數據存儲

前言
?????? 數據存儲是數據流在加工過程中產生的臨時文件或加工過程中需要查找的信息。數據以某種格式記錄在計算機內部或外部存儲介質上。數據存儲要命名，這種命名要反映信息特征的組成含義。數據流反映了系統中流動的數據，表現出動態數據的特征；數據存儲反映系統中靜止的數據，表現出靜態數據的特征。
存儲介質
?????? 常用的存儲介質為磁盤和磁帶。數據存儲組織方式因存儲介質而異。在磁帶上數據僅按順序文件方式存??；在磁盤上則可按使用要求采用順序存取或直接存取方式。數據存儲方式與數據文件組織密切相關，其關鍵在于建立記錄的邏輯與物理順序間對應關系，確定存儲地址，以提高數據存取速度。
DAS
　　一、DAS(Direct Attached Storage)直接附加存儲，DAS這種存儲方式與我們普通的PC存儲架構一樣，外部存儲設備都是直接掛接在服務器內部總線上，數據存儲設備是整個服務器結構的一部分。
　　DAS存儲方式主要適用以下環境：
　　(1)小型網絡
　　因為網絡規模較小，數據存儲量小，且也不是很復雜，采用這種存儲方式對服務器的影響不會很大。并且這種存儲方式也十分經濟，適合擁有小型網絡的企業用戶。
　　(2)地理位置分散的網絡
　　雖然企業總體網絡規模較大，但在地理分布上很分散，通過SAN或NAS在它們之間進行互聯非常困難，此時各分支機構的服務器也可采用DAS存儲方式，這樣可以降低成本?！?br /> 　　(3)特殊應用服務器
　　在一些特殊應用服務器上，如微軟的集群服務器或某些數據庫使用的原始分區，均要求存儲設備直接連接到應用服務器。
NAS
　　二、NAS(Network Attached Storage)數據存儲方式
　　　NAS(網絡附加存儲)方式則全面改進了以前低效的DAS存儲方式。它采用獨立于服務器，單獨為網絡數據存儲而開發的一種文件服務器來連接所存儲設備，自形成一個網絡。這樣數據存儲就不再是服務器的附屬，而是作為獨立網絡節點而存在于網絡之中，可由所有的網絡用戶共享。
　　NAS的優點：
　　(1)真正的即插即用
　　NAS是獨立的存儲節點存在于網絡之中，與用戶的操作系統平臺無關，真正的即插即用。
　　(2)存儲部署簡單
　　NAS不依賴通用的操作系統，而是采用一個面向用戶設計的，專門用于數據存儲的簡化操作系統，內置了與網絡連接所需要的協議，因此使整個系統的管理和設置較為簡單。
　　(3)存儲設備位置非常靈活　
　　(4)管理容易且成本低
　　NAS數據存儲方式是基于現有的企業Ethernet而設計的，按照TCP/IP協議進行通信，以文件的I/O方式進行數據傳輸。
　　NAS的缺點：
　　(1)存儲性能較低　(2)可靠度不高
SAN
　　三、SAN(Storage Area Network)存儲方式
　　　1991年，IBM公司在S/390服務器中推出了ESCON(Enterprise System Connection)技術。它是基于光纖介質，最大傳輸速率達17MB/s的服務器訪問存儲器的一種連接方式。在此基礎上，進一步推出了功能更強的ESCON Director(FC SWitch)，構建了一套最原始的SAN系統。
　　SAN存儲方式創造了存儲的網絡化。存儲網絡化順應了計算機服務器體系結構網絡化的趨勢。SAN的支撐技術是光纖通道(FC Fiber Channel)技術。它是ANSI為網絡和通道I/O接口建立的一個標準集成。FC技術支持HIPPI、IPI、SCSI、IP、ATM等多種高級協議，其最大特性是將網絡和設備的通信協議與傳輸物理介質隔離開，這樣多種協議可在同一個物理連接上同時傳送。
　　SAN的硬件基礎設施是光纖通道，用光纖通道構建的SAN由以下三個部分組成：
　　(1)存儲和備份設備：包括磁帶、磁盤和光盤庫等。
　　(2)光纖通道網絡連接部件：包括主機總線適配卡、驅動程序、光纜、集線器、交換機、光纖通道和SCSI間的橋接器
　　(3)應用和管理軟件：包括備份軟件、存儲資源管理軟件和存儲設備管理軟件。
　　SAN的優勢：
　　(1)網絡部署容易；
