CN103853634B - 一种容灾备份系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种容灾备份系统及方法。本发明提供的容灾备份系统包括：检查点参数设置模块，用于在启动应用程序前设置检查点参数设置检查点参数；容灾恢复功能单元，用于应用程序启动后，在所述应用程序运行过程中，定期将所述应用程序的当前状态保存为检查点文件，并将所述检查点文件传输到异地备份节点进行保存；故障检测模块，用于监测所述应用程序是否出现故障；应用恢复模块，用于应用程序出现故障时，从异地备份节点加载最近的检查点文件恢复所述应用程序的正常运行。本发明提升了容灾备份的速度，并保证了所备份的数据和进程的一致性。

Description

一种容灾备份系统及方法

技术领域

本发明涉及通信技术，尤其涉及一种容灾备份系统及方法。

背景技术

随着信息技术的快速发展和不断进步，信息系统越来越广泛地应用于金融、政务、交通、电力、军事等重要领域，已成为影响国家发展和安全的重要基础设施。对于应用部门来说，一方面计算机信息系统为这些部门提供了比以往任何时候更实时快捷的信息服务，实现了信息的存储、处理和管理的自动化，提高了效率，节省了大量的人力资源。另一方面，这些信息系统的大量应用所带来的风险隐患也是巨大的。一旦它们遭到灾难性破坏，将会导致巨大的经济损失，甚至影响到社会的稳定、国家的安全。自然灾害、恶意破坏、恐怖袭击、军事打击等都可能造成信息系统的崩溃，灾后如果信息系统不能得到快速有效的恢复，将会带来严重威胁。

为了灾后可以快速有效地恢复信息系统或有关应用程序，现有技术一般采用数据备份的方法，包括手工备份、自动备份、LAN备份、LAN一Free备份等，这些备份方法依然存在的不足之处包括：成本过高、通用性差、不够灵活和性能较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种容灾备份系统及方法，可以有效改善目前容灾技术的高成本、低性能等问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种容灾备份系统，该系统包括：

检查点参数设置模块，用于在启动应用程序前设置检查点参数设置检查点参数；

容灾恢复功能单元，用于应用程序启动后，在所述应用程序运行过程中，定期将所述应用程序的当前状态保存为检查点文件，并将所述检查点文件传输到异地备份节点进行保存；

故障检测模块，用于监测所述应用程序是否出现故障；

应用恢复模块，用于应用程序出现故障时，从异地备份节点加载最近的检查点文件恢复所述应用程序的正常运行。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种容灾备份方法，包括以下步骤：

在启动应用程序前设置检查点参数；

应用程序启动后，在所述应用程序运行过程中，定期将所述应用程序的当前状态保存为检查点文件并将所述检查点文件传输到异地备份节点进行保存；

监测所述应用程序是否出现故障，一旦出现故障，从异地备份节点加载最近的检查点文件恢复所述应用程序的正常运行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明使得系统或应用程序在灾难发生时，快速有效地恢复数据；

2)本发明可以为用户提供不间断的保障服务，保证系统提供的服务具有完整性、可靠性和一致性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明一个优选实施例的主节点上的容灾备份体系结构示意图；

