揭秘VxFS中的检查点和快照技术

揭秘VxFS中的检查点和快照技术

罗庆超

快照(Snapshot)这个在数据保护领域耳熟能详的技术，早已深入人心。在各种备份应用中，通过制作一个基于时间点的快照来进行备份，是保证业务连续性的核心技术。随着法规遵从的逐步展开，不管在企业级的数据中心，还是中小型企业业务(Small Medium Business)，基于快照的数据备份技术将会大行其道。

一、技术应用场景

VxFS是Symantec (原Veritas) 旗舰产品Storage Foundation里面的一个产品，它被广泛地应用到世界各地的数据中心。它提供了许多针对数据管理的特性，并针对不同的应用场景进行组合；如针对数据库的快速I/O，不仅提高了数据库的性能，同时提供良好的备份能力；而将它和其他一些产品组合(VxVM和VCS)，就能提供高可靠性的CFS。

而专门针对备份技术，它提供了两种特性来解决满足用户的需求，一种是快照，另外一种是检查点(Checkpoint)。对于备份技术来说，其中一个最基本的实现方法就是“检查文件系统里面每个文件的更新时间，从而对更新的文件做备份”。由于实时备份，要实现业务的连续性，就不能停止当前运行的应用，因此需要对此应用在当前文件系统中的缓冲区数据进行适当的处理，以避免数据备份出现一致性问题。正是由于Symantec自己设计VxFS，它能清晰的了解文件系统中缓冲区的情况，并结合写拷贝 (Copy on Write) 技术，因此实现了快照和检查点特性。

在VxFS中，对一个文件系统做快照，就是对该文件系统在某一时间点做实时的映像，从而备份操作就可以在此映像上完成，而且该映像是只读的；对于一个文件系统来说，可以在不同的时间点做映像，但是却不能对一个映像再次做映像，就像对一个人可以从不同角度投射灯光，而得到多个影子，却不能再对影子投射出影子。

对于快照来说，它是一个暂时的映像，在装载(mount)时它存在，而在卸载(umount)时它就消失了；针对这个情况，VxFS提供了一个持续的映像，就是检查点映像，即使系统重新启动或者崩溃，它也仍然存在；通过写拷贝技术，检查点只需要维护文件系统中被修改数据块的信息，从而大大地减少了I/O负载。

通过上面的简介，对于快照和检查点有了基本的概念，但是究竟技术的深层次里面到底是如何，是通过什么样的方式实现这些特色的呢，下面将为你揭开其神秘面纱。

二、探寻技术内幕

在存储系统中，卷管理器(在PC环境下，分区和卷基本上是同一概念)和文件系统设计密不可分，通常文件系统都要在某个卷上来创建；也就是说，卷是文件系统存在的基石，通过分层设计，将存储系统分为文件和数据块进行处理，两者相互协调，从而提供更好的灵活性。下面将通过文件系统和卷的处理，来解释快照和检查点的技术细节。

2.1 深入检查点内幕

对于检查点技术来说，在对当前文件运行系统创建检查点时，并不会把原有文件系统做一个完整的拷贝；而只是在检查点文件集(Checkpoint Fileset)中，创建一些元数据(Metadata)信息；对于每个具体的文件，就是文件本身的信息(如inode信息)，而该文件对应的真实数据是通过指向原文件集(Primary Fileset)中的数据得到，从而提高存储空间的利用率。

图－1 检查点设计

正如图-1所示，原文件集和检查点文件集是在同一卷内，它保证“检查点文件集”能够持续存在，即使系统重启它也不会消失；另一方面，它也占用了卷的存储空间。因此为了有效的利用存储空间，VxFS提供了四种类型的检查点:

a) 数据型 — 它是原文件集的完整映像，也就包含里面所有的数据；

b) 非数据型 — 它只包含原文件集的元数据信息，而不包含真实数据，从而可以节约存储空间；

c) 可删除型 — 在系统空间不足时，将首先删除这种检查点；

d) 不可Mount型 — 它不能被某些命令装载 (mount) ；

因为检查点采用了写拷贝技术，所以在并不会带来很大的性能影响，用户只要根据自己的需求来设计不同类型的检查点。

2.2 详解快照

快照和检查点技术类似，都是采用写拷贝技术来完成，但是快照技术却不像检查点那样持续存在，它只是在装载(mount)时存在，一旦卸载(umount)或者重新启动后，它便不再存在。

