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本文由許登博 發(fā)表于云+社區(qū)專欄

原創(chuàng)聲明：本文首發(fā)騰訊云·云+社區(qū)，未經(jīng)允許，不得轉(zhuǎn)載

前言

存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會(huì)SNIA（StorageNetworking Industry Association）快照的定義：關(guān)于指定數(shù)據(jù)集合的一個(gè)完全可用拷貝，該拷貝包括相應(yīng)數(shù)據(jù)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)（拷貝開始的時(shí)間點(diǎn)）的映像。快照可以是其所表示的數(shù)據(jù)的一個(gè)副本，也可以是數(shù)據(jù)的一個(gè)復(fù)制品。

需要注意的是：快照是完全可用的拷貝，但不是一份完整的拷貝，至于為什么，后面會(huì)詳細(xì)講。

存儲(chǔ)快照的使用場(chǎng)景

場(chǎng)景一：

存儲(chǔ)快照，是一種數(shù)據(jù)保護(hù)措施，可以對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的保護(hù)，通俗地講，可以理解為----后悔藥。

如上圖，假設(shè)在t0時(shí)刻，有一份完整的源數(shù)據(jù)，我們?cè)趖1時(shí)刻，針對(duì)這份源數(shù)據(jù)創(chuàng)建一份快照。

t2時(shí)刻，若因?yàn)楦鞣N原因（誤操作、系統(tǒng)錯(cuò)誤等）導(dǎo)致源數(shù)據(jù)損毀，那么，我們可以通過(guò)回滾（rollback）快照，將源數(shù)據(jù)恢復(fù)至快照創(chuàng)建時(shí)的狀態(tài)（即t1時(shí)刻），這樣，可以盡量降低數(shù)據(jù)損失（損失的數(shù)據(jù)，是t1到t2之間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)）。

這種功能，常用于銀行、公安戶籍、科研單位等。操作系統(tǒng)、軟件升級(jí)或機(jī)房設(shè)備更替，一般會(huì)選擇在夜間或其他無(wú)生產(chǎn)業(yè)務(wù)時(shí)，進(jìn)行高危操作，操作前會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快照，若操作失敗，則將快照進(jìn)行rollback，將源數(shù)據(jù)恢復(fù)至操作前的狀態(tài)。

場(chǎng)景2：

前言中說(shuō)過(guò)，快照是一份完全可用的副本，那么，它完全可以被上層業(yè)務(wù)當(dāng)做源數(shù)據(jù)。

如上圖，針對(duì)源數(shù)據(jù)，創(chuàng)建快照后，將快照卷映射給其他上層業(yè)務(wù)，可以用于數(shù)據(jù)挖掘和開發(fā)測(cè)試等工作，針對(duì)快照的讀操作不影響源卷的數(shù)據(jù)。

這種功能，常用于直播（視頻&圖片）鑒黃、科研數(shù)據(jù)模擬開發(fā)測(cè)試等，比如，視頻直播平臺(tái)需要將某一段時(shí)間的視頻提供給執(zhí)法機(jī)構(gòu)進(jìn)行篩查分析，那么可以通過(guò)對(duì)特定時(shí)間點(diǎn)保存的數(shù)據(jù)創(chuàng)建快照，將快照映射給執(zhí)法機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)主機(jī)去進(jìn)行挖掘分析。

存儲(chǔ)快照的實(shí)現(xiàn)原理

目前，快照的實(shí)現(xiàn)方式均由各個(gè)廠商自行決定，但主要技術(shù)分為2類，一種是寫時(shí)拷貝COW（Copy On Write），另一種，是寫重定向ROW（Redirect On Write）。

寫時(shí)拷貝COW

COW(Copy-On-Write)，寫時(shí)拷貝，也稱為寫前拷貝。

創(chuàng)建快照以后，如果源卷的數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，那么快照系統(tǒng)會(huì)首先將原始數(shù)據(jù)拷貝到快照卷上對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中，然后再對(duì)源卷進(jìn)行改寫。

