基于卷的快照技術(shù)研究

【摘要】隨著計算機和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人類每日產(chǎn)生的信息量正以指數(shù)的級別增加。面對海量的數(shù)據(jù)，如何快速存儲數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的安全成為當(dāng)今社會的重要考驗。首先闡述了快照技術(shù)的現(xiàn)狀，并介紹了當(dāng)前主流的快照技術(shù)，然后詳細(xì)介紹了基于卷的快照技術(shù)，最后分析了該技術(shù)的應(yīng)用前景。該技術(shù)提高了時間和空間的利用率，有較好的應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】快照創(chuàng)建卷寫時復(fù)制克隆存儲備份

中圖分類號：TP31文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-07-0069-04

1 背景

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的信息化水平得到了空前的提高。在當(dāng)今時代，新聞、多媒體、航天技術(shù)、生物技術(shù)、電子圖書館、電子商務(wù)等大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的涌現(xiàn)，對計算機存儲及信息的安全提出了嚴(yán)峻的考驗。有數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)在每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量相當(dāng)于之前所有年代的數(shù)據(jù)量之和。另外黑客、病毒等因素還時時威脅著數(shù)據(jù)的安全，所以如何合理地存儲數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)的安全顯得尤為重要。

然而存儲技術(shù)的發(fā)展卻沒能完全跟上時代的步伐，雖然現(xiàn)在云存儲被炒得很火，但真正成熟的解決方案卻很少，在企業(yè)的存儲上，重要的數(shù)據(jù)還是依靠昂貴的磁陣來存儲。在數(shù)據(jù)備份方面還是一直采用數(shù)據(jù)復(fù)制、備份、恢復(fù)等技術(shù)來保護(hù)數(shù)據(jù)的安全，定期對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和復(fù)制。由于備份過程會影響性能，并且非常耗時，一般會選擇在系統(tǒng)較輕松的夜間進(jìn)行。

顯然，這種數(shù)據(jù)存儲方式存在非常嚴(yán)重的不足。在備份期間，企業(yè)需要暫停對外的服務(wù)，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，這個時間可能會越來越長。但現(xiàn)在許多應(yīng)用，如銀行、網(wǎng)上支付等，都要求24小時不間斷營業(yè)，短暫的間斷可能會帶來巨大的損失。另外，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分享方式帶來了巨大的存儲浪費，例如同樣一份數(shù)據(jù)，每個用戶都會備份一份。而快照技術(shù)則可以彌補這些不足，因此處在不斷的發(fā)展之中。

2 當(dāng)前主流技術(shù)

（1）鏡像分享

顧名思義，鏡像分享需要一個完整的物理鏡像，同一份數(shù)據(jù)需寫在兩個設(shè)備上。當(dāng)需要創(chuàng)建快照時，停止鏡像卷的寫操作，鏡像被保存為一個快照。當(dāng)需要新的快照時，需要重新準(zhǔn)備一個物理卷，并與源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

優(yōu)點：有完整的物理備份，安全；窗口時間小，基本不會影響使用。

缺點：每個備份都需要完整的物理設(shè)備，成本高；需要完整的數(shù)據(jù)同步后才能創(chuàng)建快照，不夠靈活。

（2）寫時復(fù)制

寫時復(fù)制在創(chuàng)建快照的時候，并不會發(fā)生真實的數(shù)據(jù)拷貝，而僅僅是復(fù)制當(dāng)前卷的元數(shù)據(jù)，因為元數(shù)據(jù)非常小，所以整個過程幾乎在一瞬間完成。當(dāng)原始卷有數(shù)據(jù)修改時，首先將這塊數(shù)據(jù)讀出來，寫入給快照預(yù)留的空間，然后再將新的數(shù)據(jù)寫入原始卷。因為在寫數(shù)據(jù)時才會對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，因而得名。

