快照实现技术浅析

什么是快照技术
   SNIA（Storage Networking Industry Association）对快照（Snapshot）的定义是：关于指定数据集合的一个完全可用拷贝，该拷贝包括相应数据在某个时间点（拷贝开始的时间点）的映像。快照可以是其所表示数据的一个副本，也可以是数据的一个复制品。
快照的作用
   快照的作用主要是能够进行在线数据备份与恢复。当存储设备发生故障或者文件损坏时可以进行快速的数据恢复，将数据恢复到某个可用时间点的状态。快照的另一个作用是为存储用户提供了另外一个数据访问通道，当原数据进行在线应用处理时，用户可以访问快照数据，还可以利用快照进行测试等工作。所有存储系统，不论高中低端，只要应用于在线系统，那么快照就成为一个不可或缺的功能。
快照的实现方式
   当前实现快照主要有两种技术，一种是第一次写时复制(Copy On First Write,COFW)，有时简称为写时复制（Copy On Write,COW）。即在数据第一次写入到某个存储位置时，首先将原有的内容复制到另一位置处（为快照保留的存储空间，此文中我们称为快照空间），然后再将数据写入到相应位置中。而下次针对同一位置的写操作将不再执行写时复制操作。写时复制技术在计算机相关技术实现中经常使用，其基本原理大同小异，只是面向对象不同，适用场合不一样。
   从COW 的执行过程我们可以知道，这种实现方式在第一次写入某个存储位置时需要完成一个读操作（读原位置的数据），两个写操作（写原位置与写快照空间），如果写入频繁，那么这种方式将非常消耗IO时间。因此可推断，如果预计某个卷上的I/O多数以读操作为主，写操作较少，这种方式的快照实现技术是一个较理想的选择，因为快照的完成需要较少时间。除此之外，如果一个应用易出现写入热点，即只针对某个有限范围内的数据进行写操作，那么COW的快照实现方式也是较理想的选择。因为其数据更改都局限在一个范围内，对同一份数据的多次写操作只会出现一次写时复制操作。下图是写时复制的示意图：
 
图1 写时复制示意图
但是这种方式的缺点也非常明显。如果写操作过于分散且频繁，那么 COW 造成的开销则是不可忽略的，有时甚至无法接受。这种实现方式适用于Read-Intensive（读密集）型的应用。在应用时，需要综合评估应用系统的使用场景，以判断这种方式的快照是否适用。
    快照实现技术中的另一种是 I/O 重定向（I/O Redirect）。即将输入输出操作重新定向到快照存储空间中。在一个快照生成期间，所有的写操作将被重定向到快照介质，而读操作是否需要重定向，则需要根据读取的位置是否有过自上次快照以来的写重定向，必须对有过写重定向的位置进行读重定向，否则不需要进行读定向。当要创建一个快照时，则将自上次快照以来所有的重定向写数据所对应的在源介质中的数据复制到快照介质，生成这个时间点的快照，然后再将这些重定向写数据写回到源介质中的相应位置上，从而完成整个快照生成过程。下图中显示了IO重定向的执行过程。

   从上面的过程来看，关键的性能影响在于快照生成时的四次I/O操作（一次读源介质，一次写快照数据，一次读快照介质，一次写源介质），另一个则是重定向的计算工作。这种方式虽然看起来最后生成快照时的I/O操作较多，但考虑到这个操作是在生成快照时才会发生，特别是快照生成时可以对I/O操作进行排序，可使得对介质的输入输出操作得到较好优化，因此影响很小。而对于重定向的计算操作对于当下的计算能力来说，不会成为一个性能瓶颈问题。因此这种快照实现方式在非快照执行期间的影响甚小。这种方式比较适合Write-Intensive（写密集）类型的存储系统。

   SNIA 将快照的实现方式表述为：镜像分离(split mirror)、改变块(changed block)、并发(concurrent)三大类。后两种在实现时其实质就是写时复制及输入输出重定向。对于 split mirror 的方式，由于其灵活性以及开销问题，在实际的存储系统中，并不实用。
快照的实现层次
    计算机的存储结构是一个类似于 TCP/IP 一样的栈结构。栈中包括硬件与软件部分。栈中不同层为上层提供服务，同时利用下层的接口（如下图）。因此在实现上，快照可以在不同的存储层上实现，但是不同的层其效果和特点是不一样的。

   一般来说，在应用层不太合适实现快照功能。因为不同的应用是千差万别的，因此需要针对不同的应用实现快照功能，代价非常高。但在应用层实现快照也并不是说一无用处，只是这种快照功能应用在存储系统中缺乏灵活性。在应用层实现快照的一个典型的例子就是 vmWare 虚拟化软件中的快照功能，在虚拟化平台中，这个功能非常棒。
   在文件系统层实现快照与应用也具有与上面相同的缺点，就是需要针对不同的文件系统实现快照功能，这样的代价也很大，灵活性不足，没有可扩展性。实现快照功能的文件系统基本上都是一些专用系统或者专为某个特定功能实现的文件系统。 在这个层级上实现快照的典型例子就是 ZFS。
   而较为适宜实现快照功能的层应该为卷管理层以及物理层。在这两个层中都不与特定的应用及文件系统相关。比较典型的例子有Linux 的LVM。而在硬件层次上实现快照又通常有许多种，在这个层次上实现的快照一般为封闭式系统，好处是性能是各种方式中最好的。但在这个层次上实现的快照也有一个不可避免的缺点，那就是不与特定的应用及文件系统关联，因此其就无法理解上层的应用业务逻辑，也就无法保证每个快照点都处于数据一致性状态。但这个缺点是可以通过其他方式减少或者消除的。比如在生成快照之前先对数据进行刷新操作，或者在恢复快照时对文件系统进行一致性检查等。
结束语
   计算技术不断在进步，存储技术同样也在进行着日新月异的变化。不同应用在不断地更新着对存储的需求。从持续数据保护（CDP）到重复数据删除（Dedup），从快照（Snapshot）到镜像（Mirror），从层级存储管理（HSM）到存储虚拟化（SV），直到云存储，未来存储技术的发展将朝着怎样的方向发展，我们拭目以待。

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