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常用备份相关技术


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现在很多的信息系统，尤其是面向众多用户的在线系统，对数据的安全性、完整性和及时性等方面有很高的要求，需要具备较高的业务可持续性能力。普通的手工数据备份与恢复难以满足快速恢复和零数据丢失等的高要求，为增强系统的可持续性运行能力，用户往往会对系统的存储、传输等重要环节采用冗余设计，如为了应对常见的磁盘故障风险，用户往往会对存储关键数据的磁盘采用镜像等技术；为了应对服务器宕机等重大故障，用户则考虑采用双机热备份等服务器集群方式来保障系统可持续性运行。

磁盘阵列技术

磁盘阵列简称RAID（Redundant Array of Independent Disk），是由很多价格较便宜的磁盘，组合成一个容量巨大的磁盘组，利用个别磁盘提供数据所产生加成效果提升整个磁盘系统效能。利用这项技术，将数据切割成许多区段，分别存放在各个硬盘上。

过去十几年来，CPU的处理速度增加了50多倍，内存的访问速度也大幅增加，而数据存储装置（主要是指磁盘）的访问速度只增加了3～4倍，形成计算机系统的瓶颈。1987年，加利福尼亚大学伯克利分校提出了磁盘阵列的概念，并设计出容错、逻辑数据备份等，从而产生了RAID理论。

磁盘阵列中针对不同的应用使用的不同技术，称为RAID等级，每一个等级代表一种技术，等级并不代表技术的高低。目前业界最经常应用的RAID等级是RAID0、RAID1、RAID5或者这些技术的组合，如RAID0+1或RAID1+0或RAID5+3。选择哪一种RAID技术取决于用户的操作环境及应用需求，部分RAID技术性能比较如下表所示。

RAID常用级别的比较

续表

RAID 10和RAID 01的区别。RAID 10和RAID 01是两种逻辑方式不同的组合。RAID 10是先镜像后条带，即先将硬盘纵向作镜像，然后再横向作条带。在这种情况下，只要不是同一个镜像组中的几块硬盘同时坏掉，RAID组都不会崩溃。即同一个镜像组的硬盘不能同时坏掉。

RAID 01是先条带后镜像，即先将硬盘横向作条带，然后再纵向作镜像。在这种情况下，只要不是两个条带上同时有硬盘坏掉，则整个RAID组都不会崩溃。不管发生介质损坏的两块硬盘是否是镜像盘。即不同条带组的硬盘不能同时坏掉。

RAID 10和RAID 01在性能上基本相同，但RAID 01发生故障的概率要大于RAID 10。所以一般情况下都选择RAID 10。

要实现RAID0，如下图所示，必须要有两个或两个以上磁盘驱动器。RAID0是把所有的磁盘并联起来成为一个大的磁盘组，其容量为所有属于这个组的磁盘的总和。所有数据的存取均以并行分割方式进行。由于所有存取的数据均以平衡方式存取到整组磁盘里，存取的速度非常快。磁盘数量越多的RAID0阵列，其存取的速度就越快。缺点在于它和普通磁盘一样没有数据差错控制，如果一个驱动器中的数据发生错误，不能利用其他磁盘的数据重组还原回来。一般来讲，不应该将RAID0用于对数据稳定性要求高的场合，可用于一些已有原数据载体的多媒体文件的高速读取环境，如视频点播系统的数据共享部分等。

RAID0

RAID1，如下图所示，是磁盘镜像备份操作，由两个磁盘组成。其中一个是主磁盘，另一个是镜像磁盘。主磁盘的数据会不停地被镜像到另外一个镜像磁盘上。由于所有主磁盘数据会不停地镜像到另外一个磁盘上，故RAID1具有很高的冗余能力，最高达到100%。它的容量效率非常低，只有50%。RAID1技术支持“热替换”，即在不断电的情况下对故障磁盘进行更换，更换完毕只需恢复数据即可。当主磁盘损坏时，镜像磁盘就可以代替主磁盘工作。镜像磁盘相当于一个备份盘。RAID1只支持成对磁盘操作，容量非常有限，故一般只用于操作系统中。

RAID1

RAID5，如下图所示，也是一种具有容错能力的RAID操作方式，但与RAID 3不一样的是，RAID5的容错方式不使用专用的容错磁盘，容错信息平均地分布到所有磁盘上。当阵列中有一个磁盘失效时，磁盘阵列可以从其他的几个磁盘的对应数据中算出已丢失的数据。由于需要保证失去的信息可以从另外的几个磁盘中算出来，就需要在一定容量的基础上多用一个磁盘以保证其他的成员磁盘可以无误地重组失去的数据。从容量效率来讲，RAID5同样消耗了一个磁盘的容量，当有一个磁盘失效时，失效磁盘的数据可以从其他磁盘的容错信息中重建出来，但如果有两个磁盘同时失效，则所有数据将尽失。

