bsr (Block Sync & Replication) is a solution for real-time replication of block devices on the host in software over the network.

Based on Windows DRBD (wdrbd) forked from drbd (http://www.drbd.org), it is is an open source project built as a cross-platform common engine to support both Windows and Linux platforms. It inherits all the basic concepts and functions of Windows DRBD, and provides solutions to build a more stable and efficient replication environment by supplementing the problems and functions of DRBD9.

bsr is free to contribute and participate in development through the open source community (bsr) (For technical support or inquiries regarding bsr, please contact to github issues for bsr or Mantech's dev3@mantech.co.kr )

Basic

bsr replicates in the following way:

• The application writes data to the block device and replicates it in real time.

• Real-time replication does not affect other application services or system elements.

• Replicate synchronously or asynchronously

  • The synchronous protocol treats replication as complete when data is written to the local disk and the target host disk.

  • The asynchronous protocol treats replication as completed when data is written to the local disk and data is transferred to socket’s tx buffer.

Kernel Driver

The core engine of bsr was developed as a kernel driver.

The kernel driver is located at the disk volume layer, and controls write I/O from the file system in block units. And as it performs replication in the lower layer of the file system, it is suitable for high availability by providing a transparent replication environment independent of the file system and application. However, since it is located in the lower layer of the file system, it cannot control general operations related to files. For example, it is not possible to detect damage to the file system or control pure file data. It is only replicate in blocks written to disk.

bsr provides Active-Passive clustering by default, not support Active-Active clustering.

Management tools

bsr provides management tools for organizing and managing resources. It consists of bsradm, bsrsetup, bsrmeta, and bsrcon described below. Administrator-level privileges are required to use administrative commands.

bsradm

• It is a utility that provides high-level commands abstracting detailed functions of bsr. bsradm allows you to control most of the behavior of bsr.

• bsradm gets all configuration parameters from the configuration file etc/bsr.conf, and serves to pass commands by giving appropriate options to bsrsetup and bsrmeta. That is, the actual operation is performed in bsrsetup, bsrmeta.

• bsradm can be run in dry-run mode via the -d option. This provides a way to see in advance which bsradm will run with which combination of options without actually invoking the bsrsetup and bsrmeta commands.

• For more information about the bsradm command option, refer to bsradm in the Appendix B. System Manual.

bsrsetup

• bsrsetup can set option values for the bsr kernel engine. All parameters to bsrsetup must be passed as text arguments.

• The separation of bsradm and bsrsetup provides a flexible command system.

  • The parameters accepted by bsradm are replaced with more complex parameters, and then invoke bsrsetup.

  • bsradm prevents user errors by checking for grammatical errors in resource configuration files, etc., but bsrsetup does not check for these grammatical errors.

• In most cases, it is not necessary to use bsrsetup directly, but it is used to perform individual functions or individual control between nodes.

• For details on the bsrsetup command options, refer to bsrsetup Appendix B. System Manual.

bsrmeta

• Create metadata files for replication configuration, or provide dump, restore, and modification capabilities for meta data. In most cases, like bsrsetup, you do not need to use bsrmeta directly, and control the metadata through the commands provided by bsradm.

• For details on the bsrmeta command options, refer to bsrmeta of Appendix B. System Manual.

bsrcon

• Check bsr related information or adjust other necessary settings.

• For more information about the bsrcon command option, refer to BSrcon in Appendix B. System Manual.

Resource

Resources are the abstraction of everything needed to construct a replicated data set. Users configure a resource and then control it to operate a replication environment.

In order to configure resources, the following basic options (resource name, volume, network connection) must be specified.

Resource Name

• Name it in US-ASCII format without spaces.

Volume

• A resource is a replication group consisting of one or more volumes that share a common replication stream, ensuring write consistency of all volumes in the resource.

• The volume is described as a single device and is designated as a drive letter in Windows.

• One replication set requires one volume for data replication and a separate volume for storing metadata associated with the volume. Meta volumes are used to store and manage internal information for replication.

  • Metadata is divided into External Meta Type and Internal Meta Type according to the storage location. For example, if meta data is located on the disk of the replication volume, it is the internal meta, and if it is located on another device or another disk, it is the external meta.

