引言
災難備份系統(tǒng)(disasterbackup system，DBS)對企業(yè)重要的數(shù)據(jù)進行實時備份．并通過網(wǎng)絡傳輸至異地存儲，當本地數(shù)據(jù)毀壞后可以通過網(wǎng)絡將備份數(shù)據(jù)傳輸至本地進行數(shù)據(jù)恢復�，F(xiàn)在對各份技術的研究比較多，但都不能同時保證系統(tǒng)的安全性和高教性。磁帶備份可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地存儲，但備份和恢復周期較長，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時備份，效率不高且安全性差；雙機熱備系統(tǒng)在保障數(shù)據(jù)一致性的基礎上確保服務的連續(xù)性，但這種數(shù)據(jù)備份不是異地備份，目備份數(shù)據(jù)不是加密存儲，安全性差；LAN-FREE和SERVER-FREE備份系統(tǒng)都是建立在SAN存儲技術之上，LAN-FREE采用磁盤到磁盤的數(shù)據(jù)傳輸，解決了傳統(tǒng)備份需要占用網(wǎng)絡帶寬的問題，而SERVER—FREE備份數(shù)據(jù)通過存儲設備直接傳送，不需要在服務器中緩存數(shù)據(jù)，減少對CPU的占用，這兩種方式效率都高，但數(shù)據(jù)傳輸和存儲的安全性難以得到保障。
該文提出的災難備份系統(tǒng)是完全基于Intereet的異地數(shù)據(jù)各份系統(tǒng)，能實時捕獲備份本地客戶端的數(shù)據(jù)變化，并通過安全的網(wǎng)絡傳輸將備份記錄發(fā)送到遠程備份中心進行加密存儲，解決丁傳統(tǒng)完全備份、增量備份等備份技術安全性差、低效等缺點，具有實時高效、異地備份、安全傳輸和加密存儲的優(yōu)點，在保障系統(tǒng)安全性的基礎上兼顧備份的高效性。
1系統(tǒng)架構(gòu)
1．1體系結(jié)構(gòu)
DBS由本地備份客戶端(local backup client，LBC)、管理主機(manager host．MH)和遠程備份中心(remoter backup center，RBC)組成，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 DBS體系結(jié)構(gòu)
DBS通過管理中心建立災備任務，將LBC需要備份的磁盤分區(qū)同步到RBC的存儲中心，并同時將任務信息寫入數(shù)據(jù)庫服務器。當LBC對應的磁盤數(shù)據(jù)遭到破壞后，通過管理中心啟動數(shù)據(jù)恢復，RBC將存儲中心對應的備份記錄發(fā)送到LBC進行數(shù)據(jù)恢復。當業(yè)務正常運行期間，可以啟動實時同步，和定時同步進行相互補充，提高備份效率m。實時同步通過本地服務器的卷過濾驅(qū)動監(jiān)控對磁盤的寫操作，將數(shù)據(jù)變化封裝成備份記錄存儲在本地海量緩存中。在海量緩存滿或者同步時限到時依次取出備份記錄，發(fā)送到遠程備份中心，這樣就實現(xiàn)了本地服務器和遠程備份中心的實時一致，從而避免了傳統(tǒng)實時備份系統(tǒng)在增量備份時需要進行全盤一致性檢測這種低效的方法例。
1．2功能模塊
DBS由本地數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、安全控制模塊、網(wǎng)絡通信模塊、任務控制模塊、存儲控制模塊組成，功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2功能模塊結(jié)構(gòu)
(1)本地數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊由卷過濾驅(qū)動(Nsfilter)和海量緩存組成。Nsfilter是一個WDM型卷過濾驅(qū)動，用于監(jiān)控Windows操作系統(tǒng)磁盤分區(qū)數(shù)據(jù)變化，位于塊設備驅(qū)動層。
(2)安全控制模塊包括數(shù)據(jù)加密、差錯校驗等功能，分別位于LBC和RBC。安全控制模塊實現(xiàn)了備份數(shù)據(jù)的無差錯傳輸和加密存儲，保障備份數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦院痛鎯Φ陌踩浴?/p>