優(yōu)點：創(chuàng)建快照快，不需要完整的物理設(shè)備，成本小。

缺點：沒有完整的物理備份，有風(fēng)險。

（3）指針重映射

指針重映射與寫時復(fù)制基本類似，創(chuàng)建快照時也不會發(fā)生數(shù)據(jù)拷貝。區(qū)別在于當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)改變時，系統(tǒng)直接將新的數(shù)據(jù)寫入新分配的空間，并將數(shù)據(jù)的指針指向新分配的區(qū)域。而原來的數(shù)據(jù)空間作為快照空間被保存下來。與寫時復(fù)制相比，指針重映射加快了寫操作，每次寫少了一次IO操作。

（4）日志文件

日志文件是指對文件系統(tǒng)的每一次寫操作都寫上日志，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以通過日志來恢復(fù)信息。這種技術(shù)主要用于ext3等本地文件系統(tǒng)中，有時也用于分布式系統(tǒng)的主備同步機制上。

（5）克隆快照

克隆快照可以理解為鏡像分享和寫時復(fù)制的結(jié)合。首先利用寫時復(fù)制創(chuàng)建一個快照，然后在后臺啟動一個進(jìn)程，將快照復(fù)制到一個獨立的設(shè)備，以保證數(shù)據(jù)的安全。

3 基于分布式的快照

前面講了很多的快照技術(shù)，各有其優(yōu)缺點。這里介紹的快照技術(shù)與寫時復(fù)制比較相似，但使用上更靈活，能適用于很多場景。

在大多數(shù)企業(yè)，都會有一個知識庫，所有的人都可以從上面取資料，但是不能修改，如果要修改必須重新拷貝一份至本地。但大多數(shù)人都有一個習(xí)慣，即使不修改，也會拷貝一份至本地磁盤，以便隨時查看。這樣，一份文檔可能在公司里存在幾千甚至幾萬份，公司給員工都配備了大容量的硬盤，結(jié)果還是不夠用，那么有沒有辦法能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)只保存一份而又能滿足隨時修改的需求呢？

再來看另外一個場景，公司每個人的電腦都要裝操作系統(tǒng)，而對于操作系統(tǒng)里面的文件，大部分都是用不著修改的。以Windows 7為例計算，假設(shè)一個系統(tǒng)占據(jù)10G，一個公司共有1 000名員工，那么僅系統(tǒng)占的空間就是10T，有什么辦法能節(jié)省空間呢？

3.1卷的創(chuàng)建

快照的核心是卷的管理，所有的快照都是基于卷來創(chuàng)建的。這里講的卷與傳統(tǒng)意義上的卷是有區(qū)別的：卷既可以是單機的，也可以是分布式的；卷是寫時分配的，即在創(chuàng)建卷時是不會分配任何空間的，只有在真正寫數(shù)據(jù)時才會分配空間。

假設(shè)有一個存儲單元，其容量是1T，需要在上面創(chuàng)建一個10G的卷，將塊大小設(shè)置為512k，那么得到的是一個如圖1所示的卷：

圖1存儲單元創(chuàng)建卷示意圖

塊的大小可以根據(jù)業(yè)務(wù)的需要而定，對于存儲大文件的系統(tǒng)，可以將塊盡量設(shè)的大一點。例如HDFS默認(rèn)的塊大小是64M，如果是存儲小文件，可以考慮將塊設(shè)小一點。一般情況下推薦用512k或1M。當(dāng)然也可以用一些合并技術(shù)來解決數(shù)據(jù)冗余的問題。

寫時分配也是一個很重要的概念，業(yè)界很多系統(tǒng)都使用了這個技術(shù)，例如前段時間打得火熱的網(wǎng)盤大戰(zhàn)，騰訊、百度、360分別將其提供的免費容量提升至T級別，其實除了極個別用戶，大部分都只使用少部分空間，企業(yè)并不需要為這一措施購買大量的存儲。

創(chuàng)建卷后就可以在卷上創(chuàng)建文件系統(tǒng)或?qū)憯?shù)據(jù)了，每個邏輯塊所對應(yīng)的磁盤位置通過一定的算法進(jìn)行定位。

3.2快照的創(chuàng)建

在創(chuàng)建快照前有必要介紹一下快照與卷的關(guān)系，所有的快照都是在卷上創(chuàng)建的，快照是只讀的，卷是可寫的。可以基于快照創(chuàng)建卷，所有基于快照創(chuàng)建的卷上都保留有快照上所有數(shù)據(jù)。其關(guān)系如圖2所示：

