一種基于Linux 標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)的快照方法

張權(quán)，胡曉勤

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065）

一種基于Linux 標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)的快照方法

張權(quán)，胡曉勤

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065）

目前Linux已有的快照大部分都是對(duì)于邏輯卷（LVM）實(shí)現(xiàn)，而極少有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)進(jìn)行快照的實(shí)現(xiàn)，基于以上問題，提出一種基于虛擬重構(gòu)的快照方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)的快照。通過在通用塊層截獲Bio對(duì)源卷進(jìn)行寫時(shí)拷貝COW（Copy-On-Write），以及構(gòu)造虛擬塊設(shè)備實(shí)現(xiàn)I/O重定向機(jī)制，對(duì)數(shù)據(jù)卷的快照對(duì)外看作是一個(gè)只可讀的塊設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)快照。通過實(shí)驗(yàn)表明所提出的快照方法有效實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)進(jìn)行快照。

快照；寫時(shí)拷貝；虛擬塊設(shè)備；I/O重定向

0 引言

目前隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，隨之而來(lái)的是數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)以及數(shù)據(jù)重要性的不斷提升。不管是對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，還是個(gè)人來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)的保護(hù)是很重要的財(cái)富，而如果這些數(shù)據(jù)一旦丟失或遭受損壞，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失是無(wú)法估計(jì)的。在操作系統(tǒng)中，快照(Snapshot)是整個(gè)系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的狀態(tài)[1]。它存儲(chǔ)了系統(tǒng)映像，讓操作系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)，可以快速恢復(fù)到未出問題前的狀況。不管是備份，還是持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)（CDP），都是以快照為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的[2]，所以快照技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)保護(hù)領(lǐng)域至關(guān)重要。

Linux中常用的快照技術(shù)是基于邏輯卷管理器（LVM）基礎(chǔ)之上的，現(xiàn)階段的快照大多都只是針對(duì)邏輯卷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而如果我們希望對(duì)整個(gè)Linux系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，例如/boot目錄在安裝操作系統(tǒng)時(shí)就要求只能掛載于標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)。同時(shí)一些用戶也會(huì)將其他的目錄，例如根目錄，/home目錄也可能會(huì)掛載于標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)。那么針對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)，Linux下幾乎沒有實(shí)現(xiàn)快照。當(dāng)然，有一些軟件，例如TimeShift軟件，可以為各種目錄進(jìn)行快照，但其創(chuàng)建的快照不可讀，而且是基于文件系統(tǒng)的快照，這與我們要求的基于塊設(shè)備的快照要求不相符。

針對(duì)于Linux下標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)缺少基于塊層快照的問題，本文提出了一種基于虛擬重構(gòu)的快照方法，可以對(duì)Linux下標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)、邏輯分區(qū)都可以進(jìn)行快照，并能實(shí)現(xiàn)掛載、讀取數(shù)據(jù)、查看快照數(shù)據(jù)的功能，為用戶解決了對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)無(wú)法快照的問題。

1 基于標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)的快照方法技術(shù)原理

根據(jù)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)協(xié)會(huì)（Storage Networking Industry Association）對(duì)快照的定義：關(guān)于指定數(shù)據(jù)集合的一個(gè)完全可用的拷貝，該拷貝包括相應(yīng)數(shù)據(jù)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的映像。快照可以說(shuō)是數(shù)據(jù)的一個(gè)復(fù)制品，也可表示為數(shù)據(jù)的一個(gè)副本。

在進(jìn)行快照的時(shí)候，對(duì)原數(shù)據(jù)集合的寫入操作只可以發(fā)生于快照的創(chuàng)建之前或創(chuàng)建之后，在快照創(chuàng)建的這段時(shí)間內(nèi)，必須保證原數(shù)據(jù)集合是不會(huì)被更新，從而可以保證快照數(shù)據(jù)的一致性。

在快照的發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了寫時(shí)拷貝（Copy-On-Write，COW）技術(shù)[3]、寫重定向（Redirect On Write，ROW）技術(shù)、鏡像分離技術(shù)。

