剖析Windows系统中的VSS存储技术
剖析windows系统中的vss存储技术
vss (volume shadow copy service, 卷映射拷贝服务)，最初是在windows server 2003 sp1中引入的存储技术。它通过在卷管理模块上加入快照功能，在此基础上就可以创建基于时间点(point-in-time)的映像(image)，从而实现数据的快速备份和恢复，用户也无需害怕因无意删除数据而造成的困扰，这就是vss的关键所在。由于vss所表现的优良特性，因此在microsfot最新的vista操作系统中，也加入了该功能。
一、 vss概述
vss能够让存储基础设备(比如磁盘、阵列)创建高保真的时间点映像，就是映射拷贝(shadow copy)。它可以在多卷、或者单个卷上创建映射拷贝，同时不会影响到系统性能。vss通过协调业务应用软件、备份程序，以及存储硬件，从而达到创建高保真映射拷贝的能力。它可以应用到以下领域：
a、 快速数据备份和恢复；
b、 针对制定文件的恢复；
c、 磁带备份、测试，以及数据挖掘方面；
由于microsoft在os中集成了vss技术，它将各个处理功能模块化，并针对存储软硬件厂商提供相应的开发接口；开发商只需要关注自己的模块，根据需求设计相关的应用，从而减少了整体设计的难度。就笔者了解，不少软硬件存储公司就采用vss技术来设计nas，并以此为基础构建数据保护服务器。
二、 vss技术原理
vss整体框架包含了vss核心模块、请求者(requestor)、写入者(writer)，以及提供者(provider)。各个模块之间的关系如下图所示：
其中，各个模块的具体功能如下：
a) 请求者(requestor)，其主要任务是初始化映射拷贝的创建；由于需要不一样，解决的问题各不相同不同，因此可能设计不同请求者应用。例如，备份应用处理vss的备份功能，管理应用处理映射拷贝的创建及使用(像ws2003和vista本身提供的vss管理软件就是此类)，同时可以设计其他功能应用，来处理专门的业务。对于请求者的应用，包括windows nt备份模块、备份软件提供商设计的备份应用，以及存储软硬件提供商设计的管理应用。
b) 写入者(writer)，其主要任务是保证数据的一致性；因为，如果在创建映射拷贝的过程中，应用软件继续往磁盘写入数据，那么将会出现数据非一致性问题，从而影响该时间点映像的完整性。通过在应用写入者模块进行控制处理，来保证数据的一致性，同时也可以达到创建映射拷贝的高效性。通常，写入者可能是windows os里面的各种服务模块，像com+、dhcp服务、active directory服务等，除此之外，数据库也是常见的写入者应用。
c) 提供者(provider)，其主要任务是创建映射拷贝；提供者是创建时间点影响的接口，它可以是基于存储阵列(硬件模式)，或者操作系统(软件模式)。vss有不同的提供者，其层次关系为：最底层是硬件提供者，中间是软件提供者，最上面是系统软件提供者。其中前面两个提供者，是为第三方硬件或者软件厂商提供的。
d) 卷映射拷贝服务(vss)核心模块，其主要任务是协调各个模块的协作运行，并提供创建卷映射拷贝的方法；vss提供了两种创建映射拷贝的方法：一种是完全拷贝(clone/full copy/split mirror)，它会创建当前原始数据(original data)的全部拷贝；而另外一种就是写时才拷贝(copy on write/differential copy)，它只创建将要被更新的原始数据的拷贝。因此写拷贝创建映射拷贝速度快，但是恢复数据时需要使用原始数据。
三、 vss处理流程
vss处理映射拷贝，需要协调各个模块来完成，从而保证创建出高保真的拷贝，进而实现数据的一致性，其具体步骤如下图所示：
a) 第一步，请求者让vss枚举所在卷上的写入者应用，并收集元数据(metadata)。
b) 第二步，写入者可能通过xml文件来描述其组件(components)，并定义其恢复(restore)方法；其中，考虑到数据一致性，写入者需要一些相关处理，比如对于数据库应用来说，关闭所有打开的事务、回滚事务日志、以及将缓冲区中的数据写入等操作，直到所有数据准备好之后，通知vss可以创建映射拷贝了。
c) 第三步，vss对于请求的卷，查询是否支持映射拷贝，并由那个提供者提供；因为在请求者管理应用中，会设置卷的映射拷贝属性以及策略等，所以需要进行查询和判断。
d) 第四步，请求者通知vss，要求在该卷上创建映射拷贝。
e) 第五步，vss锁住写入者应用，暂时不让写入新数据(在某些应用情况下，读操作请求是可以允许的)。
f) 第六步，vss让提供者在磁盘上创建当前状态的映射拷贝(创建映射拷贝的速度，和创建的方法以及提供者的实现相关)。
g) 第七步，创建映射拷贝完毕，vss解锁写入者应用；然后写入者就可以处理队列中的写请求，接着vss会查询是否这些写请求在创建映射拷贝期间被保证在队列中，如果是，则说明数据是一致的，否则说明可能数据一致性有问题，并做相应处理。
四、 vss使用实例
4、1服务器端设置
