CN114020539A - 基于云环境下的块存储自适应备份系统 - Google Patents

基于云环境下的块存储自适应备份系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于云环境下的块存储自适应备份系统，包括备份任务调度器和待备份块设备集合，其中，所述备份任务调度器用于控制所述系统的待备份块设备的备份任务的执行和自适应调整备份策略；所述待备份块设备集合包括多个待备份块设备，所述待备份块设备根据对应的全量备份周期执行全量备份操作，在相邻两个全量备份时间点之间根据对应的增量备份周期执行增量备份操作。本发明减小了备份数据量，提高了备份任务分配的均衡性和灵活性。

Description

基于云环境下的块存储自适应备份系统
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种基于云环境下的块存储自适应备份系统。
背景技术
随着云计算技术的发展，云计算走进了各行各业。在一些云环境下，其具有资源变动不频繁，但数据的重要级别非常高的特点。因此，对于在云环境下的数据备份就变的尤为重要。但目前这些云环境下的数据备份，还主要要求云用户在业务层实现数据备份，这样的优点是备份的数量量小，备份比较灵活，但缺点是对云用户要求较高，很多云用户都不具备这种能力。从目前现状来看，云环境下的绝大部分应用都没有在业务层做数据的备份。因此，平台层的备份就变的非常重要。
目前，平台层的备份主要是针对用户云主机对应的块存储进行备份。块存储是指提供块设备存储的接口，通过向内核注册块设备信息，在Linux中通过lsblk可以得到当前主机上块设备信息列表。基于云环境下的块存储即模拟此类块存储的形式进行数据存储。在现有的技术中，大部分是对块存储进行简单的拷贝备份，但这种做法有很多的弊端。由于每次备份的都是整个块存储，这就导致备份的数据量比较大，当单个备份周期中需要备份的块存储比较多时，单个备份周期内的备份数据量就会变的非常庞大，这便存在至少以下几个缺点：一是对目标存储的容量会有很高的要求；二是会导致备份周期无法很小；三是会挤占业务的存储带宽和网络带宽，进而影响线上业务；四是这种备份方式在备份策略的调整上也不够灵活。由此可知，如何提供一种灵活可靠的云环境下的块存储自适应备份策略，减小备份数据量，提高备份任务分配的均衡性，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明目的在于，提供一种基于云环境下的块存储自适应备份系统，减小了备份数据量，提高了备份任务分配的均衡性和灵活性。
根据本发明第一方面，提供了一种基于云环境下的块存储自适应备份系统，包括备份任务调度器和待备份块设备集合，其中，所述备份任务调度器用于控制所述系统的待备份块设备的备份任务的执行和自适应调整备份策略；所述待备份块设备集合包括多个待备份块设备，所述待备份块设备根据对应的全量备份周期执行全量备份操作，在相邻两个全量备份时间点之间根据对应的增量备份周期执行增量备份操作；
所述备份任务调度器在控制所述系统的待备份块设备的备份任务的执行和自适应调整备份策略时，具体实现以下过程：
步骤S1、获取每一备份任务周期中每一待备份块设备执行的全量备份时间或增量备份时间，基于预设的全量备份时间阈值、全量备份时间调整步长、增量备份时间阈值和增量备份时间调整步长调整待备份块的全量备份周期和增量备份周期；
步骤S2、获取预设的时间窗口内的每一备份任务周期对应的所有待备份块的所执行的全量备份和增量备份时间的累计时间，基于预设的累计时间阈值、时间窗口内所有累计时间分布、每一备份任务周期中每一待备份块设备执行的全量备份时间或增量备份时间调整下一时间窗口中待备份块的全量备份时间点或增量备份时间点，其中，所述预设的时间窗口为备份任务周期的N倍，N为大于等于2的正整数。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的一种基于云环境下的块存储自适应备份系统可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