　　(2)高速存儲性能。因為SAN采用了光纖通道技術，所以它具有更高的存儲帶寬，存儲性能明顯提高。SAn的光纖通道使用全雙工串行通信原理傳輸數據，傳輸速率高達1062.5Mb/s。
　　(3)良好的擴展能力。由于SAN采用了網絡結構，擴展能力更強。光纖接口提供了10公里的連接距離，這使得實現物理上分離，不在本地機房的存儲變得非常容易。
比較
　　DAS、NAS和SAN三種存儲方式比較
　　存儲應用最大的特點是沒有標準的體系結構，這三種存儲方式共存，互相補充，已經很好滿足目前企業信息化應用。
　　從連接方式上對比，DAS采用了存儲設備直接連接應用服務器，具有一定的靈活性和限制性；NAS通過網絡（TCP/IP,ATM,FDDI）技術連接存儲設備和應用服務器，存儲設備位置靈活，隨著萬兆網的出現，傳輸速率有了很大的提高；SAN則是通過光纖通道（Fibre Channel）技術連接存儲設備和應用服務器，具有很好的傳輸速率和擴展性能。三種存儲方式各有優勢，相互共存，占到了現在磁盤存儲市場的70%以上。
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容災
???????容災系統是指在相隔較遠的異地，建立兩套或多套功能相同的IT系統，互相之間可以進行健康狀態監視和功能切換，當一處系統因意外(如火災、地震等)停止工作時，整個應用系統可以切換到另一處，使得該系統功能可以繼續正常工作。容災技術是系統的高可用性技術的一個組成部分，容災系統更加強調處理外界環境對系統的影響，特別是災難性事件對整個IT節點的影響，提供節點級別的系統恢復功能。
容災分類
　　從其對系統的保護程度來分，可以將容災系統分為:數據容災和應用容災
　　 描述如下：
　　數據容災就是指建立一個異地的數據系統，該系統是本地關鍵應用數據的一個實時復制。
　　應用容災是在數據容災的基礎上，在異地建立一套完整的與本地生產系統相當的備份應用系統(可以是互為備份)，在災難情況下，遠程系統迅速接管業務運行。數據容災是抗御災難的保障，而應用容災則是容災系統建設的目標。
數據容災
　　所謂數據容災，就是指建立一個異地的數據系統，該系統是本地關鍵應用數據的一個可用復制。在本地數據及整個應用系統出現災難時，系統至少在異地保存有一份可用的關鍵業務的數據。該數據可以是與本地生產數據的完全實時復制，也可以比本地數據略微落后，但一定是可用的。采用的主要技術是數據備份和數據復制技術。
　　數據容災技術，又稱為異地數據復制技術，按照其實現的技術方式來說，主要可以分為同步傳輸方式和異步異步傳輸方式(各廠商在技術用語上可能有所不同)，另外，也有如“半同步”這樣的方式。半同步傳輸方式基本與同步傳輸方式相同，只是在Read占I/O比重比較大時，相對同步傳輸方式，可以略微提高I/O的速度。而根據容災的距離，數據容災又可以分成遠程數據容災和近程數據容災方式。下面，我們將主要按同步傳輸方式和異步異步傳輸方式對數據容災展開討論，其中也會涉及到遠程容災和近程容災的概念，并作相應的分析。
應用容災的方法
　　所謂應用容災，是在數據容災的基礎上，在異地建立一套完整的與本地生產系統相當的備份應用系統(可以是互為備份)。建立這樣一個系統是相對比較復雜的，不僅需要一份可用的數據復制，還要有包括網絡、主機、應用、甚至IP等資源，以及各資源之間的良好協調。主要的技術包括負載均衡、集群技術。數據容災是應用容災的技術，應用容災是數據容災的目標。
　　在選擇容災系統的構造時，還要建立多層次的廣域網絡故障切換機制。本地的高可用系統指在多個服務器運行一個或多種應用的情況下，應確保任意服務器出現任何故障時，其運行的應用不能中斷，應用程序和系統應能迅速切換到其它服務器上運行，即本地系統集群和熱備份。
　　在遠程的容災系統中，要實現完整的應用容災，既要包含本地系統的安全機制、遠程的數據復制機制，還應具有廣域網范圍的遠程故障切換能力和故障診斷能力。也就是說，一旦故障發生，系統要有強大的故障診斷和切換策略制訂機制，確?？焖俚姆磻脱杆俚臉I務接管。實際上，廣域網范圍的高可用能力與本地系統的高可用能力應形成一個整體，實現多級的故障切換和恢復機制，確保系統在各個范圍的可靠和安全。
