剖析Vista的存儲技術—VSS
Fisher ([email protected])
VSS (Volume Shadow copy Service, 卷映射拷貝服務)，最初是在是在Windows Server 2003 SP1中引入的存儲技術。它通過在卷管理模塊上加入快照功能，在此基礎上就可以創建基於時間點(Point-In-Time)的映像(Image)，從而實現數據的快速備份和恢復，用戶再也不用害怕因無意刪除數據而造成的困擾，這就是VSS的關鍵所在。由於VSS所表現的優良特性，因此在Microsfot最新的Vista操作系統中，也加入了該功能。
一、 VSS概述
VSS能夠提供存儲基礎設備(比如磁盤、陣列)創建高保真的時間點映像，就是映射拷貝(Shadow Copy)。VSS可以在多個卷、或者單個捲上創建映射拷貝，而且並不影響系統性能。VSS通過協調業務應用軟件、備份程序，以及存儲硬件，從而達到創建高保真的映射拷貝的能力。它可以應用到一下一些領域：
A、快速數據備份和恢復；
B、針對制定文件的恢復；
C、磁帶備份、測試，以及數據挖掘方面；
由於Microsoft在OS中集成了VSS技術，它將各個處理功能模塊化，並針對存儲軟硬件廠商提供相應的開發接口；開發商只需要關注自己的模塊，根據需求設計相關的應用，從而減少了整體設計的難度。就筆者瞭解，不少軟硬件存儲公司就採用VSS技術來設計NAS，並在此基礎上構建數據保護服務器。
二、 VSS技術原理
VSS整體框架包含了VSS核心模塊、請求者(Requestor)、寫入者(Writer)，以及提供者(Provider)。各個模塊之間的關係如下圖所示：
圖－1 VSS原理圖
接下來,對各個模塊的功能做一個簡單的介紹：
A) 請求者(Requestor)，其主要任務是初始化映射拷貝的創建；根據需要解決的不同問題，使用不同的請求者應用。例如，備份應用處理VSS的備份功能，管理應用處理映射拷貝的創建及使用(像WS2003和Vista本身提供的VSS管理軟件就是此類應用)，而其他功能應用來處理專門的業務。對於請求者的應用，主要有Windows NT備份模塊、各家備份的獨立軟件提供商，以及各家軟硬件提供商的管理應用。
B) 寫入者(Writer)，其主要任務是保證數據的一致性；如果在創建映射拷貝的過程中，有應用軟件往磁盤寫入數據，將會出現數據非一致性問題，從而導致該時間點映像的完整性。通過在應用寫入者模塊進行控制處理，來保證數據的一致性，進而提高創建映射拷貝的高效性。通常，寫入者可能是Windows OS裏面的各種服務模塊，像COM+、DHCP服務、Active Directory服務等，除此之外，數據庫也是常見的寫入者應用。
C) 提供者(Provider)，其主要任務是創建映射拷貝；提供者是創建時間點影響的接口，它可以是基於存儲陣列(硬件模式)，或者操作系統(軟件模式)。VSS有不同的提供者，其層次關係爲：最底層是硬件提供者，中間是軟件提供者，最上面是系統軟件提供者。其中前面兩個提供者，是爲第三方硬件或者軟件廠商提供地。
D) 卷映射拷貝服務(VSS)核心模塊，其主要任務是協調各個模塊的協作運行，並提供創建卷映射拷貝的方法；VSS提供了兩種創建映射拷貝的方法：一種是完全拷貝(Clone/Full Copy/Split Mirror)，它會創建當前原始數據(Original Data)的全部拷貝；而另外一種就是寫拷貝(Copy on Write/Differential Copy)，它只創建將要被更新的原始數據的拷貝。因此寫拷貝創建映射拷貝速度快，但是恢復數據時需要使用原始數據。
三、 VSS處理流程
VSS處理映射拷貝，需要協調各個模塊來完成，從而保證創建出高保真的拷貝，進而實現數據的一致性，其具體步驟如下圖所示：
圖－2 VSS處理流程圖
A) 第一步，請求者讓VSS枚舉所在捲上的寫入者應用，並收集他們的元數據(Metadata)。
B) 第二步，寫入者通過XML文件來描述其組件(Components)，並定義其恢復(Restore)方法；其中，考慮到數據一致性，寫入者需要做一些處理，比如對於數據庫應用來說，關閉所有打開的事務、回滾事務日誌、以及將緩衝區中的數據寫入等操作，直到所有數據準備好之後，通知VSS可以創建映射拷貝了。
C) 第三步，VSS對於請求的卷，查詢是否支持映射拷貝，並由那個提供者提供；因爲需要在請求者管理應用中，設置卷的映射拷貝屬性以及策略等，所以需要進行查詢和判斷。
D) 第四步，請求者通知VSS，要求在該捲上創建映射拷貝。
E) 第五步，VSS鎖住寫入者應用，暫時不讓寫入新數據(在某些應用情況下，讀操作請求是可以允許的)。
