Asynchronous replication of Alibaba Cloud storage enterprise features

データは企業のライフブラッド

データのリモートディザスタリカバリは、エンタープライズ顧客の普遍的なニーズであり、特に政府や金融などの大規模顧客にとって重要です。ビッグデータ時代において、データは企業の中核資産であり、存続の基盤です。現実世界では災害が時折発生します。災害が発生した際、ディザスタトレランスが企業の存続を左右する鍵となります。

アメリカ同時多発テロ事件では、ツインタワーの崩壊により複数の銀行のデータセンターが破壊されました。数十キロ離れた場所にデータをバックアップしていたドイツ銀行は、迅速に業務を復旧し、ユーザーから高く評価されました。一方、ディザスタリカバリ計画を持たなかったニューヨーク銀行は、数ヶ月後に閉鎖を余儀なくされました。

2021 年 3 月、フランス最大のデータセンター事業者である OVHcloud のデータセンターで火災が発生し、350 万以上のウェブサイトに影響が及びました。

2021 年 7 月の鄭州豪雨では、鄭州大学第一附属病院の河医院区が継続的な豪雨に見舞われました。病院区域全体が浸水し、停電が発生しました。病院はリモートディザスタリカバリメカニズムを起動し、わずか 15 分でコア業務を東部地区のコア機械室に切り替え、他の 2 つの病院区域の通常運営を確保しました。

クラウドディザスタリカバリがトレンドに

実例が警鐘を鳴らしており、企業のデータ保護とディザスタリカバリへの投資は拡大し続けています。従来のディザスタリカバリ方式では、企業が独自のディザスタリカバリセンターを構築し、専用回線を購入し、運用保守に人員を投入する必要があり、莫大なコストがかかっていました。クラウドコンピューティングの急速な発展に伴い、ますます多くの企業顧客がクラウドディザスタリカバリを検討するようになっています。クラウド上のディザスタリカバリサービス、すなわち DRAaS (Disaster Recovery as a Service) は、ディザスタリカバリセンターの構築コストを削減できるだけでなく、その後の運用保守コストも削減できます。すぐに利用できるクロスリージョンのディザスタリカバリソリューションを迅速に構築でき、ユーザーに高い柔軟性を提供します。次の表は DRAaS と従来のディザスタリカバリソリューションの比較をまとめたものです。DRAaS は従来のソリューションと比較して、インフラストラクチャ不要、運用保守の負荷低減、高い柔軟性という特徴を備えています。クラウドコンピューティングが急速に発展する時代において、DRAaS はディザスタリカバリのトレンドとなっています。



ESSD クラウドディスクの非同期レプリケーション

Alibaba Cloud ブロックストレージの ESSD 製品は、世界をリードするフラグシップ製品として徐々に成熟度を高めています。エンタープライズ顧客により良いサービスを提供し、クラウドディザスタリカバリのニーズに応えるため、Alibaba Cloud ストレージは独自の DRAaS 製品であるクラウドディスク非同期レプリケーションをリリースし、クラウドディスクのクロスリージョン非同期レプリケーションを実現しました。この記事では、適切なクラウドディザスタリカバリ製品の選択方法、異なるディザスタリカバリアーキテクチャの共通点と相違点の技術的分析、および ESSD アーキテクチャにおけるディザスタリカバリアーキテクチャの選択とクラウドディスク非同期レプリケーションの技術原理について解説します。

クラウドディザスタリカバリソリューションの選択方法

RPO と RTO に基づいて適切なディザスタリカバリタイプを選択する

ディザスタリカバリソリューションを選択する際、企業はまず自社のビジネス特性に基づいてディザスタリカバリレベルを決定する必要があります。ディザスタリカバリの分野では、通常 RPO (Recovery Point Objective) を使用してディザスタリカバリシステムが失う可能性のあるデータの最大期間を測定し、RTO (Recovery Time Objective) を使用して障害発生からシステム全体の復旧までの最大時間を測定します。