　　集群系統是在冗余的通?？捎眯韵到y基礎之上，運行高可靠性軟件而構成。高可靠性軟件用于自動檢測系統的運行狀態，在一臺服務器出現故障的情況下，自動地把設定的服務轉到另一臺服務器上。當運行服務器提供的服務不可用時，備份服務器自動接替運行服務器的工作而不用重新啟動系統，而當運行服務器恢復正常后，按照使用者的設定以自動或手動方式將服務切換到運行服務上運行。備份服務器除了在運行服務器出現故障時接替其服務，還可以執行其他應用程序。因此，一臺性能配備充分的主機可同時作為某一服務的運行服務器和另一服務的備份服務器使用，即兩臺服務器互為備份。一臺主機可以運行多個服務，也可作為多個服務的備份服務器。
數據容災系統，對于IT而言，就是為計算機信息系統提供的一個能應付各種災難的環境。當計算機系統在遭受如火災、水災、地震、戰爭等不可抗拒的自然災難以及計算機犯罪、計算機病毒、掉電、網絡/通信失敗、硬件/軟件錯誤和人為操作錯誤等人為災難時，容災系統將保證用戶數據的安全性（數據容災），甚至，一個更加完善的容災系統，還能提供不間斷的應用服務（應用容災）?？梢哉f，容災系統是數據存儲備份的最高層次。
數據容災備份的等級
　　容災備份是通過在異地建立和維護一個備份存儲系統，利用地理上的分離來保證系統和數據對災難性事件的抵御能力。
　　根據容災系統對災難的抵抗程度，可分為數據容災和應用容災。數據容災是指建立一個異地的數據系統，該系統是對本地系統關鍵應用數據實時復制。當出現災難時，可由異地系統迅速接替本地系統而保證業務的連續性。應用容災比數據容災層次更高，即在異地建立一套完整的、與本地數據系統相當的備份應用系統（可以同本地應用系統互為備份，也可與本地應用系統共同工作）。在災難出現后，遠程應用系統迅速接管或承擔本地應用系統的業務運行。
　　設計一個容災備份系統，需要考慮多方面的因素，如備份/恢復數據量大小、應用數據中心和備援數據中心之間的距離和數據傳輸方式、災難發生時所要求的恢復速度、備援中心的管理及投入資金等。根據這些因素和不同的應用場合，通?？蓪⑷轂膫浞莘譃樗膫€等級。
第0級：沒有備援中心
　　這一級容災備份，實際上沒有災難恢復能力，它只在本地進行數據備份，并且被備份的數據只在本地保存，沒有送往異地。
第1級：本地磁帶備份，異地保存
　　在本地將關鍵數據備份，然后送到異地保存。災難發生后，按預定數據恢復程序恢復系統和數據。這種方案成本低、易于配置。但當數據量增大時，存在存儲介質難管理的問題，并且當災難發生時存在大量數據難以及時恢復的問題。為了解決此問題，災難發生時，先恢復關鍵數據，后恢復非關鍵數據。
第2級：熱備份站點備份
　　在異地建立一個熱備份點，通過網絡進行數據備份。也就是通過網絡以同步或異步方式，把主站點的數據備份到備份站點，備份站點一般只備份數據，不承擔業務。當出現災難時，備份站點接替主站點的業務，從而維護業務運行的連續性。
第3級：活動備援中心
　　在相隔較遠的地方分別建立兩個數據中心，它們都處于工作狀態，并進行相互數據備份。當某個數據中心發生災難時，另一個數據中心接替其工作任務。這種級別的備份根據實際要求和投入資金的多少，又可分為兩種：①兩個數據中心之間只限于關鍵數據的相互備份；②兩個數據中心之間互為鏡像，即零數據丟失等。零數據丟失是目前要求最高的一種容災備份方式，它要求不管什么災難發生，系統都能保證數據的安全。所以，它需要配置復雜的管理軟件和專用的硬件設備，需要投資相對而言是最大的，但恢復速度也是最快的。
容災備份的關鍵技術
　　在建立容災備份系統時會涉及到多種技術，如：SAN或NAS技術、遠程鏡像技術、基于IP的SAN的互連技術、快照技術等。這里重點介紹遠程鏡像、快照和互連技術。
1. 遠程鏡像技術
