原理

相关概念

• 数据组织形式

  存储系统采用虚拟化存储技术。存储池中创建的LUN包含了元数据卷（Meta Volume）和数据卷（Data Volume）两部分组成。

  • 元数据卷（Meta Volume）：记录LUN中数据组织形式及其属性的卷，结构形式为树形。
  • 数据卷（Data Volume）：存放LUN中的实际数据的卷，数据读取和写入都以Extent为单位。
• 源卷

  需要进行快照操作的源数据所在的卷，对用户而言表现形式为源LUN。源LUN包括Meta Volume和Data Volume：

  • Meta Volume：记录源数据在源LUN中的存在位置。
  • Data Volume：记录源LUN中存放的业务数据。
• 快照卷

  对源LUN创建快照后，逻辑上生成的数据副本。对用户而言表现形式为快照LUN。快照LUN包括Snapshot Meta Volume和Snapshot Data Volume：

  • Snapshot Meta Volume：快照元数据卷。每生成一份快照，就会建立一个Snapshot Meta Volume。
  • Snapshot Data Volume：与Snapshot Meta Volume对应的数据卷。记录的是写快照LUN时产生的数据。

在未对快照LUN进行写操作时，Snapshot Meta Volume和Snapshot Data Volume中均没有记录。

• 写前拷贝（COW，Copy-on-write）

  快照实现的核心技术，用于保存源LUN中变化的数据。快照创建并激活后，如果应用服务器对源LUN有写数据请求，存储系统首先将被写入位置的原数据（写前拷贝数据）拷贝到COW数据空间中，然后修改写前拷贝数据的映射关系，记录写前拷贝数据在COW数据空间中的新位置，最后再将新数据写入到源LUN中。

• COW数据空间

  快照生成并激活后，存储系统在源LUN所在的存储池中动态划分一部分存储空间，用于保存写前拷贝数据。同一个源LUN对应的所有快照LUN共享同一个COW数据空间。COW数据空间包括COW Meta区域和COW Data区域：

  • COW Meta区域：同一个源LUN下所有快照共用的元数据区。用于存放写源LUN时所有快照LUN所产生的写前拷贝映射项，即写前拷贝数据与其在COW Data区域中存放位置的对应关系。
  • COW Data区域：与COW Meta区域对应的数据空间。用于存放写源LUN时产生的写前拷贝数据。
• 映射表

  映射表用于记录源LUN数据和快照LUN数据的在某个时间点的改变情况以及改变后的存储位置。映射表分为共享映射表和独享映射表：

  • 共享映射表存放在COW Meta区域中，用于记录写源LUN时产生的写前拷贝数据与其在COW Data区域中存放位置的映射关系。
  • 独享映射表存放在每个快照LUN的Snapshot Meta Volume中，用于记录写快照LUN所产生的数据与其在快照LUN中存放位置的映射关系。
• 快照副本

  对快照进行复制，获得多份激活时间点快照副本的技术。即使快照进行写操作，快照中的数据发生了改变，快照副本中的数据仍然与快照激活时间点的快照数据一致。

快照创建及激活流程

快照创建并激活后，会生成与源LUN一致的数据副本。存储系统在源LUN所在的存储池中动态划分COW数据空间并自动生成快照LUN。

• 由于对源LUN没有写操作，COW Meta区域和COW Data区域中均没有记录。
• 由于对快照LUN没有写操作，Snapshot Meta Volume和Snapshot Data Volume中均没有记录。

快照创建并激活的初始状态如图1-1所示。

图1-1 快照初始状态示意图

源数据写入流程

快照激活后，当应用服务器对源LUN有数据写入请求时，存储系统不会立即写入新数据。存储系统利用写前拷贝机制先将写前拷贝数据拷贝到COW数据空间中，并修改映射表中的映射关系，然后将新数据写入源LUN。数据写入源LUN后快照状态如图1-2所示。

图1-2 新数据写入源LUN示意图

新数据写入源LUN的过程如下：

1. 应用服务器在Time 1之后下发写源LUN的请求：“Data1”修改为“DataX”。
2. 利用写前拷贝机制将“Data1”拷贝到COW数据空间中。
3. 更新映射表中的映射关系，“Data1”的存放位置变更为COW数据空间中的“g0”。
4. 将“DataX”写入源LUN，完成数据更新。