国は関連規格を発行し、ディザスタトレランスを次の図に示すように 6 つのレベルに分類しています。

企業にとって、レベル 1 からレベル 6 まで、レベルが高いほどデータ損失のリスクは低くなりますが、ディザスタリカバリのコストは高くなります。従来のストレージ業界では、通常、データバックアップとアーカイブ製品がレベル 1 〜 2 のディザスタリカバリ要件を満たし、一般的なストレージアレイのバックアップ機能がレベル 3 〜 5 の要件を満たし、ハイエンドストレージアレイの非同期レプリケーション機能がレベル 4 〜 5 の要件を満たし、ハイエンドストレージの同期レプリケーション、アクティブ・アクティブ機能、およびアプリケーションベースのレプリケーションがレベル 5 〜 6 の要件を満たすことができます。

クラウドでは、主要なクラウドベンダーもさまざまなディザスタリカバリレベルのニーズを満たす豊富なクラウドプロダクトを提供しています。クラウドディザスタリカバリセンターは通常、クロスリージョンまたはクロスアベイラビリティゾーンのクラウドディザスタリカバリサービスを提供し、レベル 1 〜 4 のニーズを満たすことができます。一方、非同期レプリケーションと同期レプリケーションの製品は、レベル 5 〜 6 のディザスタリカバリのニーズを満たすことができます。データベースビジネスなどの主流アプリケーションには、通常、独自のディザスタリカバリ製品があり、IO レベルの最高粒度でのディザスタリカバリを実現できます。

上記のレベルから、非同期レプリケーションはレベル 4 〜 5 のディザスタリカバリのニーズを満たすことができ、銀行などの金融機関や政府機関でも広く必要とされていることがわかります。

システム特性に応じて適切なディザスタリカバリサービスを選択する

実装方法の観点から、既存のクラウドベンダーのディザスタリカバリソリューションは、大きく分けてアプリケーションベース、インスタンスベース、ブロックストレージベースの 3 つのカテゴリに分けられます。

アプリケーションベース

このタイプのディザスタリカバリソリューションは、通常、クラウドデータベース、メッセージキュー、オブジェクトストレージなど、特定のアプリケーションサービスを対象としています。該当するクラウドサービスを使用しているユーザーは、自身のニーズに応じて対応する製品のディザスタリカバリサービスを選択できます。このディザスタリカバリサービスの利点は、ビジネスと連携してアプリケーションレベルでのデータ整合性を実現できることです。欠点は汎用性がなく、特定のアプリケーションに基づくビジネスにしか使用できないことです。

仮想マシンベース

IaaS サービスのみを購入するユーザー、独自のカスタマイズサービスを持つユーザー、またはアプリケーションレベルのディザスタリカバリサービスではニーズを満たせないユーザーは、仮想マシンベースのディザスタリカバリソリューションを選択できます。このソリューションは、マシン全体に対するデータ整合性保護、または複数インスタンスにわたるデータ整合性保護を提供します。ディザスタリカバリ側では通常、ストレージデータに加えてホストとネットワークも復旧されるため、比較的簡単に使用できます。このディザスタリカバリサービスの利点は、操作が簡単で汎用性が高いことです。欠点は、ディザスタリカバリ側でホストリソースを購入する必要があるため、コストが比較的高いことです。

ブロックストレージベース (クラウドディスク)

ディザスタリカバリの核心はデータのディザスタリカバリです。そのため、一部のベンダーはクラウドディスク自体に対するクロスリージョンレプリケーション製品をリリースしています。この製品は柔軟な形式で、一般的にアプリケーションの制約がありません。レプリケーション時にディザスタリカバリ側でホストを購入する必要がなく、ユーザーのコストを削減できます。他のクラウドサービスとシームレスに連携して、アプリケーションレベルのディザスタリカバリと同等の効果を構築することもできます。クラウドディスクを整合性グループとして使用することで、一組のクラウドディスクのレプリケーションデータはクラッシュ整合性のセマンティクスを満たします。