图2为根据本发明一个优选实施例的容灾备份系统的示意性框图；

图3为根据本发明一个优选实施例的容灾恢复功能单元的功能模块示意图；

图4为本发明一个优选实施例的扩展检查点模块与复杂应用程序及数据库之间的示意性结构图；

图5本发明一个优选实施例的对包含数据库的应用程序进行容灾备份和恢复的过程示意图；

图6为本发明优选实施例的对主节点和备份节点之间进行动态加解密的过程示意图；

图7为本发明一个优选实施例的容灾备份系统的配置示意图；

图8为本发明另一优选实施例的容灾备份方法的流程示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

根据本发明的一个方面，提供了一种容灾备份系统。需要说明的是，下文中所述的检查点、检查点机制和检查点文件是不同的技术概念。其中，检查点指的是一个数据库事件，发生该事件时，后台进程将脏数据写入一定存储设备用以备份，当某些系统或应用程序出现故障时，可以通过所备份的数据进行恢复，其中，所述脏数据是指与上一次检查点相比发生变化的数据，即在两次检查点之间被修改的数据。本实施例中的检查点机制指一种时间冗余容错机制，其基本原理是在系统或应用程序正常运行的过程中定期设置检查点，将系统或程序的当前状态数据保存为检查点文件，当系统或应用程序的运行出现故障时，通过加载检查点文件将程序恢复至之前所保存的某个时间点的正常状态，以减少故障造成的运行损失。

在本发明中，将主节点或主服务器定义为待备份的对象，将备用节点、异地备用节点或备用服务器定义为承载备份数据的对象，下文将以应用系统(简称系统)或应用程序为备份数据对主节点和备用节点之间的容灾备份进行具体说明。在说明前，对主节点上的容灾备份体系结构进行描述。请参考图1，图1为根据本发明一个优选实施例的主节点上的容灾备份体系结构示意图。如图1所示，所述备份体系结构包括三层：应用服务层、容灾中间件层和容灾支撑技术层，所述结构依次从上至下，最底层的容灾支撑技术层直接位于操作系统上，其中：

所述应用服务层主要用于提供作业管理、服务发布、用户管理、容灾管理和容灾应用接口；

所述容灾中间件层主要用于容灾部署、容灾监控、检查点生成、检查点文件压缩及传输、恢复控制、命令消息的上行和下达；

所述容灾支撑技术层主要提供基本的容灾备份、检测和技术支持。

一般地，所述主节点上的容灾备份管理员可以通过所述应用服务层对容灾资源和业务状态进行查看和管理，而所述主节点上的容灾备份开发人员可以通过容灾应用接口对具体的应用扩展容灾方案、增加新的业务容灾恢复方案。

接下来，请参考图2，图2为根据本发明一个优选实施例的容灾备份系统的示意性框图。

如图2所示，本发明所提供的容灾备份系统包括以下功能单元和模块：

检查点参数设置模块201，用于在启动应用程序前设置检查点参数设置检查点参数；

容灾恢复功能单元202，用于应用程序启动后，在所述应用程序运行过程中，定期将所述应用程序的当前状态保存为检查点文件，并将所述检查点文件传输到异地备份节点进行保存。

故障检测模块203，用于监测所述应用程序是否出现故障。

应用恢复模块204，用于应用程序出现故障时，从异地备份节点加载最近的检查点文件恢复所述应用程序的正常运行。

下文，将对上述各模块及功能单元的操作步骤进行详述。

具体地，所述容灾恢复功能单元在生成并传输检查点文件的过程中，主要通过以下模块完成，具体可参考图3，图3为根据本发明一个优选实施例的容灾恢复功能单元的功能模块示意图。如图3所示，所述容灾恢复功能单元主要包括以下模块：

检查点模块301，用于支持应用程序进程的检查点设置及检查点文件的生成，其中，应用程序直接运行在该检查点模块之上。

通常，简单的应用程序不需要访问数据库即可完成相应操作，因此，对于该类应用，由通常的检查点库(即检查点模块)即可支持容灾恢复。但是，随着应用的推广，很多应用的数据都逐渐以数据库的方式存放，即很多应用程序需要访问数据库。对于这类复杂应用程序，现有的检查点技术无法对其进行有效容灾恢复，这是因为所述复杂应用程序进行故障修复经常出现以下问题：1)数据库连接无法恢复；2)数据库中数据和进程状态不一致。为了解决该技术问题，优选地，对所述检查点模块进行扩展，在此处，将所述检查点模块称为扩展检查点模块，用于对需要访问数据库的复杂长时间应用实现卷回恢复时数据的回退。

