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容灾技术方案讨论容灾技术方案讨论目前， Cluster （ HA ）的技术越来越成熟，Cluster 的部署越来越普及，Cluster 技术确实解决了用户系统的高可用性问题，为业务的良性发展提供了稳定的基石。随着业务的发展，商业环境对服务供应商提出的要求也越来越苛刻，这必将使应用系统及其数据对高可用性的要求走上一个新的台阶。一个本地 Cluster 系统理论上可以提供 99.99%以上的系统高可用性，但一旦发生火灾、自然灾害、人为破坏等意外事件，商家将如何应对呢？如果没有必要的准备和应对手段，这样的一次意外对商家来说将是灾难性的。这就要求我们防患于未然，尽早做好必要的准备，以提高自己的抗灾、应对意外的能力。对于 IT 部门来讲，要提高自己的抗灾能力，其必要的技术就是建立起一个容灾系统。一个容灾系统的实现可以采用不同的技术，而容灾系统的划分，由其最终要达到的效果来决定。从其对系统的保护程度来分，我们可以将容灾系统分为：数据容灾和应用容灾。所谓数据容灾，就是指建立一个异地的数据系统，该系统是本地关键应用数据的一个实时复制。在本地数据及整个应用系统出现灾难时，系统至少在异地保存有一份可用的关键业务的数据。该数据可以是与本地生产数据的完全实时复制，也可以比本地数据略微落后，但一定是可用的。所谓应用容灾，是在数据容灾的基础上，在异地建立一套完整的与本地生产系统相当的备份应用系统（可以是互为备份）。建立这第 1 页

样一个系统是相对比较复杂的，不仅需要一份可用的数据复制，还要有包括网络、主机、应用、甚至 IP 等资源，以及各资源之间的良好协调。这里的技术讨论，主要涉及数据容灾，应用容灾涉及的层面太广，由于没有必要的技术参数，这里暂不作讨论。数据容灾技术，又称为异地数据复制技术，按照其实现的技术方式来说，主要可以分为同步传输方式和异步异步传输方式（各厂商在技术用语上可能有所不同），另外，也有如 “ 半同步 ” 这样的方式。半同步传输方式基本与同步传输方式相同，只是在 Read 占 I/ O 比重比较大时，相对同步传输方式，可以略微提高 I/O 的速度。而根据容灾的距离，数据容灾又可以分成远程数据容灾和近程数据容灾方式。下面，我们将主要按同步传输方式和异步异步传输方式对数据容灾展开讨论，其中也会涉及到远程容灾和近程容灾的概念，并作相应的分析。 1.1.1 同步数据容灾同步数据容灾 1.1.1 1. 基于主机逻辑卷磁盘镜像功能的异地磁盘镜像方式；一．基于主机逻辑卷的同步数据复制方式基于主机逻辑卷的同步数据复制方式以 VERITAS Volume Replicator （ VVR ）为代表， VVR 是集成于 VERITAS Volume Manager（逻辑卷管理）的远程数据复制软件，它可以运行于同步模式和异步模式。在同步模式下，其实现原理如下图：第 2 页

当主机发起一个 I/O 请求 A 之后 ,必然通过逻辑卷层，逻辑卷管理层在向本地硬盘发出 I/O 请求的同时，将同时通过 TCP /IP 网络向异地系统发出 I/O 请求。其实现过程如下： 1. 本地主机系统发出第一个 I/O 请求 A； 2. 主机逻辑卷层会对本地磁盘系统发出 I/O 请求； 3. 本地磁盘系统完成 I/O 操作，并通知本地逻辑卷 “ I/O 完成”； 2’. 在往本地磁盘系统 I/O 的同时，本地主机系统逻辑卷会向异地系统发出 I/O 请求 A； 3’. 异地系统完成 I/O 操作，并通知本地主机系统“I/O 完成” 4．本地主机系统得到 “ I/O 完成 ” 的确认，然后，发出第二个第 3 页