目前，在ws 2003 sp1或者某些测试版vista上，直接有vss模块。以下是笔者在一台名为vss-server的服务器(装ws2003)上，配置g盘的vss。先在“我的电脑”->“g盘”->“属性”，选择“shadow copies” tab页，将弹出下图所示的对话框：
然后选择卷(g盘)，按“enable按钮”,完毕后显示显示效果为图中“1，使能vss” 注释部分。此时可以按“disable按钮”禁止某个卷的vss功能，也可以按“settings”设置vss的策略(schedule)。
接着按下面的“create now按钮”，就可以生成各个时间点的映射拷贝，本实例创建了三个映射拷贝，显示结果如图中“2，创建映射拷贝”注释部分。当然，也可以选择“delete now按钮”删除所选择的映射拷贝。
创建映射拷贝完毕，在“我的电脑”->“g盘”－>“共享”，将整个g盘进行共享，并保证客户端能够访问服务器。
4、2客户端配置
为了让客户端能够访问服务器端的vss功能，也就是shadow copies of shared folders功能，需要下载shadowcopyclient.msi安装包。通过该安装包提供的服务，客户端就可以通过共享，来访问vss服务器上的映射拷贝，并实现一部分管理操作。
安装完毕后，在客户端访问\vss-server服务器，就可以看到设置了vss的共享g盘，然后选择“g盘”->“属性”，选择“previous versions”tab页，就可以查看和管理映射拷贝了，其显示效果如下图所示：
图中的红框部分，就是在服务器端创建的三个映射拷贝。microsoft提供的shadow copies of shared folders应用，目前包含下面三个功能。选择“view按钮”，可以查看选定映射拷贝的详细信息；选择“copy按钮”，则会拷贝选中的映射拷贝；而选择“restore按钮”，将会用图中红框中选中映射拷贝，在vss服务器上恢复到当前状态。
五、 vss分析和结论
5、1 vss分析
1) 优点
a) 加快了备份和恢复的速度。现在的高性能要求，其备份窗口越来越小，更多的是期待7*24全天候服务。因此比起传统的磁带备份，以及d2d备份，vss的快照技术在备份和恢复的速度上都有明显的优势；同时减少了管理配置的复杂性，从而为企业客户降低了tco。
b) 提供了个别文件的备份和恢复。用户再也不用害怕因为shift + del这样的无意删除而导致的痛苦，无需因为文件的更新而采用“另存为”操作，只需简单地要找到该文件的各个前期版本，并进行恢复就ok。
c) 易于实施到各种应用中。比如，对于不可避免的备份操作，完全可以只将映射拷贝的数据备份到磁带介质中，从而减少备份的数据量；而对于开发设计人员来说，同一产品在设计阶段会有不同的版本，因此完全可以采用制作不同版本的映射拷贝来完成。
d) 容易快速开发特定存储产品。由于在os中集成的vss，同时功能模块化；对于开发商来说，就可以根据行业需求，专注于该模块的开发，只要该模块通过了测试和认证，很快就可以和其他模块整合起来，将产品推向市场。
2) 缺点
a) 设置vss容量和配置vss策略，考虑到具体的环境和应用，需要一定的经验才能达到较好的效果。
b) 目前microsoft提供的缺省的管理应用，在创建映射拷贝时，只有时间点信息，却不能对映射拷贝加入足够的注释信息，不易于区分各个映射拷贝之间的差别。
c) vss其本质是基于“卷”的快照技术，如果将其应用到数据保护领域，和cdp (continuous data protection,连续数据保护)所描述的那种基于文件的保护相比，其粒度大，因为“卷”是基于“块”，而“文件”可以基于“字节”。
5、2 结论
笔者有幸在microsoft最新发布的试用版vista上测试了vss功能，其工作一切正常，并且和wss 2003没有差别。据了解，由于microsoft提供了一整套的解决方案，因此很多软硬件存储厂商都在加入到microsfot设计的vss中，并且部分厂商oem带vss的操作系统来设计特定应用的nas服务器，并有不错的市场效果。尽管如此，和开源的linux和solaris 10 (它们也都支持和vss类似的“卷”快照技术)相比，那就是“仁者见仁，智者见智”了。
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vss能够让存储基础设备(比如磁盘、阵列)创建高保真的时间点映像，就是映射拷贝(shadow copy)。它可以在多卷、或者单个卷上创建映射拷贝，同时不会影响到系统性能。vss通过协调业务应用软件、备份程序，以及存储硬件，从而达到创建高保真映射拷贝的能力。它可以应用到以下领域：
a、 快速数据备份和恢复；
b、 针对制定文件的恢复；
c、 磁带备份、测试，以及数据挖掘方面；
由于microsoft在os中集成了vss技术，它将各个处理功能模块化，并针对存储软硬件厂商提供相应的开发接口；开发商只需要关注自己的模块，根据需求设计相关的应用，从而减少了整体设计的难度。就笔者了解，不少软硬件存储公司就采用vss技术来设计nas，并以此为基础构建数据保护服务器。
二、 vss技术原理
vss整体框架包含了vss核心模块、请求者(requestor)、写入者(writer)，以及提供者(provider)。各个模块之间的关系如下图所示：
其中，各个模块的具体功能如下：
