Что такое снапшоты в СХД и как мы их реализовали в TATLIN.BACKUP

Еще год назад мы считали, что снапшоты без репликации не являются приоритетом для нашей команды. Но практика показала обратное: вирусы-шифровальщики, сбои и ошибки могут повредить резервные копии и нарушить их целостность. Чтобы защитить данные и при необходимости быстро восстановить их в неизменном виде, мы реализовали поддержку снапшотов в TATLIN.BACKUP. Новый функционал уже доказал свою эффективность и получил положительные отзывы клиентов.

Меня зовут Ростислав, я эксперт по разработке ПО отдела систем обработки данных в YADRO. Сегодня разберемся, как устроены наши снапшоты и какие у них особенности. Для этого совершим экскурс в мир систем хранения данных (СХД) и рассмотрим их устройство.

Файловые и блочные СХД

Прежде чем перейти к устройству снапшотов в TATLIN.BACKUP, поговорим о способах доступа СХД к данным. Их можно разделить на две большие категории:

• блочные (SAN, Storage Area Network),

• файловые (NAS, Network Attached Storage).

Способ доступа определяется протоколом, который связывает хост, выполняющий операции ввода-вывода, и СХД, где хранятся данные.

Типичный пример блочного протокола — SCSI (Small Computer System Interface). Он передает в СХД небольшие команды — например, на чтение или запись блоков данных по смещению с использованием адресации LBA (Logical Block Addressing).

В блочной СХД базовой единицей хранения выступает логический диск (LUN, Logical Unit Number). Диск разбит на блоки фиксированного размера, и работать можно с ними только целиком. Чтобы изменить один байт, нужно считать весь блок, внести изменения и записать его обратно.

В файловых протоколах, например CIFS (Common Internet File System), команды оперируют файлами, а не блоками. СХД с файловым доступом полностью управляет файловой системой и «знает», что такое файл, его метаданные и структуру. Пользователь напрямую не видит физические диски — они отсутствуют в протоколе.

Таким образом, в СХД с файловым доступом мы получаем большую гибкость при реализации снапшотов, чем в системе с блочным доступом:

• файловые СХД позволяют делать снапшоты как на уровне диска, так и на уровне файловой системы,

• блочные СХД — только на уровне диска.

Снапшоты: какие они бывают и зачем нужны

Снапшот — это зафиксированное состояние данных в определенный момент времени. Он позволяет в любой момент вернуться к этому состоянию, восстановив систему после сбоев, ошибок или атак. При этом текущая рабочая версия данных продолжает изменяться независимо от снапшота.

Такая возможность полезна в ряде сценариев:

• восстановление после атаки вируса-шифровальщика или случайных пользовательских ошибок,

• фиксация данных для аудита и соответствия регламентам,

• защита логической целостности информации,

• репликация данных между СХД,

• анализ изменений во времени.

Существует несколько способов создания и хранения снапшотов, разберем их ниже.

Что такое маппер в СХД TATLIN.UNIFIED: тонкие тома, снапшоты и клоны.

Полное копирование — берем все данные и копируем в новый набор. Метод работает всегда, но в современных системах почти не используется — он слишком медленный и требует много дискового пространства. 

Copy-on-Write (CoW) — с этим подходом при создании снапшота ничего не копируется. Система создает метаданные, указывающие на те же блоки данных, что и исходный логический диск. Снапшот и исходный логический диск сначала ссылаются на одни и те же блоки, занимая минимум места. Затем, когда в исходный логический диск происходит запись:

1. Определяется блок данных, который будет изменен.

2. Этот блок, который нужен для сохранения состояния снапшота, копируется в специальную область — «пространство снапшота». На его место записывается измененный блок.

3. Метаданные снапшота обновляются, чтобы указывать на сохраненный блок.

Copy-on-Write позволяет мгновенно создавать снапшот, а дисковое пространство используется только при изменениях. Однако у этого подхода есть недостаток по сравнению с Redirect-on-Write: поскольку нужно выполнить три операции ввода-вывода (одну на чтение и две на запись), то производительность системы в процессе записи снижается. Также снапшоты в CoW со временем фрагментируются. 

