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運用快照強化實現低成本災難復原機制
網路與儲存技術專欄(10)

【作者: LSI】   2009年10月14日 星期三

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多年來,針對大型主機及開放系統運算環境的災難復原(Disaster Recovery;DR)資料鏡射一直在持續進行著。可惜的是,由於此類解決方案的高成本與複雜度,通常只有IT預算充裕的大型組織,才有辦法建置。



然而,市場對於低成本災難復原解決方案的需求從來不曾停歇,因為無論何種規模的組織,都了解其儲存資料的價值,以及任何故障所衍生出來的高成本。事實上,許多組織雖然都已開始著手建立災難復原的策略與須知,不過由於預算和其他方面的限制,仍尚未實際部署任何解決方案。



幸運的是,新一代低成本資料鏡射解決方案,可將複雜的災難復原功能提供給所有規模的組織。解決方案的關鍵特色包括:




  • ●相容於目前各種儲存設備



  • ●在不同廠商的設備之間鏡射資料



  • ●運用快照強化的鏡射功能,確保資料完整性,並在發生災難或其他事故後快速復原





本文將介紹多鏡射(multiMirror)快照強化型非同步鏡射解決方案的使用時機及方式,並探討如何運用該技術提供高效能、資料完整性,以及快速復原等優點。



同步與非同步鏡射


在同步鏡射環境中,當一個應用試著要將資料寫入磁碟時,會將訊息同時傳送至自身及遠端的儲存裝置。因此,當兩端裝置確認將資料寫入磁碟時,系統才會認定此動作已完成。換言之,已啟動寫入作業的應用,必須收到確認訊息之後,才能繼續進行下一個動作。



而非同步鏡射的環境,只要自身儲存裝置完成請示後,即使遠端系統尚未收到或尚未完成處理請示,每一個寫入動作仍可完成其程序。



從效能觀點來看,即使兩個儲存裝置的距離很近,同步模式仍會導致一定程度的效能下滑,原因就在於應用必須獲得兩端系統的確認後,才能繼續下一個動作。另一方面,由於非同步模式無須獲得遠端儲存裝置的確認,就認定寫入作業的請示已完成,因此系統的效能幾乎和非鏡射系統相同。



就成本而言,同步模式通常需要較高的頻寬和設備,以維持可接受的效能水準。其原因包括:




  • ●雙向傳輸:由於每一個寫入動作必須傳送和接收遠端系統的確認訊息,因此傳輸基礎建設必須有足夠的頻寬與效能,以避免此流程發生故障。



  • ●尖峰時段的延遲:因為尖峰時段有可能會耽擱資料作業的整體效能,或造成因長時間的延遲而導致應用動作失敗等狀況,因此設計作業網路時應考慮到最壞的狀況。



  • ●擴充能力:儲存區域網路(Storage Area Network;SAN)本身能支援多部主伺服器,但隨著SAN的主機數量陸續增加,同步鏡射的基礎建設可能無法輕易或有效地以低成本進行高容量的資料傳輸擴充。





因此,同步解決方案通常需要某種程度的超額配置,包括頻寬及交換器的連結埠等資源,藉以確保在尖峰時段依然能維持良好的效能。



另一方面,非同步解決方案通常僅需極少的頻寬,因為雙向傳輸的流量比同步解決方案要少得許多,且通訊的耽擱與延遲不會影響應用效能。此外,非同步解決方案將動作放入一個佇列,直到有足夠的頻寬來完成每一個動作,故能彈性調適尖峰時段的作業。



專業的儲存解決方案廠商必須有能力同時提供同步與非同步鏡射解決方案,並客觀地分析每一個客戶的需求,再推薦合適的解決方案。



鏡射時的資料完整性



選擇鏡射解決方案的考量因素之一,就是確保資料在複製於各個站點之間時,能否維持資料完整性。若無法確定複本資料在需要時確實可用,那麼便失去了鏡射複製資料的意義。



鏡射必須在資料完整性方面解決兩大問題。第一、多數的災難並非瞬間發生。災難通常會持續數分鐘,甚至數小時,例如間歇性的停電、通訊中斷、磁碟故障等。而間歇性的故障是最難處理,因為它們能在整個過程中不斷的破壞資料完整性。第二、事故發生所需的復原時間。在同步鏡射模式中,無論是損毀或完整的資料,都會立即複製到第二儲存裝置作備份。換句話說,當資料或檔案系統在某一端已損壞,在另一端的鏡射備份也同樣會受損。因此,要復原這種損壞狀況,通常必須花費數小時或數天的時間,有時甚至無法復原該資料或檔案系統。



