關于云計算環境中虛擬機快照技術的綜述

呂佳潞

摘 要：在云計算環境中一個重要的技術是硬件和儲存資源的虛擬化，而虛擬機的快照可以提升云端平臺的服務質量，當系統發生錯誤時，可以透過快照回復到之前某個時刻的狀態，讓系統從快照點繼續執行，減少因系統錯誤而造成的數據丟失；本研究提出了一個策略型的快照，透過兩種不同類型快照相互搭配，為用戶系統提供保護，用戶只需在接口上選擇虛擬機的保護級別，系統將自動的進行快照，在虛擬機發生故障時，自動選用最近一次的快照進行還原，透過以上所提出的機制，可以將使用者的損失降低，讓使用者可以更加的輕松以及放心地去使用這些云端服務。

關鍵詞：云端 虛擬化 容錯機制 快照

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0004-02

大數據背景下，通過云平臺對應用系統進行部署與管理已成為現實，給工作生活帶來極大便利，但云平臺一旦出現故障，帶來的損失亦不可估量，比如系統程序需要執行一段時間才可以完成，但是當程序執行到一半時，系統發生故障，原本執行好幾個小時或是好幾天的數據就這樣白費了，只能重新再執行一次，如果有一個完善的容錯機制在這個云端平臺后端的話，將可以減少許多損失[1]。VMware 的虛擬化平臺提供了快照的容錯機制，可以為多個虛擬機建立特定的還原點，因此許多人都把快照當成一種備份的工具，利用快照來建立還原點，不管虛擬機是否在運作中或是關機狀態，只要系統發生問題就可以恢復到之前的狀態。透過上訴的想法，本研究希望可以提供一套良好的容錯機制，而這套機制將不會有平臺的限制，讓多個平臺都可以使用，而另外一個點就是縮短還原點的時間，如果都是靠使用者自行操作建立還原點，將無法定時的去建立，然而如果有一個機制可以定時建立快照以及在系統發生錯誤時自動還原到最新的還原點，這樣就可以更加的減少損失，讓使用者可以更加放心的使用。

1 相關研究背景

1.1 云端平臺

云端運算有三種服務模式，而基礎架構即服務IaaS在這種模式下，知名度最高的是 Amazon EC2，目前來說 Amazon EC2 算是商業上 Iaas 的翹楚[2]。Amazon EC2是一個可以讓用戶透過網頁租用云端計算機來運行各自所想要的系統，由于是透過網頁的方式，用戶可以彈性的調整虛擬機的配置，要新增或是刪除使用者都可以自己做決定，也可以在虛擬機中運行各種軟件以及應用程式，因此付費方式將為使用多少時間以及多少資源就要付多少，目前常使用這個平臺的像是NETFLIX、SHAZAM等等，他們對于EC2的評價也都很高，因此才愿意把環境架設在上面，提供服務給其他使用者，由于 EC2 只要是商業或是企業以上的客戶都可以獲得全年無休的故障排除機制，為此使用 EC2 才可以保證自己的服務也都是不間斷的。

1.2 虛擬化技術

現今計算機硬件設備發展迅速，效能也越來越好，雖然有好的設備，但是硬件資源使用率低，通常都是一個應用系統運行在一臺物理服務器上，容易造成硬件資源的浪費，透過虛擬化技術，可將資源重新分配，透過軟件去仿真硬件，讓執行單一操作系統的機器可以同時執行多個操作系統，使得該臺機器資源使用率提高，之前可能需要多臺物理機來運作的程序，如今只需要一臺就可以搞定，大大的節省了硬件資源的開銷。云端的概念主要是使用虛擬化的技術提供使用者一臺如同實體機器一樣功能的機器，用戶不需要知道這臺機器在哪里也不需要擔心管理與維修的問題，而管理者可以依照使用者的需求提供客制化的虛擬機服務。

一般來說，虛擬化技術算是一種資源管理的技術，它可以將實體機上的硬件、網絡、存儲空間、軟件等設備重新分配，原本每臺實體機對應一個應用系統，但是透過虛擬化技術的幫忙，讓這些資源變成可切割的，使得資源更加的充分利用。由于現在虛擬化技術的發展也趨近于成熟，其實使用虛擬機和使用實體機上已經很難分辨出差異，基本上實體機該有的功能虛擬機都可以透過虛擬機的管理程序來完成模擬的動作，因此現在越來越多人推廣以及使用云端系統，虛擬化技術的成熟在這其中也占了一個很重要的角色。

1.3 數據庫

數據庫，即一個可以存放大量數據集合的地方，而數據庫管理系統（DBMS）則為提供用戶在不需要了解數據庫內部實際運作下能有效率且方便的對數據庫進行管理的接口[3]。

（1）管理數據庫內的數據：DBMS 提供對數據庫內數據管理的接口，讓使用者可以對數據庫的內容進行新增、刪除、修改等動作，或是新增、刪除一個數據庫。

（2）用戶權力的管理：DBMS 提供管理用戶的接口，讓每個用戶可以擁有不同的數據庫使用權利，如專業人員擁有較高的使用權利，而一般使用者則只能擁有簡單的權利等，可避免重要數據被不相關的用戶窺視或是破壞，確保數據庫內數據的安全。

