数据备份技术及应用计算机网络与信息安全

2023-10-18 理论教育版权反馈

【摘要】：磁盘双工、镜像及磁盘阵列容错是磁盘系统安全可靠技术的具体实现。RAID 0又称为数据分块，是使用“条”技术来跨越磁盘分配数据的，其目的是将容量和传输率提高到最大，但没有容错功能，一旦硬盘出现故障，阵列中的所有数据将会丢失。RAID 1又称镜像法，它使用两个完全相同的盘，即每次将数据同时写入两个盘，一个作为工作盘，另一个作为镜像盘。RAID 5是通常使用最多的数据保护方案。其中处于核心地位的是备份

（一）硬件备份技术

硬件备份措施有磁盘镜像、磁盘阵列、双机热备份和双机共享磁盘阵列等。在网络系统中，网络服务器使用率最高且最重要的部分是磁盘系统，磁盘系统的可靠性是服务器至关重要的环节。磁盘系统由磁盘控制卡、SCSI电缆及硬盘驱动器组成。为了防止磁盘系统出现故障导致系统死机，人们设计了多种方法来保证磁盘系统可靠安全地运行。磁盘双工、镜像及磁盘阵列容错是磁盘系统安全可靠技术的具体实现。下面就对这些技术的应用特点作简单介绍：

1.镜像技术

镜像技术是在两个或多个磁盘或存储系统上产生同一个数据的镜像视图的一种过程，其中一个存储系统为主镜像系统，另外的存储系统都被认为是从镜像系统。按照镜像存储系统所处的位置可以分为：本地镜像和远程镜像。本地镜像的主从镜像存储系统是处于同一个RAID阵列内，RAID 1就属于典型的本地镜像技术。远程镜像按请求镜像的主机是否需要远程镜像站点的确认信息，又可分为同步远程镜像和异步远程镜像。

同步远程镜像（同步复制技术）是指通过远程镜像软件，将本地数据以完全同步的方式复制到异地，每一本地的I/O操作均需等待远程复制的完成确认信息才能释放。同步镜像使远程复制总能与本地系统要求复制的内容相匹配。当主系统出现故障时，可以很快地切换到从系统，被镜像的远程副本可以保证数目的完整性和可用性。但它存在往返传播造成延时较长的缺点，只限于在相对较近的距离上应用。

异步镜像针对同步镜像的弱点采用了一种完全不同的方式，它允许镜像过程与本地写操作分离，使得本地系统不必由于等待远程存储的写操作而遭受性能上的损耗。镜像完成本地写I/O操作后即向应用程序发送完成信号，然后才与异地的镜像代理通信完成数据镜像。异步镜像可以提高本地应用性能，却会产生远程数据的一致性的威胁。远程的复制在任一个指定的时间点上都比源端的数据滞后。这种滞后依赖于网络的带宽和在远程终端上提交写磁盘操作时资源的可用性。当原系统发生错误时，丢失缓冲数据和传输中数据的可能性更大。

2.RAID技术

RAID是廉价冗余磁盘阵列。磁盘阵列的提出是保证计算机存储系统可靠性的一个重要发展。RAID是UCBerkeley大学的研究人员Katz R.H、Gibson G.A和Patterson D.A于1989年在《高性能计算的磁盘体系结构》一文中提出来的。RAID把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式，例如分条（Striping）、分块（Declustering）、交叉存取（Interleaving）等，组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的存储性能。RAID技术有多种实现方式，通常采用的有RAID 0、RAID 1、RAID 3、RAID 5、RAID 10等。

RAID 0又称为数据分块，是使用“条”技术来跨越磁盘分配数据的，其目的是将容量和传输率提高到最大，但没有容错功能，一旦硬盘出现故障，阵列中的所有数据将会丢失。

RAID 1又称镜像法，它使用两个完全相同的盘，即每次将数据同时写入两个盘，一个作为工作盘，另一个作为镜像盘。一旦工作盘发生了致命故障，镜像盘可立即顶上，使系统工作不间断。这种盘阵列可靠性高，但有效容量将减小一半。

RAID 3即奇偶校验并行交错阵列，每个条带上都有一块空间用来有效存储冗余信息，即奇偶位。奇偶位是数据编码信息，如果某个磁盘发生故障，可以用来恢复数据。即使有多个数据磁盘，也只能使用一个校验磁盘采用奇偶校验的方法检查错误。由于同一个磁盘阵列中，两个或两个以上磁盘同时出现故障的概率很小，所以一般情况下，使用RAID 3模式时安全性是可以得到保障的。RAID 3模式读取数据的速度很快，但写入数据时要计算校验位来获知写入的校验磁盘，因此写入速度相对较慢。

RAID 5是一种旋转奇偶校验独立存取阵列，它按一定规则把奇偶校验信息均匀分布在阵列中所有的盘上，是一种容错能力分布合理的阵列。为了提供冗余，它最少需要3个磁盘（不包括热备份盘）。RAID 5是通常使用最多的数据保护方案。

