快照技术探究

刚接触存储的时候就了解了下快照技术，当时了解了其大概意思，然后就是做快照的方法，经典的当然是文件系统级的copy-on-write，对于快照的实际意义没有什么认识，最近准备wf老师课堂presentation时，我所学习的论文里用到了快照技术，就深入的了解了一下。

快照技术的提出最初主要用于备份，在以前要备份某个时刻的数据，需采用一种叫分离镜像的方式（远程镜像或是本地镜像），这种方式需要占用一块和主卷相同容量大小的卷作为镜像卷，并且需要停掉主机IO一段时间（分离主卷与镜像卷），具体的步骤如下：

1，               如果某个时刻想要对整个镜像卷进行备份，需要停止读写主卷的应用，然后分离主卷和镜像卷。

2，               拆分之后，主卷恢复上层IO（整个停机时间不会很长，如果不采用镜像卷，会有很长的停机时间，损失过大），之后主卷的读写不再跟镜像卷关联。此时的镜像卷保持停止IO那一时刻原卷数据的完整镜像，此时可以使用备份软件，将镜像卷上的数据，被分到其他介质。

3，               拆分镜像后，主卷的所有IO回以bitmap的方式记录下来。Bitmap每一位表示卷上的一个块。带备份完成后，恢复镜像，镜像卷的数据需要重新同步，程序搜索bitmap中所有为1的块，如果镜像卷上对应的块尚未写入，则同步两个卷。

 

为什么使用这么复杂的方式备份，到了每个时间点需要备份，直接copy不行吗？

1，  备份的时候，如果停掉主卷的应用服务，直接将主卷的数据备份是可以的，但由于备份数据量大，需要很长一段时间完成，停机所造成的损失太大。

2，  不停掉IO服务，直接在某一时刻备份会有什么后果？

由于备份时间太长，备份过程中的IO会造成备份的数据不一致（漏备，错备，多备）

1，  备份过程中，一个已备份的文件移到一个未备份的目录。--à多余的备份

2，  备份过程中，一个未备份的文件移到一个已备份的目录。--à漏掉的备份

3，  备份过程中，一个即将备份的数据已被修改。          --à错误的备份

 

快照技术能在短时间内记录系统数据的试图（就像给系统的数据拍了一张照片），通过快照技术，用户可以snapshot作为数据的在线备份，也可以方便把snapshot备份到其它的存储戒指上。那么如何实现快照呢？（注：分割镜像技术也算是快照技术的一种实现方式，因它能记录镜像分离时刻的所有数据，它将负载分散到每次写）

1，  基于文件系统的快照

文件系统（以ext2）为例，文件系统包括超级块，组描述符，块位图，inode位图，inode节点块，数据块，其中前五个数据项都是为了管理数据而产生的（成为元数据），这里成为其数据量很小，实际的文件数据存储在数据块里，在某一时刻，如果记录了文件系统的元数据，就有了当前文件系统的视图，即给文件系统拍了张照片，要保证“照片”的完整性，之后对这张照片上数据的IO要被定位到其它空闲的地方，并修改文件映射关系。（可认为是ROW方式）

 

 

 

2，  基于物理卷的快照

基于物理卷的快照，相当于给物理卷增加一个“卷扇区映射管理系统”。卷扇区都是LBA来编号的，实现快照的时候，程序首先保留一张初始的LBA表，每当有新的写入请求的时候，程序将这些请求的数据，写入另一个地方（一般是一个新的卷，专为快照保留），并做记录：

   如A的10000号已写入了数据内容，并且做了快照，快照后对A的10000号的写请求会被定为到新卷B的100号，这时A卷中就会记录如下映射数据。

   原始LBA: 卷A的10000号，映射到LBA：卷B的100号

   文件系统对感知不到这一重定向过程，FS在它的映射图中还是记录卷A的10000号LBA,而不是B的100号。

   以上做快照的方式称为Write Redirect，快照生成之后对卷A的每一次读写请求，都需要查询映射表，增加了额外的时间开销。

   由于Write redirect方式查表的时间开销太大，故产生了另外一种copy on write的方式。其工作原理如下：

   快照生成之后，如果上层有针对原卷某个或者某些从做快照后从来没有更新过的LBA块进行写请求，则在更新这些LBA扇区之前，先将原来扇区的内容拷贝出来，放入一个空闲卷，然后将新数据写入原卷，即旧数据先占着位置，等新数据来了，旧数据再让位，一旦原卷某个LBA在快照之后被更新过了，则以后针对这个LBA的写，则可以直接覆盖，不需要提前拷贝。

 

   COW 与 ROW 的对比：

1，  在两种方式下，快照后对从来没有修改过的扇区写IO,都需要占用额外的空间。

2，  如果快照数据被100%覆写，则快照需要与原卷相同的存储容量，但通常只有部分被覆盖，新卷的容量一般设为原卷容量的30%。

3，  COW，初次覆写需要一次读，两次写；而ROW只需要一次写。故后者在IO延迟上有优势。但在读和非初次覆写的情况下，ROW需要遍历映射表或建立映射项，而COW则不需要。另外ROW方式在删除快照时开销很大。

 

3，做快照的步骤

1，发起创建指令，并在发起时间点，系统暂停应用程序和文件系统操作

2，刷新文件系统缓存，结束所有的事务

1，  创建快照，并在创建完后恢复系统正常运行

 

   为什么要刷新系统缓存？

   由于做快照的时间很短，快照记录文件系统当时的整个状态，做一次快照生成的状态，类似于系统掉电时系统的状态。

   由于文件系统都有自己的缓存，文件系统缓存的是文件系统元数据和文件实体数据，并不是每次交互，都同步保存在磁盘上，如有的系统为了提高效率使用write delay算法，每隔一段时间（如30s），批量刷新到磁盘上。所以在做快照的时候可能有些数据还没写到硬盘，所做的快照就会与系统数据产生不一致。（如实际数据已经修改，而元数据没有修改，拷贝的元数据就跟实际数据不一致）

 

 

 

优秀的快照系统：

Netapp的WAFL因其工作方式，可以非常容易的做快照。WAFL从来的任何写操作都在新的数据块上进行，而不是覆写原有的块，所以每次快照WAFL只需要拷贝根inode而不是所有的inode就能得到文件系统的整个视图。

  

    

 

如图所示：某一个块上的inode改变了，则重写该块，则inode的父inode也会发生改变，将父目录inode的信息也写在新的块上，以此类推，一直到根inode，所以拥有了根inode就拥有了整个文件系统的数据视图。