虚拟磁带备份：果熟正当红

vtl5753

　　虚拟磁带库（Virtual Tape Library，简称VTL）已经成为存储界最为热门的话题。VTL的崛起，正在深刻地改写传统的备份市场格局和用户的数据保护模式。
　　虚拟磁带库（Virtual Tape Library，简称VTL）已经成为存储界最为热门的话题。本文意在对VTL的应用特点、发展现状和未来趋势做一简明的综合论述，以供读者们参考。
　　
　　VTL的概念及其解决的问题
　　
　　VTL（Virtual Tape Library，虚拟磁带库）是指对主机/网络端和磁带备份管理软件体现为机械磁带库，但使用冗余磁盘阵列作为存储介质的备份设备。简单地说，虚拟磁带库就是电子化的机械磁带库。
　　VTL的出现及兴起，是为了解决传统机械磁带库长期以来困扰用户的若干结构性难题，其中最为突出的，是机械磁带库设备安全性差和恢复能力欠佳。
　　如图1所示，从设计结构上看，“机械磁带库＝系列机械故障点的组合＋串行磁带阵列”，其主要优势在于单位容量成本低廉，但在设备可用性、恢复可靠性及实用性能方面却存在很大局限。
　　相对于机械磁带，虚拟磁带库使用了兼容磁带备份管理软件，以及传统备份流程，这使得设备的可用性及备份的可靠性都得到了大幅提升：
　　1.设备可用性提升：虚拟磁带库用电子化的“机械手”和“磁带驱动器”，代替了机械磁带库中裸露、易损的系列机械装置，基于RAID保护的磁盘阵列具备降级工作能力，且具自动报警和在线热恢复能力。用户可自行更换磁盘，无维修周期之虞。
　　2.备份可靠性提升：虚拟磁带库采用基于RAID保护的磁盘阵列，代替无容错能力的磁带作为备份存储介质，从而将备份的可靠性较常规磁带备份提高了若干量级。封闭式结构的磁盘介质本身的MTBF（平均无故障间隔）一般为开放式结构的磁带介质的5倍以上，加上进一步的RAID保护，备份可靠性不再是隐患。
　　
　　磁盘到磁盘≠VTL
　　
　　虚拟磁带库是基于磁盘的数据保护主流方式，但并非唯一方式。磁盘到磁盘（Disk-to-Disk，简称D2D）方案更为直接，包括文件复制、数据镜像、快照等形式。
　　文件复制或镜像不仅使备份数据持续暴露在病毒、人为误删等在线威胁之下，同时也只保留在线数据的最终状态，数据灾难发生后无法恢复历史数据。
　　在较为成熟的快照技术中，镜像式快照消耗容量过大，指针式快照虽然支持类似常规备份的增量快照，但必须捆绑专用软件系统，总体拥有成本过高。
　　总括地讲，导致D2D方案难于普及的核心市场障碍，在于其不支持技术成熟、易用廉价的通用磁带备份管理软件群体。而只有广泛使用的通用磁带备份管理软件群体才能将接入用户的业务系统或应用端的兼容性风险降至最低。
　　以快照软件为例，因为缺乏足够的市场量来支撑跟随不同应用的同步升级等成本，长期以来价格居高不下，而且实施代价高昂，用户对全新的备份流程和使用习惯的适应还带来额外的隐形成本和风险的增加。
　　从技术角度看，D2D也存在一些核心弱点：
　　1、依赖文件操作系统，备份数据的应用安全性不高；
　　2、数据备份产生大量的数据引导信息，使得数据传输速率大大低于硬件本身具备的能力，导致系统资源浪费；
　　3、缺乏应有的磁盘备份与磁带存档之间的关联，备份系统的总体拥有成本更加高昂。
　　
　　VTL的逐代衍进
　　
　　第一代VTL：机械磁带库的缓存附件
　　几乎在机械磁带库发明的同时，VTL概念就已经出现并得到应用 （如图2所示），但是受限于技术局限，长期以来VTL只是作为机械磁带库的缓存，应用也因此而局限于封闭主机系统等高端用户群，市场认知度很低。
　　进入21世纪，随着磁盘价格的大幅降低，作为缓存的VTL逐渐走入普通用户，专业备份软件厂家如Veritas、Legato、CA、BakBone等均开始提供“备份到磁盘”的软件模块。
　　
　　第二代VTL：磁盘库管理服务器
　　为了提高VTL备份的应用安全性，部分供应商开始将各色软件VTL模块装入专用服务器（一般称为“磁盘库管理服务器”），或将操作系统和软件VTL模块“固化”在“磁盘库控制器”内，构成第二代VTL。
　　总结起来，第二代VTL具备“准硬件”包装，但备份磁盘的应用仍受限于文件系统，在本质上依然是软件虚拟带库。
　　
　　链接
　　RAID是Redundant Array of Independent Disks（独立磁盘冗余阵列）的缩写。常用的RAID级别（如RAID5）保证同一时刻无两盘以上磁盘损坏即可保证正常工作。
　　RAID技术的出现，使得基于磁盘的存储设备具备高可用性和高可靠性，但RAID技术并不能保障数据的应用安全性，保障数据应用安全的唯一方式是备份。
　　
　　机械磁带库的三点缺陷
　　1.维护负担高：磁带驱动器为非封闭机械易损件，本身故障率高，灰尘、潮湿等会使故障率不可预期，导致设备可用性差。据美国Storage Magazine 2002年统计，美国市场机械磁带库每年的维护成本高达磁带库采购成本的15%左右；
　　2.备份失效率高：磁带为非封闭介质，且磁带库中的磁带之间没有容错保护。备份业务涉及到的磁带组中任一盘磨损、卡带、霉点、粘连等，均会导致整个备份无法恢复。2004年，有调查表明，磁带备份的不可恢复率高达20%；
　　3.备份恢复能力不佳：虽然磁带本身的读写速度已有长足提高，但备份恢复时需要抓带、加载、机械定位文件等动作，等待时间长（平均单盘数据查找时间在1分钟左右），而备份恢复时一般会涉及多带查找，应用端被迫因此延长待机时间，从而会对日常业务产生干扰。