本文基于寫時(shí)拷貝技術(shù)實(shí)現(xiàn)快照。如圖1所示，寫時(shí)拷貝是每次在監(jiān)控到發(fā)現(xiàn)有新數(shù)據(jù)將要寫入時(shí)把將要被覆蓋的原數(shù)據(jù)拷貝出來(lái)之后再寫入，拷貝出的原數(shù)據(jù)放在劃分給快照使用的卷中，從而保證快照時(shí)間點(diǎn)之后對(duì)數(shù)據(jù)的更新不會(huì)影響到快照，也保證了快照的空間不會(huì)太大，也不用將分區(qū)中的所有數(shù)據(jù)都拷貝出來(lái)。在使用寫時(shí)拷貝的時(shí)候，需要先按照數(shù)據(jù)卷的大小來(lái)構(gòu)造一個(gè)位圖bitmap，每一位對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)卷上的一個(gè)數(shù)據(jù)塊，為1則表示已經(jīng)寫時(shí)拷貝過，為0則表示該塊是沒有拷貝到快照卷中的。

在監(jiān)控驅(qū)動(dòng)截獲到寫操作的時(shí)候，判斷其寫入位置的數(shù)據(jù)塊對(duì)應(yīng)bitmap的位是的值。如果該位為1，則直接寫入原數(shù)據(jù)卷。如果為0，則需要將原數(shù)據(jù)塊以及元數(shù)據(jù)寫入到快照卷后再完成對(duì)數(shù)據(jù)卷的寫入操作，并修改bitmap，置對(duì)應(yīng)位為1。其中，元數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括原數(shù)據(jù)卷的設(shè)備號(hào)、拷貝的數(shù)據(jù)塊在數(shù)據(jù)卷和快照卷中的偏移量、數(shù)據(jù)塊大小等內(nèi)容。

圖1 寫時(shí)拷貝快照示意圖

而鏡像分離技術(shù)，一般是通過硬件實(shí)現(xiàn)的[4]。該技術(shù)需要在創(chuàng)建快照之前先為原始卷準(zhǔn)備一個(gè)或多個(gè)物理鏡像，這些鏡像與原始卷完全同步，類似于RAID0的方式。當(dāng)需要快照時(shí)，鏡像與原始卷分離，從而鏡像卷中的數(shù)據(jù)是當(dāng)時(shí)原始卷的一個(gè)快照。顯然，與寫時(shí)拷貝技術(shù)相比，此方法占用存儲(chǔ)空間極大，依賴于硬件，并且刪除快照和恢復(fù)比較麻煩，同時(shí)也無(wú)法創(chuàng)建超過鏡像數(shù)目的快照。故而，本文不選該方法。

對(duì)于寫重定向方法（ROW），其實(shí)現(xiàn)方法類似于寫時(shí)拷貝技術(shù)，主要區(qū)別在于指針重映射技術(shù)對(duì)于原始數(shù)據(jù)的首次寫操作將被重新定向到預(yù)留的快照空間中。該快照維持的是指向所有源數(shù)據(jù)的指針以及數(shù)據(jù)拷貝。當(dāng)重寫數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)為更新過的數(shù)據(jù)選擇一個(gè)新的位置，并將指向該數(shù)據(jù)的指針也重新映射，使其指向更新后的數(shù)據(jù)。雖然寫重定向?qū)τ诳煺盏腎/O性能來(lái)說(shuō)，只需要一次寫操作，直接將新數(shù)據(jù)寫入快照空間并更新位圖映射指針，但是對(duì)于原數(shù)據(jù)的讀取來(lái)說(shuō)，會(huì)變得更復(fù)雜并且降低讀取效率。同時(shí)，最大的缺陷在于：當(dāng)刪除快照時(shí)，我們需要將快照空間中的數(shù)據(jù)全部覆蓋寫入原數(shù)據(jù)卷中，這樣對(duì)于快照刪除的那一段時(shí)間內(nèi)，原數(shù)據(jù)卷的I/O會(huì)變得效率底下，快照刪除困難。

綜上所述，選擇寫時(shí)拷貝技術(shù)作為本文的快照實(shí)現(xiàn)方法。

2 基于虛擬重構(gòu)的快照方法

在創(chuàng)建對(duì)數(shù)據(jù)卷的快照后，監(jiān)控驅(qū)動(dòng)會(huì)在Linux I/O棧的通用塊層截獲對(duì)數(shù)據(jù)卷的讀寫請(qǐng)求，并對(duì)寫請(qǐng)求進(jìn)行寫時(shí)拷貝操作。在創(chuàng)建快照的同時(shí)，在內(nèi)核層創(chuàng)建一個(gè)虛擬塊設(shè)備，從而對(duì)應(yīng)用層提供對(duì)快照的讀取等請(qǐng)求處理的操作。

