基于卷的快照技術(shù)研究

【摘要】隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人類每日產(chǎn)生的信息量正以指數(shù)的級(jí)別增加。面對(duì)海量的數(shù)據(jù)，如何快速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的安全成為當(dāng)今社會(huì)的重要考驗(yàn)。首先闡述了快照技術(shù)的現(xiàn)狀，并介紹了當(dāng)前主流的快照技術(shù)，然后詳細(xì)介紹了基于卷的快照技術(shù)，最后分析了該技術(shù)的應(yīng)用前景。該技術(shù)提高了時(shí)間和空間的利用率，有較好的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】快照創(chuàng)建卷寫(xiě)時(shí)復(fù)制克隆存儲(chǔ)備份

中圖分類號(hào)：TP31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-1010(2014)-07-0069-04

1 背景

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的信息化水平得到了空前的提高。在當(dāng)今時(shí)代，新聞、多媒體、航天技術(shù)、生物技術(shù)、電子圖書(shū)館、電子商務(wù)等大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的涌現(xiàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)及信息的安全提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。有數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)在每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量相當(dāng)于之前所有年代的數(shù)據(jù)量之和。另外黑客、病毒等因素還時(shí)時(shí)威脅著數(shù)據(jù)的安全，所以如何合理地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)的安全顯得尤為重要。

然而存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展卻沒(méi)能完全跟上時(shí)代的步伐，雖然現(xiàn)在云存儲(chǔ)被炒得很火，但真正成熟的解決方案卻很少，在企業(yè)的存儲(chǔ)上，重要的數(shù)據(jù)還是依靠昂貴的磁陣來(lái)存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)備份方面還是一直采用數(shù)據(jù)復(fù)制、備份、恢復(fù)等技術(shù)來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)的安全，定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和復(fù)制。由于備份過(guò)程會(huì)影響性能，并且非常耗時(shí)，一般會(huì)選擇在系統(tǒng)較輕松的夜間進(jìn)行。

顯然，這種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式存在非常嚴(yán)重的不足。在備份期間，企業(yè)需要暫停對(duì)外的服務(wù)，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，這個(gè)時(shí)間可能會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)。但現(xiàn)在許多應(yīng)用，如銀行、網(wǎng)上支付等，都要求24小時(shí)不間斷營(yíng)業(yè)，短暫的間斷可能會(huì)帶來(lái)巨大的損失。另外，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分享方式帶來(lái)了巨大的存儲(chǔ)浪費(fèi)，例如同樣一份數(shù)據(jù)，每個(gè)用戶都會(huì)備份一份。而快照技術(shù)則可以彌補(bǔ)這些不足，因此處在不斷的發(fā)展之中。

2 當(dāng)前主流技術(shù)

（1）鏡像分享

顧名思義，鏡像分享需要一個(gè)完整的物理鏡像，同一份數(shù)據(jù)需寫(xiě)在兩個(gè)設(shè)備上。當(dāng)需要?jiǎng)?chuàng)建快照時(shí)，停止鏡像卷的寫(xiě)操作，鏡像被保存為一個(gè)快照。當(dāng)需要新的快照時(shí)，需要重新準(zhǔn)備一個(gè)物理卷，并與源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

優(yōu)點(diǎn)：有完整的物理備份，安全；窗口時(shí)間小，基本不會(huì)影響使用。

缺點(diǎn)：每個(gè)備份都需要完整的物理設(shè)備，成本高；需要完整的數(shù)據(jù)同步后才能創(chuàng)建快照，不夠靈活。

（2）寫(xiě)時(shí)復(fù)制

寫(xiě)時(shí)復(fù)制在創(chuàng)建快照的時(shí)候，并不會(huì)發(fā)生真實(shí)的數(shù)據(jù)拷貝，而僅僅是復(fù)制當(dāng)前卷的元數(shù)據(jù)，因?yàn)樵獢?shù)據(jù)非常小，所以整個(gè)過(guò)程幾乎在一瞬間完成。當(dāng)原始卷有數(shù)據(jù)修改時(shí)，首先將這塊數(shù)據(jù)讀出來(lái)，寫(xiě)入給快照預(yù)留的空間，然后再將新的數(shù)據(jù)寫(xiě)入原始卷。因?yàn)樵趯?xiě)數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，因而得名。

