CN105389230A - 一种结合快照技术的持续数据保护系统及方法 - Google Patents

一种结合快照技术的持续数据保护系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种结合快照技术的持续数据保护系统及方法，包括：通过网络均可相互连通的客户端、服务器端和存储专用设备，结合了存储快照的瞬间恢复特性和块级CDP技术的I/O级别细粒度恢复特性，该方法应用于数据备份和数据恢复。与现有技术相比，本发明具有节约时间、节省存储空间等优点。

Description

一种结合快照技术的持续数据保护系统及方法
技术领域
本发明涉及数据备份领域的CDP(ContinuousDataProtection)技术和计算机信息存储技术领域的快照技术，尤其是涉及一种结合快照技术的持续数据保护系统及方法。
背景技术
随着信息时代的来临，如今的计算机已经深入到我们生活的方方面面，绝大部分企业都依靠计算机系统来运行其核心业务，因而，系统产生的大量数据也成为企业最宝贵的财富，如何保护这些数据也成了企业关注的焦点。
块级CDP数据保护技术是目前比较流行的一种数据保护技术，它忽略上层应用，直接把焦点聚集在文件系统层和卷设备层，通过捕获系统I/O，并将I/O重定向到存储介质，保存所有变化I/O，达到数据保护的目的。但是这种方式有其固有的弊端：
1、冗余数据过多，保留了太多的I/O过程数据，对备份存储介质空间造成了极大的浪费；
2、要使捕获的I/O有效，首先要对待保护的卷做一次完整的初始化复制，生成一个卷数据的完整的副本，后续所有捕获的I/O都是基于该副本才有效，由于涉及到历史数据清理，所以需要定期做初始化复制，对于某些业务数据量很大的环境，初始化一次的时间周期会很长，而初始化期间虽然已经开始捕获系统I/O变化数据，但是由于不存在对应的初始化副本，因此实际上系统在这段时间，数据是处于非保护状态的，因此会频繁存在数据保护真空期；
3、恢复速度慢，回滚到某一时间点，需要找到前一个可用的初始化副本，然后基于该初始化副本做I/O回滚，直到回滚到指定时间点，由于两次初始化之间的时间间隔一般比较长，因此数据恢复时间可能被拉的很长，满足不了某些企业对RTO(RecoveryTimeObjective)的要求；
快照技术也是目前比较主流的一种数据保护技术，后台存储通过SAN(StorageAreaNetworking)挂卷到用户主机用作业务系统的数据存储介质，利用存储提供的快照功能，定期对用户业务系统数据存储介质对应的LUN(LogicalUnitNumber)执行快照，如果主机端业务数据发生故障或损坏，直接回滚到前一个对于主机业务系统可用的快照，在主机端不知情的情况下实现数据保护功能。但是这种方式也有其固有的缺陷：
1、目前主流存储都对LUN的快照数量有限制，导致数据保留周期十分有限；
2、生成快照的时间与LUN的大小以及变化数据量成正比，不能过于频繁的对LUN生成快照，满足不了某些企业对于RPO(RecoveryPointObjective)的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种结合存储快照的瞬间恢复特性和块级CDP技术的I/O级别细粒度恢复特性，给用户生产系统提供持续数据保护和I/O级别细粒度快速恢复的系统及方法，充分结合了块级CDP技术和快照技术的优点，达到了块级CDP技术的恢复粒度和接近于快照技术的恢复速度，克服了CDP技术和存储快照技术单纯运用在数据保护解决方案中的不足。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种结合快照技术的持续数据保护系统，其特征在于，包括：通过网络均可相互连通的客户端、服务器端和存储专用设备，结合存储快照的瞬间恢复特性和块级CDP技术的I/O级别细粒度恢复特性。
所述的客户端包括：
应用数据源解析模块，用于将用户选择的应用数据源解析成监控数据源；
CDP内核驱动模块，用于负责监控指定的磁盘卷路径范围内的I/O变化，捕获I/O数据以及元数据，并给I/O加上时间戳，以设定格式转储到存储专用设备提供的CDP日志卷上；
主机端CDP代理模块，与CDP内核驱动模块连接，用于在初始化复制阶段，将监控卷的数据同步到镜像卷；在增量复制阶段，从CDP日志卷中解析I/O数据，同步到镜像卷，并对每一单位时间内的I/O数量进行统计，发送到服务器端；
