Материал: Система поддержки принятия инвестиционных решений малого предприятия. Баркалов С.А., Морозов В.П

4.7. Резервное копирование данных

Информация, получаемая в результате функционирования АРМ, стоит дороже компьютеров, на которых она хранится. Как показывает практика, восстанавливать данную информацию (как, впрочем, и любую) достаточно трудно. Поэтому сохранение этой информации – одна из важных и трудоемких задач.

Потеря информации может происходить по многим причинам, начиная от сбоя программ до выхода из строя оборудования. Поэтому эксплуатировать АРМ без резервных копий хранимой в нем информации нецелесообразно.

Исторически сложилось, что для резервного копирования данных используются накопители на магнитной ленте. Изначально лента считалась более дешевым носителем, чем жесткие диски. Впоследствии возникло мнение, что самыми дешевыми являются оптические носители, но по ряду причин это мнение не нашло практической реализации. Хотя для резервного копирования в основном применяется магнитная лента, обычные жесткие диски также стали популярным средством первичного резервного копирования и зеркального отражения систем. Эта тенденция связана со снижением цен на жесткие диски, что сокращает преимущество накопителей на магнитной ленте в стоимости. Еще одна причина использования жестких дисков — более высокое быстродействие, что приводит к снижению времени обслуживания серверных приложений.

4.7.1. Требования, предъявляемые к резервному копированию данных

Основными проблемами при резервном копировании являются:

- сокращение промежутка времени, который называется окном резервного копирования, в течение которого должна быть завершена операция резервного копирования;

- постоянно увеличивающееся количество программных интерфейсов приложений, которые должны поддерживаться приложениями резервного копирования;

- невозможность резервного копирования файлов, которые открыты и активно используются приложениями.

В рамках детализации первой проблемы следует отметить следующее. Исторически сложилось так, что серверные приложения запускались только в рабочее время. Операции резервного копирования соответственно выполнялись в нерабочее время, т.е. ночью, когда работу приложений можно остановить, не оказывая влияния на пользователей. Как только работа приложения прекращена, сервер можно отключить от сети и провести резервное копирование данных. Однако данная подсистема, а также создаваемые, управляемые и модифицированные ей данные рассматриваются как важные для функционирования малого предприятия и получения дополнительной прибыли. Это означает, что время, в течение которого можно отключить сервер от сети для резервного копирования, сокращается.

Наличие второй проблемы приводит к следующему. На рис. 4.6 схематично представлена проблема поддержки все увеличивающегося количества АРI для резервного копирования и восстановления данных.

Потребители обычно используют несколько приложений, и очень часто применяется несколько версий одного и того же приложения. Каждый поставщик систем резервного копирования должен создавать программный код, исп ользующий АРI, предоставленный для каждого корпоративного приложения. Поскольку многие поставщики приложений отдельно лицензируют агенты резервного копирования для различных приложений, сам процесс отслеживания лицензий на программное обеспечение и их стоимость вызывает хаос и значительные затраты. Более того, следует учесть развертывание инфраструктуры, обучение персонала и четкое выполнение инструкций, необходимых для эффективного резервного копирования.

Третья проблема при выполнении резервного копирования связана с тем, что процесс занимает значительное время. Если реализуется запись на жесткий магнитный диск (ЖМД) со скоростью 10 Гбайт/мин, то резервное копирование диска объемом в 100 Гбайт займет 10 мин. В течение этих 10 мин приложения будут получать доступ к диску и вносить изменения в данные, записанные на нем. Это может нарушить целостность резервной копии. Существует три подхода к обеспечению целостности резервной копии [81]:

1. Запрет приложениям доступа к диску в процессе резервного копирования. Блокирование одновременного доступа пользователей к диску во время резервного копирования было достаточно распространенным на раннем этапе использования персональных компьютеров, когда работа в режиме 24x7 не практиковалась. Резервное копирование выполнялось в периоды пониженной нагрузки, например в ночные часы. Теперь этот подход не всегда возможен, и тому есть ряд причин. Во-первых, в требованиях к работоспособности системы часто указан режим работы 24x7, поэтому более подходящего времени для резервного копирования попросту не существует. Во-вторых, объем данных, которые необходимо разместить в резервной копии, возрастает, как и время активного использования этих данных, поэтому окна резервного копирования не всегда хватает для завершения операции;

