林岳鑫

【摘 要】為了解決傳統(tǒng)備份與恢復(fù)時(shí)效低、大量占用備份資源的問題，通過采用業(yè)界最新的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)，分析了各種現(xiàn)有數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了快速恢復(fù)的方案。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證了CDM技術(shù)的高效性，既提升了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的保障水平，又降低了備份資源的使用，為IT系統(tǒng)特別是大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)能力建設(shè)提供有益的借鑒。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)保護(hù) CDM 快速恢復(fù)

IT System Data Protection Practice Based on Copy Data Management Technique

[Abstract] In order to tackle problems of the low real time and massive backup resource occupation of the traditional backup， the state-of-art data protection technique in the industry was used to analyze advantages and disadvantages of existing data protection techniques， as well as a fast recovery scheme was proposed. The high efficiency of copy data management （CDM） was validated by the practice. CDM technique not only enhances the guarantee level of the service system， but also reduces the utilization of the backup resource to provide a useful reference to the data protection capability construction of the IT system and the large-scale production system.

[Key words]data protection copy data management fast recovery

1 現(xiàn)狀及問題

某運(yùn)營商系統(tǒng)每套核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫均有10 TB數(shù)據(jù)量，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)備份解決方案?；趥鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)備份方案進(jìn)行災(zāi)難恢復(fù)，配備與備份一致的基礎(chǔ)環(huán)境下，數(shù)據(jù)恢復(fù)需要接近12 h。

某運(yùn)營商的這套備份系統(tǒng)存在大量的冗余備份數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在收集、存放、保管等環(huán)節(jié)都極大地消耗了系統(tǒng)維護(hù)的人力和物力，而備份和恢復(fù)的效果卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到運(yùn)營商對(duì)RTO（Recovery Time Objective，復(fù)原時(shí)間目標(biāo)）和RPO（Recovery Point Objective，復(fù)原點(diǎn)目標(biāo)）的要求。

2 建設(shè)目標(biāo)

對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)來說，RTO要求是半小時(shí)，即在任何停機(jī)情況下，維護(hù)人員需要在半小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的恢復(fù)。IT系統(tǒng)面臨著各種各樣的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)都可能造成業(yè)務(wù)系統(tǒng)非計(jì)劃內(nèi)停機(jī)，如各種災(zāi)難事件、各種人為錯(cuò)誤、各種系統(tǒng)錯(cuò)誤等。通過對(duì)這些事件進(jìn)行分析，可大致分為小概率機(jī)房級(jí)故障和大概率機(jī)房內(nèi)故障兩類。

2.1 小概率機(jī)房級(jí)故障

小概率機(jī)房級(jí)故障如火災(zāi)、水災(zāi)等事件。這類事件發(fā)生的概率很小，但影響范圍至少是機(jī)房級(jí)的，甚至是地區(qū)級(jí)的，即整個(gè)機(jī)房內(nèi)運(yùn)行的業(yè)務(wù)系統(tǒng)都會(huì)受影響。

2.2 大概率機(jī)房內(nèi)故障

大概率機(jī)房內(nèi)故障如各種邏輯錯(cuò)、物理損壞等。這類事件發(fā)生的概率較大，是各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)非計(jì)劃停機(jī)的主要因素，但影響范圍主要是系統(tǒng)級(jí)的，即一般是單個(gè)業(yè)務(wù)受影響。

某運(yùn)營商IT中心在業(yè)務(wù)連續(xù)性保護(hù)方面的建設(shè)主要包括容災(zāi)系統(tǒng)和備份系統(tǒng)。第一類事件由容災(zāi)系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)系統(tǒng)的保護(hù)；第二類事件原規(guī)劃是由預(yù)期容災(zāi)和備份的結(jié)合進(jìn)行保護(hù)。但在實(shí)際中容易出現(xiàn)以下問題：

（1）容災(zāi)系統(tǒng)處理單個(gè)業(yè)務(wù)停機(jī)時(shí)非常困難。例如，一個(gè)數(shù)據(jù)庫停機(jī)了，如果通過容災(zāi)技術(shù)在容災(zāi)端進(jìn)行切換，那么應(yīng)用服務(wù)器是否切換？如果不切換，則生產(chǎn)端的應(yīng)用服務(wù)器和容災(zāi)端的數(shù)據(jù)庫之間的網(wǎng)絡(luò)延遲會(huì)造成很大業(yè)務(wù)影響；如果切換，則其他應(yīng)用和這個(gè)應(yīng)用之間的依賴關(guān)系會(huì)造成嚴(yán)重問題。

