数据备份和恢复技术的研究与发展.doc

数据备份和恢复技术的研究与发展数据备份和恢复技术的研究与发展华南理工大学计算机系刘迎风祁明Technology摘要数据备份和恢复是一项十分重要技术应用的计算机安全技术,该文从备份媒体的选择,备份方案的设计,数据库的备份技术,灾难恢复和客户/服务器备份技术等方面探讨7当今的备份技术:针对未来备份技术的发展,重.最分析7分衄存储管理技术,光纤通道技术,存储区域网1引言和网络数据管理协议.当前快速发展的新的IT技术,电子商务以及大量关键词数据备份存档灾难恢复备份方案数据库备份商用多媒体业务的涌现,引发了对数字存储容量的不断扩大的需求.根据国际数据集团的统计(InternationaDataCorporation),1998年全球生产的硬盘容量合计为74lpetabytes(1petabyte=iOOOterabytesj,而到2001年预计将增长到5988petabytes,年增长率将高达l10现代企业对于计算机数据的依赖性也越来越强随着MRP,ERP的引入实施,每天都有大量的生产,销售和财务数据被写入各公司的大型商业数据库,失去这些重要数据对于公司将是灾难性的打击.电子商务的发展对于企业的数据管理又提出了更高的要求.互联网的规则是:失去数据就意味着失去一切.用户不会有耐心去等待哪一自只是几分钟的数据中断,如果不能提供持续快速可靠的数据访问能力,来来企业将无法在互联网上生存.这使数据的安全保护变得更为重要.目前,在计算机安全研究领域,人们通常把更多的注意力放在了信息加密信息隐藏,数字签名,身份确认和密钥管理等方面,而对数据的备份和恢复技术研究的较少.但是近年来计算机犯罪和计算机病毒十分猖獗,个完全靠计算机运转的企业或跨围公司,很可能随时遭受黑客和病毒的攻击而丢失数据,使全部业务陷丁_瘫痪状态,所造成的损失难以估计固此,人们已逐渐认识到对数据进行备份和恢复的重要性,它已成为一项不可忽视的系统管理工作.2数据备份概述备份:备份是把硬盘上的数据复制到备份媒体上.备份过程中常常伴随有数据压缩和文件格式转换的操作备份渠道既可以通过本地总线,也可以通过局域网或新的光纤通道检索和恢复从备份媒体中查找到相关的文件称之为检索.再将其复制回联机硬盘称作一恢复灾难陵曼灾难恢复是指当系统崩溃时为将其恢复到正常运行状态所需的操作.灾难恢复所需的时间是一项关键性能指标.存档:把文件存入存档媒体做长期保存称之为存档.存档不同于备份,存档目的在于长期保存,期限通常为几年甚至是永久:备份目的在于系统故障时的数据恢复,保存期限通常只有几天至数月.在执行存档操作的同时,往往会将硬盘上的源文件删除,而在执行备份操作时却不会.备份软件:备份软件是整个备份管理的核心,往往兼具上述四种功能.好的备份软件不仅要求有快速28一2001RadioEngineeringVo.3lNO.6的备份写入和恢复速度.还要求内建完善的备份数据库.以管理日渐累积的备份和存档数据3数据备份技术31备份媒体的选择磁带是最常用的备份媒体F表列出了常见的磁带类型.其它可用的备份媒体还有磁光盘,cDRw和大容量硬盘等.磁带库和光盘库技术利用内置的机械臂自动换带(盘),从而大大增加了备份容量.表1常见的磁带类型型号l客量?数据件输率DDS2I4/8GB51OKB/SBBS3l12/24GB1.2B/SExabyeEliant8207/i4GB1MB/s!ab!J!一!QuantumDLT4030l29/4OOB1.ss/sQuantumDLT7000l35/70GB5MB/SIBW3590I10GB很多戚带驱动器都内置2:l硬件数据压缩.所标客量分别琦原始和压缩时的客量32备份方案的设计最简单的备份方案只需要一盘磁带,每天做一次完整备份就可以了.但在实际应用这种方案是行不通的;一盒磁带往往存不下所有的备份数据;每天做一次完整备份所耗的1/O资源可能太多,耗时也太长无法恢复两天前的数据;如果在备份过程中发生故障,则旧的备份已被覆盖,新的备份尚未完成,数据将无从恢复.因此,认真地规划备份方案是十分重要的.首先需要了解三种备份方法(1)完整备份:备份系统中的所有文件.(2)增量各仇只各份自最近一次备份以来修改过的文件.恢复系统时需要一个完整备份和后续的所有增量备份.(3)差异备份:备份自最近一次完整备份以来修改过的文件.恢复系统时需要一个完整备份和一个最新的差异备份三种备份方法台理地组合,构成备份方案.常用的备份方案有以下两种:(1)祖父一子方案份每月末做的完整备份.总j需要4盒于磁带,5盒父磁带和3盒祖磁带该方案u以恢复过去一月中任何一天的数据,最早可恢复三个月前的数据.兼颐了备份和简单的存档需Technology填用图1祖父子方案求,同时减少了所需的完整备份次数.