I/O 请求 B。 1.1.2 异步数据容灾异步数据容灾 1.1.2 同步数据容灾一般只能在较短距离内部署（10KM-100KM ），大于这个距离，就没有实际应用价值了。因为即使在 1000KM 距离上， 4.5M B 的速率足够将数据复制到异地，每个 I/O 的响应时间也会超过 10ms，这种响应速度太慢。异步数据容灾主要是针对“线路带宽和距离能保证完成数据复制过程，同时，希望异地数据复制不影响生产系统的性能 ” 这样的要求下提出来的。考虑异步数据容灾，应该注意到以下几个技术条件和事实。 1. 带宽必须能保证将本地生产数据基本上完全复制到异地容灾端，还要考虑距离对传输能力的影响。按照前面的估算：在 1000 公里范围内，一条带宽足够的线路能支持的 I/O 流量最大为（数据块大小 10KM ）： 1.4M B×3600 秒×24 小时=120GB/ 天 2. 异地容灾端数据虽然落后,但必须保证该数据库内在的数据完整性（一致性）、可用性，否则，这种数据复制就没有应用价值了。 3. 异地容灾端数据会比本地生产端数据落后一定时间,这个时间随采用的技术，带宽、距离、数据流特点的不同而不同。 4. 异步容灾基本不影响本地系统性能。第 4 页

与同步传输方式相比，异步传输方式对带宽和距离的要求低很多，它只要求在某个时间段内能将数据全部复制到异地即可，同时异步传输方式也不会明显影响应用系统的性能。其缺点是在本地生产数据发生灾难时，异地系统上的数据可能是几分钟以前的数据，即最近几分钟内的交易会丢失。（注：一个经过仔细计算和规划的系统，才能保证其数据丢失只有几分钟。）通过异步传输模式进行异地数据复制的技术，包括： 1. 基于主机逻辑卷的数据复制方式 2. 基于磁盘系统 I/O 控制器的数据复制方式而事实上，只有基于主机逻辑卷（ Volume ），并采用 Log 技术作技术保障的数据复制方式，才是在应用上有实际意义的方式。而目前市场上的基于磁盘系统 I/O 控制器的数据复制方式，不能满足前面提到的技术条件二，也即不能保证异地容灾端数据（库）的完整性，所以，这种方式是没有应用价值的。目前，基于磁盘系统的异步数据复制技术在跟踪未复制数据块时，使用 “ Bitmap （位图） ”和“ Timestamp( 时间戳)”技术，这两种方式在本地生产数据突然发生灾难时，都不能保证异地容灾数据库的完整性。  基于主机逻辑卷（Volume）的数据复制方式首先申明：针对这种方式，这以 VERITAS VVR 为例，但并不表示所有基于主机进行复制的其它软件采用同样方式，也不保证其它软件是有应用价值的。 VERITAS VVR （ Volume Replicator ）通过基于 Volume 和 Log 的复制技术，保证在任何时刻本地系统发生自然灾难时，在异地的数据仍是可用的。 VERITAS VVR 在异步模式下采用了 Log 技术来跟踪未及时复制的数据块，这个 Log 是一个先到先服务的堆栈，每一笔 I/O 处理都会首先被放进这个 Log，并按到达先后顺序被复制到异地服务器系第 5 页

统。下图是其工作的结构原理。从上图，我们可以看到整个 I/O 和复制的过程如下： 1. 本地主机系统发出第一个 I/O 请求 A 到逻辑卷； 2. 逻辑卷对本地磁盘系统发出 I/O 请求； 2’. 在往本地磁盘系统 I/O 的同时，逻辑卷向本地磁盘系统上的 VVR Log 发出相同的写请求； 3. 本地磁盘系统完成 I/O 操作；并通知逻辑卷“I/O 完成”； 3’. VVR 完成针对这个 I/O 的有关操作，并通知逻辑卷； 4. 逻辑卷向主机确认 “ I/O 完成 ” ，然后，主机系统发出第二个 I/O 请求 B。第 6 页