圖2快照與卷的關(guān)系

對于卷和快照的操作主要包含以下三個方面：

◆創(chuàng)建卷（圖2左側(cè)）；

◆基于當(dāng)前卷創(chuàng)建快照（圖2中間）；

◆基于快照創(chuàng)建卷（圖2右側(cè)）。

為了更好地定位到每個卷對應(yīng)的數(shù)據(jù)及位置，這里定義了一組KEY：

KEY(volum_id, branch_id, snap_id, block_id)

volum_id：如果卷或快照具有同一個根節(jié)點，那他們就具有相同的volum_id；

branch_id：每基于快照創(chuàng)建一個卷，那么這個卷就產(chǎn)生一個新的branck_id；

snap_id：在同一個分支下，snap_id遞增，例如圖3中間，快照1的snap_id是0，卷1的sna_id是1；

block_id：如圖1，每個塊對應(yīng)一個block_id，并遞增。

有了上面這組KEY，就可以很方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作了。

圖3讀數(shù)據(jù)操作

3.3讀數(shù)據(jù)

邏輯卷上的每一個塊，都有一個對應(yīng)的KEY，KEY上面記錄了這個塊上是否有數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)的話，記錄數(shù)據(jù)存放的位置。如圖3所示，塊1、2、4、5、7、9上是有數(shù)據(jù)的，其中7、9所對應(yīng)的KEY分別為(0,0,0,6)、(0,0,0,8)。

endprint

假如此時有請求過來需要訪問塊7的數(shù)據(jù)，塊7的KEY是(0,0,1,6)，檢查發(fā)現(xiàn)其上沒有數(shù)據(jù)，于是尋找其父節(jié)點，找到7，7上有數(shù)據(jù)，于是將數(shù)據(jù)讀出。如果請求的是塊6的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上面沒有數(shù)據(jù)，向上尋找父節(jié)點6，也沒有數(shù)據(jù)，再向上尋找，直到找到根節(jié)點為止，此處6已經(jīng)是根節(jié)點，所以認(rèn)為塊6是空的。

由此可以看到，卷1上本身是沒有數(shù)據(jù)的，但是通過父節(jié)點可以讀到數(shù)據(jù)。這同樣適用于卷2，卷1和卷2共享數(shù)據(jù)卻互不干擾。

3.4寫數(shù)據(jù)

假如收到一個請求，需要修改塊1(0,0,1,0)的數(shù)據(jù)，首先按讀數(shù)據(jù)的步驟，將塊1(0,0,0,0)的數(shù)據(jù)讀至內(nèi)存，將需要修改的部分修改，然后再將修改后的數(shù)據(jù)寫入塊1。如果寫的數(shù)據(jù)是一個完整的塊，那么無需執(zhí)行讀動作，直接將數(shù)據(jù)寫入塊1即可。第三種情況，如果需要修改塊3(0,0,1,2)，執(zhí)行讀動作時，發(fā)現(xiàn)這個塊上沒有數(shù)據(jù)，那么無需修改，直接將數(shù)據(jù)寫入塊3即可，如圖4所示：

圖4寫數(shù)據(jù)操作

卷2也可以執(zhí)行同樣的操作，其修改的數(shù)據(jù)保存在自己的邏輯空間里，然后通過一定的算法映射到磁盤的某個位置。

3.5分析

對于這一套快照機制，其有如下顯著的特點：

（1）創(chuàng)建快照非常快，基本不會對系統(tǒng)有任何的負(fù)擔(dān)；

（2）可以根據(jù)快照讀取全量的數(shù)據(jù)；

（3）非常方便數(shù)據(jù)共享，只需基于某快照創(chuàng)建一個卷給用戶使用，就可以讓該用戶擁有這份數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是用戶并不需要將數(shù)據(jù)拷貝至本地再做備份；

（4）對于快照和卷的數(shù)量沒有限制，理論上可以無限創(chuàng)建；

（5）由于是基于邏輯的方式創(chuàng)建卷，所以只需簡單的邏輯就可以實現(xiàn)卷的動態(tài)擴縮容。

這套機制當(dāng)然也有缺點：數(shù)據(jù)并沒有做到真正意義上的容災(zāi)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么所有數(shù)據(jù)可能丟失，當(dāng)然，想要高的可靠性就還需要其它特征來支持，例如多副本、集群化管理等。

