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项目6
高级存储与容灾备份技术
数据存储技术与应用
主编：崔升广
CONTENTS
CONTENTS
01
项目陈述
02
必备知识
03
项目实施
项目6 高级存储与容灾备份技术
随着信息技术的发展，企业数据量增多，很多企业考虑购置或已经购置满足需求的存储产品。然而，在存储产品使用过程中常常会面临存储空间浪费、存储性能低下、数据丢失等问题。为保证数据存取业务的可扩展性、高可靠性和高性能，各大存储厂商围绕存储阵列开发并使用了大量关键技术手段。本章讲解存储阵列高可靠性与高性能技术、自动精简技术、分层存储技术、Cache技术、快照与克隆技术、远程复制与LUN拷贝技术以及数据备份技术等相关理论知识，项目实践部分讲解网络负载平衡群集配置与管理、存储服务器数据快照配置与管理、存储服务器数据备份还原配置与管理以及存储服务器磁盘重复数据删除配置等相关知识与技能。
6.1 项目陈述
项目6 高级存储与容灾备份技术
6.2.1 存储阵列高可靠性与高性能技术
6.2.2 自动精简技术
6.2.3 分层存储技术
6.2.4 Cache技术
6.2 必备知识
项目6 高级存储与容灾备份技术
6.2.5 快照与克隆技术
6.2.6远程复制与LUN拷贝技术
6.2.7 数据备份技术
6.2 必备知识
项目6 高级存储与容灾备份技术
随着信息化进程的高速推进，数据显得越来越重要，如何保证数据在写入或者读取过程中不丢失，是整体布局存储阵列组网需要考虑的问题。
1．存储阵列高可靠性技术
下面将围绕存储硬件、组网方式两方面对存储阵列的高可靠性技术进行剖析。
（1）器件冗余。
（2）存储阵列的多控技术。
（3）多路径技术。
（4）数据保险箱盘技术。
（5）RAID重构技术。
（6）硬盘预拷贝技术。
6.2.1 存储阵列高可靠性与高性能技术
项目6 高级存储与容灾备份技术
2．存储阵列高性能技术
传统RAID技术以硬盘为单位来构建RAID组，而以磁盘为单位的数据管理无法有效地保障数据访问性能。一方面，组成一个RAID组的磁盘数过少；另一方面，一个 LUN往往来自于一个RAID组，当主机对一个LUN进行密集式I/O访问时，只能访问到有限的几个磁盘，容易导致磁盘访问瓶颈。为了提高存储阵列的访问性能，提出了几种高性能技术。
（1）分层存储。
（2）Cache技术。
（3）块虚拟化。
6.2.1 存储阵列高可靠性与高性能技术
项目6 高级存储与容灾备份技术
6.2.2 自动精简技术
随着各行业数字化进程的推进，一方面，数据逐渐成为企事业单位的核心资源；另一方面，数据量呈现爆炸式增长。存储系统作为数据的载体，也面临着越来越高的用户要求。
1．自动精简技术概述
2．自动精简技术原理
3．自动精简技术应用
项目6 高级存储与容灾备份技术
随着科学技术的发展，ICT领域也在不断发生变化。在当今IT领域中，企业与管理部门通常会遇到数据存储的容量、性能与价格等方面的挑战。一方面企业面临原先购买的存储设备不能满足现如今发展而带来的存储空间不足的问题；另一方面，随着企业的不断发展，需要收集保存的数据也会越来越多，这会在一定程度上影响IT存储系统的性能。
1．分层存储技术概述
（1）降低成本。
（2）简化存储管理，提高存储系统性能。
2．分层存储技术分析
在分层存储系统中，根据数据生命周期管理策略或数据访问频度，需要在不同存储等级的设备之间进行数据迁移，此时，需要关注如下几个方面。
（1）数据一致性。
（2）增量扫描。
（3）数据自动迁移存储。
6.2.3 分层存储技术
项目6 高级存储与容灾备份技术
3．分层存储技术用
分层存储技术有两个重要标准：“精细度”与“运算周期”。
“精细度”是指系统执行存取行为、收集分析与数据迁移操作的单位，它决定了执行数据迁移时操作单元的大小。“精细度”并不是越小越好。“精细度”越小，虽然能提高空间利用率，但会加大迁移开销，影响存储设备的性能，因此，“精细度”需合理规划配置。假设需要在一个50GB的LUN上进行数据迁移，若采用的精细度为1GB，则系统只需追踪50个数据分块；若采用更小的精细度，如10MB，则系统就需要追踪5万个数据分块，操作量高出100倍。
“运算周期”是指系统执行存取行为、统计分析与数据迁移操作的周期，它反映磁盘存取行为的时间变化。运算周期越短、存取操作越密集，系统将能更快地依照最新的磁盘存取特性，重新配置数据在不同磁盘层集中的分布。运算周期太长，统计分析与数据迁移操作会占用过多I/O资源。
