存储专栏：深度解读高端存储的快照技术
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存储专栏：深度解读高端存储的快照技术
存储在线专栏文章：之前，西瓜哥已经介绍了所有的高端存储产品，包括EMC Symmetrix、HDS VSP、IBM DS8000、IBM XIV、HP 3PAR和富士通DS8700等。今天起我们发表西瓜哥写的关于高端存储的技术原理，首先介绍下《高端存储快照实现原理解读》。
我个人认为对于高端存储来说，RIAD和快照是所有上层应用的基础。前面我在切西瓜刀法中说过，RAID和后面的分层和瘦分配关系很大，有一个好的RAID基础，如采用RAID 2.0块虚拟化技术，上层的动态分层和精简配置应用实现就会更加灵活和高效。同样，快照技术是灾备的基础，在LUN的复制、迁移、数据的本地备份、远程复制等等都需要用到快照技术的支持。因此，陈列的一切增值功能的底层基础都是RAID和快照。
存储快照技术：SNIA（StorageNetworking Industry Association）对快照（Snapshot）的定义是：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。
讲快照实现原理之前，我们先给大家讲业界一个IT人士丁老师给我们讲的一个小故事。丁老师是我非常敬佩的产品销售人员，现在也在销售高端存储产品。一天，丁老师去和客户交流高端存储，在喷了半天讲完产品后，精彩的场景发生了：
笑话听罢，我们来讲讲高端存储快照实现的两种技术。
目前实现快照一般有两种方法，传统的存储快照技术COW(Copy-On-Write)和现在渐渐流行的基于写重定向的存储快照技术ROW(Redirect-On-Write)。
3PAR采用COW技术，我们用它举例来看一下实现原理：
大家看到，快照创建的以后，如果有对原卷的数据修改，修改的数据第一次被修改的时候就把数据COPY到快照卷里，如图中的D。只需要第一次修改的时候复制，因此有些书也把这种技术叫COFW(Copy-On-First-Write）。
而IBM XIV采用完全一种不同的技术ROW(Redirect-On-Write)，我们来看一下XIV如何做的：
大家可以看到，ROW的不做复制，如果原卷有数据块被修改，重新写到一个新的地方好了，原卷的修改一下数据块指针，这个动作非常快，而快照卷不用做任何改变。
估计你马上会问我，那个技术好，我就知道为这么问，哈哈。
这又是一个艺术的问题，为啥这也是一个艺术问题，别急，听我说。
COW最大的问题是对写性能有影响。第一次修改原卷，需要复制数据，因此需要多一次读写的数据块迁移过程。这个就比较要命，应用需要等待时间比较长。但原卷数据的布局没有任何改变，因此对读性能没有任何影响。
ROW最大的问题是对读性能影响比较大。ROW写的时候性能基本没有损耗，只是修改指针，实现效率很高。但多次读写后，原卷的数据就分散到各个地方，对于连续读写的性能不如COW。
由于这两种实现机制不同，因此性能也不同，一般来说，ROW就像采用电子快门的照相机，拍照的速度快，每分钟得到的快照数就多；而COW就像采用机械快门的传统相机，快门的速度慢，系统支持的快照数一般都比较少。下表是我整理的各个厂商的高端存储性能，大家对比一下就知道差别了。
你可能会问，怎么没有HW HVS。我找了很多资料，都没有找到HVS的快照的资料，但我曾经看到一份华为中端存储的资料，说采用的也是COW技术，性能和3PAR一样256。因此，考虑到HVS也采用3PAR一样的RAID 2.0技术，因此，个人估计高端也一样或者比中端高一些。因此，大家理解的时候可以等同3PAR好了。
COW是最传统的实现方法，当然，现在COW也有很多改进，比如采用异步COW，现在的高端存储Cache都很大，如HVS最大支持3TB，因此可以先写到CACHE里面就回复主机写完了，这样应用就不用等待。等落盘的时候再触发快照复制的动作。还有，高端存储一般是数据库的应用，这些应用有一个特点，就是写少读多，一般是1:3到1:10。这个也比较容易理解，你银行存了一笔钱（写），但可能经常查询余额（读)，就怕钱少了，哈哈。因此，COW这种方式在还是比较适合这种应用的。