4 基于卷的快照技術(shù)應(yīng)用

4.1單機應(yīng)用

對于單機來說，可以設(shè)計一套類似于LVM的卷管理軟件來取代LVM，在未創(chuàng)建快照時可以提供與LVM等同的功能，創(chuàng)建快照后可以為多用戶提供靈活的需求。如圖5所示：

圖5快照技術(shù)在單機上的應(yīng)用

4.2分布式應(yīng)用

對于分布式來說，其與單機的要求類似，單臺機器并不用太關(guān)心其它機器上數(shù)據(jù)分布情況。當(dāng)用戶要求創(chuàng)建卷時，系統(tǒng)會根據(jù)一定的規(guī)則選擇一個節(jié)點或一臺主機，如果有副本則選擇多個節(jié)點或主機，然后這個卷上的所有操作都會發(fā)送至這個節(jié)點，與單機處理模式一樣。只是有多副本時還需要考慮數(shù)據(jù)一致性的問題。

4.3應(yīng)用前景

（1）虛擬機

現(xiàn)在很多公司在計劃虛擬機，采用虛擬機除了可以讓資源得到統(tǒng)一管理、減少PC的采購、信息安全外，還有一個很重要的點就是節(jié)省資源，這是當(dāng)前大部分系統(tǒng)都不具備的功能。假設(shè)某公司要搭建一個虛擬機系統(tǒng)，公司總共有1萬人，按照每個人40G系統(tǒng)盤、200G數(shù)據(jù)盤來計劃，不包含副本的情況下，需要2 400T的存儲空間。采用上述快照方案后，首先創(chuàng)建一個卷用來卷操作系統(tǒng)，然后創(chuàng)建快照，再基于這個快照創(chuàng)建1萬個卷。這需要的空間為2 000T+40G。節(jié)省了16.7%的資源，如果再加上資源共享部分，能節(jié)省的空間更多。

（2）網(wǎng)盤

網(wǎng)盤是當(dāng)前非常流行的一個應(yīng)用，廠商動不動就給用戶提供上G甚至T級的空間，如果用戶上百萬或千萬，那這個存儲需求是驚人的。但其實真正用到這么大的空間的是少數(shù)，大部分用戶只是用到了其中一小部分，這樣采用使用時分配的原則，可以節(jié)省大量的資源。

（3）企業(yè)資料共享

說到企業(yè)的資料共享，基本每個企業(yè)都有一個龐大的資料庫，往往是存放在一個共享主機上，員工通過網(wǎng)絡(luò)訪問，這樣不僅會造成高峰期的網(wǎng)絡(luò)阻塞，并且同樣的文檔在每個用戶的機器上都會存在一份，特別是對于大型的軟件，例如Office、Oracle等，造成重復(fù)存放，浪費大量的空間。這時可以考慮上面的方案，使用快照軟件創(chuàng)建一個卷，然后將資料放到這個卷上，創(chuàng)建快照，基于這個快照創(chuàng)建任意多的卷，給每個員工一個可用的卷，員工直接將卷掛載在本地當(dāng)本地磁盤使用。這樣給每個員工的數(shù)據(jù)磁盤可以大大減小。當(dāng)然，這里還會涉及到信息管理的問題。

（4）數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)

除了上面的應(yīng)用，基于卷的快照技術(shù)還有備份與恢復(fù)、隨時備份、隨時恢復(fù)的功能。

5 總結(jié)

快照技術(shù)自發(fā)明以來，一直在不斷的發(fā)展，人們對其進(jìn)行了大量的改進(jìn)，時間和空間的利用率都得到了不同程度的提高。而基于卷的快照管理是在當(dāng)前快照技術(shù)基礎(chǔ)上對時間和空間利用的改進(jìn)，如果能合理地利用，其價值將不可限量。

近年來，存儲的發(fā)展日新月異，不斷有新產(chǎn)品問世。隨著人類技術(shù)的積累，未來還會有更多的快照技術(shù)問世，能有效地解決當(dāng)前存在的時間、性能、安全性方面的問題，為數(shù)據(jù)存儲和備份領(lǐng)域提供長足的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉愛貴. 快照（Snapshot）技術(shù)發(fā)展綜述[EB/OL]. (2009-08-28). http://blog.csdn.net/liuaigui/article/details/4494555.

