5.1 Причины резервного копирования й восстановления данных

Резервное копирование проводится по ряду причин, которые обычно оправдывают инвестиции, вложенные в соответствующее оборудование. Основная цель создания резервных копий – это обеспечение гарантированной доступности данных. Чем важнее постоянный доступ к данным, тем больше инвестиций потребуется. Например, одна из популярных методик резервного копирования заключается в зеркальном копировании дисков, при котором каждая операция записи дублируется для второго диска, что гарантирует доступность данных при отказе в работе первого диска.

Кроме того, архивирование данных проводится для выполнения различных корпоративных требований, при которых данные не должны быть обязательно доступными мгновенно, но могут быть затребованы позднее. В таких случаях доступность данных должна быть обеспечена в течение разумного периода времени, который измеряется в часах, днях или неделях.

Резервные копии иногда используются для перемещения данных, например при создании удаленного центра хранения данных в другом географическом регионе. Такой же причиной будет перенос данных на новое аппаратное обеспечение или, что случается реже, на другую серверную платформу.

 

5.2 Проблемы при резервном копировании

Перед подробным обсуждением различных способов резервного копирования и восстановления желательно разобраться в проблемах, которые необходимо решить для получения требующегося результата. Далее перечислены основные проблемы.

Сокращение промежутка времени, который называется окном резервного копирования, в течение которого должна быть завершена операция резервного копирования.

Постоянно увеличивающееся количество программных интерфейсов приложений (API), которые должны поддерживаться приложениями резервного копирования.

Невозможность резервного копирования файлов, которые открыты и активно используются приложениями.

Более подробно эти проблемы рассматриваются в разделах 5.2.1–5.2.3.

5.2.1 Время, затрачиваемое на резервное копирование

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. С этим подходом связаны две проблемы.

Значительное увеличение объема данных усложняет завершение резервного копирования в выделенный период времени. Как ни странно, но запись на магнитную ленту в контексте как затрачиваемых машино- часов, так и времени обслуживающего персонала весьма неэффективна. Необходимо найти ленту, вставить ее в накопитель и перемотать на нужную позицию. Как только позиция будет найдена, запись данных на ленту будет проводиться намного медленнее, чем на жесткий диск. Интерфейсы жестких дисков поддерживают запись со скоростью на порядок больше 80 Мбайт/с, а самые быстрые накопители на магнитной ленте поддерживают максимальную скорость передачи 30 Мбайт/с. Для управления несколькими накопителями могут использоваться роботизированные библиотеки, которые весьма недешевы и помогают сократить затраты времени только на поиск и загрузку ленты. Такие библиотеки не в состоянии увеличить скорость чтения данных или их записи на ленту.

Вторая проблема заключает в том, что все больше приложений, а также создаваемые, управляемые и модифицированные ими данные рассматриваются как важные, если не критические, для выживания компании в конкурентной среде. Это означает, что время, в течение которого можно отключить сервер от сети для резервного копирования, сокращается.

5.2.2 Увеличение количества программных интерфейсов приложений

Потребители используют все больше корпоративных приложений, которые очень редко, если это вообще возможно, разрешено останавливать для резервного копирования. По этой причине каждый поставщик приложений предоставляет API для резервного копирования и восстановления файлов с данными приложения. Хотя создание таких API выглядит весьма оптимистично, на самом деле ситуация только ухудшилась.

На рис. 5.1 представлена проблема поддержки все увеличивающегося количества API для резервного копирования и восстановления данных. Как видите, 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, использующий API, 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 стоимости может вызвать смятение у менеджера отдела информационных технологий. Более того, следует учесть развертывание инфраструктуры, обучение персонала и четкое выполнение инструкций, необходимых для эффективного резервного копирования.

5.2.3 Проблема открытых файлов

Еще одна проблема при выполнении резервного копирования связана с тем, что процесс занимает значительное время. Если устройство записи на магнитную ленту поддерживает запись со скоростью 10 Гбайт/мин, 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 диске. Существует три подхода к обеспечению целостности резервной копии.

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.

Рис. 5.1. Экспоненциальное увеличение количества API для резервного копирования

В требованиях к работоспособности системы часто указан режим работы 24x7, поэтому более подходящего времени для резервного копирования попросту не существует.

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 копирования.

2. Резервное копирование данных, в то время когда приложения получают доступ к диску, пропуская открытые файлы. 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 должен работать выборочно; например, запись в файл подкачки будет разрешена, а 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. Компания St. Bernard Software реализовала такой подход в своих системах для резервного копирования открытых файлов.

Обратите внимание на уровни драйверов, показанные на рис. 5.2 (подробное описание драйверов Windows, объектов устройств и т.д. приводится в главе 1). 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 (см. главу 1), однако в данном случае они нас не интересуют. 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.

Рис. 5.2. Драйверы фильтрации Windows NT

Драйвер фильтрации верхнего уровня (он расположен над файловой системой) показан на рис. 5.2. Расположение этого драйвера 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. 5.2.

Операции ввода-вывода (см. рис. 5.2) 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.

 

5.3 Классификация типов резервного копирования

Существуют различные схемы резервного копирования, которые применяются, например, в центре хранения данных. Стоит отметить, что различные категории резервного копирования могут использоваться совместно. Резервное копирование классифицируется следующим образом:

на базе архитектуры;

на основе функциональных возможностей;

на базе сетевой инфраструктуры.

Рассмотрим каждый тип классификации подробнее.

5.3.1 Классификация резервного копирования на базе архитектуры

Один из типов классификации резервного копирования основан на архитектуре. Резервное копирование зависит от объектов, к которым оно применяется, и от того, насколько приложение резервного копирования поддерживает подобные объекты. Доступные архитектурные типы резервного копирования описаны в разделах 5.3.1.1–5.3.1.3.

5.3.1.1 Резервное копирование на уровне дисковых образов и логических блоков

В этом случае 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 систем. 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.

Наконец, довольно сложно получить только определенный файл или несколько файлов, в отличйе от восстановления всех данных на диске. Для этого программное обеспечение резервного копирования должно обработать метаданные файловой системы, сохраненные на магнитной ленте, и вычислить расположение на ленте необходимого файла. Некоторые программы позволяют восстанавливать определенные файлы из резервной копии на уровне образа, однако лишь для некоторых операционных систем. Другие приложения пытаются оптимизировать восстановление файла из резервной копии уровня образа, записывая на ленту метаданные файла, например таблицу расположения файлов для файловой системы FAT16.

Версия NTFS, которая поставляется вместе с Windows 2000, уже содержит все метаданные в файлах, например битовую карту, которая соответствует расположению логических блоков. Программа восстановления данных находит необходимые метаданные, из которых рассчитывает расположение на магнитной ленте каждого необходимого логического блока требующегося файла. После этого лента прокручивается, в одном направлении и все необходимые участки считываются в процессе перемотки, что позволяет получить все данные для восстановления файла. Лента не перематывается в обоих направлениях, поэтому сокращается не только время восстановления, но и срок жизни ленты. К описываемым приложениям резервного копирования относится, например, программа Legato Celestra.

