引言
在虛擬化管理平臺中，快照技術是確保資料一致性與災難復原的重要工具。Apache CloudStack 作為開源雲端計算平臺，其 KVM 插件透過增量快照（incremental snapshots）技術，有效解決傳統快照方式的儲存浪費與效能問題。本文將深入解析 KVM 快照的實現機制、技術挑戰與應用實踐，協助讀者理解其在雲端環境中的價值與限制。
技術定義與基本概念
快照的本質
快照是某個時點的卷軸（volume）狀態存檔，預設儲存於次層儲存（secondary storage）。與虛擬機器（VM）快照不同，後者不屬於備份類型，而快照可作為建立其他卷軸或模板的基礎。
KVM 快照的實現機制
傳統快照方式會儲存虛擬機器記憶體與所有卷軸，導致儲存空間浪費、效能低下且需中斷服務。現行優化方式透過建立 overlay（覆蓋層）實現增量儲存：
- 虛擬機器寫入資料至 overlay，而非原始卷軸
- 快照後將 overlay 資料複製至儲存，並與原始卷軸合併
- 停止的虛擬機器可直接複製卷軸
重要的特性與功能
增量快照的核心技術
為解決重複快照導致的資料冗餘問題，CloudStack 集成 libvirt API 的 begin backup 功能與 QEMU 2 格式，實現以下關鍵技術：
- Backing Chains：建立快照鏈，透過 checkpoint 保存變更區塊（dirty blocks）
- Bit Map：記錄自 checkpoint 以來的變更資料（libvirt 使用 checkpoint 作為抽象層）
- 初始快照：需先建立完整快照作為鏈的起點，後續快照為增量
快照鏈管理與限制
- 快照鏈長度限制：CloudStack 預設限制快照鏈長度為 16，第 17 個快照會自動建立全新完整快照
- 刪除機制：若快照有子快照依賴，刪除時僅標記為刪除，待所有子快照刪除後才真正移除資料
- 還原流程：透過 API 將快照鏈轉換為單一卷軸，簡化還原操作
實際應用案例與工作流程
創建流程
- 執行
begin backup API，並指定 checkpoint 以追蹤變更資料
- 停止的虛擬機器需建立虛擬的「dummy VM」作為 API 呼叫的容器
刪除與還原
- 刪除快照時需確保無依賴快照，否則保留資料至所有子快照刪除為止
- 還原快照需維護 backing chains 的完整性
技術優勢與挑戰
優勢
- 儲存效率提升：透過增量儲存減少重複資料
- 服務中斷時間降低：支援停止虛擬機器的直接複製
- 恢復靈活性：快照鏈轉換為單一卷軸簡化還原流程
挑戰與限制
- 軟體版本需求：需使用 libvirt 7.6 及 KVM 6.1 以上版本
- 儲存類型限制：目前僅支援檔案型儲存（如本地儲存、Ceph RBD、LVM 等），不支援 NFS
- 未來擴展方向：支援原子磁碟快照（Atomic Disc Snapshots）與 VMware 原生增量快照功能
總結
增量快照技術透過 Backing Chains 與 Bit Map 等機制，有效解決傳統快照的儲存浪費與效能問題。在 Apache CloudStack KVM 插件中，其應用需注意快照鏈長度限制、刪除機制與儲存類型兼容性。未來隨著軟體版本升級與儲存技術的演進，此技術將進一步提升雲端環境的資料管理效能與靈活性。