(2)河内塔方案如图2所示,A介质每2天备份一次,B介质每4天备份一次,C介质8天,D介质l6天,E介质32天.最常用的介质备份了最近的数据,最不常用的介质备份了旧的版本该方案既能用于每天,也能用于每周的循环备份.最少需要5套介质.AAAAABBBBCCCE图2河内塔方案33客户/服务器技术最初的备份操作是用单机连一台磁带机,通过简单的备份程序把文件复制到磁带上.随着局域网的发展,这种配置变得既昂贵,又不便于数据的集中管理.于是出现了基于客户/服务器的备份技术.在当代企业的网络中,往往同时存在有大型机,UNIx主机和Window,sNT服务器如果为每一种系统分别采用一种不同的备份软件,将会大大增加备份操作的复杂性,很容易在灾难恢复时造成混乱.新型的基于客户/服务器的备份软件,将支持多种操作系统平台,支持多种文件系统和网络协议,从而可以集中管理异构网络的数据备份.?备份客户端存有需要备份的数据.?备份服务器接收来自客户机的备份请求,并将备份数据传输给存储服务器.备份服务器管理备份数据库,负责所有备份进程的调度?存储服务器负责驱动和管理备份媒体.集中2001年无线电工程第31卷第6期一29TFechnoIogy郎_:用的数据备份将导致很大的备份存储量,因此往往需要引入磁带库或光盘库引入客户/服务器技术的优点在于:?集中的管理能力:便于集中管理多个平台的备份任务,简化备份操作,保证快速有效的数据恢复?资源共享能力:可以在整个网络中共享昂贵的磁带库和备份软件,从而减少系统投资.?可扩充性:客户端和服务器端都可以灵活扩充,满足用户不断增长的需求.图3客户/服务器架构3.4数据库的备份随着现代商用数据库的广泛应用,传统的基于文件级的备份技术显得不完全适用了.现代商用数据库往往由很少几个文件组成,而每个文件的容量却非常大,此时传统的完整+增量备份的方案就无法奏效了.现代商用数据库往往提供724联机数据服务,备份软件必须在不关闭数据库的情况下工作.并且要尽量减少对数据库正常服务的影响.实现数据库在线备份的关键在于生成映照(Snapshot),又称为凝固映像(FrozenImages).生成快照的方法有两种,一种称之为中止镜像(BreakawaYMirrors).即在两套磁盘组上维护数据库的两套拷贝,互做镜像.备份前先中止镜像,然后将其中一套磁盘组设为只读模式,用来做备份;另套磁盘组继续提供数据库服务.该方法的优点是可靠,对正常数据库服务的影响较小:缺点是为维持镜像需要额外的磁盘组和I/0开销.另一种方法称之为写时复制(Copyonwrite)生成快照前首先要暂停数据库服务,把数据车维持到一致状态;然后生成改变块的映射(changndB1ockMap):最后再把快照以只读模式加载备份时的数据流程如图4所示.快照生成以后所作的修改会反映在数据库中,但却不会影响快照中保存的原始数据.从而可以实现不中断数据库服务的联机备份.35其它备份技术为提高备份的可靠性,大部分备份软件都提供了写后读较验的功能.磁带驱动器一般都提供硬件压缩的能力,可成倍提高存储容量有些产品将备份数据先写入硬盘缓存,然后再拷入磁带,以提高备份速度.硬盘缓存一般可容纳两至三天的备份数据,这样对于两天内的备份文件也可加快恢复速度,存档数据的格式也值得认真考虑因为存档数据一般会保存相当长的时间,届时公司的软硬件系统部可能已经发生了变化.能否读出存档数据根成问题l读文:块1il厂去iillllL_j(snapsh,一(磊库文件系_:改变块的映射,/文件A【0HBlockp)文件D:块l文件B罨其它改变的鞠应用程序写数据图4写时复制(Copyon-wrne)备份数据流程30一2001RadioEngineeringVoI.31NO.6推荐的方法是尽量采用通用的文件格式.用ASCII文件保存.36灾难恢复技术灾难陕复比正常的数据恢复要复杂得多.必须要根据系统配置和公司的具体要求,预先制订详尽的灾难恢复计划(BUssinesSORtinuityP1an),并做一些必要的测试,才能保证系统崩溃时不会一团糟.灾难恢复计划中应包括灾难后果评估,关键应用分析,紧急情况报和处理方法,灾难恢复步骤的分析和实施,完备的一目目一丌=存纂蒜一一口一一一测试和培训计划,姒及灾难发生时的对外公关策略等.具体技术包括磁盘映像(DiskImage)备份,热站备份(HotSite),服务器镜像(Serverirroring),电子地窖(ElectronicVaulting),RemoteJournaling等.4备份技术的发展41分级存储管理(HSM)分级存储管理(HierarchicatStorageManagement)在不同存储层(内存,硬盘,光盘,磁带等)之间自动管理和分布数据,目的在于姒最小的成本去满足用户不断增长的存储需求.HsM在计算机内部其实早己得到了广泛的应用,现在只是从硬盘进一步往下加深了分级层次.