  • In terms of performance, the external meta type is advantageous over the internal meta, because bsr can perform replication I/O and write metadata simultaneously during operation. And since the I/O performance of the meta disk directly affects the replication performance, it is recommended to configure the disk as good as possible.

  • Note that the volume for the meta should be configured in RAW without formatting to a file system(such as NTFS).

Network Connection

• Connection is a communication link for a replication data set between two hosts.

• Each resource is defined as multiple hosts, including full-mesh connections between multiple hosts.

• The connection name is automatically assigned as the resource name at the bsradm level, unless otherwise specified.

Resource Role

Resources have the role of a Primary or Secondary.

• Primary can read and write without limitation on resources.

• Secondary receives and records any changes made to the disk from the other node and does not allow access to the volume. Therefore, the application cannot read or write to the secondary volume.

The role of a resource can be changed through the bsr utility command. When changing the resource role from Secondary to Primary, it is called Promotion, and the opposite is Demotion.

주요 기능

복제 클러스터

bsr은 복제를 위한 노드들의 집합을 복제 클러스터로 정의하며 기본적으로 복제 클러스터 멤버 중 하나의 노드에서만 프라이머리 리소스 역할을 할 수 있는 단일 프라이머리 모드를 지원합니다. 이중 또는 다중 프라이머리 모드는 지원하지 않습니다. 단일 프라이머리 모드 즉, Active-Passive 모델은 페일오버를 위한 고 가용 클러스터에서 데이터 저장매체를 다루는 표준적인 접근 방식입니다.

복제 방식

bsr은 3가지 복제 방식을 지원합니다.

Protocol A. 비동기 방식

비동기 방식은 Primary 노드에서 로컬 디스크에 쓰기를 마치고 동시에 TCP의 송신 버퍼에 쓰기가 완료되었을 때 복제 완료로 간주합니다. 따라서 이 방식은 절체(Fail-over)를 할 경우 로컬에는 썼지만 버퍼에 있던 데이터가 대기노드로 완전히 넘어가지 못할 수 있습니다. 절체 후 대기노드의 데이터는 일관성은 가지지만, 절체 시 발생한 쓰기의 일부 전송되지 못한 업데이트 내용은 손실될 수 있습니다. 이 방식은 로컬 I/O 응답성능이 좋으며 원거리 복제 환경에 적합한 방식입니다.

Protocol B. 세미 동기 방식

세미 동기방식은 Primary 노드에서 로컬 디스크 쓰기가 발생하면 복제 패킷을 상대 측 노드에서 수신 완료한 단계에서 복제 완료로 간주합니다.

일반적으로 강제 절체(Fail-over)시 데이터 손실이 발생되지는 않는 편이지만 양쪽 노드의 전원이 동시에 나가거나 Primary 스토리지에서 복구할 수 없는 손상이 발생한다면 Primary에서 가장 최근에 기록된 데이터는 손실될 수 있습니다.

Protocol C. 동기 방식

동기 방식은 로컬과 원격 양쪽 디스크에 모두 쓰기가 완료되어야 Primary 노드에서 복제 완료로 간주합니다. 따라서 어느 한쪽 노드에서 손실이 발생하더라도 데이터가 유실되지 않음을 보장합니다.

물론, 양쪽 노드(또는 노드의 스토리지 서브시스템) 모두가 동시에 되돌릴 수 없는 손상을 입는다면 데이터의 손실은 불가피합니다.

일반적으로 bsr은 Protocol C 방식을 많이 사용합니다.

복제 방식은 운영정책을 결정하는 요소인 데이터 정합성 여부와 로컬 I/O 지연(Latency) 성능, 처리량(Throughput) 등에 의해 결정되어야 합니다.

복제 모드를 구성하는 예제는 리소스 작성 부분을 참고하세요.

복제 전송 프로토콜

bsr의 복제 전송 네트워크는 TCP/IP 전송 프로토콜을 지원합니다. 

TCP(IPv4/v6)

bsr의 기본 전송 프로토콜이며 IPv4/v6를 지원하는 모든 시스템에서 사용할 수 있는 표준 프로토콜 입니다.