(3)網(wǎng)絡通信模塊負責SSL安全連接的建立和關閉、備份數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，分別位于LBC和RBC。SSL技術的應用保障了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。
(4)任務控制模塊位于管理主機，負責災備任務的新建、同步和恢復，由封裝了DBS通信協(xié)議和控制接口的ActiveX控件組成，該控件以瀏覽器作為容器，管理主機安裝該控件后所有操作對用戶都是透明的。
(5)存儲控制模塊位于LBC和RBC。在同步過程中，LBC存儲控制模塊從磁盤上讀出一個數(shù)據(jù)塊封裝成備份記錄，發(fā)送到RBC，RBC從該備份記錄中抽取有效數(shù)據(jù)，根據(jù)文件偏移等信息將數(shù)據(jù)寫到存儲中心對應的映射邏輯卷上，存儲中心由一個或者多個RAID組成。在恢復過程中，RBC從該任務對應的映射邏輯卷上依次讀出數(shù)據(jù)塊封裝成備份記錄并發(fā)送到LBC，LBC抽取有效數(shù)據(jù)并根據(jù)磁盤偏移等信息將數(shù)據(jù)寫到磁盤上。備份記錄結(jié)構(gòu)為：BR
2 DBS安全性實現(xiàn)關鍵技術
作為網(wǎng)絡災難備份系統(tǒng)，如果系統(tǒng)安全性不高，不能抵御黑客入侵、網(wǎng)絡攔截、惡意修改，那么存儲于遠程備份中心的數(shù)據(jù)可能被修改或者被截取，將會造成RBC的備份數(shù)據(jù)和LBC不一致，備份數(shù)據(jù)也就沒有意義，所以DBS首先要考慮的問題就是如何保證系統(tǒng)的安全性。DBS安全性由差錯校驗、安全傳輸和加密存儲三方面構(gòu)成。
2．1差錯校驗
BR通過計算備份記錄的MD5值進行差錯校驗，防止在傳輸過程中數(shù)據(jù)位出錯或者被惡意修改。
設LBC數(shù)據(jù)集為
圖3差錯校驗流程
2．2安全傳輸
DBS采用SSL進行網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)傳輸，主要作用有兩方面：一是確保只有擁有DBS系統(tǒng)認可的安全證書的管理主機可以連接到RBC進行任務的建立、備份、同步和恢復等操作，從而確保只有授權用戶才能連接到DBS，防止惡意用戶的破壞性操作；二是確保管理主機連接到真實的服務器，服務器的數(shù)據(jù)發(fā)送到正確的客戶端。網(wǎng)絡連接建立過程中涉及到管理主機對RBC的認證和RBC對管理主機合法性的認證，只有雙向認證都通過才能進行任務控制、數(shù)據(jù)傳輸，時序圖如圖4所示。
圖4 DBS安全傳輸時序
2．3加密存儲
在網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和RBC存儲的鏡像數(shù)據(jù)都是經(jīng)AES加密算法加密的密文，只有LBC存儲的是明文，加密發(fā)生在從LBC讀出數(shù)據(jù)封裝成備份記錄的過程中，而解密是在恢復過程中將從網(wǎng)絡接收到的備份記錄中的密文解密得到明文。在系統(tǒng)海量緩存中維護著兩個隊列，一個是讀出發(fā)送隊列SQuene，用于存儲有效數(shù)據(jù)為明文的備份記錄，需要加密后通過網(wǎng)絡通信模塊發(fā)送到災備中心，另一個是接收隊列RQuene，用于存儲從災備中心接收到的備份記錄，其中有效數(shù)據(jù)是密文，需要解密后根據(jù)任務對應盤符、磁盤偏移off寫入磁盤，這兩個隊列共享海量緩存空間，都是單循環(huán)隊列，系統(tǒng)為每個隊列維護著兩個指針PCurHead、PCurTail，分別指向隊列的頭和尾，隊列為空的條件為PCurHead—PCurTail。算法描述如下：
3 DBS高效性實現(xiàn)關鍵技術
對于任何系統(tǒng)，安全性和高效性都是矛盾的。而對于數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)而言，安全的重要性顯然高于效率，然而一個低效的數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)無論安全性多高都是沒有價值的。一個好的備份系統(tǒng)必然在保障數(shù)據(jù)安全性的基礎上兼顧高效性。
