Log Sequence Number o LSN: il concetto alla base del Backup incrementale in MySQL, Percona Server e MariaDB

La gestione dei dati è uno degli aspetti più cruciali in qualsiasi infrastruttura IT. Proteggere questi dati da guasti hardware, errori umani o attacchi informatici è fondamentale per garantire la continuità delle operazioni. In questo contesto, i backup giocano un ruolo chiave. Tra le diverse tipologie, i backup incrementali sono una delle soluzioni più efficienti per salvaguardare i dati senza gravare inutilmente sulle risorse di archiviazione.

In MySQL, Percona Server e MariaDB, il concetto di Log Sequence Number (LSN) è alla base del funzionamento dei backup incrementali. Comprendere come funziona l’LSN è essenziale per sfruttare appieno questa tecnologia e garantire la massima sicurezza dei dati.

Perché scegliere i backup incrementali?

Un backup incrementale salva solo i dati modificati rispetto al backup precedente, riducendo significativamente il tempo e lo spazio richiesto rispetto a un backup completo. Ma quando e perché scegliere questa modalità?

1. Risparmio di spazio

I database possono crescere rapidamente, soprattutto in contesti in cui le operazioni quotidiane generano grandi volumi di dati. È facile che in breve tempo si passi da pochi gigabyte a centinaia di gigabyte, e da lì ai terabyte il passo è breve, specialmente in ambienti che registrano un flusso continuo di modifiche o nuove informazioni. Una crescita così rapida può mettere sotto pressione le risorse disponibili, trasformando la gestione e il backup dei dati in una sfida significativa.

2. Maggiore frequenza di backup

In alcuni scenari, come quello di una testata giornalistica che pubblica centinaia di articoli ogni giorno, l’aggiornamento continuo e frequente dei dati non è solo importante, ma assolutamente critico per garantire la continuità delle operazioni e la tutela del lavoro svolto. Ogni articolo, ogni aggiornamento o modifica rappresenta un contributo al valore dell’organizzazione, e perdere anche solo poche ore di lavoro può tradursi in un danno significativo, sia in termini economici che reputazionali.

Immaginiamo un errore umano che porta, accidentalmente, alla cancellazione del database alle 20:00, dopo una giornata intensa di pubblicazioni. In un caso del genere, poter ripristinare i dati aggiornati fino a pochi minuti prima dell’incidente diventa essenziale per evitare di compromettere il lavoro di un’intera redazione. Senza una strategia di backup adeguata, il rischio sarebbe quello di perdere non solo tutti gli articoli pubblicati durante il giorno, ma anche eventuali modifiche o revisioni apportate agli articoli esistenti, con conseguenze devastanti.

3. Riduzione del tempo di backup

I backup completi possono richiedere ore, specialmente quando si tratta di database di grandi dimensioni che contengono milioni di righe o gigabyte di dati. Questo problema è ulteriormente amplificato quando si utilizzano strumenti tradizionali come mysqldump, che, sebbene utili per piccoli database o per esportazioni occasionali, non sono progettati per gestire in modo efficiente grandi volumi di dati o per garantire un impatto minimo sul sistema in produzione.

Strumenti come mysqldump funzionano esportando i dati riga per riga e generando un file di testo leggibile che contiene le istruzioni SQL per ricostruire il database. Sebbene questo approccio possa sembrare semplice e diretto, è estremamente lento per database di grandi dimensioni. Inoltre, mysqldump spesso richiede di bloccare tabelle o rallenta le prestazioni del database durante il processo di backup, causando interruzioni significative per le applicazioni e gli utenti che si affidano al sistema.

In confronto, tecnologie avanzate come MySQL Enterprise Backup, Percona XtraBackup o MariaBackup offrono un’efficienza incomparabile.

In termini di velocità nell’immagine sopra si possono vedere tempi di backup e tempi di restore che vanno da circa 50 a 80 volte più veloci rispetto a backup logici realizzati con MySQLdump. La velocità riportata è grossomodo equivalente per i tre tool menzionati.

Questi strumenti eseguono backup fisici a livello di file direttamente dal disco, senza la necessità di interpretare e ricreare i dati in formato SQL. Questo approccio consente di ottenere velocità nettamente superiori rispetto a mysqldump, soprattutto quando si tratta di database molto grandi. Inoltre, sia Percona XtraBackup che MariaBackup sono progettati per funzionare senza interrompere le operazioni del database, permettendo il backup “a caldo” (hot backup) che non richiede downtime e garantisce che le applicazioni possano continuare a funzionare senza interruzioni.

Un altro vantaggio significativo di questi strumenti è la loro capacità di supportare i backup incrementali, che riducono ulteriormente il tempo e le risorse necessarie rispetto ai backup completi tradizionali. Invece di salvare l’intero database, strumenti come XtraBackup e MariaBackup si concentrano solo sulle modifiche avvenute dall’ultimo backup, riducendo così sia la durata del processo di backup sia l’impatto sullo spazio di archiviazione.