효율적인 동기화

bsr에서 복제(replication)와 (재)동기화(resynchronization)는 구분하는 개념입니다. 복제는 Primary 역할의 리소스의 모든 디스크 쓰기 동작을 Secondary 노드로 실시간 반영하는 동작이고, 동기화는 실기간 쓰기 I/O를 배제한 전체 블록 디바이스 관점에서 데이터를 일치시키는 처리과정 입니다. 복제와 동기화는 개별적으로 동작하지만 동시에 처리될 수도 있습니다.

Primary와 Secondary간의 복제 연결이 유지된다면 복제가 지속적으로 수행됩니다. 그러나 Primary 또는 Secondary 노드에서 장애가 나거나, 복제 네트워크가 단절되는 등의 이유로 복제 연결이 중단되었다면 Primary와 Secondary 간의 동기화가 필요한 상황에 놓입니다.

bsr은 동기화 할 때 원본 I/O가 디스크에 쓰여진 순서대로 블럭을 동기화하지 않습니다. 동기화는 메타데이터의 정보를 기반으로 0번 섹터 부터 마지막 섹터까지 동기화 되지 않은 영역에 대해서만 순차적으로 동기화하고 다음과 같이 효율적으로 처리합니다.

• 동기화는 디스크의 블럭 레이아웃에 따라 블럭 단위로 동기화하므로 디스크 탐색을 거의 수행하지 않습니다.

• 여러 번 연속적으로 쓰기 작업이 발생한 블럭은 한 번만 동기화하여 효율적입니다.

동기화하는 동안 대기(Standby)노드의 전체 데이터 셋 중 일부는 과거의 변경 전 내용이고 일부는 최신으로 업데이트됩니다. 이러한 데이터의 상태를 Inconsistent 상태라고 하고 모든 블럭이 최신 데이터로 동기화 완료된 상태를 UpToDate 상태라고 합니다. Inconsistent 상태의 노드는 일반적으로 볼륨이 사용가능하지 않은 상태이므로 이 상태는 가능한 짧게 유지하는 것이 바람직합니다.

물론 백그라운드에서 동기화가 진행되더라도 Active 노드의 응용 서비스는 중단되거나 하지 않고 계속 운영 가능 합니다.

고정 대역 동기화(Fixed-rate synchronization)

고정 대역 동기화에서는 초당 상대 노드로 동기화하는 데이터 속도를 상한선 내에서 조정할 수 있으며(이를 synchronization rate라고 합니다) 최소값(c-min-rate)과 최대값(c-max-rate)으로 지정할 수 있습니다.

가변 대역 동기화(Variable-rate synchronization)

가변 대역 동기화는 가용한 네트워크의 대역폭을 감지한 후 애플리케이션으로부터 수신된 I/O와  비교하여, 적절한 동기화 속도를 자동적으로 계산합니다. bsr은 가변대역 동기화를 기본 설정으로 합니다.

체크섬 기반 동기화(Checksum-based synchronization)

체크섬 데이터 요약을 사용하면 동기화 알고리즘의 효율성을 더욱 개선할 수 있습니다. 체크섬 기반 동기화는 동기화하기 전에 블록을 읽고 현재 디스크에 있는 내용의 해시(hash) 요약을 구한 다음, 상대 노드로부터 같은 섹터를 읽어 구한 해쉬 요약 내용과 비교합니다. 해시 내용이 일치하면 해당 블럭에 대한 동기화 쓰기(re-write)를 생략합니다. 이 방식은 동기화 해야 될 블럭을 단순히 덮어쓰는 방식에 비해 성능에서 유리할 수 있으며 연결이 끊어진(disconnect 상태) 동안 파일 시스템이 섹터에 같은 내용을 다시 썼다면 해당 섹터에 대해선 재동기화를 생략하게 되므로 전체적으로 동기화 시간을 단축시킬 수 있습니다.

혼잡 모드

bsr은 비동기 복제 시 복제 네트워크의 혼잡도를 감지하여 능동적으로 대처할 수 있는 혼잡모드 기능을 제공합니다. 혼잡모드는 Blocking, Disconnect, Ahead 의 3 가지 동작모드를 제공합니다.

• 아무 설정도 하지 않을 경우 기본적으로 Blocking 모드입니다. Blocking 모드에서는 TX 송신버퍼에 복제 데이터를 전송할 여유 공간이 생길 때 까지 대기(Blocking)합니다.

• 복제 연결을 단절하여 로컬 I/O 부하를 일시적으로 해소하도록 disconnect 모드로 설정할 수 있습니다.

