基于鐵路主數據中心云化基礎設施的災備關鍵技術研究

王景艷，劉 洋

（中國鐵路信息科技集團有限公司 運行維護與生產調度部，北京 100844）

中國鐵路主數據中心是鐵路一體化信息集成平臺的核心，承擔著鐵路信息資源服務、關鍵業務計算、數據存儲備份等重要任務[1]。主數據中心基礎設施基于云平臺搭建，實現重要信息資源的集中存儲、管理和綜合利用，確保核心業務應用系統的安全性、可靠性和連續性[2]。為保證業務連續性要求和信息系統合規性要求，鐵路災備中心即將投入建設，如何利用基礎設施云平臺滿足鐵路應用系統災備需求是亟待研究解決的重要課題。

災備技術自上世紀70 年代起源，經歷了信息系統備份、災難恢復規劃（DRP）、業務連續性規劃（BCP）3 個階段，關注重點由備份技術本身逐漸發展為生產中心保障，再到業務保障和恢復。隨著業務連續性要求的不斷提升，越來越多的行業加強了災備技術的研究與災備中心的建設[3-4]。鐵路災備技術研究起步較早，目前12306 互聯網售票和電子支付應用已完成雙活中心建設，貨運票據電子化應用雙中心也已上線，實現跨不同數據中心的高可用[5]。傳統災備技術（如數據復制技術、雙活技術、業務切換等）已在鐵路信息系統災備建設中有較為成熟的應用經驗[6]。在云環境下，大量災備新技術逐漸取代傳統技術，如IP 存儲網絡替代FC 存儲網絡，通過域名系統（DNS）實現大二層網絡[7]；通過智能DNS 實現應用雙活，滿足基于域名的災備切換需求[8]；使用虛擬機、容器代替實體機，實現整體系統災備和災備調度[9]；基于虛擬機的CDP 技術，實現數據同步和災備等[10]。

本文主要研究鐵路主數據中心適用的災備關鍵技術，并根據鐵路應用系統特點提出災備等級劃分建議。

1 災備關鍵技術

1.1 數據復制技術

數據復制技術由下至上可分為存儲和操作系統層、數據庫層、應用層，如圖 1 所示。

圖1 數據復制技術層次劃分

（1）基于存儲和操作系統層的數據復制：基于系統底層物理卷、數據塊，通過存儲硬件、虛擬化存儲等實現，與上層的應用和邏輯無關。

（2）基于數據庫層的數據復制：大部分數據庫提供數據復制工具，實現數據的物理復制和邏輯復制，主要有日志復制重做、日志交易解析復制重做等幾種方式。

（3）基于應用層的數據復制：通過雙寫實現，可根據需要采用強一致性、弱一致性、最終一致性設計。

（4）數據備份：利用備份軟件實現數據復制，復制成本低，可節約傳輸帶寬和存儲空間；其缺點是RTO 相對較高，一般作為最后的恢復手段。

1.2 主備/雙活技術

應用系統的雙數據中心部署通常有4 種模式：主備、互備、雙活、準雙活。

（1）主備模式：只有生產中心承擔業務，災備中心作為生產中心的備份；當生產中心出現故障時，災備中心接管生產中心的業務，如圖2a 所示。

（2）互備模式：主備中心互為備份，生產中心和災備中心可同時承擔業務，避免浪費災備中心資源；當一個中心故障時，其業務轉移至另一中心，如圖2b 所示。

（3）雙活模式：雙活應用部署在兩個數據中心/ 機房，同時在線運行，用戶請求通過負載均衡設備分配到不同數據中心的應用服務器，兩中心的數據庫實時同步；當一個中心出現故障時，通過負載均衡將請求切換到另一中心，如圖2c 所示。

（4）準雙活模式：與雙活模式的主要區別是，不進行兩中心的數據庫實時同步，應用服務器與指定中心的數據庫進行實時數據交換，兩中心的數據庫定期同步，如圖2d 所示。

圖2 數據中心主備/雙活部署模式

這4 種部署模式中，雙活模式可最大程度保障業務連續性。采用雙活技術建設容災系統，涉及接入層、應用層、數據庫層、存儲層和網絡層的改造，各層次中均有相應的解決方案。

（1）接入層雙活一般可采用DNS 和全局負載均衡（GSLB）機制構建接入層雙活架構，根據后端服務器負載和鏈路狀況實現不同中心間流量調配。

（2）應用層雙活需要在每個數據中心分別部署一套完整的且規模相同的服務和應用，平時每個中心均為生產中心，具備接管其它中心業務的能力。

（3）數據庫層包含物理數據庫和內存數據庫兩類，物理數據庫層可采用Active-Standby、Active-Active 或第三方數據復制軟件實現，內存庫雙活集群部署可采用讀寫分離、讀寫并行、線性拆分或分布式集群4 種模式實現。

（4）存儲層雙活實現方式包括基于遠程卷管理軟件的虛擬化、基于存儲網關虛擬化、基于存儲自身卷鏡像3 種技術。

1.3 業務切換及自愈

1.3.1 業務切換

業務切換技術主要包括接入層切換、應用系統間/應用系統內切換和數據復制切換。

（1）接入層切換：在網絡接入層面將源端業務切換到備端數據中心，以保障業務的連續性，包括網絡切換、安全切換、負載均衡切換。

（2）應用系統間/應用系統內切換：在災備切換過程中，應用系統之間、應用系統內子系統之間可能存在技術依賴關系，由此產生應用系統間或應用系統內不同的災備切換次序要求，災備管理人員需要制定合理的災備切換策略，通過災備切換流程文檔或災備切換管理軟件來設計實現相應的流程。