本发明通过增量备份机制的引入，由于增量备份的数据量远远低于全量备份的数据量，大大削减了单备份周期内的备份数据量，提高了备份任务分配的均衡性和灵活性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于云环境下的块存储自适应备份系统示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于云环境下的块存储自适应备份系统的具体实施方式及其功效，详细说明如后。
本发明提供了一种基于云环境下的块存储自适应备份系统，如图1所示，包括备份任务调度器（如图1中110部分所示）和待备份块设备集合（如图1中120部分所示），其中，所述备份任务调度器用于控制所述系统的待备份块设备的备份任务的执行和自适应调整备份策略；所述待备份块设备集合包括多个待备份块设备，所述待备份块设备根据对应的全量备份周期执行全量备份操作，在相邻两个全量备份时间点之间根据对应的增量备份周期执行增量备份操作；
所述备份任务调度器在控制所述系统的待备份块设备的备份任务的执行和自适应调整备份策略时，具体实现以下过程：
步骤S1、获取每一备份任务周期中每一待备份块设备执行的全量备份时间或增量备份时间，基于预设的全量备份时间阈值、全量备份时间调整步长、增量备份时间阈值和增量备份时间调整步长调整待备份块的全量备份周期和增量备份周期；
其中，若待备份块设备在备份任务周期中执行全量备份操作，则获取执行的全量备份时间。若待备份块设备在备份任务周期中执行增量操作，则获取执行增量备份时间，如果在该备份任务周期中没有执行备份操作，则无需获取该备份任务周期中的执行时间。全量备份时间阈值、增量备份时间阈值可以基于当前预设之间窗口中全量备份时间均值和增量备份时间均值动态调整。全量备份时间调整步长和增量备份时间调整步长根据具体应用需求来设定，其中，全量备份时间调整步长大于增量备份时间调整步长。
步骤S2、获取预设的时间窗口内的每一备份任务周期对应的所有待备份块的所执行的全量备份和增量备份时间的累计时间，基于预设的累计时间阈值、时间窗口内所有累计时间分布、每一备份任务周期中每一待备份块设备执行的全量备份时间或增量备份时间调整下一时间窗口中待备份块的全量备份时间点或增量备份时间点，其中，所述预设的时间窗口为备份任务周期的N倍，N为大于等于2的正整数。
需要说明的是，根据设置的备份任务执行周期以及预设的时间窗口，循环执行备份任务、以及备份任务调整即可。预设的时间窗口可以基于预设的滑动步长滑动，滑动步长小于等于时间窗口内包括的备份任务周期数量，作为一种实施例，滑动步长等于时间窗口内包括的备份任务周期数量。可以理解的是，图1中，“增备”是“增量备份”的简写，“全备”是“全量备份”的简写。
全量备份和增量备份相结合的备份策略效果如图1中140部分所示，全量备份为粗粒度的备份，备份的数据量较大，备份周期较长，增量备份为细粒度的备份，备份数据量较小，备份周期较短，作为一种示例，某一待备份块存储的全量备份周期可以设置为30天、45天或60天等，增量备份时间可以设置为1天、2天、3天等，备份任务周期可以设置为1天，需要说明的是，待备份块存储的全量备份时间和增量备份时间通常不会超过一个备份任务周期，例如，执行全量备份时间为3个小时，执行增量备份时间为20分钟。备份任务调度器会基于每个待备份块存储的全量备份时间，将其分散到整个全备周期内，确保每次备份任务的工作负载基本一致。本发明通过增量备份机制的引入，由于增量备份的数据量远远低于全量备份的数据量，大大削减了单备份周期内的备份数据量，提高了备份任务分配的均衡性和灵活性。
作为一种实施例，所述系统还包括数据库，所述备份任务调度器能够访问所述数据库，所述数据库用于存储每一待备份块设备的备份信息记录。所述备份信息记录包括待备份存储块设备标识字段、全量备份周期字段、增量备份周期字段、全量备份时间点字段、增量备份时间点字段和历史备份数据字段。其中，全量备份周期和增量备份周期均为备份任务周期的整数倍，全量备份周期大于增量备份周期，同一待备份存储块在同一备份任务周期中执行全量备份操作、增量备份操作或者不执行备份操作。需要说明的是，历史备份数据字段具体可包括历史备份的数据、对应的备份时间、备份形式、备份任务周期标识和时间窗标识等。
