淺談存儲(chǔ)系統(tǒng)中的快照技術(shù)

快照是存儲(chǔ)系統(tǒng)中的一種數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)，主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的邏輯保護(hù)。所謂邏輯保護(hù)，就是當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤刪除或者病毒等原因?qū)е聰?shù)據(jù)破壞的情況。通過快照技術(shù)，可以將數(shù)據(jù)恢復(fù)到某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

從名字上可以猜出來(lái)，快照就好像給數(shù)據(jù)拍了一個(gè)照片，就好像我們?nèi)粘Ｉ钪薪o人拍照片類似。以生活中拍照片為例，比如給你家娃娃拍了他2歲的照片，等他到5歲的時(shí)候，樣子變化很大。這個(gè)時(shí)候你想看看他2歲的時(shí)候長(zhǎng)什么樣，那你就可以拿出他2歲的照片看看。

對(duì)于存儲(chǔ)中的快照技術(shù)也是類似，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，你給某個(gè)磁盤（或者存儲(chǔ)中的LUN）打一個(gè)快照，相當(dāng)于讓存儲(chǔ)系統(tǒng)給這個(gè)磁盤拍了一個(gè)照片。當(dāng)之后的使用過程中發(fā)生了意外，比如病毒把數(shù)據(jù)搞壞了等等。這個(gè)時(shí)候你就可以通過快照知道原來(lái)的數(shù)據(jù)是什么樣的，這樣數(shù)據(jù)就可以找回來(lái)了。

快照可以在文件系統(tǒng)或者塊設(shè)備層面實(shí)現(xiàn)，我們以塊存儲(chǔ)為例。塊存儲(chǔ)從普通用戶的角度來(lái)看就是磁盤。從用戶的角度磁盤其實(shí)就是一個(gè)線性空間，可以理解為一個(gè)很大的數(shù)組，比如512G或者4TB等。但磁盤的讀寫最小單位是一個(gè)扇區(qū)，也就是512字節(jié)。這樣可以不用關(guān)心，這個(gè)跟我們后面講的快照的原理也沒有太大關(guān)系。

有了磁盤的這個(gè)概念，那么快照就比計(jì)較容易理解了。對(duì)于存儲(chǔ)系統(tǒng)而言，磁盤實(shí)際上是從存儲(chǔ)池劃分的一塊空間而已，假設(shè)原始磁盤在存儲(chǔ)池中有如圖的一塊空間，而磁盤在存儲(chǔ)系統(tǒng)中其實(shí)就是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而已，只不過這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述了磁盤在存儲(chǔ)池中的空間范圍。

磁盤是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，快照實(shí)際上也是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對(duì)磁盤做快照，其實(shí)就是在存儲(chǔ)系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，讓其描述的數(shù)據(jù)范圍指向原始磁盤指向的存儲(chǔ)池的范圍即可。這樣快照的數(shù)據(jù)就和磁盤的數(shù)據(jù)一模一樣。

但是原始磁盤的數(shù)據(jù)是會(huì)變化的，也就是會(huì)被重新寫新數(shù)據(jù)的。這個(gè)時(shí)候怎么保證快照的數(shù)據(jù)還是打快照那個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)呢？問題的關(guān)鍵就在磁盤對(duì)數(shù)據(jù)的描述和管理。在存儲(chǔ)系統(tǒng)中，將磁盤劃分為固定大小的塊（比如4KB），然后通過某種機(jī)制（比如位圖）對(duì)這些磁盤塊進(jìn)行管理和標(biāo)記。當(dāng)有應(yīng)用對(duì)磁盤寫新的數(shù)據(jù)的時(shí)候，磁盤管理軟件就會(huì)將原始數(shù)據(jù)拷貝到新的地方，然后讓快照的指向改為這個(gè)新地址，而磁盤原來(lái)的地方就可以將數(shù)據(jù)寫入。這樣對(duì)于磁盤而言，數(shù)據(jù)發(fā)生了變化；而對(duì)于快照而言，快照的數(shù)據(jù)還是打快照那個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

是的，目前快照有2中實(shí)現(xiàn)方式，一種是我上面介紹的方式，稱為COW，全稱為Copy-On-Write。也就是在原始磁盤寫數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)將原始數(shù)據(jù)拷貝到新的地方。當(dāng)然，并不是每次寫數(shù)據(jù)都會(huì)拷貝，而是第一次寫數(shù)據(jù)的時(shí)候才會(huì)拷貝。這里有一個(gè)位圖記錄著已經(jīng)拷貝過的數(shù)據(jù)，如果已經(jīng)拷貝過，則下次再寫數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)⒉粫?huì)再拷貝了。

另外一種實(shí)現(xiàn)方式成為ROW，全稱為Redirect-On-Write，也就是寫時(shí)重定向。這種實(shí)現(xiàn)方式的基本原理是當(dāng)原始磁盤寫數(shù)據(jù)的時(shí)候并不在原始位置寫入數(shù)據(jù)，而是分配一個(gè)新的位置。這種情況下就需要維護(hù)磁盤邏輯地址與實(shí)際數(shù)據(jù)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

比如在數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用領(lǐng)域，使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的業(yè)務(wù)通常是關(guān)鍵業(yè)務(wù)。因此，需要保證數(shù)據(jù)庫(kù)在出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞或者丟失的情況下能夠恢復(fù)到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)。這樣，通過快照，比如每個(gè)小時(shí)打一個(gè)快照，這樣即使出現(xiàn)問題，最多丟失1個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的安全。

數(shù)據(jù)庫(kù)為了提升性能可能會(huì)同時(shí)使用好幾個(gè)磁盤，比如Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)用不同的磁盤存放不同的數(shù)據(jù)。比如數(shù)據(jù)文件會(huì)單獨(dú)放在一個(gè)磁盤，Redo日志又會(huì)放在另外一個(gè)磁盤。并且，Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)校驗(yàn)兩者的一致性，任何差異可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的不一致。

在我們存儲(chǔ)層面我們是不知道那些IO是某一個(gè)事務(wù)的，而我們做快照是以IO為粒度進(jìn)行的。換而言之，也就是我們做了一個(gè)快照，可能對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)而言正在處于中間過程。這樣的話，當(dāng)我們恢復(fù)到這個(gè)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)候，數(shù)據(jù)庫(kù)并不能直接啟動(dòng)，而是處于一種數(shù)據(jù)不一致的狀態(tài)，需要手動(dòng)做恢復(fù)處理。