2. Запрет пропуска открытых файлов при резервном копировании данных. Проблема заключается в том, что в процессе резервного копирования работают только действительно важные приложения, поэтому при таком подходе крайне необходимые данные могут не попасть в резервную копию;

3. Разделение ввода-вывода, инициированного приложением резервного копирования, и ввода-вывода, инициированного другими приложениями. Поставщики программ резервного копирования частично смоделировали ряд функций операционной системы. В частности, их программы зависят от возможности различать источники ввода-вывода. Однако такой метод вполне может оказаться бесполезным. Программы резервного копирования обычно в той или иной мере используют недокументированные возможности операционной системы, которые могут измениться с выходом новой версии. Кроме того, требуется достаточно большой объем свободного дискового пространства. Еще один вариант заключается в обработке каждого файла в отдельности или всех файлов одновременно.

Для резервного копирования открытых файлов с одновременным сохранением целостности резервной копии данных также используется три подхода.

Первый подход — перенос записи приложений во вторичную область хранения, что позволяет приложению резервного копирования делать резервную копию всех файлов. Такой подход работает выборочно: например, если запись в файл подкачки будет разрешена, то запись в файлы данных приложений должна откладываться или размещаться в предварительно определенном вторичном кэше (он часто называется вторичным хранилищем), что позволяет обеспечить целостное резервное копирование данных. Ввод-вывод данных во вторичную область хранения также должен осуществляться особым образом, в зависимости от того, выполняется ли он приложением для резервного копирования или другой программой. Как только приложение для резервного копирования завершит работу, данные из вторичного хранилища должны быть скопированы поверх обычных файлов.

Второй подход — копирование данных при их записи приложением резервного копирования. Как только приложение резервного копирования открывает файл, другим приложениям будет по-прежнему разрешена в него запись. Для того чтобы старые и новые данные не смешались, перезаписываемые данные копируются во вторичное хранилище. Если обычные приложения запрашивают эти данные, операция чтения обрабатывается базовыми драйверами файловой системы Windows. По запросу приложения резервного копирования данные извлекаются из хранилища. Следует заметить (рис. 4.7), что драйверы фильтрации файловой системы размещены над драйвером файловой системы NT (NTFS), который, в свою очередь, расположен над драйвером фильтрации диска.

Последний находится над драйвером класса диска, ниже которого находятся и другие драйверы. Как только приложение открывает файл, NTFS (в ответ на запрос приложения) отправляет последовательность команд для чтения метаданных (расположение файла на диске) и отправляет запросы на чтение и запись логических блоков, где хранится этот файл.

Расположение драйвера фильтрации верхнего уровня идеально подходит для перехвата выполняемых над файлами операций и перенаправления вызовов, если это необходимо для решения проблемы резервного копирования открытых файлов. Компания Microsoft предлагает набор Windows Installable File System (IFS), в котором представлена информация, необходимая для написания подобного драйвера фильтрации. Разработчики программ резервного копирования могут решить проблему на более низком уровне; например уровень образа обычно требует создания драйвера фильтрации нижнего уровня (он находится над драйвером класса диска), что показано на рис. 4.7.

Операции ввода-вывода (см. рис. 4.7) выполняются на уровне файловой системы, что показано стрелкой, обозначенной цифрой 1. Драйвер NTFS управляет отображением данных файла на дисковые блоки; операции ввода-вывода выполняются на уровне дисковых блоков, что показано стрелкой, обозначенной цифрой 2. Компания Microsoft предоставляет драйвер фильтрации diskperf.sys, который входит в набор разработки Windows Driver Development Kit (DDK). Несколько поставщиков систем резервного копирования использовали набор DDK для создания программ, с помощью которых выполняется моментальный снимок данных.

Третий подход — создание моментального снимка данных и резервное копирование этого снимка в то время, когда приложения будут продолжать использовать оригинальный том. Моментальный снимок может быть создан с помощью различных программных и аппаратных решений, которые Microsoft предлагает в качестве базовой стратегии в Windows Server 2003.