（3）效能的控制：提供參數的設定讓管理者可依照實際使用情形調整最適合的數據庫狀態，以維持數據庫的最高效能。

（4）備分機制：對于某些 DBMS 還提供備份數據的機制，把重要或是超過時效性的數據轉至別臺機器或是磁帶機儲存，以避免不可抗力因素的破壞。

2 系統自動快照

將自動化快照分為三個類型[4]，第一種高級型，提供的保護效果最好，但相對來說，由于制作完整型快照的次數較頻繁，因此使用者被中斷服務的時間會較長，此類型比較適合用在執行程序所需時間較長的機器上，由于還原后的程序需要持續運行下去，因此將需要使用完整型的快照去進行還原，透過本研究的測試，為了讓使用者使用起來不但有最高等級的容錯機制，亦不會影響使用者的使用，為此筆者選擇了每三個小時執行一次完整型快照搭配每一個小時執行一次快速型快照，而在中級型，使用者主要保護的是虛擬機中的文件系統，因此將拉長兩個完整型快照的間隔，相對減少了中斷服務的時間，但當發生錯誤要進行還原時，如果需要包含程序執行的狀態，與高級的相比，將會損失較多的資料。

在建立快照后，該系統將會把快照儲存在兩個地方（本機端、外部儲存空間）除了本身產生快照的位置之外，為了防止實體機器發生錯誤時，連同虛擬機以及快照檔案一同消失不見，因此在建立快照完成后，該機制將會備份一份到外部的儲存空間中，當使用者在建立完成虛擬機時，該機制也會備份一份虛擬機的檔案（qcow2）到外部儲存空間中，為此使用者將會又多了一道保護的措施，將系統發生錯誤的損失降到最低。

3 系統快照管理

為了要讓使用者方便使用，該研究在快照的管理上可以分為兩部分，第一部份為實體機內部，每臺虛擬機創建快照時，將會對快照檔案進行命名，名稱包含虛擬機 ID、快照創建時間以及快照種類，為了要區分完整以及快速的快照檔，在名稱后面加上A或是B以區分種類，在用戶接口上，將會完整的標示快照的類型，由于儲存空間有限制，每臺虛擬機將在內部保留十筆最新的完整型快照資料，快速型的快照所需的空間較小，所以在限制上較不會這么嚴謹，但是在使用者接口上每臺虛擬機將會顯示最新的十筆快照（完整+快速），使用者亦可在介面上自行勾選虛擬機進行快照以及勾選快照名稱進行刪除，完全并不需要動用到指令。第二部份為外部的儲存空間，為了預防實體機的故障，該研究將快照備份至系統之外的 NAS 儲存空間，為了要讓虛擬機在別臺實體機上可以正常運作，因此在創建虛擬機時，系統將會自動把一份虛擬機的映像檔傳到 NAS 上去進行備份，如此一來當問題發生時，系統將可以使用映像檔和最新的快照在另外一臺實體機上進行還原的動作，讓使用者可以持續的使用，而在外部的儲存空間，每臺虛擬機將保留最新的三十筆快照，由于高級型的快照每天大約產生八個完整型的快照，對此系統將保留三天左右的快照提供使用者來進行還原的動作，相對來說，快速型將保留最新的五十份快照，提供較完善的保護。

4 系統自動還原

自動還原機制不需要使用者或是管理者手動操作還原，只需要透過程序執行，就可以知道虛擬機是否正常運行，當虛擬機掛掉后，該機制將會透過快照還原到當機前最后一次快照的時間點繼續運行。

當程序偵測到虛擬機當掉而呈現關機狀態，系統使用最近一次的快速型快照進行還原的動作，而偵測到虛擬機為開機狀態，發送封包到虛擬機有回應時，可能狀況為虛擬機內部程序當掉，因此將使用完整型快照進行回復，確保整臺虛擬機回到之前的狀態繼續運行下去，當發送封包無響應時，將強制將虛擬機關機，使用快速型的快照進行還原。

5 結語

該研究旨在提升云端平臺的可靠度，主要容錯機制的對象為云端環境上的虛擬機器，透過該研究提供的容錯機制，可自動對虛擬機進行快照以保存虛擬機的狀態，方便日后發生系統崩潰或是誤刪文件等問題發生時，可以利用此快照恢復系統，另外透過本研究的自動化還原機制，當偵測到虛擬機有問題時，使用者并不需要手動選擇快照回復，系統會自動選擇一個最新的快照來進行還原的動作，使用者并不會感受到有問題發生的感覺。由于該研究主要保護的對象是虛擬機，當物理機發生問題時，相對會影響到虛擬機的運作，因此自動化快照在創建的時候會把快照的檔案傳到遠程NAS進行備份，如此一來當物理機發生重大問題時，可以透過外部備份的快照以及虛擬機的映像檔來進行還原的動作，讓原本只能重開的虛擬機透過快照在另外一臺實體機上持續的運作，對許多研究來說，這絕對是必要的機制。

參考文獻

[1] 蘇命峰.虛擬機技術與性能優化的研究[J].長沙大學學報，2009，23（5）：83-88.

[2] 肖斐.虛擬化云計算中資源管理的研究與實現[D].西安：西安電子科技大學，2010：12-16.

[3] 周敬利，余勝生.網絡存儲原理與技術[M].北京：清華大學出版社，2005：5-9.