優(yōu)點(diǎn)：創(chuàng)建快照快，不需要完整的物理設(shè)備，成本小。

缺點(diǎn)：沒(méi)有完整的物理備份，有風(fēng)險(xiǎn)。

（3）指針重映射

指針重映射與寫(xiě)時(shí)復(fù)制基本類似，創(chuàng)建快照時(shí)也不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)拷貝。區(qū)別在于當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)改變時(shí)，系統(tǒng)直接將新的數(shù)據(jù)寫(xiě)入新分配的空間，并將數(shù)據(jù)的指針指向新分配的區(qū)域。而原來(lái)的數(shù)據(jù)空間作為快照空間被保存下來(lái)。與寫(xiě)時(shí)復(fù)制相比，指針重映射加快了寫(xiě)操作，每次寫(xiě)少了一次IO操作。

（4）日志文件

日志文件是指對(duì)文件系統(tǒng)的每一次寫(xiě)操作都寫(xiě)上日志，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)日志來(lái)恢復(fù)信息。這種技術(shù)主要用于ext3等本地文件系統(tǒng)中，有時(shí)也用于分布式系統(tǒng)的主備同步機(jī)制上。

（5）克隆快照

克隆快照可以理解為鏡像分享和寫(xiě)時(shí)復(fù)制的結(jié)合。首先利用寫(xiě)時(shí)復(fù)制創(chuàng)建一個(gè)快照，然后在后臺(tái)啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程，將快照復(fù)制到一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，以保證數(shù)據(jù)的安全。

3 基于分布式的快照

前面講了很多的快照技術(shù)，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。這里介紹的快照技術(shù)與寫(xiě)時(shí)復(fù)制比較相似，但使用上更靈活，能適用于很多場(chǎng)景。

在大多數(shù)企業(yè)，都會(huì)有一個(gè)知識(shí)庫(kù)，所有的人都可以從上面取資料，但是不能修改，如果要修改必須重新拷貝一份至本地。但大多數(shù)人都有一個(gè)習(xí)慣，即使不修改，也會(huì)拷貝一份至本地磁盤，以便隨時(shí)查看。這樣，一份文檔可能在公司里存在幾千甚至幾萬(wàn)份，公司給員工都配備了大容量的硬盤，結(jié)果還是不夠用，那么有沒(méi)有辦法能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)只保存一份而又能滿足隨時(shí)修改的需求呢？

再來(lái)看另外一個(gè)場(chǎng)景，公司每個(gè)人的電腦都要裝操作系統(tǒng)，而對(duì)于操作系統(tǒng)里面的文件，大部分都是用不著修改的。以Windows 7為例計(jì)算，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)占據(jù)10G，一個(gè)公司共有1 000名員工，那么僅系統(tǒng)占的空間就是10T，有什么辦法能節(jié)省空間呢？

3.1卷的創(chuàng)建

快照的核心是卷的管理，所有的快照都是基于卷來(lái)創(chuàng)建的。這里講的卷與傳統(tǒng)意義上的卷是有區(qū)別的：卷既可以是單機(jī)的，也可以是分布式的；卷是寫(xiě)時(shí)分配的，即在創(chuàng)建卷時(shí)是不會(huì)分配任何空間的，只有在真正寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)分配空間。

假設(shè)有一個(gè)存儲(chǔ)單元，其容量是1T，需要在上面創(chuàng)建一個(gè)10G的卷，將塊大小設(shè)置為512k，那么得到的是一個(gè)如圖1所示的卷：

圖1存儲(chǔ)單元?jiǎng)?chuàng)建卷示意圖

塊的大小可以根據(jù)業(yè)務(wù)的需要而定，對(duì)于存儲(chǔ)大文件的系統(tǒng)，可以將塊盡量設(shè)的大一點(diǎn)。例如HDFS默認(rèn)的塊大小是64M，如果是存儲(chǔ)小文件，可以考慮將塊設(shè)小一點(diǎn)。一般情況下推薦用512k或1M。當(dāng)然也可以用一些合并技術(shù)來(lái)解決數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題。

寫(xiě)時(shí)分配也是一個(gè)很重要的概念，業(yè)界很多系統(tǒng)都使用了這個(gè)技術(shù)，例如前段時(shí)間打得火熱的網(wǎng)盤大戰(zhàn)，騰訊、百度、360分別將其提供的免費(fèi)容量提升至T級(jí)別，其實(shí)除了極個(gè)別用戶，大部分都只使用少部分空間，企業(yè)并不需要為這一措施購(gòu)買大量的存儲(chǔ)。

創(chuàng)建卷后就可以在卷上創(chuàng)建文件系統(tǒng)或?qū)憯?shù)據(jù)了，每個(gè)邏輯塊所對(duì)應(yīng)的磁盤位置通過(guò)一定的算法進(jìn)行定位。

3.2快照的創(chuàng)建

在創(chuàng)建快照前有必要介紹一下快照與卷的關(guān)系，所有的快照都是在卷上創(chuàng)建的，快照是只讀的，卷是可寫(xiě)的?？梢曰诳煺談?chuàng)建卷，所有基于快照創(chuàng)建的卷上都保留有快照上所有數(shù)據(jù)。其關(guān)系如圖2所示：