Обратите внимание, что иногда выбор метода резервного копирования ограничен. Если база данных использует чистый дисковый том без файловой системы, то выбирать приходится только между резервной копией на уровне образа и резервной копией на уровне приложения (такой тип резервного копирования рассматривается в разделе 5.3.1.3).

5.3.1.2 Резервное копирование на уровне файлов

В этом типе резервного копирования 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.

Не обошлось здесь, впрочем, и без недостатков. 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, которая, была описана ранее.

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.

5.3.1.3 Резервное копирование на уровне приложения

В этом случае резервное копирование и восстановление данных выполняется на уровне приложения, например Microsoft SQL Server или Microsoft Exchange.. 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 качестве примера подобного приложения можно указать Microsoft Exchange. В Windows ХР и Windows Server 2003 поддерживаются важные функции NTFS, благодаря которым возможно восстановление таких файлов. Файл восстанавливаемся логическими блоками и в конце маркируется новой функцией Win32 API, которая называется SetFileValidData.

5.3.2 Классификация резервного копирования на базе функциональных возможностей

Еще один метод классификации приложений резервного копирования заключается в классификация на базе функций, предоставляемых в процессе резервного копирования. Обратите внимание, что обычно в центрах хранения данных используется, как минимум, два, а чаще всего все типы резервирования, описанные ниже, а именно: полное, дифференциальное и инкрементное.

5.3.2.1 Полное резервное копирование

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.

5.3.2.2 Дифференциальное резервное копирование

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.

При использовании недорогих подсистем хранения данных 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 будут скопированы. 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.

5.3.2.3 Инкрементное резервное копирование

При инкрементном резервном копировании (incremental backup) архивируются только изменения с момента последнего полного или дифференциального резервного копирования. Очевидно, что 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.

5.3.3 Классификация резервного копирования на основе сетевой инфраструктуры

Один из способов классификации резервного копирования основан на сетевой топологии и ее влиянии на выбор наилучшего метода резервирования подключенных узлов. Типы резервного копирования, зависящие от сетевой инфраструктуры (резервирование DAS, NAS, SAN, не зависящее от локальной сети и от сервера) рассматриваются в разделах 5.3.3.1–5.3.3.4.

5.3.3.1 Резервирование DAS

Эта 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. Схема резервирования DAS представлена на рис. 5.3. / Преимуществом резервирования DAS является простота его использования. Приложение на сервере считывает данные с соответствующего дйсково- го 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), что 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.

Рис. 5.3. Резервирование DAS

Наконец, но не в последнюю очередь, сервер должен обрабатывать запросы чтения/записи данных между диском и накопителем на магнитной ленте.

5.3.3.2 Резервирование NAS

Как отмечалось в главе 3, эра хранилищ DAS закончилась с появлением систем типа клиент/сервер, когда клиенты и серверы стали совместно использовать ресурсы локальной сети. Это позволило сформировать архитектуру, в которой к накопителю на магнитной ленте, подключенному к серверу, получают доступ несколько сетевых серверов.

На рис. 5.4 показан типичный сценарий резервирования NAS. В левой области диаграммы указано несколько серверов. Это могут быть серверы приложений или файловые серверы и серверы печати. В правой области находится сервер резервного копирования и подключенный к нему накопитель на магнитной ленте. Этот накопитель может использоваться для резервного копирования информации с нескольких серверов приложений, файловых серверов и серверов печати. Таким образом, резервирование NAS позволяет совместно использовать накопитель на магнитной ленте для резервного копирования данных нескольких серверов, что приводит к снижению общих затрат.

Резервированию NAS свойственны некоторые недостатки.

Операция резервного копирования отражается на пропускной способности локальной сети, что зачастую требует сегментации LAN для перенаправления потоков резервного копирования в отдельный сетевой сегмент.

Время работы узлов увеличивается. Другими словами, возрастает время, в течение которого серверы должны быть доступны для обслуживания пользовательских запросов и транзакций. Кроме того, увеличивается объем данных, хранящихся на сервере, что требует большего времени на резервирование этих данных.

Рис. 5.4. Схема резервирования NAS

Учитывая актуальность описанных проблем, обеспечение эффективности резервного копирования становится единственным критерием при проектировании сетей и определении точного количества необходимых устройств резервирования.

5.3.3.3 Резервирование SAN

Развитие сетей хранения данных привело к появлению новых концепций резервного копирования. Новые возможности основаны та том, что сеть хранения данных может обеспечить достаточную пропускную способность между любыми двумя устройствами и, в зависимости от топологии, способна предоставить одновременную связь с малыми задержками между несколькими парами устройств. С другой стороны, использование топологии кольца Fibre Channel с количеством устройств больше 30 не дает возможности создавать несколько соединений с высокой пропускной способностью и малыми задержками, так как общая пропускная способность кольца будет совместно разделена между всеми подключенными устройствами.

На рис. 5.5 представлена архитектура типичного приложения SAN для резервного копирования. Обратите внимание на мост Fibre Channel. Большинство накопителей на магнитной ленте не поддерживают интерфейс Fibre Channel (они используют параллельный интерфейс SCSI), поэтому для подключения таких устройств понадобится мост. На рис. 5.5 серверы Windows NT подключены одновременно к локальной сети и к сети хранения данных.

Топология резервного копирования (см. рис. 5.5) имеет ряд преимуществ.

■ Накопитель на магнитной ленте может находиться довольно далеко от сервера, данные которого резервируются. Такие накопители обычно оснащены интерфейсом SCSI, хотя в последнее время всё чаще появляются накопители с интерфейсом Fibre Channel. Это означает, что их можно подключать только к одной шине SCSI, в результате чего усложняется совместное использование накопителя несколькими серверами. Сети хранения данных на основе Fibre Channel благодаря поддержке различных устройств позволяют успешно решать проблемы совместного использования. Обратите внимание: при этом все равно требуется метод, обеспечивающий корректный доступ к накопителю на магнитной ленте с использованием соответствующих разрешений. Примеры подобных методов представлены ниже.

Рис. 5.5. Резервное копирование средствами сети хр&нения данных

Метод зонирования позволяет в определенный момент времени получить доступ к накопителю на магнитной ленте одному серверу. Проблема заключается в обеспечении соответствия серверов требованиям зонирования. Кроме того, необходимо обеспечить корректное использование сменщика лент или накопителя с поддержкой нескольких кассет.

Следующий метод – использование таких команд интерфейса SCSI, как Reserve и Release.

Метод подключения накопителя на магнитной ленте к серверу позволяет получить совместный доступ к устройству посредством специального программного обеспечения сервера. Совместное использование накопителя на магнитной ленте является весьма привлекательным решением, поскольку накопители – довольно дорогие устройства. К описанным накопителям относится, например, устройство Tivoli от компании IBM.

