IT История

Введение

Проблема сохранности информации имеет огромное значение в современном бизнесе. Например, для любого банка очень важны данные о проведённых транзакциях за определённый период времени. Аналогично, для любой торговой компании жизненно необходима актуальная информация и статистические данные о продажах товаров, об их отгрузках клиентам, об остатках на складах и т.д. и т.п. Таких примеров можно привести бесчисленное множество. Для обеспечения сохранности информации в современных корпоративных информационных системах регулярно проводится резервное копирование критически важных бизнес-данных. Для этого применяются специальные аппаратные и программные средства резервного копирования.

С развитием бизнеса растут и объёмы сохраняемых данных. По оценкам аналитиков, объём корпоративных данных ежегодно увеличивается не менее чем на 60%. Соответственно, повышаются и требования к используемым технологиям и системам резервного копирования.

Целью данной статьи является знакомство читателя с современными технологиями резервного копирования. Будем надеяться, что, прочитав её, читатель получит определённое представление об этих важных и нужных технологиях.

Общие сведения о технологиях резервного копирования

Назначение

Аппаратные и программные средства резервного копирования предназначены для создания копий данных, необходимых для восстановления работоспособности корпоративной информационной системы в случае аварийной ситуации или других непредвиденных обстоятельств. При наличии резервной копии можно достаточно быстро восстановить состояние корпоративной системы на момент последнего резервного копирования (то есть, после восстановления теряются все изменения, которые произошли в системе с момента последнего резервного копирования).

Обычно резервное копирование касается всех данных, находящихся на жёстких дисках (как мы помним, это первый уровень иерархии систем хранения данных), в том числе различной системной и служебной информации. Сами же устройства и системы резервного копирования находятся на втором и третьем уровнях корпоративных систем хранения данных. Такое структурированное построение предназначено для снижения стоимости хранения редко используемой информации, так как на носители более низких уровней обычно автоматически перемещаются в файлы, к которым пользователи не обращались в течение длительного времени (значение этого периода времени задаётся системным администратором). При этом перемещение файлов организуется таким образом, чтобы объём свободного пространства на жёстких дисках серверов поддерживался на заданном уровне.

За последние несколько десятков лет ведущие отраслевые производители приложили немало сил и вложили огромные средства в разработку технологий и систем резервного копирования, а также соответствующих носителей для них. В настоящее время мировой рынок продуктов и систем резервного копирования отличается значительным разнообразием по спектру предлагаемых технологий и решений.

Основные виды устройств и систем резервного копирования

Существует несколько основных видов устройств и систем резервного копирования, предназначенных для применения как на малых предприятиях, так и в крупных корпорациях с распределёнными филиалами. Все они отличаются друг от друга по ряду характеристик и, не в последнюю очередь, по степени автоматизации операций резервного копирования.

В настоящее время наиболее распространёнными аппаратными средствами резервного копирования являются ленточные устройства и системы, которые, по мере развития технологий, совершенно видоизменились. В них увеличена в несколько раз скорость записи/считывания данных (достигающая сейчас десятков мегабайт в секунду), ёмкость (современный картридж с магнитной лентой вмещает уже многие сотни гигабайт!), надёжность и отказоустойчивость. В настоящее время существуют следующие типы ленточных устройств и систем резервного копирования:

- Ленточные накопители (стримеры), которые записывают (и считывают) информацию на картридж, заменивший традиционную бобину с магнитной лентой.

- Стекеры (stackers), которые сейчас, правда, используются всё реже из-за своей недостаточной гибкости при эксплуатации. В стекере установлен один стример и несколько картриджей. При этом, картриджи устанавливаются в стекер в специальных лотках и подаются в стример в жёстко установленном порядке при помощи специального роботизированного механизма замены картриджей.