4.7.2. Классификация типов резервного копирования

На рис. 4.8 приведена классификация типов резервного копирования.

С учетом архитектурного признака резервное копирование подразделяется на три класса, различающихся уровнем доступа: дисковые образы и логические блоки; файлы; приложения [81].

В случае уровня дисковых образов и логических блоков приложение резервного копирования работает с блоками данных. Обычно подобная схема резервного копирования требует прекращения доступа к копируемым данным со стороны всех приложений на сервере.

Приложение получает доступ к жесткому диску независимо от его внутренней структуры, после чего выполняет операции чтения/записи на уровне логических блоков. Преимущество такого типа резервного копирования состоит в быстродействии операций резервного копирования и восстановления данных, что особенно важно для восстановления данных после критических сбоев в работе подсистемы. Недостаток заключается в том, что существует запрет на

доступ к диску со стороны приложений и даже операционной системы. Еще один недостаток — это копирование излишнего количества неиспользуемых логических блоков с резервной копии при резервировании диска с разрешенными файлами. Некоторые приложения резервного копирования предоставляют соответствующую программную логику, необходимую для обнаружения и пропуска неиспользованных логических блоков. Такие резервные копии называются разреженными копиями дискового образа [81].

Н а уровне файлов программа резервирования пользуется услугами

операционной и файловой систем. Одно из преимуществ заключается в эффективности восстановления конкретного файла или набора файлов. Еще одно преимущество состоит в возможности одновременного доступа к файлам со стороны операционной системы и приложений, когда проводится резервное копирование. К недостаткам следует отнести тот факт, что резервное копирование выполняется дольше, особенно по сравнению с резервным копированием на уровне образа. Если проводится копирование большого количества небольших файлов, нагрузка на операционную и файловую систему при доступе к метаданным каталогов может оказаться значительной. Кроме того, существует проблема открытых файлов. Еще один недостаток связан с безопасностью. Эта проблема возникает вне зависимости от метода создания резервной копии (на уровне образа или файла) и заключается в том, что резервное копирование выполняется на правах учетной записи администратора или оператора резервного копирования, а не пользователя. Это единственный способ восстановить файлы различных пользователей в ходе одной операции восстановления. Необходимым условием является корректная настройка метаданных файлов, например списков управления доступом и данных о владельцах файлов. Решение проблемы требует поддержки со стороны API файловой и операционной систем, что необходимо для настройки метаданных при восстановлении данных из резервной копии. Кроме того, приложение резервного копирования и восстановления должно корректно использовать предоставленные возможности [81].

На уровне приложения резервное копирование проводится с помощью API, предоставленного приложением. В данном случае резервная копия состоит из набора файлов и объектов, которые формируют состояние системы на определенный момент времени. Основная проблема заключается в том, что операции резервного копирования и восстановления тесно связаны с приложением. Если с выходом нового приложения изменится API или функции уже существующего API, администратору придется переходить к новой версии программы резервирования. Приложения используют чистый диск без файловой системы или записывают на него огромный файл, в котором размещены собственные метаданные приложения. В Windows ХР и Windows Server 2003 поддерживаются важные функции NTFS, благодаря которым возможно восстановление таких файлов. Файл восстанавливается логическими блоками и в конце маркируется новой функцией Win32 API, которая называется SetFileValidData.

Исходя из функциональных возможностей резервное копирование также подразделяется на три класса: полное; дифференциальное; инкрементное.

При полном резервном копировании (full backup) полный набор файлов или объектов, а также связанные с ними метаданные копируются на носитель резервной копии. Преимущество состоит в том, что используется только один набор носителей для восстановления в случае отказа в работе системы. Недостаток заключается во времени копирования, так как копируются все данные. Полное резервное копирование часто выполняется на уровне дискового образа или на уровне блоков [81].

