前言

隨著云計算、大數(shù)據(jù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)已成為企業(yè)核心資產(chǎn)。確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性成為企業(yè)關注的重點問題。對象存儲技術以其高可用性、良好的擴展性和成本效益，逐漸成為企業(yè)數(shù)據(jù)存儲的首選。然而，面對硬件故障、自然災害等潛在風險，對象存儲的數(shù)據(jù)安全面臨挑戰(zhàn)。為此，對象存儲多中心多活容災技術得以發(fā)展，特別是異地多活容災解決方案。它通過在不同地理位置搭建多個獨立的數(shù)據(jù)中心，確保每個中心都能就近實時處理業(yè)務流量，一旦某個數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)故障，其他中心能夠立即接管，從而保障業(yè)務的無縫連續(xù)和數(shù)據(jù)完整。

對象存儲的桶復制技術

1.增量異步復制

增量異步復制是多中心對象存儲桶同步的一種方式，它按照預設的時間間隔執(zhí)行數(shù)據(jù)同步操作。在此模式下，目標系統(tǒng)會根據(jù)自上一同步周期以來的所有數(shù)據(jù)變更進行更新。具體到數(shù)據(jù)傳輸，異步復制涉及從數(shù)據(jù)中心A的存儲系統(tǒng)定期向數(shù)據(jù)中心B的存儲系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以對象或分片對象的形式，按照周期性掃描進行傳輸，這樣做有助于減輕網(wǎng)絡和存儲資源的壓力。然而，這種傳輸方式會在多數(shù)據(jù)中心間引入數(shù)據(jù)同步的時間差，即復制延遲，在遭遇故障的情況下，故障轉移是指從主系統(tǒng)切換到輔助系統(tǒng)的過程。由于異步復制固有的延遲，故障轉移可能會導致一定程度的數(shù)據(jù)無法同步，需要等故障恢復后，才能同步部分無法同步的數(shù)據(jù)。

增量異步復制方法如圖1所示，業(yè)務數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)中心A的網(wǎng)關訪問存儲桶，所有數(shù)據(jù)變更都會記錄在緩存Change Log中，這成為增量數(shù)據(jù)同步的依據(jù)。后臺網(wǎng)關按順序處理Change Log，捕獲數(shù)據(jù)的變化。利用對象元數(shù)據(jù)的mtime信息來判斷對端數(shù)據(jù)是否需要更新，一旦滿足復制條件，便執(zhí)行跨站點數(shù)據(jù)復制。對于增量異步復制，其掃描周期可配置為5秒至60秒?？缯军c網(wǎng)絡的延遲對復制過程有一定影響，尤其是網(wǎng)絡延遲較高時，可能會影響大量小對象的復制效率。

圖1 增量異步復制流程

2.同步復制

同步復制確保數(shù)據(jù)更改實時反映在主存儲系統(tǒng)上，并立即同步到輔助存儲系統(tǒng)，以保持兩個系統(tǒng)數(shù)據(jù)副本的實時更新。這種機制涉及從主存儲系統(tǒng)到輔助存儲系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸，通常以小數(shù)據(jù)塊形式進行，以減少對網(wǎng)絡和存儲資源的影響。由于需要保證輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時更新，復制延遲極低，通常僅為毫秒級別。

同步復制基于跨站點多中心存儲桶的構建，每個數(shù)據(jù)中心存儲兩個數(shù)據(jù)副本，總共維護四個副本。在擴展存儲池中，所有讀寫操作均通過主OSD進行。數(shù)據(jù)寫入主OSD后，由主OSD負責將數(shù)據(jù)復制到其他副本。只有當所有副本寫入完成后，寫操作才被視為完成，從而確保數(shù)據(jù)的強一致性。在同步復制方案中，主OSD配置在主數(shù)據(jù)中心，以優(yōu)化讀取性能。為了實現(xiàn)同步復制，數(shù)據(jù)中心間的網(wǎng)絡延遲（包括平臺網(wǎng)絡、訪問網(wǎng)絡和復制網(wǎng)絡）需小于5毫秒，同時，跨站點網(wǎng)絡的帶寬至少應為業(yè)務帶寬的四倍，當業(yè)務都是大文件時，由于不需要緩存池進行加速，跨站點帶寬會降低一倍。