■ Технология резервного копирования без локальной сети получила свое название потому, что передача данных выполняется за пределами локальной сети средствами SAN. Это снижает нагрузку на локальную сеть, благодаря чему приложения не страдают от снижения пропускной способности сети при резервировании данных.

Резервное копирование без локальной сети позволяет более эффективно использовать ресурсы с помощью совместного использования накопителей на магнитной ленте.

Резервное копирование и восстановление данных без локальной сети более устойчиво к ошибкам, поскольку резервирование может проводиться несколькими устройствами одновременно, если одно устройство отказало в работе. Аналогичным образом несколько устройств могут использоваться при восстановлении данных, что позволяет эффективнее планировать использование ресурсов.

Наконец, операции резервного копирования и восстановления завершаются значительно быстрее, так как сети хранения данных обеспечивают более высокую скорость передачи данных.

5.3.3.4 Резервирование, не зависящее от сервера

Такое резервное копирование иногда называют резервным копированием без сервера или даже сторонним копированием. Обратите внимание, что резервное копирование, не зависящее от сервера, обычно представляет собой резервирование, не зависящее от локальной сети, что избавляет от необходимости перемещать данные с определенного узла. Идея такого способа резервного копирования состоит в применении команды SCSI Extended Copy.

В основе резервного копирования, не зависящего от сервера, лежит инициатива ассоциации SNIA, которая была реализована в командах SCSI Extended Сору, утвержденных комитетом INCITS, а точнее, техническим подкомитетом Т10 (документ ANSI INCITS.351:2001, SCSI Primary Commands-2). Обратите внимание: в стандарте SCSI уже описывалась поддержка команд копирования, однако ранее для использования команд требовалось подключение всех устройств SCSI к одной шине (с тех пор команда Сору считается устаревшей; более подробная информация представлена на Web-узле http: //www.110. org). Команда Extended Copy добавляет такие дополнительные возможности, как использование источника и пункта назначения данных через различные шины SCSI. При этом в полной мере сохраняется адресация, поддерживаемая синтаксисом команды.

В резервном копировании, не зависящем от сервера, сервер резервирования может обрабатывать другие запросы, пока данные копируются с помощью агента перемещения данных. Данные переносятся непосредственно от источника данных в точку назначения, а именно в резервный носитель (вместо копирования из источника на сервер резервного копирования с последующим переносом на резервный носитель).

Рис. 5.6. Резервное копирование, не зависящее от сервера

Осознавая преимущества резервного копирования, не зависящего от сервера, не следует забывать, что восстановление данных представляет собой совершенно другую проблему. Операции восстановления, не зависящие от сервера, остаются крайне редким явлением. Резервные копии, созданные с помощью этой технологии, очень часто восстанавливаются традиционными методами, в которых подразумевается использование сервера с неким программным обеспечением для резервного копирования и восстановления данных.

Принцип резервного копирования, не зависящего от сервера, демонстрируется на рис. 5.6. Для упрощения схемы на рисунке показано минимальное количество компонентов, необходимых для иллюстрации резервного копирования. На практике сети хранения данных имеют более сложную структуру. На рис. 5.6 показан сервер под управлением Windows, подключенный к коммутатору Fibre Channel с помощью адаптера шины Fibre Channel. Кроме того, используется маршрутизатор Fibre Channel-K-SCSI, к которому подключается накопитель на магнитной ленте с интерфейсом SCSI и дисковые устройства. Дисковые и ленточные устройства не обязательно должны подключаться к одному маршрутизатору.

Приложение сервера резервного копирования на сервере Windows находит агента перемещения данных на маршрутизаторе с помощью технологии Plug and Play. Приложение резервного копирования определяет дополнительную информацию о резервировании (идентификатор дискового устройства, начальный логический блок, объем копируемых данных и т.д.). Программное обеспечение сервера резервирования изначально передает последовательность команд накопителю на магнитной ленте для резервирования устройства и монтирования необходимого носителя. Далее программное обеспечение сервера резервного копирования передает команду Extended Сору агенту перемещения данных, который выполняется на маршрутизаторе. Агент координирует перенос необходимых данных. По завершении копирования агент возвращает сервисную информацию программе резервирования, выполняемой на сервере Windows.

В процессе резервного копирования, не зависящего от сервера, важную роль играют несколько компонентов, включая источник и точку назначения данных, агент перемещения и сервер резервного копирования.

Источник данных – это устройство, содержащее данные, для которых необходимо создать резервную копию. Обычно выполняется резервное копирование целого тома или дискового раздела. К источнику данных должен получать доступ непосредственно агент перемещения данных (о нем идет речь несколько ниже). Это означает, что устройства хранения, подключенные к серверу, не могут быть источниками данных для резервного копирования, не зависящего от сервера, так как прямая адресация вне сервера невозможна.

Точка назначения данных обычно представляет собой накопитель на магнитной ленте, на который записываются данные. В качестве устройства может выступать диск, если резервное копирование выполняется на диск, а не на ленту. Ленточные устройства обычно подключены к порту связной архитектуры, чтобы избежать повреждения данных, передаваемых на ленту, в случае отказа других частей сети хранения данных. Например, если накопитель на магнитной ленте подключен к кольцу Fibre Channel с разделением доступа, ошибка в работе другого устройства или подключение/отключение устройства от кольца может привести к остановке записи данных и повторной инициализации кольца, что нарушит целостность данных, записываемых на ленту.

Агент перемещения данных обычно встраивается в маршрутизатор с помощью прошивки, так как он должен обрабатывать команду SCSI Extended Сору, которая отправляется маршрутизатору в виде пакета Fibre Channel. Коммутаторы и концентраторы, обрабатывающие только заголовок кадра Fibre Channel, не совсем подходят для поддержки работы агента перемещения данных, однако в будущем это может измениться.

Агент перемещения данных активизируется после получения инструкций от сервера резервного копирования. Большинство накопителей на магнитной ленте, подключенных к SAN, представляют собой устройства SCSI. Поэтому требуется наличие маршрутизатора, который поддерживает преобразование пакетов между интерфейсами Fibre Channel и SCSI. На данный момент все чаще появляются накопители на магнитной ленте с интерфейсом Fibre Channel, а некоторые компании, например Exabyte, предоставляют прошивки для подобных накопителей, добавляющие функции агента перемещения данных. Кроме того, базовые библиотеки накопителей на магнитной ленте с интерфейсом Fibre Channel обычно имеют встроенные маршрутизаторы Fibre Channel-SCSI, что позволяет библиотеке использовать собственный агент перемещения данных. Обратите внимание, что агент может быть реализован в программном обеспечении младшей рабочей станции или даже сервера. Компании Crossroads, Pathlight (теперь ADIC) и Chaparral предоставляют маршрутизаторы со встроенными в прошивку агентами перемещения данных. Сеть хранения данных может иметь несколько агентов от нескольких производителей, что не мешает агентам сосуществовать в одной сети.

