kvm+libvirt虚拟机快照浅析

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浅析snapshots, blockcommit,blockpull

作者：Kashyap Chamarthy <kchamart#redhat.com>

Date: Tue, 23 Oct 2012 15:28:06 +0530

这是一篇关于snapshots, blockpull, blockcommit的的介绍.作者和with Eric Blake, Jeff Cody,

Kevin Wolf以及很多IRC和mailing lists里面的同学大量讨论以及作者大量的特向测试的基础之上

总结出来的

作者也正在准备写一些关于blockcopy部分的文档，但这要等他完成blockcopy的测试之后.

作者欢迎评论欢迎拍砖.（我表示也欢迎）

    ---

    docs/snapshots-blockcommit-blockpull.rst

    ..--------------------------------------------------------------

    注意: 所有测试都是在最新的 qemu-git,libvirt-git (as of

    20-Oct-2012 在 Fedora-18 alpha系统上倒腾出来的

..--------------------------------------------------------------
基础知识

一个虚拟机快照可被看作是虚拟机的在某个指定时间的视图（包括他的操作系统和所有的程序）.

据此，某可以还原到一个之前的完整的状态，或者在guest运行的时候做个备份.所以，在我们

继续深入之前我们必须搞懂两个名词：backing files和overlays .
QCOW2 backing files 与 overlays

qcow2（qemu copy-on-write）具有创建一个base-image，以及在base-image（即backing file）

的基础上创建多个copy-on-write overlays镜像的能力.backing files和overlays十分有用，

可以迅速的创建瘦装备虚拟机的实例，特别是在开发测试的时候可以让你迅速的回滚到之前的某个

已知状态，丢弃overlay.

Figure-1

.--------------.    .-------------.    .-------------.    .-------------.
|              |    |             |    |             |    |             |
| RootBase     |<---| Overlay-1   |<---| Overlay-1A  <--- | Overlay-1B  |
| (raw/qcow2)  |    | (qcow2)     |    | (qcow2)     |    | (qcow2)     |
'--------------'    '-------------'    '-------------'    '-------------'

上图表明rootbase是overlay-1的backing file，以此类推.

Figure-2

.-----------.   .-----------.   .------------.  .------------.  .------------.
|           |   |           |   |            |  |            |  |            |
| RootBase  |<--- Overlay-1 |<--- Overlay-1A <--- Overlay-1B <--- Overlay-1C |
|           |   |           |   |            |  |            |  | (Active)   |
'-----------'   '-----------'   '------------'  '------------'  '------------'
   ^    ^
   |    |
   |    |       .-----------.    .------------.
   |    |       |           |    |            |
   |    '-------| Overlay-2 |<---| Overlay-2A |
   |            |           |    | (Active)   |
   |            '-----------'    '------------'
   |
   |
   |            .-----------.    .------------.
   |            |           |    |            |
   '------------| Overlay-3 |<---| Overlay-3A |
                |           |    | (Active)   |
                '-----------'    '------------'

上图表明我们可以只用单个backing file来创建多条链.

注意 : backing file 总是 只读 打开的. 换言之, 一旦新快照被创建，

    他的后端文件就不能被修改,(快照依赖于后端文件的这种状态).

    了解更多参见后面的('blockcommit' 节) .

示例 :

[FedoraBase.img] ----- <- [Fed-guest-1.qcow2] <- [Fed-w-updates.qcow2] <- [Fedora-guest-with-updates-1A]
                 \
                  \--- <- [Fed-guest-2.qcow2] <- [Fed-w-updates.qcow2] <- [Fedora-guest-with-updates-2A]

（注意箭头的方向，Fed-w-updates.qcow2 的backing file是 Fed-guest-1.qcow2）

上面的示例中可以看到 FedoraBase.img 安装了一个fedora17系统，并作为我们的backing file.

现在这个backing file将作为模板快速的创建两个瘦装备实例，和 Figure-2 道理是一样的.