待备份存储块设备标识字段、全量备份周期字段、增量备份周期字段、全量备份时间点字段、增量备份时间点字段和历史备份数据字段随着备份任务调度器对备份任务的调整而更新。具体的，作为一种实施例，当所述备份任务调度器调整待备份块的全量备份周期、增量备份周期时，更新所述数据库中对应的全量备份周期、增量备份周期字段，同时根据更新后的全量备份周期、增量备份周期更新对应的全量备份时间点字段、增量备份时间点字段。当所述备份任务调度器调整待备份块的全量备份时间点或增量备份时间点时，更新对应的全量备份时间点字段、增量备份时间点字段。
由于云环境下，会不断出现新增待备份块设备（如图中130部分所示），为了避免新增待备份块设备对备份任务的影响，以及合理对新增待备份块设备备份，实现自适应调整，所述步骤S1之前还包括：
步骤S10、判断当前备份任务周期中是否存在新增待备份块设备，若存在，则执行步骤S20，否则，直接执行步骤S1；
步骤S20、基于当前数据库中的历史备份数据预测所述新增待备份块设备的全量备份周期和全量备份时间点，基于所述新增待备份块设备的全量备份时间点和预设的初始增量备份周期初始值确定增量备份时间点；
需要说明的是，由于新增待备份块设备没有历史数据，因此，基于当前数据库中的其他相关待备份块设备的历史数据进行预测。
步骤S30、基于所述新增待备份块设备的全量备份周期、全量备份时间点、初始增量备份周期、增量备份时间点生成对应的备份信息记录，添加至所述数据库，将所述新增待备份块设备加入所述待备份块设备集合中，然后执行步骤S1。
通过对新增备份块存储的全量备份时间的预测，可以为其确定最佳的备份策略。
需要说明的是，当新增待备份块设备的备份信息记录加入数据库中，新增待备份块设备加入待备份块设备集合中后，该新增待备份块设备也会加入备份任务调度器的备份任务调整过程，实现自适应调整。由于增量备份周期通常较短，因此，直接为新增待备份块设备的增量备份周期设置初始值即可，随着后续自适应调整，会快速准确调整到更为准确的值。
作为一种实施例，所述步骤S20中，基于当前数据库中的历史备份数据预测所述新增待备份块设备的全量备份周期和全量备份时间点，包括：
步骤S201、从所述数据库中选取与所述新增待备份块设备的磁盘使用量相同或者呈倍数关系的候选待备份块设备的历史全量备份时间；
步骤S202、基于所述候选待备份块设备的历史备份数据进行线性预测，获取所述新增待备份块设备的全量备份时间和全量备份周期；
步骤S203、基于下一预设的时间窗口内的待备份块的全量备份时间点或增量备份时间点以及上一时间窗口内每一待备份块设备执行的全量备份时间或增量备份时间预测下一预设的时间窗口内的所有累计时间分布，基于下一预设的时间窗口内的所有累计时间分布和所述新增待备份块设备的全量备份时间确定所述新增待备份块设备的全量备份时间点。
本发明通过基于历史全量备份、增量备份的用时统计数据调整备份策略的机制，增加了备份的灵活性，避免出现备份任务不均匀、多次备份任务发生交叠的问题。
作为一种实施例，所述步骤S1中，包括：
步骤S11、将当前备份任务周期中执行全量备份时间超过预设全量备份时间阈值的待备份块设备，或者执行增量备份时间超过预设增量备份时间阈值的待备份块设备确定为待调整块设备，将对应的全量备份周期或增量备份周期确定为待调整周期；
步骤S12、以Tx1表示待调整周期的当前周期，Tx2表示待调整周期更新后的周期：
Tx2=Tx1+[（t1-t0）/ t0]*a；
其中，t1为待调整块设备对应的当前备份任务周期中执行全量备份时间或执行增量备份时间，t0为当前备份任务周期中所有待备份块设备执行全量备份时间的均值或执行增量备份时间的均值，a为全量备份时间调整步长或增量备份时间调整步长。
