CN102214127B

CN102214127B - 一种基于操作系统虚拟化原理的数据集中存储及备份方法

Info

Publication number: CN102214127B
Application number: CN 201010544079
Authority: CN
Inventors: 聂伟国; 金亮
Original assignee: Shanghai Anzong Information Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Anzong Information Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-11-15
Also published as: CN102214127A

Abstract

本发明为一种计算机应用技术领域的基于操作系统虚拟化原理的数据集中存储及备份方法其特征在于：在一台物理主机的宿主操作系统之上，构建一到多个虚拟隔离环境，其具备与宿主操作系统完全相同的使用模式，将虚拟隔离环境中产生的数据与宿主操作系统产生的数据完全隔离，并分别存储到不同的物理存储位置。通过将与用户工作业务相关的应用程序存储数据到虚拟隔离环境中运行，并将其物理存储位置通过CIFS或iSCSI协议重定向到网络中的存储服务器上。在需要对所有客户主机的数据进行备份时，管理员只需对存储服务器上的数据进行一次备份，极大地提高工作效率，同时由于仅备份与工作业务相关的数据，节省了备份存储空间，避免恢复无用数据。

Description

一种基于操作系统虚拟化原理的数据集中存储及备份方法

技术领域

本发明涉及的是一种计算机应用技术领域的方法，特别是一种基于操作系统虚拟化原理的数据集中存储及备份方法。

背景技术

随着信息化在我国的蓬勃发展，电子化数据的应用日益广泛，在极大地提高了生产工作效率的同时，电子化数据也日益成为各行各业乃至普通大众的重要资产。电子化数据的保密性、完整性和可用性逐渐关系到国家的安全、企业的核心竞争力、个人的资产。因此，数据安全问题——即数据的防泄露、防丢失、防滥用的问题，已经成为信息安全领域中的热点问题，越来越受到大家的关注。在数据安全的各个分支领域中，数据防丢失问题具有非常重要的现实意义。有相关的机构研究表明：丢失300MB的数据对于市场营销部门意味着13万元人民币的损失，对财务部门意味着16万的损失，对工程部门来说损失可达80万，可见防止电子化数据的意外丢失是多么重要。因此如何避免人为或不可抗拒的自然灾害以及计算机软硬件故障造成的数据破坏及丢失，是所有对数据安全有着较高需求的企业所关注的焦点。为了解决数据的防丢失问题，技术人员们结合自身单位的数据规模、工作方式、实施预算等现实因素，采用了多种多样的技术手段对数据进行备份处理，具体的方式有：通过备份软件备份；通过U盘、光盘、移动硬盘等存储介质备份；通过磁盘阵列、网络存储设备等添加硬件设备的方式备份等。然而，从现实的应用情况来看，这些备份方式的实际效果并不十分理想，这主要是由于两大原因：首先，通过备份软件或存储介质进行备份的方式虽然投入成本较低，但是备份过程需要大量的手工操作，由于企业单位的办公数据可能存储在任意一位员工的工作电脑上，因此备份往往需要企业所有员工的配合，很难有效地实施；其次，通过添加硬件设备的方式虽然可以大量减少手工操作，但是专业设备的部署成本较高，通常只适合大型的企业单位，很难解决中小型企业的备份需求。为了解决采用低成本备份方式时需要每一个计算机使用人员进行大量手工操作的问题，近来的一种新思路是将企业内所有主机的数据进行集中存储，以此简化数据备份时面临的数据分散存储在各个计算机上的问题。

经对现有技术的文献检索发现，世导数据通讯（杭州）有限公司的邱丽霞等在2010年06月09日公开了名为《网络备份装置及其备份方法》的专利申请（申请号：200910153925，申请日2009年11月26日，公开日2010年06月09日）。该文中提出了一种基于专用网络备份装置的备份方法，能够实现本地文件自动向网络备份，以此来解决对分散在多个计算机上的数据进行自动备份的问题。但由于该方法中所采用的备份机制是在发现本地工作文件有改变时便立刻把新的本地工作文件上传到服务器备份目录中，所以在现实应用中存在一些问题。首先，该机制对于工作文件的判断标准较为机械，不能区分发生改变的文件是否具有备份价值，也就是说，当用户在工作时，所有发生改变的文件都会被备份到服务器中，这就会造成大量的无效文件——例如系统产生的临时文件、垃圾文件、甚至是病毒或木马产生的恶意文件——都被备份到服务器中。因此会产生浪费备份空间、恢复时会恢复无效数据等问题，从而降低了整个备份方法的实用性。这一问题同时也是目前大多数备份系统所共存的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于操作系统虚拟化原理实现的数据集中存储及备份方法。与现有技术相比，操作系统虚拟化技术能够在一台物理主机的宿主操作系统之上，构建一到多个虚拟隔离环境，其构建的虚拟环境之间共享同一个操作系统内核，并且具备与宿主操作系统完全相同的使用模式，同时可以将虚拟隔离环境中产生的数据与宿主操作系统产生的数据完全隔离，并分别存储到不同的物理存储位置。可以利用操作系统虚拟化技术，将与用户的工作业务相关的应用程序存储到虚拟隔离环境中运行，并将其数据存取的物理存储位置重定向到网络中的存储服务器上，以此达到仅存储与用户的工作相关的数据的目的。在此基础上，当需要备份时，管理员只需对存储服务器上的数据进行一次备份，即可实现对所有客户主机的用户数据的备份，极大地提高了备份方法的工作效率。并且由于避免了备份垃圾数据，节省了备份存储空间，也提高了备份方法的实用性。