[2] 李中,王剛,劉璟. 一種在存儲子系統(tǒng)中實現(xiàn)連續(xù)時間點快照的技術(shù)[J]. 計算機工程與應(yīng)用, 2004(9).

[3] 李亮. 一種基于持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)的鏡像系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010.

[4] 袁曉銘. 磁盤陣列系統(tǒng)的快照技術(shù)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2007.

[5] 海杰. 設(shè)備層多版本快照的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2008.★

作者簡介

江乾榮：系統(tǒng)架構(gòu)師，學(xué)士畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動（深圳）有限公司，主要從事云存儲和云計算的研究工作。

endprint

假如此時有請求過來需要訪問塊7的數(shù)據(jù)，塊7的KEY是(0,0,1,6)，檢查發(fā)現(xiàn)其上沒有數(shù)據(jù)，于是尋找其父節(jié)點，找到7，7上有數(shù)據(jù)，于是將數(shù)據(jù)讀出。如果請求的是塊6的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上面沒有數(shù)據(jù)，向上尋找父節(jié)點6，也沒有數(shù)據(jù)，再向上尋找，直到找到根節(jié)點為止，此處6已經(jīng)是根節(jié)點，所以認(rèn)為塊6是空的。

由此可以看到，卷1上本身是沒有數(shù)據(jù)的，但是通過父節(jié)點可以讀到數(shù)據(jù)。這同樣適用于卷2，卷1和卷2共享數(shù)據(jù)卻互不干擾。

3.4寫數(shù)據(jù)

假如收到一個請求，需要修改塊1(0,0,1,0)的數(shù)據(jù)，首先按讀數(shù)據(jù)的步驟，將塊1(0,0,0,0)的數(shù)據(jù)讀至內(nèi)存，將需要修改的部分修改，然后再將修改后的數(shù)據(jù)寫入塊1。如果寫的數(shù)據(jù)是一個完整的塊，那么無需執(zhí)行讀動作，直接將數(shù)據(jù)寫入塊1即可。第三種情況，如果需要修改塊3(0,0,1,2)，執(zhí)行讀動作時，發(fā)現(xiàn)這個塊上沒有數(shù)據(jù)，那么無需修改，直接將數(shù)據(jù)寫入塊3即可，如圖4所示：

圖4寫數(shù)據(jù)操作

卷2也可以執(zhí)行同樣的操作，其修改的數(shù)據(jù)保存在自己的邏輯空間里，然后通過一定的算法映射到磁盤的某個位置。

3.5分析

對于這一套快照機制，其有如下顯著的特點：

（1）創(chuàng)建快照非?？?，基本不會對系統(tǒng)有任何的負(fù)擔(dān)；

（2）可以根據(jù)快照讀取全量的數(shù)據(jù)；

（3）非常方便數(shù)據(jù)共享，只需基于某快照創(chuàng)建一個卷給用戶使用，就可以讓該用戶擁有這份數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是用戶并不需要將數(shù)據(jù)拷貝至本地再做備份；

（4）對于快照和卷的數(shù)量沒有限制，理論上可以無限創(chuàng)建；

（5）由于是基于邏輯的方式創(chuàng)建卷，所以只需簡單的邏輯就可以實現(xiàn)卷的動態(tài)擴縮容。

這套機制當(dāng)然也有缺點：數(shù)據(jù)并沒有做到真正意義上的容災(zāi)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么所有數(shù)據(jù)可能丟失，當(dāng)然，想要高的可靠性就還需要其它特征來支持，例如多副本、集群化管理等。

4 基于卷的快照技術(shù)應(yīng)用

4.1單機應(yīng)用

對于單機來說，可以設(shè)計一套類似于LVM的卷管理軟件來取代LVM，在未創(chuàng)建快照時可以提供與LVM等同的功能，創(chuàng)建快照后可以為多用戶提供靈活的需求。如圖5所示：