　　图1：机械磁带库的典型结构
　　
　　第一代VTL的几个特点
　　如图2所示，出于对数据应用安全性的考虑，上述厂家均建议仅将软件VTL用于机械磁带库的“缓存” —— 换言之，用户须尽快将虚拟磁带库中的备份数据迁移到磁带上，其核心原因在于暴露于操作系统的备份磁盘本身是不安全的：
　　◆ 美国国家计算机安全橘皮书指出，广泛使用的商用操作系统，如Windows系列、各类Unix、Linux等等，均属于中等安全的C1或C2级别；
　　◆ 应用软件Bug，程序运行冲突，人为有意或无意误操作、病毒破坏等，均可能导致操作系统能够访问到的数据被破坏。
　　
　　拟磁带库（Virtual Tape Library，简称VTL）已经成为存储界最为热门的话题。本文意在对VTL的应用特点、发展现状和未来趋势做一简明的综合论述，以供读者们参考。
　　
　　VTL的概念及其解决的问题
　　
　　VTL（Virtual Tape Library，虚拟磁带库）是指对主机/网络端和磁带备份管理软件体现为机械磁带库，但使用冗余磁盘阵列作为存储介质的备份设备。简单地说，虚拟磁带库就是电子化的机械磁带库。
　　VTL的出现及兴起，是为了解决传统机械磁带库长期以来困扰用户的若干结构性难题，其中最为突出的，是机械磁带库设备安全性差和恢复能力欠佳。
　　如图1所示，从设计结构上看，“机械磁带库＝系列机械故障点的组合＋串行磁带阵列”，其主要优势在于单位容量成本低廉，但在设备可用性、恢复可靠性及实用性能方面却存在很大局限。
　　相对于机械磁带，虚拟磁带库使用了兼容磁带备份管理软件，以及传统备份流程，这使得设备的可用性及备份的可靠性都得到了大幅提升：
　　1.设备可用性提升：虚拟磁带库用电子化的“机械手”和“磁带驱动器”，代替了机械磁带库中裸露、易损的系列机械装置，基于RAID保护的磁盘阵列具备降级工作能力，且具自动报警和在线热恢复能力。用户可自行更换磁盘，无维修周期之虞。
　　2.备份可靠性提升：虚拟磁带库采用基于RAID保护的磁盘阵列，代替无容错能力的磁带作为备份存储介质，从而将备份的可靠性较常规磁带备份提高了若干量级。封闭式结构的磁盘介质本身的MTBF（平均无故障间隔）一般为开放式结构的磁带介质的5倍以上，加上进一步的RAID保护，备份可靠性不再是隐患。
　　
　　磁盘到磁盘≠VTL
　　
　　虚拟磁带库是基于磁盘的数据保护主流方式，但并非唯一方式。磁盘到磁盘（Disk-to-Disk，简称D2D）方案更为直接，包括文件复制、数据镜像、快照等形式。
　　文件复制或镜像不仅使备份数据持续暴露在病毒、人为误删等在线威胁之下，同时也只保留在线数据的最终状态，数据灾难发生后无法恢复历史数据。
　　在较为成熟的快照技术中，镜像式快照消耗容量过大，指针式快照虽然支持类似常规备份的增量快照，但必须捆绑专用软件系统，总体拥有成本过高。
　　总括地讲，导致D2D方案难于普及的核心市场障碍，在于其不支持技术成熟、易用廉价的通用磁带备份管理软件群体。而只有广泛使用的通用磁带备份管理软件群体才能将接入用户的业务系统或应用端的兼容性风险降至最低。
　　以快照软件为例，因为缺乏足够的市场量来支撑跟随不同应用的同步升级等成本，长期以来价格居高不下，而且实施代价高昂，用户对全新的备份流程和使用习惯的适应还带来额外的隐形成本和风险的增加。
　　从技术角度看，D2D也存在一些核心弱点：
　　1、依赖文件操作系统，备份数据的应用安全性不高；
　　2、数据备份产生大量的数据引导信息，使得数据传输速率大大低于硬件本身具备的能力，导致系统资源浪费；
　　3、缺乏应有的磁盘备份与磁带存档之间的关联，备份系统的总体拥有成本更加高昂。
　　
　　VTL的逐代衍进
　　
　　第一代VTL：机械磁带库的缓存附件
　　几乎在机械磁带库发明的同时，VTL概念就已经出现并得到应用 （如图2所示），但是受限于技术局限，长期以来VTL只是作为机械磁带库的缓存，应用也因此而局限于封闭主机系统等高端用户群，市场认知度很低。
　　进入21世纪，随着磁盘价格的大幅降低，作为缓存的VTL逐渐走入普通用户，专业备份软件厂家如Veritas、Legato、CA、BakBone等均开始提供“备份到磁盘”的软件模块。


