群晖NAS教程第十节：存储快照和快照的两种实现方式

一、什么是存储快照 ?

  存储网络行业协会SNIA（StorageNetworking 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的数据的一个副本，也可以是数据的一个复制品。

二、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。当存储设备发生应用故障或者文件损坏时可以进行快速的数据恢复，将数据恢复某个可用的时间点的状态。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。

三、快照的实现方式

1.写时复制(COW)

  当前实现快照有主要有两种技术，一种是第一次写时复制(Copy OnFirst Write,COFW)，有时简称为写时复制（CopyOn Write,COW）。即在数据第一次写入到某个存储位置时，首先将原有的内容读取出来，写到另一位置处（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存储设备中。而下次针对这一位置的写操作将不再执行写时复制操作。这种技术常在计算机相关的技术中经常初使用，其基本原理大同小异，只是面向的对象不同，适用的场合不一样。
  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的时间。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：

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  但是这种方式的缺点也是非常明显的。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，有时甚至是无法接受的。因此在应用时，则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。

2.I/O 重定向（I/O Redirect）

  快照实现技术中的另一种技术是 I/O 重定向（I/O Redirect）。即将读写操作重新定向到另一个存储空间中。在一个快照生成期间，所有的写操作将被重定向到另一个介质，而读操作是否需要读重定向，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在源介质中的数据复制出来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，从而完成一个快照生成过程。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，但是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，可以使得对介质的读写得到较好的优化，因此使影响很小。而对于重定向的计算操作对于当下的计算能力来说，不会成为一个性能的瓶颈问题。因此这种快照实现方式在非快照执行期间的影响甚小。因此这种方式比较适合Write-Intensive（写密集）类型的存储系统。下图是快照生成过程的示意图。

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  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I/O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。

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四、共享文件夹快照的工作方式

  若要获取共享文件夹快照，数据卷的文件系统必须是Btrfs。 共享文件夹（以及VMware NFS数据存储，如果在VMware中用作数据存储）的快照在整个文件夹上执行； 快照基于写时复制机制。

              RAID中共享文件夹，快照和实际数据块之间的关系

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  上图描述了如果在创建快照后修改文件，共享文件夹视图和快照视图的变动。 这些快照是只读的，因此必须先将数据还原或克隆为新的共享文件夹，然后才能对其进行写入或编辑。 快照驻留在共享文件夹的同一卷上，这有助于它保留多个版本的数据，而只有不同的数据块将占用驱动器空间。

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