Cos’è il Log Sequence Number (LSN)?

Il Log Sequence Number (LSN) è un concetto fondamentale nei sistemi di database relazionali come MySQL, Percona Server e MariaDB, utilizzato per tracciare e gestire le modifiche apportate al database. Si tratta di un numero monotonicamente crescente, il che significa che aumenta in modo continuo e senza interruzioni, rappresentando la posizione logica di ciascuna operazione nel sistema di storage del database. Ogni azione che modifica i dati, come un inserimento, un aggiornamento o una cancellazione, genera un nuovo LSN, che viene registrato nei log delle transazioni e nei file del tablespace.

Questo numero non solo identifica in modo univoco la sequenza delle operazioni, ma è anche cruciale per diversi processi interni al database. Ad esempio, l’LSN viene utilizzato per sincronizzare le repliche, recuperare il database dopo un arresto imprevisto e, soprattutto, per gestire i backup incrementali, dove permette di identificare esattamente quali dati sono stati modificati dall’ultimo backup. Grazie a questa precisione, l’LSN consente di ottimizzare sia le operazioni di salvataggio che di ripristino, riducendo il tempo e lo spazio necessari per la protezione dei dati.

Ogni modifica al database, come l’inserimento, l’aggiornamento o la cancellazione di un dato, aumenta l’LSN. Questo numero è fondamentale per:

• Tracciare le modifiche apportate al database.
• Determinare quali dati devono essere inclusi in un backup incrementale.
• Coordinare il recupero dei dati durante il ripristino.

L’LSN è gestito internamente dal motore di storage (ad esempio, InnoDB) e si trova sia nei log delle transazioni che nei file di tablespace del database.

Come funziona il backup incrementale basato sull’LSN?

Quando si effettua un backup incrementale, il software di backup utilizza l’LSN per identificare le modifiche apportate al database dall’ultimo backup. Ecco come avviene il processo:

1. Backup completo iniziale

Il processo inizia sempre con un backup completo, che costituisce la base per qualsiasi strategia di backup incrementale. Questo primo backup cattura tutti i dati presenti nel database in un dato momento, insieme all’LSN corrente, che rappresenta lo stato del database al momento del backup. È fondamentale eseguire questo passaggio con attenzione, poiché un backup completo affidabile è il punto di partenza per tutti i successivi backup incrementali. Un errore o una corruzione in questa fase potrebbe compromettere l’intero processo di ripristino. Per garantire la massima integrità dei dati, strumenti come Percona XtraBackup o MariaBackup possono eseguire backup “a caldo”, mantenendo il database operativo durante il salvataggio dei dati.

2. Registrazione delle modifiche

Dopo aver effettuato un backup completo, il motore di storage del database (ad esempio InnoDB) registra automaticamente ogni modifica ai dati nel proprio log interno, assegnando un Log Sequence Number (LSN) aggiornato a ciascun cambiamento. Non è lo strumento di backup a monitorare direttamente queste modifiche, ma è il motore del database che tiene traccia degli aggiornamenti tramite il log delle transazioni e i tablespace.

Quando si esegue un backup incrementale, lo strumento di backup (come Percona XtraBackup o MariaBackup) si limita a leggere l’LSN registrato nell’ultimo backup effettuato. Utilizzando questo LSN come punto di riferimento, il software identifica i dati modificati o aggiunti a partire da quell’LSN fino all’LSN corrente. Questo permette allo strumento di catturare esclusivamente le modifiche pertinenti, senza dover analizzare o salvare l’intero contenuto del database. In altre parole, lo strumento di backup sa da dove iniziare a leggere i dati (ossia dall’LSN di riferimento) e prosegue salvando solo le informazioni necessarie fino al nuovo stato del database.

3. Backup incrementale

Quando si esegue un backup incrementale, il software utilizza l’LSN per individuare solo i dati che sono stati modificati o aggiunti rispetto all’ultimo backup, evitando di duplicare informazioni già salvate. Questo confronto tra l’LSN corrente e quello registrato nell’ultimo backup permette di ridurre drasticamente il volume di dati da salvare, accelerando il processo e risparmiando spazio di archiviazione. Per esempio, se il backup completo iniziale ha registrato un LSN di 1000 e al momento del backup incrementale l’LSN è aumentato a 1500, il software salverà solo i dati associati agli LSN tra 1001 e 1500. Questo approccio ottimizza l’efficienza senza sacrificare la granularità dei dati salvati. Inoltre, i backup incrementali possono essere pianificati a intervalli regolari, consentendo di mantenere una cronologia accurata delle modifiche senza interrompere le operazioni del database.