圖2 同步復制

對象存儲容災技術

容災是指當發(fā)生災難導致數(shù)據(jù)損壞時，計算機信息系統(tǒng)可以提供一種恢復原始數(shù)據(jù)的解決方案，該方案能保證數(shù)據(jù)生成中心在遭遇不同災難后，系統(tǒng)仍然能夠盡最大限速保證業(yè)務連續(xù)性。按照距離分：本地容災、異地容災。

雙活（Active-Active）架構指的是在存儲集群中，所有節(jié)點均處于活躍狀態(tài)，共同承擔讀寫請求的請求，數(shù)據(jù)在節(jié)點間實時同步，保持一致性。雙活架構的優(yōu)點在于提升了讀寫性能，實現(xiàn)了負載均衡，并且在節(jié)點故障時，其他節(jié)點仍能提供服務

1.同城多活模式

同城雙活數(shù)據(jù)中心要求物理距離≤100KM，時延≤5ms，同城多中心數(shù)據(jù)同步采用同步復制策略，采用四副本的容錯機制，并利用擴展池的多副本強一致寫入特性來保障數(shù)據(jù)一致性，為了解決數(shù)據(jù)一致性和沖突問題，引入了仲裁服務。因此，同城多活模式對網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡時延以及運維能力都提出了較高的要求。

圖片

圖3 同城多活架構圖

2.異地多活模式

在分布式對象存儲系統(tǒng)中，通過采用多副本或糾刪碼模式，確保了數(shù)據(jù)的高可用性，有效抵御了磁盤故障或存儲節(jié)點異常帶來的影響。然而，面對地震、洪水等自然災害，同一城市內(nèi)的所有機房可能會遭受同時損害，導致服務中斷。鑒于災害的嚴重性，系統(tǒng)的恢復周期可能會大幅延長，這將對存儲服務的連續(xù)運行造成嚴重影響。因此，構建異地容災能力顯得尤為關鍵，它能夠在集群出現(xiàn)異常時迅速進行服務切換，從而保障業(yè)務的無縫連續(xù)和穩(wěn)定性。

3.架構設計

異地多活架構中，各個數(shù)據(jù)中心分布在不同的物理位置，對于任何一個數(shù)據(jù)中心的存儲桶，統(tǒng)一命名空間確保了在其他數(shù)據(jù)中心也有一份完整的數(shù)據(jù)副本。在正常運營狀態(tài)下，業(yè)務數(shù)據(jù)的讀取請求通過數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡，就近從各個地域的存儲網(wǎng)關獲取數(shù)據(jù)。存儲網(wǎng)關則從同地域的對象存儲系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過業(yè)務邏輯處理后再返回給內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡，并最終展示給客戶端。在此過程中，統(tǒng)一命名空間下的多個數(shù)據(jù)中心均處于可服務狀態(tài)。一旦某個地域發(fā)生異常，數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡可以迅速切換，將流量調度至其他正常運作的數(shù)據(jù)中心，從而確保服務的高可用性。

4.容災備份方案

存儲容災規(guī)劃的三大核心要素——冗余、距離和全量備份，共同構筑了一個堅不可摧的數(shù)據(jù)保護框架，保障了在各類災難情境下數(shù)據(jù)和服務的持續(xù)可用性。

在選擇異地容災備份地點時，應確保與現(xiàn)有存儲地點的距離超過300公里，并且最好不在同一江河流域、同一電網(wǎng)、同一地震帶內(nèi)。因此，同城雙活架構下的同步復制策略并不適用于異地多活模式。由于異地災備主備數(shù)據(jù)中心的物理距離較遠且網(wǎng)絡帶寬較低，采用統(tǒng)一命名空間成為保持多個數(shù)據(jù)中心資源一致性的有效手段。

統(tǒng)一命名空間采用增量異步復制策略，由多個分布式數(shù)據(jù)中心集群構成。每個數(shù)據(jù)中心作為一個獨立的命名空間，擁有獨立的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)集群。通過統(tǒng)一命名空間功能，可以將所有集群整合起來進行統(tǒng)一管理，并定義同步策略以確立多數(shù)據(jù)中心間的復制關系，存儲桶則根據(jù)不同的同步策略進行應用。