为了清晰地说明所述扩展检查点模块与复杂应用程序及所连接的数据库之间的结构关系，请参考图4，图4为本发明一个优选实施例的扩展检查点模块与复杂应用程序及数据库之间的示意性结构图。如图4所示，通过对数据库驱动程序上层重定义数据库连接操作，扩展所述检查点库的功能，使得复杂应用程序对数据库进行操作时，并不直接调用数据库驱动程序，而是通过功能扩展后的扩展检查点库(即扩展检查点模块)进行操作。其中，可以将所述数据库操作函数分为三类：1)数据库连接认证和关闭操作函数，主要包括class()，connect()，close()；2)数据库信息查询和更新操作函数，主要包括executequery()，update()，createtable()，createView()，deletetable()，deleteView()；3)数据库异常处理操作函数。

进一步地，所述扩展检查点模块不仅生成相应程序的进程检查点文件，同时生成该程序的数据检查点文件。具体地，所述扩展检查点模块针对生成所述应用程序的检查点文件的步骤包括：

I)扫描并截获所述应用程序对应的所有数据库连接，将所述数据库连接状态数据保存到相应的数据结构；

2)基于数据库对数据回退的支持，在设置进程检查点并保存进程状态信息之前，对所述数据库数据设置检查点；

3)生成所述数据库数据的检查点文件和所述进程的检查点文件，并将两者绑定。

进一步地，针对数据连接状态的恢复而言，所述应用程序从相应检查点重启运行时，基于所述扩展检查点模块所保存的所有数据库连接数据，由上文所述应用恢复模块204恢复所有需连接的数据库的重连，包括对未关闭的数据库重新连接，以保证数据库数据的一致性。

针对数据库数据的恢复而言，为将数据恢复到特定检查点的状态，需要获取所述检查点对应的时间点。当然，对于不同的数据库系统，可以采用不同的时间点获取方式。例如，对于Oracle数据库，可以通过记录该数据库的改变号(SystemChangedNumber，简称SCN)获取恢复时间点。

通常，如果将整个数据库都回退到同一时间点，则操作的粒度较大，所要开销的时间相对增大。因此，本实施例只对相邻两次检查点之间所进行的操作信息进行恢复，即将复杂应用程序所对应数据库中被修改的数据表进行回退操作。但是，如此一来，需要跟踪并记录该复杂应用程序所操作的所有数据表，实现难度较大。为解决该技术难题，本发明假定每个复杂应用程序只对应唯一的数据库用户，即同一复杂应用程序只通过同一数据库用户进行连接。由此，在进行回退操作时，通过获取并查询所述复杂应用程序对应用户的所有数据表，即可对这些数据表进行回退恢复。具体而言，所述复杂应用程序从检查点重启运行时，只需要将该检查点与上一次检查点之间用户所操作的所有数据表回退到上个检查点时刻即可。

进一步地，所述应用程序从相应检查点重启运行时，由上文所述应用恢复模块204根据所述扩展检查点模块所生成的数据库检查点文件，对所述应用程序出错前的“脏数据”操作进行回退撤销。所述回退撤销的步骤具体包括：

1)将所述应用程序的数据回退至生成检查点的时刻；

2)将所述应用程序的进程恢复至同一检查点时刻运行。

通过上述回退撤销，可以解决所述应用程序中进程状态和数据状态不一致的问题。

继续参照3，所述容灾恢复功能单元还包括以下模块：

检查点检测模块302，用于实时检测是否有新的、完整的检查点文件生成，一旦检测到所述新的、完整的检查点文件，通知文件传输模块；

文件传输模块303，收到所述检查点检测模块发出的通知后，将所述新的、完整的检查点文件传输到异地备份节点进行保存。

优选地，所述容灾恢复功能单元还包括：检查点优化模块，用于优化检查点文件，即对所生成的检查点文件通过容量优化减少所述检查点文件所占的空间。其中，所述检查点优化模块所采用的优化算法包括增量算法、内存排除法和数据压缩算法中的至少一种。