RAID5

RAID10

RAID10，如上图所示，和RAID01，如下图所示，实际是将RAID0和RAID1标准结合的产物，在连续地以位或字节为单位分割数据并且在并行读／写多个磁盘的同时，为每一块磁盘做磁盘镜像进行冗余。它的优点是同时拥有RAID0的超凡速度和RAID1的数据高可靠性，但是CPU占用率同样也更高，而且磁盘的利用率比较低。这种新结构的价格高，可扩充性不好，主要用于容量不大，但要求速度和差错控制的数据库中。

RAID01

双机热备

双机热备包含广义与狭义两种意义。从广义上讲，就是对于重要的服务使用两台服务器，互相备份，共同执行同一服务，当一台服务器出现故障时，可以由另一台服务器承担服务任务，从而在不需要人工干预的情况下，自动保证系统能持续提供服务。从狭义上讲，双机热备特指基于Active/Standby方式的服务器热备，数据同时往两台或多台服务器写，或者使用一个共享的存储设备，在同一时间内只有一台服务器运行，当其中运行着的一台服务器出现故障无法启动时，另一台备份服务器会通过软件诊测（一般是通过心跳诊断）将备用主机激活，保证应用在短时间内完全恢复正常。

双机高可用按工作中的切换方式分为：主-备方式（Active-Standby方式）和双活（或双运行）方式（Active-Active方式）。主-备方式即指一台服务器处于某种业务的激活状态（Active状态），另一台服务器处于备用状态（Standby状态），业务只能在处于激活状态的服务器上运行，需要切换服务器运行时必须先转变两者的状态设置；而双活方式指两台服务器同时处于激活状态，因此可以同时运行应用软件，运行结果相互复制以随时保持作为对方远程备份的能力。一种或多种业务可根据预先设定的原则，按运行规定或按负载均衡要求，动态确定在其中一台服务器运行。双活方式有利于实现双向可切换，以及切换前状态可测试，但是为防止双方同时运行发生冲突，对应用种类及其管理制度必须有一定的限制要求。

热备软件是用来解决不可避免的系统宕机问题的软件解决方案，是构筑高可用集群系统的基础软件，对于任何导致系统宕机或服务中断的故障，都会触发软件流程来进行错误判定、故障隔离，以及联机恢复来继续执行被中断的服务。在这个过程中，用户只需要经受一定程度可接受的时延，就能够在最短的时间内恢复服务。组成双机热备的方案主要有两种：基于共享存储（磁盘阵列）的方式和基于数据复制的方式。

（1）基于共享存储（磁盘阵列）的方式。共享存储方式主要通过磁盘阵列提供切换后对数据完整性和连续性的保障。用户数据一般会放在磁盘阵列上，当主机宕机后，备机继续从磁盘阵列上取得原有数据，这种方式因为使用一台存储设备，往往被业内人士称为磁盘单点故障。但一般来讲，磁盘阵列存储的安全性较高。所以在忽略存储设备故障的情况下，这种方式也是业内采用最多的热备方式。

（2）利用数据库所带有的复制功能，比如SQL Server 2000或2005所带的订阅复制。订阅复制主要应用于数据快照服务。一般不建议采用订阅复制作为双机热备中的数据同步。主要原因有两方面：一方面是数据库执行订阅复制会增加服务器数据库的负载；另一方面是数据库的订阅复制在数据传输过程中并非实时同步主备机，而是先写到主机再写到备机，备机的数据往往不能及时更新，如果发生切换，备机的数据将不完整。

（3）磁盘数据拦截。目前比较成熟的双机热备软件通常会使用磁盘数据拦截技术，通常称为镜像软件，这种技术当前已非常成熟。

分区拦截技术。以Pluswell热备份产品为例，它采用的是一种分区磁盘扇区拦截的技术，通过驱动级的拦截方式，将数据先写到备用服务器，以保证备用服务器的数据最新，然后再将数据回写到主机磁盘。这种方式将绝对保证主备机数据库数据的完全一致，无论发生哪种切换，都能保证数据库的完整与连续。采用分区拦截技术可根据需要在一块磁盘上划分合适大小的分区来完成数据同步工作。

磁盘拦截技术。以Symantec的Co-Standby为例，它是一种有效的磁盘拦截软件，它的拦截主要基于一整块磁盘，往往在磁盘初始化时需要消耗大量时间。

目前最新的双机热备份软件可以通过捕获数据库修改操作，实现数据自动实时同步接管功能，可以在主服务器发生故障时，无须任何手动操作，在较短时间内实现备用机自动接管。


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