圖2快照與卷的關(guān)系

對(duì)于卷和快照的操作主要包含以下三個(gè)方面：

◆創(chuàng)建卷（圖2左側(cè)）；

◆基于當(dāng)前卷創(chuàng)建快照（圖2中間）；

◆基于快照創(chuàng)建卷（圖2右側(cè)）。

為了更好地定位到每個(gè)卷對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)及位置，這里定義了一組KEY：

KEY(volum_id, branch_id, snap_id, block_id)

volum_id：如果卷或快照具有同一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，那他們就具有相同的volum_id；

branch_id：每基于快照創(chuàng)建一個(gè)卷，那么這個(gè)卷就產(chǎn)生一個(gè)新的branck_id；

snap_id：在同一個(gè)分支下，snap_id遞增，例如圖3中間，快照1的snap_id是0，卷1的sna_id是1；

block_id：如圖1，每個(gè)塊對(duì)應(yīng)一個(gè)block_id，并遞增。

有了上面這組KEY，就可以很方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作了。

圖3讀數(shù)據(jù)操作

3.3讀數(shù)據(jù)

邏輯卷上的每一個(gè)塊，都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的KEY，KEY上面記錄了這個(gè)塊上是否有數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)的話，記錄數(shù)據(jù)存放的位置。如圖3所示，塊1、2、4、5、7、9上是有數(shù)據(jù)的，其中7、9所對(duì)應(yīng)的KEY分別為(0,0,0,6)、(0,0,0,8)。

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假如此時(shí)有請(qǐng)求過(guò)來(lái)需要訪問(wèn)塊7的數(shù)據(jù)，塊7的KEY是(0,0,1,6)，檢查發(fā)現(xiàn)其上沒(méi)有數(shù)據(jù)，于是尋找其父節(jié)點(diǎn)，找到7，7上有數(shù)據(jù)，于是將數(shù)據(jù)讀出。如果請(qǐng)求的是塊6的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上面沒(méi)有數(shù)據(jù)，向上尋找父節(jié)點(diǎn)6，也沒(méi)有數(shù)據(jù)，再向上尋找，直到找到根節(jié)點(diǎn)為止，此處6已經(jīng)是根節(jié)點(diǎn)，所以認(rèn)為塊6是空的。

由此可以看到，卷1上本身是沒(méi)有數(shù)據(jù)的，但是通過(guò)父節(jié)點(diǎn)可以讀到數(shù)據(jù)。這同樣適用于卷2，卷1和卷2共享數(shù)據(jù)卻互不干擾。

3.4寫(xiě)數(shù)據(jù)

假如收到一個(gè)請(qǐng)求，需要修改塊1(0,0,1,0)的數(shù)據(jù)，首先按讀數(shù)據(jù)的步驟，將塊1(0,0,0,0)的數(shù)據(jù)讀至內(nèi)存，將需要修改的部分修改，然后再將修改后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入塊1。如果寫(xiě)的數(shù)據(jù)是一個(gè)完整的塊，那么無(wú)需執(zhí)行讀動(dòng)作，直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入塊1即可。第三種情況，如果需要修改塊3(0,0,1,2)，執(zhí)行讀動(dòng)作時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)塊上沒(méi)有數(shù)據(jù)，那么無(wú)需修改，直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入塊3即可，如圖4所示：

圖4寫(xiě)數(shù)據(jù)操作

卷2也可以執(zhí)行同樣的操作，其修改的數(shù)據(jù)保存在自己的邏輯空間里，然后通過(guò)一定的算法映射到磁盤的某個(gè)位置。

3.5分析

對(duì)于這一套快照機(jī)制，其有如下顯著的特點(diǎn)：

（1）創(chuàng)建快照非?？欤静粫?huì)對(duì)系統(tǒng)有任何的負(fù)擔(dān)；

（2）可以根據(jù)快照讀取全量的數(shù)據(jù)；

（3）非常方便數(shù)據(jù)共享，只需基于某快照創(chuàng)建一個(gè)卷給用戶使用，就可以讓該用戶擁有這份數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是用戶并不需要將數(shù)據(jù)拷貝至本地再做備份；

（4）對(duì)于快照和卷的數(shù)量沒(méi)有限制，理論上可以無(wú)限創(chuàng)建；

（5）由于是基于邏輯的方式創(chuàng)建卷，所以只需簡(jiǎn)單的邏輯就可以實(shí)現(xiàn)卷的動(dòng)態(tài)擴(kuò)縮容。

這套機(jī)制當(dāng)然也有缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)并沒(méi)有做到真正意義上的容災(zāi)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么所有數(shù)據(jù)可能丟失，當(dāng)然，想要高的可靠性就還需要其它特征來(lái)支持，例如多副本、集群化管理等。