但现在的备份技术发展也对快照提出了更高的要求，用户需要更快更多的快照来满足RTO/RPO的要求。人总是很贪婪的。IBM XIV由于底层采用非常小的1M大小的CHUNK，因此，本来数据就全部打散的非常均匀了，因此高端存储之父深知原来symmetrix的缺点，让XIV直接采用ROW技术，个人感觉是一个亮点。因为ROW的缺点是连续读写比较慢，但XIV的CHUNK比较小，如果是大数据库的读写，可以分散到很多个CHUNK里面，因此，读写性能应该影响不大。但3PAR的CHUNK是1G，太大了些，但设计的时候可以按照extend的粒度来打散，应该问题也不大。估计是10+年前，ROW的技术还没有流行吧。而HW，估计也是由于延续使用了中端存储的快照代码，有了历史的包袱，因此也没有采用ROW技术。当然XIV的ROW实现有一个问题，因为它的数据块是1M大小，上面不在细分了，因此如果比较小的I/O，如每次只写8K，那么8K需要写到新的地方，原来的数据也要COPY过来，ROW的优势就没有了。
从XIV的实现机制看，我感觉不太适合数据库应用，如ORACLE目前缺省的I/O块大小还是8K，这样ROW的优势就发挥不出来了。
个人认为，RAID 2.0和ROW是个绝配，虽然现在3PAR和HW在快照性能这块已经强于很多传统的高端存储厂商，但如果采用ROW将会给用户带来更大的价值。当然，我建议厂商实现的时候能克服XIV的缺陷，可以依据Grain的粒度来做最好，但这样可能管理的开销会变大，这又是一个艺术的问题，还是由厂商去回答吧，我这等屌丝也就是唧歪一下罢了。
总之，个人认为ROW应该是快照的发展方向，据说EMC的中端支持COW的同时也支持ROW了。
最近我重点看了IBM的DS8870的手册，800多页全英文的，看得我头都大了。前面介绍open system的时候有一个错误，这里纠正一下。
IBM说DS8000支持open systems and system z/os。从IBM的描述来看，如果z系列大机安装linux应该算open system。另外，DS8000的FC主机接口支持FCP和FICON协议，不需要单独的FICON口。我 原来以为DS8000分不同的口，发现物理层都一样，只是上面管理员要选择跑FCP协议还是FICON协议，但不能同时支持。因此3PAR和HW HVS这些只支持open system的高端存储，也可以支持大机了，只要和大机做一个兼容性的测试就可以了。以后，大机和open system并不能对立来看，这是我的理解。
上面我们说了快照实现的两种方法COW和ROW。虽然采用同样的技术，但每个厂商实现的细节都 不同，加上底层RAID技术不同，因此空间的利用率方面差距也比较大。大家看到，同样采用COW技术，3PAR和HW由于底层采用RAID 2.0技术，因此实现的效率更高，性能指标也高不少。因为RIAD 2.0具备完全块虚拟化能力，存储空间是在写时完成分配，而且具备非常灵活的扩展能力。
1、在创建快照的时候，不用为快照匹配资源池。按照COW原理，当快照需要额外空间保存数据时，RAID 2.0会自动从存储池中分配空闲空间给快照。
2、当存储池空闲存储空间不足时，只需要简单给存储池扩容即可。
3、因为业务LUN和快照共享存储池，所以不会出现资源池浪费或不足等存储空间管理问题。
但采用传统RAID的高端存储，如EMC V-MAX，在最新的Enginuity version 5876才加入TimeFinder VP Snap功能，只有针对thin LUN做快照具有上面的部分优点，一般LUN的快照系统需要保留20%-30%左右的预留快照空间才行。
快照另外一个非常重要的特性是快照一致性组（Consistency Group）。我们今天重点来介绍这个功能对于高端存储的意义。
这个功能就是支持多个LUN或者叫卷volume同时做快照，保证数据的一致性。我们举一个生活的照集体照的例子来说明这个这个功能的用处。
我的大情人在银行工作，她曾经告诉我，她们银行很NB，每次部门合影，别人一般只会喊“茄子”，她们都是这样喊的：
摄影师：大家别动，马上要拍照了。
摄影师：我们银行什么最多？
众人：钱！（啪，第一张快照）
摄影师：钱多怎么办？
众人：花！（啪，第二张快照）
摄影师：花完怎么办？
众人：抢！（啪，第三张快照）
你看，是否是很有气势。以后你们照合影都可以这么学，把银行改成你们部门就好了。不过现在银行银根缺紧，应该没这么牛气了吧。
为什么要大家统一喊“钱”、“花”、“抢”？意思这个口型类似“茄子”，说起来像笑的样子，关键是同时笑，这张集体照才完美。
