快照技术
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MSPE培训教材—快照技术
什么是快照
Snapshot(http://www.snia.org/dictionary)
A fully usable copy of a defined collection of data that contains an image
of the data as it appeared at the point in time at which the copy was initiated. A snapshot may be either a duplicate or a replicate of the data it represents.
地址
6 z
数据
快照前写块1 p z
快照后写块6
读块6 读块1
源 盘
g p
1 p 2 4 c 3 d e f g h i 5 6 7 8
检索
快照
1.写操作（‘p’写入块1） 2.产生快照 3.快照后写入‘z’到块6： •源卷块6内容不变 •‘z’写入日志 4.从快照读时只访问源卷
15
RoW的实现
SAN访问
同时间点的快照恢复数据。
重新定义数据用途 快照提供一份接近实况数据的拷贝，可供测试、归档、查询使用，既 保护生产系统又赋予备份数据新的用途。
3
常见快照技术分类
全拷贝快照
分离镜像（Splitting a mirror）
差分快照
写即拷贝（CoW : Copy On Write)
写即重定向(RoW : Redirect On Write)
参考译文： 快照是特定数据集的一个完整可用拷贝，该数据集包含源数据在拷贝点 的静态映象；快照可以是数据再现的一个副本或者复制。
2
快照的价值
快速备份/恢复 快照可迅速生成，并可用作传统备份和归档的数据源，缩小甚至消除 了数据备份窗口； 快照存储在磁盘上，可以快速直接存取，大大提高数据恢复的速度。 保存多个恢复点目标 基于磁盘的快照使存储设备有灵活和频繁的恢复点，可以快速通过不
两次快照之间的多次写操作
第一次写动作，需要一次读，二次写操作 后续的写动作，只需直接写入到源卷，不再需要拷贝操作
12
RoW的实现
SAN访问
阵列
源卷
0 a
p
快照前写块1
源 盘
1 p b 2 4 5 6 7 8 c e f g h i 3 d
1.写操作（‘p’写入块1）
13
RoW的实现
SAN访问
读写路径影响
源卷的写操作基本无影响 源卷的读路径潜在受影响 快照（卷）的读写路径最优化
源卷的状态不是最新，快照卷故障将会导致源卷数据丢失
17
WA与WAFL
WAFL：Anywhere File Layout，任意位臵写入文件布局，是
Netapp的专利文件系统。其采用类似于Linux的树形架构，如下：
C’
快照创建的过程：
•建立一个新的文件 •为这个文件建立与原来文 件完全一样的数据块索引
•将源文件的索引指向新的数据块
19
WA的特点
磁盘块被虚拟化
1. 源盘使用真实块的映射重定向
2. 新写操作定向到空闲块，而不是直接覆盖块
3. 映射反应当前状态和潜在维护多个‚快照‛
性能通常不因源盘/快照改变
源卷
p
快照前写块1
0 a
1 p b 2 4 5 6 1.写操作（‘p’写入块1） 7 8 c e f g h i 3 d
源 盘
9
CoW的实现
SAN访问
阵列
源卷
0 a
快照索引和日志
地址
6 g
数据
快照前写块1 p z
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
快照后写块6
源 盘
1 p 2 4 c e f h i 3 d 5 7 8
快照
1.写操作（‘p’写入块1） 2.产生快照 3.快照后写入‘z’到块6： •不一次性写入 •先将块6内容移入日志 •‘z’写入源卷
阵列
源卷
0 a
快照索引和日志
地址
6 z
数据
快照前写块1 p z
快照后写块6
读块6 读块1
源 盘
g p
1 p 2 4 c e f z g h i 3 d 5 6 7 8
快照
1.写操作（‘p’写入块1） 2.产生快照 3.快照后写入‘z’到块6： •源卷块6内容不变 •‘z’写入日志 4.从快照读时只访问源卷
1.如果快照是可读/写，快照盘上的写操作直接 更新索引和日志
11
CoW的特点
源卷状态：源卷保持最新状态
写操作步骤：当一个新的写操作执行时：
1. 首先读出写操作将要覆盖地址的当前数据 2. 将读出数据保存至专用空间并建立索引 3. 新的写操作执行（写入目标地址）
读写路径影响
源卷的读路径基本无影响 源卷的写操作受拷贝影响 对快照（卷）的读写路径都有影响
7
常见快照技术分类
全拷贝快照
分离镜像（Splitting a mirror）
差分快照
写即拷贝（CoW : Copy On Write)
写即重定向(RoW : Redirect On Write) 随机写(WA : Write Anywhere)
8
CoW的实现
SAN访问 阵列
WA：Write Anywhere，是在WAFL基础之上的快照技术。
18
基于WAFL文件系统的WA实现举例
快照前 快照后 快照后数据更新
Active FS