В случае с Redirect-on-Write (RoW), как и с CoW, создание снапшота происходит практически моментально, но схема изменения данных другая:

1. Новые данные записываются в свободное место на диске.

2. Метаданные исходного логического диска обновляются, чтобы указывать на новый блок с измененными данными.

3. Метаданные снапшота продолжают указывать на старый блок, который остается неизменным вплоть до удаления снапшота.

RoW работает быстрее, так как требует выполнения только двух операций ввода-вывода: чтение и запись. Однако у этого подхода есть недостаток: со временем сам диск может фрагментироваться, соответственно, время доступа к данным на нем — увеличиваться.

Во многих СХД предпочтение отдают RoW — поскольку он уменьшает задержку записи (write latency).

Описанные выше подходы к созданию снапшотов используются в блочных СХД, которые работают с логическими дисками. TATLIN.BACKUP — это файловая СХД. Она оперирует файлами и их метаданными, поэтому «знает» точно, что и где хранится.

Файловый доступ позволяет реализовать снапшоты гранулярностью меньше, чем диск, опираясь на метаданные файловой системы. В нашем случае снапшот делается для VFS (Virtual File System). Также это упрощает разработку, потому что отпадает необходимость согласовывать блочный снапшот с дедупликацией в TATLIN.BACKUP. 

Поэтому снапшоты в нашей СХД — файловые, а не блочные.

Как реализованы снапшоты в TATLIN.BACKUP

TATLIN.BACKUP — это система хранения данных с файловым доступом и глобальной дедупликацией. Она режет файлы на блоки данных (чанки) переменной длины и хранит их так, чтобы одинаковые блоки существовали в системе только один раз.

Подробнее об архитектуре TATLIN.BACKUP можно прочитать в статье о создании дедуплицирующей файловой системы для СХД с нуля.

Три важных термина, которые помогут лучше понять принцип работы снапшотов в нашей СХД:

• Чанк (блок данных) — минимальная единица данных. В TATLIN.BACKUP имеет переменную длину: в среднем 10–12 килобайт.

• Экстент — структура, которая описывает непрерывную последовательность чанков. Экстент не хранит данные, а содержит ссылки на чанки.

• Уникальный идентификатор экстента — фиксированное значение, с помощью которого происходит идентификация конкретного экстента в системе.

В отличие от классических файловых систем (например, ext4), которые выделяют фиксированные блоки на диске, TATLIN.BACKUP:

1. Режет файл специальным алгоритмом на чанки произвольного размера.

2. Проверяет каждый чанк на уникальность. 

3. Сохраняет его в контейнеры фиксированного размера на диск.

Из непрерывной последовательности чанков формируется экстент, которому присваивается уникальный идентификатор. Файл в TATLIN.BACKUP представляет собой набор идентификаторов экстентов:

У каждого экстента есть набор основных свойств:

• уникальный идентификатор,

• неизменяемость (immutability) — при модификации файла всегда создается новый экстент, при этом старый остается неизменным,

• может содержать ссылки на один или несколько чанков.

Поэтому для создания снапшота достаточно скопировать список идентификаторов. При этом мы работаем только с метаданными, а сами данные в хранилище не перемещаются. Неизменяемость экстентов означает, что в результате модификации другого файла данные не будут перезаписываться. 

Процесс создания снапшота файловой системы:

1. Берем список идентификаторов экстентов, на которые ссылаются файлы в файловой системе.

2. Копируем выбранные идентификаторы в метаданные нового снапшота.

При этом не нужно копировать сами чанки и экстенты. Снапшот фиксирует состояние файловой системы в заданный момент времени, для чего мы просто копируем идентификаторы на нужные экстенты.

Такой подход к созданию снапшотов имеет три ключевых преимущества, особенно важных для СХД:

• Скорость — создание снапшота сводится к копированию набора идентификаторов экстентов. Эти метаданные хранятся в специализированной базе на быстрых носителях, поэтому копирование проходит быстро.

• Безопасность — экстенты неизменяемы, поэтому снапшот всегда останется консистентным.

• Экономия дискового пространства — данные физически хранятся в одном экземпляре, а повторно используются через ссылки.

Избавляемся от мусора

В TATLIN.BACKUP удаление файла или снапшота не означает мгновенного освобождения дискового пространства. Дело в том, что:

• один чанк может быть использован сразу в нескольких экстентах,

• один экстент может быть связан с несколькими снапшотами.