- Далее в иерархии ленточных устройств хранения (по их сложности) следуют автозагрузчики, в определённой степени напоминающие стекер (обычно в них установлен один стример, а также несколько картриджей - всего до 10). Отличительной чертой автозагрузчиков является возможность подачи картриджей (размещаемых в специальном магазине) в произвольном, а не в жёстком порядке. Периодичность смены картриджей можно назначать, например, определить ежедневную замену картриджей.

- Ленточные библиотеки - это ещё более сложные решения для резервного копирования на магнитную ленту, представляющие собой системы, в состав которых входят много картриджей и до нескольких стримеров (за счёт чего значительно повышается скорость резервного копирования и восстановления). Библиотека состоит из отсеков, в которых хранятся картриджи, и механизма смены (jukebox) картриджей в стримерах. Соответственно, существуют две схемы загрузки картриджей роботизированным механизмом. При использовании первой схемы, любой картридж загружается в любой стример. Во второй схеме каждый стример работает только с конкретными картриджами. Наиболее важными характеристиками ленточных библиотек являются скорость передачи данных, ёмкость и надёжность. Ленточные библиотеки отличаются друг от друга по таким характеристикам, как число слотов для картриджей и число стримеров, количество портов доступа к картриджам, перечень поддерживаемых операционных систем, а также по возможностям встроенных функций управления. Библиотеки - это очень мощные решения для резервного копирования, позволяющие с большой скоростью осуществлять резервное копирование огромных объёмов данных (достигающих сотен терабайт).

- Массивы RAIT (Redundant Arrays of Independent Tape) - это так называемые массивы стримеров с избыточностью (их ещё называют избыточными массивами независимых стримеров). В корпусе RAIT-массива находится несколько стримеров, каждый из которых одновременно работает только с одним картриджем, за счёт чего существенно увеличиваются скорость резервного копирования и отказоустойчивость (RAIT-массив создан на базе спецификаций RAID, применяемых для дисковых подсистем). Правда, за высокую скорость и надёжность RAIT-массивы платят малой ёмкостью и невозможностью автоматической смены (так называемой ротации) носителей. Следует сказать, что технологию RAIT-массивов можно определить и при помощи программных средств, группируя автозагрузчики или ленточные библиотеки.

Помимо ленточных, существуют и другие типы устройств и систем резервного копирования, работающие с носителями информации других типов (в первую очередь, магнитооптическими и оптическими). Достаточно широко распространены, например, магнитооптические и оптические библиотеки, достоинством которых является огромный жизненный цикл их картриджей (несколько миллионов записей/перезаписей) и длительный срок эксплуатации (более 30 лет). Недостатком магнитооптических библиотек является относительно небольшая ёмкость носителей (всего несколько гигагабайт). Существуют и библиотеки на базе CD - и DVD-дисков.

Нельзя не сказать несколько слов и о NAS-серверах, которые можно признать достаточно удачным решением в области резервного копирования важных данных. При этом скорость передачи данных в NAS-сервере значительно больше, чем в ленточных системах и устройствах резервного копирования. Из дисковых систем, в ряде случаев применяемых для хранения важных данных, можно также отметить RAID-массивы (массивы независимых избыточных дисков).

Для резервного копирования используются и возможности технологии сетей хранения данных SAN, позволяющие значительно ускорить резервное копирование важных данных за счёт консолидации устройств и систем хранения, а также возможностей осуществления внесетевого и внесерверного резервного копирования.

Однако в настоящее время наиболее распространённые устройства и системы резервного копирования всё же связаны с хранением информации на магнитной ленте (хотя разговоры о вытеснении магнитных лент с рынка начались ещё в 1972 г., сразу же после появления первых винчестеров).

Основные типы форматов магнитных лент

Все существующие ленточные устройства и системы резервного копирования базируются на двух технологиях: линейной записи (запись с неподвижной магнитной головкой) и наклонно-строчной записи. Корни этих технологий произрастают из технологии аналоговой магнитной записи (использовавшейся ещё в НМЛ серии ЕС). Они отличаются друг от друга, в основном, по способу записи данных магнитными головками и скорости движения магнитной ленты (от этого зависят срок службы магнитной ленты и время доступа к данным).