（2）容災(zāi)系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)復(fù)制實(shí)現(xiàn)的，所以它并不能處理各種邏輯錯(cuò)誤。例如，生產(chǎn)端被誤刪除一張表，容災(zāi)端的數(shù)據(jù)也立即被刪除。

（3）數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量都是TB級(jí)的。備份系統(tǒng)在進(jìn)行恢復(fù)時(shí)耗時(shí)過長，一般需要幾個(gè)小時(shí)甚至以天為單位才能完成恢復(fù)，與半小時(shí)的RTO要求差距較大。

基于上述現(xiàn)狀，某運(yùn)營商IT中心希望建設(shè)一個(gè)快速恢復(fù)系統(tǒng)，從而彌補(bǔ)容災(zāi)系統(tǒng)和備份系統(tǒng)的不足，如表1所示。

3 各種數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)的研究和比較

為了解決上述問題，某運(yùn)營商IT中心對(duì)市場上現(xiàn)有的各種技術(shù)進(jìn)行了分析研究。

3.1 傳統(tǒng)備份軟件技術(shù)

傳統(tǒng)備份軟件是基于磁帶技術(shù)為核心發(fā)展起來的，數(shù)據(jù)備份集格式采用的是適合流媒體介質(zhì)的格式，適合批量的順序?qū)懀▊浞荩┖妥x（恢復(fù)）。

傳統(tǒng)備份技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是備份介質(zhì)的發(fā)展；二是備份數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的發(fā)展。

（1）備份介質(zhì)發(fā)展歷程

物理磁帶庫：通過使用更多數(shù)量、更加高速的磁帶驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)備份作業(yè)同時(shí)利用多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)，以解決業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量越來越大帶來的備份窗口的挑戰(zhàn)。

VTL（Virtual Tape Library，虛擬磁帶庫）：VTL的出現(xiàn)解決了磁帶較容易損壞的問題，同時(shí)由于重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)的出現(xiàn)，極大地降低了VTL的總體成本。雖然VTL使用磁盤，但是其內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)管理、對(duì)外接口等和物理磁帶庫是相似的，因此VTL在備份和恢復(fù)的速度上并不能超越物理磁帶庫。

備份一體機(jī)：傳統(tǒng)備份軟件進(jìn)行安裝時(shí)，需要配置管理服務(wù)器、介質(zhì)服務(wù)器、備份客戶端。備份架構(gòu)、維護(hù)的復(fù)雜度較高。備份一體機(jī)將虛擬磁帶庫和備份軟件整合在一起，組合成軟硬件一體化的設(shè)備，簡化了備份架構(gòu)并降低了維護(hù)的復(fù)雜性。但備份一體機(jī)的優(yōu)勢主要在管理及運(yùn)維上的簡化，而沒有在備份和恢復(fù)的速度方面有所改進(jìn)。

（2）備份數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

備份數(shù)據(jù)獲取技術(shù)可以概括為以下三類：

LAN（Local Area Network，局域網(wǎng)）備份：如圖1所示，備份數(shù)據(jù)通過IP網(wǎng)絡(luò)從生產(chǎn)服務(wù)器傳輸?shù)絺浞菰O(shè)備。LAN備份方式一般用于數(shù)據(jù)量較小的應(yīng)用。

LAN-Free備份：如圖2所示，備份數(shù)據(jù)通過FC網(wǎng)絡(luò)從生產(chǎn)服務(wù)器傳輸?shù)絺浞菰O(shè)備。LAN-Free備份方式一般用于大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用。

Server-Free備份：如圖3所示，采用上述備份方式均需要生產(chǎn)服務(wù)器長時(shí)間進(jìn)行備份，導(dǎo)致大量的IO資源消耗，影響生產(chǎn)穩(wěn)定。Server-Free備份基本不需要生產(chǎn)服務(wù)器參與整個(gè)備份過程，其實(shí)現(xiàn)方式是備份設(shè)備直接從生產(chǎn)存儲(chǔ)獲取數(shù)據(jù)（生產(chǎn)存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)做快照）后掛載快照，再將快照備份。這種方式能將備份的資源消耗從服務(wù)器轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)上，從而減少對(duì)生產(chǎn)的影響。Server-Free備份方式需要存儲(chǔ)系統(tǒng)的支持。

