NETapp Snapshot介绍

NetApp Snapshot介绍

Tags: 快照snapshot , NetApp

1.1.1 技术原理

SnapShot是WAFL文件系统“任意位置写入”功能带来的一项突出优势。 一份SnapShot是文件系统的在线只读拷贝。创建文件系统的一份SnapShot仅仅需要几秒种的时间，并且除非原始文件被删除或者更改，数据快照并 不占用额外的磁盘空间。这种只有当数据块发生改动时才进行数据块复制的技术被称作“copy-on-write”，只有修改活动文件系统中的数据块并写入 磁盘中新的位置时，SnapShot才会占用额外的磁盘空间。 (其实是write direct)

用户可以采用SnapShot作为数据的在线备份，以备将来进行数据恢复时使用。用户也可以方便的把SnapShot快照备份到磁带上。无需将Filer系统下线，用户管理员就可以将最近的SnapShot快照备份到离线存储系统中。

图 28：Snapshot的创建

图 ( a )是简化了的文件系统结构，在顶部以树状结构指向其下的数据块。图 ( b )显示了SnapShot快照复制了根结构以及数据块指向关系。图 ( c )数据块C发生了更新，这样文件系统指向新的数据块C’，而在此之前创建的SnapShot仍然指向原来的数据块C。

该图展示了SnapShot是如何工作的。WAFL文件系统本身就可以理解成数据块树状结构，其根部的数据结构描述了inode文件信息。这份 inode文件信息则包含了对文件系统中所有inode的描述，它包含诸如空闲块图和空闲inode图等元数据信息。图a也可以视为整个文件系统的概貌 图，其上部展现的就是根数据结构。WAFL通过复制根数据结构创建新的数据拷贝SnapShot。因为根数据结构只有128B，并且不需要在硬盘上复制其 它数据块，一个新的SnapShot几乎不耗费额外的磁盘存储空间，除非用户修改或者删除文件系统中的数据。

Filer可以对一个卷组创建最多255个SnapShot快照。SnapShot快照可以通过手动或者人为预先定制策略的方式来自动创建。每 一个SnapSHot快照可以保存的时间取决于文件系统变动的频度。在众多应用环境中，文件系统中的大部分数据并不是每天都在变化，比如一个使用10MB 大小Home Directory的用户，其数据通常每天只变动100到500KB。当文件变动缓慢的时候，SnapShot可以在线保存数天甚至数周，直到它们消耗的 磁盘空间过多以至用户无法接受。而另外一些文件系统中的数据则在经常不停的变动，比如CAD应用环境下，需要经常覆盖写入许多大尺寸的文件，甚至可能一两 天内就会更新整个文件系统的存储内容。在此类环境下，可能只有保存数小时SnapShot的空间。

用户对SnapShot的访问方式

文件系统中含有包含SnapShot数据快照的子目录，允许用户自行访问稍早些时候创建的SnapShot数据快照。假设一个用户从文件系统中意外删除掉一个名为foo的文件，现在需要利用SnapShot来对其加以恢复。则可以在UNIX/NFS客户端执行以下操作：

% ls -lu .Snapshot/*/foo

-rw-r–r– 1 hitz 16787 Jun 16 15:00 .Snapshot/hourly.0/foo

-rw-r–r– 1 hitz 16744 Jun 16 12:00 .Snapshot/hourly.1/foo

-rw-r–r– 1 hitz 16811 Jun 16 10:00 .Snapshot/hourly.2/foo

采用-U选项查看三份SnapShot数据快照，用ls命令可以显示文件foo的创建时间，要恢复foo文件，用户只需将foo不同时期的快照版本复制回当前工作目录即可。

% cp .snapshot/hourly.0/foo .