通过图－2的框图，就可以了解个中原因。和图－1相比，快照和检查点的重大区别就在于“快照是采用新的卷(如图中的快照卷，Snapshot Volume)来做存储介质”；因此快照技术，不会占用原卷的存储空间，和检查点一样它对系统的性能不会有太大的性能影响。所以，可以对原卷做多个快照进行备份，而不必像检查点那样担心占用太多的存储空间。

值得注意的是，VxFS中的快照和VxVM中的快照是有差别的。一个是基于文件系统的块，而另一个是基于设备卷的数据块。

图－2 快照设计

快照技术不仅应用在存储软件里面，在很多硬件中 (比如阵列或者NAS里面，都引入了快照)，尽管各个厂家在实现上可能有细微的区别，但是原理上都是类似的。

2.3写拷贝机制

不管是检查点还是快照，都是在写拷贝的基础上实现。其原理如图－3所示，在操作更新前，采用地址来指向数据块；当要用数据块B’来更新数据块B时，将指向原数据块B的地址改变为真正的数据块，其内容为B；此后，就可以将数据块B’写入到原数据块B中。

图－3 写拷贝

因为写拷贝在更新前，只是记录地址，所以它能够保证系统的性能；同时，只有在要更新时，才分配新的存储空间来保存数据，从而达到了节约存储空间的目的。正是因为它是一种空间和性能都兼顾的解决方案，才被广泛地接受和采用。

三、特性对比

检查点和快照是很相近的技术，都是写拷贝技术的延伸；通过上面的分析，也会发现它们也有细微的区别，表－1就是它们特性的对比。

检查点	快照
在同一存储设备上	需要单独的存储设备
可以是只读或者读写属性	只读属性
持续存在	临时存在
长期存在，而且可以被装载	卸载后不再存在
跟踪文件系统中每个文件的块变化	跟踪文件级的块变化

表－1 检查点和快照的对比

四、业界同类技术

由于快照技术在数据保护上的优势，该技术被在不同的平台上不断繁衍和发展。Microsoft Windows提供的VSS (Volume Shadow copy Service)，就提供了快照解决方案的框架；如图-4所示，当Requestor(通常是备份软件)请求做给予时间点的快照时，VSS就会和Writers(通常为数据库应用，或者电子邮件之类的应用)协调，将这些应用阻塞，将缓冲区中的数据写入存储介质；然后和各种Provider通信(比如System Provider, Software Provider, Hardware Provide)，生成快照；当然各个Provider在实现的细节上可能有细微的差别，但是在VSS整个框架内实现，其基本原理大都类似。

图-4 Windows VSS技术

在Windows XP的一些SP版本，Windows 2k3和Vista里面，就加入了该VSS服务，用户可以选择“我的电脑 (右键)-->管理-->服务”里头，找到Volume Shadow Copy服务。

五、总结和展望

VxFS是在企业级存储中，被广泛接受的文件系统；它提供的快照和检查点技术，在实现实时数据备份过程中，扮演着至关重要的角色。随着IT的飞速发展，信息的海量增长，电子数据的重要性，日益深入人心，并且政府也制定了相关的法规准从来保护电子资料。可以相信，它的前景是光明的。

同时，随着对信息技术需求的多元化，在数据保护领域也出现了一些新技术，比如CDP(Continuous data protection，持续数据保护)；顾名思义，它不仅仅纪录某个时间点的变化，而是纪录数据的持续变化，也就是说数据的整个变化过程都能够被找回来；其实，它就是在快照的思想上的进一步延伸，把作快照的粒度处理的更细。但是，它也引入了性能和存储空间的问题，其前景究竟如何，我们拭目以待！