Volume Shadow Copy Service（VSS）如何工作

学习笔记29：Volume Shadow Copy Service（VSS）如何工作

VSS卷影拷贝服务其实不是一项新技术了，在2003年前后发布的Windows 2003和Windows XP SP1都提供了对VSS的支持。最近几年微软的一线产品对VSS支持的越来越多，包括Exchange，SQL，AD，DPM等等。在Windows 2008中甚至系统的自带的备份工具也换成了VSS版本的。查一查VSS的资料，发现名词不少，snapshot、writer、requestor等等。这几天翻阅了一些资料，仔细阅读了几遍，终于拨云见日，理清了头绪。

VSS解决的问题

任何一个新东西和新技术的出现总是为了解决现有的问题。在IT领域，很多的资源被放在对各个系统的备份和恢复上。为了99.9XXX%中那n个9，每多一个9都要付出巨大的代价。

在备份领域，传统的备份方案一般有全备份，增量备份和差量备份等。我觉得主要的问题有：

增量和差量需要备份软件支持，备份程序需要对被备份的数据有足够了解，备份程序和应用程序协作保证数据的恢复完整一致性，工作量比较大。比如Exchange的数据库，Exchange自己要暴露出API接口，供NTBackup之类的应用程序调用。
备份和恢复的时间漫长。每次做全备都需要若干小时。恢复差量和增量的数据的时候，要先恢复全备份再恢复增量、差量的数据。步骤冗长，容易出错。
缺乏与硬件的紧密结合。很多存储的硬件都有snapshot的方案，但是这些硬件是做卷级别的镜像，和应用无关，做出来的东西也不能保证在应用级别是完整的。

VSS的出现，就是为了解决这些问题。

卷影的方法分类

Clone (Full Copy/Split Mirror)全拷贝、镜像拷贝。可以通过软件或者硬件的方式做源卷和目标卷的同步。在同步连接切断之前2边的数据是一致的，在同步连接中断之后目标卷的数据和源数据保持独立，并且是只读的。
Copy-on-Write (Differential Copy)差量拷贝。这种方法也可以用软件或者硬件的方法实现。当有写操作发生在需要被复制的卷时，被写的那个block会先被复制到另一个存放差量数据地方，同时这个操作会被索引和记录下来。使用源卷里数据和差量数据，这样在逻辑上我们就有一个在之前某个时间点的源卷。这种方法的好处是额外需要的存储空间小，缺点是
- 对源卷有额外的读写操作。
- 在做数据恢复的时候源卷的数据必须还在。

基于以上这2种最底层的卷影的方法，可以实现多种基于软件和硬件的备份应用和方案。微软的应用方案有：

Data Protection Manager(DPM)
Windows Backup Service(in Windows 2008)

VSS服务架构

组件	描述
Volume Shadow Copy Service	核心服务，和各个其他组件交互。
Requestor	提出开始做卷影复制的程序，一般是备份程序。
Writer	首先他是应用程序的一部分，用以确保在做卷影复制的时候应用层面的数据是完整一致的。数据库级别的应用一般会有自己的Writer，比如Exchange，SQL，AD等。
Provider	创建和维护卷影复制的组件。可以是操作系统、硬件或者软件自己实现。
Source volume	含有需要被备份的数据卷。
Storage volume	为provider提供存放copy-on-write文件的数据卷

卷影复制的组件

Requestors: 发起卷影复制的程序，一般是备份程序。

Writers: 防止数据不一致，不完整。

当备份的应用发起备份请求的时候，系统的VSS服务把这个消息通知给各个writer。Writer在收到这个消息之后，开始为备份做准备，以确保硬盘上的数据的一致性。比如Exchange的writer，会把内存的buff写回到硬盘里，确保硬盘上的数据库和log是完整的。
Writer也提供其他一些信息，比如应用的名字、图标、包含和排除的文件、恢复策略等等。
Writer和一个或者多个组件相关联。一个组件是一群文件的集合。比如，Exchange的文件集合包括数据库文件和日志文件等等。这些文件集合是一个整体，必须被同时备份和同时恢复。Writer也提供有关如何按组件恢复数据的信息。
如果一个应用没有提供writer，那么只有硬盘上的数据被备份，而内存里面的cache等数据会丢失。这样恢复出来的数据类似于机器突然断电的状态，数据有可能会不一致。相对于非VSS的备份方法，VSS的好处是即使文件正在被打开也可以备份。传统的备份方法被打开的文件是无法再次被备份程序读打开的。
在这种设计下，维护数据一致性的工作被从备份程序转移到了应用程序，而应用程序的开发人员对应用程序的数据更加了解，他们知道如何编写Writer来优化卷影复制。

Providers：用以创建和维护卷影复制。主要有三类实现：

硬件实现
软件实现
操作系统实现。Windows 2003自带了一个基于软件的Provider。

卷影复制创建流程

Requestor，一般是备份程序，要求VSS枚举writers和他们的metadata，为卷影复制做准备工作。
Writer创建一个XML的备份组件的描述，并定义他们如何被恢复。VSS通知应用程序的Writer为卷影复制做准备。
Writer开始做准备，比如把内存中的内容写到数据库，把日志中的内容写到数据库等等。做完之后通知VSS。
VSS发起commit。
VSS把writer和requestor暂停写操作几秒种，以用来创建一个卷影复制。这个时间不能超过60秒。在此期间，VSS把文件系统在内存中的buff写到硬盘以确保硬盘中文件的一致性。
VSS告诉requestor花最多10秒的时间来创建卷影复制。
VSS解冻文件系统。当卷影复制创建好之后，VSS释放处于未激活状态的writer，所有在队列中的读写IO操作被完成。
VSS确认在卷影复制被创建过程中的IO是成功的，如果失败的话意味着卷影复制是不一致的，VSS通知requestor并且删除卷影复制。Requestor可以选择重试或者通知管理员等操作。
VSS开始复制卷影复制的数据，在复制完成之后把位置信息返回给Requestor。这一步才是耗时最长的备份数据的过程。

参考资料

How Volume Shadow Copy Service Works

Wikipedia：Shadow Copy

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