（1）I/O监控。
（2）数据排布分析。
（3）数据迁移。
6.2.3 分层存储技术
项目6 高级存储与容灾备份技术
6.2.4 Cache技术
在动态的业务环境中提高应用程序的响应速度，是一项成本高昂且复杂耗时的任务。应用程序的响应延迟过大会影响业务的效率，进而降低企业的生产效率和客户服务的水平。
1．Cache技术概述
随着服务器处理能力不断的增长，存储系统的性能成为制约应用程序响应速度的一个重要因素。虽然存储系统通过增加普通缓存资源（如RAM Cache），能够提升存储设备的访问速度，但普通缓存具有价格昂贵、容量较小、数据掉电丢失等缺点，存储厂商将目光转到固态硬盘SSD上。
SSD 具有响应时间短、容量远大于普通缓存资源的优点，与传统的机械硬盘相比，SSD能大幅提升响应速度，实现了最高的I/O性价比。利用SSD这一特性，将SSD盘作为读缓存资源，可以减少存储系统的读响应时间，有效提高热点数据的访问效率。
2．Cache技术原理
各厂家对智能闪存Cache技术有不同的定义，但基本原理及最终实现效果基本相同。如EMC厂家将Cache 技术称为FAST Cache技术，而华为技术有限公司称为SmartCache技术。不管是EMC的FAST Cache技术还是华为的SmartCache技术，都具有提高效率、提升性能的作用。
项目6 高级存储与容灾备份技术
随着信息技术的发展，数据备份的重要性也逐渐凸显。最初的数据备份方式中，恢复时间目标（Recovery Time Objective，RTO）和恢复点目标（Recovery Point Objective，RPO）无法满足业务的需求，而且数据备份过程会影响业务性能，甚至中断业务。
1．快照技术概述
快照是指源数据在某个时间点的一致性数据副本。快照生成后可以被主机读取，也可以作为某个时间点的数据备份。
2．快照技术原理
快照有三种基本形式：基于文件系统式，基于子系统式和基于卷管理器/虚拟化式，而且这三种形式差别很大。市场上已经出现了能够自动生成这些快照的实用工具，例如，NetApp存储设备使用的操作系统，实现文件系统式快照；HP的EVA、HDS通用存储平台以及EMC的高端阵列则实现了子系统式快照：而Veritas 则通过卷管理器实现快照。
常见快照技术有两种，分别是写时复制（Copy On Write，COW）快照技术和重定向写（Redirect On Write，ROW）快照技术。下文以写时复制快照技术COW为例描述其原理及使用场景。
6.2.5 快照与克隆技术
项目6 高级存储与容灾备份技术
3．快照技术特点及应用
快照技术具有如下两方面优点。
（1）快照生成时间短。
（2）占用存储空间少。
快照技术可应用于以下两个方面。
（1）保证业务数据安全性。
（2）重新定义数据用途。
6.2.5 快照与克隆技术
项目6 高级存储与容灾备份技术
4．克隆技术概述
随着信息技术的发展，数据的安全性和可用性越来越成为企业关注的焦点。20世纪90年代，数据备份需求大量涌现。
克隆是指源数据在某个时间点的一致性数据副本，数据同步完成后成为完整的数据副本。克隆生成后可以被主机读取，也可以作为某个时间点的数据备份。
5．克隆技术原理
克隆是一种快照技术，是源数据在某个时间点的完整副本，是一种可增量同步的备份方式。其中，“完整”指对源数据进行完全复制生成数据副本；“增量同步”指数据副本可动态同步源数据的变更部分。克隆技术中，保存源数据的LUN称为主LUN，保存数据副本的LUN称为从LUN。
（1）同步。 （2）分裂。 （3）反向同步。
6．克隆技术特点
（1）瞬间生成。
（2）在线分裂。
6.2.5 快照与克隆技术
项目6 高级存储与容灾备份技术
6.2.6远程复制与LUN拷贝技术
随着各行各业数字化进程的推进，数据逐渐成为企业的运营核心，用户对承载数据的存储系统的稳定性要求也越来越高。虽然企业拥有稳定性极高的存储设备，但还是无法防止各种自然灾害对生产系统造成不可恢复的毁坏。
1．远程复制技术概述
远程数据复制技术是远程容灾系统的核心技术，在保持两地间数据一致性和实现灾难恢复中起到关键作用。数据复制的主要目的是提高分布式系统的可用性及访问性能。目前数据复制的主要方式有同步数据复制和异步数据复制两种。
（1）同步数据复制。
（2）异步数据复制。
2． LUN拷贝技术概述