    使用qemu-img为单个backing file来创建两个fedora的瘦装备克隆:

    # qemu-img create -b /export/vmimages/RootBase.img -f qcow2 \
      /export/vmimages/Fedora-guest-1.qcow2

    # qemu-img create -b /export/vmimages/RootBase.img -f qcow2 \
      /export/vmimages/Fedora-guest-2.qcow2

    现在，上面创建出来的两个镜像 Fedora-guest-1 & Fedora-guest-2 都可以用来

    启动一个虚拟机，继续我们的示例，现在我们需要创建一个f17的实例，但是这次我们需要

    创建的是具有完整的更新的实例，这时可以创建另外一个overlay（Fedora-guest-with-updates-1A）

    而这个overlay的backing file是'Fed-w-updates.qcow2'（一个包含了完整更新的镜像）:

    # qemu-img create -b /export/vmimages/Fed-w-updates.qcow2 -f qcow2 \
       /export/vmimages/Fedora-guest-with-updates-1A.qcow2

    我们可以使用qemu-img命令来查看镜像的信息，包括虚拟磁盘大小，使用大小，backing file指向:

    # qemu-img info /export/vmimages/Fedora-guest-with-updates-1A.qcow2

    注意: 最新版本的qemu-img可以递归查询到整条完整的链:

    # qemu-img info --backing-chain /export/vmimages/Fedora-guest-with-updates-1A.qcow2

名词解释Snapshot:

        内置快照（Internal Snapshots） -- 单个qcow2镜像文件存储了包括数据以及快照的状态信息，

            内置快照又可以细分一下:-

            Libvirt 使用'savevm' 命令来创建这种快照

            Libvirt 使用 'qemu-img' 命令创建关机状态的磁盘快照.

            Libvirt 使用 'savevm' 命令创建运行状态的磁盘快照.

        内置磁盘快照（Internal disk snapshot）:

        快照点的磁盘状态，数据和快照保存在单个qcow2文件中，虚拟机运行状态和关闭状态都

        可以创建.

        内置系统还原点（Internal system checkpoint）:

        内存状态，设备状态和磁盘状态，可以为运行中的虚拟机创建，所有信息都存储在

        同一个qcow2文件中，只有在运行状态才能创建内置系统还原点.

    外置快照（External Snapshots） -- 当一个快照被创建时，创建时当前的状态保存在当前使用

    的磁盘文件中，即成为一个backing file.

    此时一个新的overlay被创建出来保存往后的数据.

    这个也可以细分一下:-

        Libvirt 使用 'transaction' 命令来为运行状态创建这种快照.

        Libvirt 使用'qemu-img' 命令为关闭状态创建这种快照(截止目前功能还在开发中).

        外置磁盘快照（External disk snapshot）:

        磁盘的快照被保存在一个文件中，创建时间点以后的数据被记录到一个新的qcow2文件中.

        同样可以在运行和关闭状态创建.

        外置系统还原点（External system checkpoint）:

        虚拟机的磁盘状态将被保存到一个文件中，内存和设备的状态将被保存到另外一个新的文件中，

        （这个功能也还在开发中）.

    VM状态（VM state）:

    保存运行状态虚拟机的内存设备状态信息至文件，可以通过此文件恢复到保存时的状态，有点类似系统

    的休眠.（注意创建VM状态保存的时候VM磁盘必须是未发生写入改动的）

        Libvirt使用 'migrate' (to file)命令来完成VM状态转储.

创建snapshots

        每次产生一个外置snapshot，一个 /new/ overlay 镜像就会随之生成，而前一个镜像就变成了一个快照.

        diskonly内置快照创建

        假如需要为名为'f17vm1'的虚拟机创建一个运行态或关闭态的内置快照snap1

        # virsh snapshot-create-as f17vm1  snap1 snap1-desc

        列出快照列表，使用*qemu-img*查看info

        # virsh snapshot-list f17vm1
        # qemu-img info /home/kashyap/vmimages/f17vm1.qcow2

    disk-only外置快照创建 :

        查看虚拟机磁盘列表

        # virsh domblklist f17-base
        Target     Source
        ---------------------------------------------
        vda        /export/vmimages/f17-base.qcow2

        #

        创建外置disk-only磁盘快照（VM*运行态*）:

        # virsh snapshot-create-as --domain f17-base snap1 snap1-desc \
        --disk-only --diskspec vda,snapshot=external,file=/export/vmimages/sn1-of-f17-base.qcow2 \
        --atomic
        Domain snapshot snap1 created
        #

            * 一旦上面的命令被执行，则原来的镜像f17-base将变为backing file，一个新的镜像被创建.

