Технологии «моментальных снимков»

Несмотря на то что современные технологии RAID могут обеспечить доступность к данным в режиме 24×7, резервное копирование по-прежнему остается основным методом защиты данных. Однако создание резервных копий традиционными методами мало приемлемо в рабочее время, так как обычно приводит к значительному повышению нагрузки на продуктивную систему, снижая ее производительность. Резервирование на базе технологий «моментальных снимков», или на профессиональном сленге снапшотов (от англ. snapshot) преодолевает недостатки традиционных методов и в то же время предоставляет простоту операций, низкую стоимость и эффективную управляемость.

Snapshot является широко используемым в индустрии термином, обозначающим способность записать состояние устройства хранения в данный момент времени и сохранять его как основу для восстановления данных в случае выхода из строя СХД или нарушения целостности данных. Снапшот первоначально создает копию данных в определенный момент времени Т0, так называемая Point-in-Time (PIN) copy. Данные, записанные в снапшот, могут быть использованы для других целей, таких как защита, анализ и создание отчетов, репликация. При этом оригинальная копия данных продолжает быть доступной для бизнес-приложений без прерывания.

Существует несколько технологий снапшотов. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Остановимся на наиболее популярных. Начнем с исторически появившейся первой, самой простой и интуитивно понятной, хотя и не очень распространенной сегодня.

Split mirror («расщепленное зеркало»)

Расщепленное зеркало создает физический клон объекта хранения, такого как файловая система, том или LUN, для которого создается снапшот, на другом объекте такого же типа и точно такого же объема. Полное содержание оригинального тома копируется на отдельный том. Обычно копия создается на зазеркалированном диске, который в момент времени Т0 отсоединяется. По окончании работы со снапшотом диск/массив подсоединяется обратно и выполняется полное поблочное копирование всех изменений (синхронизация).

К преимуществам этого метода относится возможность получить копию данных мгновенно в разгар рабочего дня и аппаратная реализация. При этом копируются открытые и заблокированные некоторыми приложениями файлы. Последнее может привести к нарушению целостности данных. Поэтому желательно иметь механизм, который бы к моменту создания снапшота обеспечивал целостность всех файлов. Такой механизм предоставляет, в частности, Volume Shadow Copy Service (VSS) — стандартная служба в Microsoft Windows, также известная как Volume Snapshot Service.

К недостаткам метода относятся необходимость иметь, как минимум, удвоенный объем дискового пространства и значительная деградация производительности дискового массива при обратном подключении диска и синхронизации данных. Правда, для ускорения синхронизации можно применять инкрементальное копирование блоков данных. Для этого каждому блоку присваивается бит в битовой карте измененных блоков, который взводится в 1, если блок не синхронизирован, и сбрасывается в 0, если синхронизация прошла успешно.

Copy-on-Write snapshot (копирование при записи)

Технология Copy-on-Write (COW) пришла из программирования, где она использовалась для оптимизации программ. Она основывается на том наблюдении, что в многозадачных системах много отдельных задач на начальных этапах используют идентичные копии некоторых данных, хранимых в ОЗУ или на жестком диске, трактуя их как локальные данные. Если каким-то задачам необходимо изменить эти данные, то не обязательно немедленно создавать отдельные копии этих данных для всех задач. Вместо этого могут быть даны ссылки на тот же ресурс, но при условии, что при первой необходимости модифицировать данные они должны сначала создать локальную копию, на которой могут выполнять эти изменения. При этом оригинальные данные остаются без изменений.

Снапшот тома хранения создается на заранее выделенном для него ресурсе. При первичном создании в снапшот копируются только метаданные о том, где хранятся оригинальные данные (ссылки на оригинальные блоки данных из исходной файловой системы). Поскольку на этот момент никакого физического копирования данных не производится, то создание снапшота выполняется практически мгновенно. Затем снапшот отслеживает изменяемые блоки на оригинальном томе в процессе выполнения на него записей. Оригинальные блоки данных, в которые должна производиться запись, копируются на выделенный ресурс хранения прежде, чем они будут модифицированы. Отсюда и название технологии «копирование при записи».

Прежде чем в блок будет позволена запись, COW перемещает оригинальный блок данных на устройство, где создан снапшот. Это позволяет сохранять данные снапшота привязанными к точному моменту времени. Запросы на чтение неизмененных блоков данных к тому снапшота перенаправляются к оригинальному тому, в то время как запросы на чтение измененных блоков направляются к скопированным на снапшот блокам. Снапшот содержит метаданные, которые описывают блоки данных, измененных с того времени, как он был создан впервые. Отметим, что оригинальные блоки данных копируются на том снапшота только один раз при первом запросе на запись.