通過創(chuàng)建虛擬重構(gòu)的方法，使得應(yīng)用層能夠?qū)⒖煺湛醋魇且粋€(gè)可讀可掛載的塊設(shè)備來(lái)進(jìn)行操作。如圖2，在內(nèi)核層創(chuàng)建一個(gè)塊設(shè)備所必須的通用磁盤描述結(jié)構(gòu)體gendisk，并初始化該結(jié)構(gòu)體的各種屬性和函數(shù)，將該塊設(shè)備在內(nèi)核中注冊(cè)（register_blkdev）后，再添加磁盤成功，從而對(duì)應(yīng)用層可以映射出一個(gè)虛擬塊設(shè)備，在/dev目錄下可以找到該虛擬塊設(shè)備并可以對(duì)其進(jìn)行讀取等操作。在構(gòu)造虛擬塊設(shè)備的請(qǐng)求隊(duì)列的處理函數(shù)，使用了I/O重定向的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)快照內(nèi)容的讀取操作。

通過位圖bitmap和元數(shù)據(jù)來(lái)得到快照對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊具體位置。當(dāng)應(yīng)用層對(duì)虛擬卷進(jìn)行讀取操作時(shí)根據(jù)其讀取數(shù)據(jù)塊的位置以及大小，再重定向I/O操作到對(duì)應(yīng)的卷中即可實(shí)現(xiàn)了快照的讀取操作。如圖3所示，在虛擬塊設(shè)備的請(qǐng)求隊(duì)列處理函數(shù)中可以截獲bio。如果該bio為寫時(shí)則結(jié)束請(qǐng)求；如果該bio為讀時(shí)，通過bio得到讀請(qǐng)求的數(shù)據(jù)塊位置和大小，通過該讀取請(qǐng)求的位置查找對(duì)應(yīng)的bitmap的位的值。當(dāng)bitmap對(duì)應(yīng)位為0時(shí)表示讀取快照的數(shù)據(jù)塊在原數(shù)據(jù)卷上，那么將bio中的設(shè)備號(hào)修改為原數(shù)據(jù)卷的設(shè)備號(hào)后下發(fā)到原數(shù)據(jù)卷的請(qǐng)求隊(duì)列中，從而實(shí)現(xiàn)重定向于原數(shù)據(jù)卷中完成讀??；當(dāng)bitmap對(duì)應(yīng)位為1時(shí)表示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊已經(jīng)經(jīng)過寫時(shí)拷貝，將查找元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體得到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊在快照卷中的具體位置，根據(jù)元數(shù)據(jù)內(nèi)容修改bio將其下發(fā)到快照卷請(qǐng)求隊(duì)列后即可完成I/O重定向操作。

圖2 虛擬塊設(shè)備創(chuàng)建流程

圖3 I/O重定向示意圖

通過創(chuàng)建虛擬塊設(shè)備，我們可以對(duì)于快照來(lái)進(jìn)行讀取、掛載等操作。這里我們將禁用對(duì)快照的寫入操作。從而將快照模擬成一個(gè)普通的塊設(shè)備對(duì)外提供服務(wù)。

3 基于Linux標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)的快照方法的具體實(shí)現(xiàn)

3.1 結(jié)構(gòu)定義

定義1數(shù)據(jù)塊（data block）：對(duì)本地原數(shù)據(jù)卷按偏移量及大小分塊，以數(shù)據(jù)塊為單位記錄數(shù)據(jù)塊的寫時(shí)拷貝和I/O重定向。每一個(gè)數(shù)據(jù)塊用塊號(hào)block_num唯一標(biāo)識(shí)，block_num=vol_off/block_sz，其中vol_off為數(shù)據(jù)卷的位置偏移，block_sz為數(shù)據(jù)塊大小。

定義2元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體（sp_metadata）:表示監(jiān)控驅(qū)動(dòng)snapshot_bd在截獲寫入操作時(shí)，該寫入操作的數(shù)據(jù)塊的偏移量、大小、截獲時(shí)間戳以及保存到快照數(shù)據(jù)卷中的位置。