ESSD クラウドディスクの非同期レプリケーション、シンプルなステップでビジネス復旧を支援

クラウドディスク非同期レプリケーション機能は、RPO 15 分でリージョン間のクラウドディスクデータの非同期レプリケーションをサポートします。ユーザーは 3 つのシンプルなステップだけでディザスタリカバリペアを作成できます。まず、複製元のクラウドディスクを選択し、次にディザスタリカバリサイトを選択してスレーブディスクを作成し、最後にディザスタリカバリペアを作成して有効化します。ディザスタリカバリペアの有効化後、クラウドディスクのデータは定期的にディザスタリカバリサイトの対応するスレーブディスクに複製されます。一時的に複製を停止したい場合は、ディザスタリカバリペアの停止機能を使用できます。

障害が発生した場合、ユーザーはフェールオーバー機能を使用して、プライマリサイトとスタンバイサイトの切り替えを完了できます。フェールオーバーはレプリケーションリンクを切断し、スレーブディスクを最後のレプリケーション整合性ポイントの状態に復旧して、ユーザーに読み書き権限を付与します。

ディザスタリカバリ後、ビジネスを元のプライマリサイトに復旧させたい場合は、リバースリカバリ機能を使用して、セカンダリサイトで生成された増分データをプライマリサイトに複製し戻すことができます。

クラウドにおける非同期レプリケーションの技術

本章では、ディザスタリカバリ製品で広く使用されている非同期レプリケーション技術の実装原理と、従来のストレージアーキテクチャとの共通点および相違点について議論します。ディザスタリカバリの核心はデータのディザスタリカバリであり、ブロックストレージのディザスタリカバリは最も一般的なディザスタリカバリソリューションです。そのため、以下の議論はクラウドディスクの非同期レプリケーション技術に焦点を当てます。

従来のストレージのレプリケーションアーキテクチャ

従来のストレージの非同期レプリケーションの実装には、大きく分けて 3 つの方法があります。

ストレージゲートウェイベース：ストレージゲートウェイはサーバーとストレージデバイスの間に位置し、SAN ネットワーク上に構築されるストレージサービス技術です。ストレージゲートウェイは、受信する IO ストリームに対して柔軟で多様なストレージサービスを提供できます。ストレージゲートウェイはホストサーバーやアレイから分離されており、ホストやストレージのリソースを消費せず、異機種システム間のレプリケーションを簡単にサポートできます。ただし、IO パスにゲートウェイリンクが追加されるため、ある程度のパフォーマンス損失が生じ、高いパフォーマンス要件を持つビジネスには適していません。

ホストベース：SAN ストレージでは、通常イニシエーター側で実装されます。ホスト側で IO レプリケーション要件に従ってデータフローを制御します。代表的な実装は DRBD です。このアーキテクチャはバックエンドのストレージアレイに要件がなく、ホスト側に相應するソフトウェアをインストールする必要があります。ディザスタリカバリサービスを提供するサードパーティベンダーは、主にこのアーキテクチャを採用しています。

ストレージアレイベース：ほとんどのストレージアレイメーカーは、独自のアレイの特性に基づいてストレージアレイベースのレプリケーションアーキテクチャを実装しています。このアーキテクチャでは、メーカーは独自のアレイ IO アーキテクチャに従ってデータの追跡とダブルライトを Target 側で実行します。

クラウドにおける非同期レプリケーションの 2 つの技術アーキテクチャ

クラウドベンダーは通常、独自の製品特性を組み合わせて、2 つの技術アーキテクチャを採用しています。

プロキシ実装アーキテクチャ：この方式では、通常ユーザーの仮想ホストにプラグインをインストールして IO エージェントとして機能させます。プラグインはユーザーの IO リクエストをインターセプトして転送することでレプリケーションを実現します。このソリューションの利点は、アプリケーションレベルの整合性セマンティクスを提供できることです。このアーキテクチャはクラウドディスクメーカーに特別な要件がなく、異機種システムのディザスタトレランスを簡単に実現できます。欠点は、ユーザーがプラグインをデプロイする必要があり、ユーザーのオペレーティングシステムのバージョンが制限される可能性があることです。クラウドプロダクトのサードパーティサービスプロバイダーは、通常このアーキテクチャを採用しています。