Конечно, для того чтобы агент перемещения данных можно было использовать, его нужно найти (с помощью команды SCSI Report LUNs) и обеспечить должную адресацию (посредством имени WWN) с сервера резервного копирования. Кроме того, агент может проводить два резервных копирования одновременно. Например, один сеанс копирования может проводиться на географически удаленный зеркальный ресурс, однако для этого сервер резервирования должен передать две команды.

Сервер резервного копирования отвечает за все команды и управление операциями. Перечислим еще раз все основные обязанности сервера резервирования.

Программное обеспечение сервера обеспечивает доступность накопителя на магнитной ленте, применяя соответствующие команды SCSI Reserve и Release.

Монтирование носителя для резервного копирования.

Определение точного адреса источника данных и размещения данных в логических блоках, а также объема данных для резервирования.

Получив всю необходимую информацию, сервер отправляет команду Extended Сору агенту перемещения данных. Затем агент отправляет последовательность команд Read источнику данных и записывает информацию в точке назначения.

Компании Computer Associates, CommVault, LEGATO и VERITAS предоставляют программы для резервирования, не зависящего от сервера. Поставщики маршрутизаторов с функциями резервного копирования, не зависящего от сервера, постоянно сотрудничают с компаниями – разработчиками программного обеспечения, чтобы сделать возможной совместимость своих продуктов. Дело в том, что для поддержки базовых команд SCSI Extended Copy производителями применяются различные команды.

Обратите внимание: несмотря на достаточно зрелый возраст технологии резервирования, не зависящей от сервера, поддержка восстановления, не зависящего от сервера, со стороны производителей крайне ограниченна.

5.3.3.5 Семейство операционных систем Windows Server и резервное копирование, не зависящее от сервера

В многочисленных рекламных материалах и маркетинговой литературе утверждается, что конкретный метод внедрения технологии резервного копирования, не зависящего от'сервера, совместим с Windows 2000. Рассмотрим эту концепцию более подробно. Далее описывается каждый из четырех компонентов, формирующих резервирование, не зависящее от сервера: источник данных, точка назначения данных, программное обеспечение сервера резервирования и агент перемещения данных.

В большинстве случаев агент перемещения данных, работающий вне сервера Windows NT, не может адресовать данные, хранящиеся на сервере Windows NT. Адаптеры шины, подключенные к серверу Windows NT, обычно работают, как инициаторы и не отвечают на команды Report LUNs. Если сервер Windows NT использует устройство хранения за пределами сервера, например массив RAID, подключенный к коммутатору Fibre Channel, то это устройство будет доступно агенту перемещения. Поэтому вместо утверждений о том, что устройство хранения, используемое Windows NT, не может быть источником данных для резервирования, не зависящего от сервера, следует уточнить, что источником данных не может быть устройство хранения, которое является внутренним для сервера Windows NT.

Использование внутреннего хранилища Windows NT в качестве точки назначения данных также невозможно, так как точка назначения тоже должна быть доступна агенту перемещения данных для адресаций.

Выполнение программы резервирования на компьютере под управлением Windows представляет собой неплохой вариант. Адаптер шины, подключенный к серверу Windows, может выдать последовательность команд Report LUNs каждому устройству (LUN 0), которое будет обнаружено. Затем программа резервирования просматривает все видимые устройства и логические единицы, после чего выясняет, какие из них могут выступать в роли агента стороннего копирования. Некоторые программы сообщают о дополнительных LUN, которые необходимы при выдаче команд Extended Сору. Множество программ резервирования, которые используют дополнительные LUN, проходят через процесс обнаружения устройств для проверки функций агента перемещения данных.

Промежуточный интерфейс SCSI (IOCTL) в Windows NT может использоваться для передачи команды Extended Сору агенту перемещения данных (команда передается с сервера резервного копирования под управлением Windows NT). Операционная система Windows NT не имеет встроенной поддержки агентов перемещения; технология Plug dnd Play позволяет обнаружить агент, но для регистрации последнего в системном реестре необходимы дополнительные драйверы.

Остается последний вопрос: можно ли запустить программное обеспечение агента перемещения данных на сервере или рабочей станции под управлением Windows NT? Одним из преимуществ такого решения является то, что агент перемещения сможет адресовать устройства хранения, «видимые» для сервера Windows, а также получать к ним доступ. Но сервер резервного копирования, размещенный вне Windows NT, не сможет обнаружить устройства хранения, подключенные к компьютеру с агентом перемещения данных. Агент должен иметь возможность работать в качестве инициатора и целевого устройства для команд SCSI. Поскольку адаптер шины, подключенный к компьютеру под управлением Windows NT, редко выполняет роль целевого устройства, команда Extended Сору может не дойти до агента перемещения данных.

Обратите внимание: в Windows NT для выдачи команд SCSI приложения используют промежуточный интерфейс (DeviceloControl с параметром IoControlCode, равным IOCTOL_SCSI_PASS__THROUGH или IOCTL_SCSI_PASS_ THROUGH_DIRECT).

 

5.4 Утилита резервного копирования Windows 2000

В составе Windows 2000 поставляется программа резервного копирования, которая на самом деле представляет собой облегченную версию программы VERITAS Backup Exec. Встроенная утилита резервного копирования интегрирована с другими компонентами операционной системы, например с шифрованной файловой системой и интерфейсом управления иерархическим хранилищем. Утилита резервного копирования поддерживает резервное копирование и восстановление EFS в Windows 2000. Более подробная информация представлена в главе 6. Кроме того, утилита поддерживает работу с менеджером RSM – Removable Storage Manager (см. главу 7). Менеджер предоставляет поддержку операций, необходимых для резервного копирования:

инвентаризацию носителей, загруженных в библиотеку ленточных библиотек;

загрузку и извлечение носителей из ленточных библиотек;

предоставление безопасного доступа и обеспечение целостности данных на смонтированном носителе;

выполнение обслуживающих функций для управления носителями и ленточной библиотекой, например очистка ленточного привода или библиотеки носителей.

Полнофункциональные утилиты резервного копирования предоставляют возможности, которые не поддерживаются описываемой утилитой Windows 2000. Вот некоторые из этих возможностей:

агенты резервного копирования для приложений уровня предприятия, например серверов SQL и IIS;

поддержка резервного копирования открытых файлов;

повышенное быстродействие;

централизованное управление, включая централизованную базу данных с каталогом и управляющим программным обеспечением для всех устройств и каталогов резервного копирования;

поддержка команды Extended Сору и агентов перемещения данных других поставщиков.

Обратите внимание, что утилита резервного копирования в Windows Server 2003 поддерживает копирование открытых файлов, так как резервирование выполняется на основе моментальных снимков.

 

5.5 Технологии создания моментальных снимков тома

Моментальный снимок (snapshot) – это целостная копия состояния тома в определенный момент времени. Под целостностью в данном случае подразумевается возможность для приложений обработать данные, хранящиеся в снимке; например, сервер Microsoft Exchange воспринимает данные как действительное хранилище Exchange, а сервер Microsoft SQL – как реальную базу данных SQL. Рассматриваемый в этом случае набор данных в дальнейшем будет именоваться логическим томом.

Моментальные снимки набирают популярность и используются по ряду различных причин.