Основными производителями устройств и систем резервного копирования с линейной записью являются компании Tandberg Data и Quantum. При этом, Tandberg Data выпускает стримеры и ленточные библиотеки для формата DLT, а также разработала технологию SLR на базе 0.25 лент (QIC).

В DLT-стримерах применяется магнитная лента шириной 0.5 и однокатушечный картридж (приемный барабан несъёмный и находится в самом устройстве). Весь объём картриджа заполнен магнитной лентой. В основе технологии DLT лежит многоканальный метод работы с магнитными лентами - высокая скорость работы с лентами достигается за счёт одновременного чтения или записи нескольких головок устройства. Технология DLT сейчас наиболее распространена в системах резервного копирования среднего уровня и выше. Начиная с осени 2000 г. на рынке появились также стримеры формата DLT1.

Существует также формат SuperDLT (SDLT). В устройствах SuperDLT применяются другая, более совершенная магнитная лента, иные магнитные головки, оптическая система позиционирования дорожек и др. Устройства SDLT не могут работать с картриджами DLT из-за своих конструктивных особенностей.

В свою очередь, в стримерах SLR применяется магнитная лента шириной 0.25 , находящаяся в полностью закрытом надёжном картридже.

В конце 90-х гг. был разработан перспективный формат записи на магнитную ленту - LTO (Linear Tape Open). Он был создан совместными усилиями компаний IBM, HP и Seagate и сейчас быстро набирает популярность. Следует отметить, что формат LTO разрабатывался, не базируясь на каком-либо уже существующем решении для резервного копирования. Первые стримеры формата LTO были выпущены в декабре 2000 г., а начиная с января 2003 г. на рынке появились модели стримеров LTO уже второго поколения. Фактически, LTO - это вариант двунаправленной многоканальной технологии линейной записи, в которой используется магнитная лента шириной 0.5 . Следует сказать, что существует два варианта технологии LTO:

- Стримеры Accelis начального уровня с двухкатушечным картриджем, в которых реализованы минимальное время доступа и максимальная скорость.

- Стримеры среднего уровня Ultrium, в которых реализована максимальная ёмкость. Конструкция картриджей и стримеров Ultrium и DLT, в определённом смысле, похожа. Интересной и полезной особенностью картриджа Ultrium Generation 1 является встроенный в него микрочип, куда заносятся все данные о записанных файлах и их местонахождении, а также статистика использования картриджа.

В планах развития технологии LTO - достижение к 2007 г. (в стандарте уже Ultrium 4) ёмкости картриджа в 800 Гб (несжатых данных) и скорости передачи данных - до 160 Мб/c (тоже несжатых данных). Для сравнения - сейчас на рынке появились стримеры LTO Ultrium 2 с ёмкостью картриджа 200 Гб и скоростью передачи данных в 35 Мб/c.

Cуществует также формат Travan, при использовании которого ширина магнитной ленты составляет 8 мм. Авторами спецификации Travan являются компании Conner, IOmega, HP, 3M и Sony.

При применении метода наклонно-строчной магнитной записи (он был разработан для аналоговых видеомагнитофонов фирмой Ampex ещё в середине 50-х гг.) магнитная лента протягивается со скоростью в несколько сантиметров в секунду мимо вращающегося с высокой скоростью цилиндра, на котором закреплены головки чтения-записи. За счёт этого становится возможной высокая относительная скорость между магнитной лентой и головкой. При использовании данного метода возможно работать с более тонкими магнитными лентами. Кроме того, плотность расположения дорожек в несколько раз выше, чем при линейной записи.