4 基于卷的快照技術(shù)應(yīng)用

4.1單機(jī)應(yīng)用

對(duì)于單機(jī)來(lái)說(shuō)，可以設(shè)計(jì)一套類似于LVM的卷管理軟件來(lái)取代LVM，在未創(chuàng)建快照時(shí)可以提供與LVM等同的功能，創(chuàng)建快照后可以為多用戶提供靈活的需求。如圖5所示：

圖5快照技術(shù)在單機(jī)上的應(yīng)用

4.2分布式應(yīng)用

對(duì)于分布式來(lái)說(shuō)，其與單機(jī)的要求類似，單臺(tái)機(jī)器并不用太關(guān)心其它機(jī)器上數(shù)據(jù)分布情況。當(dāng)用戶要求創(chuàng)建卷時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)一定的規(guī)則選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)或一臺(tái)主機(jī)，如果有副本則選擇多個(gè)節(jié)點(diǎn)或主機(jī)，然后這個(gè)卷上的所有操作都會(huì)發(fā)送至這個(gè)節(jié)點(diǎn)，與單機(jī)處理模式一樣。只是有多副本時(shí)還需要考慮數(shù)據(jù)一致性的問(wèn)題。

4.3應(yīng)用前景

（1）虛擬機(jī)

現(xiàn)在很多公司在計(jì)劃虛擬機(jī)，采用虛擬機(jī)除了可以讓資源得到統(tǒng)一管理、減少PC的采購(gòu)、信息安全外，還有一個(gè)很重要的點(diǎn)就是節(jié)省資源，這是當(dāng)前大部分系統(tǒng)都不具備的功能。假設(shè)某公司要搭建一個(gè)虛擬機(jī)系統(tǒng)，公司總共有1萬(wàn)人，按照每個(gè)人40G系統(tǒng)盤、200G數(shù)據(jù)盤來(lái)計(jì)劃，不包含副本的情況下，需要2 400T的存儲(chǔ)空間。采用上述快照方案后，首先創(chuàng)建一個(gè)卷用來(lái)卷操作系統(tǒng)，然后創(chuàng)建快照，再基于這個(gè)快照創(chuàng)建1萬(wàn)個(gè)卷。這需要的空間為2 000T+40G。節(jié)省了16.7%的資源，如果再加上資源共享部分，能節(jié)省的空間更多。

（2）網(wǎng)盤

網(wǎng)盤是當(dāng)前非常流行的一個(gè)應(yīng)用，廠商動(dòng)不動(dòng)就給用戶提供上G甚至T級(jí)的空間，如果用戶上百萬(wàn)或千萬(wàn)，那這個(gè)存儲(chǔ)需求是驚人的。但其實(shí)真正用到這么大的空間的是少數(shù)，大部分用戶只是用到了其中一小部分，這樣采用使用時(shí)分配的原則，可以節(jié)省大量的資源。

（3）企業(yè)資料共享

說(shuō)到企業(yè)的資料共享，基本每個(gè)企業(yè)都有一個(gè)龐大的資料庫(kù)，往往是存放在一個(gè)共享主機(jī)上，員工通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，這樣不僅會(huì)造成高峰期的網(wǎng)絡(luò)阻塞，并且同樣的文檔在每個(gè)用戶的機(jī)器上都會(huì)存在一份，特別是對(duì)于大型的軟件，例如Office、Oracle等，造成重復(fù)存放，浪費(fèi)大量的空間。這時(shí)可以考慮上面的方案，使用快照軟件創(chuàng)建一個(gè)卷，然后將資料放到這個(gè)卷上，創(chuàng)建快照，基于這個(gè)快照創(chuàng)建任意多的卷，給每個(gè)員工一個(gè)可用的卷，員工直接將卷掛載在本地當(dāng)本地磁盤使用。這樣給每個(gè)員工的數(shù)據(jù)磁盤可以大大減小。當(dāng)然，這里還會(huì)涉及到信息管理的問(wèn)題。

（4）數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)

除了上面的應(yīng)用，基于卷的快照技術(shù)還有備份與恢復(fù)、隨時(shí)備份、隨時(shí)恢復(fù)的功能。

5 總結(jié)

快照技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，一直在不斷的發(fā)展，人們對(duì)其進(jìn)行了大量的改進(jìn)，時(shí)間和空間的利用率都得到了不同程度的提高。而基于卷的快照管理是在當(dāng)前快照技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間和空間利用的改進(jìn)，如果能合理地利用，其價(jià)值將不可限量。