　　遠程鏡像技術是在主數據中心和備援中心之間的數據備份時用到。鏡像是在兩個或多個磁盤或磁盤子系統上產生同一個數據的鏡像視圖的信息存儲過程，一個叫主鏡像系統，另一個叫從鏡像系統。按主從鏡像存儲系統所處的位置可分為本地鏡像和遠程鏡像。遠程鏡像又叫遠程復制，是容災備份的核心技術，同時也是保持遠程數據同步和實現災難恢復的基礎。遠程鏡像按請求鏡像的主機是否需要遠程鏡像站點的確認信息，又可分為同步遠程鏡像和異步遠程鏡像。
　　同步遠程鏡像（同步復制技術）是指通過遠程鏡像軟件，將本地數據以完全同步的方式復制到異地，每一本地的I/O事務均需等待遠程復制的完成確認信息，方予以釋放。同步鏡像使拷貝總能與本地機要求復制的內容相匹配。當主站點出現故障時，用戶的應用程序切換到備份的替代站點后，被鏡像的遠程副本可以保證業務繼續執行而沒有數據的丟失。但它存在往返傳播造成延時較長的缺點，只限于在相對較近的距離上應用。
　　異步遠程鏡像（異步復制技術）保證在更新遠程存儲視圖前完成向本地存儲系統的基本操作，而由本地存儲系統提供給請求鏡像主機的I/O操作完成確認信息。遠程的數據復制是以后臺同步的方式進行的，這使本地系統性能受到的影響很小，傳輸距離長（可達1000公里以上），對網絡帶寬要求小。但是，許多遠程的從屬存儲子系統的寫沒有得到確認，當某種因素造成數據傳輸失敗，可能出現數據一致性問題。為了解決這個問題，目前大多采用延遲復制的技術（本地數據復制均在后臺日志區進行），即在確保本地數據完好無損后進行遠程數據更新。
2．快照技術
　　遠程鏡像技術往往同快照技術結合起來實現遠程備份，即通過鏡像把數據備份到遠程存儲系統中，再用快照技術把遠程存儲系統中的信息備份到遠程的磁帶庫、光盤庫中。
　　快照是通過軟件對要備份的磁盤子系統的數據快速掃描，建立一個要備份數據的快照邏輯單元號LUN和快照cache。在快速掃描時，把備份過程中即將要修改的數據塊同時快速拷貝到快照cache中?？煺誏UN是一組指針，它指向快照cache和磁盤子系統中不變的數據塊（在備份過程中）。在正常業務進行的同時，利用快照LUN實現對原數據的一個完全的備份。它可使用戶在正常業務不受影響的情況下（主要指容災備份系統），實時提取當前在線業務數據。其“備份窗口”接近于零，可大大增加系統業務的連續性，為實現系統真正的7×24運轉提供了保證。
　　快照是通過內存作為緩沖區（快照cache），由快照軟件提供系統磁盤存儲的即時數據映像，它存在緩沖區調度的問題。
3．互連技術
　　早期的主數據中心和備援數據中心之間的數據備份，主要是基于SAN的遠程復制（鏡像），即通過光纖通道FC，把兩個SAN連接起來，進行遠程鏡像（復制）。當災難發生時，由備援數據中心替代主數據中心保證系統工作的連續性。這種遠程容災備份方式存在一些缺陷，如：實現成本高、設備的互操作性差、跨越的地理距離短（10公里）等，這些因素阻礙了它的進一步推廣和應用。
　　目前，出現了多種基于IP的SAN的遠程數據容災備份技術。它們是利用基于IP的SAN的互連協議，將主數據中心SAN中的信息通過現有的TCP/IP網絡，遠程復制到備援中心SAN中。當備援中心存儲的數據量過大時，可利用快照技術將其備份到磁帶庫或光盤庫中。這種基于IP的SAN的遠程容災備份，可以跨越LAN、MAN和WAN，成本低、可擴展性好，具有廣闊的發展前景?；贗P的互連協議包括：FCIP、iFCP、Infiniband、iSCSI等。
衡量容災備份的兩個技術指標
　　RPO（Recovery Point Objective）：即數據恢復點目標，主要指的是業務系統所能容忍的數據丟失量。
　　RTO（Recovery Time Objective）：即恢復時間目標，主要指的是所能容忍的業務停止服務的最長時間，也就是從災難發生到業務系統恢復服務功能所需要的最短時間周期。
　　RPO針對的是數據丟失，而RTO針對的是服務丟失，二者沒有必然的關聯性。RTO和RPO的確定必須在進行風險分析和業務影響分析后根據不同的業務需求確定。對于不同企業的同一種業務，RTO和RPO的需求也會有所不同。

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