• 복제 연결은 유지한 채 primary 노드의 I/O를 로컬 디스크에 우선 기록하고 해당 영역은 out-of-sync로 기록하여 혼잡이 해제될 경우 재동기화를 자동으로 수행하는 Ahead 모드로 설정할 수 있습니다. Ahead 상태가 된 Primary 노드는 Secondary 노드에 비해 앞서 있는(Ahead) 데이터 상태가 됩니다. 그리고 이 시점에 Secondary는 뒤 쳐진(Behind) 데이터 상태가 되지만 대기노드의 데이터는 일관성은 있는 가용한 상태입니다. 혼잡 상태가 해제되면, 세컨더리로의 복제는 자동으로 재개되고 Ahead 상태에서 복제되지 못했던 out-of-sync 블럭에 대해 백그라운드 동기화를 자동으로 수행합니다. 혼잡모드는 일반적으로 데이터센터 또는 클라우드 인스턴스간의 공유연결을 통한 광역 복제 환경과 같은 가변 대역폭을 가진 네크워크 링크 환경에서 유용합니다.

온라인 데이타 무결성 검사

온라인 무결성 검사는 장치 운영 중에 노드 간의 블록별 데이터의 무결성을 확인하는 기능입니다. 무결성 검사는 네트워크 대역폭을 효율적으로 사용하고 중복된 검사를 하지 않습니다.

온라인 무결성 검사는 한 쪽 노드에서(verification source) 특정 리소스 스토리지상의 모든 데이터 블럭을 순차적으로 암호화 요약(cryptographic digest)시키고, 요약된 내용을 상대 노드(verification target)로 전송하여 같은 블럭위치의 내용을 요약 비교 합니다. 만약 요약된 내용이 일치하지 않으면, 해당 블럭은 out-of-sync로 표시되고 나중에 동기화대상이 됩니다. 여기서 블럭의 전체 내용을 전송하는 것이 아니라 최소한의 요약본만 전송하기 때문에 네트워크 대역을 효과적으로 사용하게 됩니다.

리소스의 무결성을 검증하는 작업은 온라인 중에 검사하기 때문에 온라인 검사와 복제가 동시에 수행될 경우 약간의 복제성능 저하가 있을 수 있습니다. 하지만 서비스를 중단할 필요가 없고 검사를 하거나 검사 이후 동기화 과정 중에 시스템의 다운 타임이 발생하지 않는 장점이 있습니다. 그리고 bsr은 FastSync 를 기본 로직으로 수행하기 때문에 파일시스템이 사용하고 있는 디스크 영역에 대해서만 온라인 검사를 수행하여 보다 더 효율적입니다.

온라인 무결성 검사에 따른 작업은 OS 수준에서 예약된 작업으로 등록하여 운영 I/O 부하가 적은 시간 대에 주기적으로 수행하는 것이 일반적인 사용법입니다. 온라인 무결성 검사를 구성하는 법에 대한 자세한 내용은 온라인 디바이스 검증의 사용(Using on-line device verification)을 참고하세요.

복제 트래픽 무결성 검사

bsr은 암호화 메시지 요약 알고리즘을 사용하여 양 노드 간의 복제 트래픽에 대한 무결성을 실시간 검증할 수 있습니다.

이 기능을 사용하게 되면 Primary는 모든 데이터 블록의 메시지 요약본을 생성하고 그것을 Secondary 노드에게 전달하여 복제 트래픽의 무결성을 확인합니다. 만약 요약된 블럭이 일치하지 않으면 재전송을 요청합니다. bsr은 이러한 복제 트래픽 무결성 검사를 통해 다음과 같은 에러 상황들에 대해 소스 데이터를 보호합니다. 만약 이러한 상황들에 대해 미리 대응하지 않는다면 복제 중 잠재적인 데이터 손상이 유발될 수 있습니다.

• 주 메모리와 전송 노드의 네트워크 인터페이스 사이에서 전달된 데이터에서 발생하는 비트 오류 (비트 플립) (최근 랜카드가 제공하는 TCP 체크섬 오프로드 기능이 활성화 될 경우 이러한 하드웨어적인 비트플립이 소프트웨어 적으로 감지되지 않을 수 있습니다).