通过把硬盘上不经常访问的文件归档存储到下一级存储媒体上,HSM可以腾出高速的硬盘空间来支持更多的应用.己归档的文件并不会从硬盘文件系统中删除.而是保留一个指针文件,需要时又可自动从下级存储媒体中重新调入.整个过程对于用户程序完全透明,除了增加的访问延时.用户感觉不到HSM的存在.Tl垂三圣百二口I叵垂习二曼亟亟ItS1技术可配合提高备份的效率.因为硬盘上不常用的文件都已归档,只剩下一个指针文件,从而大大减少了备份的数据量,相应也就减少了备份时间和表2备份,存档和HSM区别7echnologyAppl:蕊杰用备份所消耗的1/0资源.备份磁带配合HSkt归档磁带.可以有效地恢复备份文件.袁2对比分析了备份,存档和HsM的区别.42光纤通道技术(Fc)SCSI作为传统的智能并行I/O总线接口,在连线长度,可连接的设备数和传输速度等方面部有很多不足光纤通道(Fibrechanne1)的出现彻底解决了这些问题作为一种高性能的互连标准,光纤通道可在工作站,主机系统,存储子系统和外设之间建立双向的点对点的串行数据链路光纤通道兼具有通道和网络的双重特性:因采用电路交换技术而具有通道的独享带宽和高速率;因采用帧技术并灵活支持7CP/IP,ATM,FDDI,SCSI和HiPPI等多种传输协议而具有网络的强大连接能力交换式FC(FabriC)最大支持4G的数据传输速率1Okm的传输距离和1600万个网络节点.由ANSI简化的共享式FcAL(FibreChanneJArbitratedLoop)标准.最多可支持126个结点共享带宽.新推出的FCSwitch,FCHub和Fc路由器产品.使光纤通道可像以太网一样模块化地扩展连接光纤通道的优异性能为存储备份技术的进一步发展提供了良好的平台4.3存储区域网(SAN)传统的存储媒体通过SCSI总线连接在服务器上.心须要经过相连的服务器才能访问数据.I删一国6侍统的存储架构随着数据存储容量和数据访问量的飞速增长备份IHSM存档目标I保护数据充舟利用高速存储骨源腾出联机存储资源存储内容l整十文件系兢不经常访问的文件艰少诗问的文件执行频率I经常基于HSM策略嘎目告一段落时执行方法自琦自动或工人工原始文件保留保留指针文件通常删除恢复方法I由管理员恢复J自动恢复,对用户逢明J由管理黄挂索性复传统的存储架构在带宽,可扩充性,媒体共享能力和数据管理方面都显示出很大的不足.新兴的存储区域网(SAN)采用光纤通道技术连接服务器和存储设备,其带宽比SCSI总线高得多.SAN提供了独立于原有LAN的高速数据数据通路,光纤通道优异的扩展矸L采胃jibaud=lO0c2001年无线电工程第31卷第6期一31,.,一.虱,-.-,Technology技术应用能力使得存储媒体和服务器都可以根据需要灵活增加,不断增强数据访问能力.国7存储区域网(SAN)SAN中任何台服务器都可以访问任意存储设备上的数据用户可以共享访问多个不同操作系统下的数据.根据当前数据访问状况,s还可以在多个服务器和存储设备之间提供灵活的负载平衡.SAK提供对网络结点,存储设备和服务器的集中管理SAN结合服务器集群技术,将大大增强系统的可用性和容错能力.SAN对备份能力的提升主要表现在下两方面:(1)通过传统的局域网来备份效率低下,可靠性不高,还会严重影响正常的数据访问.SAN通过光纤通道提供了一个高速的备份数据通路,从而提高了备份速度,增强了备份能力.(2)通过SAN可在多个服务器之间共享昂贵的大容量存储设备(如磁带库,光盘库等),好处一是可以减少投资.二是便于集中的数据备份管理.比起传统的LAN.光纤通道提高了带宽.延长了连接距离,大大加强了共享能力和共享的范围.44网络数据管理协议(NDMP)现代企业的数据往往分布在多个主机系统中,而数据备份操作却要求集中管理.为提供在异构网络中集中备份的能力,传统的备份软件不得不为每一种可能连接的主机系统和存储设备单独开发接口程序,使得备份系统的复杂性呈指数级增长.网络数据管理协议()试图建立一个标准的开放式网络备份协议,以连接来自不同厂商的设备.各供应商只要开发一个NDMP接口,就能和其它所有兼容NDMP的设备通讯和协同工作,大大简化了备份系统的设计.NDMP系统采用客户/服务器模式.备份软件作为客户端提出备份请求,NDMP服务器作为服务器端控制备份数据的流动.不同厂商的系统主机和存储设备将町以通过NDbIP直接通讯.5结束语国8如的cls架构数据备份和恢复是一项十分重要的计算机安全技术.它与冗余技术,数据加密和数字签名等其它计算机安全技术相比,显得格外重要.因为虽然RAID和