付 江，程永新

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

基于天基信息基礎設施的數據容災設想*

付 江，程永新

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

介紹天基信息技術、天地一體化網絡技術和數據容災技術的發(fā)展現狀，論述基于天基信息基礎設施的數據容災方案的可行性，提出了基于Hadoop的HDFS分布式文件管理機制構建數據容災框架，并給出了通用的容災策略。同時，提出采用云存儲解決天基信息基礎設施資源受限的問題，通過高速星地鏈路解決數據同步復制問題，利用天基熱備份控制節(jié)點解決在重大自然災害時數據服務不間斷提供問題。

數據容災；天基信息基礎設施；云存儲；HDFS

0 引 言

隨著信息時代的來臨，作為信息載體的數據，以指數方式增長。信息系統(tǒng)中的關鍵數據，大到人類的發(fā)明創(chuàng)造﹑國家的法律制度，小到企業(yè)的財務報表﹑個人的家庭照片，都已成為非常重要的資產和財富。數據的丟失，將會給國家﹑企業(yè)和個人帶來巨大的損失。

信息系統(tǒng)中數據的丟失包括數據不能被訪問﹑數據不完整和數據消失。數據容災是解決信息系統(tǒng)中數據丟失的最直接﹑最有效的方法。

數據容災是在異地建立和維護一個備份數據中心，利用地理分散性保證數據對于災難事件的抵御能力。災難大致可用分為自然災害﹑設備故障﹑操作失誤和病毒入侵。目前，容災方案對設備故障﹑操作失誤﹑病毒入侵等災難都可以很好地應付，但隨著全球環(huán)境的惡化，卻難以應對日漸頻繁的地震﹑火災﹑海嘯﹑龍卷風等自然災難。

將備份數據中心搬到太空中，是解決自然災害造成數據丟失的一種根本解決方案。太空環(huán)境比地面環(huán)境具有更高的物理安全性。太空中沒有地球表面常見的地震﹑海嘯﹑龍卷風等自然災害，其主要的物理安全威脅來自天體的碰撞。但是，太空的空間大，天體互相碰撞的概率相對較小，且各天體按照軌道周期規(guī)律運行，即使碰撞也可提前預測，提前規(guī)避。所以，太空環(huán)境比地面環(huán)境更適合做備份中心。

1 可行性分析

隨著衛(wèi)星通信技術的日趨成熟，天基信息基礎設施逐步完善，天地一體化網絡逐步形成，基于天基信息基礎設施的容災方案的可行性逐漸增強。隨著人們對數據安全的日益重視，數據容災技術也呈現出百花齊放的盛況。

1.1 天基信息基礎設施

天基信息基礎設施由天基通信網絡設施和天基信息服務設施組成。

1.1.1 天基通信網絡

1957年10月第一顆人造衛(wèi)星升空，標志著人類空間探索和開發(fā)利用的起始。90年代以前的應用衛(wèi)星，主要側重于研究靠單顆衛(wèi)星來發(fā)揮作用；90年代以來，微電子和微機械技術發(fā)展所引發(fā)的小衛(wèi)星熱，為星座系統(tǒng)的發(fā)展注入新的活力。小衛(wèi)星星座概念的出現，使多顆衛(wèi)星組成星座或編隊工作，發(fā)揮了比單顆衛(wèi)星更多的作用。隨著航天系統(tǒng)種類的不斷增加，產品品種和系統(tǒng)功能的日臻完善，衛(wèi)星系統(tǒng)之間自成體系，條塊分割的局面逐漸形成。衛(wèi)星各分系統(tǒng)功能越來越強，使得總體投資快速增長而衛(wèi)星總體資源分布不合理。在這種背景下，天基通信網絡孕育而生。天基通信網絡是指不同軌道﹑不同種類﹑不同性能的衛(wèi)星﹑星座和相應的天基設施，通過星際鏈路構成的一體化綜合網絡。該網絡是多種衛(wèi)星網絡系統(tǒng)的綜合，具有自主運行和管理能力以及智能化的信息貯存﹑處理和分發(fā)能力。