为了更清楚地描述同时含有数据库和文件系统的应用程序如何进行容灾备份并恢复运行，请参考图5，图5本发明一个优选实施例的对包含数据库的应用程序进行容灾备份和恢复的过程示意图。如图5所示，对于包含数据库的应用程序，对其进行容灾备份和恢复的过程中，其包含三个基本运行状态：1)正常运行状态；2)生成检查点文件状态；3)恢复运行状态。根据图5，可以清楚地看出，从检查点文件的生成到应用程序的进程及数据库的恢复需要进行的步骤，为简明起见，在此不予详述。

进一步地，就本发明中主节点与异地备份节点之间数据传输的安全性而言，本发明为提升数据传输的安全，采用了身份认证结合动态加密的技术，具体而言：

其中，所述身份认证技术基于一次性口令(One Time Password，简称OTP)进行身份认证，即在系统或应用程序登录过程中使用一次性密码。在本实施例中，所述身份认证包括两层认证内容：1)客户端的口令；2)客户端的属性，如IP地址。当两者都符合认证时，则确认身份认证完成。例如，提供服务的节点接到另一方节点的连接请求时，可以首先判断客户端口令是否正确，然后再判断客户端IP地址是否在有效的范围或列表中。

其中，所述动态加密通过不断变化密钥来增加明、密文集合之间的对应数量，提高加密强度。本实施例优选微软提供的加密应用程序接口(Cryptography API，简称CryptoAPI)，以提升加密强度。其中，该接口位于应用程序和加密服务提供程序之间(cryptographic service provider，简称CSP)。优选地，在本实施例中，将时间作为密码函数的一个因子，每完成一次备份，根据时间的变化，产生动态密码。然而，由于服务器和客户端的时间通常不能完全对应起来，因此，本实施例优选将服务端的时间作为备份的准时间。具体地，客户端的主要加密函数如下：

CAPIDecryptFile(CString&szsource，CString&szDestination，CString &szPassword)

其中，动态加密过程主要基于上述加密函数中参数szPassword的动态变化来派生不同的密钥。针对加密过程中的密码而言，其组成包括用户本身设置的密码和数据备份时间。优选地，本实施例的加密机制采用MD5(消息摘要算法第五版)。

关于具体的加密解密过程，请参考图6，图6为本发明优选实施例的对主节点(亦称本地服务器)和备份节点(亦称备份服务器)之间进行动态加解密的过程示意图。如图6所示，在本地服务器上，将需要备份的文件根据服务器的时间进行动态加密，生成同名密文文件，并对文件名进行相应处理，例如，可以在文件名的末尾加上特定标志，如“*#*”。举例而言，待备份的文件名为banckup.mP3，通过动态加密后，生成的同名密文文件的文件名为banckup.mP3*#*.即待备份的文件已经在本地服务器上进行了加密镜像。当备份服务器接受本地服务器传送的密文文件后，对该密文文件进行相应处理，例如，去掉文件名的标志位，并在接受该密文文件的最后一个数据包予以解密。

针对本实施例所提供的容灾备份系统，其配置示意图可参考图7，图7为本发明一个优选实施例的容灾备份系统的配置示意图。如图7所示，本发明采用的是双机热备的硬件环境，即将两个节点的服务器通过心跳线进行联络，其中，两个节点都与共同的磁盘阵列相连接。优选地，本系统的双机热备采用主机-备机的方式，而不是双主机的方式。在该方式中，如图7所示，某一服务器处在激活(Active)状态运行业务A，另一服务器处在备用(StandBy)状态运行业务A，当处于激活状态的服务器出现故障时，则本系统自动切换到备用状态的服务器正常运行该业务A。

进一步地，本系统在备份时，可以给用户提供备份整个系统或应用程序或部分文件的选择权限。针对复原点类型时，本系统还提供复原点集合和独立的复原点两种类型，其中，所述复原点集指的是：建立一个复原点后，下次备份只将所改动的文件增加到这个复原点，无需重新建立新的复原点。所述独立的复原点指的是：建立不同的新复原点，而不能在原来的复原点增加相关改动的文件。