エージェントレス実装アーキテクチャ：この実装方式は、多くの場合基盤となるストレージシステムに基づいています。ストレージシステムが提供する整合性ポイントと、データ差分ビットマップの取得などの技術に依存して、フルまたは増分のデータレプリケーションを実行し、ユーザーにデータのクラッシュ整合性セマンティクスを提供できます。この方式の利点は、ストレージシステムと連携して効率的な差分データレプリケーションを実現でき、ユーザーのホストシステムに影響を与えないことです。ビジネスでの使用モードがよりシンプルです。欠点は、アプリケーションレベルのデータ整合性を達成できないことです。主要なクラウドベンダーは通常、独自開発のブロックストレージサービスを持ち、ブロックストレージのアーキテクチャ特性を活用してエージェントレスレプリケーションアーキテクチャを実現しています。

Alibaba Cloud ESSD クラウドディスク非同期レプリケーションアーキテクチャ

Alibaba Cloud ブロックストレージは独自の非同期レプリケーション製品をリリースしました。本章では、Alibaba Cloud が独自のアーキテクチャに基づいて非同期レプリケーション製品をどのように実装しているかを説明します。

Alibaba Cloud ストレージの非同期レプリケーション機能は、エージェントレス実装方式を採用しています。システムアーキテクチャは図に示す通りです。ディザスタリカバリ管理ソフトウェアは、本番サイトとディザスタリカバリサイトにそれぞれデプロイされます。ディザスタリカバリ管理制御システムは、定期的にレプリケーションタスクを非同期レプリケーション IO コンポーネントに発行します。レプリケーションコンポーネントは、クラウドディスクストレージシステムのバックエンドからデータ差分を取得し、差分データをターゲットリージョンに複製します。現在、クロスリージョンレプリケーションの RPO 設計目標は 15 分です。

高可用性アーキテクチャ

非同期レプリケーション技術は、高可用性アーキテクチャで実装されています。障害シナリオでもシステムが利用可能な状態を維持できるよう、ディザスタリカバリ管理コンポーネントは本番サイトとディザスタリカバリサイトに同時にデプロイされます。ディザスタリカバリコンポーネントを片側だけや第 3 のデプロイ区域に配置することはありません。ディザスタリカバリ管理のメタデータ情報は、ディザスタリカバリペアのプライマリとセカンダリで同期されます。これにより、プライマリサイトで災害が発生した場合でも、セカンダリサイトのディザスタリカバリ管理機能は引き続き利用可能です。さらに、ディザスタリカバリ管理ソフトウェアとレプリケーションリンクはそれぞれ高可用性アーキテクチャを採用しています。すべての制御ノードは 1 アクティブ 2 スタンバイのモードでデプロイされ、ディザスタリカバリサービス自体のサービス継続性を確保しています。

効率的なレプリケーション

非同期レプリケーションのレプリケーションプロセスは増分レプリケーションを採用しており、複製して転送するデータ量を最小限に抑えることができ、これによりレプリケーション効率が向上します。基盤となるストレージシステムの効率的な内部整合性ポイント取得技術に依存して、クラウドディスクのデータクラッシュ整合性データビューを効率的に取得でき、ストレージシステムの内部インデックス技術を通じてデータの増分差分を効率的に取得できます。次の図は、ストレージシステムが整合性ポイントの差分ビットマップを取得する方法を示しています。取得した差分ビットマップはデータ変更ログ、すなわち DCL (Data Change Log) にシリアライズされ、レプリケーションコンポーネントに送信されます。レプリケーションコンポーネントは差分ビットマップに従って対応するリージョンの整合性ポイントデータを読み取り、スレーブディスクに書き込みます。