近年來(lái)，存儲(chǔ)的發(fā)展日新月異，不斷有新產(chǎn)品問(wèn)世。隨著人類技術(shù)的積累，未來(lái)還會(huì)有更多的快照技術(shù)問(wèn)世，能有效地解決當(dāng)前存在的時(shí)間、性能、安全性方面的問(wèn)題，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份領(lǐng)域提供長(zhǎng)足的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介

江乾榮：系統(tǒng)架構(gòu)師，學(xué)士畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)移動(dòng)（深圳）有限公司，主要從事云存儲(chǔ)和云計(jì)算的研究工作。

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假如此時(shí)有請(qǐng)求過(guò)來(lái)需要訪問(wèn)塊7的數(shù)據(jù)，塊7的KEY是(0,0,1,6)，檢查發(fā)現(xiàn)其上沒(méi)有數(shù)據(jù)，于是尋找其父節(jié)點(diǎn)，找到7，7上有數(shù)據(jù)，于是將數(shù)據(jù)讀出。如果請(qǐng)求的是塊6的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上面沒(méi)有數(shù)據(jù)，向上尋找父節(jié)點(diǎn)6，也沒(méi)有數(shù)據(jù)，再向上尋找，直到找到根節(jié)點(diǎn)為止，此處6已經(jīng)是根節(jié)點(diǎn)，所以認(rèn)為塊6是空的。

由此可以看到，卷1上本身是沒(méi)有數(shù)據(jù)的，但是通過(guò)父節(jié)點(diǎn)可以讀到數(shù)據(jù)。這同樣適用于卷2，卷1和卷2共享數(shù)據(jù)卻互不干擾。

3.4寫(xiě)數(shù)據(jù)

假如收到一個(gè)請(qǐng)求，需要修改塊1(0,0,1,0)的數(shù)據(jù)，首先按讀數(shù)據(jù)的步驟，將塊1(0,0,0,0)的數(shù)據(jù)讀至內(nèi)存，將需要修改的部分修改，然后再將修改后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入塊1。如果寫(xiě)的數(shù)據(jù)是一個(gè)完整的塊，那么無(wú)需執(zhí)行讀動(dòng)作，直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入塊1即可。第三種情況，如果需要修改塊3(0,0,1,2)，執(zhí)行讀動(dòng)作時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)塊上沒(méi)有數(shù)據(jù)，那么無(wú)需修改，直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入塊3即可，如圖4所示：

圖4寫(xiě)數(shù)據(jù)操作

卷2也可以執(zhí)行同樣的操作，其修改的數(shù)據(jù)保存在自己的邏輯空間里，然后通過(guò)一定的算法映射到磁盤的某個(gè)位置。

3.5分析

對(duì)于這一套快照機(jī)制，其有如下顯著的特點(diǎn)：

（1）創(chuàng)建快照非?？欤静粫?huì)對(duì)系統(tǒng)有任何的負(fù)擔(dān)；

（2）可以根據(jù)快照讀取全量的數(shù)據(jù)；

（3）非常方便數(shù)據(jù)共享，只需基于某快照創(chuàng)建一個(gè)卷給用戶使用，就可以讓該用戶擁有這份數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是用戶并不需要將數(shù)據(jù)拷貝至本地再做備份；

（4）對(duì)于快照和卷的數(shù)量沒(méi)有限制，理論上可以無(wú)限創(chuàng)建；

（5）由于是基于邏輯的方式創(chuàng)建卷，所以只需簡(jiǎn)單的邏輯就可以實(shí)現(xiàn)卷的動(dòng)態(tài)擴(kuò)縮容。

這套機(jī)制當(dāng)然也有缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)并沒(méi)有做到真正意義上的容災(zāi)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么所有數(shù)據(jù)可能丟失，當(dāng)然，想要高的可靠性就還需要其它特征來(lái)支持，例如多副本、集群化管理等。

4 基于卷的快照技術(shù)應(yīng)用

4.1單機(jī)應(yīng)用

對(duì)于單機(jī)來(lái)說(shuō)，可以設(shè)計(jì)一套類似于LVM的卷管理軟件來(lái)取代LVM，在未創(chuàng)建快照時(shí)可以提供與LVM等同的功能，創(chuàng)建快照后可以為多用戶提供靈活的需求。如圖5所示：