圖5快照技術(shù)在單機上的應(yīng)用

4.2分布式應(yīng)用

對于分布式來說，其與單機的要求類似，單臺機器并不用太關(guān)心其它機器上數(shù)據(jù)分布情況。當(dāng)用戶要求創(chuàng)建卷時，系統(tǒng)會根據(jù)一定的規(guī)則選擇一個節(jié)點或一臺主機，如果有副本則選擇多個節(jié)點或主機，然后這個卷上的所有操作都會發(fā)送至這個節(jié)點，與單機處理模式一樣。只是有多副本時還需要考慮數(shù)據(jù)一致性的問題。

4.3應(yīng)用前景

（1）虛擬機

現(xiàn)在很多公司在計劃虛擬機，采用虛擬機除了可以讓資源得到統(tǒng)一管理、減少PC的采購、信息安全外，還有一個很重要的點就是節(jié)省資源，這是當(dāng)前大部分系統(tǒng)都不具備的功能。假設(shè)某公司要搭建一個虛擬機系統(tǒng)，公司總共有1萬人，按照每個人40G系統(tǒng)盤、200G數(shù)據(jù)盤來計劃，不包含副本的情況下，需要2 400T的存儲空間。采用上述快照方案后，首先創(chuàng)建一個卷用來卷操作系統(tǒng)，然后創(chuàng)建快照，再基于這個快照創(chuàng)建1萬個卷。這需要的空間為2 000T+40G。節(jié)省了16.7%的資源，如果再加上資源共享部分，能節(jié)省的空間更多。

（2）網(wǎng)盤

網(wǎng)盤是當(dāng)前非常流行的一個應(yīng)用，廠商動不動就給用戶提供上G甚至T級的空間，如果用戶上百萬或千萬，那這個存儲需求是驚人的。但其實真正用到這么大的空間的是少數(shù)，大部分用戶只是用到了其中一小部分，這樣采用使用時分配的原則，可以節(jié)省大量的資源。

（3）企業(yè)資料共享

說到企業(yè)的資料共享，基本每個企業(yè)都有一個龐大的資料庫，往往是存放在一個共享主機上，員工通過網(wǎng)絡(luò)訪問，這樣不僅會造成高峰期的網(wǎng)絡(luò)阻塞，并且同樣的文檔在每個用戶的機器上都會存在一份，特別是對于大型的軟件，例如Office、Oracle等，造成重復(fù)存放，浪費大量的空間。這時可以考慮上面的方案，使用快照軟件創(chuàng)建一個卷，然后將資料放到這個卷上，創(chuàng)建快照，基于這個快照創(chuàng)建任意多的卷，給每個員工一個可用的卷，員工直接將卷掛載在本地當(dāng)本地磁盤使用。這樣給每個員工的數(shù)據(jù)磁盤可以大大減小。當(dāng)然，這里還會涉及到信息管理的問題。

（4）數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)

除了上面的應(yīng)用，基于卷的快照技術(shù)還有備份與恢復(fù)、隨時備份、隨時恢復(fù)的功能。

5 總結(jié)

快照技術(shù)自發(fā)明以來，一直在不斷的發(fā)展，人們對其進(jìn)行了大量的改進(jìn)，時間和空間的利用率都得到了不同程度的提高。而基于卷的快照管理是在當(dāng)前快照技術(shù)基礎(chǔ)上對時間和空間利用的改進(jìn)，如果能合理地利用，其價值將不可限量。

近年來，存儲的發(fā)展日新月異，不斷有新產(chǎn)品問世。隨著人類技術(shù)的積累，未來還會有更多的快照技術(shù)問世，能有效地解決當(dāng)前存在的時間、性能、安全性方面的問題，為數(shù)據(jù)存儲和備份領(lǐng)域提供長足的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉愛貴. 快照（Snapshot）技術(shù)發(fā)展綜述[EB/OL]. (2009-08-28). http://blog.csdn.net/liuaigui/article/details/4494555.

[2] 李中,王剛,劉璟. 一種在存儲子系統(tǒng)中實現(xiàn)連續(xù)時間點快照的技術(shù)[J]. 計算機工程與應(yīng)用, 2004(9).