将.snapshot / hourly.0中的文件列表，将显示创建hourly.0数据快照时包含的所有文件。

.snapshot目录是隐藏目录。 如果.snapshot目录可见，可以使用find命令找到更多符合要求的数据快照副本。但是类似强制删除目录的命令，如rm –rf对SnapShot快照目录无效，因为SnapShot文件是只读文件，所以不能删除。

Windows用户则可以在窗口中看到一个名为~snapshot的文件夹，如下图所示：

图 29：Snapshot

能否理解WAFL文件系统是由root inode引导的数据块树状结构是能否理解SnapShot的关键。由此，要对这种数据块树状结构创建副本，即创建SnapShot，WAFL只需复制root inode。

图 30：WAFL通过复制描述inode文件的root inode建立一张SnapShot快照，WAFL通过在新的磁盘位置上写入新的数据来避免改变数据块。

图中(a)显示了文件系统树状结构图，为简便起见，只示意出了root inode，没有描绘出inode和间接数据块。

图中(b)显示了WAFL如何通过对root inode做一个完全相同的拷贝来建立新的SnapShot快照。这个复制而成的inode就是代表SnapShot数据块树状结构的root inode，和实际文件系统的root inode结构相同。当创建了SnapShot的inode之后，它所指向的数据块与实际文件系统root inode所指向的数据块完全一致。所以除了inode本身占用的空间之外，新建的SnapShot并不会占用额外的空间。

图中(c)显示了当一个用户修改数据块D时，文件系统中发生的变化。 WAFL在数据块D’上面写入新的数据，并将活动文件系统指向新的数据块。而SnapShot仍然指向原有的未经修改的数据块D。随着活动文件系统中的文 件越来越多的被加以修改，SnapShot中所包含的活动文件系统不再使用的数据块也就越来越多。文件变动的频度决定了SnapShot可以在磁盘上保留 的时间长短，以免耗费过多的磁盘空间。

如果将WAFL的SnapShot数据快照与IBM TransArc Episode文件系统中所采用的fileset clones文件集克隆铲平加以比较，会立即得到有利于证明WAFL SnapShot性能优异的结果。在IBM TransArc Episode这种UNIX兼容文件系统中，如果执行数据快照类的功能，会带来十分可观的磁盘读写I/O，并且会消耗大量的磁盘空间。例如，一个10GB 的Episode文件系统中，为描述磁盘中每一个4KB的数据块，所有的inode会耗用320MB的磁盘存储空间。在这种性能指标下，如果需要通过复制 inode的方式创建SnapShot数据快照，将会产生320MB的磁盘I/O请求，并且消耗320MB的磁盘空间，试想一下，如果我们需要创建10个 这样的SnapShot数据快照，则意味着即使活动文件系统中的数据没有发生任何改变，也要消耗掉几近1/3的磁盘空间（320MBX10约合 3.125GB）。

与之对比的是，WAFL文件系统中的情况则截然不同。如上所述，WAFL可以迅捷的创建SnapShot数据快照并且只占用极小的硬盘存储空 间，即复制root inode所耗用的空间。举个例子，为防范系统非正常停机，WAFL需要每隔几秒种就对文件系统创建一个一致点，即内部的SnapShot。

为更加有效说明WAFL中的这种SnapShot特性，下图展示了上图(b)到(c)两种状态之间的转换过程，当一个数据块发生改动的时候，它 的内容将会被写到新的磁盘位置上，其父数据结构必须转而映射到这块新的空间上。父数据结构的父数据结构也要映射到新的空间上来，直到数据块目录树的根部， 也都必须如此。

图 31：数据块发生改动的时候

如果WAFL像我们描述的为每一个NFS请求写入如此多的数据块，它的效率将会十分低下。但WAFL的做法与之不同，它事先收集数百个与此类似的请求，然后再一个写入周期中统一完成。在写入周期中，WAFL为所有这些请求一并分配磁盘空间并且执行磁盘写入计划。

在期间写事件，WAFL为了所有高速缓存中的肮脏的数据分配盘空间并且为需要的盘我与O.确定时间，作为结果一般修改块，诸如间接的块并且阻塞 在inode文件中，仅仅代替被写一次每写事件一次每NFS要求。这种操作方式带来的结果就是一些常规的操作，如间接数据块和inode中的数据块只在每 一个写入周期中发生一次，而不是每次NFS请求的时候都会发生。

数据块图文件（ Block-Map File）

大多数文件系统使用位图的方式，即对每一块磁盘块使用1个数位，来标注空闲数据块。如果该数位被使用了，那么意味着这个数据块是在被使用。这种 机制在WAFL中并不适用，因为多个SnapShot可以同时指向一个数据块。WAFL的数据块图文件可以对每一个数据块采用32个数位来描述其路径。第 0个数位记录了活动文件系统对数据块的映射，第1 个数位记录了第1个SnapShot对数据块的映射，以此类推 。如果一个数据块的块图文件中的任意一个数位被标注，则代表它已经被使用。