　　图2：第一代VTL机械磁带库缓存附件
　　
　　第二代VTL：磁盘库管理服务器
　　为了提高VTL备份的应用安全性，部分供应商开始将各色软件VTL模块装入专用服务器（一般称为“磁盘库管理服务器”），或将操作系统和软件VTL模块“固化”在“磁盘库控制器”内，构成第二代VTL。
　　总结起来，第二代VTL具备“准硬件”包装，但备份磁盘的应用仍受限于文件系统，在本质上依然是软件虚拟带库。
　　第二代VTL的几个特点
　　如图3所示：这种软件硬件化的VTL方案实现了备份管理系统和虚拟磁带模块的解耦，在一定程度上提高了备份数据的安全性，可以作为外设独立使用。
　　但第二代VTL的核心控制部分仍旧是通过操作系统，逻辑地模拟磁盘的线性化，因此：
　　应用安全隐患尤在：偶发代码冲突，寻址错误等软件运营风险，可能导致对备份数据结构的损害；
　　性能受限：无法真正避免文件系统带来的性能瓶颈，在多任务并行或中小文件备份时性能损耗尤其明显；
　　磁盘碎片现象：累积可造成性能持续下降和磁盘空间浪费；
　　高磁盘负荷：磁盘操作仍部分处于随机读写状态，磁盘工作负载难于降低；
　　管理风险：对备份软件的接入须配置，带来故障诊断和修复方面的风险