本发明是通过以下技术方案实现的。为了解决数据集中存储及备份的问题，首先需要通过客户端软件在物理主机的宿主操作系统之上建立虚拟隔离环境，该虚拟隔离环境由虚拟桌面、虚拟文件、虚拟注册表等资源组成。其中虚拟桌面作为与用户进行交互的界面，提供与宿主操作系统中的原生桌面完全一致的操作方式。虚拟文件和虚拟注册表作为虚拟数据资源，由嵌入到操作系统内核中的虚拟隔离层进行维护，并保存到位于存储服务器上的虚拟磁盘中。当用户进入以虚拟桌面标识的虚拟隔离环境时，内核中的虚拟隔离层自动将虚拟磁盘中的数据资源暴露给用户；而当用户离开虚拟隔离环境时，内核中的虚拟隔离层则屏蔽系统中的其他程序访问虚拟磁盘的行为。虚拟磁盘保存在网络中的存储服务器上，使用时由客户端软件中的虚拟磁盘驱动程序负责数据的存取。在未进入虚拟隔离环境时，虚拟磁盘表现为存储服务器上的一个文件，该文件以加密存储的形式保存。在需要进入虚拟隔离环境时，客户端软件采用网络协议模块的CIFS协议或iSCSI将文件映射为本地磁盘供虚拟环境使用。在管理员需要对用户数据进行备份时，只需在存储服务器上进行操作，对存储服务器上的各个虚拟磁盘文件进行备份，即可实现对全网各个客户主机的工作数据的备份。

所述的嵌入在操作系统内核中的虚拟隔离层，是实现数据集中存储的核心。虚拟隔离层的实现机制是对操作系统内核中的SSDT（系统服务描述表）进行控制，对其中用于文件访问和注册表访问的关键例程进行钩子处理（Hook），从而截获所有的文件、注册表访问操作。在此基础上，虚拟隔离层就可以根据发起数据访问请求的进程的身份，实施相应的数据存储重定向措施。对于在虚拟隔离环境外启动的进程，虚拟隔离层将其数据存储行为保存到本地硬盘，避免无效数据进入存储服务器，造成空间浪费。而对于在虚拟隔离环境内启动的进程，虚拟隔离层可以根据其唯一进程标识符（PID）判断出其所属的虚拟隔离环境，并将进程的数据访问行为进行重定向，通过iSCSI或CIFS协议存储到服务器上的虚拟磁盘中。虚拟隔离层对于存储的重定向操作仅影响文件的物理存储位置，而不改变文件的逻辑存储位置，因此用户和应用程序都无须关心底层的存储细节，能够与未应用虚拟隔离环境时的使用方式保持一致，无须作任何更改。

所述的虚拟隔离层及虚拟环境的工作流程具体如下：

（1）系统启动过程中，加载用于实现虚拟隔离层功能的驱动程序；

（2）系统启动完成后，在系统中建立独立于系统原生桌面的虚拟桌面；

（3）虚拟隔离层记录虚拟桌面程序的PID，以及由用户在虚拟桌面中启动的所有子、孙进程的PID；

（4）虚拟隔离层拦截系统中所有进程的数据访问请求——包括文件访问和注册表访问，并根据发起请求的进程的PID实施不同的数据存储重定向措施。如果是虚拟隔离环境内的进程则跳转至（5），如不是则直接操作本地数据资源；

（5）当进程执行写入操作时，虚拟隔离层将写入操作的物理写入位置重定向到存储服务器上的虚拟磁盘文件中，同时保持逻辑存储位置不变，因此进程无须关心底层存储细节。当进程执行读取操作时，虚拟隔离层判断要读取的文件是否存储在存储服务器上的虚拟磁盘中，如是则读取虚拟磁盘中的文件，否则通过数据单向传输的方式直接复制本地磁盘数据到虚拟磁盘中，供进程读取。

