盤格式一一對應(yīng)，并在末尾添加一個VHD footer 的方式管理；動態(tài)VHD 的格式在blktap 代碼中的vhd.h 頭文件定義如下：

HD footer 中記錄了文件的文件的標識性信息，格式類型與版本信息，記錄了數(shù)據(jù)的起始位置等信息。從圖中的Data Block 說明我們可以知道，沒有數(shù)據(jù)塊分兩個部分，一個Bitmap 與實際真是的數(shù)據(jù)存儲位置，每個數(shù)據(jù)塊的實際大小根據(jù)總的磁盤的大小進行計算，默認為2M。其中重要的機構(gòu)Bitmap 記錄了每個sector 的實際使用情況。同時VHD 格式采用樹形結(jié)構(gòu)管理各個VHD 文件的父子繼承管理，每個葉子節(jié)點為與終端應(yīng)用程序交互的入口點，或為vhd 虛擬磁盤的入口，或為vhd 快照的入口。各個虛擬磁盤的父子關(guān)系記錄在了dd_hdr 的parent_name 字段當中。VHD 格式文件格式文件主要有三種類型，定義如下：

對于存在HD_TYPE_DIFF 類型的VHD 文件在讀寫時首先需要打開在VHD 文件樹上一條分支上的所有VHD 文件，并訪問葉子節(jié)點的VHD 文件的footer 讀取的dd_hdr 偏移并讀取，并經(jīng)過一系列的尋址，找到實際的數(shù)據(jù)塊。當IO 請求是寫入操作時，將不訪問母盤，直接寫入該葉子VHD 文件的相應(yīng)位置；若進行讀取操作時，如果讀取的位置葉子VHD 已經(jīng)進行了修改，則直接讀取該最終內(nèi)容，如果讀取的位置未進行改動，則依次向根節(jié)點查找最后的修改的內(nèi)容，若從未被修改過，則返回全0。

4 基于vhd文件格式的容災(zāi)備份方案

基于VHD 的差量的機制，每次寫入新的數(shù)據(jù)將只修改最終葉子VHD 的固定位置，并將該位置的對應(yīng)的BAT 與bitmap 進行已使用的設(shè)置。因此為了獲取到兩個時間點之間數(shù)據(jù)發(fā)生的變化，只需要在起始時間給原VHD 虛擬磁盤分配一個葉子VHD 虛擬磁盤，其父VHD 磁盤指向原磁盤，并將葉子VHD 虛擬磁盤作為虛擬機的操作磁盤。如此操作之后，虛擬機對磁盤數(shù)據(jù)的所有變更將只修改葉子VHD 磁盤。到達結(jié)束時間后，只需要獲取葉子節(jié)點BAT 與每個數(shù)據(jù)塊的bitmap 就可以獲取到這段時間修改的虛擬磁盤的磁盤塊，并通過讀取葉子節(jié)點這些磁盤塊的數(shù)據(jù)就可以完全讀取出這段時間的內(nèi)容變更。由于為保證父盤的安全性以及葉子VHD 正在被虛擬機使用數(shù)據(jù)將實時變化，在實際操作過程中，在起始時間與結(jié)束時間分別為父VHD 與葉子VHD 創(chuàng)建一個寫保護的子VHD，通過對比兩個子VHD 來獲取差量。

在備份時，首先將獲取第一個盤的所有的數(shù)據(jù)。通過一個打開并讀取VHD 文件的程序，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送的服務(wù)程序讀取第一個虛擬磁盤中的數(shù)據(jù)并保存到備份端的存儲介質(zhì)當中，該數(shù)據(jù)保存的方式將有備份端的存儲方式?jīng)Q定，可以保存成磁盤，保存成文件，或者保存成存儲LUN，分布式存儲鏡像都可以。當?shù)竭_第二個備份點時，此時可以有兩種選擇：

（1）仍然選擇全量備份的方式將整個虛擬磁盤的數(shù)據(jù)進行讀取并備份到備份存儲當中，該方案將每次都在網(wǎng)絡(luò)上傳輸這個虛擬磁盤，將大量占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，傳輸量大、時間慢并且占用大量的備份端的存儲；

（2）對比兩個備份點的差量，將差量的位置信息與實際的差量數(shù)據(jù)進行傳輸并存儲到備份端。該方案需要額外傳輸一個差量位置信息，并且將有一部分CPU 的運算工作，但占用網(wǎng)絡(luò)小、傳輸數(shù)據(jù)少，備份相對要快得多。

基于以上的兩種方案的優(yōu)缺點分析，在實際生產(chǎn)中一般采用差量備份的方式。同時，將虛擬化操作系統(tǒng)中的虛擬機Metadate 信息通過網(wǎng)絡(luò)備份到備份存儲中就完成了虛擬化操作系統(tǒng)的虛擬機的備份。

在故障或災(zāi)難發(fā)生時，可以通過在另外的一套虛擬化操作系統(tǒng)產(chǎn)品環(huán)境中部署備份出來的虛擬機的Metadata 信息重新創(chuàng)建虛擬機，并將備份端的虛擬磁盤數(shù)據(jù)信息或直接掛在到新的虛擬化操作系統(tǒng)上或讀取其中的數(shù)據(jù)灌入到新的虛擬磁盤當中，從而達到了虛擬機應(yīng)用環(huán)境的恢復(fù)以及最多僅損失一個備份周期內(nèi)的應(yīng)用數(shù)據(jù)的情況下恢復(fù)了業(yè)務(wù)。

5 結(jié)論

通過該虛擬化操作系統(tǒng)的虛擬機的備份與容災(zāi)方案，基本能夠滿足客戶業(yè)務(wù)容災(zāi)7 個層次中的第4 層次以上的安全性要求。在應(yīng)用的配合下將達到第5 層次交易完整性的要求。該方案通過vhd 的差量的功能，根據(jù)虛擬機的實際的寫入頻率，適當?shù)目s短備份的周期，實現(xiàn)在故障與災(zāi)難發(fā)生時盡可能少的數(shù)據(jù)量的丟失。