        现在再列表查看虚拟机磁盘，你会发现新产生的镜像已经投入使用.

        # virsh domblklist f17-base
        Target     Source
        ----------------------------------------------------
        vda        /export/vmimages/sn1-of-f17-base.qcow2

        #

快照回滚

截止写此文之时，回滚至'内置快照'(system checkpoint或disk-only)是可以使用的.

    虚拟机f17vm1回滚至快照'snap1'

    # virsh snapshot-revert --domain f17vm1 snap1

使用 snapshot-revert 回滚 '外置磁盘快照' 稍微复杂些，需要涉及到稍微复杂点的问题，

需要考虑的是合并'base'至'top'还是合并'top'至'base'.

也就是说，有两种方式可以选择，外置磁盘快照链的缩短可以使用 blockpull 或 blockcommit .

截止目前上游社区仍然在努力完善这项功能.
合并快照文件

外置快照非常有用，但这里有一个问题就是如何合并快照文件来缩短链的长度，如上所述这里

有两种方式:

        blockcommit: 从 top 合并数据到 base (即合并overlays至backing files).

        blockpull: 将backing file数据合并至overlay中.从 base 到 top .

blockcommit

blockcommit可以让你将'top'镜像(在同一条backing file链中)合并至底层的'base'镜像.

一旦 blockcommit 执行完成，处于最上面的overlay链关系将被指向到底层的overlay或base.

这在创建了很长一条链之后用来缩短链长度的时候十分有用.

下面来个图说明下:

我们现在有一个镜像叫'RootBase'，拥有4个外置快照，'Active'为当前VM写入数据的，

使用'blockcommit'可以有以下多种case :

        合并Snap-1, Snap-2 and Snap-3 至 'RootBase'

        只合并Snap-1 and Snap-2 至 RootBase

        只合并Snap-1 至 RootBase

        合并Snap-2 至 Snap-1

        合并Snap-3 至 Snap-2

        合并Snap-2 和 Snap-3 至 Snap-1

    注: 合并'Active'层(最顶部的overlay)至backing_files的功能还在开发中.

(下图解释case (6))

Figure-3

.------------.  .------------.  .------------.  .------------.  .------------.
|            |  |            |  |            |  |            |  |            |
| RootBase   <---  Snap-1    <---  Snap-2    <---  Snap-3    <---  Snap-4    |
|            |  |            |  |            |  |            |  | (Active)   |
'------------'  '------------'  '------------'  '------------'  '------------'
                                 /                  |
                                /                   |
                               /  commit data       |
                              /                     |
                             /                      |
                            /                       |
                           v           commit data  |
.------------.  .------------. <--------------------'           .------------.
|            |  |            |                                  |            |
| RootBase   <---  Snap-1    |<---------------------------------|  Snap-4    |
|            |  |            |       Backing File               | (Active)   |
'------------'  '------------'                                  '------------'

举个例子，有以下场景：

    当前: [base] <- sn1 <- sn2 <- sn3 <- sn4(this is active)

    目标: [base] <- sn1 <- sn4 (如此来丢弃sn2,sn3)

      下面有两种方式，method-a更快,method-b 慢些，但是sn2有效可用. (VM运行态).

            (method-a):

           # virsh blockcommit --domain f17 vda --base /export/vmimages/sn1.qcow2  \

               --top /export/vmimages/sn3.qcow2 --wait --verbose

[OR]

                (method-b):

    # virsh blockcommit --domain f17 vda  --base /export/vmimages/sn2.qcow2  \

        --top /export/vmimages/sn3.qcow2 --wait --verbose
    # virsh blockcommit --domain f17 vda  --base /export/vmimages/sn1.qcow2  \

        --top /export/vmimages/sn2.qcow2 --wait --verbose

     

    注: 如果手工执行*qemu-img*命令完成的话, 现在还只能用method-b.