定義3位圖（bitmap）:存儲(chǔ)原數(shù)據(jù)卷在創(chuàng)建快照之后，每個(gè)數(shù)據(jù)塊是否發(fā)生變化的標(biāo)志位。Bitmap的大小為vol_block_num/8字節(jié)，其中vol_block_num為整個(gè)數(shù)據(jù)卷的數(shù)據(jù)塊的個(gè)數(shù)。每個(gè)字節(jié)的8個(gè)bit存儲(chǔ)8個(gè)塊的變化狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊在快照創(chuàng)建之后被寫入置該位為1，未被寫入該位為0。

3.2 快照的創(chuàng)建以及寫時(shí)拷貝過程

本文將在以下步驟講解創(chuàng)建快照，以及監(jiān)控驅(qū)動(dòng)截獲對(duì)數(shù)據(jù)卷的寫操作并進(jìn)行寫時(shí)拷貝的過程，快照創(chuàng)建流程圖如圖4所示。具體步驟如下：

第1步創(chuàng)建快照服務(wù)驅(qū)動(dòng)snapshot_server_bd，對(duì)外提供ioctl接口，通過對(duì)/dev/snapshot_server_bd進(jìn)行ioctl控制，可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)、邏輯卷等塊設(shè)備的快照服務(wù)，以及刪除快照服務(wù)。

第2步創(chuàng)建快照，通過對(duì)/dev/snapshot_server_bd進(jìn)行ioctl接口的訪問，創(chuàng)建對(duì)指定分區(qū)的快照，snapshot_server_bd會(huì)生成對(duì)快照的數(shù)據(jù)卷進(jìn)行監(jiān)控I/O的虛擬塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)snapshot_bd。每針對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)卷創(chuàng)建快照都會(huì)生成一個(gè)監(jiān)控的虛擬塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)，其命名為snapshot_sdaN_XXX，其中sdaN表示的是進(jìn)行快照的數(shù)據(jù)卷設(shè)備名，XXX則表示為生成快照的時(shí)間戳。

第3步創(chuàng)建元數(shù)據(jù)鏈表，位圖bitmap，由于此時(shí)快照正處于創(chuàng)建期間元數(shù)據(jù)鏈表只有一個(gè)表頭，位圖bitmap每一位都置為0。

第4步修改數(shù)據(jù)卷的請(qǐng)求隊(duì)列（request queue）的處理函數(shù)make_request_fn，修改該函數(shù)從而實(shí)現(xiàn)截獲bio結(jié)構(gòu)體。如果該bio為讀取則按原I/O路徑下發(fā)。如果該bio為寫入操作，則找到該寫入位置對(duì)應(yīng)的bitmap的位是否為1，如果為1則直接寫入，如果為0則將進(jìn)行寫時(shí)拷貝操作。即，讀取該bio對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，并創(chuàng)建并填充元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，將原數(shù)據(jù)塊和元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體均寫入快照數(shù)據(jù)卷后，再將新的數(shù)據(jù)寫入下去，同時(shí)修改bitmap置對(duì)應(yīng)的位為1。

圖4 快照創(chuàng)建流程圖

3.3 快照的讀取流程

對(duì)于應(yīng)用層，可以對(duì)/dev目錄下的快照進(jìn)行讀取操作，快照讀取流程圖如圖5所示。

對(duì)于快照的讀操作，本文在生成的監(jiān)控驅(qū)動(dòng)的請(qǐng)求隊(duì)列的處理函數(shù)make_request_fn是這樣做的：當(dāng)有bio下發(fā)到隊(duì)列時(shí)，判斷其是否為讀，不是則直接結(jié)束操作。如果是讀的bio，則根據(jù)bio的偏移量來(lái)判斷bitmap對(duì)應(yīng)位置的值。如果為0，則讀取原數(shù)據(jù)卷的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊；如果為1，則讀取快照存儲(chǔ)卷中的數(shù)據(jù)塊。本文以bitmap和元數(shù)據(jù)鏈表來(lái)將對(duì)生存的快照的虛擬塊設(shè)備的I/O重定向，從而實(shí)現(xiàn)快照的可讀可掛載等功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