Пока существует хотя бы один владелец, удалять объект нельзя. Поэтому мы разработали сборщик мусора (garbage collector), который периодически анализирует метаданные и удаляет бесхозные объекты.

В классических блочных СХД все просто: удалили LUN — освободили место. В файловой СХД, особенно с дедупликацией, ситуация сложнее: нужно пройти цепочку владения от файлов и снапшотов до чанков и удалить только те объекты, у которых нет владельцев. Есть два алгоритма поиска и удаления мусора:

• Mark-and-Sweep (алгоритм пометок) — проходит по всем объектам и помечает достижимые (live), а недостижимые (dead) — удаляет. Похожим образом работает сборщик мусора в Java или Go.

• Reference Counting (счетчик ссылок) — у каждого объекта есть один или несколько владельцев, при обнулении счетчика объект удаляется.

В TATLIN.BACKUP мы выбрали алгоритм Mark-and-Sweep по нескольким причинам. Основная проблема Reference Counting заключается в том, что экстенты и чанки хранятся на дисках и обновление счетчика ссылок потребовало бы частых синхронных записей. Кроме того, если питание СХД будет отключено, то счетчик ссылок может получить неверные значения, что приведет к ошибкам.

Наконец, наша иерархическая модель данных позволяет обойти дерево метаданных в один проход, что делает Mark-and-Sweep оптимальным выбором.

Пошаговая схема работы алгоритма:

1. Обойти все файлы и снапшоты, чтобы собрать список используемых экстентов.

2. Обойти хранилище экстентов и по списку, сформированному на предыдущем шаге, удалить неиспользуемые.

3. Для каждого оставшегося экстента собрать список чанков.

4. Пройти по хранилищу чанков и удалить все неиспользуемые.

Благодаря такому подходу удаление файлов и снапшотов происходит мгновенно для пользователя, однако требует значительных вычислительных ресурсов и времени на фактическую очистку данных. Поэтому пользователи заранее планируют и настраивают запуск сборщика мусора между интервалами бэкапа, а также могут регулировать интенсивность его работы, чтобы он не препятствовал операциям чтения и записи.

Результаты тестов трех сценариев резервного копирования с Кибер Бэкап и TATLIN.BACKUP: более 4 000 ГБ за 11 минут. 

Что дальше?

Снапшоты — один из ключевых инструментов в СХД, который позволяет эффективно защищать резервные копии от любых изменений и угроз. Их использование открывает путь к ряду важных возможностей, которые мы планируем внедрить в TATLIN.BACKUP.

Во-первых, это интеграция с TBoost SDK и управление снапшотами через REST. T-BOOST — это проприетарный протокол дедупликации данных, разработанный командой TATLIN.BACKUP. Он оптимизирует процесс передачи данных, сокращая их объем и снижая нагрузку на сеть. Следующим шагом в развитии технологии станет внедрение TBoost SDK — библиотеки, позволяющей интегрировать T-BOOST в сторонние программные комплексы.

SDK обеспечит прямое взаимодействие с файловыми системами, минуя FUSE, механизм ядра Linux, позволяющий смонтировать userspace файловую систему на папку. Так мы обойдем ограничения FUSE, обращение к которому снижает производительность по сравнению с файловой системой в ядре, и добьемся более глубокой интеграции с системами резервного копирования (СРК). Это позволит:

• создавать консистентные снимки виртуальной файловой системы по требованию СРК,

• гарантировать согласованность не только отдельного снапшота, но и всей цепочки — это особенно важно при резервном копировании взаимосвязанных систем.

Во-вторых, снапшот в TATLIN.BACKUP можно использовать как единицу репликации. Он будет представлять собой накапливаемую дельту изменений, которую можно отправить на удаленную систему для репликации. Такой подход позволит:

• минимизировать объем передаваемых данных,

• ускорить синхронизацию между основным и резервным хранилищем,

• повысить надежность передачи, так как репликация будет выполняться атомарно на уровне готовых снапшотов.

Наша команда планирует в ближайшее время сосредоточиться на реализации именно этих двух возможностей. В следующей статье расскажем о результатах и опыте внедрения.