レプリケーションリンクはクラウドディスクのサイズと帯域幅に基づいてレプリケーションプロセスを自動的に分割し、並列レプリケーションを実行することで、レプリケーション効率を向上させ、RPO を最適化します。次の図は、レプリケーションコンポーネントが差分ビットマップを取得し、レプリケーションタスクを実行するプロセスを示しています。クラウドディスクはサイズに基づいて複数のデータピースに分割され、異なるデータサーバーに保存されます。レプリケーションコンポーネントは、ストレージサーバーから整合性ビューの DCL を取得します。クラウドディスクのサイズと帯域幅に基づいて、1 つのクラウドディスクをいくつのサブタスクに分割してレプリケーションするかを決定し、レプリケーション帯域幅をより適切に適合させます。次の図は、レプリケーション IO コンポーネントの動作を示しています。

プライマリディスクのパフォーマンスを損なわない

ストレージシステムの効率的なインデックス体系と高性能な整合性ポイント生成技術に依存して、非同期レプリケーションはプライマリサイトのクラウドディスクのパフォーマンスにほとんど影響を与えず、無視できる程度です。プライマリディスクのパフォーマンスは、公式の販売基準を完全に満たしています。

秒レベルの RTO

従来のバックアップビジネスでは、通常データを OSS などの外部システムに保存します。OSS スナップショットを使用する必要がある場合、ディスクを作成し、データをロードする必要があります。これにより RTO 時間が長くなり、通常は数分以上かかります。クラウドディスク非同期レプリケーションは、スレーブクラウドディスクに定期的に書き込みます。レプリケーションフェーズではクラウドディスクは読み取りも書き込みもできませんが、フェールオーバー後は瞬時に利用可能になります。RTO は秒レベルに達します。これは、ディスクデータが常にオンライン状態である設計と、ストレージシステムが整合性ポイントに素早く復旧できるアーキテクチャの利点によるものです。

まとめと展望

本稿では、クラウドディザスタリカバリプロダクトの形態を紹介しました。企業は自身の特性に基づいて適切なディザスタリカバリソリューションを選択できます。非同期レプリケーションプロダクトについて、従来のディザスタリカバリとクラウドディザスタリカバリの技術アーキテクチャを分析しました。Alibaba Cloud ブロックストレージは、独自のアーキテクチャ特性に基づいたブロックストレージ向けの非同期レプリケーションプロダクトを実装しました。従来のリモートディザスタリカバリソリューションと比較して、ブロックストレージのディザスタリカバリソリューションには以下の利点があります。

低コスト：仮想マシンをバインドして使用する必要がありません。ユーザーはディザスタリカバリサイトでクラウドディスクのみを購入すればよく、スタンバイ仮想マシンを購入する必要はありません。ディザスタリカバリ時に必要に応じて仮想マシンを購入できるため、運用コストを大幅に削減できます。

使いやすさ：ユーザーの仮想マシンにエージェントプラグインをインストールする必要がなく、アプリケーションに影響を与えず、ユーザーのホストオペレーティングシステムに対するバージョン要件もありません。必要に応じて簡単に購入して使用でき、ワンクリックでの切り替えとワンクリックでのディザスタリカバリ訓練用ディスクの生成をサポートします。

高可用性：ディザスタリカバリコンポーネントは高可用性設計で、ディザスタリカバリシステムが障害シナリオでディザスタリカバリ切り替え操作を実行できることを保証します。

迅速なサービス復旧：低いサービス復旧時間を提供し、RTO は秒レベルに達します。

非常に低いパフォーマンスオーバーヘッド：レプリケーション中にプライマリディスクのパフォーマンスはほとんど影響を受けません。

ブロックストレージ非同期レプリケーション製品は、シンプルで効率的、使いやすく低コストなリモートディザスタリカバリソリューションの提供に取り組んでいます。今後も製品の機能を充実させ、整合性レプリケーショングループ、共有ディスクサポート、データリンクの圧縮と重複排除などの機能を順次リリースし、製品の利用シーンを拡大し、ユーザーの使用コストを削減し、信頼性が高く使いやすく低コストな DRAaS サービスを構築していきます。ご期待ください。