Active FS
Snapshot
Active FS
Snapshot
A B C D
A B C D
A B C D
数据写操作：
•找到新的空闲数据块 •写入新数据到空闲数据块
写操作
读和备份
源
镜像
写操作
镜像卷
记录写操作
源
分离镜像
镜像
源
镜像
镜像再同步
6
全拷贝快照的特点
空间占用：每一次全拷贝快照需要与源盘相同大小的数据空间 创建过程：每一次全拷贝快照都需要完全数据同步 读写操作影响 源卷的读操作不受影响 源卷的写操作受数据同步的影响
创建完成后，快照（卷）的读写操作保持最优
6 g z
10
CoW的实现
SAN访问
阵列
源卷
0 a
快照索引和日志
地址
6 g
数据
快照前写块1 p z
快照后写块6
读块6 读块1
源 盘
g p
1 p 2 4 c e f z h i 3 d 5 6 7 8
快照
1.写操作（‘p’写入块1） 2.产生快照 3.快照后写入‘z’到块6： •不一次性写入 •先将块6内容移入日志 •‘z’写入源卷 4.从快照读时组合索引/日志和源卷
性能受数据碎片影响
1. 快照过程会产生大量的碎片，性能受影响，需要定时整理
快照区大小需要预分配，并受到空间限制
1. 快照区与源数据区需要在同一个文件系统中，因此大小需
要预分配，并受到卷大小的限制
20
THANKS 谢谢
阵列
源卷
0 a
快照索引和日志
地址
6 z
数据
快照前写块1 p z
快照后写块6
源 盘
1 p 2 4 c e f g h i 3 d 5 6 7 8
快照
1.写操作（‘p’写入块1） 2.产生快照 3.快照后写入‘z’到块6： •源卷块6内容不变 •‘z’写入日志
14
RoW的实现
SAN访问
阵列
源卷
0 a
快照索引和日志
1.如果快照取消，快照日志必需全部执行，以保 证源卷的状态更新到最新
16
RoW的特点
源卷状态：源卷状态冻结
读写操作步骤：
1. 到源盘的新的写操作被存入日志（并索引）： 2. 读源卷时，先检索日志 3. 读快照时，源卷需要引用 4. 当快照取消时，写日志必须全部执行以与源卷保证数据状态同步更新
随机写(WA : Write Anywhere)
4
全拷贝快照
分离镜像（Splitting a mirror）
写操作 写操作
镜像子系统 （阵列，逻辑卷管理器，存储网络）
镜像子系统 （阵列，逻辑卷管理器，存储网络）
镜像关系终止
源
镜像
源
镜像
5
分离镜像的生命周期
写操作 原始数据 分离镜像 1.分离镜像 2.从分离镜像备份 3.再同步
什么是快照
Snapshot(http://www.snia.org/dictionary)
A fully usable copy of a defined collection of data that contains an image
of the data as it appeared at the point in time at which the copy was initiated. A snapshot may be either a duplicate or a replicate of the data it represents.
地址
6 z
数据
快照前写块1 p z
快照后写块6
读块6 读块1
源 盘
g p
1 p 2 4 c 3 d e f g h i 5 6 7 8
检索
快照
1.写操作（‘p’写入块1） 2.产生快照 3.快照后写入‘z’到块6： •源卷块6内容不变 •‘z’写入日志 4.从快照读时只访问源卷
15
RoW的实现
SAN访问
同时间点的快照恢复数据。
重新定义数据用途 快照提供一份接近实况数据的拷贝，可供测试、归档、查询使用，既 保护生产系统又赋予备份数据新的用途。
3
常见快照技术分类
全拷贝快照
分离镜像（Splitting a mirror）
差分快照
写即拷贝（CoW : Copy On Write)
写即重定向(RoW : Redirect On Write)
参考译文： 快照是特定数据集的一个完整可用拷贝，该数据集包含源数据在拷贝点 的静态映象；快照可以是数据再现的一个副本或者复制。
2
快照的价值
快速备份/恢复 快照可迅速生成，并可用作传统备份和归档的数据源，缩小甚至消除 了数据备份窗口； 快照存储在磁盘上，可以快速直接存取，大大提高数据恢复的速度。 保存多个恢复点目标 基于磁盘的快照使存储设备有灵活和频繁的恢复点，可以快速通过不
两次快照之间的多次写操作
第一次写动作，需要一次读，二次写操作 后续的写动作，只需直接写入到源卷，不再需要拷贝操作
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RoW的实现
SAN访问
阵列
源卷
0 a
p
快照前写块1
源 盘
1 p b 2 4 5 6 7 8 c e f g h i 3 d
1.写操作（‘p’写入块1）
13
RoW的实现
SAN访问
读写路径影响
源卷的写操作基本无影响 源卷的读路径潜在受影响 快照（卷）的读写路径最优化
源卷的状态不是最新，快照卷故障将会导致源卷数据丢失
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WA与WAFL