從計算機網絡理論和地面網絡的發(fā)展現狀看來，地面網絡基本的結構形態(tài)有兩種：對等網和主干-接入網。對等網的網絡結構是對稱的，各個網絡節(jié)點的功能是對等的；主干-接入網的網絡結構不對稱，各個網絡節(jié)點通過接入網實現信息的聚合。從衛(wèi)星網絡的發(fā)展歷程來看，天基通信網絡也存在對等網和主干-接入網兩種架構。因此，天基通信網絡是對等網與主干-接入網絡共存的異構網絡[1-2]，如圖1所示。

圖1 天基通信網絡

天基通信網絡由天基骨干網﹑天基接入網及各類天基用戶組成。天基骨干網由高軌衛(wèi)星通過激光﹑微波等高速鏈路組網而成。天基接入網由各類中低軌衛(wèi)星星座群組成，天基接入網通過激光鏈路接入天基骨干網。天基用戶包括車載﹑機載﹑艦載各型用戶端，通過微波鏈路接入天基接入網。

1.1.2 天基信息服務

天基信息服務設施由各類載荷組成，包括衛(wèi)星﹑宇宙飛船﹑空間站等各類航天器上的存儲﹑計算等載荷。這些載荷為各類天基應用服務提供支撐平臺。

1.1.3 基于云計算的天基信息基礎設施

不管是天基通信網絡設施，還是天基信息服務設施，都受空間資源有限的約束，如軌道有限﹑頻率范圍有限﹑載荷功率有限﹑載荷物理尺寸有限等，導致其不能更好地發(fā)揮信息基礎設施的支撐作用。因此，專家們提出了在天基信息基礎設施中采用資源虛擬化技術，以最大限度地綜合利用有限的空間資源來滿足對網絡信息的需求。

建立基于云計算的天基信息基礎設施，是目前公認的最好方法，其架構如圖2所示?；谠朴嬎愕奶旎畔⒒A設施包括三層：基礎設施層﹑虛擬化層和資源管理層[3]。基礎設施層包括天基骨干網﹑天基接入網以及各類航天器上的信息載荷。虛擬化層利用虛擬化技術，將基礎設施層的各類設施抽象成存儲資源﹑計算資源﹑軌位資源﹑頻率資源﹑天線資源等，形成統(tǒng)一的資源池，供管理者調用。資源管理層包括資源管理和資源調度，對下管理維護資源池，對上則根據用戶需求按照策略對資源進行合理化調度，從而為上層應用提供支撐。

圖2 基于云計算的天基信息基礎設施

1.2 天地一體化網絡

為了方便在地球上的人們更好地獲取和利用太空資源，也為了更好地利用天基信息基礎設施，專家們提出了天地一體化網絡。根據我國地理環(huán)境的特點，天地一體化網絡是以天基骨干網和地基骨干網作為支撐的雙骨干網，如圖3所示。地面站利用星地高速鏈路與天基骨干網相連，地面站利用光纖等通道接入骨干路由器，與地面骨干網相連。

1.3 數據容災技術

數據容災技術主要包括三個關鍵技術：數據備份技術﹑數據復制技術和災難檢測技術。

1.3.1 數據備份技術

數據備份是把數據從存儲系統(tǒng)備份到其他介質的過程。隨著網絡的發(fā)展，備份技術己經從主機備份﹑網絡備份發(fā)展到專有的存儲網絡備份?；诖鎯ο到y(tǒng)的備份是指數據流通過存儲系統(tǒng)之間傳遞，與主機無關，優(yōu)勢是不占用主機資源。