在統(tǒng)一命名空間中，任何集群內(nèi)創(chuàng)建或修改的對象、用戶和存儲桶資源都將同步到其他所有站點，以保持配置的一致性。這包括用戶名、用戶基本信息、啟用/禁用狀態(tài)、權限策略、密鑰信息、配額策略、QoS策略等用戶配置，以及存儲桶名、多版本配置、保護模式、權限策略、加密配置、壓縮配置、跨域訪問配置、配額策略、QoS策略、回收站策略等存儲桶配置。基于統(tǒng)一命名空間的異步復制策略允許用戶和桶資源在任意站點創(chuàng)建，并異步同步至統(tǒng)一命名空間下的其他數(shù)據(jù)中心。若同步失敗，將記錄日志，并在外部站點恢復后重新嘗試同步。

圖4 統(tǒng)一命名空間資源同步

5.讀寫方案

對象存儲異地多活并不像其他數(shù)據(jù)庫可以做到多寫多讀，其讀寫方案如下圖5所示，異地三中心組成一個統(tǒng)一命名空間，其中數(shù)據(jù)中1心承擔所有的寫請求，同時和其他兩個數(shù)據(jù)中心共同承擔就近讀請求，同時數(shù)據(jù)中心1開啟了增量復制到其他兩個集群的功能，寫入數(shù)據(jù)或者修改時候的時候只寫入數(shù)據(jù)中心1，利用桶復制技術將數(shù)據(jù)同步到統(tǒng)一命名空間的其他兩個集群中，這樣統(tǒng)一命名空間內(nèi)的各個集群都有全量的數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)時候，可以根據(jù)業(yè)務所在地域就近獲取對象數(shù)據(jù)，有效的降低讀取數(shù)據(jù)的時延開銷。

圖片

圖5 讀寫架構

其中統(tǒng)一命名空間模式是增量異步復制，因此極大可能存在數(shù)據(jù)剛寫到數(shù)據(jù)中心1中，業(yè)務就通過就近訪問模式從數(shù)據(jù)中心2中讀取數(shù)據(jù)，由于地域距離較遠，增量異步復制策略導致數(shù)據(jù)還沒來得及復制到數(shù)據(jù)中心2中，導致讀取失敗。這個時候就需要開啟代理讀模式。在配置代理讀后，當數(shù)據(jù)中心2沒有數(shù)據(jù)時，會觸發(fā)代理讀流程，網(wǎng)關服務會根據(jù)代理讀配置跨站點獲取數(shù)據(jù)，并返回業(yè)務請求。代理讀流程會增加讀取的時延，但整個過程對業(yè)務透明，業(yè)務無需進行適配。

6.容災切換

如果數(shù)據(jù)集群1發(fā)生故障，導致無法寫操作以及就近的讀操作，DNS經(jīng)過探活后發(fā)現(xiàn)集群1故障，主備模式切換到集群3，將集群3設置為統(tǒng)一寫請求入口。同時把讀請求分散到集群2與集群3上。為了保持統(tǒng)一寫請求切換的時候，盡可能的快捷與方便，已經(jīng)預先開啟了三個集群的相互增量復制與代理讀功能。異地三中心多活模式就降級成異地雙中心多活模式。

如果數(shù)據(jù)集群1恢復，則首先同步因故障還沒來得及同步的數(shù)據(jù)，其次恢復就近讀請求，數(shù)據(jù)集群1降級成讀請求集群，集群3升級成統(tǒng)一寫請求與就近讀取集群。

圖6 數(shù)據(jù)中心1故障切換

如果是集群3發(fā)生故障，如圖7所示，只影響就近的讀操作，通過DNS探活后把流量切換到數(shù)據(jù)集群1和數(shù)據(jù)集群2，由于對象存儲讀寫都有重試機制，DNS秒級別的探活與切換不會影響業(yè)務。如果集群恢復后，業(yè)務流量回切，流量在三中心之間均衡。

圖7 數(shù)據(jù)中心3故障切換

總結

本文探討了對象存儲的多中心多活架構設計，旨在確保數(shù)據(jù)安全性和業(yè)務連續(xù)性。首先介紹了增量異步復制和同步復制兩種數(shù)據(jù)同步方式，并分析了同城多活和異地多活兩種容災模式。其中，同城多活是基于同步復制，對網(wǎng)絡質量和運維能力都有較高的要求。異地多活模式采用增量異步復制策略，通過不同地域的三個數(shù)據(jù)中心協(xié)同工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可用性和異地容災切換。以上是我們對對象存儲多中心多活的方案設計，為構建可靠的對象存儲系統(tǒng)提供了參考。