Резервное копирование клонированного тома, созданного с помощью технологии моментального снимка, в то время пока основной том используется приложениями. Именно для этого компания Microsoft создала службу теневого копирования томов в Windows ХР. Служба (в определенный момент времени) используется для создания образа оригинального тома (при наличии свободного дискового пространства). Этот образ применяется затем для операций резервного копирования.

Создание образа активных данных, в котором поддерживается поиск.

Создание образа активных данных для тестирования новой версии приложения в «реальном» окружении.

Создание образа активных данных для последующего восстановления системы после сбоев в работе.

Как же создается моментальный снимок тома? Для этого существует несколько способов, каждый из которых представляет собой вариант дублирования операций записи. Единственное отличие между ними состоит в том, где именно проводится дублирование. Существует четыре возможных уровня.

Уровень аппаратного обеспечения. Первый очевидный способ создания моментального снимка тома заключается в зеркальном отражении тома на уровне аппаратного обеспечения с последующим разделением зеркала. При использовании простого аппаратного обеспечения и программных томов, каждая операция записи преобразуется в две операции: для оригинального тома и для зеркала. Этот подход требует большого объема ресурсов, так как обе операции записи должны быть завершены до отправки результата записи. Кроме того, необходимо обеспечить обработку ошибок записи. Преимуществом такого подхода, несмотря на требовательность к ресурсам, является значительная скорость разбития зеркала для создания моментального снимка тома. Высокая скорость и надежность зеркального отражения с помощью аппаратного обеспечения связана с определенными накладными расходами: основную часть составляет стоимость жестких дисков для дублирования записи. При использовании дорогих подсистем хранения для каждой дорожки хранится большой объем метаданных, так как вместо разделения самих записей, после разбивки зеркала записи отслеживаются через метаданные. Более того, дорогие подсистемы хранения не задерживают зеркальные записи, так как записи считаются завершенными, как только необходимые данные попадают в кэш подсистемы хранения.

Уровень над файловой системой. Второй способ создания моментального снимка тома в операционных системах семейства Windows Server заключается в создании драйвера фильтрации файловой системы, который размещен над драйвером файловой системы, например NTFS или FAT. Драйвер фильтрации файловой системы дублирует каждый пакет IRP (пакет запроса ввода-вывода), который передается драйверу файловой системы. Этот процесс довольно сложен и не может использовать преимущества технологии моментальных снимков, которая предоставляется аппаратным обеспечением. В качестве примера программ, внедряющих фильтры над NTFS, можно указать Open File Manager компании St. Bernard, Vinca (теперь LEGATO) Open File Manager и Open File Agent компании Cheyenne. Обратите внимание, что не каждая программа поддерживает технологию моментальных снимков.

Рис. 5.7. Моментальные снимки по методу копирования при записи

Уровень непосредственно файловой системы. Переместившись ниже по стеку драйверов, можно реализовать третий способ создания моментальных снимков на уровне файловой системы, такой, как WAFL (Write Anywhere File Layout) и Linux SnapFS. Очевидно, что в данном случае речь не идет о Windows NT. Создание файловой системы – достаточно сложный процесс, а создание технологии моментальных снимков на уровне файловой системы еще больше его усложняет. В результате файловые системы, реализованные в Windows NT, не поддерживают моментальных снимков.

Уровень ниже файловой системы. Четвертый способ – использование драйвера фильтрации ниже файловой системы для реализации технологии копирования при записи. Основная идея состоит в том, чтобы логические блоки, в которые приложение вносит изменения, сначала записывались во вторичное хранилище и только потом – на жесткие диски. Этот принцип демонстрируется на рис. 5.7. Описываемая технология также называется дифференциальным моментальным снимком, поскольку сохраняются только измененные файлы (полное зеркальное отражение тома не проводится).

 

5.6 Служба теневого копирования томов в Windows ХР и Windows Server 2003

В Windows ХР и Windows Server 2003 компания Microsoft реализовала службу теневого копирования. Таким образом, предоставляется инфраструктура, позволяющая создавать целостные копии дисковых томов в заранее определенный момент времени. По юридическим причинам Microsoft решила назвать эту технологию теневым копированием томов (volume shadow copy), что на самом деле не отличается от более популярного термина – моментальные снимки. Служба теневого копирования томов реализована в драйвере, который называется volsnap. sys и находится ниже уровня файловой системы.

Компания Microsoft предоставляет инструментарий разработки программного обеспечения для теневого копирования томов, реализуемый на базе договора о неразглашении. Набор SDK в основном предназначен для представителей трех обширных аудиторий.

Независимые поставщики программного обеспечения, предназначенного для теневого копирования томов, включая Microsoft Exchange, SQL Server, Oracle, SAP, Sybase и др.

Независимые поставщики программного обеспечения, разрабатывающие приложения резервного копирования и управления подсистемами хранения. Такие поставщики могут создавать программное обеспечение для отправки запросов службе теневого копирования томов.

Независимые поставщики программного и аппаратного обеспечения, предназначенного для резервного копирования, восстановления после ошибок и обеспечения целостности данных. В качестве примера можно привести компании VERITAS, EMC и их конкурентов в этой отрасли. Такие поставщики разрабатывают программное обеспечение для предоставления моментальных снимков.

Если приложение не имеет кода, поддерживающего службу моментальных снимков, данные приложения все равно будут скопированы с сохранением целостности, как в том Случае, если файловая система не может штатным образом завершить свою работу. Если приложение содержит код для поддержки службы моментальных снимков, от приложения ожидается поддержка службы и в операциях восстановления данных. Приложение выдает некоторые данные (например, какие файлы необходимо копировать, а также методологию резервного копирования и восстановления) при запросе резервного копирования. От приложения также ожидается обработка этих данных, когда потребуется операция восстановления.

Рис. 5.8. Архитектура теневого копирования томов

Резервное копирование и восстановление данных, реализованное в операционных системах Windows, не всегда работает со стопроцентной надежностью. Новая служба моментальных снимков позволяет достичь максимальной надежности, поддерживая более сложные сценарии, которые до этого момента были недоступны в Windows.

Архитектура теневого копирования томов в Windows ХР и Windows Server 2003 включает в себя четыре типа модулей (рис. 5.8).

Модули записи.

Модули запроса.

Служба теневого копирования томов.

Поставщики.

Эти модули подробно рассматриваются в разделах 5.6.1–5.6.4.

В контексте различных модулей, формирующих службу моментальных снимков, второй поставщик моментальных снимков снабжен компонентом для режима ядра, который отсутствует у первого поставщика. Служба поставщика моментальных снимков на рис. 5.8 выделена серым цветом, что подчеркивает предоставление компанией Microsoft функции, которую остальные поставщики программного обеспечения не пожелали предоставлять в виде службы. Кроме того, Microsoft предлагает и другие компоненты, но их функциональность ограничена определенным приложением или набором опреде-

ленных функций; таким образом, от поставщиков ожидается создание компонентов средствами SDK.