LUN拷贝是一种基于块的将源LUN复制到目标LUN的技术，可以同时在设备内或设备间快速地进行数据的传输。如果LUN拷贝需要完整地复制某LUN上所有数据，此时，需要暂停该LUN的业务。LUN拷贝分为全量LUN拷贝与增量LUN拷贝两种模式。
（1）全量LUN拷贝。
（2）增量LUN拷贝。
项目6 高级存储与容灾备份技术
数据备份是为了在系统遇到人为或自然灾难时，能够通过备份的数据对系统进行有效的灾难恢复。没有绝对安全的防护系统，当系统遭受攻击或入侵时，数据被破坏的可能性是非常大的，对企业来说，数据的损失即意味着经济损失，这种损失很多时候是企业不能承受的。企业对信息化系统的依赖，事实是对系统里流动的数据的依赖，因此数据备份越发显得重要，这正是近年来存储、数据备份行兴起的原因。
1．数据完整性的定义
数据完整性的保护，通常使用数字签名或散列函数对密文进行运算后，得到一个“数字指纹”，并对数字指纹进行加密运算，在数据到达目的后，对数据再次“取指纹”运算，核对解密后的指纹，如果指纹一致，表明数据没有任何变动，如果不一致，则表明数据在传输过程中发生了变化。
数据完整性是信息安全的基本要素之一。数据完整性是指在存储、传输信息或数据的过程中，确保信息或数据不被未授权的篡改，或在篡改后能够被迅速发现。
6.2.7 数据备份技术
项目6 高级存储与容灾备份技术
2．保护数据完整性的方法
3．数据备份分类
（1）按备份时系统的工作状态分类。
按备份时系统的工作状态分类，数据备份可分为冷备份和热备份。
①冷备份。
②热备份。
（2）按备份策略分类。
①完全备份（full backup）。
②增量备份(incremental backup)。
③差分备份(differential backup)。
6.2.7 数据备份技术
项目6 高级存储与容灾备份技术
6.3 项目实施
6.3.1 网络负载平衡群集配置与管理
6.3.2 存储服务器数据快照配置与管理
6.3.3 存储服务器数据备份还原配置与管理
6.3.4 存储服务器磁盘重复数据删除配置与管理
项目6 高级存储与容灾备份技术
6.3.1 网络负载平衡群集配置与管理
完成Windows的网络负载平衡功能，需要掌握DNS服务器配置与管理、IIS服务器配置与管理，这里不再赘述。
1．安装Windows的网络负载平衡功能
2．创建Windows网络负载平衡群集
项目6 高级存储与容灾备份技术
6.3.2 存储服务器数据快照配置与管理
如果数据量较大，对数据进行完整备份耗费大量的时间和空间，而使用磁盘的数据快照功能可以快速完成数据的备份和恢复。
1．数据快照与故障还原
2．存储服务器的数据快照计划
3．存储服务器的数据还原
项目6 高级存储与容灾备份技术
6.3.3 存储服务器数据备份还原配置与管理
Windows Server Backup由微软管理控制台（Microsoft Management Console，MMC）管理单元、命令行工具和Windows Power Shell cmdlet组成，可为数据的日常备份和恢复提供完整解决方案。使用Windows Server Backup可以备份整个服务器（所有卷）、选定卷、系统状态或者特定的文件或文件夹，也可以创建用于进行裸机恢复的备份，还可以恢复卷、文件夹、文件、应用程序和系统状态。此外，在发生诸如硬盘故障之类的灾难时，可以实现裸机恢复。
在Windows Server 2019中，除上述采用Windows Server Backup创建和管理本地计算机或远程计算机的备份外，还可以通过计划任务自动运行备份。
1．Windows Server备份服务安装
2．存储服务器的数据备份
3．存储服务器的数据还原
项目6 高级存储与容灾备份技术
6.3.4 存储服务器磁盘重复数据删除配置与管理
在当前的“大数据”时代，尽管用于磁盘空间的成本越来越低，I/O速度不断提高，但重复数据删除仍是存储管理员最为关注的技术之一，运用这项技术能够实现以更低的存储成本和管理成本，得到更高的存储效率。
在Windows Server 2019的重复数据删除功能中，可以实现块级和文件级的重复数据删除。
块级：如果磁盘的多个区块存放着相同的数据，则存储只需存放一份。
文件级：如果磁盘中存放着多个相同的文件（哈希值相同），则存储只需存放一份。
1．重复数据删除服务安装
2．重复数据删除配置与管理

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