1.3.2 數據復制技術

數據復制是將存儲系統(tǒng)的數據通過網絡復制到其他的一個或多個備份存儲系統(tǒng)中，當災難發(fā)生后再進行數據還原，以保證存儲系統(tǒng)的數據安全。數據復制技術可分成同步數據復制技術和異步數據復制技術。同步數據復制是指在異地建立一套與本地數據實時同步的異地數據。這種方式可能做到數據的零丟失，但對系統(tǒng)的性能影響很大。異步數據復制技術則是將本地存儲系統(tǒng)中的數據在后臺異步地復制到備份系統(tǒng)中。這種方式會有少量數據丟失，但對存儲系統(tǒng)的性能影響較小。

1.3.3 災難檢測技術

災難檢測是指由災難導致存儲系統(tǒng)異常時的自動檢測。災難檢測技術一般采用心跳技術。心跳技術就是在應用系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)之間每隔一段時間產生一個心跳信號，能夠檢測到該信號，表明系統(tǒng)是正常狀態(tài)，否則是非正常狀態(tài)。目前，流行的Hadoop分布式文件系統(tǒng)HDFS，采用基于網絡拷貝的備份技術﹑基于數據塊的異步復制技術﹑基于心跳的災難檢測技術[4]，是一種解決云存儲的數據容災機制。

2 數據容災框架設想

基于天基信息基礎設施的數據容災是采用天基信息基礎設施作為數據存儲的基礎，采用天地一體網絡設施作為數據備份的通道。

天基信息基礎設施采用云架構，那么數據存儲設施也是基于云架構?；谠萍軜嫷臄祿鎯δ芴峁椥缘挠脩舸鎯臻g，利用云計算自身的分布式和多機冗余方式，提供數據存儲的可靠性。對于容災保護這種高峰資源需求遠高于日常資源需求的業(yè)務，云存儲的靈活性具有無法比擬的成本優(yōu)勢。

天地一體化網絡在地基網絡與天基網絡之間采用多條高速的天地鏈路，為容災系統(tǒng)中的數據備份傳輸提供了高速可靠的通道。

基于云存儲的備份機制，核心是分布式文件系統(tǒng)。目前，主要的分布式文件系統(tǒng)是Google公司的GFS（Google文件系統(tǒng)）和Hadoop團隊開發(fā)的開源系統(tǒng)HDFS（Hadoop分布式文件系統(tǒng)）。HDFS因為是開源項目，近幾年被越來越多的知名廠商采用，技術機制也日臻完善。

基于以上介紹，數據容災框架如圖4所示，它利用天地一體化網絡，采用HDFS機制實現云容災。該方案具有高效率﹑高可靠﹑強擴展﹑低成本的特點。

圖4 數據容災框架

數據采用文件的方式進行管理。文件管理采用主從式架構，由名叫NameNode的控制節(jié)點和名叫DataNode的數據節(jié)點組成。控制節(jié)點維護著整個文件系統(tǒng)的命名空間，將文件系統(tǒng)的元數據保存在內存中，管理﹑控制文件的相關操作。數據節(jié)點存放實際數據，同時具備計算能力，可以管理自身攜帶的存儲資源。文件是分塊存儲的，一個文件被劃分成一個或多個數據塊。這些數據塊被分散存儲在不同的數據節(jié)點上，每個數據塊都可以通過數據節(jié)點之間的互相復制而具有多個備份。其中，數據節(jié)點需要定期與控制節(jié)點通信，以便控制節(jié)點知曉自身的工作狀態(tài)?？刂乒?jié)點向數據節(jié)點發(fā)送控制指令，實現對文件數據塊的創(chuàng)建﹑復制﹑刪除等操作。

當數據用戶端訪問文件時，首先將包含該文件名字的訪問請求發(fā)送給控制節(jié)點，然后控制節(jié)點將存儲該文件所有數據塊的數據節(jié)點地址信息反饋給用戶端，進而用戶端直接和相應的數據節(jié)點建立連接，并進行具體的文件讀寫操作。