Модули записи и поставщики должны внедрить отдельного внепроцесс- ного поставщика СОМ, как описано в SDK, для теневого копирования томов. Поставщики обычно реализуются в виде «конечного автомата». Автомат переходит из одного состояния в другое при получении события, сгенерированного службой теневого копирования. Поставщик получит событие (сгенерированное службой теневого копирования), однако тип события зависит от текущего статуса поставщика и от наличия ошибок в работе. Другими словами, поставщик ожидает получения предпочтительного события, которое позволит ему перейти в следующее нормальное состояние. В случае ошибки поставщик получит событие, которое отличается от ожидаемого. Тем не менее такое событие также может быть обработано поставщиком.

Инфраструктура теневого копирования в Windows ХР и Windows Server 2003 предоставляет базовые функции, необходимые для управления подсистемой хранения данных, включая следующие:

определение момента времени, в который должен создаваться моментальный снимок;

предоставление служб синхронизации для приложений, баз данных, операционных систем и файловых систем для чистки кэшированных данных, приостановки записи, создания моментальных снимков и предоставления уведомлений приложениям, базам данных и элементам операционных систем о возможности продолжения нормального режима работы;

предоставление. единого API, который может использоваться во время операций резервного копирования и восстановления;

предоставление общей платформы для управления моментальными снимками.

Инфраструктура теневого копирования Microsoft поддерживает обработку набора томов, для которых моментальный снимок должен быть сделан как для одного тома. Если одна операция завершится неудачно, неудача постигнет и все другие операции. Кроме того, инфраструктура теневого копирования Microsoft выдает запрос (поставщику моментального снимка) на удаление моментального снимка, когда запрашивающее приложение завершило его обработку. Если необходимо, чтобы моментальный снимок оставался доступным для последующего использования, поставщик моментальных снимков или запрашивающее приложение должны предоставить необходимые функции. Независимые поставщики программного обеспечения разрабатывают приложения, которые на основе архитектуры теневого копирования создают и каталогизируют несколько моментальных снимков, а также управляют ими; такие программы не поставляются в комплекте с Windows Server 2003.

5.6.1 Модули записи

Модули записи моментальных снимков представляют собой приложения, которые записывают данные. К модулям записи относятся программы Microsoft Exchange, Microsoft SQL Server 2000, SAP и Oracle. Компания Microsoft и независимые поставщики программного обеспечения разрабатывают системы, поддерживающие запись моментальных снимков. При этом модули записи моментальных снимков должны быть реализованы с помощью набора SDK. В частности, модули записи получают от службы моментальных снимков два события, в результате чего приложения прекращают запись данных на диск, а также отдельное событие, позволяющее продолжить запись (это событие указывает на успешное создание моментального снимка). Существуют и другие события, которые может генерировать служба создания моментальных снимков. Дополнительная информация об этих событиях доступна в наборе SDK. Так как приложения могут определять целостность получаемых данных, операции сохранения должны проводиться достаточно быстро.

Необходимо также отметить одно важное преимущество архитектуры службы теневого копирования томов по сравнению с традиционными механизмами создания моментальных снимков, основанными на аппаратных решениях. При использовании в Windows 2000 и более ранних версиях традиционных механизмов аппаратное обеспечение не имело возможности «узнать» состояние приложений, программного обеспечения операционной системы и содержимого кэша. Это означает, что целостность заметного процента моментальных снимков нарушена. Более того, единственным способом определения целостности моментального снимка был запуск проверки целостности в конкретном приложении, на что уходило несколько часов.

В то же время при использовании архитектуры теневого копирования томов можно не только аннулировать содержимое кэша и приостановить one- рации записи, но и проверить целостность снимка за несколько минут. Как только приложениям выдается событие продолжения записи, служба теневого копирования томов запрашивает у приложений сведения об успешной задержке записи между событиями остановки и продолжения записи. Если один из модулей записи не смог остановить запись данных на диск после прихода соответствующего события, создание моментального снимка можно считать неудачным.

От модулей записи моментальных снимков ожидаются данные, необходимые для резервного копирования и восстановления. К ним относятся, например, список файлов, которые требуется скопировать или исключить из процесса копирования, а также группа объектов, которые должны обрабатываться в виде единого набора. Такие данные сохраняются службой создания моментальных снимков в документе метаданных модуля записи, который имеет формат XML. Модули записи могут использовать документ для хранения других необходимых данных. При восстановлении данных приложение предоставляет набор данных записавшему приложению, которое и проводит операцию восстановления.

Компания Microsoft объявила, что будет предоставлять модули записи для программ SQL Server 2000 и Exchange, а также других компонентов Windows Server. Компания сотрудничает с независимыми поставщиками программного обеспечения для разработки модулей записи к другим приложениям, включая службу каталогов Active Directory.

5.6.2 Модули запроса

Обычно модуль запроса – это приложение резервного копирования, которое запрашивает создание моментального снимка с помощью соответствующего вызова API, направленного к службе теневого копирования томов от Microsoft. Такая модель значительно упрощает решение некоторых проблем для создателя программы резервного копирования. Программе более не придется решать сложную задачу поиска копируемых данных или определять файлы журналов приложений, которым требуется специальная обработка.

Соответствующий модуль записи (например, Microsoft SQL Server) отвечает за создание набора файлов, которые будут включены в резервную копию. Операция восстановления также намного упрощается, поскольку приложение восстановления не должно искать данные и определять, какие файлы передавать API приложения (например, Exchange или SQL). Приложение передает набор данных модулю записи (приложению) и предоставляет ему возможность выполнить операцию восстановления.

5.6.3 Служба теневого копирования томов

Созданная компанией Microsoft служба теневого копирования томов Windows NT координирует деятельность всех компонентов создания моментальных снимков. В частности, служба предоставляет описанные ниже возможности.

Единый интерфейс для приложений резервного копирования или модулей запроса создания моментальных снимков. Ранее приложения резервного копирования должны были работать с несколькими API от нескольких приложений.

Единый интерфейс для создания, управления и удаления целостных моментальных снимков томов или теневых томов.

Единый интерфейс, который позволяет различным приложениям и поставщикам моментальных снимков регистрироваться и удалять регистрацию модулей записи и поставщиков моментальных снимков.

Синхронизация и координация различных компонентов для создания, удаления и перемещения моментальных снимков, а также для резервного копирования и восстановления. Служба расставляет приоритеты поставщиков моментальных снимков таким образом: аппаратные поставщики имеют наивысший приоритет, затем идут программные поставщики, а самым низким приоритетом обладают поставщики, которые по умолчанию предоставляются Microsoft.

Независимые поставщики программного обеспечения могут не беспокоиться о необходимости создания службы теневого копирования томов. Службу, предоставленную компанией Microsoft, можно воспринимать, как планировщик печати (spooler). На компьютере должен быть один планировщик печати. Некоторые производители (например, создатели поставщиков) должны написать эквивалент драйвера печати, в то время как остальным достаточно создать приложение печати.