a) 请求者(requestor)，其主要任务是初始化映射拷贝的创建；由于需要不一样，解决的问题各不相同不同，因此可能设计不同请求者应用。例如，备份应用处理vss的备份功能，管理应用处理映射拷贝的创建及使用(像ws2003和vista本身提供的vss管理软件就是此类)，同时可以设计其他功能应用，来处理专门的业务。对于请求者的应用，包括windows nt备份模块、备份软件提供商设计的备份应用，以及存储软硬件提供商设计的管理应用。
b) 写入者(writer)，其主要任务是保证数据的一致性；因为，如果在创建映射拷贝的过程中，应用软件继续往磁盘写入数据，那么将会出现数据非一致性问题，从而影响该时间点映像的完整性。通过在应用写入者模块进行控制处理，来保证数据的一致性，同时也可以达到创建映射拷贝的高效性。通常，写入者可能是windows os里面的各种服务模块，像com+、dhcp服务、active directory服务等，除此之外，数据库也是常见的写入者应用。
c) 提供者(provider)，其主要任务是创建映射拷贝；提供者是创建时间点影响的接口，它可以是基于存储阵列(硬件模式)，或者操作系统(软件模式)。vss有不同的提供者，其层次关系为：最底层是硬件提供者，中间是软件提供者，最上面是系统软件提供者。其中前面两个提供者，是为第三方硬件或者软件厂商提供的。
d) 卷映射拷贝服务(vss)核心模块，其主要任务是协调各个模块的协作运行，并提供创建卷映射拷贝的方法；vss提供了两种创建映射拷贝的方法：一种是完全拷贝(clone/full copy/split mirror)，它会创建当前原始数据(original data)的全部拷贝；而另外一种就是写时才拷贝(copy on write/differential copy)，它只创建将要被更新的原始数据的拷贝。因此写拷贝创建映射拷贝速度快，但是恢复数据时需要使用原始数据。
三、 vss处理流程
vss处理映射拷贝，需要协调各个模块来完成，从而保证创建出高保真的拷贝，进而实现数据的一致性，其具体步骤如下图所示：
a) 第一步，请求者让vss枚举所在卷上的写入者应用，并收集元数据(metadata)。
b) 第二步，写入者可能通过xml文件来描述其组件(components)，并定义其恢复(restore)方法；其中，考虑到数据一致性，写入者需要一些相关处理，比如对于数据库应用来说，关闭所有打开的事务、回滚事务日志、以及将缓冲区中的数据写入等操作，直到所有数据准备好之后，通知vss可以创建映射拷贝了。
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d) 第四步，请求者通知vss，要求在该卷上创建映射拷贝。
e) 第五步，vss锁住写入者应用，暂时不让写入新数据(在某些应用情况下，读操作请求是可以允许的)。
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然后选择卷(g盘)，按“enable按钮”,完毕后显示显示效果为图中“1，使能vss” 注释部分。此时可以按“disable按钮”禁止某个卷的vss功能，也可以按“settings”设置vss的策略(schedule)。
接着按下面的“create now按钮”，就可以生成各个时间点的映射拷贝，本实例创建了三个映射拷贝，显示结果如图中“2，创建映射拷贝”注释部分。当然，也可以选择“delete now按钮”删除所选择的映射拷贝。
创建映射拷贝完毕，在“我的电脑”->“g盘”－>“共享”，将整个g盘进行共享，并保证客户端能够访问服务器。
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安装完毕后，在客户端访问\vss-server服务器，就可以看到设置了vss的共享g盘，然后选择“g盘”->“属性”，选择“previous versions”tab页，就可以查看和管理映射拷贝了，其显示效果如下图所示：
图中的红框部分，就是在服务器端创建的三个映射拷贝。microsoft提供的shadow copies of shared folders应用，目前包含下面三个功能。选择“view按钮”，可以查看选定映射拷贝的详细信息；选择“copy按钮”，则会拷贝选中的映射拷贝；而选择“restore按钮”，将会用图中红框中选中映射拷贝，在vss服务器上恢复到当前状态。
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a) 加快了备份和恢复的速度。现在的高性能要求，其备份窗口越来越小，更多的是期待7*24全天候服务。因此比起传统的磁带备份，以及d2d备份，vss的快照技术在备份和恢复的速度上都有明显的优势；同时减少了管理配置的复杂性，从而为企业客户降低了tco。
b) 提供了个别文件的备份和恢复。用户再也不用害怕因为shift + del这样的无意删除而导致的痛苦，无需因为文件的更新而采用“另存为”操作，只需简单地要找到该文件的各个前期版本，并进行恢复就ok。
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