寫操作：

如上圖簡(jiǎn)要示例，快照創(chuàng)建以后，若上層業(yè)務(wù)對(duì)源卷寫數(shù)據(jù)X，X在緩存中排隊(duì)，快照系統(tǒng)將X即將寫入的位置（邏輯地址）上的數(shù)據(jù)Y，拷貝到快照卷中對(duì)應(yīng)的位置（邏輯地址）上，同時(shí)，生成一張映射表，表中一列記錄源卷上數(shù)據(jù)變化的邏輯地址，另一列記錄快照卷上數(shù)據(jù)變化的邏輯地址。我們可以看到，上層業(yè)務(wù)每下發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)塊，存儲(chǔ)上，發(fā)生了兩次寫操作：一次是源卷將數(shù)據(jù)寫入快照卷（即圖中Y），一次是上層業(yè)務(wù)將數(shù)據(jù)寫入源卷（即圖中X）。

讀操作：

如上圖，快照卷若映射給上層業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等用途時(shí)，針對(duì)快照進(jìn)行讀操作時(shí)，首先由快照系統(tǒng)判斷，上層業(yè)務(wù)需要讀取的數(shù)據(jù)是否在快照卷中，若在，直接從快照卷讀取，若不在，則查詢映射表，去對(duì)應(yīng)源卷的邏輯地中讀取（這個(gè)查表并去源卷讀的操作，也叫讀重定向）。這一點(diǎn)，恰好就解釋了為什么快照是一份完全可用的副本，它沒(méi)有對(duì)源卷進(jìn)行100%的拷貝，但對(duì)上層業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，卻可以將快照看做是和源卷“一模一樣”的副本。

針對(duì)源卷進(jìn)行讀操作時(shí)，與快照卷沒(méi)有數(shù)據(jù)交互。

我們可以看到，快照對(duì)源卷的數(shù)據(jù)具有很好的保護(hù)措施，快照可以單獨(dú)作為一份可以讀取的副本，但并沒(méi)有像簡(jiǎn)單的鏡像那樣，一開始就占用了和源卷一樣的空間，而是根據(jù)創(chuàng)建快照后上層業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)時(shí)占用必需的存儲(chǔ)空間。

快照回滾（rollback）：

如上圖，回滾操作的前提條件是，鎖定源卷（暫停對(duì)待回滾的邏輯地址上的IO操作），然后通過(guò)查映射表，將快照卷上的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)回拷到源卷中。

快照刪除：

采用COW技術(shù)的快照，其源卷即保存著完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因此，刪除快照時(shí)，直接銷毀了快照卷和映射表，與源卷不存在數(shù)據(jù)交互。

寫時(shí)重定向ROW

ROW(Redirect-on-write )，也稱為寫時(shí)重定向。

創(chuàng)建快照以后，快照系統(tǒng)把對(duì)數(shù)據(jù)卷的寫請(qǐng)求重定向給了快照預(yù)留的存儲(chǔ)空間，直接將新的數(shù)據(jù)寫入快照卷。上層業(yè)務(wù)讀源卷時(shí)，創(chuàng)建快照前的數(shù)據(jù)從源卷讀，創(chuàng)建快照后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，從快照卷讀。

寫操作：

如上圖簡(jiǎn)要示例，快照創(chuàng)建以后，若上層業(yè)務(wù)對(duì)源卷寫數(shù)據(jù)X，X在緩存中排隊(duì)，快照系統(tǒng)判斷X即將寫入源卷的邏輯地址，然后將數(shù)據(jù)X寫入快照卷中預(yù)留的對(duì)應(yīng)邏輯地址中，同時(shí)，將源卷和快照卷的邏輯地址寫入映射表，即寫重定向。我們可以看到，上層針對(duì)源卷寫入一個(gè)數(shù)據(jù)塊X，存儲(chǔ)上只發(fā)生一次寫操作，只是寫之前進(jìn)行了重定向。

讀操作：

若快照創(chuàng)建以后，上層業(yè)務(wù)對(duì)源卷進(jìn)行讀，則有兩種情況：1）若讀取的數(shù)據(jù)，在創(chuàng)建快照前產(chǎn)生，數(shù)據(jù)是保存在源卷上的，那么，上層就從源卷進(jìn)行讀取；2）若需要讀取的數(shù)據(jù)是創(chuàng)建快照以后才產(chǎn)生的，那么上層就查詢映射表，從快照卷進(jìn)行讀取（即讀重定向）。