Figure-4

.------------.  .------------.  .------------.  .------------.  .------------.
|            |  |            |  |            |  |            |  |            |
| RootBase   <---  Snap-1    <---  Snap-2    <---  Snap-3    <---  Snap-4    |
|            |  |            |  |            |  |            |  | (Active)   |
'------------'  '------------'  '------------'  '------------'  '------------'
                  /                  |             |
                 /                   |             |
                /                    |             |
   commit data /         commit data |             |
              /                      |             |
             /                       | commit data |
            v                        |             |
.------------.<----------------------|-------------'            .------------.
|            |<----------------------'                          |            |
| RootBase   |                                                  |  Snap-4    |
|            |<-------------------------------------------------| (Active)   |
'------------'                  Backing File                    '------------'

上图演示了case1的blockcommit走向，现在sn4的backing file指向rootbase.
blockpull

blockpull（qemu中也称作'block stream'）可以将backing合并至active，与blockcommit正好相反.

截止目前只能将backing file合并至当前使用的active中，也就是说还不支持指定top的合并.

设想一个下面的场景:

Figure-5

.------------.  .------------.  .------------.  .------------.  .------------.
|            |  |            |  |            |  |            |  |            |
| RootBase   <---  Snap-1    <---  Snap-2    <---  Snap-3    <---  Snap-4    |
|            |  |            |  |            |  |            |  | (Active)   |
'------------'  '------------'  '------------'  '------------'  '------------'
                         |                 |              \
                         |                 |               \
                         |                 |                \
                         |                 |                 \ stream data
                         |                 | stream data      \
                         | stream data     |                   \
                         |                 |                    v
     .------------.      |                 '--------------->  .------------.
     |            |      '--------------------------------->  |            |
     | RootBase   |                                           |  Snap-4    |
     |            | <---------------------------------------- | (Active)   |
     '------------'                 Backing File              '------------'

使用blockpull我们可以将snap-1/2/3中的数据合并至active层，最终rootbase将变成active的直接后端.

命令如下:

        假设快照已经使用 创建Snapshots 小节中的方式完成:

        如*Figure-5*中描述的-- [RootBase] <- [Active].

        # virsh blockpull --domain RootBase  \
          --path /var/lib/libvirt/images/active.qcow2  \
          --base /var/lib/libvirt/images/RootBase.qcow2  \
          --wait --verbose

    后续的工作是我们需要使用virsh来清理掉不用的快照

    # virsh snapshot-delete --domain RootBase Snap-3 --metadata
    # virsh snapshot-delete --domain RootBase Snap-2 --metadata
    # virsh snapshot-delete --domain RootBase Snap-1 --metadata

Figure-6

.------------.  .------------.  .------------.  .------------.  .------------.
|            |  |            |  |            |  |            |  |            |
| RootBase   <---  Snap-1    <---  Snap-2    <---  Snap-3    <---  Snap-4    |
|            |  |            |  |            |  |            |  | (Active)   |
'------------'  '------------'  '------------'  '------------'  '------------'
      |                  |              |                  \
      |                  |              |                   \
      |                  |              |                    \  stream data
      |                  |              | stream data         \
      |                  |              |                      \
      |                  | stream data  |                       \
      |  stream data     |              '------------------>     v
      |                  |                                    .--------------.
      |                  '--------------------------------->  |              |
      |                                                       |  Snap-4      |
      '---------------------------------------------------->  | (Active)     |
                                                              '--------------'
                                                                'Standalone'
                                                                (w/o backing
                                                                file)

上图表示的是将所有backing file全部合并至active

如下执行命令:

(1) 在我们执行合并 *之前* 查看一下快照的大小(注意观察'Active'):
    ::

        # ls -lash /var/lib/libvirt/images/RootBase.img
        608M -rw-r--r--. 1 qemu qemu 1.0G Oct 11 17:54 /var/lib/libvirt/images/RootBase.img

        # ls -lash /var/lib/libvirt/images/*Snap*
        840K -rw-------. 1 qemu qemu 896K Oct 11 17:56 /var/lib/libvirt/images/Snap-1.qcow2
        392K -rw-------. 1 qemu qemu 448K Oct 11 17:56 /var/lib/libvirt/images/Snap-2.qcow2
        456K -rw-------. 1 qemu qemu 512K Oct 11 17:56 /var/lib/libvirt/images/Snap-3.qcow2
        2.9M -rw-------. 1 qemu qemu 3.0M Oct 11 18:10 /var/lib/libvirt/images/Active.qcow2