可以理解的是，当待调整周期对应为全量备份周期，t1为待调整块设备对应的当前备份任务周期中执行全量备份时间，t0为当前备份任务周期中所有待备份块设备执行全量备份时间的均值，a为全量备份时间调整步长。当待调整周期对应为增量备份周期，t1为待调整块设备对应的当前备份任务周期中执行增量备份时间，t0为当前备份任务周期中所有待备份块设备执行增量备份时间的均值，a为增量备份时间调整步长。
作为一种实施例，所述全量备份时间阈值为当前备份任务周期中所有待备份块设备执行全量备份时间的均值的b倍，所述增量备份时间阈值为当前备份任务周期中所有待备份块设备执行增量备份时间的均值的c倍，b和c的取值范围为（1,1.5）。例如，b和c的取值设置为1.2。
作为一种实施例，所述步骤S2包括：
步骤S21、获取预设的时间窗口内的累计时间超过累计时间阈值的备份任务周期作为第一待调整备份任务周期，获取预设的时间窗口内的累计时间低于第一累计时间阈值的备份任务周期作为第二待调整备份任务周期；
步骤S22、获取第一待调整备份任务周期中全量备份时间超过全量备份时间阈值的待备份块设备作为待调整设备；
步骤S23、将所述待调整设备的备份任务均衡分配至下一时间窗口中与第二待调整备份任务周期位置对应的备份任务周期中，达到削峰填谷的效果，如图1中150部分所示。
其中，所述累计时间阈值为当前预设时间窗口内所有备份任务周期对应的累计时间的均值的c倍，c的取值范围为（1,1.5），作为一种实施例，c的取值为1.2。
随着备份任务的执行，存储的备份数据量不断增加，占据大量的存储空间，且随着时间的推移或者部分待存储块设备被删除等原因，部分历史数据的存储已经无意义，因此需要清理所有过期的备份数据，来释放存储空间。本发明实施例定义了两种过期数据：一种是超过最长备份时限的备份数据，一种是已删除的块存储对应的备份数据，对于第二种过期数据，可以设置最短保留期限，超过保留期限后再进行清理，进一步提高数据备份的安全性和可靠性。数据删除可以在每一备份任务周期执行完成后执行，也可以在每一预设时间窗执行完备份调整后执行。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于云环境下的块存储自适应备份系统，其特征在于，
包括备份任务调度器和待备份块设备集合，其中，所述备份任务调度器用于控制所述系统的待备份块设备的备份任务的执行和自适应调整备份策略；所述待备份块设备集合包括多个待备份块设备，所述待备份块设备根据对应的全量备份周期执行全量备份操作，在相邻两个全量备份时间点之间根据对应的增量备份周期执行增量备份操作；
所述备份任务调度器在控制所述系统的待备份块设备的备份任务的执行和自适应调整备份策略时，具体实现以下过程：
步骤S1、获取每一备份任务周期中每一待备份块设备执行的全量备份时间或增量备份时间，基于预设的全量备份时间阈值、全量备份时间调整步长、增量备份时间阈值和增量备份时间调整步长调整待备份块的全量备份周期和增量备份周期；
步骤S2、获取预设的时间窗口内的每一备份任务周期对应的所有待备份块的所执行的全量备份和增量备份时间的累计时间，基于预设的累计时间阈值、时间窗口内所有累计时间分布、每一备份任务周期中每一待备份块设备执行的全量备份时间或增量备份时间调整下一时间窗口中待备份块的全量备份时间点或增量备份时间点，其中，所述预设的时间窗口为备份任务周期的N倍，N为大于等于2的正整数。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述系统还包括数据库，所述备份任务调度器能够访问所述数据库，所述数据库用于存储每一待备份块设备的备份信息记录，
所述备份信息记录包括待备份存储块设备标识字段、全量备份周期字段、增量备份周期字段、全量备份时间点字段、增量备份时间点字段和历史备份数据字段，其中，全量备份周期和增量备份周期均为备份任务周期的整数倍，全量备份周期大于增量备份周期，同一待备份存储块在同一备份任务周期中执行全量备份操作、增量备份操作或者不执行备份操作。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
当所述备份任务调度器调整待备份块的全量备份周期、增量备份周期时，更新所述数据库中对应的全量备份周期、增量备份周期字段，同时根据更新后的全量备份周期、增量备份周期更新对应的全量备份时间点字段、增量备份时间点字段；