Снапшот COW может в начальной стадии повлиять на производительность оригинального тома, так как запросы на запись к нему должны ждать, пока оригинальные данные не скопируются в снапшот. Запросы на чтение к снапшоту выполняются на оригинальных томах, если запрашиваемые данные не были изменены.

Этот метод очень эффективно использует ресурсы хранения, поскольку для создания снапшота требуется объем только для измененных данных.

Copy-on-Write with background copy (COW с фоновым копированием)

Некоторые производители предлагают реализацию, в которой создается полная копия данных снапшота с помощью COW и фонового процесса, который копирует данные с носителя оригинала на устройство хранения снапшота. Этот подход комбинирует преимущества COW и расщепленного зеркала. Метод использует COW для создания мгновенного снапшота и затем опционально начинает процесс фонового копирования, который создает на блочном уровне копию данных с оригинального тома (источника) на том снапшота (целевой том), для того чтобы сформировать дополнительное зеркало оригинального тома.

Redirect-on-Write snapshot (перенаправление при записи)

Технологию ROW называют также «снапшот с отложенной записью». Этот метод очень похож COW, но без двойного штрафа при операциях записи. Он также обеспечивает эффективное использование ресурсов хранения и высокую производительность.

При запросе на запись на оригинальный том он (запрос) перенаправляется другой ресурс, предназначенный для снапшота. Преимущество перенаправления записи в том, что она выполняется только один раз, в то время как при COW запись производится дважды: одна, чтобы скопировать оригинальные данные в снапшот, другая, чтобы записать изменяемый блок.

Таким образом, при ROW оригинальная копия содержит данные на момент времени Т0, то есть по сути снапшот, а измененные данные располагаются на устройстве хранения для снапшота. Когда снапшот удаляется, данные с тома снапшота должны быть согласованы с таковыми на оригинальном томе. Более того, по мере увеличения количества создаваемых снапшотов доступ к оригинальным данным, отслеживание данных в снапшоте и на оригинальном томе и согласование данных при удалении снапшотов становятся все более сложными.

Continuous data protection (непрерывная защита данных)

Непрерывная защита данных (CDP), также называемая непрерывным резервным копированием, автоматически сохраняет копию измененных данных на отдельном устройстве хранения. CDP отличается от других методов реализации снапшотов, описанных выше, тем, что она создает один снапшот для каждого момента времени, в который произошла модификация данных, а не в какой-то момент Т0. Это позволяет гранулировано восстанавливать объекты (к примеру, файлы) с любого выбранного момента времени.

Снапшот и стек системы хранения данных

Стек СХД содержит много аппаратных и программных компонентов, которые делают физические носители «видимыми» приложениям, работающим под управлением ОС.

Если отвлечься от различных методов создания снапшотов, то решение может быть реализовано на многих уровнях стека СХД. Более обще, снапшоты могут быть созданы на аппаратном уровне или на программном уровне. Об этих реализациях также говорят как о контроллер-базированном (устройство хранения или аппаратные средства) снапшоте или хост-базированном (файловая система или менеджер тома) снапшоте.

Контроллер-базированные снапшоты управляются аппаратными средствами подсистемы хранения производителя и интегрируются с дисковым массивом. Эти снапшоты работают на уровне LUN (блочном уровне) и не зависят от ОС и файловой системы.

Хост-базированные снапшоты реализуются на уровнях между драйвером устройства и файловой системой. Снапшот может создаваться файловой системой, менеджером тома или ПО третьего производителя. Хост-базированные снапшоты не зависят от основных аппаратных средств СХД, но зависят от файловой системы или от менеджера тома. Эти снапшоты оперируют на логическом уровне данных в противоположность физическому размещению данных, которое использует контроллер-базированный снапшот.

В заключение отметим, что снапшот предоставляет мгновенный экономичный и удобный механизм, который обеспечивает отказоустойчивость и автоматизированное управление. Он выглядит и ведет себя наподобие полной резервной копии и монтируется как реальный том. Запросы на чтение с тома снапшота выполняются попутно без воздействия на оригинальные тома или на общую производительность системы. Разрушенные данные на томах могут быть восстановлены очень быстро, а при необходимости дополнительного дискового пространства можно легко удалить устаревшие снапшоты. Все эти операции могут быть выполненными вручную системным администратором или автоматически с помощью встроенных инструментов планирования.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365