（3）數據復制切換：許多高可用軟件提供切換能力，支持存儲、存儲網關、數據庫、應用等各層次切換。存儲切換需要先將上層的應用和數據庫停止，反轉存儲的遠程復制關系，啟動數據庫和應用，向災備中心的存儲寫入數據，將數據同步復制到生產中心的存儲上。數據庫切換主要依賴數據庫提供的工具，先將生產中心的主數據庫降級為備用數據庫，再將災備端備用數據庫提升為主數據庫，反轉數據庫的遠程復制關系，將災備中心主數據庫生成的日志傳送回生產中心的備用數據庫。

1.3.2 故障自愈

云平臺承載的應用災備設計可以從數據中心本地高可用、數據中心內自愈、跨數據中心自愈3 個方面進行考慮。（1）數據中心本地高可用：通過集群的保護方式，實現應用在多個宿主機之間故障遷移；當集群中單點故障時，可通過集群高可用實現應用的連續性保護，即數據中心本地高可用。

（2）數據中心內自愈：通過云服務中心動態檢查應用健康狀態，當發現問題時自動創建新的應用容器，同時進行應用內部的環境和應用的配置工作，啟動服務繼續處理用戶請求；當整個應用集群出現故障時，通過鏡像或容器復制的方式，鏡像管理在同一數據中心的其它集群上重新生成應用，繼續對外提供服務，即數據中心內自愈。

（3）跨數據中心自愈：通過云平臺底層存儲、對象存儲或數據復制組件的同步能力，進行鏡像和容器的異地數據中心保護；當數據中心出現災難時，通過跨數據中心鏡像復制的異地保護功能，在另外一個數據中心動態生成相同的應用，繼續對外提供服務，即跨數據中心自愈。

1.4 云災備服務技術

云災備服務基于云的自動化資源管理，通過將災備服務化，提供按需服務和自服務能力，用戶可在云管理平臺上，按需選擇備份、恢復及監控服務，根據使用情況計量和計費。

災難恢復即服務（DRaaS）是一種云計算和備份服務模型，使用云資源來保護應用程序和數據免受災難造成的中斷，整合業務應急、切換演練等容災調度服務，保障業務連續性。通常在應用層實現DRaaS，并與備份即服務（BaaS）集成，提供最佳的托管備份/恢復和災難恢復，如圖 3 所示。

圖3 云災備服務化模型

DRaaS 將資源復制到多個不同站點，以確保在一個或多個站點不可用的情況下進行連續備份，同時對跨備份域的各數據中心實現統一管理，解決傳統災備系統數據分散、管理難度大的問題，極大地降低擴容和維護成本。

2 鐵路云災備方案

2.1 應用系統災備等級

依據對數據及業務的保障程度，應用系統災備一般分為3 個級別：數據級、應用級和業務級。

數據級災備是建立一個異地災備系統作為本地關鍵數據的可用復制，利用網絡數據復制工具，實現生產中心和災備中心之間異步/同步的數據傳輸。

應用級災備在數據級災備的基礎上，在異地災備中心另外構建一套支撐系統，具有應用接管能力，減少系統停機時間，提高業務連續性。

業務級災備在信息系統之外的還需考慮業務因素，包括備用辦公場所、辦公人員等。

應用系統不同災備等級的特點見表 1。為每個業務系統制定災備方案時，需要先對現有業務系統進行充分的調研和業務影響分析（BIA），確定業務系統的關鍵程度以及業務系統的RTO 和RPO 要求，進而確定業務系統的災備范圍和方案。表 2 列出不同等級災備要求的應用系統推薦采用的災備方案及應用示例。

表1 數據級、應用級、業務級災備的特點

2.2 典型應用的災備方案

表2 同城/異地災備模型

對于連續性需求高的運作類關鍵應用，其影響范圍大，實時性要求高，RTO 要求小于6 h，不允許數據丟失。在同城數據中心/機房宜采用雙活技術，將應用系統同時部署在兩個數據中心/機房，同時接收用戶讀寫請求，實現數據庫雙活和存儲雙活；異地災備中心可使用主備模式，由主數據中心負責讀寫數據，備用數據中心提供熱備，兩個數據中心之間實現雙向數據復制。這類應用雙活架構如圖 4 所示。

主備中心均部署應用服務器和數據庫，同時承載業務；服務器和數據庫采用集群形式部署，實現本地高可用。應用服務器讀寫本地數據庫，主數據中心和災備中心庫實現同步雙向數據復制，同時各自備份本地數據。用戶請求通過CDN 分發給主數據中心和災備中心；當某一中心出現故障時，可通過CDN 迅速將流量切換至另一中心，實現業務連續性保護。

3 結束語

云計算等新技術的日趨成熟為容災備份提供了更多選擇，鐵路信息系統云化也對災備提出新的要求。系統災備方案設計需考慮云環境場景，確定合適的災備連續性保護策略，對云平臺與承載應用進行統一的災備規劃，并根據應用的不同災備需求，采用不同災備方案實現連續性保護。

圖4 運作類應用雙活架構

本文根據鐵路信息系統實際需求，重點探討數據復制等4 種災備關鍵技術，并以典型應用為例，提出適用于不同業務需求的災備方案。下一步的研究可針對鐵路信息系統未來的“兩地三中心”布局，結合業務應用災備需求進一步細化災備方案，深化災難恢復即服務研究，充分發揮云環境特性，滿足鐵路業務系統災備需求。