4. Ripristino del database

Il ripristino del database è il passo finale e cruciale che dimostra il valore di una strategia di backup ben progettata. Durante questa fase, i backup incrementali vengono applicati in sequenza al backup completo iniziale. Questo processo utilizza l’LSN per determinare l’ordine corretto in cui applicare le modifiche, ricostruendo così lo stato del database in un punto specifico nel tempo. Ad esempio, se un database ha un backup completo con LSN 1000 e tre backup incrementali con LSN rispettivamente 1500, 2000 e 2500, il ripristino segue questa sequenza per assicurarsi che nessuna modifica venga persa. È essenziale che ogni file di backup sia integro e disponibile; la perdita di un singolo backup incrementale interromperebbe la catena, rendendo impossibile il recupero completo. Strumenti come Percona XtraBackup o MariaBackup automatizzano gran parte di questo processo, garantendo che il ripristino sia accurato e veloce, riducendo al minimo il downtime per l’organizzazione.

Strumenti per il backup incrementale

Esistono diversi strumenti per gestire i backup incrementali in MySQL, Percona Server e MariaDB. Alcuni dei più noti includono:

1. MySQL Enterprise Backup

Offerto da Oracle, MySQL Enterprise Backup è una soluzione avanzata che consente di eseguire backup incrementali basati sull’LSN, ottimizzando così le operazioni di salvataggio dei dati. Questo strumento è progettato per fornire un backup fisico a caldo, che non interrompe le operazioni del database, rendendolo ideale per ambienti in cui il downtime non è accettabile.

Oltre al supporto per i backup incrementali, MySQL Enterprise Backup offre funzionalità aggiuntive come la compressione dei backup per ridurre l’uso dello spazio di archiviazione, la crittografia per aumentare la sicurezza dei dati e il supporto per backup punto-in-tempo, che consente di ripristinare il database a uno stato specifico.

Tuttavia, questa potente opzione richiede una licenza commerciale, rendendola più adatta ad aziende che possono sostenere i costi per garantire la massima affidabilità e prestazioni nella gestione dei backup. Per chi necessita di una soluzione robusta con supporto ufficiale e un’ampia gamma di funzionalità, MySQL Enterprise Backup rappresenta una scelta di alto livello.

2. Percona XtraBackup

Questo strumento open-source, Percona XtraBackup, è una delle scelte più popolari per i backup incrementali di MySQL e Percona Server, grazie alla sua affidabilità e alla capacità di operare senza downtime. Progettato per eseguire backup fisici “a caldo”, XtraBackup consente di salvare i dati del database senza interrompere le operazioni, un vantaggio fondamentale per le aziende che non possono permettersi interruzioni.

La sua funzionalità principale si basa sull’uso del Log Sequence Number (LSN), che XtraBackup legge direttamente dai file di log e di tablespace per determinare esattamente quali dati includere nel backup. Questo approccio assicura che vengano salvate solo le modifiche più recenti, rendendo i backup incrementali estremamente efficienti in termini di spazio e tempo.

Grazie alla natura open-source, Percona XtraBackup è una soluzione altamente accessibile e supportata da una vasta community, offrendo al contempo prestazioni e flessibilità di livello enterprise. Per chi cerca una soluzione gratuita ma potente per gestire backup incrementali, XtraBackup è un’opzione eccellente.

Come funziona Percona XtraBackup?

• Esegue un backup fisico dei dati senza bloccare il database.
• Utilizza l’LSN per identificare le modifiche.
• Supporta il ripristino punto-in-tempo combinando backup completi e incrementali.

3. Mariabackup

Mariabackup è un fork di Percona XtraBackup, progettato specificamente per funzionare con le caratteristiche uniche di MariaDB, il che lo rende la scelta ideale per chi utilizza questa piattaforma. Proprio come XtraBackup, Mariabackup consente di eseguire backup fisici “a caldo”, mantenendo il database operativo durante l’intero processo di salvataggio.

Offre funzionalità simili, come il supporto per i backup incrementali basati sull’LSN, che permettono di salvare solo i dati modificati rispetto al backup precedente, ottimizzando l’uso dello spazio di archiviazione e riducendo i tempi di esecuzione. Tuttavia, Mariabackup è stato specificamente adattato alle peculiarità di MariaDB, garantendo una compatibilità totale con il suo ecosistema e supportando le ultime innovazioni introdotte dal team di sviluppo di MariaDB.

Essendo un software open-source, Mariabackup è liberamente accessibile e sostenuto da una community attiva, rendendolo un’opzione versatile e affidabile per la gestione dei backup in ambienti basati su MariaDB. Per chi necessita di una soluzione nativa per il backup di MariaDB, Mariabackup rappresenta un’opzione di grande valore.

Vantaggi e sfide del backup incrementale

I backup incrementali basati sull’LSN offrono numerosi vantaggi, ma presentano anche alcune sfide.