Для технологии наклонно-строчной записи созданы два основных типа стримеров, отличающихся шириной магнитной ленты в картридже - 4 мм и 8 мм. В 4-мм стримерах применяется технология DAT (Digital Audio Tape), разработанная компанией Sony в 1989 г. Существует несколько поколений ленточных устройств резервного копирования с реализованной в них технологией DAT: DDS-1 (Digital Data Storage), DDS-2, DDS-3 и DDS-4 (появился и формат DDS-5).

Технология аналоговой наклонно-строчной, а затем и цифровой записи на магнитную ленту шириной 8 мм была разработана в 80-х гг. также фирмой Sony. Сейчас на рынке присутствуют 8-мм стримеры от компаний Exabyte (форматы Eliant, Mammoth, Mammoth-2), Ecrix (формат VXA) и Sony (форматы AIT - Advanced Intelligent Tape, AIT-2, AIT-3, S-AIT - Super Advanced Intelligent Tape).

Такое большое количество форматов закономерно приводит к взаимной несовместимости ленточных устройств и систем резервного копирования. Кроме того, все стримеры и, соответственно, автозагрузчики и ленточные библиотеки на их базе, присутствующие сейчас на рынке, отличаются друг от друга по множеству характеристик (ёмкости картриджа и всей системы, производительности, стоимости, надёжности и др.). У каждого из них есть свои достоинства и недостатки (общим из которых является несовместимость картриджей разных форматов). Фактически, каждое ленточное устройство или система лучше всего подходят для конкретного приложения.

Основные методы резервного копирования

Методы резервного копирования для дисковых систем хранения и ленточных систем хранения отличаются друг от друга. Рассмотрим сначала методы копирования для дисковых систем.

Достаточно популярна технология резервного копирования на диск путём так называемого клонирования (point-in-time). Клонирование дисков предлагают в своих решениях такие компании, как XIOtech, IBM, EMC и др. Суть клонирования состоит в том, что в целях резервного копирования ежедневно создаётся несколько физических копий томов (клонов). После создания первой полной копии в последующем осуществляется запись лишь изменённых данных, что существенно уменьшает время дискового резервного копирования (не нужно заново записывать весь том). При необходимости восстановления данных, обращение осуществляется к последней актуальной копии. Недостатком технологии клонирования является необходимость значительного объёма дискового пространства.

Кроме того, существует вариант технологии клонирования, называемый созданием мгновенной копии (snapshot). Технология резервного копирования snapshot реализована в решениях компаний IBM, Network Appliance, StorageTek и др. При её использовании создаются логические копии моментального состояния томов или файлов. Эти две технологии отличаются друг от друга тем, что при клонировании действительно создается отдельная физическая копия диска, а при мгновенном копировании - логическая копия (имитируется физическое копирование). Создаётся образ диска, данные не переносятся, не нужно дополнительной памяти, а вся процедура мгновенного копирования происходит почти мгновенно. Недостатком технологии мгновенного копирования является её неспособность защитить данные от физической потери.

В свою очередь, ленточное резервное копирование бывает полным, инкрементальным и дифференциальным.

При полном резервном копировании создаётся полная (как следует из названия) копия данных. Достоинствами этого метода являются большая надежность и относительно быстрое восстановление информации (для этого достаточно только одного записанного образа). Недостатки метода - большая длительность процедуры и значительный расход магнитной ленты.

При инкрементальном резервном копировании на магнитную ленту дублируются лишь файлы, созданные или изменённые после последнего резервного копирования. То есть, в любом случае сначала создаётся полная копия, а при последующих процедурах резервного копирования резервируются лишь новые или модифицированные файлы (относительно последнего копирования). Достоинствами инкрементального метода являются его высокая скорость и минимальный расход магнитной ленты. Недостатком инкрементального метода является длительность восстановления информации, так как она восстанавливается сначала с полной копии, а затем последовательно - со всех последующих копий.

