详解云与备份之VMware虚机备份和恢复

作者：SammyLiu 字体：[增加减小] 来源：互联网

本文主要包含vmware,备份恢复,vmware,虚机备份等服务器相关知识,SammyLiu 希望可以进行参考

1. 与备份有关的VMWare基础知识

1.1 VMware 虚机磁盘在 ESXi 宿主机上的文件

简单来说，虚机的每个虚拟磁盘由ESXi 宿主机上的三个文件组成（这里的虚机名字是 sammy-target-win-small，下面是其第一个磁盘对应的三个文件）：

sammy-target-win-small.vmdk （配置文件，大小 633 字节）
sammy-target-win-small-flat.vmdk （二进制文件，大小 12884901888 字节）
sammy-target-win-small-ctk.vmdk （二进制文件，大小 78694 字节）

其中，

第一个文件保存的是该磁盘的元数据，其中包括另外两个文件的信息

# Extent description
RW 25165824 VMFS "sammy-target-win-small-flat.vmdk"

# Change Tracking File
changeTrackPath="sammy-target-win-small-ctk.vmdk"

第二个文件是 Extent description 文件，二进制数据保存在这个文件中。下面会介绍使用API获取该文件中数据的方法。

第三个文件是 CTK 文件。下面讲到 CTK 的时候再说。

1.2 快照（Snapshot）

虚机的快照是虚机在某个时间点的状态和数据，其中，状态是指虚机的状态，包括运行状态，配置等；数据是指虚机的虚拟磁盘中的数据。快照的基本操作包括：

创建快照（create）
删除快照（delete）
快照合并（consolidate）
恢复到快照（revert）

1.2.1 创建快照

对上面的虚机创建一个快照，除了快照定义文件以外，对该磁盘，新增了三个文件：

-rw-------  1 root   root    786944 Jul 11 10:55 sammy-target-win-small-000001-ctk.vmdk
-rw-------  1 root   root     28672 Jul 11 10:55 sammy-target-win-small-000001-delta.vmdk
-rw-------  1 root   root      428 Jul 11 10:55 sammy-target-win-small-000001.vmdk

第一个依然是 ctk 文件，第二个是 delta 文件，第三个是非二进制文件。然后再创建第二个快照，就成了这样子：

（RW = 读写，RO = 只读）

从数据的角度看：

（绿色部分是从虚机视角看数据；最下面的红框是 base vmdk 中的数据；中间的红框是 delta vmdk 中的数据）

现在可以简单总结一下 VMware 快照的特点：

快照保存虚机在某一个时间点的状态和数据
对一个虚机做快照，相当于将虚机当前的磁盘设为只读模式，然后创建 delta vmdk 文件，它将会接受新的数据写操作。在存在多个快照的情况下，之前的快照磁盘变为只读。
写损失：写的时候，遵循 Copy-on-write 机制，按照数据分块，当需要修改某一块中的数据时，先将它从父vmdk 中拷贝到 delta vmdk，然后再对它修改。
读损失：当读取某一块数据时，ESXi 需要判断从哪里去读：对于没有修改的数据块，从父 vmdk 读；对已经修改了的数据块，从 delta vmdk 读。可见，客户端的一次读操作，可能需要从不同的 vmdk 上读取数据。
delta vmdk 的大小不会超过 base vmdk 的大小，因为极限情况是所有的数据都被拷贝到delta vmdk 并且都没修改了。
因为快照会带来读和写损失，因此一个虚机不能有太多的快照。vSphere 限定一个虚机最多有 32 个快照，但是建议最多只有 2-3 个，而且快照的保留时间不超过一天。