本发明所提供的容灾备份系统，与现有技术相比，具有以下优点：

1)本系统将容灾应用范围从容忍节点软硬件故障扩展到异地容灾；

2)由于本系统所提供的容灾恢复支持从最近的检查点直接恢复，无需从头开始，使得运行很长时间的系统或应用可以快速恢复正常；

3)本系统还可以满足长时间应用的约束要求；

4)本系统可同时适合于串行应用和并行应用的容灾恢复。

根据本发明的另一方面，还提供了一种容灾备份方法。请参考图8，图8为本发明另一优选实施例的容灾备份方法的流程示意图。如图8所示，本发明提供的容灾备份方法包括以下步骤：

步骤S801，在启动应用程序前设置检查点参数；

步骤S802，应用程序启动后，在所述应用程序运行过程中，定期将所述应用程序的当前状态保存为检查点文件并将所述检查点文件传输到异地备份节点进行保存；

步骤S803，监测所述应用程序是否出现故障，一旦出现故障，从异地备份节点加载最近的检查点文件恢复所述应用程序的正常运行。

下文，将对上述各步骤进行详述。

其中，所述步骤S802具体包括：

1)定期生成应用程序对应的检查点文件并保存；

2)实时检测是否有新的、完整的检查点文件生成，一旦检测到所述新的、完整的检查点文件，将其传输到异地备份节点进行保存。

具体地，针对需要访问数据库的复杂应用程序的检查点文件的生成，所述步骤S802具体还包括如下步骤：

i)扫描并截获所述应用程序对应的所有数据库连接，将所述数据库连接状态数据保存到相应的数据结构；

ii)基于数据库对数据回退的支持，在设置进程检查点并保存进程状态信息之前，对所述数据库数据设置检查点；

iii)生成所述数据库数据的检查点文件和所述进程的检查点文件，并将两者绑定。

更具体地，就复杂应用程序需要访问的数据库的恢复而言，所述步骤S803中的恢复所述应用程序的正常运行具体包括：

恢复所有需连接的数据库的重连；

获取并查询所述复杂应用程序对应用户的所有数据表，将最近的检查点与上一次检查点之间用户所操作的所有数据表回退到上一次检查点时刻，恢复所有需连接的数据库的数据。

其中，所述容灾备份方法还包括：对所生成的检查点文件进行优化。而优化的方法包括增量算法、内存排除法和数据压缩算法中的至少一种。

为了增强本发明所提供的容灾备份方法的数据传输安全性，本发明采用了身份认证结合动态加密认证的双重机制。

其中，所述身份认证技术基于一次性口令进行身份认证，主要包括两层认证内容：1)客户端的口令；2)客户端的属性，如IP地址。当两者都符合认证时，则确认身份认证完成。例如，提供服务的节点接到另一方节点的连接请求时，可以首先判断客户端口令是否正确，然后再判断客户端IP地址是否在有效的范围或列表中。

其中，所述动态加密优选微软提供的加密应用程序接口(Cryptography API，简称Crypto API)，以提高加密强度。优选地，在本实施例中，将时间作为密码函数的一个因子，每完成一次备份，根据时间的变化，产生动态密码。然而，由于服务器和客户端的时间通常不能完全对应起来，因此，本实施例优选将服务端的时间作为备份的准时间。针对加密过程中的密码而言，其组成包括用户本身设置的密码和数据备份时间。优选地，本实施例的加密机制采用MD5(消息摘要算法第五版)。关于具体的加密解密过程，可再次参考图6，为简明起见，在此不再详述。

本发明所提供的容灾备份方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1)可以快速恢复应用程序的正常运行；

2)针对需要访问数据库的应用程序，实现了进程状态恢复和数据恢复的一致性；

3)结合双层安全机制传输主节点和备份节点之间的数据，增加了容灾备份的安全性。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种容灾备份系统，该系统包括：