• 네트워크 인터페이스에서 수신 노드의 주 메모리로 전송되는 데이터에서 발생하는 비트 오류(동일한 고려 사항이 TCP 체크섬 오프 로딩에 적용됩니다).

• 네트워크 인터페이스 펌웨어와 드라이버 내의 버그 또는 경합상태로 인한 손상.

• 노드간의 재조합 네트워크 구성 요소에 의해 주입 된 비트 플립 또는 임의의 손상(직접 연결, 백투백 연결을 사용하지 않는 경우).

스플릿 브레인 통지와 복구

스플릿 브레인(Split brain)은 클러스터 노드들 사이에 모든 네트워크가 단절된 일시적인 장애 상황에서 클러스터 관리 소프트웨어나 관리자의 수동 개입으로 인해 두 개 이상의 노드가 Primary 역할을 가졌던 상황을 말합니다. 이것은 데이터에 대한 수정이 상대 측으로 복제되지 않고 각각의 노드에서 이루어졌다는 것을 암시하며 잠재적인 문제를 발생시킬 수 있는 상황입니다. 이 때문에 데이터가 병합되지 못하고 두 개의 데이터 셋이 만들어질 수도 있습니다.

핫빗(Heartbeat)과 같은 클러스터 노드 간을 관리하는 관리 모듈에서 모든 연결이 끊어졌을 때 판단하는 일반적인 HA 클러스터의 스플릿 브레인과 복제 스플릿 브레인은 구별되어야 합니다. 혼란을 피하기 위하여 앞으로 설명에서는 다음과 같은 규칙을 사용합니다.

• 스플릿 브레인이라 하면 위의 단락에서 언급한대로 복제 스플릿 브레인을 의미합니다.

• 클러스터 환경에서의 스플릿 브레인은 클러스터 파티션(cluster partition)이란 용어로 사용합니다. 클러스터 파티션은 특정 노드에서 모든 클러스터 연결이 끊어졌음을 의미합니다.

bsr에서 스플릿 브레인을 감지하면(이메일 또는 다른 방법을 통해) 자동적으로 운영자에게 알릴 수 있습니다.

디스크 에러 처리 정책

디스크 장비에서 장애가 발생할 경우 bsr은 디스크 장애 정책의 사전 설정을 통해 해당 I/O 에러를 상위 계층(대부분 파일시스템)으로 단순히 전달해서 처리하거나 복제 디스크를 detach 하여 복제를 중단하도록 합니다. 전자는 패스스루 정책, 후자는 분리 정책입니다.

패스스루(passthrough)

하위 디스크 계층에서 에러 발생 시 별도 처리없이 상위(파일시스템) 계층으로 에러 내용을 전달합니다. 에러에 따른 적절한 처리는 상위 계층에게 맡깁니다. 예를 들어, 파일 시스템이 에러 내용을 보고 디스크 쓰기 재시도를 하거나 read-only 방식으로 다시 마운트를 시도할 수 있습니다. 이렇게 오류를 상위 계층으로 전달하는 방식을 통해 파일시스템 스스로가 에러를 인지할 수 있도록 하여 스스로 에러에 대처할 수 있는 기회를 부여합니다.

복제 서비스 운영 경험에 따르면 디스크 장애는 생각보다 자주 발생합니다. 이러한 결과는 하위 디스크 계층에 의존적이며 디스크 계층 즉, 표준 SCSI 계층의 에러는 임의의 시점에 언제든지 발생할 수 있다는 점에 비추어 보면 디스크 계층의 안정성과는 별도로 다루어야 하고, 복제 측면에서도 유연하게 대처할 수 있어야 함을 의미합니다. 그동안 디스크 장애 정책으로 제공해 왔던 detach 정책은 서비스 운영관점에선 복제가 특정시점에 일방적으로 중단되는 정책이었습니다. 이러한 방식은 사후 복구도 어렵고 서비스 운영 지속 측면에서도 불리합니다. 우리는 이러한 문제를 해결하기 위해 passthrough 정책을 고안하였으며 bsr의 기본정책으로 설정하게 되었습니다. 패스스루 정책은 I/O 에러가 발생할 경우 해당 블럭에 대해서 OOS 를 기록하고 실패된 I/O 결과를 파일시스템으로 전달합니다. 이 때 파일시스템이 에러가 발생한 블럭에 대해 쓰기 재시도하여 성공하고 이를 통해 OOS를 해소한다면 이는 일시적인 디스크 계층의 에러를 파일시스템 스스로 극복하도록 유도하게 됩니다. 비록 파일시스템의 동작 특성에 따라 완전히 OOS가 해소되지 못한다고 하더라도 일부 남겨진 OOS 는 연결 재시도 등을 통해 재동기화 하여 해결할 수도 있습니다. 즉 패스스루 정책은 에러 블럭을 FS가 스스로 해결하거나 동기화를 통해 해소하도록 유도하고, 기본적으로 디스크 I/O에 문제가 있더라도 서비스 운영을 지속하도록 보장합니다.