[3] 李亮. 一種基于持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)的鏡像系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010.

[4] 袁曉銘. 磁盤陣列系統(tǒng)的快照技術(shù)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2007.

[5] 海杰. 設(shè)備層多版本快照的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2008.★

作者簡介

江乾榮：系統(tǒng)架構(gòu)師，學(xué)士畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動（深圳）有限公司，主要從事云存儲和云計算的研究工作。

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假如此時有請求過來需要訪問塊7的數(shù)據(jù)，塊7的KEY是(0,0,1,6)，檢查發(fā)現(xiàn)其上沒有數(shù)據(jù)，于是尋找其父節(jié)點，找到7，7上有數(shù)據(jù)，于是將數(shù)據(jù)讀出。如果請求的是塊6的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上面沒有數(shù)據(jù)，向上尋找父節(jié)點6，也沒有數(shù)據(jù)，再向上尋找，直到找到根節(jié)點為止，此處6已經(jīng)是根節(jié)點，所以認(rèn)為塊6是空的。

由此可以看到，卷1上本身是沒有數(shù)據(jù)的，但是通過父節(jié)點可以讀到數(shù)據(jù)。這同樣適用于卷2，卷1和卷2共享數(shù)據(jù)卻互不干擾。

3.4寫數(shù)據(jù)

假如收到一個請求，需要修改塊1(0,0,1,0)的數(shù)據(jù)，首先按讀數(shù)據(jù)的步驟，將塊1(0,0,0,0)的數(shù)據(jù)讀至內(nèi)存，將需要修改的部分修改，然后再將修改后的數(shù)據(jù)寫入塊1。如果寫的數(shù)據(jù)是一個完整的塊，那么無需執(zhí)行讀動作，直接將數(shù)據(jù)寫入塊1即可。第三種情況，如果需要修改塊3(0,0,1,2)，執(zhí)行讀動作時，發(fā)現(xiàn)這個塊上沒有數(shù)據(jù)，那么無需修改，直接將數(shù)據(jù)寫入塊3即可，如圖4所示：

圖4寫數(shù)據(jù)操作

卷2也可以執(zhí)行同樣的操作，其修改的數(shù)據(jù)保存在自己的邏輯空間里，然后通過一定的算法映射到磁盤的某個位置。

3.5分析

對于這一套快照機制，其有如下顯著的特點：

（1）創(chuàng)建快照非常快，基本不會對系統(tǒng)有任何的負(fù)擔(dān)；

（2）可以根據(jù)快照讀取全量的數(shù)據(jù)；

（3）非常方便數(shù)據(jù)共享，只需基于某快照創(chuàng)建一個卷給用戶使用，就可以讓該用戶擁有這份數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是用戶并不需要將數(shù)據(jù)拷貝至本地再做備份；

（4）對于快照和卷的數(shù)量沒有限制，理論上可以無限創(chuàng)建；

（5）由于是基于邏輯的方式創(chuàng)建卷，所以只需簡單的邏輯就可以實現(xiàn)卷的動態(tài)擴縮容。

這套機制當(dāng)然也有缺點：數(shù)據(jù)并沒有做到真正意義上的容災(zāi)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么所有數(shù)據(jù)可能丟失，當(dāng)然，想要高的可靠性就還需要其它特征來支持，例如多副本、集群化管理等。

4 基于卷的快照技術(shù)應(yīng)用

4.1單機應(yīng)用

對于單機來說，可以設(shè)計一套類似于LVM的卷管理軟件來取代LVM，在未創(chuàng)建快照時可以提供與LVM等同的功能，創(chuàng)建快照后可以為多用戶提供靈活的需求。如圖5所示：

圖5快照技術(shù)在單機上的應(yīng)用

4.2分布式應(yīng)用

對于分布式來說，其與單機的要求類似，單臺機器并不用太關(guān)心其它機器上數(shù)據(jù)分布情況。當(dāng)用戶要求創(chuàng)建卷時，系統(tǒng)會根據(jù)一定的規(guī)則選擇一個節(jié)點或一臺主機，如果有副本則選擇多個節(jié)點或主機，然后這個卷上的所有操作都會發(fā)送至這個節(jié)點，與單機處理模式一樣。只是有多副本時還需要考慮數(shù)據(jù)一致性的問題。