F) 第六步，VSS讓提供者在磁盤上創建當前狀態的映射拷貝(創建映射拷貝的速度，和創建的方法以及提供者的實現相關，通常最多10s)。
G) 第七步，創建映射拷貝完畢，VSS解鎖寫入者應用；然後寫入者就可以處理隊列中的寫請求，接着VSS會查詢是否這些寫請求在創建映射拷貝期間被保證在隊列中，並做相應處理。
四、 VSS使用實例
4、1服務器端設置
目前，在WS 2003 SP1或者某些測試版Vista上，直接有VSS模塊。以下是筆者在一臺名爲VSS-SERVER的服務器(裝WS2003)上，配置G盤的VSS。先在“我的電腦”->“G盤”->“屬性”，選擇“Shadow Copies” Tab頁，將彈出下圖所示的對話框：
圖－3 VSS服務器端設置
然後選擇卷(G盤)，按“Enable按鈕”,完畢後顯示顯示效果爲圖中“1，使能VSS” 註釋部分。此時可以按“Disable按鈕”禁止某個卷的VSS功能，也可以按“Settings”設置VSS的策略(Schedule)。
接着按下面的“Create Now按鈕”，就可以生成各個時間點的映射拷貝，本實例創建了三個映射拷貝，顯示結果如圖中“2，創建映射拷貝”註釋部分。當然，也可以選擇“Delete Now按鈕”刪除所選擇的映射拷貝。
創建映射拷貝完畢，在“我的電腦”->“G盤”－>“共享”，將整個G盤進行共享，並保證客戶端能夠訪問服務器。
4、2客戶端配置
爲了讓客戶端能夠訪問服務器端的VSS功能，也就是Shadow Copies of Shared Folders功能，需要下載ShadowCopyClient.msi安裝包。通過該安裝包提供的服務，客戶端就可以通過共享，來訪問VSS服務器上的映射拷貝，並實現一部分管理操作。
安裝完畢後，在客戶端訪問\\VSS-SERVER服務器，就可以看到設置了VSS的共享G盤，然後選擇“G盤”->“屬性”，選擇“Previous Versions”TAB頁，就可以查看和管理映射拷貝了，其顯示效果如下圖所示：
圖－4 VSS客戶端配置
圖中的紅框部分，就是在服務器端創建的三個映射拷貝。Microsoft提供的Shadow Copies of Shared Folders應用，目前包含下面三個功能。選擇“View按鈕”，可以查看選定映射拷貝的詳細信息；選擇“Copy按鈕”，則會拷貝選中的映射拷貝；而選擇“Restore按鈕”，將會用圖中紅框中選中映射拷貝，在VSS服務器上恢復到當前狀態。
五、 VSS分析和結論
5、1 VSS分析
1) 優點
A) 加快了備份和恢復的速度。現在的高性能要求，其備份窗口越來越小，更多的是期待7*24全天候服務。因此比起傳統的磁帶備份，以及D2D備份，VSS的快照技術在備份和恢復的速度上都有明顯的優勢；同時減少了管理配置的複雜性，從而爲企業客戶降低了TCO。
B) 提供了個別文件的備份和恢復。用戶再也不用害怕因爲SHIFT + DEL這樣的無意刪除而導致的痛苦，無需因爲文件的更新而採用的“另存爲”操作，只需簡單地要找到該文件的各個前期版本，並進行恢復就OK。
C) 易於實施到各種應用中。比如，對於不可避免的備份操作，完全可以只將映射拷貝的數據備份到磁帶介質中，從而減少備份的數據量；而對於開發設計人員來說，同一產品在設計階段會有不同的版本，因此完全可以採用製作不同版本的映射拷貝來完成。
D) 容易快速開發特定存儲產品。由於在OS中集成的VSS，同時功能模塊化；對於開發商來說，就可以根據行業需求，專注於該模塊的開發，只要該模塊通過了測試和認證，很快就可以和其他模塊整合起來，將產品推向市場。
2) 缺點
A) 設置VSS容量和配置VSS策略，考慮到具體的環境和應用，需要一定的經驗才能達到較好的效果。
B) 目前Microsoft提供的缺省的管理應用，在創建映射拷貝時，只有時間點信息，卻不能對映射拷貝加入足夠的註釋信息，不易於區分各個映射拷貝之間的差別。
C) VSS其本質是基於捲開發的快照技術，如果將其應用到數據保護領域，和CDP (Continuous Data Protection,連續數據保護)所推薦的基於文件的保護相比，其粒度大，因爲卷是基於塊的，而文件可以基於字節的。
5、2 結論
筆者有幸在Microsoft最新發布的試用版Vista上測試了VSS功能，其工作一切正常，並且和WSS 2003沒有差別。據瞭解，由於Microsoft提供了一整套的解決方案，因此很多軟硬件存儲廠商都在加入到Microsfot設計的VSS中，並且部分廠商用帶VSS的OS來做特定應用的NAS服務器，並有不錯的市場效果。儘管如此，比起用開源的Linux和Solaris 10來說(它們也都只持卷級的快照)，那就是“”仁者見仁，智者見智” 了。