面向分佈式檔案系統的可擴展數據快照科技論文

引言

隨着資訊的全球化，互聯網產業得到迅速地發展，其在科學研究、數據挖掘和資訊獲取等方面的廣泛應用，使人類需要存儲和管理越來越多的數據，進而出現數據爆炸的現象。2012年12月，IDC公司的全球數據分析報告如圖1，預計2020年全球數據總量將由2012年的2.72ZB增長至40ZB，並且40%的數據需要保證其安全性。然而，受硬件設備失效、火災、地震自然災害等因素的影響，數據的安全性和可靠性受到嚴重威脅。在這個數據即資訊，數據即價值的大數據時代，如何保證數據的安全性和完整性成爲當前存儲領域越來越重要的問題。

1 目前主流快照技術

本章首先介紹目前主流的快照創建技術，包括鏡像分裂、按需複製、指針重映射和增量快照技術，並分別分析其優缺點;然後介紹目前基於增量快照的快照恢復方法;最後爲了降低空間、時間開銷和提高系統可擴展性，提出快照創建和快照恢復需要改進的問題。

1.1 快照創建1.1.1 鏡像分裂快照技術鏡像分裂技術在快照時間點到來之前需要爲源數據卷創建並維護一個完整的物理鏡像卷，同一數據的兩個副本分別儲存在由源數據卷和鏡像卷組成的鏡像對上。快照操作到來時，鏡像操作停止，鏡像卷轉化爲快照卷，得到一份數據快照，快照卷在完成數據備份後，與源數據卷再次同步，重新成爲鏡像卷。鏡像分裂技術雖然在短時間內(斷開鏡像對所需的時間)就可以得到一個完整的物理副本，但其缺乏靈活性，需要預先爲源數據卷創建鏡像卷，無法在任意時間點爲任意的數據卷創建快照，並且其佔用大量的存儲資源，會造成存儲空間的浪費。

1.1.2 按需複製快照技術[12-14]按需複製技術在快照時間點之後開始建立源數據卷的完整物理副本。系統接收到快照請求，暫停上層應用，接着爲源數據卷創建快照卷，併爲其分配大於或等於源數據卷容量的存儲空間，同時建立一個控制位圖，該控制位圖的每一個控制位表示源數據卷的一個單位(通常爲數據塊)是否已經複製到快照卷，快照操作完成，恢覆上層應用。快照建立之後，後臺複製程序開始執行，將源數據卷的數據塊複製到快照卷，並將對應的控制位圖位置1，表示該數據塊完成複製。在此過程中，當源數據捲上某數據要被更新時，若該數據塊尚未完成複製，則這些塊將執行寫前複製COW(首先被複制到快照卷，同時將對應的控制位圖置1，然後才能更新源數據卷的數據);若該塊已完成複製，則直接更新數據。按需複製快照技術的工作原理如圖2所示： 圖2 按需複製快照技術工作原理寫前複製技術確保複製操作發生在更新操作之前，使快照時間點之後的數據更新不會出現在快照捲上，保證了數據的完整性。透過後臺複製和寫前複製技術，最終源數據卷的數據會被複制到快照卷，得到源數據卷的完整物理副本。

1.1.3 指針重映射技術[12-14]指針重映射技術建立一份快照時刻源數據卷的邏輯副本，不會產生完整的物理副本。該技術只需分配少量的快照空間，存儲快照時間點之後被更新的數據，每個源數據卷都有一個數據指針表，該指針表中記錄的`數量等於源數據卷的數據塊數量，每條記錄儲存着指向對應數據塊的指針。快照創建時，爲源數據卷的指針表建立一個副本，作爲快照卷的數據指針表，快照時間點結束時，快照卷和源數據卷透過各自的指針表共享同一份物理數據。 圖3 指針重映射技術工作原理快照創建之後，當源數據卷中的某數據將要被更新時，使用寫前複製技術，將要更新的數據寫至預先分配的存儲空間，然後修改快照卷的數據指針表使其指向該存儲空間的數據塊。指針重映射技術工作原理如圖3所示：指針重映射技術的備份視窗只需幾秒鐘，爲快照卷分配的存儲空間卻大大減小。

但因爲快照卷僅僅儲存了源數據卷中被更新的數據，快照技術無法得到完整的物理副本，且若更新的數據數量超過預先分配的存儲空間，快照將失效。

1.1.4 增量快照技術增量快照是基於按需複製的快照技術，因此能夠產生各個連續時間點的完整物理副本，同時結合重映射技術只複製更改數據塊的思想，減少了數據的物理複製工作量。在第一個快照時間點，除了分配一個大於或等於源數據容量的快照卷並建立控制位圖之外，同時還建立一個增量位圖，增量位圖用於記錄自上次時間點的快照創建之後，源數據捲上被更新的數據塊的位置。透過查詢控制位圖，執行後臺複製和寫時複製，同時利用增量位圖記錄快照時間點之後源數據捲上被更新的數據塊位置。當需要創建B時間點的快照時，用前一快照時間點的控制位圖與此時的增量位圖進行XOR操作，產生快照時間點B的控制位圖，同時將增量位圖置0，開始記錄時間點B之後被更新的數據塊，其工作原理如圖4所示： 圖4 增量快照工作原理快照時間點A時一部分數據已經拷貝至快照卷，同時增量位圖記錄了自快照時間點A後源數據卷被修改的數據塊，當創建時間點B的快照時，可以透過檢視增量位圖，然後與A的控制位圖XOR，即得B處的控制位圖，即B時間點需要存儲的數據，同時增量位圖置0，記錄時間點B後被更新的數據塊。

