作者簡介：徐林波
NeonSAN 開發人員，具備豐富的存儲領域從業經驗，資深存儲系統軟件研發工程師，熟悉當前主流及新型存儲介質。
引言
面對當前企業數字化轉型浪潮，信息數據已經成為企業賴以生存的基礎，數據損壞或丟失將給企業帶來難以估量的巨大損失。存儲系統中的數據保護技術，如數據快照與備份，即為應對這一挑戰的必備特性。
相比備份特性，快照作為更加底層的技術，具有非常廣泛的應用，例如作為備份的源、作為數據挖掘的源、作為保存應用程序狀態的檢查點，甚至就是作為單純的數據復制的一種手段等。
快照技術
存儲網絡行業協會 SNIA（StorageNetworking Industry Association）將快照技術定義為：關於指定數據集合的一個完全可用拷貝，該拷貝包括相應數據在某個時間點（拷貝開始的時間點）的映像；快照可以是其所表示的數據的一個副本，也可以是數據的一個復制品。
與照相機一樣，快門一閃，就把剛剛的人像停留在了相片上。存儲系統中的數據快照與我們生活中所說的“照片”非常相似，所不同的是，快照的對象不是人，而是數據。就如同照片留住了我們過去的摸樣和歲月，快照把數據在某一時刻的映像保留了下來。
為什么要使用快照呢？快照其實也可以理解為數據的一種瞬時備份，利用它可以實現常規備份軟件無法實現的分鍾級別的 RPO；同時用戶可以通過創建定時自動快照，並且把快照作為數據遠程備份的源，在需要回滾時，快速回滾到指定的時間點上來，從而大大的提高了業務系統可用性。
快照按照分類可以分為全量快照和增量快照，全量快照是實現所有數據的一個完整的只讀副本，增量快照是基於全量快照的一個差異化數據影像。
在存儲系統中，快照可以在不同層面實現，如在磁盤陣列、文件系統、卷管理器、NAS 系統或備份系統等地方來實現。為了降低快照所占用的存儲空間，當前常用的為寫時復制（COW ，Copy-On-Write）和寫重定向（ROW，Redirect-on-Write）快照技術。另外，還出現了其他一些快照技術的實現方式，如鏡像分離、日志、持續數據保護等，這些方式，可以提升快照的某一方面的相關特性，以應對一些特殊的場景。
下面以卷管理層實現的快照為例子，介紹兩種主要的快照技術。
一 COW 快照
COW 技術也稱為第一次寫時復制技術，如圖 1 所示，當數據第一次寫到某個存儲位置時，首先會將這個位置原有的數據復制一份到快照空間（為快照分配的存儲空間），隨后才會將數據寫入該存儲位置，下一次的寫入則不會再執行寫時復制動作，實現了保存原始數據的效果。
圖 1 COW 快照
COW 實現的快照，其源卷的數據分布不會發生變化，實時更新的是快照卷的元數據信息，源卷的讀性能不受影響；但寫入時，由於每次都需要拷貝后再寫入，實際是產生了一次讀兩次寫，因此寫性能受到影響。
二 ROW 快照
ROW 又稱指針重映射快照，這種實現方式與 COW 非常相似，區別在於對原始數據卷的首次寫操作將被重定向到預留的快照空間。如圖 2 所示，當數據被首次重寫時，ROW 會選擇一個新的位置，同時指向該數據的指針也被重新映射，指向更新后的數據。
圖 2 ROW 快照
ROW 實現的快照，其源卷的數據分布一直在發生變化，源卷的元數據信息實時更新，不會有額外的拷貝數據動作，卷的最新數據在快照卷上，在對卷數據進行讀操作時需要重定向到最新位置。因此 ROW 對讀性能有一定的影響，對寫無影響；另外在刪除快照時，快照數據需要拷貝到源卷，有一定的耗時，因此，根據快照數據的大小，刪除操作執行的時間也會有變化。
三 COW 與 ROW 技術對比
在應用場景適應性上，由表1可見，COW 適合讀密集型業務，ROW 適合寫密集型業務。
備份技術
在數據保護中，對數據進行備份是極為常見的一種做法，常見的備份問題其實都可以基於快照+復制技術來解決，備份按照其保護的層級分為業務級、應用級和數據級。按照備份時的系統狀態是否在繼續處理業務，可以分為在線備份和離線備份，也可以稱冷備份和熱備份。備份按照業務可以分為完全備份（也稱全量備份）、增量備份、差異備份。如圖 3 所示，完全備份為上一個時刻點上的全量數據；差異備份為上一次完全備份后的變化數據；增量備份為上一備份點（完全備份、差異備份、增量備份）之后有變化的數據。
圖 3 備份類型
備份技術在業界使用更多的是拉遠的在線數據備份技術，即遠程備份。遠程備份一般會用到遠程復制的技術，包括同步復制、異步復制。其中同步遠程復制，需要在主從存儲 IO 都寫完成的情況下返回至上層應用，以保證數據的一致性；而異步遠程復制是在 IO 下發至主端存儲緩存后就反饋當前 IO 寫完成，數據復制到從端是在后台異步執行的。
備份常常和容災技術一起提出，更多是作為一個整體的災備解決方案。災備解決方案根據不同的業務場景會有不同的部署方式。但不管是怎樣的解決方案，衡量容災備份系統有兩個關鍵的技術指標，RPO（Recovery Point Objective）：即數據恢復點目標，主要指的是業務系統所能容忍的數據丟失量。RTO（Recovery Time Objective）：即恢復時間目標，主要指的是業務所能容忍的停止服務的最長時間，也就是從災難發生到業務系統恢復服務功能所需要的最短時間周期。
總結
快照和備份都是數據保護的一種手段，但卻是兩種不同的概念。快照是數據存儲的某一時刻的狀態記錄，而備份則是數據存儲的某一個時刻的副本；由於快照只是記錄了一個狀態，因此快照的速度比備份要快得多，且采用 COW 或 ROW 以后，快照占用的空間比備份要少；但是備份是一個隨時可用的副本，可應對原始數據破壞的情況，其安全性比快照更高。另外，從技術棧的角度上看，一般備份都會依賴快照，備份更像一種行為，而快照則是具體的技術手段。