所述的数据存储重定向措施，具体如下：

（1）由虚拟隔离层驱动程序记录虚拟桌面程序的PID，以及由用户在虚拟桌面中启动的所有子、孙进程的PID；

（2）虚拟隔离层拦截系统中所有进程的数据访问请求——包括文件访问和注册表访问，并根据发起请求的进程的PID执行不同的隔离策略，如果是虚拟隔离环境中的进程则跳转至（3），否则跳转至（4）；

（3）当进程执行写入操作时，虚拟隔离层将写入操作的物理写入位置重定向到存储服务器上的虚拟磁盘文件中，同时保持逻辑存储位置不变，因此进程无须关心底层存储细节。当进程执行读取操作时，虚拟隔离层判断要读取的文件是否存储在虚拟磁盘中，如是则读取虚拟磁盘中的文件，否则通过数据单向传输的方式直接映射数据到虚拟环境中的方式，供进程读取；

（4）虚拟隔离层判断进程是否尝试访问虚拟磁盘内部的文件，如是则拒绝该请求，并告知进程，试图访问的文件不存在。

所述的数据单向传输，具体如下：

（1）由虚拟隔离层判断发起数据访问请求的进程是否是虚拟隔离环境内的进程，如是则对其提供数据单向传输的功能；

（2）对于需要提供数据单向传输功能的进程，判断其数据访问请求是读取还是写入，如是读取则跳转到（3），否则跳转到（4）；

（3）判断进程要读取的数据文件是否在虚拟隔离环境中存在，如存在则直接读取虚拟隔离环境中的数据文件；如果不存在，进一步判断数据文件在宿主操作系统中是否存在，如依然不存在，则告知进程读取失败；如在宿主操作系统中存在该文件，则允许进程直接访问宿主操作系统中的数据文件；

（4）判断进程要写入的数据文件是否在虚拟隔离环境中存在，如存在，则直接打开虚拟隔离环境中的数据文件供其写入；如不存在，则进一步判断数据文件在宿主操作系统中是否存在，如依然不存在，则直接在虚拟存储区内创建一个新的数据文件供其写入；如在宿主操作系统中存在该文件，则首先将该数据文件复制到虚拟隔离环境中，然后打开位于虚拟存储区内的新数据文件供其写入。

所述的虚拟磁盘驱动程序，是客户端软件的组成部分，在系统启动过程中进行加载。当用户进入虚拟隔离环境时，虚拟磁盘驱动程序读取软件的配置信息，获取存储服务器的IP地址、端口、采用的协议以及存储服务器的用户名和口令等信息。成功获取后，虚拟磁盘驱动程序通过iSCSI或CIFS协议对存储服务器上的指定文件进行网络存取，并将该文件映射为客户主机上的一个本地磁盘设备。在加载成功后，虚拟磁盘驱动程序根据虚拟隔离层驱动发出的读写请求，将用户数据保存到该文件中。

所述的服务端软件，由虚拟磁盘镜像管理模块、账户管理模块及网络协议模块组成。网络协议模块包括iSCSI协议及CIFS协议两种，为客户端软件提供基于iSCSI或CIFS协议的网络存储服务。客户端软件在创建虚拟隔离环境时，需首先连接服务端软件的管理端口，告知服务端软件的虚拟磁盘镜像管理模块创建新的网络虚拟磁盘文件，并记录服务端软件返回的配置信息——包括虚拟磁盘镜像管理模块返回的虚拟磁盘文件路径和账户管理模块返回的用于访问镜像的用户名及密码等信息。在虚拟磁盘文件创建成功后，客户端软件在后续使用阶段，直接连接服务端软件的网络协议模块使用虚拟磁盘文件。

本发明的有益效果是：本发明在数据的集中存储及备份技术中，取得了显著的进步。本发明的突出特点是采用操作系统虚拟化技术实现数据的重定向存储，将网络中的存储服务器上的文件映射为本地磁盘，并使得用户可以在不改变使用习惯的同时，像操作本地数据一样操作存储服务器上的数据，极大地提高了工作效率。同时也使管理人员仅备份与工作相关的数据的希望成为现实，极大的提高了存储空间的利用率，降低了恢复垃圾数据的可能性。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1 是本发明方法的客户机与服务器的组成结构示意图。