圖5快照技術(shù)在單機(jī)上的應(yīng)用

4.2分布式應(yīng)用

對(duì)于分布式來(lái)說(shuō)，其與單機(jī)的要求類似，單臺(tái)機(jī)器并不用太關(guān)心其它機(jī)器上數(shù)據(jù)分布情況。當(dāng)用戶要求創(chuàng)建卷時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)一定的規(guī)則選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)或一臺(tái)主機(jī)，如果有副本則選擇多個(gè)節(jié)點(diǎn)或主機(jī)，然后這個(gè)卷上的所有操作都會(huì)發(fā)送至這個(gè)節(jié)點(diǎn)，與單機(jī)處理模式一樣。只是有多副本時(shí)還需要考慮數(shù)據(jù)一致性的問(wèn)題。

4.3應(yīng)用前景

（1）虛擬機(jī)

現(xiàn)在很多公司在計(jì)劃虛擬機(jī)，采用虛擬機(jī)除了可以讓資源得到統(tǒng)一管理、減少PC的采購(gòu)、信息安全外，還有一個(gè)很重要的點(diǎn)就是節(jié)省資源，這是當(dāng)前大部分系統(tǒng)都不具備的功能。假設(shè)某公司要搭建一個(gè)虛擬機(jī)系統(tǒng)，公司總共有1萬(wàn)人，按照每個(gè)人40G系統(tǒng)盤、200G數(shù)據(jù)盤來(lái)計(jì)劃，不包含副本的情況下，需要2 400T的存儲(chǔ)空間。采用上述快照方案后，首先創(chuàng)建一個(gè)卷用來(lái)卷操作系統(tǒng)，然后創(chuàng)建快照，再基于這個(gè)快照創(chuàng)建1萬(wàn)個(gè)卷。這需要的空間為2 000T+40G。節(jié)省了16.7%的資源，如果再加上資源共享部分，能節(jié)省的空間更多。

（2）網(wǎng)盤

網(wǎng)盤是當(dāng)前非常流行的一個(gè)應(yīng)用，廠商動(dòng)不動(dòng)就給用戶提供上G甚至T級(jí)的空間，如果用戶上百萬(wàn)或千萬(wàn)，那這個(gè)存儲(chǔ)需求是驚人的。但其實(shí)真正用到這么大的空間的是少數(shù)，大部分用戶只是用到了其中一小部分，這樣采用使用時(shí)分配的原則，可以節(jié)省大量的資源。

（3）企業(yè)資料共享

說(shuō)到企業(yè)的資料共享，基本每個(gè)企業(yè)都有一個(gè)龐大的資料庫(kù)，往往是存放在一個(gè)共享主機(jī)上，員工通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，這樣不僅會(huì)造成高峰期的網(wǎng)絡(luò)阻塞，并且同樣的文檔在每個(gè)用戶的機(jī)器上都會(huì)存在一份，特別是對(duì)于大型的軟件，例如Office、Oracle等，造成重復(fù)存放，浪費(fèi)大量的空間。這時(shí)可以考慮上面的方案，使用快照軟件創(chuàng)建一個(gè)卷，然后將資料放到這個(gè)卷上，創(chuàng)建快照，基于這個(gè)快照創(chuàng)建任意多的卷，給每個(gè)員工一個(gè)可用的卷，員工直接將卷掛載在本地當(dāng)本地磁盤使用。這樣給每個(gè)員工的數(shù)據(jù)磁盤可以大大減小。當(dāng)然，這里還會(huì)涉及到信息管理的問(wèn)題。

（4）數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)

除了上面的應(yīng)用，基于卷的快照技術(shù)還有備份與恢復(fù)、隨時(shí)備份、隨時(shí)恢復(fù)的功能。

5 總結(jié)

快照技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，一直在不斷的發(fā)展，人們對(duì)其進(jìn)行了大量的改進(jìn)，時(shí)間和空間的利用率都得到了不同程度的提高。而基于卷的快照管理是在當(dāng)前快照技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間和空間利用的改進(jìn)，如果能合理地利用，其價(jià)值將不可限量。

近年來(lái)，存儲(chǔ)的發(fā)展日新月異，不斷有新產(chǎn)品問(wèn)世。隨著人類技術(shù)的積累，未來(lái)還會(huì)有更多的快照技術(shù)問(wèn)世，能有效地解決當(dāng)前存在的時(shí)間、性能、安全性方面的問(wèn)題，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份領(lǐng)域提供長(zhǎng)足的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉愛(ài)貴. 快照（Snapshot）技術(shù)發(fā)展綜述[EB/OL]. (2009-08-28). http://blog.csdn.net/liuaigui/article/details/4494555.

[2] 李中,王剛,劉璟. 一種在存儲(chǔ)子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間點(diǎn)快照的技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2004(9).

[3] 李亮. 一種基于持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)的鏡像系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010.