非同步鏡射的快照強化


為解決上述兩項資料完整性的問題,多鏡射(multiMirror)快照強化型鏡射技術因此誕生。該技術結合平台獨立性、隨意地、低容量的非同步鏡射能力,以及瞬間(point-in-time)的快照功能,不僅確保各個佔點之間的資料完整性,還可在災難發生後迅速回復正常運作。multiMirror採用的各種快照功能,潛藏許多不同重要的差異。相較於其他系統,這些快照具有以下優點:




  • ●LSI不會在磁碟卷冊裡建立全額容量的複本,而是建立瞬間的磁碟卷冊快照,且設定初始的容量為零。



  • ●快照的磁碟空間無需預先配置或保留,因此能更有效地運用現有的儲存容量。



  • ●一致性的群組,能讓系統建立磁碟卷冊的邏輯群組快照,例如資料庫中的資料與紀錄檔案。



  • ●排程功能讓使用者能設定建立快照的頻率,例如每隔數分鐘。



  • ●感知應用的一致性功能,讓資料庫等應用在建立快照之前,能暫停運作,以確保每一個快照內容皆能維持該資料完整性。





《圖一 multiMirror快照強化鏡射作業流程圖》


multiMirror的快照強化鏡射作業流程如下:




  • ●針對營運中的資料,建立零容量的快照(Snapshot 1)。



  • ●Snapshot 1針對有異動的營運中資料累積儲存,並維持一份複本。



  • ●在使用者設定的時程點,Snapshot 1 進行“凍結”後,系統會自動建立下一個快照(Snapshot 2)。



  • ●Snapshot 1的內容,從Site 1鏡射複製至Site 2,接著Snapshot 1的內容將保存於兩個站點,而保存時間由使用者自行設定。



  • ●現在,每站點皆有一個完全相同的資料複本,其資料為特定時間點的內容。



  • ●每一個後續快照皆重複進行上述的流程。





運用鏡射卷冊快照進行各項關鍵儲存作業


使用快照強化鏡射最大的好處之一,就是能把相同的快照複本用在其他的用途。每一個快照都是獨立的讀取和寫入卷冊,因此可立即使用。快照的其他用途包括:




  • ●零停機備份(Zerp-downtime Backup):可利用快照複本取代營運中資料,在背景模式下進行備份。備份可在不影響正常營運或應用下開始與結束。



  • ●應用測試(Application Testing):快照可在不干擾營運資料或應用下,用於應用測試。



  • ●決策支援(Decision Support):快照可在不干擾營運資料與應用下,用於更新資料庫與其他決策支援系統。





《圖二 multiMirror快照強化鏡射作業流程圖》


●可立即讀取和寫入快照化的鏡射資料於各站點之間。



●在任何位置所做的快照,皆可用在非鏡射動作,例如零停機備份、非干擾式應用測試,以及決策支援系統(DSS)更新等。



●可保存無上限快照,供日後使用。此外,當不再需要時也可隨時刪除。



透過有限的頻寬連線來優化效能


任何鏡射解決方案的主要成本,就是各資料中心間的通訊月租費。一般來說,連線的頻寬越低,月租費就越低。因此,鏡射解決方案可運用低頻寬連線,且維持效能,藉此大幅降低總持有成本。



然而,「I/O程序(ordering)」問題通常會限制低頻寬連線的運用。這是因為IP無法確保每一個I/O皆按順序傳輸,因此當資料透過任何種類的IP連線進行傳輸時,該問題就有可能發生。舉一個常見I/O程序情況為例,鏡射解決方案必須能解決:




  • ●兩個I/O在數秒內變更同區域的資料;



  • ●I/O運用IP鏡射到其他位置;



  • ●遠端位置無法收到有序的I/O。例如,先收到第二個I/O,接著再收到第一個I/O;



  • ●除非遠端位置重新排定I/O順序,否則遠端位置將採亂序模式,並造成其資料庫的內容將無法和來源資料庫保持一致。





在上述舉例中,遠端鏡射與來源資料不再維持同步的狀態。此外,若主站點發生故障或其他破壞,遠端資料庫將發生毀損且適用。



為了確保I/O正確地套用於遠端資料集中,並盡可能降低站點之間所需的傳輸頻寬,因此,multiMirror結合「最新數據變更(Last Block Changed)」演算法,並分析每一個快照內的動作,然後再進行傳輸。若快照內相同的資料區塊變更許多次,那麼Last Block Changed演算法只會傳送最後一次異動的部分。其技術不僅減少鏡射備份的資料量,還可確保站點之間傳送資料時,即使不按次序傳送到目的地,兩站點的資料內容仍可保持一致。



除了解決資料鏡射所遇到的I/O程序問題之外,Last Block Changed技術亦能避免非同步鏡射的問題:




  • ●由於相同資料中的重複異動會被棄置,因此每一個快照容量便能降低。如此一來,不僅無需大容量的緩衝區,亦不會發生緩衝區溢位的問題,而干擾到鏡射的作業。



  • ●傳輸遠距離所導致的延遲,將不會影響資料的完整性。



  • ●在任何傳輸中斷期間,快照仍會持續累積資料的變更內容,直到傳輸連線復原,然後再與遠端站點同步更新變更內容。





圖三為Last Block Changed技術:



《圖三 Last Block Changed技術流程圖》



  • ●Snapshot 1將累積一段時間內所產生的資料異動。



  • ●在這期間,Block 1的內容可能已異動許多次,而Block 2與Block 3可能只變更過一次。



  • ●接著,快照內容會暫時凍結資料,最後透過Last Block Changed技術,將最後的異動傳送至每一個資料區塊。如此一來,便可大幅減少鏡射的資料量,並減少站點之間所需的傳輸頻寬,和排除I/O順序所衍生出的各種問題。



  • ●當遠端站點收到快照內容並完成處理後,兩個站點的資料複本內容,都將會是一致的,並與快照當初凍結時的內容相同。





感知應用的資料一致性


除了排定快照的頻率之外,multiMirror亦能針對與應用相關的每一個卷冊或卷冊群組,建立感知應用的快照。例如,當針對一個資料庫建立快照時,資料與紀錄卷冊皆會包含在內,而且應用會暫停運作,以確保完成在線動作之後,才會建立快照。當快照擷取完成後,應用會回復正常運作。



使用者可透過multiMirror的命令行介面(CLI),或第三方的管理程式來管理感知應用的快照。



低成本的隨意(Any-to-Any)鏡射


由於multiMirror是以網路為基礎的鏡射解決方案,因此在連結主伺服器與儲存設備的光纖通道交換器的網路中,multiMirror是一個與設備元件無關的獨立層。由於不受限的關係,讓multiMirror能執行任意平台的鏡射,這表示,資料可隨時從任何裝置鏡射到任何位置。



任意鏡射的成本遠比專利型鏡射解決方案來得更具成本效益,這是因為其他廠商的鏡射資料解決方案僅限於同家廠商的同型號裝置。因此,透過任意鏡射功能,使用者可自由選擇合適的站點和儲存裝置,無須擔心廠商在資料移動與複製方面所設下的限制。



分擔伺服器的鏡射與儲存作業


傳統的鏡射解決方案通常有暗藏降低效能的缺點。例如:




  • ●伺服器執行的鏡射會使用主機CPU來管理資料複製,因此會造成正在執行的應用,產能下降的負面影響。此外,每一個伺服器的鏡射流程必須單獨管理,進而增加儲存管理員的負荷。



  • ●儲存設備執行的鏡射,在複製時會增加儲存控制器的負荷,或需使用專屬的鏡射控制器,進而限制用來執行日常作業的控制器數量。此外,資料通常只能鏡射同家廠商的同型號儲存裝置,並限制用戶在遠端站點採用低價裝置。





另一方面,multiMirror非同步鏡射解決方案能運用網路設備來處理資料複製的流程,進而避免上述的問題發生。此外,這些設備在使用時,是獨立於伺服器和儲存裝置,藉此能發揮許多優勢:




  • ●資料鏡射與伺服器或儲存裝置的作業無關,因此也不會影響其效能。



  • ●資料可在任何廠商的儲存裝置之間進行鏡射(隨意鏡射)。



  • ●所有鏡射流程皆集中管理。





其他非同步鏡射的快照強化優勢


除了上述討論的優點之外,以下為其他讓快照強化鏡射成為可靠,且低成本災難復原解決方案的原因:




  • ●當通訊連線暫時中斷時,快照便加到鏡射佇列。在連線復原之前,額外的快照會持續建立並加入到佇列。在連線復原之後,佇列中所有的快照皆會傳送到備援的第二站點。



  • ●當發生預先規劃或意外的停機時,第二站點會使用最後收到的快照迅速上線運作。該動作可確保第二站點是使用與主站點一致的資料內容,並立即進行營運。



  • ●當發生資料毀損時,管理者可迅速將第二站點退回至最後該資料良好的時間點。此外,使用線上快照來復原系統,可將復原時間縮短至數分鐘。





結語


MultiMirror可支援快照的非同步鏡射技術,並結合非同步鏡射在成本與擴充性,以及瞬間資料完整性與線上復原快照能力的優點。相較於其他鏡射解決方案,建置multiMirror與快照強化鏡射技術的主要優勢包括:




  • ●降低總持有成本;



  • ●使用極少的頻寬達到更高的效能;



  • ●在不同廠商的儲存裝置之間進行隨意鏡射;



  • ●在遭遇資料損毀或長時間的災難時,能維持資料完整性;



  • ●迅速連線回復至最後該資料良好的時間點。



  • ---本文由LSI撰寫提供---



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