1.2.2 删除快照

显然，快照只是内部数据，保存的是过去某时间点虚机的状态，对外部不可见，因此，删除快照不能影响虚机当前的状态和数据。因此，这里有三种可能：

（1）快照是基于原始虚机的：delta vmdk 中的数据会向 base vmdk 合并，然后 delta vmdk 被删除。（如下图中的s1）

（2）待删除快照在虚机的数据路径上：delta vmdk 中的数据会想父快照的 vmdk 合并，然后delta vmdk 被删除。（如下图中的s2）

（3）待删除快照不再虚机的数据路径上：不需要合并，直接删除。（如下图中的 s3）

现在可以简单总结一下删除快照的特点：

删除快照意味着快照之后的改变会被合并进快照之前的数据，因此，虚机再也无法回到所做快照之时的状态了。
删除快照过程包括两个异步的操作：从 Snapshot manager 中将快照删除，vmdk 数据合并。如果第一步成功而第二步失败，那么将有残留的 delta 文件被保留下来，这是就需要下面将介绍的手工合并操作。
删除快照可能会打来大量的数据写操作，这期间，虚机的性能会受到负面影响
删除快照有时候要花费很长的时间，特别是对于长时间存在的大容量磁盘的快照。 VMware 专门出了一个KB来让用户估计所需要的时间：Estimating the time required to consolidate snapshots during the snapshot removal for VMware ESX and VMware ESXi (2053758)
当删除所有快照时，自从 vSphere 4 Update 2 开始起过程有了优化，不再是重定向下一层一层地合并，而是各层都直接合并到 base disk。

1.2.3 快照合并（consolidation）

上面谈到了快照删除操作的数据合并可能会失败。这种失败会带来很多问题，包括不必要的磁盘空间占用，以及虚机性能下降。因此，当出现这种情况时，vCenter 会向用户提示需要做 consolidation 了。该操作会检查虚机当前所有的 vmdk 分层，将冗余的 delta 文件先合并再删除。

1.2.4 恢复到快照

恢复到快照操作也比较好理解，就是将虚机的 base vmdk 指向目标快照的 vmdk，其结果是自从目标快照创建后的一切改动都没有了。

1.3 VMware API

VMware 提供非常丰富的 API：

其中，我们可以将与与备份相关的API分为两类，一类是控制平面的API，它们主要用做管理 vSphere 虚拟化环境；另一类是数据平面API，它们用于操作虚机的虚拟磁盘。

1.3.1 VMware API 和 SDK

VMware 通过 Web Service 向客户端提供访问接口，这些接口可用于管理虚机和其他虚拟设施，包括数据中心（datacenter），数据存储（datastore）, 网络（network）等。它还提供了包括Java, .NET, Python, Perl, REST, 以及 Ruby 等几种语言在内的 SDK。对于其他语言，则需要通过 SOAP 协议访问其 web service，gSoap 是一种比较常见的用于C/C++语言编写 web service 客户端程序的套件。

详细情况请阅读 https://www.vmware.com/support/pubs/sdk_pubs.html

1.3.2 VDDK 和 VADP

VDDK 全称是 Virtual Disk Development Kit（虚拟磁盘开发包），它能帮助开发人员创建访问虚机存储的应用。VDDK 基于 Virtual disk API。

Virtual disk API，即 VixDiskLib，是一组操作 VMDK 格式的虚拟磁盘文件的函数。它的主要功能包括：

create, convert, expand, defragment, shrink, and rename 虚拟磁盘文件
创建 redo logs 和删除 vmdk 文件
访问 vmdk 文件中任意数据，以及读取元数据
连接到远端 vSphe 存储，使用高级的传输方式，包括 SAN （备份程序所在的服务器能够直接通过 FC 或者 iSCSI 和虚机磁盘所在的存储连接），hotadd （虚拟磁盘附加到备份程序所在虚机成为其一个磁盘）和 LAN （备份程序通过 LAN 访问虚拟磁盘）。

VADP 全称是 VMware Storage APIs - Data Protection（VMware 存储API-数据保护），它使用 virtual disk API 和部分 vSphre API 来创建和管理虚机的快照，支持全量和增量备份。

1.4 CBT (Changed Block Tracking 块修改跟踪)

CBT 是 VMware 在 vSphere 4.0 版本引入的为了实现增量备份的一个功能。VDAP 使用该功能，使得基于它开发的各种虚机备份应用能够做到增量备份。

相对于全量备份时将vmdk 的全部数据块都保存下来（左图），基于 CBT 的增量备份只保存自从上次备份以来的发生了变化了的数据块（右图）。ESXi 为每个开启了 CBT 的虚机的虚拟磁盘都创建了一个 ctk 文件，它用于保存变化块的元数据。该功能将会对磁盘带来一点性能损失，因为，不使用的时候，可以关闭它，但是它对备份带来的好处是显而易见的。

获取 CBT 变化块的函数的定义为：QueryChangedDiskAreas(snapshot, deviceKey, startOffSet, changeID)。其中，

snapshot 代表当前的快照，也就是“变化”时间段的后端点；
deviceKey 是目标虚拟磁盘的 device ID；
startOffSet 是开始获取变化块的offset；
changeID 是指“变化”时间段的前端点，即老的快照的 changeID。

其结果类似 “(117768192, 65536),

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