(2) 单独检查下 'Active' 所指向的backing file ::

        # qemu-img info /var/lib/libvirt/images/Active.qcow2
        image: /var/lib/libvirt/images/Active.qcow2
        file format: qcow2
        virtual size: 1.0G (1073741824 bytes)
        disk size: 2.9M
        cluster_size: 65536
        backing file: /var/lib/libvirt/images/Snap-3.qcow2

(3) 开始 **blockpull** 操作.
    ::

        # virsh blockpull --domain ptest2-base --path /var/lib/libvirt/images/Active.qcow2 --wait --verbose
        Block Pull: [100 %]
        Pull complete

(4) 再检查下快照大小， 'Active'变得很大
    ::

        # ls -lash /var/lib/libvirt/images/*Snap*
         840K -rw-------. 1 qemu qemu 896K Oct 11 17:56 /var/lib/libvirt/images/Snap-1.qcow2
         392K -rw-------. 1 qemu qemu 448K Oct 11 17:56 /var/lib/libvirt/images/Snap-2.qcow2
         456K -rw-------. 1 qemu qemu 512K Oct 11 17:56 /var/lib/libvirt/images/Snap-3.qcow2
        1011M -rw-------. 1 qemu qemu 3.0M Oct 11 18:29 /var/lib/libvirt/images/Active.qcow2


(5) 检查'Active'信息，现在它已经不需要backing file了，正如*Figure-6*所示::

        # qemu-img info /var/lib/libvirt/images/Active.qcow2
        image: /var/lib/libvirt/images/Active.qcow2
        file format: qcow2
        virtual size: 1.0G (1073741824 bytes)
        disk size: 1.0G
        cluster_size: 65536

(6) 清理现场
    ::

        # virsh snapshot-delete --domain RootBase Snap-3 --metadata

(7) 现在还可以使用下 guestfish  **READ-ONLY**  模式来检查下磁盘内容( *--ro* 选项)
    ::

        # guestfish --ro -i -a /var/lib/libvirt/images/Active.qcow2

快照删除 (and 'offline commit')

    删除（live/offline）状态的*内置快照*很方便 ::

    # virsh snapshot-delete --domain f17vm --snapshotname snap6

    [OR]

    # virsh snapshot-delete f17vm snap6

libvirt现在还没有删除外置快照的功能，但是可以使用*qemu-img*命令来完成.

比如我们有这样一条链(VM*offline*状态): base <- sn1 <- sn2 <- sn3

现在删除第二个快照(sn2).有两种方式:

        Method (1): base <- sn1 <- sn3 (by copying sn2 into sn1)

        Method (2): base <- sn1 <- sn3 (by copying sn2 into sn3)

Method (1)

(by copying sn2 into sn1)

注意: 必须保证sn1没有被其他快照作为后端,不然就挂了!!

        offline commit

        # qemu-img commit sn2.qcow2

        将会*commit*所有在sn2中的改动到sn2的backing file(sn1).

        qemu-img commit和virsh blockcommit类似

    现在把sn3的后端指向到sn1.

    # qemu-img rebase -u -b sn1.qcow2 sn3.qcow2

        注意: -u代表'Unsafe mode' -- 此模式下仅仅修改了指向到的backing file名字，必须谨慎操作.

    现在可以直接删除sn2

    # rm sn2.qcow2

Method (2)

(by copying sn2 into sn3)

        合并数据，rebase后端:

        # qemu-img rebase -b sn1.qcow2 sn3.qcow2

        backingfile（sn1）到旧的backingfile（sn2）之间发生的差异改动都将被合并到sn3中.

        未使用-u模式的rebase将把数据也一并合并过去，即sn2的数据写入到sn3.

        换言之: 这里使用的'Safe mode',也是默认模式 --对sn3而言任何从

        qemu-img rebase(没有-u)和和virsh blockpull类似.

    现在可以删除sn2了

    # rm sn2.qcow2