DBS通過海量緩存和卷過濾驅(qū)動提高實時備份的效率。通過部署卷過濾驅(qū)動，在同步過程中截取LBC變化的數(shù)據(jù)，封裝成備份記錄存于海量緩存，然后發(fā)送到RBC，而傳統(tǒng)的同步需要掃描整個磁盤，比較本地端和遠程端數(shù)據(jù)的一致性從而將不一致的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程端，截獲寫IRP包的方式避免了頻繁的磁盤掃描和一致性檢測，這種方式大大提高了NBS系統(tǒng)實時同步的效率。海量緩存是一個內(nèi)存映射文件，解決了本地備份數(shù)據(jù)生成速度與網(wǎng)絡通信模塊發(fā)送速度不一致的問題，降低了在系統(tǒng)內(nèi)存中維護一個很大的存儲隊列而帶來的效率損失，從而提高了系統(tǒng)效率。卷過濾驅(qū)動Nsfilter的設備擴展DEVICE-EXTENSION數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中藥成員定義如下
PETHREAD保存了該驅(qū)動的IRP處理線程句柄，該線程在驅(qū)動創(chuàng)建的時候啟動，主要用于順序處理listEntry中的IRP包；listEntry中記錄了類型為IRP MJ DEVICE CONTROL、IRP_MJ—WRITE的IRP包，其狀態(tài)被標記為pending，其他類型的IRP包不需要Nsfilter進行處理，則直接發(fā)送到下層驅(qū)動；eventComplete用于在peTHREAD線程處理完listEntry中的一個IRP包時進行同步；listSpinLoek為listEntry的自旋鎖，用于控制peTHREAD對listEntry中的IRP包的順序訪問。
Nsfiler處理IRP MJ WRITE包是為了截取對磁盤寫操作的有效數(shù)據(jù)，同時發(fā)往下層驅(qū)動，提高系統(tǒng)運行效率；處理IRP—MI—DEVICE CONTROL包是為了處理Nsfiler自定義的IO控制碼，如鎖卷、啟動監(jiān)控、設置緩存等，對這類IRP包處理完成后就標志其狀態(tài)為completed，不再往下層驅(qū)動轉(zhuǎn)發(fā)，其他的操作系統(tǒng)自有的10控制則簡單的轉(zhuǎn)發(fā)到下層驅(qū)動。Nsfilter的處理流程偽碼描述如下：
Procedure：Nsfilter
其中StartHandlelRP這個線程函數(shù)主要負責處理listEntry中的IRP包，只要listEntry不為空，就一直順序處理其中的IRP包。這樣，只要驅(qū)動監(jiān)控處于啟動狀態(tài)，就能不斷截獲需要處理的IRP包置于隊列中順序處理。
4對比實驗
DBS通過Nsfilter捕獲LBC數(shù)據(jù)變化，并采用高速緩存存儲需要發(fā)送的備份數(shù)據(jù)，較傳統(tǒng)的備份技術每次同步都需要全盤掃描而言效率高，但是DBS采用了多種安全措施，在提高安全性的同時必然以犧牲系統(tǒng)的效率為代價，為了測試部署了上述3種安全措施所帶來的系統(tǒng)性能損失，筆者搭建了測試環(huán)境，部署了有安全措施和沒有安全措施的DBS{DBSI，NBS2)，比較兩者的性能差異，就可以得出部署安全性措施的代價是否在用戶可以接受的范圍。實驗用網(wǎng)卡均為100Mbps，網(wǎng)絡環(huán)境為局域網(wǎng)，主機環(huán)境配置如表1所示。
表1實驗環(huán)境
筆者對同一本地端的不同大小分區(qū)建立任務進行同步，比較DBS1、DBS2備份時間的差異。為了排除隨機性的干擾，每次實驗都進行10次取平均值，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。
由表2可以看出，部署了3種安全措施的災備系統(tǒng)DBS1相對DBS2的性能低10％左右，但是作為實時的信息備份系統(tǒng)來說，效率和安全都是必須考慮的重要指標，部署安全性帶來的10％的效率損失是值得的。
5結(jié)束語
該文提出了一種安全高效的災難備份系統(tǒng)DBS，該系統(tǒng)通過差錯校驗、安全傳輸和加密存儲保障系統(tǒng)的安全性，防止了數(shù)據(jù)在傳輸、存儲過程中被截取、修改以及惡意用戶登錄系統(tǒng)進行破壞性操作；同時在LBC部署Nsfilter實時截獲磁盤數(shù)據(jù)變化，海量緩存的應用解決了數(shù)據(jù)變化率和網(wǎng)絡帶寬的平衡問題，實現(xiàn)了高效的實時同步，避免每次同步需要全盤掃描比較不一致數(shù)據(jù)這種耗時的傳統(tǒng)同步技術，在保障安全性的同時兼顧了系統(tǒng)實時同步的效率。
表2實驗數(shù)據(jù)
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本文標題：安全的災難備份系統(tǒng)
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