測(cè)試環(huán)境一臺(tái)服務(wù)器組成，具體配置如下表1所示。

測(cè)試工具：iozone3，一個(gè)文件系統(tǒng)的基準(zhǔn)工具，可以測(cè)試不同文件系統(tǒng)的讀寫性能，如可以連續(xù)讀寫、隨即讀寫，測(cè)試讀寫速度。

圖5 虛擬卷讀取流程圖

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)進(jìn)行快照，在快照之前將分區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算MD5的哈希值，然后在快照之后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量修改后，再對(duì)快照卷進(jìn)行讀取并計(jì)算MD5的哈希值。本實(shí)驗(yàn)將以上步驟實(shí)驗(yàn)了多次，其快照前的MD5值和快照的MD5值均相同。從而證明，本文的快照方法是有效的、可行的、無(wú)數(shù)據(jù)失效的。

表2 快照數(shù)據(jù)正確性測(cè)試結(jié)果

然后接下利用iozone3對(duì)于同樣大小的數(shù)據(jù)卷在進(jìn)行本文的快照方法snapshot_bd執(zhí)行快照后和LVM2的快照方法做了快照后測(cè)試原數(shù)據(jù)卷和快照卷的隨即讀寫速率。測(cè)試速度如表2和表3所示。

表3 LVM2快照和snapshot_bd快照的讀寫原數(shù)據(jù)卷速度對(duì)比表

表4 LVM2快照和snapshot_bd快照的讀快照卷速度對(duì)比表

對(duì)與本文提出的基于Linux標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)的快照實(shí)現(xiàn)方法，經(jīng)過測(cè)試可以看出是可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)與快照的各項(xiàng)要求的，同時(shí)經(jīng)過測(cè)試其快照導(dǎo)致的磁盤速度也是和LVM2的速度快上一點(diǎn)，但在速度上差距不大。但本方法在保證邏輯卷可以快照的前提下，也可以對(duì)Linux下的標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)進(jìn)行快照，對(duì)于企業(yè)和用戶來(lái)說(shuō)都是急需的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)于Linux下缺乏對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)進(jìn)行快照的方法，或者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)都只是基于文件系統(tǒng)層面且不可掛載和讀取的缺陷，設(shè)計(jì)了可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)、邏輯卷的基于塊設(shè)備層的可讀可掛載的快照方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的快照方法能夠?qū)崿F(xiàn)快照的數(shù)據(jù)一致性、可讀可掛載，從而解決了Linux下缺乏對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)進(jìn)行快照的問題。

[1]M.Rock，P.Poresky.Shorten Your Backup Window[J].Storage,Special Issue on Managing the Information that Drivers the Enterprise, 2005,6（9）.

[2]LI,Xiao，Tan,Yu-An，LI,Yuan-Zhang，Snapshot Method for Continuous Data Protection Systems:Snapshot Method for Continuous Data Protection Systems[J].Journal of Software,10/20/2011,Vol.22（10）：2523-2537.

[3]周煜，盧正添，易固武，葛亮.一種基于過濾驅(qū)動(dòng)的寫時(shí)拷貝快照方法[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010,Issue 3,pp.478-482.

[4]G.Duzy.Match Snaps to Apps[J].Storage,Special Issue on Managing the Information that Drives the Enterprise,2005,7（5）.

A Method of Snapshot Based on Linux Disk Partition

ZHANG Quan ，HU Xiao-qin
（College of Computer Science，Sichuan University,Chengdu 610065）

Current snapshot based on Linux are mostly achieved by Logical Volume(LVM),and there is few implementations of snapshot regarding the disk partitions.Based on all above problems,proposes a method of snapshot based on virtual reconstruction,which can get the snapshots of disk partitions.Copy-On-Write is performed by intercepting Bio at the generic block layer to write the disk volume,and creating virtual block device to implement the redirection mechanism.In this process,the snapshots for the data volume can be seen as a readonly block device,thereby achieve the snapshots for the disk partitions.Verified by the experiments,this implementation of snapshot can guarantee the effectiveness of snapshot for disk partitions.

Snapshot;COW;Virtual Block Device;I/O Redirection

1007-1423（2017）07-0029-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.07.008

張權(quán)（1991-），男，湖北棗陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全

胡曉勤（1977-），男，四川內(nèi)江人，博士，講師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全

2016-12-22

2017-02-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No.2016yfb00604、No.2016yfb00605）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.61572334）