[4] 袁曉銘. 磁盤陣列系統(tǒng)的快照技術(shù)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2007.

[5] 海杰. 設(shè)備層多版本快照的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2008.★

作者簡(jiǎn)介

江乾榮：系統(tǒng)架構(gòu)師，學(xué)士畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)移動(dòng)（深圳）有限公司，主要從事云存儲(chǔ)和云計(jì)算的研究工作。

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假如此時(shí)有請(qǐng)求過(guò)來(lái)需要訪問(wèn)塊7的數(shù)據(jù)，塊7的KEY是(0,0,1,6)，檢查發(fā)現(xiàn)其上沒(méi)有數(shù)據(jù)，于是尋找其父節(jié)點(diǎn)，找到7，7上有數(shù)據(jù)，于是將數(shù)據(jù)讀出。如果請(qǐng)求的是塊6的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上面沒(méi)有數(shù)據(jù)，向上尋找父節(jié)點(diǎn)6，也沒(méi)有數(shù)據(jù)，再向上尋找，直到找到根節(jié)點(diǎn)為止，此處6已經(jīng)是根節(jié)點(diǎn)，所以認(rèn)為塊6是空的。

由此可以看到，卷1上本身是沒(méi)有數(shù)據(jù)的，但是通過(guò)父節(jié)點(diǎn)可以讀到數(shù)據(jù)。這同樣適用于卷2，卷1和卷2共享數(shù)據(jù)卻互不干擾。

3.4寫(xiě)數(shù)據(jù)

假如收到一個(gè)請(qǐng)求，需要修改塊1(0,0,1,0)的數(shù)據(jù)，首先按讀數(shù)據(jù)的步驟，將塊1(0,0,0,0)的數(shù)據(jù)讀至內(nèi)存，將需要修改的部分修改，然后再將修改后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入塊1。如果寫(xiě)的數(shù)據(jù)是一個(gè)完整的塊，那么無(wú)需執(zhí)行讀動(dòng)作，直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入塊1即可。第三種情況，如果需要修改塊3(0,0,1,2)，執(zhí)行讀動(dòng)作時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)塊上沒(méi)有數(shù)據(jù)，那么無(wú)需修改，直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入塊3即可，如圖4所示：

圖4寫(xiě)數(shù)據(jù)操作

卷2也可以執(zhí)行同樣的操作，其修改的數(shù)據(jù)保存在自己的邏輯空間里，然后通過(guò)一定的算法映射到磁盤的某個(gè)位置。

3.5分析

對(duì)于這一套快照機(jī)制，其有如下顯著的特點(diǎn)：

（1）創(chuàng)建快照非常快，基本不會(huì)對(duì)系統(tǒng)有任何的負(fù)擔(dān)；

（2）可以根據(jù)快照讀取全量的數(shù)據(jù)；

（3）非常方便數(shù)據(jù)共享，只需基于某快照創(chuàng)建一個(gè)卷給用戶使用，就可以讓該用戶擁有這份數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是用戶并不需要將數(shù)據(jù)拷貝至本地再做備份；

（4）對(duì)于快照和卷的數(shù)量沒(méi)有限制，理論上可以無(wú)限創(chuàng)建；

（5）由于是基于邏輯的方式創(chuàng)建卷，所以只需簡(jiǎn)單的邏輯就可以實(shí)現(xiàn)卷的動(dòng)態(tài)擴(kuò)縮容。

這套機(jī)制當(dāng)然也有缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)并沒(méi)有做到真正意義上的容災(zāi)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么所有數(shù)據(jù)可能丟失，當(dāng)然，想要高的可靠性就還需要其它特征來(lái)支持，例如多副本、集群化管理等。

4 基于卷的快照技術(shù)應(yīng)用

4.1單機(jī)應(yīng)用

對(duì)于單機(jī)來(lái)說(shuō)，可以設(shè)計(jì)一套類似于LVM的卷管理軟件來(lái)取代LVM，在未創(chuàng)建快照時(shí)可以提供與LVM等同的功能，創(chuàng)建快照后可以為多用戶提供靈活的需求。如圖5所示：

圖5快照技術(shù)在單機(jī)上的應(yīng)用

4.2分布式應(yīng)用

對(duì)于分布式來(lái)說(shuō)，其與單機(jī)的要求類似，單臺(tái)機(jī)器并不用太關(guān)心其它機(jī)器上數(shù)據(jù)分布情況。當(dāng)用戶要求創(chuàng)建卷時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)一定的規(guī)則選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)或一臺(tái)主機(jī)，如果有副本則選擇多個(gè)節(jié)點(diǎn)或主機(jī)，然后這個(gè)卷上的所有操作都會(huì)發(fā)送至這個(gè)節(jié)點(diǎn)，與單機(jī)處理模式一樣。只是有多副本時(shí)還需要考慮數(shù)據(jù)一致性的問(wèn)題。