1.1.5 快照技術總結如表1所示，鏡像分裂技術雖然備份視窗僅爲斷開鏡像對的時間，但每次需要完全複製數據，浪費存儲空間，且缺乏靈活性。按需複製技術雖然可得到完整的數據副本，但空間開銷大並且後臺複製影響系統性能。指針重映射技術雖然只複製被更新的數據塊，但無法得到完整的物理副本。增量快照技術可以實現連續時間點的快照，並且在快照時間點只需要複製更改的數據塊，從時間和空間的角度綜合考慮，明顯優於其他快照技術。然而，在分佈式檔案系統中，增量快照的空間開銷隨着系統規模的增大，仍然會比較大，因此需要進一步改進，以節約空間開銷，提高系統可擴展性。表1 快照技術總結

1.2 快照恢復快照恢復與快照創建具有一一對應關係，對主流在分佈式檔案系統中，隨着數據量的增大和快照版本的增多，需要恢復的數據塊數也急劇增多，因此，遞進式地恢復特定時間點快照所需要的時間也會相應增多。爲了提高數據失效時快照的恢復效率，對增量快照恢復方法的研究也是十分必要的。

2 基於數據壓縮的增量快照技術

2.1 增量快照的空間開銷問題數據快照的創建主要包括兩方面：第一，決定需要備份的數據塊;第二，將需備份的數據塊快速寫入快照空間。其中決定需要備份的數據塊有兩種情況，全部備份或者部分備份，目前的數據總量急劇增長，如果全部備份，所需的快照空間將隨數據總量的增加急劇增加，因此我們採取部分備份，即只備份更新的數據塊。傳統的創建數據快照的技術鏡像分裂、按需備份、指針重映射和增量備份技術中，在空間和時間方面，增量備份有相對低的開銷，並且可以創建連續時間點的快照。

2.2 基於數據壓縮的增量快照技術隨着系統規模的增大，被更新的數據塊逐漸增多，快照所佔的存儲空間仍然比較大，因此需要對增量快照作進一步的改進，使其在大規模的分佈式檔案系統中具有較小的空間開銷和較高的可擴展性。壓縮技術是按照一定的算法對數據進行重新組織，以減少數據的冗餘性和存儲空間開銷，因此本文將增量快照和壓縮技術相結合，實現了基於數據壓縮的增量快照技術，即在將需要備份的數據塊複製於快照空間之前，首先將這些數據塊進行一定的壓縮，然後再將其存入快照空間。本文擬採用Huffman壓縮算法[16-17]，並對其做進一步改進，Huffman壓縮算法的流程如圖6:圖6 Huffman壓縮算法Huffman壓縮算法首次遍歷數據塊，分別統計每個字元出現的次數，按字元出現次數進行降序排序並構造二叉樹，出現次數較多的數據在樹的最頂層，較少的數據在樹的最底層，然後從根節點到每個數據的路徑來對其進行相應的編碼得到編碼位，最後用編碼位替換原數據塊中的字元，即可得到壓縮後的數據。但是，源數據塊中可能存在多個連續的相同字元，如果用編碼位將相同的字元都進行替換，會出現一定程度的空間浪費，可以考慮將連續出現的相同的字元只替換一次，然後增加標誌位，用於記錄該字元連續出現的次數，以此節約更多的存儲空間。

2.3 基於數據壓縮的增量快照開銷分析因爲增量快照只是複製更改的數據塊，當數據塊較大時，每次雖然只更新了數據塊中的小部分數據，仍然需要將整個數據塊複製至快照空間，造成存儲空間的浪費。而當數據塊較小時，若更改的數據較多，則每次需要複製多個數據塊，導致快照創建和恢復的操作複雜。因此，數據塊大小的選擇也是一個比較關鍵的問題，還需要做更多的測試來比較驗證，以選擇合適的大小

3 恢復鏈路縮減技術

3.1 快照恢復的開銷問題在採用增量快照的基礎上進行研究，增量快照在首次創建快照時完全備份，之後僅備份自上次快照時間點之後更改的數據塊。因此，當恢復指定時間點的快照時，需採用遞進式的恢復方法，當快照版本增多時，恢復快照的開銷也會相應的增大，因此，需要在原有快照恢復方法的基礎上作進一步的改進，以控制快照的恢復開銷。

3.2 恢復鏈路縮減算法針對上述問題，本文在已有的基於增量快照的快照恢復方法基礎上，提出了恢復鏈路縮減的快照恢復技術，即在從特定時間點至首次快照時間點之間的快照鏈路上，將對同一數據塊的多次遞進式恢復縮減爲一次。在首次創建快照時，同時建立一個日誌檔案，該檔案包括快照創建時間、需備份的數據塊地址和該數據塊在快照空間的地址三個字段

4 總結語

在大數據時代，保證數據的安全性和完整性具有重要意義，因此，越來越多的存儲系統採用快照技術來保證數據的安全性。然而在分佈式檔案系統中，快照創建的空間開銷隨着系統數據量的增大急劇增大。並且隨着快照數量的增多，存儲快照所佔用的空間和系統失效時恢復快照的開銷也會增大，從而嚴重影響分佈式檔案系統的性能和可擴展性。