本方案中，在地面云中建立一個NameNode節(jié)點和多個DataNode節(jié)點，同時在天基云中建立地面NameNode節(jié)點的一個鏡像以及多個DataNode節(jié)點作為地面DataNode節(jié)點的數據備份存儲節(jié)點。天基云中的NameNode是一個輔助控制節(jié)點，僅當地面云中的NameNode失效后，才啟動其管理任務。

地面云中NameNode的元數據變動時，會及時通過星地鏈路，將變動信息備份到天基云中的NameNode。天基云中的NameNode通過星地鏈路，利用心跳信號，定期與地面NameNode通信，以便及時發(fā)現地面云NameNode的工作狀態(tài)，準備隨時接管其文件管理任務。

地面云中的DataNode根據容災策略，將數據塊的變動信息利用星地高速鏈路備份到天基云中的DataNode。

3 數據容災策略

在容災框架設計好以后，必要制定合理的容災策略，才能完成整個容災方案，為容災系統(tǒng)更好地發(fā)揮效能提供支持。

容災策略主要是DataNode的選擇問題，包括DataNode副本數量的選擇﹑DataNode遠端節(jié)點的選擇。對于不同安全等級的數據，其選擇的DataNode策略不一樣。對于安全性要求較高的數據，其中一個副本須選擇在天基網絡中的一個DataNode節(jié)點。

通常情況下，副本系數是3，存放策略是將一個副本存放在本地機架節(jié)點上，還有一個副本存放在同一個機架的另一個節(jié)點上，最后一個副本則存放在天基網絡的節(jié)點上。這種策略下，副本并不是均勻分布在不同的機架上：1/3的副本在一個節(jié)點上，2/3的副本在一個機架上。這樣減少了機架間的數據傳輸，提高了寫操作的效率。與此同時，因為數據塊只存放在兩個不同的機架上，最終也就減少了讀取數據時需要的網絡傳輸總帶寬。此外，機架的錯誤要遠遠小于節(jié)點的錯誤，所以這種策略不會影響數據的可靠性和可用性。

數據容災策略的DadaNode的網絡拓撲，如圖5所示。每一個數據塊有三個副本，其中兩個放在地面網絡中同一交換機下的兩個DataNode中，第三個副本即遠端節(jié)點，放在天基骨干網中的DataNode中。

圖5 DataNode網絡拓撲

4 結 語

一個好的容災方案應具備以下條件：用于容災的數據存放地點和原數據存放地點不在同一自然災害帶上；容災系統(tǒng)通過有效的數據復制策略，能夠實現容災數據與本地數據的同步；災難發(fā)生時，容災系統(tǒng)應該保證盡可能少地丟失數據及保證數據的一致性。而本文提出的采用HDFS機制，基于天基云存儲的數據容災方案滿足上述要求。當然，本方案只是一個初步方案，對于數據文件大小的劃分﹑副本的動態(tài)調整等還需要進一步細化。此外，對于不同安全級別的數據應該采用不同的數據容災策略，這也是下一步需要完善的地方。

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Data Disaster Recovery based on Space-based Information Infrastructure

FU Jiang, CHENG Yong-xin

(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China)

The present situation and development of space-based information technology, integrated spaceground network technology and data disaster recovery technology is described, and a scheme for data disaster recovery and a common strategy based on HDFS also given. And cloud storage is proposed to solve the problem of limited space resource, high-speed space-ground data link to solve the problem of date synchronous replication, and Namenode replication in the space-based infrastructure to solve the problem of uninterrupted date service when the major natural disaster occurs.

data disaster recovery; space-based information infrastructure; cloud storage; HDFS

TP302.8；V19

A

1002-0802(2016)-11-1503-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.017

付 江（1973—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向為信息安全；

程永新（1980—），男，碩士，工程師，主要研究方向為信息安全。

2016-07-09；

2016-10-08 Received date:2016-07-09;Revised date:2016-10-08