云计算基础-快照与克隆

快照及克隆

什么是快照

快照是数据存储的某一时刻的状态记录，也就是把虚拟机当前的状态保存下来(快照不是备份，快照保存的是状态，备份保存的是副本)

快照优点

速度快，占用空间小

快照工作原理

在了解快照原理前，首先需要知道两个概念：索引/数据和差分盘

索引和数据（index node / data block）

首先要了解，每一个文件系统都是有两部分组成的：索引和数据（index node / data block）,

索引有时候也称为元数据metadata，如图：

index node 有时候也称为metadate（元数据），也叫元素，它是描述数据的数据，比如文件的名字，文件的大小，文件的权限，文件的指针(指针指向文件在硬盘上的物理位置)

所以，快照也叫：基于索引的快照(快照中只包含虚拟机磁盘文件的元数据，不包含真实的文件内容)，元数据中只保存文件的描述信息和文件的指针，一个元数据占用256字节的空间大小，查找文件时，先读取文件的元数据，通过元数据的指针找到文件在硬盘的物理位置，从而找到文件。

总结一下：

metadate（元数据）：文件的描述信息（文件的名字、大小、时间等及文件的指针：真实的物理数据在硬盘上的位置）

data block：真实的文件

举个不是太恰当的例子：比如有一张图片，放在硬盘上第三行第五列这个小格子内，我们想要打开这个文件，首先操作系统要先找到这个文件的索引（元数据metadate），我们这时可以看到这个文件名字叫“123.jpg”，大小是1MB等信息，当我们打开这个文件时，通过matedate中的指针，该指针指向了硬盘上第三行第五列这个小格子，操作系统找到这个小格子里的文件，从而可以打开文件让我们看到这个图片

差分盘

差分盘是一种与基础盘关联的磁盘类型，它记录了基础盘和自身之间的差异。具体来说，差分盘只存储了对基础盘的修改或增量数据，而不保存基础盘上已存在的数据。

创建快照其实就是创建了一块差分盘，当创建快照时，基础磁盘会置于只读状态，差分盘(快照空间)中会保留基础磁盘的索引信息，所以ROW快照后，虚拟机所有对磁盘的增删改查操作都会重定向到差分盘，从而不影响基础磁盘中已有的数据

计算快照(旧)

功能介绍

虚拟化计算层是基于KVM来实现的，KVM采用的是qcow2的磁盘格式，qcow2支持的快照方式为cow（写时复制），KVM在虚拟化计算层给qcow2打快照的时候，会将生成的快照空间一起保存在原有的qcow2文件中，在删除或恢复快照的时候调用底层的文件系统指令来清理qcow2文件中的快照空间

cow快照在写入（修改）数据时，IO会被放大三倍，更加消耗存储的IO性能，即需要将要修改的数据读出来，写到快照空间内，然后再将新的数据覆盖写到原位置，这样会带来写惩罚：一次写带来了更多的读操作

注意事项

1. 性能影响是因为KVM支持的COW快照技术导致的，打完快照之后数据写入的时候会放大IO（消耗存储的IO性能，新增数据不会对性能产生影响，修改数据时才会影响性能）

2. KVM的快照方案中，快照数据保存在原有的qcow2文件中，如果要满足删除快照对qcow2文件内快照区域进行清理，需要调用底层文件系统指令（如果底层使用ext3，ext4的文件系统，那就可以通过调用KVM的指令，来清除qcow2文件中的快照空间）

