Эволюция технологии снимков: изменение правил игры в методах защиты данных

В условиях быстрого развития цифровой эпохи одной из главных задач предприятий и организаций является эффективная защита растущих объемов данных. Технология снимков (snapshot) появилась как инновационное решение для решения этой проблемы, преодолевая фундаментальные ограничения традиционных методов резервного копирования и заняв ключевую позицию в инфраструктуре современных корпоративных IT-систем.

Необходимость защиты данных: почему привлекают внимание снимки

Сегодня благодаря развитию информационных технологий обработка больших данных стала повседневной практикой в таких сферах, как банки, телекоммуникации, электронная коммерция и облачные платформы. Согласно правилу, предложенному лауреатом премии Тьюринга Джимом Грейем, объем данных, создаваемых в сетевых средах каждые 18 месяцев, равен сумме всех данных, накопленных за всю историю человечества. В условиях экспоненциального роста данных потеря данных компанией ведет не только к утрате информации, но и к значительным экономическим потерям и снижению доверия.

Различные угрозы, такие как взломы, вирусы, аппаратные сбои и природные катастрофы, могут в любой момент угрожать критически важным данным компании. Особенно после крупных катастроф, таких как теракт 9.11, организации стали еще более остро ощущать необходимость защиты данных и восстановления после аварий. Однако существующие традиционные методы резервного копирования сталкиваются с серьезными проблемами:

Ограничения традиционных методов резервного копирования и необходимость снимков

Традиционные технологии резервного копирования не полностью отвечают требованиям эпохи больших данных. Процесс резервного копирования создает значительную нагрузку на систему и обычно выполняется в нерабочие часы, например, ночью. В результате возникает проблема так называемого «окна резервного копирования» — времени, когда сервисы временно недоступны.

Объем данных постоянно увеличивается — от гигабайтов (GB) до терабайтов (TB) и петабайт (PB), а длительность окна резервного копирования растет. Особенно это критично для таких организаций, как банки или телекоммуникационные компании, которые работают круглосуточно и без перерывов, и даже несколько секунд простоя недопустимы. Цели восстановления (RTO) и точки восстановления (RPO) становятся трудно достижимыми.

Для решения этих проблем появилась технология снимков. Снимки позволяют обеспечить почти реальное защиту данных, преодолевая ограничения традиционного резервного копирования.

Определение и основные концепции снимков

Снимок — это полная и доступная копия набора данных на конкретный момент времени, также называемая мгновенной копией (Instant Copy) или копией в точке времени (Point-in-Time Copy). Согласно определению Ассоциации сетевого хранения данных (SNIA), снимок — это «полная и доступная копия заданного набора данных, создаваемая в момент начала копирования».

Ключевое отличие снимка от традиционного резервного копирования — скорость и гибкость. Традиционное резервное копирование требует значительного времени для физического копирования данных, тогда как снимок создает образ данных мгновенно, обрабатывая только метаданные. Кроме того, снимки можно создавать в любой момент, что позволяет делать их несколько раз в день и обеспечивать более тонкую защиту данных.

Основные назначения снимков:

• Использование в качестве источника для резервного копирования
• Предоставление источника для анализа и майнинга данных
• Роль контрольных точек для приложений
• Обеспечение тестовых и разработческих сред

Методы реализации технологии снимков: три основные подхода

По классификации SNIA технология снимков делится на три основных типа:

1. Split Mirror (разделение зеркала)

Этот метод предполагает предварительное создание полного физического зеркального тома исходных данных перед началом резервного копирования. В момент копирования процесс зеркалирования останавливается, и зеркало мгновенно превращается в снимок.

Преимущества:

• Создание снимка очень быстро (обычно за миллисекунды)
• Практически не влияет на окно резервного копирования
• Обеспечивает полную физическую копию

Недостатки:

• Меньшая гибкость (нельзя создавать снимки в любой момент)
• Требует дополнительного хранения, равного объему исходных данных
• Во время зеркалирования возможное снижение производительности системы

2. Copy-On-Write (запись по изменению, COW)

Этот метод не копирует физические данные при создании снимка. Вместо этого он копирует только метаданные исходных данных, а при изменении данных оригинальные блоки сохраняются в отдельном пространстве.