I/O日志恢复模块，用于在数据恢复过程中，负责解析CDP日志卷中的I/O数据，将I/O数据恢复到对应的镜像卷；
第一控制模块，分别与应用数据源解析模块、主机端CDP代理模块和I/O日志恢复模块连接。
所述的服务器端包括：
任务管理模块，用于在数据备份和恢复时，创建任务、状态控制、绘制备份任务对应监控卷的I/O统计图；
存储管理模块，用于负责与存储专用设备进行交互，完成卷挂载、卷卸载、创建卷快照、删除卷快照功能；
数据库管理模块，用于负责保存任务信息；
第二控制模块，分别与任务管理模块、存储管理模块和数据库管理模块连接。
一种结合快照技术的持续数据保护方法，其特征在于，该方法应用于数据备份和数据恢复。
所述的数据备份包括以下步骤：
(101)解析应用数据源，获取待保护的数据卷信息；
(102)从存储专用设备上分配指定大小的LUN并挂载到主机端，用作镜像卷和日志卷；
(103)初始化复制阶段：将监控卷的数据同步到镜像卷；
(104)增量备份阶段：将I/O变化数据写入到日志卷和镜像卷；
(105)判断是否达到计划快照时间，如果是，则对镜像卷对应的LUN执行快照，并执行步骤(106)，否则，返回步骤(104)；
(106)判断快照副本数是否超出限制，如果是，则删除快照，清理相应的I/O日志，否则，返回步骤(104)。
所述的数据恢复包括以下步骤：
(201)配置数据恢复参数；
(202)绘制I/O统计图，并据此选择恢复目标时间点；
(203)选择数据恢复目标客户端及配置可用数据通道；
(204)传入恢复目标时间点对应的快照名，将镜像卷对应的快照克隆生成克隆卷，将克隆卷通过步骤(203)中的数据通道挂载到目标客户端；
(205)判断恢复目标时间点与快照时间点是否一致，如果是，则数据恢复成功，否则，转步骤(206)；
(206)查询数据库，找到镜像卷对应的日志卷；
(207)判断步骤(206)中的日志卷是否在使用，如果是，则将日志卷生成快照后克隆，并通过步骤(203)中的数据通道挂载到目标客户端，并执行步骤(208)；否则，直接通过存储管理模块将日志卷通过步骤(203)中的数据通道挂载到目标客户端，并执行步骤(208)；
(208)锁定镜像卷，回写快照时间点与目标时间点之间的I/O日志。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)定期给主机端卷设备对应的存储端LUN执行快照，快照副本+I/O日志的恢复模式，恢复到任意时间点都不需要从初始化时间点开始，而只需要从上一个快照时间点开始恢复增量I/O数据，极大的缩短了恢复到任意I/O时间点卷设备数据对应状态所需的时间；
(2)由于日志卷中保存的I/O增量数据不再只依附于待保护卷设备的初始化数据集，在持续数据保护任务正常运行的周期内，无需对待保护卷设备数据做重复初始化复制，节省了大量存储空间，减少了数据保护真空期；
(3)采用I/O统计图供选择恢复目标时间点，可以直观的看出上层应用的I/O波峰与波谷，恢复位于波谷的时间点，可以有效避免应用数据一致性问题，且通过调整I/O计数的时间单位，实现系统I/O级别的数据恢复粒度。
附图说明
图1为本发明结合快照技术的持续数据保护系统结构图；
图2为本发明数据备份工作流程图；
图3为本发明数据恢复工作流程图；
图4为I/O统计图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明结合快照技术的持续数据保护系统，包括：通过网络均可相互连通的客户端、服务器端和存储专用设备，结合存储快照的瞬间恢复特性和块级CDP技术的I/O级别细粒度恢复特性。
所述的客户端包括：
应用数据源解析模块，用于将用户选择的应用数据源解析成监控数据源，具体来说是：将用户选择的应用数据库实例或文件等其他格式的数据源解析成以磁盘卷为单位的监控数据源；
CDP内核驱动模块，用于负责持续监控指定的磁盘卷路径范围内的I/O变化，实时捕获I/O数据以及元数据，并给I/O加上时间戳，以设定格式转储到存储专用设备提供的CDP日志卷上；
主机端CDP代理模块，与CDP内核驱动模块连接，用于在初始化复制阶段，将监控卷的有效数据同步到镜像卷；在增量复制阶段，从CDP日志卷中解析I/O数据，同步到镜像卷，并根据I/O时间戳对每一单位时间内的I/O数量进行统计，发送到服务器端；