若快照創(chuàng)建以后，上層業(yè)務(wù)對(duì)快照卷進(jìn)行讀，同樣也有兩種情況：1）若讀取的數(shù)據(jù)，在創(chuàng)建快照前產(chǎn)生，數(shù)據(jù)是保存在源卷上的，那么上層就查詢映射表，從源卷進(jìn)行讀取；2）若需要讀取的數(shù)據(jù)是創(chuàng)建快照以后才產(chǎn)生的，那么上層就直接從快照卷進(jìn)行讀取。

我們可以看到，ROW快照也是根據(jù)創(chuàng)建快照后上層業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)時(shí)占用必需的存儲(chǔ)空間。

快照回滾（rollback）：

采用ROW技術(shù)的快照，其源卷始終保存著快照創(chuàng)建前的完整數(shù)據(jù)，快照創(chuàng)建后，上層業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都寫入了快照中，因此，快照的回滾只是取消了對(duì)源卷的讀重定向操作。通俗地說(shuō)，就是源卷上沒(méi)有進(jìn)行任何數(shù)據(jù)操作，上層業(yè)務(wù)對(duì)源卷的讀，僅限于讀源卷（即不會(huì)去讀取快照卷的數(shù)據(jù)）。

快照刪除：

采用ROW技術(shù)的快照，其源卷始終保存著快照創(chuàng)建前的完整數(shù)據(jù)，快照創(chuàng)建后，上層業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都寫入了快照中。因此，若要?jiǎng)h除快照，必然要先將快照卷中的數(shù)據(jù)，回拷到源卷中，拷貝完成才能刪除，如上圖。此時(shí)我們可以設(shè)想，如果，針對(duì)一份源數(shù)據(jù)，在18:00創(chuàng)建了快照，上層業(yè)務(wù)持續(xù)產(chǎn)生大量新的數(shù)據(jù)，19:00又創(chuàng)建了快照，20:00又創(chuàng)建了快照……那么，在有多份快照的情況下，如果需要?jiǎng)h除快照，就會(huì)出現(xiàn)，多個(gè)快照向源卷回拷數(shù)據(jù)的情況，可能導(dǎo)致回拷量非常大，耗時(shí)很長(zhǎng)。

兩種技術(shù)對(duì)比

如上表，COW的寫時(shí)拷貝，導(dǎo)致每次寫入都有拷貝操作，大量寫入時(shí)，源卷的寫性能會(huì)有所下降，而讀源卷是不會(huì)受到任何影響的，刪除快照時(shí)，只是解除了快照和源卷的關(guān)系，同時(shí)刪除了快照卷的數(shù)據(jù)而已。ROW在每次寫入僅做了重定向操作，這個(gè)操作耗時(shí)是幾乎可以忽略不計(jì)的，源卷的寫性能幾乎不會(huì)受到影響，但讀源卷時(shí)，則需要判斷數(shù)據(jù)是創(chuàng)建快照前還是創(chuàng)建快照后，導(dǎo)致大量讀時(shí)，性能受到一定影響，比較致命的是，若源卷有多個(gè)快照，在刪除快照時(shí)，所有快照的數(shù)據(jù)均需要回拷到源卷才可以保證源卷數(shù)據(jù)的完整性。

結(jié)語(yǔ)

上面簡(jiǎn)單地介紹了存儲(chǔ)快照的實(shí)現(xiàn)原理，實(shí)際上，快照特性應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用對(duì)象是很多的：

目前，主流廠商在自研產(chǎn)品上，對(duì)上面的ROW和COW技術(shù)都有小范圍的改動(dòng)，也有一些新興的快照技術(shù)已經(jīng)誕生，但這個(gè)行業(yè)里，沒(méi)有最好的快照技術(shù)。技術(shù)為業(yè)務(wù)服務(wù)，只有針對(duì)業(yè)務(wù)類型做好本地化適配，才能達(dá)到最佳效用。

問(wèn)答

消失存儲(chǔ)過(guò)程？

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總結(jié)

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