RAID 10实际上是RAID 0+RAD 1。它采用分块和镜像技术，通过分块镜像集实现。采用分块技术，多个磁盘可并行读写，磁盘I/O性能很高；采用镜像存储使得可靠性是所有磁盘阵列中最高的。由于集中了RAID 0和RAID 1的优点，RAID 10的性能是所有RAID类型中最好的，但代价较高。

3.磁盘双工

磁盘双工就是在一台服务器内采用两个磁盘控制器，各自接一个性能相同的硬盘。在系统工作时，将数据同时存入两个硬盘，当一个硬盘或一块控制器出现故障时，可以继续使用另一个磁盘系统，这样就能实现确保网络正常运行。双工的传输速度比较快，但成本较高。

4.双机热备份

双机热备份又叫双机容错，就是配置两台完全一致（也可不一致）的服务器系统。一台作为主服务器，另一台作为备份服务器。两台服务器上安装高速镜像卡或普通的100 Mbps网卡，通过高速链路（例如光纤或专用电缆）连接起来，系统运行时，数据在存入主服务器的同时也存入备份服务器。也就是说备份服务器完成与主服务器同样的操作，当主服务器运行出现故障时，系统控制权切换到备份服务器，即备份服务器立即代替主服务器运行，实时保证网络系统不中断。当主服务器系统修复后，控制权需再切换回到主业务系统，使双机系统恢复正常冗余工作模式。双机热备份可以防止单台计算机的物理损坏，但无法防止逻辑损坏。

磁盘镜像与磁盘阵列不同的地方在于磁盘阵列可以防止多个硬盘出现故障，而磁盘镜像只能防止单个硬盘的物理损坏。双机热备份和磁盘阵列系统是完备的硬件容错系统，可防止整机出现故障。这4种措施都属于在线的硬件级备份，对火灾、水淹、线路故障造成的系统损坏和逻辑损坏都无能为力。实际上只有离线的、远离运行中心并妥善保管的备份才会比较可靠，这样的备份才可用作灾难性恢复。(www.chuimin.cn)

（二）软件备份技术

软件备份技术是通过操作系统提供的备份软件或专业备份软件将系统数据复制到可以异地存放的存储介质上。软件备份需从3个方面考虑：选择合适的备份存储介质；备份软件的选择；制定合适的备份策略。其中处于核心地位的是备份软件的选择。

通常备份软件分为静态备份软件和动态备份软件两类。静态备份软件：能够方便地选择备份内容，但不能定时自动备份，如果实现自动备份，还要自己编写脚本文件或使用操作系统的计划任务之类的功能。动态备份软件：能够实现选择备份时间、自动后台作业、定时完成操作等功能。一个好的备份软件应该具有如下优点：

（1）安装方便、界面友好、使用方便灵活。

（2）支持多系统、多平台、多文件格式的备份。

（3）支持文件打开状态备份。

（4）支持在网络中的远程集中备份。

（5）支持备份介质自动加载的自动备份。

（三）冷备份技术与热备份技术

按照备份数据的在线状态和备份的实时性，还可分为冷备份技术和热备份技术。

1.冷备份技术

冷备份又叫离线备份，指当执行备份操作时，服务器将不接受来自用户和应用程序对数据的更新。离线备份很好地解决了在备份操作进行时更新数据带来的数据不一致性问题，且备份速度快。但在实施备份的全过程中，服务器只能做备份而不能及时响应用户的需求，用户需要等待很长时间。

2.热备份技术

热备份也称在线备份，即同步数据备份，就是用户和应用程序正在更新数据时，系统也可以进行备份。由于备份与系统同步，则资源占用比较多，但恢复时间非常短。在热备份中，数据有效性和完整性是一个很大的问题，如果备份过程中产生了数据不一致性，会导致数据的不可用。解决此问题的方法是对于一些总是处于打开状态的重要数据文件，备份系统可以采取文件的单独写/修改权，保证在该文件备份期间其他应用不能对它进行更新。热备份的技术主要有两个：写前复制和软件快照技术。

写前复制大多数在数据库备份环境下实现，是指当正在备份的数据库对象发生改变时，将磁盘上的原有数据块复制到一个临时磁盘位置，并使用一个特殊的位图索引标明原有块的位置以及临时存储的相对位置。当数据库对象结束备份时，就清除位图索引，释放临时存储的数据块，提供给下一次使用。

软件快照技术与写前复制技术相类似，是在镜像磁盘上建立第三次复制的一种方法。快照可以在软件中建立，提供文件系统和数据库的即时映像，这样当备份的时候就可以获得完整的数据复制。软件快照将每一个文件系统或数据库的存储块都保存其存储分配的一份复制。文件系统和数据库的视图就由这些即时的块分配所决定，所以在任何一个时刻，假如希望能取得文件系统映像，那么就需要保证对这些块的可访问性，这就是软件快照。软件快照能冻结文件系统的块分配视图，当然也可以冻结系统的子集，如目录或数据库的表。

数据备份技术及应用计算机网络与信息安全

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