QEMU快照(SNAPSHOT)机制原理及关键技术理解

1. snapshot 概念
   当要做snapshot时，可以通过qemu的monitor terminal 或是QMP（Qemu Monitor Protocol）向QEMU发送命令，命令执行的结果是将原始的镜像（original image）变成备份镜像（bacup image），同时，生成一个snapshot（又称为活动镜像， active image），与原始镜像相比，所有新的变化都将记录在活动镜像里，另外，还将原始镜像（即备份镜像）以只读的权限挂载。
  任何格式的原始镜像（也可以是raw格式）都可以做snapshot，但生成的snapshot必须是qcow2或QED格式的。
 

内置快照（Internal Snapshots）：单个qcow2镜像文件存储了包括数据以及快照的状态信息，

          内置快照又可以细分一下:
         （1）内置磁盘快照（Internal disk snapshot），也可以成为内置磁盘快照
                快照点的磁盘状态，数据和快照保存在单个qcow2文件中，虚拟机运行状态和关闭状态都可以创建.
         （2）内置系统还原点（Internal system checkpoint），也可能成为内置内存快照
                内存状态，处理器状态，设备状态和磁盘状态，可以为运行中的虚拟机创建，所有信息都存储在同一个qcow2文件中，只有在运行状态才能创建内置系统还原点.

外置快照（External Snapshots）：当一个快照被创建时，创建时当前的状态保存在当前使用的磁盘文件中，即成为一个backing file

          外置快照也可以分细分为：
          （1）外置磁盘快照（External disk snapshot），也可以成为外置磁盘快照：
                磁盘的快照被保存在一个文件中，创建时间点以后的数据被记录到一个新的qcow2或QED文件中，同样可以在运行和关闭状态创建.
         （2）外置系统还原点（External system checkpoint），也可以成为外置内存快照：

                 内存状态，处理器状态，设备状态和磁盘状态将被保存到一个文件中，内存和设备的状态将被保存到另外一个新的文件qcow2或QED中.

2.生成snapshot的命令流
  在了解了snapshot的基本概念后，来详细介绍下从触发snapshot的命令发出到snapshot完成过程中，QEMU具体经历的哪些步骤以及执行了哪些命令。
 其实，在QEMU内部有一个GuestAgent Daemon（qemu-guest-agent），用来接收QEMU monitor发来的命令，并执行对应的处理函数，关于GuestAgent会在后续详细分析，这里不做具体介绍，只需要知道它是是一个处理QEMU Monitor发来的命令的模块就可以了。
（1）如果Guest处于非running状态，首先通过如下命令来使其运行 

(qemu) cont

（2）为了Guest数据的一致性，通过如下命令来冻结Guest的filesystem

(agent) guest-fsfreeze-freeze

（3） 对每一个block device做snapshot，表示某一个块设备，如hda; 表示生成的snapshot的name，表示snapshot的格式，如 qcow2,qed

(qemu) snapshot_blkdev

    During snapshot creation the guest will momentarily be halted by QEMU. Pending I/Os will be flushed to disk

在这个过程中，Guest被QEMU置于halted的状态，之前pending的io将会被刷新到disk中，qemu将会自动将对原来设备（original file/devices）的io路径替换为新生成的snapshot。
该命令是个同步命令，当该命令执行完成完成后，QEMU将会恢复Guest。

(4) 在第（2）中冻结了Guest的filesystem，所以需要将其恢复

(agent) guest-fsfreeze-thaw

  总结一下上述过程如下图所示：

3. 多设备的原子快照（atomic snapshot）
  在qemu-1.0版本（新版本可能有变化）中snapshot_blkdev/blockdev-snapshot-sync每次只能作用于一个设备， 因此，如果Guest有多个设备的话，需要多次循环调用此命令才能完成多个设备的快照。这就可能在做某个设备snapshot时候失败了，在qemu退出 之前，它仅仅能回滚失败的设备的操作，但是此时，有些设备的snapshot已经完成了，所以就造成了当前Guest的状态与做快照之前的状态不一致性了
  基于事务的块设备命令能够帮助解决这个问题。qemu-1.1中实现基于事务的QMP命令，它能够原子性的操作Guest的所有的设备，具体参见如下解释（对于原子性的QMP命令将在后续文章中详细分析）：
QEMU 1.1 implements a "transaction" QMP command that operates on multiple block devices atomically. The transaction command receives one or more "transactionable" QMP commands and their arguments; the only transactionable command for now is blockdev-snapshot-sync. Execution of the commands is then split into two phases, a prepare phase and a commit/rollback phase. Should any command fail the prepare phase, the transaction immediately proceeds to roll back the completed prepare phases. If all commands are prepared successfully they are committed; the commit phase cannot fail, so that atomicity is achieved.