图2 是本发明方法的数据重定向机制原理图。

具体实施方式

在一台物理主机上，安装客户端软件，在另一台服务器上安装服务端存储软件。如图1所示，服务端软件可以选择安装iSCSI形式的存储模块或是CIFS形式的存储模块。客户端软件中包含的虚拟磁盘驱动程序会根据管理人员的配置，选择合适的通讯协议与存储服务器进行通讯。客户端软件及服务端软件完成安装和配置后，客户端软件会在客户主机上建立一个虚拟隔离环境，从而使计算机具备两个用户桌面，并同时将与工作相关的应用程序和数据转移到虚拟磁盘中。

如图2所示，系统的两个用户桌面中，一个用户桌面（桌面A）是物理主机的宿主操作系统所提供的原生桌面，另一个用户桌面（桌面B）是由客户端软件所提供的虚拟桌面。在原生桌面中操作的文件和注册表信息都是与宿主操作系统相关的本地数据，而虚拟桌面中所操作的文件和注册表都是由虚拟磁盘驱动程序提供的、存储在服务器上的虚拟磁盘文件中的虚拟数据。在本实施例中，虚拟磁盘文件通过虚拟磁盘驱动程序，被映射为客户主机上的本地硬盘设备——Z盘。在用户随后使用计算机的过程中，计算机首先在启动时加载虚拟隔离层驱动程序，该驱动程序将接管操作系统中的所有文件和注册表操作。在计算机启动完成后，用户将首先进入桌面A。进入桌面A后，用户可以操作各种与工作无关的数据。而当用户需要操作与工作相关的数据时，由于与工作相关的应用程序都保存在虚拟环境中，因此用户必须在通过正确的身份验证后，激活虚拟桌面B，然后进入到桌面B中启动需要的应用程序来处理工作数据。

如图2所示，用户在桌面A中启动了用于处理非工作数据的程序a，在桌面B中启动了用于处理工作数据的程序b。当用户在桌面B中试图通过程序b将工作数据写入“C:\工作文件.txt”时，虚拟隔离层截获到该操作并判断出b的进程身份，随后对这些与工作数据相关的访问行为进行重定向处理，将其物理存储路径修改为虚拟磁盘中的“Z:\C\工作文件.txt”，然后再将该请求传递给文件系统驱动。经过该处理后，b认为自己已经成功将数据写入到本地文件“C:\工作数据.txt”中，并且也确实能够在日后需要使用时，通过路径“C:\工作文件.txt”查看到自己写入的数据。但实际上，该数据并没有被存储到C:，而是由虚拟磁盘驱动程序通过CIFS或者iSCSI协议存储到了虚拟磁盘Z:中。当用户试图在桌面A中，通过进程a写入一些与工作无关的数据到“C:\垃圾文件.txt”文件时，虚拟隔离层会根据a的进程身份，将该访问请求直接传递给文件系统驱动。这样a所操作的文件便是一个本地硬盘上的文件，而不会存储到存储服务器中，从而达到不在存储服务器中保存垃圾数据的效果。当管理人员需要进行数据备份时，可以登录存储服务器，对各个用户所对应的虚拟磁盘文件进行备份，或者直接对存储服务器的硬盘进行备份，即可达到备份全网所有用户的数据的目的。

从上面的实施例可知，基于操作系统虚拟化原理的数据集中存储及备份方法能够对全网各个客户主机上的工作数据进行有效地集中存储，提高备份工作的效率。同时，能够避免备份没有意义的垃圾数据，节省备份存储空间。

Claims

1.一种计算机应用技术领域的基于操作系统虚拟化原理的数据集中存储及备份方法，其特征在于：基于操作系统虚拟化原理，在一台物理主机的宿主操作系统之上，添加虚拟隔离层驱动程序和虚拟磁盘驱动程序；以虚拟隔离层驱动程序和虚拟磁盘驱动程序为基础，结合虚拟桌面程序，在宿主操作系统中构建一到多个虚拟隔离环境；虚拟隔离层将虚拟隔离环境中产生的数据与宿主操作系统产生的数据完全隔离，并分别存储到不同的物理存储位置；通过将与用户的工作业务相关的应用程序存储到虚拟隔离环境中运行，并将其物理存储位置通过CIFS或iSCSI协议重定向到网络中的存储服务器上，达到仅存储与用户的工作相关的数据的目的，避免存储无效数据；在需要备份时，管理员只需对存储服务器上的数据进行一次备份，即可实现对所有客户主机的数据的备份；

