什么是快照技術(shù)
   SNIA（Storage Networking Industry Association）對快照（Snapshot）的定義是：關(guān)于指定數(shù)據(jù)集合的一個完全可用拷貝，該拷貝包括相應(yīng)數(shù)據(jù)在某個時間點（拷貝開始的時間點）的映像�？煺湛梢允瞧渌�表示數(shù)據(jù)的一個副本，也可以是數(shù)據(jù)的一個復(fù)制品。
快照的作用
   快照的作用主要是能夠進行在線數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)。當(dāng)存儲設(shè)備發(fā)生故障或者文件損壞時可以進行快速的數(shù)據(jù)恢復(fù)，將數(shù)據(jù)恢復(fù)到某個可用時間點的狀態(tài)�？煺盏牧硪粋�作用是為存儲用戶提供了另外一個數(shù)據(jù)訪問通道，當(dāng)原數(shù)據(jù)進行在線應(yīng)用處理時，用戶可以訪問快照數(shù)據(jù)，還可以利用快照進行測試等工作。所有存儲系統(tǒng)，不論高中低端，只要應(yīng)用于在線系統(tǒng)，那么快照就成為一個不可或缺的功能。
快照的實現(xiàn)方式
   當(dāng)前實現(xiàn)快照主要有兩種技術(shù)，一種是第一次寫時復(fù)制(Copy On First Write,COFW)，有時簡稱為寫時復(fù)制（Copy On Write,COW）。即在數(shù)據(jù)第一次寫入到某個存儲位置時，首先將原有的內(nèi)容復(fù)制到另一位置處（為快照保留的存儲空間，此文中我們稱為快照空間），然后再將數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)位置中。而下次針對同一位置的寫操作將不再執(zhí)行寫時復(fù)制操作。寫時復(fù)制技術(shù)在計算機相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)中經(jīng)常使用，其基本原理大同小異，只是面向?qū)ο蟛煌�，適用場合不一樣。
   從COW 的執(zhí)行過程我們可以知道，這種實現(xiàn)方式在第一次寫入某個存儲位置時需要完成一個讀操作（讀原位置的數(shù)據(jù)），兩個寫操作（寫原位置與寫快照空間），如果寫入頻繁，那么這種方式將非常消耗IO時間。因此可推斷，如果預(yù)計某個卷上的I/O多數(shù)以讀操作為主，寫操作較少，這種方式的快照實現(xiàn)技術(shù)是一個較理想的選擇，因為快照的完成需要較少時間。除此之外，如果一個應(yīng)用易出現(xiàn)寫入熱點，即只針對某個有限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行寫操作，那么COW的快照實現(xiàn)方式也是較理想的選擇。因為其數(shù)據(jù)更改都局限在一個范圍內(nèi)，對同一份數(shù)據(jù)的多次寫操作只會出現(xiàn)一次寫時復(fù)制操作。下圖是寫時復(fù)制的示意圖：
 
圖1 寫時復(fù)制示意圖
但是這種方式的缺點也非常明顯。如果寫操作過于分散且頻繁，那么 COW 造成的開銷則是不可忽略的，有時甚至無法接受。這種實現(xiàn)方式適用于Read-Intensive（讀密集）型的應(yīng)用。在應(yīng)用時，需要綜合評估應(yīng)用系統(tǒng)的使用場景，以判斷這種方式的快照是否適用。
    快照實現(xiàn)技術(shù)中的另一種是 I/O 重定向（I/O Redirect）。即將輸入輸出操作重新定向到快照存儲空間中。在一個快照生成期間，所有的寫操作將被重定向到快照介質(zhì)，而讀操作是否需要重定向，則需要根據(jù)讀取的位置是否有過自上次快照以來的寫重定向，必須對有過寫重定向的位置進行讀重定向，否則不需要進行讀定向。當(dāng)要創(chuàng)建一個快照時，則將自上次快照以來所有的重定向?qū)憯?shù)據(jù)所對應(yīng)的在源介質(zhì)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到快照介質(zhì)，生成這個時間點的快照，然后再將這些重定向?qū)憯?shù)據(jù)寫回到源介質(zhì)中的相應(yīng)位置上，從而完成整個快照生成過程。下圖中顯示了IO重定向的執(zhí)行過程。