雖然備份軟件一直在優(yōu)化進(jìn)步，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上數(shù)據(jù)量增長的速度以及業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)恢復(fù)的要求。以10 TB的數(shù)據(jù)庫為例，如果備份設(shè)備硬件配置高，則可以達(dá)到2 TB/h，即需5 h實(shí)現(xiàn)全量備份。在這個(gè)速度下，生產(chǎn)服務(wù)器的資源消耗巨大，且10 TB數(shù)據(jù)的恢復(fù)時(shí)間至少要10 h以上。

3.2 CDP技術(shù)

從功能上看，CDP（Continual Data Protection，連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)）比較適合解決前述備份軟件的問題。它能提供數(shù)據(jù)備份，快速恢復(fù)數(shù)據(jù)。CDP的原理是通過截取生產(chǎn)應(yīng)用的寫操作并傳輸?shù)紺DP設(shè)備中，將寫操作按次序保存下來。當(dāng)需要恢復(fù)時(shí)，CDP可以根據(jù)這些寫操作虛擬出一塊磁盤，再掛載給服務(wù)器。CDP技術(shù)減少了傳統(tǒng)備份在恢復(fù)時(shí)需要將數(shù)據(jù)從備份設(shè)備恢復(fù)到目標(biāo)存儲(chǔ)的過程，實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)的恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間和數(shù)據(jù)量的大小沒有關(guān)系，也不需要有專門的備份窗口。由于保存了寫操作，所以它可以恢復(fù)到任意時(shí)間點(diǎn)。

但CDP技術(shù)在架構(gòu)上有一個(gè)很重要的前提是：它必須集成到生產(chǎn)系統(tǒng)的IO鏈路中，并以同步方式截取寫操作。它必須保存寫操作的順序，也不能有任何寫操作的缺失，所以這個(gè)寫入CDP的操作和生產(chǎn)系統(tǒng)的寫操作必須是一個(gè)同步的關(guān)系。這樣會(huì)極大地影響生產(chǎn)系統(tǒng)的IO性能，同時(shí)也要求CDP存儲(chǔ)的性能必須要和生產(chǎn)存儲(chǔ)的性能是等同的，對(duì)成本的要求極高，如圖4所示：

由于客觀條件的限制，CDP技術(shù)在推出多年之后仍然沒有取代傳統(tǒng)備份技術(shù)。它在中小企業(yè)IT系統(tǒng)中使用較廣泛，但較少在大型企業(yè)的核心系統(tǒng)中使用。

3.3 Oracle零數(shù)據(jù)丟失一體機(jī)

Oracle零數(shù)據(jù)丟失一體機(jī)是Oracle于2015年推出的最新技術(shù)，它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的永遠(yuǎn)增量方式備份，結(jié)合日志傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)丟失量可以達(dá)到秒級(jí)。Oracle零數(shù)據(jù)丟失一體機(jī)技術(shù)可極大地減少備份時(shí)間，有效解決了傳統(tǒng)備份軟件的備份時(shí)間窗口等問題，如圖5所示：

但從數(shù)據(jù)恢復(fù)的角度來看，它仍然沒有解決恢復(fù)時(shí)效問題，同樣需要將數(shù)據(jù)從一體機(jī)內(nèi)恢復(fù)到生產(chǎn)環(huán)境，如圖6所示。并且它只支持Oracle數(shù)據(jù)庫，不能支持其他數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)和虛擬機(jī)等。

3.4 Oracle數(shù)據(jù)庫復(fù)制技術(shù)

數(shù)據(jù)庫復(fù)制技術(shù)（如Oracle的Data Guard）是通過實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)庫日志實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)復(fù)制的。這種技術(shù)主要用于防止災(zāi)難事件發(fā)生，即生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫因?yàn)?zāi)難事件（如火災(zāi)、存儲(chǔ)宕機(jī)等）發(fā)生停機(jī)，目標(biāo)端的數(shù)據(jù)庫可以快速接管業(yè)務(wù)。其原理如圖7所示。