在一个快照周期内，同一位置的数据只执行一次写前拷贝，根据映射表中相应值确定。再次写入数据时，将直接覆盖。例如：对于数据“DataX”，查询到映射表中相应值为“1”，表示已经进行过一次写前拷贝；如再有写数据请求，将直接写入，不再将“DataX”拷贝到COW数据空间中。

如果源LUN的同一位置在不断写入数据并保存新的快照，那么共享映射表将随时间标识数据的变化情况。例如，在“DataX”写入源LUN后，又对源LUN创建并激活了一个新的快照，此时数据写入源LUN的过程如图1-3所示。

图1-3 源LUN同一位置多次写入数据示意图（已创建并激活新快照）

1. 应用服务器在Time 2之后下发写源LUN的请求：“DataX”修改为“DataY”。
2. 利用写前拷贝机制将“DataX”拷贝到COW数据空间中。
3. 更新映射表中的映射关系，“DataX”的存放位置变更为COW数据空间中的“g0”，共享映射表的(g0，Time 2)位置将被标识为“1”。
4. 将“DataY”写入源LUN，完成数据更新。

读快照时，将共享映射表的时间点（例如Time 2）与COW数据空间的时间戳（例如Time 2）进行对比，识别出该快照所对应的数据块。

快照LUN写入流程

快照激活后，应用服务器可以对快照LUN进行读写操作。应用服务器下发写请求后，数据将直接写入快照LUN，并在独享映射表中记录数据在快照LUN中的存放位置。数据写入快照LUN后快照状态如图1-4所示。

图1-4 数据写入快照LUN示意图

数据写入快照LUN的过程如下：

1. 应用服务器在Time2之后下发写快照LUN的请求：写入数据“Data a”，并将该数据直接写入快照LUN中。
2. 在独享映射表中记录“Data a”在快照LUN中的存放位置“g'0”。

快照数据读取流程

应用服务器有读取快照数据的请求时，存储系统会根据如下流程处理：

1. 查询独享映射表，确定数据在快照LUN中的存放位置。
   • 如果快照LUN中有对应的数据，直接将快照LUN中的数据读出并返回给应用服务器。
   • 如果快照LUN中没有对应数据，则查询共享映射表。
2. 查询共享映射表，确定数据在COW数据空间和源LUN中的位置。
   • 如果映射表中的值为0，从源LUN读取相应的数据。
   • 如果映射表中的值为1，从COW数据空间中读取相应的数据。

• 当应用服务器中已在快照LUN中写入数据（如图1-4所示）时，应用服务器读取快照数据的示意图如图1-5所示。

图1-5 快照数据读取示意图（快照LUN已写入数据）

1. 应用服务器下发读快照请求。
2. 通过独享映射表确定快照数据的存放位置。
3. 应用服务器读取到的快照数据为“Data a”。

• 当应用服务器只在源LUN中写入数据，没有在快照LUN中写入数据，如图1-2所示。此时，应用服务器读取快照数据的示意图如图1-6所示。

图1-6 快照数据读取示意图（快照LUN未写入数据）

1. 应用服务器下发读快照请求。
2. 通过共享映射表确定快照数据的存放位置。
3. 应用服务器读取到的快照数据为“Data 0”、“Data 1”、“Data 2”、“Data 3”。

快照回滚流程

快照不但能够快速生成源LUN在某个时间点的一致性副本，还提供了快速恢复源LUN数据的机制。当源LUN的数据遭到人为意外删除、破坏或病毒入侵时，通过快照回滚可以快速将源LUN的数据快速恢复为某个时间点快照的数据，减少源LUN数据的丢失量。快照回滚的示意图如图1-7所示。

图1-7 快照回滚示意图

快照回滚是将源LUN恢复成与快照相同的数据映像。对快照进行写操作后，快照不再是激活时间点的数据。如果需要将源LUN数据恢复到快照激活时间点的数据，需要先对快照创建快照副本，然后使用快照副本进行回滚。