При дифференциальном резервном копировании тоже дублируются только новые или изменённые файлы, но уже относительно последнего полного резервного копирования. Соответственно, с увеличением числа процедур дифференциального резервного копирования возрастает и его продолжительность. Правда, для восстановления данных потребуются только полная копия и последняя дифференциальная копия.

На практике обычно регулярно выполняют полное копирование данных и ежедневно - инкрементальное или дифференциальное резервное копирование.

Производители

Рынок устройств и систем резервного копирования (и носителей для них) стабильно развивается из года в год. По прогнозам различных аналитиков, его объём ежегодно составляет несколько миллиардов долларов (по оценке IDC, только для стримеров с магнитной лентой 4/8 мм и DLT - $2.9 млрд. в 2003 г.).

Соответственно, данный рынок привлекает внимание как многих известных компаний, так и достаточно малоизвестных фирм (часто специализирующихся на изготовлении различных комплектующих для сложных решений по резервному копированию). Участниками этого рынка являются многие десятки компаний. К наиболее известным из них относятся компании Seagate LTO, Tandberg, IBM и др.

Следует также отметить, что для управления устройствами и системами резервного копирования разработано большое множество специальных программных средств, объём рынка которых также составляет многие миллиарды долларов. Среди разработчиков программных средств управления резервным копированием отраслевыми аналитиками особо выделяются компании Yosemite Technologies, Seagate Software, Legato Systems, Veritas, Computer Associates, BakBone, IBM Tivoli, HP, EMC и др.

Преимущества технологий резервного копирования

При анализе преимуществ современных технологий резервного копирования необходимо отдельно рассматривать дисковые и ленточные технологии.

Итак, в чём же состоят основные преимущества дисковых систем? В первую очередь, конечно, это высокая скорость считывания и записи данных и произвольный доступ к данным.

В свою очередь, у DVD-дисков достоинствами являются относительно высокое быстродействие, произвольный доступ к данным и достаточно низкая стоимость носителей.

Достоинства CD-дисков - низкая стоимость носителя и произвольный доступ к данным.

Соответственно, библиотеки на базе всех этих носителей также отличаются достаточно высоким быстродействием и относительно небольшой стоимостью.

В свою очередь, стримеры отличаются низкой стоимостью как всего устройства, так и носителя - магнитной ленты. В настоящее время у ленточных устройств наименьшая удельная стоимость хранения больших объёмов информации. Кроме того, они обладают достаточно значительной ёмкостью хранения информации.

На базе стримеров создаются ленточные библиотеки, которые обладают серьёзными преимуществами.

Во-первых, у них большая ёмкость хранения (ведь ёмкость только одного картриджа исчисляется сотнями гигабайт).

Во-вторых, за счёт быстрой автоматизированной смены картриджей они способны обрабатывать огромные объёмы информации.

В-третьих, автоматизация операций по резервному копированию в роботизированных ленточных библиотеках исключает влияние человеческого фактора (и, соответственно, ошибки при резервном копировании).

И, в-четвёртых, ленточные библиотеки значительно дешевле дисковых систем резервного копирования.

Можно смело утверждать, что в настоящее время ленточные устройства и системы хранения являются наиболее универсальным и недорогим средством резервного копирования и восстановления.

Недостатки технологий резервного копирования

У применяемых в настоящее время технологий резервного копирования есть и свои недостатки.

Основной недостаток дисковых систем, используемых в целях резервного копирования, это их высокая стоимость (правда, в последнее время стоимость хранения мегабайта памяти на жёстких дисках быстро падает, при условии повышения общей ёмкости дисковых систем резервного копирования).

В свою очередь, хватает недостатков и у ленточных устройств и систем резервного копирования.

Во-первых, отсутствие единого формата записи на магнитную ленту в ряде случаев мешает при создании гетерогенных систем хранения данных (проблему несовместимости форматов производители пытаются решить в масштабах всей отрасли, в частности, учредив инициативу Enhanced Backup Solutions Initiative).