3. 深信服超融合使用的是自己开发的aSAN虚拟存储，aSAN文件系统的底层指令不支持删除qcow2文件中的快照空间，所以只能删除快照的索引数据

存储快照

深信服aSAN文件系统无法删除qcow2文件中的快照空间，为了解决这个问题，aSAN开发出了存储快照

存储快照就是在打快照的时候生成的快照空间，写在一个单独的qcow2文件里，而不是放在原来的qcow2文件里

存储快照在清理快照空间的时候，只需要将生成的qcow2文件删除掉即可

采用基于存储的快照方式

1. 采用ROW快照技术，减小对虚拟机性能的影响

2. aSAN底层支持删除快照时释放空间

注意事项

1. 存储快照只能存在于虚拟存储上，外置存储的虚拟机会使用老版本的快照方式

2. 两主机场景不支持存储快照及相关功能，包括快速克隆

COW快照原理（旧）

COW又叫写时复制（新增数据不会对性能产生影响，修改数据时才会影响性能）

1. 创建快照的时候，COW会为原虚拟磁盘创建一张数据指针表，用于保存原虚拟磁盘的物理指针

2. 然后在创建一张新的指针表，作为快照空间的指针表，快照空间的指针表会占用一部分的存储空间，用于保存快照后原虚拟磁盘中被更新的原数据

3. 当虚拟机要删改数据的时候，先将数据写到缓存里等待，等待存储系统先将删改的原数据复制到快照空间里，然后再将缓存中的数据覆盖写到原虚拟磁盘中的位置

4. 最后将虚拟磁盘和快照空间的数据指针对应写到一张映射表里

简单总结：

数据写入时，直接写到虚拟磁盘内，数据修改时，先把要修改的数据读出来，然后将读出来的数据写到快照空间内，然后把修改后的数据覆盖写入到虚拟磁盘原位置中，最后将虚拟磁盘和快照空间的数据指针保存到映射表中

快照后，数据写入(修改)流程

1. 在对虚拟机创建快照时，系统会生成一个动态增长的新磁盘文件（即快照空间）

2. 快照创建完成后，修改原数据时会先将原磁盘数据复制到快照空间里，然后再将缓存里的数据写到原磁盘文件中，最后将原虚拟磁盘和快照空间逻辑地址的对应关系写到映射表

快照在写入数据时，为什么会放大IO？

如图，图上的蓝色部分是数据指针，白色部分是指针对应的存储空间，紫色和黄色表示的是数据块

此时，虚拟机要将【2】这里的数据块【c】修改为数据块【e】，【e】首先会被写到缓存里，存储系统将原来的【c】读出来，然后再复制到快照空间的【ii】位置，此时，数据经历了一次读和一次写。然后再将缓存里的数据【e】覆盖写到原虚拟磁盘，此时io又经历了一次写。

所以，快照后，数据IO会经历一次读和两次写，假设这个数据块是1KB，这已经有了3KB的数据量了，原本1KB的数据IO变为了3KB的数据IO，所以快照后写入数据会放大数据IO量

写入映射表的操作是写入地址指针，这个数据是非常小的，可以忽略掉

快照后数据读取流程

快照创建后，虚拟机读取数据时直接从原虚拟磁盘读取

虚拟机读取数据时，直接根据原虚拟磁盘的指针表读取即可，不用查询映射表和快照空间了，因为修改的数据都保存在原虚拟磁盘里了

如图，在原虚拟磁盘里，e已经是最新的数据了，所以在读的时候，只需要顺序的将aeioud读出来即可

快照恢复流程

快照恢复时，根据映射表将快照空间里的数据回写到原虚拟磁盘，然后删除快照空间

恢复快照后，原磁盘空间是打快照时的旧数据状态，快照删除后，虚拟机是新数据状态

1. 首先根据映射表，找到快照空间上的数据在原虚拟磁盘所对应的位置

2. 然后将数据回写到原虚拟磁盘上，覆盖掉修改后的数据，每一次回写的动作都会进行一次数据的读和数据的写

3. 数据全部回写完成后，再将快照空间和映射表删除掉

快照删除流程

删除快照时，直接删除快照空间以及地址映射表，即可保证当前虚拟机是最新数据的状态(快照内旧的数据也会跟着一起删除)

ROW快照原理（写时重定向）

快照后，数据写入流程

1. 在对虚拟机创建快照时，系统会将虚拟磁盘置为只读，并生成一个动态增长的新磁盘（即快照空间）

2. 快照创建完成后，该虚拟机的所有新增数据和对原数据的修改都写入到新生成的快照空间，并将原虚拟磁盘和快照空间逻辑地址的对应关系写入映射表

1. 在创建快照时，ROW首先会为原虚拟磁盘创建一张数据指针表，用于保存原虚拟磁盘的物理指针，如上图，蓝色的1-6即原虚拟磁盘的指针，然后将这张指针表的存储空间置为只读模式

2. 再创建一块空的指针表(上图右侧蓝色部分)，作为快照空间的数据指针表，他会占用一部分存储空间，用于保存快照后更新的数据，在aSAN上，这块存储空间是动态分配的，并没有一个起始的默认大小，最大不会超过虚拟机配置的磁盘大小

3. 当要对原虚拟磁盘的数据进行删改时，会将删改后的数据写入到快照空间内，然后将原虚拟磁盘的地址指针和快照空间的地址指针对应的写到映射表里

4. 可以看到，ROW在写入的时候只有一次写入操作，只是进行了写、映射表的操作，记录地址的操作影响非常小，是可以忽略掉的