当所述备份任务调度器调整待备份块的全量备份时间点或增量备份时间点时，更新对应的全量备份时间点字段、增量备份时间点字段。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
步骤S1之前还包括：
步骤S10、判断当前备份任务周期中是否存在新增待备份块设备，若存在，则执行步骤S20，否则，直接执行步骤S1；
步骤S20、基于当前数据库中的历史备份数据预测所述新增待备份块设备的全量备份周期和全量备份时间点，基于所述新增待备份块设备的全量备份时间点和预设的初始增量备份周期初始值确定增量备份时间点；
步骤S30、基于所述新增待备份块设备的全量备份周期、全量备份时间点、初始增量备份周期、增量备份时间点生成对应的备份信息记录，添加至所述数据库，将所述新增待备份块设备加入所述待备份块设备集合中，然后执行步骤S1。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
所述步骤S20中，基于当前数据库中的历史备份数据预测所述新增待备份块设备的全量备份周期和全量备份时间点，包括：
步骤S201、从所述数据库中选取与所述新增待备份块设备的磁盘使用量相同或者呈倍数关系的候选待备份块设备的历史全量备份时间；
步骤S202、基于所述候选待备份块设备的历史备份数据进行线性预测，获取所述新增待备份块设备的全量备份时间和全量备份周期；
步骤S203、基于下一预设的时间窗口内的待备份块的全量备份时间点或增量备份时间点以及上一时间窗口内每一待备份块设备执行的全量备份时间或增量备份时间预测下一预设的时间窗口内的所有累计时间分布，基于下一预设的时间窗口内的所有累计时间分布和所述新增待备份块设备的全量备份时间确定所述新增待备份块设备的全量备份时间点。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的系统，其特征在于，
所述步骤S1中，包括：
步骤S11、将当前备份任务周期中执行全量备份时间超过预设全量备份时间阈值的待备份块设备，或者执行增量备份时间超过预设增量备份时间阈值的待备份块设备确定为待调整块设备，将对应的全量备份周期或增量备份周期确定为待调整周期；
步骤S12、以Tx1表示待调整周期的当前周期，Tx2表示待调整周期更新后的周期：
Tx2=Tx1+[（t1-t0）/ t0]*a；
其中，t1为待调整块设备对应的当前备份任务周期中执行全量备份时间或执行增量备份时间，t0为当前备份任务周期中所有待备份块设备执行全量备份时间的均值或执行增量备份时间的均值，a为全量备份时间调整步长或增量备份时间调整步长。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述全量备份时间阈值为当前备份任务周期中所有待备份块设备执行全量备份时间的均值的b倍，所述增量备份时间阈值为当前备份任务周期中所有待备份块设备执行增量备份时间的均值的c倍，b和c的取值范围为（1,1.5）。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的系统，其特征在于，
所述步骤S2包括：
步骤S21、获取预设的时间窗口内的累计时间超过累计时间阈值的备份任务周期作为第一待调整备份任务周期，获取预设的时间窗口内的累计时间低于第一累计时间阈值的备份任务周期作为第二待调整备份任务周期；
步骤S22、获取第一待调整备份任务周期中全量备份时间超过全量备份时间阈值的待备份块设备作为待调整设备；
步骤S23、将所述待调整设备的备份任务均衡分配至下一时间窗口中与第二待调整备份任务周期位置对应的备份任务周期中。
9.根据权利要求8中任意一项所述的系统，其特征在于，
所述累计时间阈值为当前预设时间窗口内所有备份任务周期对应的累计时间的均值的c倍，c的取值范围为（1,1.5）。
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