　　图3：第二代VTL-承上启下的虚拟磁带库
　　
　　第三代VTL：纯硬件虚拟磁带库
　　2002年底，美国专业备份硬件开发制造商Ultera Systems, Inc.和DLT磁带技术的发明者Quantum公司几乎同时推出了通用平台的纯硬件虚拟磁带库，第三代VTL技术由此诞生。
　　第三代VTL突破了常规磁盘应用的局限，采用全新的裸数据写于裸磁盘的Block-Level磁盘线性化技术。
　　对于Block-Level VTL，虚拟磁带介质（磁盘阵列）不再是普通文件系统格式化的扇区，而是和磁带一样的裸介质（“Raw Disk”），其上备份数据的书写，亦如磁带书写一样采取Byte-to-Byte的形式。换句话说，它真正在物理层上实现了磁盘读写的线性化，或是磁盘的物理磁带化。
　　Block-Level VTL突破了普通文件系统的制约，它的成功应用，是虚拟磁带库技术成熟的标志。
　　第三代VTL的几个特点
　　.应用安全性等同机械磁带库——磁盘磁带化，备份数据读写基于磁带格式；
　　.性能大幅提高——可支持接近磁盘阵列极限速度的备份/恢复速度；
　　.无转译数据传输——良好的对数据结构损坏的免疫力；
　　.去除磁盘碎片——保障性能持续性及磁盘效率；
　　.无缝接入主机/网络——免除适配、维护和管理风险。


　　图4：第三代VTL-虚拟磁带库的成熟标志
　　
　　VTL 应用现状与展望
　　进入2005年，VTL成为市场主流的趋势已非常明显：传统机械磁带库厂家纷纷推出虚拟磁带库作为高端产品系列，传统存储厂家如IBM、EMC等也已加入推广虚拟磁带库的阵营：
　　-Strategic Research公司统计表明，美国市场基于磁盘的备份已经超过基于磁带的备份，成为市场主流；
　　-著名市场调查机构Gartner指出，世界范围内磁带驱动器销量已连续三年下滑；
　　-专业市场调查公司Taneja Group更于2004年预测，未来18个月当中，85%到100%的企业都将从传统的磁带备份转向磁盘备份。
　　目前中国市场第三代VTL产品已有供货，用户可基于自身对性能和价格的需求选购，如图5所示。
　　不过，从技术发展史的角度看，纯硬件虚拟磁带库是必然的发展趋势：软件的优势在于便于改进和添加功能，开发风险小，而备份设备作为单一功能外设，技术成熟后必然会采用高安全，免维护的纯硬件结构。
　　这一点可以从磁盘阵列的演化上得到印证：目前市场上主流磁盘阵列，均采用独立的、纯硬件RAID控制器。只有低端的磁盘阵列系统，才会采用在主机内插入硬件RAID卡的初级形式。至于用软件方式实现RAID的情况，在现在的数据备份市场上则早已绝迹。


　　图5：中国市场各种VTL均有供应
　　
　　写在最后
　　
　　VTL的崛起，正在深刻地改写传统的备份市场格局和用户的数据保护模式。正如MP3技术的兴起，导致了一度非常兴盛的磁带随身听逐渐淡出市场一样。
　　当然，作为新兴技术，市场上形形色色的VTL系统供应难免良莠不齐，用户选型时应充分理解不同产品的特质，最好寻求专业人士的指导，以保障产品在性能和投资上对应用需求的最佳适用性。


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