I/O日志恢复模块，用于在数据恢复过程中，负责解析CDP日志卷中的I/O数据，将I/O数据恢复到对应的镜像卷；
第一控制模块，分别与应用数据源解析模块、主机端CDP代理模块和I/O日志恢复模块连接。
所述的服务器端包括：
任务管理模块，用于在数据备份和恢复时，创建任务、状态控制、绘制备份任务对应监控卷的I/O统计图；
存储管理模块，用于负责与存储专用设备进行交互，完成卷挂载、卷卸载、创建卷快照、删除卷快照等功能；
数据库管理模块，用于负责保存任务信息，这些任务信息主要包括任务监控卷、镜像卷、快照关系，监控卷对应的I/O时间戳统计信息；
第二控制模块，分别与任务管理模块、存储管理模块和数据库管理模块连接。
利用上述系统实施结合快照技术的持续数据保护方法，该方法应用于数据备份和数据恢复。
如图2所示，所述的数据备份过程包括以下步骤：
(101)解析应用数据源，获取待保护的数据卷信息，具体来说，创建任务，指定备份数据源，快照频率，日志卷大小等参数，将备份数据源转换成以磁盘卷为单位的备份路径，并获取磁盘卷的参数信息；
(102)从存储专用设备上分配指定大小的LUN并挂载到主机端，用作镜像卷和日志卷，具体来说，从指定存储专用设备分配指定大小的LUN通过FC链路或者iSCSI链路挂载到主机端，并调用主机操作系统提供的API传入磁盘卷的参数信息完成磁盘上线、创建逻辑卷、格式化等操作。另外，额外挂载一个LUN作为日志卷，用于保存系统I/O变化数据；
(103)初始化复制阶段：将监控卷的数据同步到镜像卷，具体来说，对监控卷执行初始化复制，将数据同步写入到对应的镜像卷，同时，主机端CDP代理模块捕获增量数据并将数据写入日志卷；
(104)增量备份阶段：将I/O变化数据写入到日志卷和镜像卷，具体来说，从日志卷中持续不断的同步增量数据到镜像卷，并根据I/O日志条目的时间戳，统计每一秒内的I/O次数，将该值通过任务管理模块，写入数据库，在数据恢复时，绘制I/O统计图，供用户选择恢复目标时间点；
(105)判断是否达到计划快照时间，如果是，则通过存储管理模块向后台存储发起对镜像卷对应的LUN的快照请求，等快照成功生成后，将快照时间戳和快照名写入数据库对镜像卷，并执行步骤(106)，否则，返回步骤(104)；
(106)判断快照副本数是否超出限制，如果是，则删除快照，清理相应的I/O日志，否则，返回步骤(104)。
如图3所示，所述的数据恢复包括以下步骤：
(201)根据任务信息选择要恢复的数据，并配置数据恢复参数；
(202)绘制I/O统计图，并据此选择恢复目标时间点，具体来说，任务管理模块从数据库中提取出目标监控卷所对应I/O记录，绘制成I/O统计图(以I/O时间戳为横坐标，I/O计数为纵坐标)，并将I/O统计图展现在界面供用户选择；；
(203)选择数据恢复目标客户端及配置可用数据通道，具体来说，任务管理模块列出当前可用的目标客户端及该客户端与存储专用设备可达的FC链路或iSCSI通路，提供选择；
(204)传入恢复目标时间点对应的快照名，通过存储管理模块将镜像卷对应的快照克隆生成克隆卷，将克隆卷通过步骤(203)中的数据通道挂载到目标客户端,并完成磁盘上线，分配驱动器号等操作并返回驱动器号；
(205)判断恢复目标时间点与快照时间点是否一致，如果是，则数据恢复成功，否则，转步骤(206)；
(206)查询数据库，找到镜像卷对应的日志卷，具体来说，从数据库中查询出当前恢复目标时间点的上一个快照，找到该快照对应的快照名，通过存储管理模块将镜像卷对应的快照克隆，将克隆卷通过步骤(203)中的数据通道挂载到目标客户端，并完成磁盘上线，分配驱动器号后，锁定镜像卷，查询数据库，找到镜像卷对应的日志卷；
(207)判断步骤(206)中的日志卷是否在使用，如果是，则将日志卷生成快照后克隆，并通过步骤(203)中的数据通道挂载到目标客户端，并执行步骤(208)；否则，直接通过存储管理模块将日志卷通过步骤(203)中的数据通道挂载到目标客户端，并执行步骤(208)；
(208)锁定镜像卷，回写快照时间点与目标时间点之间的I/O日志，具体来说，调用I/O日志恢复模块，将快照时间点与目标时间点之前的I/O恢复到镜像卷，恢复完成后，将日志卷卸载，解锁镜像卷，返回镜像卷驱动器号，至此，数据恢复完成。
具体实施例：