Работа:

• Создание снимка происходит мгновенно
• При изменении данных оригинальные блоки копируются в специальное пространство
• Для отслеживания расположения данных ведется таблица указателей

Преимущества:

• Очень быстрая скорость создания (моментально)
• Минимальное начальное потребление пространства
• При изменениях данных выполняется только необходимая работа
• Возможность создавать снимки в любой момент для любого объема данных
• Высокая гибкость

Недостатки:

• Не является полным физическим копированием
• Если измененные данные превышают зарезервированное пространство, снимок может стать недействительным
• Требует достаточного резервного пространства для снимков

3. Redirect-On-Write (перенаправление при записи, ROW)

Этот подход похож на COW, но при записи новых данных обновляются указатели, что позволяет более эффективно управлять изменениями.

Работа:

• При изменении данных новые блоки записываются в отдельное пространство
• Указатели на данные перенастраиваются на новые блоки (переприсвоение)
• Указатели снимка остаются без изменений

Преимущества:

• Повышенная производительность ввода-вывода (один раз запись)
• Более эффективное управление по сравнению с COW

Недостатки:

• Усложнение при управлении множественными снимками
• Возможность фрагментации данных при быстром росте снимков

Реализация снимков на уровне системы хранения

Снимки могут реализовываться на различных уровнях хранения:

Аппаратный уровень (контроллеры):

• Реализуются прямо в контроллерах устройств хранения
• Независимы от ОС и файловых систем
• Обеспечивают высокую производительность и отказоустойчивость
• Работают на уровне блоков (LUN)

Программный уровень (хост):

• Реализуются в файловых системах или менеджерах томов
• Более гибкое управление
• Работают с логическими представлениями данных
• Обеспечивают независимость от физического хранения

На сегодняшний день в индустрии преобладает реализация на уровне физического хранения и менеджеров томов.

Передовые технологии снимков

1. Клонирование (Clone) с использованием фоновой копии

Объединяет преимущества COW и разделения зеркала:

• Быстрое создание снимка с помощью COW
• В фоновом режиме выполняется физическая копия
• В итоге получается полная копия, сравнимая с разделением зеркала

2. Непрерывная защита данных (Continuous Data Protection, CDP)

Автоматическая фиксация всех изменений данных с возможностью практически мгновенного восстановления:

• Постоянное захватывание всех изменений
• Восстановление в любой точке времени
• Минимизация RPO, практически исключая потерю данных

Преимущества:

• Гибкое взаимодействие с приложениями
• Высокая производительность и эффективность
• Беспрерывная работа системы

Недостатки:

• Требует большого объема хранения

3. Лог-ориентированные снимки

Использование журналов транзакций файловых систем:

• Запись всех операций записи
• Поддержка современных файловых систем (ZFS, JFS, EXT3, NTFS)
• Возможность отката данных к определенной точке времени

Сравнение технологий снимков

Развитие и будущее технологий снимков

За последние 20 лет технологии снимков претерпели значительную эволюцию:

• Время создания — от секунд до мгновенного
• Частота создания — по необходимости, с возможностью множественных снимков
• Влияние на производительность — минимизировано
• Управление — автоматизация постоянно улучшается
• Масштабируемость — поддержка больших объемов данных и множественных снимков

Крупные поставщики решений, такие как EMC TimeFinder, HDS ShadowImage, NetApp Snapshot, Veritas Snapshot, продолжают совершенствовать технологии и выпускать новые версии.

Тем не менее, есть еще простор для улучшений. В области производительности, гибкости и управления необходимы более продвинутые решения. Распространение облачных технологий, рост гибридных инфраструктур и эпоха больших данных требуют дальнейшего развития технологий снимков.

Итог: необходимый инструмент современного защиты данных

Технология снимков — это революционное решение, преодолевшее ограничения традиционных методов резервного копирования, и стала неотъемлемой частью современных корпоративных IT-инфраструктур. Она решает проблему окна резервного копирования, значительно сокращает время восстановления и достигла статуса отраслевого стандарта.

В будущем, по мере роста требований предприятий, будут разрабатываться все более быстрые, гибкие и управляемые решения. В условиях данных, ориентированных на бизнес, роль технологий снимков будет только возрастать.