检查点参数设置模块，用于在启动应用程序前设置检查点参数；

容灾恢复功能单元，用于应用程序启动后，在所述应用程序运行过程中，定期将所述应用程序的当前状态保存为检查点文件，并将所述检查点文件传输到异地备份节点进行保存；

故障检测模块，用于监测所述应用程序是否出现故障；

应用恢复模块，用于应用程序出现故障时，从备份节点加载最近的检查点文件恢复所述应用程序的正常运行；

其中所述容灾恢复功能单元包括：

扩展检查点模块，用于基于以下过程针对需要访问数据库的应用程序生成检查点文件：

-扫描并截获所述应用程序对应的所有数据库连接，将所述数据库连接状态数据保存到相应的数据结构；

-基于数据库对数据回退的支持，在设置进程检查点并保存进程状态信息之前，对所述数据库数据设置检查点；

-基于所述设置的检查点，生成检查点文件，其中所述检查点文件包括数据库数据的检查点文件和数据库进程的检查点文件。

2.根据权利要求1所述的容灾备份系统，其特征在于，所述容灾恢复功能单元还包括以下模块：

所述应用程序运行其上的检查点模块，用于针对应用程序定期生成检查点文件；

检查点检测模块，用于实时检测是否有新的、完整的检查点文件生成，一旦检测到所述新的、完整的检查点文件，通知文件传输模块；

文件传输模块，收到所述检查点检测模块发出的通知后，将所述新的、完整的检查点文件传输到异地备份节点进行保存。

3.根据权利要求2所述的容灾备份系统，其特征在于，所述应用恢复模块具体执行的操作包括：

恢复所有需连接的数据库的重连；

获取并查询所述应用程序对应用户的所有数据表，将最近的检查点与上一次检查点之间用户所操作的所有数据表回退到上一次检查点时刻，恢复所有需连接的数据库的数据。

4.根据权利要求1所述的容灾备份系统，其特征在于，所述容灾恢复功能单元还包括：

检查点优化模块，用于优化所生成的检查点文件，对其文件大小进行压缩。

5.根据权利要求1-4任一项所述的容灾备份系统，其特征在于，所述应用恢复模块采用身份认证结合动态加密的机制进行数据传输。

6.根据权利要求1-4任一项所述的容灾备份系统，其特征在于，所述系统采用主机-备机方式的双机热备硬件环境。

7.一种容灾备份方法，该方法包括以下步骤：

a)在启动应用程序前设置检查点参数；

b)应用程序启动后，在所述应用程序运行过程中，定期将所述应用程序的当前状态保存为检查点文件并将所述检查点文件传输到异地备份节点进行保存；

c)监测所述应用程序是否出现故障，一旦出现故障，从异地备份节点加载最近的检查点文件恢复所述应用程序的正常运行；

其中，步骤b)中的所述应用程序运行过程中，将所述应用程序的当前状态保存为检查点文件具体包括：

i)扫描并截获需要访问数据库的应用程序对应的所有数据库连接，将所述数据库连接状态数据保存到相应的数据结构；

ii)基于数据库对数据回退的支持，在设置进程检查点并保存进程状态信息之前，对所述数据库数据设置检查点；

iii)基于所述设置的检查点，生成检查点文件，其中所述检查点文件包括数据库数据的检查点文件和数据库进程的检查点文件。

8.根据权利要求7所述的容灾备份方法，其特征在于，所述步骤b)具体包括：

1)定期生成应用程序对应的检查点文件并保存；

2)实时检测是否有新的、完整的检查点文件生成，一旦检测到所述新的、完整的检查点文件，将其传输到异地备份节点进行保存。

9.根据权利要求7或8所述的容灾备份方法，其特征在于，针对复杂应用程序需要访问的数据库的恢复而言，所述步骤c)具体包括：

恢复所有需连接的数据库的重连；

获取并查询所述复杂应用程序对应用户的所有数据表，将最近的检查点与上一次检查点之间用户所操作的所有数据表回退到上一次检查点时刻，恢复所有需连接的数据库的数据。