4.3應(yīng)用前景

（1）虛擬機

現(xiàn)在很多公司在計劃虛擬機，采用虛擬機除了可以讓資源得到統(tǒng)一管理、減少PC的采購、信息安全外，還有一個很重要的點就是節(jié)省資源，這是當(dāng)前大部分系統(tǒng)都不具備的功能。假設(shè)某公司要搭建一個虛擬機系統(tǒng)，公司總共有1萬人，按照每個人40G系統(tǒng)盤、200G數(shù)據(jù)盤來計劃，不包含副本的情況下，需要2 400T的存儲空間。采用上述快照方案后，首先創(chuàng)建一個卷用來卷操作系統(tǒng)，然后創(chuàng)建快照，再基于這個快照創(chuàng)建1萬個卷。這需要的空間為2 000T+40G。節(jié)省了16.7%的資源，如果再加上資源共享部分，能節(jié)省的空間更多。

（2）網(wǎng)盤

網(wǎng)盤是當(dāng)前非常流行的一個應(yīng)用，廠商動不動就給用戶提供上G甚至T級的空間，如果用戶上百萬或千萬，那這個存儲需求是驚人的。但其實真正用到這么大的空間的是少數(shù)，大部分用戶只是用到了其中一小部分，這樣采用使用時分配的原則，可以節(jié)省大量的資源。

（3）企業(yè)資料共享

說到企業(yè)的資料共享，基本每個企業(yè)都有一個龐大的資料庫，往往是存放在一個共享主機上，員工通過網(wǎng)絡(luò)訪問，這樣不僅會造成高峰期的網(wǎng)絡(luò)阻塞，并且同樣的文檔在每個用戶的機器上都會存在一份，特別是對于大型的軟件，例如Office、Oracle等，造成重復(fù)存放，浪費大量的空間。這時可以考慮上面的方案，使用快照軟件創(chuàng)建一個卷，然后將資料放到這個卷上，創(chuàng)建快照，基于這個快照創(chuàng)建任意多的卷，給每個員工一個可用的卷，員工直接將卷掛載在本地當(dāng)本地磁盤使用。這樣給每個員工的數(shù)據(jù)磁盤可以大大減小。當(dāng)然，這里還會涉及到信息管理的問題。

（4）數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)

除了上面的應(yīng)用，基于卷的快照技術(shù)還有備份與恢復(fù)、隨時備份、隨時恢復(fù)的功能。

5 總結(jié)

快照技術(shù)自發(fā)明以來，一直在不斷的發(fā)展，人們對其進(jìn)行了大量的改進(jìn)，時間和空間的利用率都得到了不同程度的提高。而基于卷的快照管理是在當(dāng)前快照技術(shù)基礎(chǔ)上對時間和空間利用的改進(jìn)，如果能合理地利用，其價值將不可限量。

近年來，存儲的發(fā)展日新月異，不斷有新產(chǎn)品問世。隨著人類技術(shù)的積累，未來還會有更多的快照技術(shù)問世，能有效地解決當(dāng)前存在的時間、性能、安全性方面的問題，為數(shù)據(jù)存儲和備份領(lǐng)域提供長足的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉愛貴. 快照（Snapshot）技術(shù)發(fā)展綜述[EB/OL]. (2009-08-28). http://blog.csdn.net/liuaigui/article/details/4494555.

[2] 李中,王剛,劉璟. 一種在存儲子系統(tǒng)中實現(xiàn)連續(xù)時間點快照的技術(shù)[J]. 計算機工程與應(yīng)用, 2004(9).

[3] 李亮. 一種基于持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)的鏡像系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010.

[4] 袁曉銘. 磁盤陣列系統(tǒng)的快照技術(shù)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2007.

[5] 海杰. 設(shè)備層多版本快照的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2008.★

作者簡介

江乾榮：系統(tǒng)架構(gòu)師，學(xué)士畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動（深圳）有限公司，主要從事云存儲和云計算的研究工作。

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