看这样的毕业照多美，是吧。为什么一般集体照要多照几张，就是怕有些人脸长，笑容爬得慢，不同步。你看这个小伙就不老实，需要重拍。
快照一致性组就是解决这个问题。我说一个ORACLE数据库的例子，10多年前我还是一个认证的ORACLE DBA（当时中国认证的人很少，我们封闭学了一个月，考了5门课才拿到证书。据说当时如果直接技术移民加拿大都没有问题，和CCIE有一拼。不过现在好像 掉下个椰子都会砸着两，哎），我们建数据库的时候一般采用多个裸设备（LUN)，不同的LUN用来放不同的数据。如果采用阵列的快照来做数据库的备份，必 须所有的LUN都是一个时间点的才行，这样数据库恢复的时候才能起来，否则数据库必须回滚到某一个一致的时间点，意味数据的丢失。比较完美的做法就是在主 机安装一个快照的agent，最好是多路径软件具备这个功能（据说华为已经整合在一起了），在高端存储要做快照的时候，对主机的快照agent说，别动， 要照相了。主机agent接受到摄影师的命令后，把ORACEL主机缓存的内容flush一下到陈列来，然后hold住，阵列也尽快把cache的内容 flush到硬盘里，ORACLE用到的所有硬盘一块喊”茄子“，摄像师一按快门，一幅完美的快照就产生了。
一致性组除了保证照相的时候一致性外，还有恢复的时候要一致性恢复。这块的实现的重要性就不如照相的时候重要，可以人工选择同一时间的LUN快照恢复就可以了。最重要的是照相的时候必须要一致，而且这个人工干不了。
高端存储手册里面的KiB，MiB，GiB是啥意思？
接下来随便聊一个我过去不太注意的小细节。也就是在我看使用的厂商手册里面，经常出现KiB，MiB，GiB这些术语，我详细里面有很多童鞋了解它的意思，我也相信很多童鞋不太了解。
这个原因只要是KiB，MiB，GiB是采用2进制来，而我们常见的KB,MB,GB都是采用10进制来表示的单位。
这是十进制的单位：
这是采用二进制的单位：
造成这种原因主要是计算机操作系统都是采用二进制来表示的，而一般硬盘厂商都喜欢采用十进制来表示容量（估计这样容量就可以大一些？），害得我们经常需要在这两种容量中算来算去。
在 购买硬盘之后，细心的人会发现，在操作系统当中硬盘的容量与官方标称的容量不符，都要少于标称容量，容量越大则这个差异越大。标称40GB的硬盘，在操作 系统中显示只有38GB；80GB的硬盘只有75GB；而120GB的硬盘则只有114GB。这并不是厂商或经销商以次充好欺骗消费者，而是硬盘厂商对容 量的计算方法和操作系统的计算方法有不同而造成的，不同的单位转换关系造成的。
众所周知，在计算机中是采用二进制，在电脑世界里，以2的次 方数为“批量”处理Byte会方便一些，整齐一些。每1024Byte为1KB，每1024KB为1MB，每1024MB为1GB，每1024GB为 1TB，而在国际单位制中TB、GB、MB、KB是“1000进制”的数，为此国际电工协会（IEC）拟定了"KiB"、“MiB”、“GiB"的二进制单位，专用来标示“1024进位”的数据大小；而 硬盘厂商在计算容量方面是以每1000为一进制的，每1000字节为1KB，每1000KB为1MB，每1000MB为1GB，每1000GB为1TB， 在操作系统中对容量的计算是以1024为进位的，并且并未改为"KiB"、“MiB”、“GiB"的二进制单位，这差异造成了硬盘容量“缩水”。
还有，硬盘需要分区和格式化，操作系统之间存在着差异，再加上安装操作系统时的复制文件的行为，硬盘会被占用更多空间，所以在操作系统中显示的硬盘容量和标称容量会存在差异，而硬盘的两类容量差值在5%-10%左右应该是正常的。
大家了解了这些知识后，希望以后看到带“i"的单位就知道是啥意思了，不要以为是厂商创造的新术语哦。
不过，我看到很多国产的产品手册，好像从来不区分这两个单位，因此，我感觉严谨性不够。比如，IBM DS8870的Extent大小，写得很清楚是1GiB，XIV的手册也很严谨，MB和MiB区别得很清楚。我们中国人需要学习这种严谨的写法（啊，又扔 臭鸡蛋，我错了，行吗，我前面的文章所有的单位都应该带i，除了表示硬盘容量的单位外。看来讲别人容易，自己改起来难啊）。
好的，今天我们先聊到这里。希望大家积极反馈你的意见和建议，微信扫描如下二维码，关注微信公众号“高端存储知识”，与作者微信互动。