   從上面的過程來看，關(guān)鍵的性能影響在于快照生成時的四次I/O操作（一次讀源介質(zhì)，一次寫快照數(shù)據(jù)，一次讀快照介質(zhì)，一次寫源介質(zhì)），另一個則是重定向的計算工作。這種方式雖然看起來最后生成快照時的I/O操作較多，但考慮到這個操作是在生成快照時才會發(fā)生，特別是快照生成時可以對I/O操作進行排序，可使得對介質(zhì)的輸入輸出操作得到較好優(yōu)化，因此影響很小。而對于重定向的計算操作對于當(dāng)下的計算能力來說，不會成為一個性能瓶頸問題。因此這種快照實現(xiàn)方式在非快照執(zhí)行期間的影響甚小。這種方式比較適合Write-Intensive（寫密集）類型的存儲系統(tǒng)。

   SNIA 將快照的實現(xiàn)方式表述為：鏡像分離(split mirror)、改變塊(changed block)、并發(fā)(concurrent)三大類。后兩種在實現(xiàn)時其實質(zhì)就是寫時復(fù)制及輸入輸出重定向。對于 split mirror 的方式，由于其靈活性以及開銷問題，在實際的存儲系統(tǒng)中，并不實用。
快照的實現(xiàn)層次
    計算機的存儲結(jié)構(gòu)是一個類似于 TCP/IP 一樣的棧結(jié)構(gòu)。棧中包括硬件與軟件部分。棧中不同層為上層提供服務(wù)，同時利用下層的接口（如下圖）。因此在實現(xiàn)上，快照可以在不同的存儲層上實現(xiàn)，但是不同的層其效果和特點是不一樣的。

   一般來說，在應(yīng)用層不太合適實現(xiàn)快照功能。因為不同的應(yīng)用是千差萬別的，因此需要針對不同的應(yīng)用實現(xiàn)快照功能，代價非常高。但在應(yīng)用層實現(xiàn)快照也并不是說一無用處，只是這種快照功能應(yīng)用在存儲系統(tǒng)中缺乏靈活性。在應(yīng)用層實現(xiàn)快照的一個典型的例子就是 vmWare 虛擬化軟件中的快照功能，在虛擬化平臺中，這個功能非常棒。
   在文件系統(tǒng)層實現(xiàn)快照與應(yīng)用也具有與上面相同的缺點，就是需要針對不同的文件系統(tǒng)實現(xiàn)快照功能，這樣的代價也很大，靈活性不足，沒有可擴展性。實現(xiàn)快照功能的文件系統(tǒng)基本上都是一些專用系統(tǒng)或者專為某個特定功能實現(xiàn)的文件系統(tǒng)。 在這個層級上實現(xiàn)快照的典型例子就是 ZFS。
   而較為適宜實現(xiàn)快照功能的層應(yīng)該為卷管理層以及物理層。在這兩個層中都不與特定的應(yīng)用及文件系統(tǒng)相關(guān)。比較典型的例子有Linux 的LVM。而在硬件層次上實現(xiàn)快照又通常有許多種，在這個層次上實現(xiàn)的快照一般為封閉式系統(tǒng)，好處是性能是各種方式中最好的。但在這個層次上實現(xiàn)的快照也有一個不可避免的缺點，那就是不與特定的應(yīng)用及文件系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，因此其就無法理解上層的應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯，也就無法保證每個快照點都處于數(shù)據(jù)一致性狀態(tài)。但這個缺點是可以通過其他方式減少或者消除的。比如在生成快照之前先對數(shù)據(jù)進行刷新操作，或者在恢復(fù)快照時對文件系統(tǒng)進行一致性檢查等。
結(jié)束語
   計算技術(shù)不斷在進步，存儲技術(shù)同樣也在進行著日新月異的變化。不同應(yīng)用在不斷地更新著對存儲的需求。從持續(xù)數(shù)據(jù)保護（CDP）到重復(fù)數(shù)據(jù)刪除（Dedup），從快照（Snapshot）到鏡像（Mirror），從層級存儲管理（HSM）到存儲虛擬化（SV），直到云存儲，未來存儲技術(shù)的發(fā)展將朝著怎樣的方向發(fā)展，我們拭目以待。

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