5.6.4 Поставщики

Поставщики моментальных снимков должны разрабатываться независимыми компаниями для создания, удаления и управления моментальными снимками. Как отмечалось ранее в главе, поставщики моментальных снимков должны быть созданы в виде внепроцессных поставщиков СОМ средствами соответствующего набора SDK.

Поставщик может иметь компонент, работающий в режиме ядра, например драйвер фильтрации, который расположен между файловой системой и диспетчером логических дисков (logical disk manager – LDM). При необходимости функции режима ядра могут быть реализованы в аппаратном обеспечении. Обратите внимание, что даже аппаратный поставщик будет использовать остальные возможности инфраструктуры, например определение временной точки, синхронизацию ввода-вывода и платформу для создания приложений управления подсистемой хранения, включая резервное копирование/восстановление данных и приложения управления моментальными снимками.

Одним из примеров поставщика моментальных снимков служит драйвер volsnap. sys, который предоставляется в Windows ХР и ожидается в Windows Server 2003. Этот поставщик использует технологию копирования при записи для создания минимального необходимого набора данных во вторичном хранилище, чтобы воссоздать том с определенной временной точки. При этом должен быть доступен достаточный объем свободного дискового пространства. Поставщик может обрабатывать тома NTFS, FAT32 и тома без файловой системы в Windows Server 2003. Однако поставщик может создавать моментальные снимки, предназначенные только для чтения, и для каждого тома создается только один моментальный снимок. Это ограничение самого поставщика, а не инфраструктуры, на базе которой он создан. Независимые производители программного и аппаратного обеспечения при желании могут предоставлять более широкие возможности.

Полное описание всех событий, которые получает поставщик моментальных снимков, приводится в документации SDK. Далее рассматривается два наиболее важных события.

PreCommitSnapshot. При получении этого события поставщик должен начать выполнение всех операций ввода-вывода, которые занимают довольно много времени, например синхронизацию зеркала.

Commit Snapshot. С получением этого события поставщик уведомляется о том, что служба моментальных снимков завершит работу через 10 секунд. Таким образом, быстродействие поставщика должно быть достаточно высоким. Более того, пока создание моментального снимка не будет завершено, Windows NT не будет выполнять операции записи на том, для которого создается моментальный снимок. Это значит, что поставщик не должен выполнять операции ввода-вывода с этим томом, а если такая операция выполнена, то она не должна завершаться до тех пор, пока создание моментального снимка не будет завершено или прервано.

Поставщики моментальных снимков должны предоставлять определенные функции, а также возможности, выходящие за рамки обязательных. Ниже описаны обязательные функции.

Поставщики отвечают за поиск хранилища, необходимого для создания моментального снимка. Инфраструктура Microsoft не обеспечивает подобной возможности.

Поставщик должен монтировать моментальный снимок в другом пространстве имен й не в виде отдельного тома. Внимательно рассмотрев архитектуру Windows ХР, можно отметить, что поставщик моментальных снимков от компании Microsoft монтирует их с использованием адреса \Device\HarddiskSnapshotX.

5.6.5 Модификации подсистемы ввода-вывода Windows NT

Хотя модификации подсистемы ввода-вывода Windows NT не обязательно относятся к окружению моментальных снимков, следует обратить внимание, что для создания целостных и надежных моментальных снимков в определенный момент времени требуются значительные доработки файловой системы, стека ввода-вывода и драйверов фильтрации файловой системы. В частности, компания Microsoft добавила два вызова управления вводом: выводом (IOCTL), которые должны быть реализованы во всех файловых системах и драйверах фильтрации файловых систем.

Вызов IOCTL_VOLSNAP_FLUSH_AND_HOLD_WRITES, который должен входить в последовательность и обрабатываться. Включение в последовательность позволяет обрабатывать вызов драйверам более низкого уровня. Обработка заключается в очистке и удержании всех метаданных файловой системы. Как только все данные будут сброшены, до завершения работы пакетов IRP, предназначенных для аннулирования данных и метаданных, другие запросы на запись выдаваться не должны.

Вызов IOCTL_VOLSNAP_RELEASE_WRITES также должен обрабатываться и включаться в последовательность. Этот вызов указывает на успешное завершение создания моментального снимка или. на прерывание операции создания моментального снимка.

Некоторые компоненты Windows NT также были модифицированы для вызова указанных IOCTL в соответствующие моменты времени. Хотя компания Microsoft уже модифицировала файловую систему и драйвер фильтрации файловой системы для предоставления соответствующей функции, от драйверов фильтрации независимых производителей^ программного обеспечения ожидается то же самое.

В разделе 5.8 рассматривается промышленный стандарт NDMP (Network Data Management Protocol – сетевой протокол управления данными). Но перед обсуждением этой темы следует рассмотреть взаимосвязь между службой теневого копирования томов Windows ХР/Windows Server 2003 и протоколом NDMP. Служба теневого копирования используется для клонирования данных, которые необходимо скопировать на резервный носитель, в то время как NDMP применяется для переноса данных с клонированного образа на магнитную ленту или другой резервный носитель.

 

5.7 Устройства NAS под управлением Windows и моментальные снимки

Компания Microsoft предоставляет версию Windows NT, которую иногда называют Embedded NT (встроенная NT), однако обычно она известна как Server Appliance Kit, или SAK. Эта система основана на ядре Windows 2000, которая не содержит службы теневого копирования томов. Для производителей аппаратного обеспечения, использующих SAK при разработке устройств NAS, компания Microsoft лицензировала технологию создания моментальных снимков и добавила ее в SAK. В последнем случае для создания моментальных снимков используется технология PSM (Persistent Storage Management) от компании Columbia Data Products. В этом разделе приводится краткое описание архитектуры и функций PSM.

Архитектура PSM представлена на рис. 5.9. Модуль PSM включает в себя компонент пользовательского режима, который обеспечивает управление моментальными снимками, включая запуск и планирование снимка. Моментальные снимки создаются с помощью драйверов фильтрации PSM, которые расположены над драйвером класса диска.

Архитектура PSM предоставляет возможность создания нескольких моментальных снимков, а также средства для их управления. Моментальные снимки можно создавать по расписанию, а более старые снимки могут быть сохранены или перезаписаны. Кроме того, старые снимки можно монтировать для использования при резервном копировании или для других целей. С каждым моментальным снимком связана информация о дате и временной отметке.

 

5.8 Протокол NDMP

В основе протокола NDMP лежит инициатива компаний Network Appliance и Intelliguard (теперь подразделение компании LEGATO). Он предназначался для предоставления дополнительных возможностей приложениям резервного копирования и восстановления данных, а именно:

■ возможность сократить или, как минимум, изолировать зависящие от операционной системы элементы программного обеспечения для резервного копирования и восстановления; функции приложений предлагалось разделить на модульной основе;

Рис. 5.9. Архитектура Persistent Storage Manager

стандартизированные способы связи между модулями;

возможность разделить перенос данных и команд на отдельные каналы или даже сети;

интеграция программного обеспечения от разных производителей.