下图展示了一个典型的数据块图路径生命周期，在t1时刻，数据块图路径未加使用，证明该数据块目前还是可用的。在t2时刻，WAFl分配了磁盘 空间，在该数据块上存储了文件数据。在t3、t4时刻，WAFL创建了SnapShot快照。在t5时刻，该数据块被从活动文件系统中删掉了，这可能是由 于包含该数据块的文件被删除了，或者数据被更新，新的内容被写到了磁盘新的位置上。除非创建新的SnapShot数据快照，该数据块将不能被再次使用。而 t8时刻则显示了所有的SnapShot均被删除后的情况。

图 32：数据块图路径生命周期

关于创建SnapShot的更多解释

向磁盘中写如一份SnapShot数据快照的难点在于如何才能避免阻碍将发生的NFS请求，具体来说，新产生的NFS请求可能会需要更新缓存中 的数据（这些数据是SnapShot的一部分）而这些数据在存入磁盘之前又恰恰是不能更改的。一种比较简单的解决方法就是延缓响应NFS请求，写入 SnapShot，然后继续响应NFS请求。但是，写入SnapShot需要1秒左右的时间，对NFS请求来说，这种延迟已经是太长了，由此会带来性能的 问题。

WAFL中保持SnapShot快照数据自一致的技术是在高速缓存中将所有更改过的数据标明为IN_SNAPSHOT。 在创建SnapSHot数据快照期间的规则则是标注了IN_SNAPSHOT的数据不可被修改，而未标记的数据则不能被写入到磁盘。NFS请求可以读出所 有的文件系统数据，并且可以修改未标注IN_SNAPSHOT记号的数据。而那些需要修改IN_SNAPSHOT数据的请求则必须被延缓。

为了避免阻碍NFS要求，WAFL必须尽可能迅速的处理IN_SNAPSHOT数据。 为此，WAFL执行下列的步骤：

(1)为所有包含IN_SNAPSHOT数据块的文件分配盘空间。

WAFL在两个位置高速缓存inode数据：核心inode数据保存在专有inode缓存中，在磁盘缓冲中保存inode文件。当WAFL结束 对某文件分配空间后，它将新近更新的inode信息从inode缓存复制到相应的inode文件磁盘缓冲中去。并且清除核心inode数据上的 IN_SNAPSHOT标记。当此步完成后，所有常规文件的数据块上均不带有IN_SNAPSHOT标记，并且大多数的NFS操作不会受到任何阻碍。因为 该项操作不需要磁盘I/O，它可以很快完成。

(2)更新块图文件。对每一个块图路径而言，WAFL将会把代表活动文件系统的数位标注复制成代表新SnapShot的数位标注。

(3)将所有标注了IN_SnapShot的磁盘缓存信息写入到它们新近被分配的磁盘空间中去。当某一特定的磁盘缓存被清空后，WAFL就可以启动响应等着修改该缓存的NFS请求。 (磁盘打开缓存？掉电怎办？而且这一步骤会很快？)

(4)复制root inode，创建代表新的SnapShot的inode，并且取消root inode上面的IN_SnapShot标注。新SnapShot数据快照的inode尚不可写入磁盘，直到SnapShot中所有其它数据已经被写入。 这条规则必须遵循，以免带来不可预料的SnapShot不一致情况。

一旦写入了新的SnapShot数据快照inode，高速缓存中将不再包含任何IN_SNAPSHOT标注，那些被暂缓的NFS请求也可以继续 处理。在正常的负载状况下，WAFL在少于1秒的时间中执行这四个步骤。 步骤( 1 )一般地能在几百分之一秒中完成，当WAFL完成这项操作后，只有很少的NFS操作将会延迟。

删除一份SnapShot数据快照也极为容易。 WAFL可以简便地清除代表SnapShot快照的root inode，并且清除在块图路径中代表SnapShot的每一个数位标志。

1.1.2 系统要求

Ÿ NetApp 的FAS900；F800；FAS200；NearStore R200系列统一网络存储产品均支持SnapShot功能。

Ÿ 系统软件版本DataOnTap 5.0以上。