분리(detach)

에러 정책을 detach 방식으로 구성하였다면 하위 계층에서 에러 발생 시 bsr이 자동으로 디스크를 분리(detach)하는 방식으로 처리합니다. 디스크가 detach 되면 diskless 상태가 되고 디스크로의 I/O 가 차단되며, 이에 따라 디스크 장애가 인지되고 장애 후속조치가 취해져야 합니다. bsr에서 diskless 상태는 디스크에 I/O 가 유입되지 못하도록 차단된 상태로 정의합니다. I/O 에러 처리 정책 설정 에서 설정 파일을 구성하는 방법에 대해 설명하고 있습니다.

Outdated 데이터 정책

bsr은 Inconsistent 데이터와 Outdated 데이터를 구분합니다. Inconsistent 데이터란 어떤 방식으로든 접근이 불가능하거나 사용할 수  없는 데이터를 말합니다. 대표적인 예로 동기화 진행 중인 타겟 쪽 데이터가 Inconsistent 상태 입니다. 동기화가 진행 중인 타깃 데이터는 일부는 최신 이지만 일부는 지난 시점의 데이터 이므로 이를 한 시점의 데이터로 간주할 수 없습니다. 또한 이 때에는 장치에 적재 되었을 파일시스템이 마운트(mount)될 수 없거나 파일시스템 자동 체크 조차도 할 수 없는 상태 일 수 있습니다.

Outdated 디스크 상태는 데이터의 일관성은 보장되지만 Primary 노드와 최신의 데이터로 동기화되지 않았거나 이를 암시하는 데이터 입니다. 이런 경우는 임시적이든 영구적이든 복제 링크가 중단할 경우 발생합니다. 연결이 끊어진 Oudated 데이터는 결국 지난 시점의 데이터 이기 때문에 이러한 상태의 데이터에서 서비스가 되는 것을 막기 위해 bsr은 Outdated 데이터를 가진 노드에 대해 승격(promoting a resource)하는 것을 기본적으로 허용하지 않습니다. 그러나 필요하다면(긴급한 상황에서) Outdated 데이터를 강제로 승격할 수는 있습니다. 이와 관련하여 bsr은 네트워크 단절이 발생하자마자 응용프로그램이 측에서 즉시 Secondary노드를 Outdated 상태가 되도록 만들 수 있는 인터페이스를 갖추고 있습니다. Outdated 상태가 된 리소스에서 해당 복제링크가 다시 연결된다면 Outdated 상태 플래그는 자동으로 지워지며 백그라운드로 동기화(background synchronization)가 완료되어 최종 최신 데이터(UpToDate)로 갱신됩니다.

Primary 가 Crash 되었거나 연결이 단절된 Secondary 노드는 디스크 상태가 Outdated 일 수 있습니다.

운송 동기화

디스크를 직접 가져와서 구성하는 운송 동기화(Truck based replication)는 아래와 같은 상황에 적합합니다.

• 초기 동기화 할 데이터의 량이 매우 많은 경우(수십 테라바이트 이상)

• 거대한 데이터 사이즈에 비해 복제할 데이터의 변화율이 적을 것으로 예상되는 경우

• 사이트간 가용 네트워크 대역폭이 제한적인 경우

위의 경우 직접 디스크를 가져다가 동기화 하지 않고 bsr의 일반적인 초기 동기화를 진행한다면 매우 오랜 시간이 걸릴 것입니다. 디스크 크기가 크고 물리적으로 직접 복사하여 초기화를 시킬 수 있다면 이 방법을 권장합니다.  운송 동기화 사용을 참고 하세요.