所述的虚拟隔离环境，由虚拟桌面、虚拟文件、虚拟注册表资源组成，其中虚拟桌面作为与使用者进行交互的界面，提供与宿主操作系统中的原生桌面完全一致的操作方式，虚拟文件和虚拟注册表作为虚拟数据资源，由嵌入到操作系统内核中的虚拟隔离层进行维护，并保存到位于存储服务器上的虚拟磁盘中，当用户进入以虚拟桌面标识的虚拟隔离环境时，内核中的虚拟隔离层自动将虚拟磁盘中的数据资源暴露给使用者，而当使用者离开虚拟隔离环境时，内核中的虚拟隔离层则屏蔽系统中的其他程序访问虚拟磁盘的行为；

所述的虚拟隔离层驱动程序，是实现数据集中存储的核心，虚拟隔离层的实现机制是对操作系统内核中的系统服务描述表进行控制，对其中用于文件访问和注册表访问的关键例程进行钩子处理，从而截获所有的文件、注册表访问操作，在此基础上，虚拟隔离层根据发起数据访问请求的进程的身份，实施存储重定向措施；

所述的虚拟桌面，由一个单独的进程实现，虚拟桌面作为与使用者进行交互的界面，提供与宿主操作系统中的原生桌面完全一致的操作方式；

所述的虚拟磁盘驱动程序，是客户端软件的组成部分，在系统启动过程中进行加载，当用户进入虚拟隔离环境时，虚拟磁盘驱动程序读取软件的配置信息，获取存储服务器的IP地址、端口、采用的协议以及存储服务器的用户名和口令等信息，成功获取后，虚拟磁盘驱动程序通过iSCSI或CIFS协议对存储服务器上的指定文件进行网络存取，并将该文件映射为客户主机上的一个本地磁盘设备，在加载成功后，虚拟磁盘驱动程序根据虚拟隔离层驱动发出的读写请求，将用户数据保存到该文件中；

所述的存储重定向措施，具体如下：

（1）由虚拟隔离层驱动程序记录虚拟桌面程序的进程标识符，以及由用户在虚拟桌面中启动的所有子、孙进程的进程标识符；

（2）虚拟隔离层拦截系统中所有进程的数据访问请求——包括文件访问和注册表访问，并根据发起请求的进程的进程标识符执行不同的隔离策略，如果是虚拟隔离环境中的进程则跳转至（3），否则跳转至（4）；

（3）当进程执行写入操作时，虚拟隔离层将写入操作的物理写入位置重定向到存储服务器上的虚拟磁盘文件中，同时保持逻辑存储位置不变，因此进程无须关心底层存储细节，当进程执行读取操作时，虚拟隔离层判断要读取的文件是否存储在虚拟磁盘中，如是则读取虚拟磁盘中的文件，否则由虚拟隔离层通过数据单向传输的方式直接将宿主操作系统中存储的文件映射到虚拟隔离环境中，供进程读取；

（4）虚拟隔离层判断进程是否尝试访问虚拟磁盘内部的文件，如是则拒绝该请求，并告知进程，该进程试图访问的文件不存在；

所述的数据单向传输，具体如下：

①由虚拟隔离层判断发起数据访问请求的进程是否是虚拟隔离环境内的进程，如是则对该进程提供数据单向传输的功能；

②对于需要提供数据单向传输功能的进程，判断该进程的数据访问请求是读取还是写入，如是读取则跳转到③，否则跳转到④；

③判断进程要读取的数据文件是否在虚拟隔离环境中存在，如存在则直接读取虚拟隔离环境中的数据文件；如果不存在，进一步判断数据文件在宿主操作系统中是否存在，如依然不存在，则告知进程读取失败；如在宿主操作系统中存在该文件，则允许进程直接访问宿主操作系统中的数据文件；

④判断进程要写入的数据文件是否在虚拟隔离环境中存在，如存在，则直接打开虚拟隔离环境中的数据文件供该进程写入；如不存在，则进一步判断数据文件在宿主操作系统中是否存在，如依然不存在，则直接在虚拟存储区内创建一个新的数据文件供该进程写入；如在宿主操作系统中存在该文件，则首先将该数据文件复制到虚拟隔离环境中，然后打开位于虚拟存储区内的新数据文件供该进程写入；

所述的存储服务器，需要安装服务端软件,服务端软件提供基于iSCSI或CIFS协议的网络存储服务，并负责和客户端软件进行交互；客户端软件在创建虚拟隔离环境时，需首先连接服务端软件的管理端口，告知服务端软件创建新的网络虚拟磁盘，并记录服务端软件返回的配置信息——包括虚拟磁盘文件路径、用于访问的用户名及密码信息；在创建成功后，客户端软件在后续使用阶段，直接连接服务端软件提供的网络存储服务端口使用虚拟磁盘文件。