根据上述理论，设计的一种结合快照和CDP技术的数据保护系统如图1所示，客户端部署在受保护的计算机上，服务器端部署在其他计算机上，但务必保证服务器端部署的计算机稳定可靠。存储设备必须是服务器端存储管理模块支持的存储设备类型，也可理解成该数据保护方案的专用存储设备，该设备必须与受保护计算机通过存储专用网络(FC-SAN或iSCSI-SAN)连接在一起。
上述系统应用于数据备份和数据恢复。
结合快照和CDP技术的数据保护方法包含以下实施步骤：
1、安装客户端到一个SQLServer主机A上，服务器端部署在主机B上，专用存储设备C与主机A通过存储专用网络连接在一起，A，B，C相互之间均网络可达；
2、在主机B登陆服务器端的WEB管理页面创建基于SQLServer应用的数据保护任务，选定主机A，主机A上部署的客户端自动发现机器是有数据库实例，将信息返回给服务器端展现在WEB界面供用户选择，用户选择需要保护的SQLServer数据库实例SQLInstance,并配置实例的访问权限信息、快照频率F、数据保留周期T、日志卷大小(Size＝100GB)等任务参数；
3、服务端将实例SQLInstance权限信息发送给部署在A上的客户端，客户端通过应用数据源解析模块获取实例SQLInstance所在卷(监控卷)的驱动器号(D)、文件系统类型(NTFS)、大小(Size＝500GB)等信息返回给服务器；
4、服务器端根据监控卷大小和日志卷大小向专用存储设备发起挂卷到请求，挂载一个501GB的卷(镜像卷所在磁盘要比监控卷稍大，因为磁盘分区会造成部分磁盘空间不可用)和一个100GB的卷到主机A，挂卷成功后，客户端检测到新增磁盘Disk5和Disk6，其中Disk5大小为501GB，Disk6为100GB，完成磁盘上线的操作，并将Disk5初始化，并创建分区，在分区上创建镜像卷，大小为500GB，以NTFS文件系统格式化，分配操作系统预留驱动器号M，将Disk6初始化，并创建分区，在分区上创建日志卷，大小为100GB，以NTFS文件系统格式化，分配操作系统预留驱动器号J；
4、客户端返回操作成功消息给服务器端，至此，任务创建成功。；
5、开始任务，通知CDP内核驱动模块开始对监控卷范围内的所有I/O进行监控，并将I/O打上时间戳，组织成特定I/O日志格式写入日志卷J；
6、对监控卷D做完全初始化复制，根据NTFS文件系统位图表将有效数据全部同步到镜像卷M，直至初始化数据同步完成；
7、持续同步日志卷J内的I/O日志到镜像卷M，并根据I/O时间戳，统计每一秒I/O的计数持续发送到服务器端，服务器端定期将I/O统计数据写入数据库；
8、根据快照频率F向服务器端发送快照请求，服务器端收到快照请求后，将消息转发给存储设备C，存储设备C对镜像卷M对应的LUN执行快照操作，并返回执行结果，服务器端将快照信息存入数据库，并检测快照副本数是否超出任务限定值，如超出则向存储设备发起删除最早快照的请求，删除成功后，将该快照对应数据库中的记录也删除，并将当前快照队列最早快照时间戳发送给客户端，客户端负责清理掉早于该快照时间点的I/O日志；
9、如无中断性异常或任务停止请求，转步骤6；
如图3所示，结合快照和CDP技术的数据备份方法包含以下实施步骤：
前置条件：用作数据恢复的计算机必须安装客户端，操作系统类型与受保护的计算机保持一致，与专用存储设备通过存储专用网络(FC-SAN或iSCSI-SAN)连接在一起，且必须连接到服务器端(这里为阐述方便，假设恢复目标计算机就是受保护的计算机A，则前置条件必然满足)。
1、通过服务器端的WEB管理页面创建针对指定备份任务的数据恢复任务，服务器从数据库中提取该数据保护任务的I/O时间戳记录，并绘制成如图4所示的I/O统计图，供用户选择恢复目标时间点；
2、指定恢复目标时间戳TimestampN、目标客户端机器A；
3、查询数据库，找到TimestampN的上一个快照时间戳STimestampN，向专用存储设备发起请求，将STimestampN对应的快照克隆后，挂载到恢复目标客户端，挂载成功后，此时机器A上检测到新增一个大小为501GB的磁盘Disk7；
4、若恢复目标时间戳TimestampN与STimestampN相同，则通知机器A的客户端完成磁盘Disk7上线，给镜像卷分配分配操作系统预留驱动器号R，通过WEB界面提示数据恢复任务完成；