При дифференциальном резервном копировании (differential backup) архивируются все изменения, которые произошли с момента последнего полного резервного копирования. Так как дифференциальные резервные копии могут создаваться на уровне образа или на уровне файлов, этот набор изменений будет представлять собой набор изменившихся дисковых блоков (для резервной копии на уровне образа) или набор изменившихся файлов (для резервной копии на уровне файлов). Основное преимущество дифференциального резервного копирования состоит в значительном уменьшении времени копирования по сравнению с полным резервным копированием. С другой стороны, восстановление после сбоя занимает больше времени. Восстановление после сбоя потребует проведения двух операций по восстановлению данных. В ходе первой будут восстанавливаться данные из полной резервной копии, а во время второй — данные из дифференциальной резервной копии. Дифференциальное резервное копирование на уровне файлов применяется в тех случаях, когда приложения создают множество небольших файлов и после создания полной резервной копии меняют некоторые файлы. В то же время такое резервное копирование не применяется, если жесткий диск используется приложениями управления базами данных, которые постоянно вносят небольшие изменения в огромные файлы баз данных. Таким образом, при резервировании на уровне файла будет создана копия целого файла. Примером такой программы служит Microsoft Exchange, которая постоянно стремится вносить небольшие изменения в огромные файлы баз данных. При использовании старших моделей подсистем хранения данных дифференциальное резервное копирование на уровне образа можно использовать в любой ситуации, включая резервное копирование файлов приложений баз данных. Причина такой эффективности состоит в хранении большого объема метаданных, которые позволяют быстро определить изменившиеся с момента резервного копирования дисковые блоки. Таким образом, будет проведено резервное копирование только изменившихся дисковых блоков, а большое количество не изменившихся дисковых блоков не будет скопировано. Даже несмотря на более высокую эффективность резервного копирования при использовании старших моделей подсистем хранения данных, остается необходимость в использовании API, который позволит начать резервирование в определенный момент времени и продолжить ввод-вывод данных после завершения резервного копирования. Метод работы старшей модели подсистемы хранения заключается в сокращении операций ввода-вывода данных, которые должны быть остановлены при резервном копировании [81].

При инкрементном резервном копировании (incremental backup) архивируются только изменения с момента последнего полного или дифференциального резервного копирования. Этот вид резервного копирования требует меньше времени, так как на резервный носитель не копируются файлы, которые не изменились с момента создания последней полной или добавочной резервной копии. Недостатком этого метода является длительность операции восстановления после сбоя, так как оно выполняется с помощью набора из нескольких носителей, соответствующих последней полной резервной копии и нескольким добавочным резервным копиям. В случае отсутствия старших моделей подсистемы хранения добавочное резервное копирование выполняется при изменении или добавлении различных наборов файлов. При использовании старших моделей подсистемы хранения может применяться добавочное резервное копирование на основе блоков, так как в этом случае доступен достаточный объем метаданных для идентификации изменившихся блоков.

На базе сетевой инфраструктуры существует 4 типа резервного копирования (DAS; NAS; SAN; резервирование, не зависящее от сервера).

Резервирование DAS - старейшая разновидность резервного копирования возникла во времена, когда устройства хранения подключались непосредственно к серверу. Несмотря на развитие сетевых устройств хранения, резервирование DAS остается достаточно популярным для копирования данных, размещенных на серверах Windows. Преимуществом этого резервирования является простота его использования. Приложение на сервере считывает данные с соответствующего дискового тома и записывает их на магнитную ленту. Однако резервирование DAS имеет ряд недостатков. Использование нескольких накопителей на магнитной ленте (по одному на каждый сервер, нуждающийся в резервном копировании), которое требует существенных финансовых затрат. Другими словами, совместное использование одного накопителя несколькими серверами практически невозможно. Высокая общая стоимость владения (ТСО), так как для резервного копирования с помощью нескольких накопителей на магнитной ленте требуется иметь в штате несколько администраторов. Хранение нескольких лент может привести к путанице. Поскольку данные на нескольких серверах часто дублируются, но не синхронизированы, одинаковые данные переносятся и на ленту, поэтому хранение похожих данных на нескольких лентах может привести к путанице. Наконец, но не в последнюю очередь, сервер должен обрабатывать запросы чтения/записи данных между диском и накопителем [81].