На данный момент NDMP позиционируется как открытый стандарт для выполнения операций резервного копирования и восстановления в среде NAS. Протокол постоянно развивается и в будущем может обеспечить преобразование копируемых данных стороннего ресурса в данные протокола NDMP.

Протокол NDMP может использоваться в различных сетевых средах, например Ethernet, Gigabit Ethernet, Fibre Channel. Главным условием является использование IP (Internet Protocol) в качестве транспортного протокола. Сервер NDMP и агенты используют протокол IP, а сервер NDMP выдает необходимые команды SCSI блочного уровня.

Протокол NDMP ориентирован на устройства NAS и определяет метод резервного копирования и восстановления данных с устройства, например

системы NAS, на которой сложно установить агент резервного копирования. При отсутствии NDMP данные копируются с общего диска по протоколам CIFS и NFS.

Протокол NDMP имеет ряд преимуществ.

Интерфейсы предоставляются производителями, которые имеют доступ к ядру системы.

Интерфейсы стандартизированы и позволяют использовать Plug and Play для модулей разных производителей.

Протокол NDMP может сократить использование пропускной способности сети, обеспечивая передачу данных непосредственно между первичным и вторичным носителями, не требуя отправки данных сначала на сервер резервного копирования, а затем на вторичный носитель.

Протокол NDMP совмещает в себе лучшие качества обоих «миров», так как поддерживает удаленное управление через сеанс управления NDMP, а данные могут передаваться локально через сеансы данных NDMP.

5.8.1 Архитектура NDMP

Посредством протокола NDMP определяется стандартизированный способ разбивки операций резервного копирования и восстановления на несколько томов, с учетом того, что каждый производитель предоставляет отдельные модули. Протокол NDMP включает в себя следующие компоненты:

агент перемещения данных;

службы NDMP;

сеансы NDMP.

Рассмотрим эти компоненты подробнее.

5.8.1.1 Агент перемещения данных

Агент перемещения данных (data mover agent – DMA) представляет собой основное приложение резервного копирования. Он устанавливает сеансы NDMP с поставщиком услуг NDMP (рассматривается далее) и управляет последовательностью действий, необходимых для настройки операции резервного копирования или восстановления. Кроме того, иногда агент перемещения данных называетсяклиентом NDMP.

5.8.1.2 Службы NDMP

Протокол NDMP поддерживает службы, которые могут выступать в роли абонентов или генераторов и позволяют одному устройству быть и абонентом и генератором потоков данных. Протоколом NDMP версии 5 поддерживается три типа служб.

Служба данных взаимодействует с первичным устройством хранения (например, с устройством NAS). Эта служба работает с томом или файловой системой, которая копируется на резервный носитель или восстанавливается.

Служба магнитных накопителей взаимодействует со вторичным устройством хранения, как правило, накопителем на магнитной ленте.

Служба трансляции выполняет преобразование данных, включая мультиплексирование нескольких потоков данных в один поток и наоборот.

5.8.1.3 Сеансы NDMP

Службы NDMP взаимодействуют друг с другом с помощью интерфейсов NDMP. В результате устанавливается сеанс NDMP, который называется управляющим сеансом, если используется для получения управления над операцией резервного копирования или восстановления, либо сеансом данных, если используется для передачи файловой системы или данных тома (включая метаданные). Между каждой службой NDMP и агентом перемещения данных существует только один сеанс. Сеансы управления всегда создаются на основе протокола TCP/IP; потоки данных могут передаваться по протоколу TCP/IP или по сетям хранения данных. Даже несмотря на возможность передачи данных по сетям хранения данных, использование протокола TCP/IP для сеансов управления требует наличия локальной сети. Потоки данных могут проходить между агентом перемещения данных и службой NDMP или непосредственно между двумя службами NDMP.

Агент перемещения данных и службы могут быть распределены на два или более компьютеров. На рис. 5.10 показан NDMP и работа двух компьютеров. Агент перемещения данных NDMP связывается с сервером NDMP и управляет перемещением данных с первичного на вторичный носитель. Сеансы данных устанавливаются между сервером NDMP, источником данных и точкой назначения данных.

На рис. 5.11 представлена концептуальная реализация протокола NDMP в Windows NT. Агент перемещения данных NDMP устанавливает два сеанса управления NDMP, по одному с каждым сервером NDMP. Данные передаются непосредственно между двумя серверами NDMP, а не «перетаскиваются» с одного сервера NDMP к агенту перемещения данных NDMP и оттуда к другому серверу NDMP.

Рис. 5.10. Архитектура NDMP

Рис. 5.11. Концептуальная реализация NDMP в Windows NT

 

5.9 Сложности практической реализации

Дорогостоящие подсистемы хранения, которые могут отслеживать метаданные для каждого сектора, позволяют намного эффективнее выполнять операции резервного копирования и восстановления, так как изменения отслеживаются очень точно и операции резервного копирования затрагивают изменившиеся данные.

Для обеспечения целостности моментального снимка в контексте приложения важно, чтобы операционная система (включая файловые системы) и приложение принимали участие в чистке кэша и временной приостановке операций записи на время создания моментального снимка. Служба теневого копирования томов, которая поставляется в составе Windows Server 2003, обеспечивает поддержку со стороны операционной системы и файловых систем, а также делает доступной архитектуру поддержки со стороны приложений. Эта архитектура используется такими важными приложениями, как Microsoft Exchange и Microsoft SQL Server.

Остается подождать и посмотреть, как остальные поставщики программного обеспечения будут поддерживать архитектуру теневого копирования томов.

 

5.10 Резюме

Операции резервного копирования эволюционировали с точки зрения требований пользователей и технологий, применяемых для резервирования данных. В последнее время требуется все более частое резервирование информации, причем без нарушения доступа приложений к диску. Операции резервного копирования прошли путь от изолированного резервного копирования до резервного копирования, выполняемого по локальной сети и в сетях хранения данных. Одной из проблем, решение которой требовалось от приложений резервного копирования, было копирование открытых файлов, доступ к которым осуществляется работающими приложениями.

Кроме того, приложения для резервного копирования должны обрабатывать множество API, специфических для различных версий приложений и операционных систем. Еще одна тенденция состоит в резервировании «с диска на диск» с помощью операции создания моментального снимка. Резервное копирование на магнитную ленту превращается во вторичную операцию, которая подразумевает копирование данных с моментального снимка тома.

Служба теневого копирования томов Windows предоставляет эффективный способ создания моментальных снимков. Архитектура содержит все необходимые компоненты, включая основные приложения, например базы данных и серверы передачи сообщений, которые принимают участие в создании моментальных снимков. Компания Microsoft только предоставляет инфраструктуру для создания моментальных снимков. Производители программного обеспечения могут использовать эту инфраструктуру для генерации приложений, поддерживающих создание нескольких моментальных снимков и управление ими.

Созданный моментальный снимок можно использовать для резервного копирования данных. Чтобы выполнить резервирование, можно воспользоваться стандартным протоколом, например NDMP.