數(shù)據(jù)庫復(fù)制技術(shù)需要在目標(biāo)端數(shù)據(jù)庫上不斷請(qǐng)求日志，從而盡可能地使目標(biāo)端生產(chǎn)庫和生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫保持一致。因此，這種技術(shù)并不能應(yīng)對(duì)邏輯錯(cuò)、人為錯(cuò)等需要恢復(fù)到歷史時(shí)間點(diǎn)狀態(tài)的錯(cuò)誤。

3.5 CDM技術(shù)

如圖8所示，CDM（Copy Data Management，復(fù)制數(shù)據(jù)管理）技術(shù)是一種創(chuàng)新型的備份技術(shù)。Gartner認(rèn)為在兩個(gè)場景中可以提供非常高效的解決方案：一是備份恢復(fù)的現(xiàn)代化；二是開發(fā)測試環(huán)境的快速搭建。

CDM的核心技術(shù)是備份出來的數(shù)據(jù)格式是原始格式，即備份數(shù)據(jù)可以直接掛載給目標(biāo)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)恢復(fù)，和數(shù)據(jù)量的大小無關(guān)，這是和傳統(tǒng)備份軟件最大的區(qū)別。由于備份數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)格式，并且存放在磁盤上，所以它可以根據(jù)新的增量數(shù)據(jù)和已有的全備數(shù)據(jù)，在備份系統(tǒng)內(nèi)合成新的全量備份，從而實(shí)現(xiàn)永遠(yuǎn)增量備份。

由于CDM本身是備份技術(shù)，所以它可以應(yīng)對(duì)各種宕機(jī)場景，包括邏輯錯(cuò)、人為錯(cuò)等大概率小事故。增量備份和增量合成功能可以極大地降低備份窗口以及備份時(shí)系統(tǒng)資源的消耗。并且它還可以實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)的恢復(fù)時(shí)間，滿足業(yè)務(wù)對(duì)恢復(fù)的時(shí)間要求。

3.6 小結(jié)

綜上所述，當(dāng)出現(xiàn)業(yè)務(wù)需求但生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，可以快速實(shí)現(xiàn)恢復(fù)，包括邏輯錯(cuò)、人為錯(cuò)等大概率小事故。各技術(shù)對(duì)業(yè)務(wù)保護(hù)的滿足程度具體如下：

（1）傳統(tǒng)備份軟件技術(shù)：在大數(shù)據(jù)量情況下，備份、恢復(fù)時(shí)間都過長。

（2）CDP技術(shù)：可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求，但對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)影響大。

（3）Oracle零數(shù)據(jù)丟失一體機(jī)：永遠(yuǎn)增量備份功能可以解決備份窗口問題，但恢復(fù)時(shí)間過長。

（4）Oracle數(shù)據(jù)庫復(fù)制技術(shù)：主要實(shí)現(xiàn)容災(zāi)功能，無法解決邏輯錯(cuò)、人為錯(cuò)等問題。

（5）CDM技術(shù)：可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求、分鐘級(jí)恢復(fù)、永遠(yuǎn)增量備份功能解決備份窗口問題。由于它是備份技術(shù)，因此對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響小。

4 項(xiàng)目實(shí)踐

某運(yùn)營商IT中心通過對(duì)上述各種數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)綜合分析后，選擇了CDM技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，在開展嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腜OC測試后才進(jìn)行選型、建設(shè)。系統(tǒng)上線后，實(shí)現(xiàn)的效果符合預(yù)期。

4.1 CDM實(shí)踐方案工作原理

如圖9所示，在恢復(fù)過程中，當(dāng)需要恢復(fù)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的備份時(shí)，CDM主機(jī)會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部做一個(gè)指針式快照，然后把這個(gè)快照掛載給需要恢復(fù)的主機(jī)，恢復(fù)速度在分鐘級(jí)別（當(dāng)某份數(shù)據(jù)要恢復(fù)到多臺(tái)主機(jī)時(shí)，CDM主機(jī)會(huì)做多份快照，多份快照可同時(shí)掛載）。在做歸檔時(shí)，若數(shù)據(jù)需要保存的時(shí)間長，CDM主機(jī)可以把近線備份以外的數(shù)據(jù)通過重刪的方式備份進(jìn)重刪池。

