【存储学习笔记】4：快照（Snapshot）技术的实现方式

1 快照

1.1 动机

在上一篇《备份》里提到，热备份就是在执行操作时，服务器需要正常处理来自用户或应用对数据的更新，这样能够保证数据7*24小时可用（在很多服务里这是必要的）。

而热备份的困难就是如何保证数据的一致性，比如有两个数据块，在第一个时刻，他们是$A_1{B}_1$，此时备份了数据块$A_1$，在下一个时刻，它们被修改成了下一个版本$A_2{B}_2$，此时备份了下一个数据块$B_2$，得到的备份数据就是$A_1{B}_2$，并不能组成一个一致的数据。

解决备份时的数据一致问题有几个方向：

1. 备份时不允许服务更新数据：不满足7*24小时可用
2. 跳过打开文件：服务正在访问的文件通常也是很重要的需要备份的，不应该跳过的
3. 区别对待备份IO和应用程序的正常访问IO：通过拆分成不同的IO路径来让它们互不影响，从而解决一致性问题

快照（Snapshot） 就是出于动机3被引入的，通过对一个数据对象进行逻辑复制，形成完全可用的数据副本，进而拆分应用程序的正常IO可以写到之前的上去，不影响逻辑复制出来的快照卷。

1.2 操作

1. 准备快照：为了解决快照一致性，基本都需要停IO+刷新缓存
2. 创建快照（create snapshot）：形成此时此刻源卷的数据映像
3. 删除快照（delete snapshot）：删除某个数据映像
4. 恢复（restore）：用快照的数据恢复源卷数据

2 写前复制（Copy-on-Write）

2.1 原理

也叫写时复制、首写复制（Copy on First Write），第一次对源卷进行写入操作时，把数据搬到快照卷里，然后再修改源卷的数据。

此后，更新操作都会直接更新源卷里的数据。读源卷时从源卷读，读快照卷时，如果快照卷里那个位置有被copy过来的数据就直接读快照卷，否则就fallback回源卷读取。

为了解决“怎么知道快照卷里对应位置的数据是不是copy过来了”这件事，可以引入一个快照映射表，所有on first write的copy动作都记录在这个表里，只要查表miss了就回源卷读取。

删除快照：直接删除快照卷和快照映射表

数据回滚：扫一遍快照映射表，把快照卷中的数据写回到源卷里去，就能将源卷恢复到该快照所记录的状态了

2.2 优缺点

优点：不影响源卷，删除快照卷很简单

缺点：首次写入时需要先拷贝数据再写源卷，需要一次read两次write

3 写时转向（Redirect-on-Write）

3.1 原理

也叫写时重定向，相比于CoW是在首写的时候copy数据到快照卷，源卷的数据还是在源卷的位置上。RoW则是相反，快照一旦生成这些数据块就放在那不动了，如果有对数据的修改，那么就把修改的数据写到新的位置上去，然后让源卷指向这个新的数据位置。

3.2 优缺点

优点：首写只需要一次重定向write

缺点：因为源卷指向的数据和快照卷的数据交错，所以删除快照时候，需要把数据（链接）调整回源卷，因此删除快照操作相对更复杂一点

3.3 案例

WAFL（Write Anywhere File Layout）文件系统就是用了RoW的典型例子，在打快照时只要建一个新的逻辑根指向源卷的数据，在对源卷有更改时就把写入操作redirect到新的位置，不动快照指向的那些数据。由于WAFL是多级链接结构，真正的数据块在最下面，所以每次write redirect都会递归地建立这条path上的所有node：

另一个用RoW做快照的经典例子是Hyper-V的differencing vhdx，也是写时转向到新的vhdx文件里：

4 拆分镜像（Split-Mirror）

4.1 原理

类似于RAID1的镜像盘，持续维护完整的两份源卷数据，对源卷的写入会复制给镜像卷，保证镜像卷的数据和源卷相同。当快照操作来临时，只要停止镜像复制操作，镜像卷就立即成为了此时刻的快照卷。

删除快照：快照卷完成数据备份后要删除快照，只要直接与源卷同步数据，同步好之后可以继续作为镜像卷使用

数据回滚：直接拿快照卷作为服务的底层数据即可

4.2 优缺点

优点：数据恢复、复制和归档简单。快照卷和源卷独立存在，所以一方的数据丢失，另一方仍然可用

缺点：

• 想要支持几个快照就需要几倍的存储空间
• 不能随时创建快照，比如如果没有创建镜像卷、或者镜像卷正处于数据同步过程中，都不能创建
• 为了支持快照操作，需要持续的镜像复制操作，增大了系统开销

4.3 案例

EMC的TimeFinder引入了一种业务持续卷（Business Continuance Volume，BCV），和主存储设备绑定成BCV Pair之后就作为主存储设备的镜像卷，持续将主存储设备的数据复制过来。

需要打快照时，就分裂BCV Pair，分裂后BCV上的就是主存储设备的快照数据。

需要删除快照时，就重建BCV Pair，这会丢弃在分裂后对BCV的修改，并将分裂后对主存储设备的修改应用到BCV上，使BCV快速成为镜像卷。

需要restore时，也是重新绑定BCV Pair，但是将BCV的数据写入主存储设备即可。

参考阅读

《存储技术原理分析》1.2.2

What is Storage Snapshot Technology?