5、若恢复TimestampN与STimestampN不相同，则向专用存储设备发起请求，将该镜像卷对应的日志卷克隆，挂载到恢复目标客户端，挂载操作成功后，此时机器A上检测到新增一个大小为100GB的磁盘Disk8，通知客户端，客户端将Disk7和Disk8磁盘上线、给Disk7上的数据分区分配操作系统预留驱动器号R，给Disk8上的数据分区分配操作系统预留驱动器号T，锁定镜像卷R，然后从日志卷T将STimestampN到TimestampN之间的I/O日志写入到镜像卷R；
6、I/O日志回写完成后，将磁盘Disk8离线，镜像卷R解锁，并通知服务器端，服务器端向存储专用设备发起请求，卸载Disk8对应的LUN，并删除LUN对应的克隆，然后通过WEB界面提示数据恢复任务完成。

Claims (6)

1.一种结合快照技术的持续数据保护系统，其特征在于，包括：通过网络均可相互连通的客户端、服务器端和存储专用设备，结合存储快照的瞬间恢复特性和块级CDP技术的I/O级别细粒度恢复特性。
2.根据权利要求1所述的一种结合快照技术的持续数据保护系统，其特征在于，所述的客户端包括：
应用数据源解析模块，用于将用户选择的应用数据源解析成监控数据源；
CDP内核驱动模块，用于负责监控指定的磁盘卷路径范围内的I/O变化，捕获I/O数据以及元数据，并给I/O加上时间戳，以设定格式转储到存储专用设备提供的CDP日志卷上；
主机端CDP代理模块，与CDP内核驱动模块连接，用于在初始化复制阶段，将监控卷的数据同步到镜像卷；在增量复制阶段，从CDP日志卷中解析I/O数据，同步到镜像卷，并对每一单位时间内的I/O数量进行统计，发送到服务器端；
I/O日志恢复模块，用于在数据恢复过程中，负责解析CDP日志卷中的I/O数据，将I/O数据恢复到对应的镜像卷；
第一控制模块，分别与应用数据源解析模块、主机端CDP代理模块和I/O日志恢复模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种结合快照技术的持续数据保护系统，其特征在于，所述的服务器端包括：
任务管理模块，用于在数据备份和恢复时，创建任务、状态控制、绘制备份任务对应监控卷的I/O统计图；
存储管理模块，用于负责与存储专用设备进行交互，完成卷挂载、卷卸载、创建卷快照、删除卷快照功能；
数据库管理模块，用于负责保存任务信息；
第二控制模块，分别与任务管理模块、存储管理模块和数据库管理模块连接。
4.一种实施权利要求1所述的结合快照技术的持续数据保护方法，其特征在于，该方法应用于数据备份和数据恢复。
5.根据权利要求4所述的持续数据保护方法，其特征在于，所述的数据备份包括以下步骤：
(101)解析应用数据源，获取待保护的数据卷信息；
(102)从存储专用设备上分配指定大小的LUN并挂载到主机端，用作镜像卷和日志卷；
(103)初始化复制阶段：将监控卷的数据同步到镜像卷；
(104)增量备份阶段：将I/O变化数据写入到日志卷和镜像卷；
(105)判断是否达到计划快照时间，如果是，则对镜像卷对应的LUN执行快照，并执行步骤(106)，否则，返回步骤(104)；
(106)判断快照副本数是否超出限制，如果是，则删除快照，清理相应的I/O日志，否则，返回步骤(104)。
6.根据权利要求4所述的持续数据保护方法，其特征在于，所述的数据恢复包括以下步骤：
(201)配置数据恢复参数；
(202)绘制I/O统计图，并据此选择恢复目标时间点；
(203)选择数据恢复目标客户端及配置可用数据通道；
(204)传入恢复目标时间点对应的快照名，将镜像卷对应的快照克隆生成克隆卷，将克隆卷通过步骤(203)中的数据通道挂载到目标客户端；
(205)判断恢复目标时间点与快照时间点是否一致，如果是，则数据恢复成功，否则，转步骤(206)；
(206)查询数据库，找到镜像卷对应的日志卷；
(207)判断步骤(206)中的日志卷是否在使用，如果是，则将日志卷生成快照后克隆，并通过步骤(203)中的数据通道挂载到目标客户端，并执行步骤(208)；否则，直接通过存储管理模块将日志卷通过步骤(203)中的数据通道挂载到目标客户端，并执行步骤(208)；
(208)锁定镜像卷，回写快照时间点与目标时间点之间的I/O日志。
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