4.3應(yīng)用前景

（1）虛擬機(jī)

現(xiàn)在很多公司在計(jì)劃虛擬機(jī)，采用虛擬機(jī)除了可以讓資源得到統(tǒng)一管理、減少PC的采購(gòu)、信息安全外，還有一個(gè)很重要的點(diǎn)就是節(jié)省資源，這是當(dāng)前大部分系統(tǒng)都不具備的功能。假設(shè)某公司要搭建一個(gè)虛擬機(jī)系統(tǒng)，公司總共有1萬(wàn)人，按照每個(gè)人40G系統(tǒng)盤、200G數(shù)據(jù)盤來(lái)計(jì)劃，不包含副本的情況下，需要2 400T的存儲(chǔ)空間。采用上述快照方案后，首先創(chuàng)建一個(gè)卷用來(lái)卷操作系統(tǒng)，然后創(chuàng)建快照，再基于這個(gè)快照創(chuàng)建1萬(wàn)個(gè)卷。這需要的空間為2 000T+40G。節(jié)省了16.7%的資源，如果再加上資源共享部分，能節(jié)省的空間更多。

（2）網(wǎng)盤

網(wǎng)盤是當(dāng)前非常流行的一個(gè)應(yīng)用，廠商動(dòng)不動(dòng)就給用戶提供上G甚至T級(jí)的空間，如果用戶上百萬(wàn)或千萬(wàn)，那這個(gè)存儲(chǔ)需求是驚人的。但其實(shí)真正用到這么大的空間的是少數(shù)，大部分用戶只是用到了其中一小部分，這樣采用使用時(shí)分配的原則，可以節(jié)省大量的資源。

（3）企業(yè)資料共享

說(shuō)到企業(yè)的資料共享，基本每個(gè)企業(yè)都有一個(gè)龐大的資料庫(kù)，往往是存放在一個(gè)共享主機(jī)上，員工通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，這樣不僅會(huì)造成高峰期的網(wǎng)絡(luò)阻塞，并且同樣的文檔在每個(gè)用戶的機(jī)器上都會(huì)存在一份，特別是對(duì)于大型的軟件，例如Office、Oracle等，造成重復(fù)存放，浪費(fèi)大量的空間。這時(shí)可以考慮上面的方案，使用快照軟件創(chuàng)建一個(gè)卷，然后將資料放到這個(gè)卷上，創(chuàng)建快照，基于這個(gè)快照創(chuàng)建任意多的卷，給每個(gè)員工一個(gè)可用的卷，員工直接將卷掛載在本地當(dāng)本地磁盤使用。這樣給每個(gè)員工的數(shù)據(jù)磁盤可以大大減小。當(dāng)然，這里還會(huì)涉及到信息管理的問(wèn)題。

（4）數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)

除了上面的應(yīng)用，基于卷的快照技術(shù)還有備份與恢復(fù)、隨時(shí)備份、隨時(shí)恢復(fù)的功能。

5 總結(jié)

快照技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，一直在不斷的發(fā)展，人們對(duì)其進(jìn)行了大量的改進(jìn)，時(shí)間和空間的利用率都得到了不同程度的提高。而基于卷的快照管理是在當(dāng)前快照技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間和空間利用的改進(jìn)，如果能合理地利用，其價(jià)值將不可限量。

近年來(lái)，存儲(chǔ)的發(fā)展日新月異，不斷有新產(chǎn)品問(wèn)世。隨著人類技術(shù)的積累，未來(lái)還會(huì)有更多的快照技術(shù)問(wèn)世，能有效地解決當(dāng)前存在的時(shí)間、性能、安全性方面的問(wèn)題，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份領(lǐng)域提供長(zhǎng)足的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉愛(ài)貴. 快照（Snapshot）技術(shù)發(fā)展綜述[EB/OL]. (2009-08-28). http://blog.csdn.net/liuaigui/article/details/4494555.

[2] 李中,王剛,劉璟. 一種在存儲(chǔ)子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間點(diǎn)快照的技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2004(9).

[3] 李亮. 一種基于持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)的鏡像系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010.

[4] 袁曉銘. 磁盤陣列系統(tǒng)的快照技術(shù)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2007.

[5] 海杰. 設(shè)備層多版本快照的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2008.★

作者簡(jiǎn)介

江乾榮：系統(tǒng)架構(gòu)師，學(xué)士畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)移動(dòng)（深圳）有限公司，主要從事云存儲(chǔ)和云計(jì)算的研究工作。

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