4.2 CDM方案備份實(shí)踐效果

備份系統(tǒng)第一次備份時(shí)需要進(jìn)行全量備份，后續(xù)的備份每次只需要進(jìn)行增量備份，系統(tǒng)內(nèi)部再自動(dòng)合成新的全量數(shù)據(jù)，這樣既可以極大減少備份時(shí)間，又可以減少數(shù)據(jù)備份時(shí)對(duì)系統(tǒng)資源的消耗。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人將備份頻率增加到間隔4 h做一次全量備份，并對(duì)兩個(gè)Oracle數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了備份，實(shí)際的數(shù)據(jù)量分別為3.63 TB（A庫）、

7.51 TB（B庫）。

3.63 TB數(shù)據(jù)量的Oracle數(shù)據(jù)庫備份效果如表2所示，增量備份和合成的平均時(shí)間為00：11：22。

7.51 TB數(shù)據(jù)量的Oracle數(shù)據(jù)庫備份效果如表3所示，增量備份和合成的平均時(shí)間為00：20：44。

4.3 CDM方案恢復(fù)實(shí)踐效果

所有合成后的備份數(shù)據(jù)都可以掛載給服務(wù)器，直接恢復(fù)成數(shù)據(jù)庫，恢復(fù)效果達(dá)到規(guī)劃要求?？焖倩謴?fù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖10所示。

對(duì)A、B兩個(gè)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行全量數(shù)據(jù)的快速恢復(fù)測試，具體如表4所示。

對(duì)多個(gè)Oracle RAC數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一一個(gè)快速恢復(fù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，可配置一個(gè)恢復(fù)驗(yàn)證服務(wù)器，用于備份數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。在業(yè)務(wù)停機(jī)或需恢復(fù)事件發(fā)生時(shí)，主要突發(fā)情況以及應(yīng)對(duì)處理措施如下：

（1）整個(gè)機(jī)房出現(xiàn)問題：采用容災(zāi)系統(tǒng)進(jìn)行切換。

（2）數(shù)據(jù)庫停機(jī)（存儲(chǔ)損壞、數(shù)據(jù)庫Bug、邏輯錯(cuò)等）：將備份數(shù)據(jù)掛載到生產(chǎn)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)。故障解決后，將數(shù)據(jù)從快速恢復(fù)系統(tǒng)遷移到生產(chǎn)存儲(chǔ)。

（3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器停機(jī)（RAC或2節(jié)點(diǎn)服務(wù)器同時(shí)損壞等）：將備份數(shù)據(jù)庫掛載到恢復(fù)驗(yàn)證服務(wù)器，接管業(yè)務(wù)。故障恢復(fù)后，將數(shù)據(jù)庫遷移到原生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫環(huán)境。

（4）數(shù)據(jù)庫沒停機(jī)，但出現(xiàn)邏輯錯(cuò)和人為錯(cuò)：把錯(cuò)誤發(fā)生前一時(shí)間的備份數(shù)據(jù)Mount給恢復(fù)驗(yàn)證服務(wù)器，將所需數(shù)據(jù)export，在import到生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫。若故障時(shí)間點(diǎn)無法確定，可以通過多次Mount數(shù)據(jù)庫的方式人為確定。由于每次Mount時(shí)間短，因此對(duì)故障時(shí)間點(diǎn)的確定非常有幫助。

以上分類覆蓋了各種事件造成業(yè)務(wù)停機(jī)的情況，所有情況都可以在半小時(shí)內(nèi)恢復(fù)業(yè)務(wù)。通過本次項(xiàng)目驗(yàn)證，CDM技術(shù)完全可以達(dá)到業(yè)務(wù)系統(tǒng)半小時(shí)的RTO要求。

5 結(jié)束語

IT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)需要根據(jù)業(yè)務(wù)的需求和實(shí)際面臨的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這個(gè)項(xiàng)目中，某運(yùn)營商IT中心根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，綜合分析對(duì)比各類備份技術(shù)，并結(jié)合新技術(shù)進(jìn)行研究和驗(yàn)證，最終采用基于CDM的數(shù)據(jù)保護(hù)及恢復(fù)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)系統(tǒng)中，有效地彌補(bǔ)了原有容災(zāi)備份技術(shù)的不足，將生產(chǎn)系統(tǒng)的容災(zāi)能力提升到一個(gè)新的水平。在現(xiàn)階段，某運(yùn)營商IT中心需要更加廣泛地使用CDM技術(shù)保護(hù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，從而全面提升生產(chǎn)系統(tǒng)的容災(zāi)能力。

參考文獻(xiàn)：

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