服务器的另一个进程： VVR 的进程，负责将 Log 队列中的 I/ O 复制到异地服务器。这个过程和上面的 I/O 过程在时间上无关。如上图中的标记：“I”和“II”。 I: 本地 VVR 进程从 Log 队列中取出最先到达的 I/O ，复制到异地服务器 II: 异地服务器接收到本地服务器 VVR 发出的 I/O 请求，将相应数据写到异地磁盘系统，然后，通知本地系统 VVR 进程，要求下一个 I/O。这里，跟踪未及时复制的数据块的 Log 技术是保证异地数据可用的必要条件。一个数据库的 I/O 是有严格顺序的，这个顺序是保证数据库完整性的必要条件，一个完整性被破坏的数据库一般是不可用的，比如根本无法启动、打开该数据库，且是无法修复的。本地数据库的完整性是由数据库本身来维护的。当一个数据库被实时复制到异地时，要保证异地数据库的完整性，必然保证在异地磁盘 I/ O 上的 I/O 顺序和本地 I/O 顺序完全相同，否则，异地数据库的完整性就无法保证。 VERITAS VVR 采用的 I/O 控制机制是支持先到先服务的 Log 技术，因此，不管异地数据比本地数据落后多少时间，都能保证异地数据库数据的一致性。比如：本地系统在 12：00 时发生自然灾难，由于部分数据未被及时复制到异地，如有 10 分钟的数据未完成复制，那么在异地系统上存在 11：50 分钟以前的所有数据，且这个数据库是可用的。目前的基于磁盘系统的异地数据复制技术采用 Bitmap 技术和 Timestamp 技术，这两种技术都不能保证本地向异地复制数据的顺序严格和本地 I/O 的顺序相同，所以，这两种方式都不能保证异地数据库的完整性。第 7 页

Bitmap（位图）技术记录未被及时复制的数据块的方法是：对于每个数据块（如 32KB ）用一个 Bit 来对应，某一个 Bit 被置为 “1”时，表示其对应的数据块已被修改过，正在等待处理（这里是等待被复制）。由此可以看出，当有一块以上的数据块未被及时复制时，系统并无法确认哪一块数据块应该先复制到异地，所以，系统将任选一块，即不按到达的时间先后进行复制。可以看出，这种方式不能根本保证异地数据库数据的完整性、一致性。 Timestamp 方式是对每个未及时传送的数据块盖上一个时间戳。从表面上看，由于时间戳的关系，好像能确定一个数据块被修改的时间顺序了。其实不然：当一个未被及时复制的数据块被第 2 次修改，并盖上新的时间戳时，数据复制的顺序就被破坏了。例如：现在有 10 块数据块未被复制，编号“1、2、3、4、5、6、7、 8、 9、 10” ；这时，第 3 块数据被再次修改，并被盖上一个新的时间戳 “ 11” ；这时，系统会按这样的次序进行复制： “ 1、 2、（没有 3）、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11” 。我们可以看到，在复制进行到“4~10”之间时，异地数据的完整性被破坏。事实上，在一个运行繁忙的系统中，出现这种情况机率极高，甚至每时每刻都处在这种状态之下。所以，本着严格的，对系统可用性负责任的态度，我们认为“Timestamp”的技术虽然比 Bitmap 技术有一定优势，但实际上也无法保证异地数据的完整性和可用性。 1. Bitmap 和 Timestamp 方式的技术弱点：没有 log；作为磁盘系统内置的数据复制功能，传统的磁盘管理模式没有考虑在磁盘系统内部开辟出一个磁盘块给磁盘系统控制器本身使用，所以，磁盘系统无法采用 log 模式进行异步数据复制。 2. 磁盘系统保留异步传输模式的目的：复制，但不是容灾复制；第 8 页

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