存储大师班 | 浅谈数据保护之快照与备份云计算

作者简介：徐林波
NeonSAN 开发人员，具备丰富的存储领域从业经验，资深存储系统软件研发工程师，熟悉当前主流及新型存储介质。

引言面对当前企业数字化转型浪潮，信息数据已经成为企业赖以生存的基础，数据损坏或丢失将给企业带来难以估量的巨大损失。存储系统中的数据保护技术，如数据快照与备份，即为应对这一挑战的必备特性。
相比备份特性，快照作为更加底层的技术，具有非常广泛的应用，例如作为备份的源、作为数据挖掘的源、作为保存应用程序状态的检查点，甚至就是作为单纯的数据复制的一种手段等。
快照技术存储网络行业协会 SNIA（StorageNetworking Industry Association）将快照技术定义为：关于指定数据集合的一个完全可用拷贝，该拷贝包括相应数据在某个时间点（拷贝开始的时间点）的映像；快照可以是其所表示的数据的一个副本，也可以是数据的一个复制品。
与照相机一样，快门一闪，就把刚刚的人像停留在了相片上。存储系统中的数据快照与我们生活中所说的“照片”非常相似，所不同的是，快照的对象不是人，而是数据。就如同照片留住了我们过去的摸样和岁月，快照把数据在某一时刻的映像保留了下来。
为什么要使用快照呢？快照其实也可以理解为数据的一种瞬时备份，利用它可以实现常规备份软件无法实现的分钟级别的 RPO；同时用户可以通过创建定时自动快照，并且把快照作为数据远程备份的源，在需要回滚时，快速回滚到指定的时间点上来，从而大大的提高了业务系统可用性。
快照按照分类可以分为全量快照和增量快照，全量快照是实现所有数据的一个完整的只读副本，增量快照是基于全量快照的一个差异化数据影像。
在存储系统中，快照可以在不同层面实现，如在磁盘阵列、文件系统、卷管理器、NAS 系统或备份系统等地方来实现。为了降低快照所占用的存储空间，当前常用的为写时复制（COW ，Copy-On-Write）和写重定向（ROW，Redirect-on-Write）快照技术。另外，还出现了其他一些快照技术的实现方式，如镜像分离、日志、持续数据保护等，这些方式，可以提升快照的某一方面的相关特性，以应对一些特殊的场景。
下面以卷管理层实现的快照为例子，介绍两种主要的快照技术。
一 COW 快照
COW 技术也称为第一次写时复制技术，如图 1 所示，当数据第一次写到某个存储位置时，首先会将这个位置原有的数据复制一份到快照空间（为快照分配的存储空间），随后才会将数据写入该存储位置，下一次的写入则不会再执行写时复制动作，实现了保存原始数据的效果。

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图 1 COW 快照
COW 实现的快照，其源卷的数据分布不会发生变化，实时更新的是快照卷的元数据信息，源卷的读性能不受影响；但写入时，由于每次都需要拷贝后再写入，实际是产生了一次读两次写，因此写性能受到影响。
二 ROW 快照
ROW 又称指针重映射快照，这种实现方式与 COW 非常相似，区别在于对原始数据卷的首次写操作将被重定向到预留的快照空间。如图 2 所示，当数据被首次重写时，ROW 会选择一个新的位置，同时指向该数据的指针也被重新映射，指向更新后的数据。

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图 2 ROW 快照
ROW 实现的快照，其源卷的数据分布一直在发生变化，源卷的元数据信息实时更新，不会有额外的拷贝数据动作，卷的最新数据在快照卷上，在对卷数据进行读操作时需要重定向到最新位置。因此 ROW 对读性能有一定的影响，对写无影响；另外在删除快照时，快照数据需要拷贝到源卷，有一定的耗时，因此，根据快照数据的大小，删除操作执行的时间也会有变化。
三 COW 与 ROW 技术对比

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在应用场景适应性上，由表1可见，COW 适合读密集型业务，ROW 适合写密集型业务。
备份技术在数据保护中，对数据进行备份是极为常见的一种做法，常见的备份问题其实都可以基于快照+复制技术来解决，备份按照其保护的层级分为业务级、应用级和数据级。按照备份时的系统状态是否在继续处理业务，可以分为在线备份和离线备份，也可以称冷备份和热备份。备份按照业务可以分为完全备份（也称全量备份）、增量备份、差异备份。如图 3 所示，完全备份为上一个时刻点上的全量数据；差异备份为上一次完全备份后的变化数据；增量备份为上一备份点（完全备份、差异备份、增量备份）之后有变化的数据。

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图 3 备份类型
备份技术在业界使用更多的是拉远的在线数据备份技术，即远程备份。远程备份一般会用到远程复制的技术，包括同步复制、异步复制。其中同步远程复制，需要在主从存储 IO 都写完成的情况下返回至上层应用，以保证数据的一致性；而异步远程复制是在 IO 下发至主端存储缓存后就反馈当前 IO 写完成，数据复制到从端是在后台异步执行的。
备份常常和容灾技术一起提出，更多是作为一个整体的灾备解决方案。灾备解决方案根据不同的业务场景会有不同的部署方式。但不管是怎样的解决方案，衡量容灾备份系统有两个关键的技术指标，RPO（Recovery Point Objective）：即数据恢复点目标，主要指的是业务系统所能容忍的数据丢失量。RTO（Recovery Time Objective）：即恢复时间目标，主要指的是业务所能容忍的停止服务的最长时间，也就是从灾难发生到业务系统恢复服务功能所需要的最短时间周期。
总结快照和备份都是数据保护的一种手段，但却是两种不同的概念。快照是数据存储的某一时刻的状态记录，而备份则是数据存储的某一个时刻的副本；由于快照只是记录了一个状态，因此快照的速度比备份要快得多，且采用 COW 或 ROW 以后，快照占用的空间比备份要少；但是备份是一个随时可用的副本，可应对原始数据破坏的情况，其安全性比快照更高。另外，从技术栈的角度上看，一般备份都会依赖快照，备份更像一种行为，而快照则是具体的技术手段。
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