Во-вторых, у них относительно низкая скорость резервного копирования/восстановления (вследствие чего процесс полного резервного копирования может занимать долгие часы).

В-третьих, за счёт использования последовательного метода доступа для них характерно большое значение времени доступа к необходимой информации (ведь ленту ещё нужно перемотать до необходимого места...). То есть, ленточные устройства и системы резервного копирования явно не годятся для оперативного хранения и обработки информации (но это, собственно говоря, предназначение не их, а дисковых систем хранения).

В-четвёртых, при хранении картриджей необходимо соблюдать определённый температурный режим и поддерживать заданный уровень влажности, а при длительном хранении магнитные ленты требуют периодической перемотки для снятия внутренних напряжений.

В-пятых, при необходимости доступа к множеству небольших файлов, из-за интенсивной перемотки магнитные ленты и головки быстро изнашиваются.

Варианты использования технологий резервного копирования

У каждого устройства и системы резервного копирования есть своя область применения.

Например, дисковые системы резервного копирования применяются для оперативного резервирования и восстановления данных. Вследствие этого, они используются в случаях, когда необходимо быстрое восстановление данных (например, в биллинговых системах).

Что касается ленточных устройств и систем, то в отрасли сложилось мнение, что они наиболее эффективны для решения задач с потоковой передачей данных, из которых к числу основных относятся:

- резервное копирование и восстановление после сбоев;

- надёжное многолетнее хранение архивов данных большой ёмкости;

- хранение файлов размером в несколько гигабайт (например, в приложениях САПР).

Следует сказать, что области применения устройств и систем резервного копирования достаточно разнообразны, так как приложений, в которых необходимо сохранять критически важные данные, с каждым годом становится всё больше. К таким приложениям можно, в частности, отнести: мультимедиа, видео-по-запросу, обработка медицинских изображений, Web-публикации, катастрофоустойчивая защита данных и др. (не говоря уже о корпоративных хранилищах и базах данных, хранении большеразмерных графических файлов САПР, архивов электронной почты, а также биллинговых и банковских транзакционных систем и др.). Продолжающееся увеличение скорости резервного копирования/восстановления данных в ленточных системах позволяет применять их и в приложениях анализа данных (data mining).

При этом, ленточные библиотеки лучше всего использовать в системах хранения уровня предприятия, так как при относительно небольшой стоимости они способны сохранять огромные объёмы данных. Ленточные библиотеки особенно эффективны для централизованного резервного копирования в гетерогенных окружениях при общей системе хранения (вспомним преимущества SAN). В этом случае наиболее полно проявляются их основные преимущества - очень высокая скорость копирования и восстановления информации (многие сотни гигабайт в час), большая ёмкость (достигающая сотен терабайт), высокая надёжность хранения и минимальная удельная стоимость хранения (в расчете на один мегабайт данных). Массивы стримеров (RAIT) применяются при критически важных операциях резервного копирования.

В свою очередь, на малых и средних предприятиях возможность применения полнофункциональной ленточной библиотеки большой ёмкости нужно рассматривать конкретно для каждого случая. При небольшой степени загрузки библиотеки с десятками картриджей вряд ли целесообразно покупать её (вероятно, можно обойтись и автозагрузчиком).

Стримеры используются для резервного копирования небольших объёмов информации на малых предприятиях и, в некоторых случаях, для резервного копирования в домашних условиях - c настольных персональных ПК.

Выводы

1. Устройства и системы резервного копирования занимают важное место в корпоративных системах хранения данных.

2. Современные технологии резервного копирования достаточно сложны и отличаются значительным разнообразием применяемых форматов, методов, устройств и систем.

3. Учитывая сложность и многообразие существующих технологий резервного копирования, при создании оптимальной по цене и функциональным возможностям многоуровневой корпоративной системы хранения данных необходимо ориентироваться на успешный опыт внедрения и практического применения таких систем на различных предприятиях и в организациях, не лишней будет и помощь опытного системного интегратора.