Vantaggi

• Efficienza nello spazio e nel tempo: Salvare solo i dati modificati riduce significativamente il carico di lavoro.
• Recupero rapido: Permette di ripristinare rapidamente i dati in caso di emergenza.
• Minimizzazione del downtime: Non interrompe le operazioni del database.

Sfide

• Complessità del ripristino: Durante il ripristino, è necessario applicare correttamente tutti i backup incrementali, il che può richiedere tempo e attenzione.
• Gestione accurata dei file di backup: Perdere uno dei backup incrementali rende impossibile il ripristino completo.
• Capacità di scripting per l’uso corretto dello strumento : Sebbene tool come Percona Xtrabackup, MariaBackup ed analoghi siano molto completi, solo grazie ad un’integrazione specifica in linguaggi di scripting come ad esempio (Bash Scripting) può portare ad un uso proficuo ed ottimale degli strumenti senza errori.

Caso d’uso d’esempio : una testata giornalistica

Immaginiamo una testata giornalistica che gestisce un database con centinaia di articoli pubblicati ogni giorno. In questo scenario:

• Frequenza delle modifiche: Gli articoli vengono creati, aggiornati e pubblicati continuamente.
• Importanza dei dati: La perdita di dati, anche per un breve periodo, comporterebbe un danno significativo.
• Necessità di backup frequenti: Un backup ogni 24 ore non è sufficiente; l’azienda deve garantire backup frequenti senza impattare le risorse.

Utilizzando backup incrementali basati sull’LSN, la testata può:

1. Eseguire un backup completo ogni giorno.
2. Pianificare backup incrementali ogni ora per salvaguardare le modifiche più recenti.
3. Ripristinare rapidamente i dati in caso di guasto o errore umano, minimizzando la perdita di informazioni.

Conclusione

Il Log Sequence Number (LSN) rappresenta il cuore del backup incrementale in MySQL, Percona Server e MariaDB. Grazie a questo concetto, è possibile implementare backup incrementali che offrono un metodo efficiente e scalabile per proteggere i dati, garantendo un notevole risparmio in termini di tempo e spazio. Che si tratti di una grande azienda con database critici, di una testata giornalistica che gestisce aggiornamenti costanti, o di un piccolo e-commerce che necessita di una strategia di backup robusta, l’adozione di questa tecnologia può fare la differenza tra un recupero dati rapido ed efficace e una perdita potenzialmente irreparabile.

Strumenti come Percona XtraBackup e MariaBackup, grazie alla loro capacità di lavorare senza downtime e di supportare il backup incrementale basato sull’LSN, sono essenziali per costruire un’infrastruttura affidabile.

Tuttavia, per scenari particolarmente complessi o per dataset di dimensioni molto grandi (dell’ordine di centinaia di gigabyte o terabyte), è possibile integrare approcci complementari basati a livello del filesystem, come quelli offerti da ZFS o OpenZFS.

Una delle feature più potenti di ZFS è la capacità di creare snapshot praticamente istantanei del filesystem. Questi snapshot sono copie puntuali dello stato dei dati, che possono essere create in pochi millisecondi o secondi indipendentemente dalla dimensione del dataset. Questo li rende particolarmente utili per scenari in cui è necessario catturare lo stato di un database molto grande con una frequenza elevata. Ad esempio, su dataset che superano il terabyte, uno snapshot ZFS consente di congelare lo stato dei dati in modo rapido ed efficiente, riducendo al minimo l’impatto sulle prestazioni del sistema.

Va però sottolineato che gli snapshot ZFS non devono essere confusi con i backup. Gli snapshot sono strettamente legati al filesystem su cui sono stati creati e non proteggono i dati in caso di guasti hardware irreversibili, corruzione del disco o cancellazione accidentale del pool ZFS. Per questo motivo, gli snapshot ZFS sono più indicati come strumento di protezione temporanea o come punto di recupero rapido per errori software o cancellazioni accidentali recenti. Per una protezione completa, gli snapshot devono essere combinati con una strategia di backup che includa copie dei dati trasferite su storage esterni o remoti.

Unendo i vantaggi del backup incrementale basato su LSN e strumenti avanzati come Percona XtraBackup o MariaBackup con la flessibilità degli snapshot ZFS, è possibile creare un’infrastruttura estremamente resiliente. Pianificando accuratamente l’utilizzo di entrambi gli approcci, si può ottenere il massimo equilibrio tra rapidità di ripristino, protezione dei dati e ottimizzazione delle risorse.

Investire in queste tecnologie non è solo una buona pratica, ma una necessità per tutte quelle aziende che considerano i dati come il loro asset più prezioso. La combinazione di backup incrementali, snapshot istantanei e strategie di storage distribuito rappresenta una soluzione moderna e completa per garantire la continuità operativa e la sicurezza dei dati in qualsiasi scenario.