WAFL：Anywhere File Layout，任意位臵写入文件布局，是
Netapp的专利文件系统。其采用类似于Linux的树形架构，如下：
C’
快照创建的过程：
•建立一个新的文件 •为这个文件建立与原来文 件完全一样的数据块索引
•将源文件的索引指向新的数据块
19
WA的特点
磁盘块被虚拟化
1. 源盘使用真实块的映射重定向
2. 新写操作定向到空闲块，而不是直接覆盖块
3. 映射反应当前状态和潜在维护多个‚快照‛
性能通常不因源盘/快照改变
源卷
p
快照前写块1
0 a
1 p b 2 4 5 6 1.写操作（‘p’写入块1） 7 8 c e f g h i 3 d
源 盘
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CoW的实现
SAN访问
阵列
源卷
0 a
快照索引和日志
地址
6 g
数据
快照前写块1 p z
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
快照后写块6
源 盘
1 p 2 4 c e f h i 3 d 5 7 8
快照
1.写操作（‘p’写入块1） 2.产生快照 3.快照后写入‘z’到块6： •不一次性写入 •先将块6内容移入日志 •‘z’写入源卷
阵列
源卷
0 a
快照索引和日志
地址
6 z
数据
快照前写块1 p z
快照后写块6
读块6 读块1
源 盘
g p
1 p 2 4 c e f z g h i 3 d 5 6 7 8
快照
1.写操作（‘p’写入块1） 2.产生快照 3.快照后写入‘z’到块6： •源卷块6内容不变 •‘z’写入日志 4.从快照读时只访问源卷
1.如果快照是可读/写，快照盘上的写操作直接 更新索引和日志
11
CoW的特点
源卷状态：源卷保持最新状态
写操作步骤：当一个新的写操作执行时：
1. 首先读出写操作将要覆盖地址的当前数据 2. 将读出数据保存至专用空间并建立索引 3. 新的写操作执行（写入目标地址）
读写路径影响
源卷的读路径基本无影响 源卷的写操作受拷贝影响 对快照（卷）的读写路径都有影响
7
常见快照技术分类
全拷贝快照
分离镜像（Splitting a mirror）
差分快照
写即拷贝（CoW : Copy On Write)
写即重定向(RoW : Redirect On Write) 随机写(WA : Write Anywhere)
8
CoW的实现
SAN访问 阵列
WA：Write Anywhere，是在WAFL基础之上的快照技术。
18
基于WAFL文件系统的WA实现举例
快照前 快照后 快照后数据更新
Active FS
Active FS
Snapshot
Active FS
Snapshot
A B C D
A B C D
A B C D
数据写操作：
•找到新的空闲数据块 •写入新数据到空闲数据块
写操作
读和备份
源
镜像
写操作
镜像卷
记录写操作
源
分离镜像
镜像
源
镜像
镜像再同步
6
全拷贝快照的特点
空间占用：每一次全拷贝快照需要与源盘相同大小的数据空间 创建过程：每一次全拷贝快照都需要完全数据同步 读写操作影响 源卷的读操作不受影响 源卷的写操作受数据同步的影响
创建完成后，快照（卷）的读写操作保持最优
6 g z
10
CoW的实现
SAN访问
阵列
源卷
0 a
快照索引和日志
地址
6 g
数据
快照前写块1 p z
快照后写块6
读块6 读块1
源 盘
g p
1 p 2 4 c e f z h i 3 d 5 6 7 8
快照
1.写操作（‘p’写入块1） 2.产生快照 3.快照后写入‘z’到块6： •不一次性写入 •先将块6内容移入日志 •‘z’写入源卷 4.从快照读时组合索引/日志和源卷
性能受数据碎片影响
1. 快照过程会产生大量的碎片，性能受影响，需要定时整理
快照区大小需要预分配，并受到空间限制
1. 快照区与源数据区需要在同一个文件系统中，因此大小需
要预分配，并受到卷大小的限制
20
THANKS 谢谢
阵列
源卷
0 a
快照索引和日志
地址
6 z
数据
快照前写块1 p z
快照后写块6
源 盘
1 p 2 4 c e f g h i 3 d 5 6 7 8
快照
1.写操作（‘p’写入块1） 2.产生快照 3.快照后写入‘z’到块6： •源卷块6内容不变 •‘z’写入日志
14
RoW的实现
SAN访问
阵列
源卷
0 a
快照索引和日志
1.如果快照取消，快照日志必需全部执行，以保 证源卷的状态更新到最新
16
RoW的特点
源卷状态：源卷状态冻结
读写操作步骤：
1. 到源盘的新的写操作被存入日志（并索引）： 2. 读源卷时，先检索日志 3. 读快照时，源卷需要引用 4. 当快照取消时，写日志必须全部执行以与源卷保证数据状态同步更新
随机写(WA : Write Anywhere)
4
全拷贝快照
分离镜像（Splitting a mirror）
写操作 写操作
镜像子系统 （阵列，逻辑卷管理器，存储网络）
镜像子系统 （阵列，逻辑卷管理器，存储网络）
镜像关系终止
源
镜像
源
镜像
5
分离镜像的生命周期
写操作 原始数据 分离镜像 1.分离镜像 2.从分离镜像备份 3.再同步