OpenStack虚拟机快照和增量备份实现

1 快照的概念
一般对快照的理解就是能够将系统还原到某个瞬间，这就是快照的作用。
快照针对要保存的数据分为内存快照和磁盘快照，内存快照就是保存当前内存的数据，磁盘快照就是保存硬盘的数据。
快照针对保存方式又分为内部快照和外部快照。
内部快照：是指快照信息和虚拟机存在同一个qcow2镜像中，使用单个的 qcow2 的文件来保存快照和快照之后的改动。这种快照是 libvirt 的默认行为，现在的支持很完善（创建、回滚和删除），但是只能针对 qcow2 格式的磁盘镜像文件，而且其过程较慢等。
外部快照：是指做快照时原虚拟机的disk将变为readonly的模板镜像，然后会新建一个qcow2文件来记录与原模板镜像的差异数据，外部快照的结果是形成一个qcow2文件链：original <- snap1 <- snap2 <- snap3

2 主流libvirt快照实现介绍

2.1 libvirt的内部快照操作
以下是利用libvirt的virsh工具来创建一些内置快照：
创建虚拟机快照：

virsh snapshot-create-as --name test001 --description 'abc' instance-

列出虚拟机的快照：

virsh snapshot-list instance-

查看某个快照信息：

virsh snapshot-dumpxml instance- test001

回滚到某个快照：

virsh snapshot-revert instance- test001

删除某个快照：

virsh snapshot-delete instance- test001

其实这些其实现的本质是在镜像内做一些标记，内存状态数据则保存到某一个磁盘镜像文件内，使用以下命令可以看到在该镜像做的标记：

qemu-img info /var/lib/nova/instances/-f83d-4fff--025c2b889895/disk

2.2 libvirt的外部快照操作
可以使用 “--memspec” 和 “--diskspec” 参数来给内存和磁盘外部快照。这时候，在获取内存状态之前需要 Pause 虚机，就会产生服务的 downtime。
比如：virsh snapshot-create-as instance-00000001 livesnap2 --memspec /home/livesnap2mem,snapshot=external --diskspec vda,snapshot=external
virsh snapshot-dumpxml instance-00000001 livesnap2可以看到具体外置存放位置信息
但是libvirt现在还不支持回滚和删除外置快照，如下
virsh snapshot-revert instance-00000001 livesnap2
error: unsupported configuration: revert to external snapshot not supported yet

3 OpenStack原生虚拟机快照和备份
OpenStack中对虚拟机的快照其实是生成一个完整的镜像，保存在glance服务中，并且可以利用这个快照镜像生成新的虚拟机，与原本的虚拟机并没有什么关系。而比较主流的快照实现应该是有快照链的，且包含内存快照和磁盘快照。
OpenStack中的备份其实跟快照没啥区别，调用的都是同一个生成镜像的接口，更多的备份是cinder对磁盘的备份，没有对整个虚拟机进行备份的接口。

4 使用ceph实现OpenStack虚拟机快照功能
（1）首先是配置OpenStack的存储环境是Ceph存储，因为我们要借助ceph的一些特性来实现快照

（2）从上面我们可以知道做快照，主要是对磁盘做快照和对内存数据进行保存，如果是ceph环境，那么OpenStack虚拟机的根磁盘和磁盘在ceph下就是一个块设备，比如根磁盘一般就是保存在vms池中，其路径是vms/<instance_id>_disk，而磁盘一般就是保存在volumes池中，其路径是volumes/volume-<volume_id>；对于块设备，ceph可以使用rbd命令来对块设备做快照，比如我们对虚拟机根磁盘做快照：

rbd snap create vms/<instance_id>_disk@<snapshot_name>

snapshot_name是快照名
回滚时则执行：

rbd snap rollback vms/<instance_id>_disk@<snapshot_name>

这其实可以理解为是块设备的内部快照方式

（3）对于内存数据，我们可以使用libvirt的save接口将内存状态数据保存到一个文件中，为了保存到块设备中，我们可以这样做：
<1>新建一个块设备（这里假设在snapshots池中创建1G大小的名为test的块设备）：

rbd create --size  snapshos/test

<2>将块设备map到物理主机中

rbd map snapshos/test
/dev/rbd0

可以看到会输出一个磁盘设备符，使用lsblk命令则能看到该设备

<3>格式化该设备并挂载到某个目录下

mkfs.xfs /dev/rbd0
mkdir test_dir
mount /dev/rbd0 test_dir

然后我们就可以向save接口传入test_dir目录下的一个文件名，其会将内存状态数据保存到该文件中，接着umount掉该块设备：

umount -f /dev/rbd0
rbd unmap /dev/rbd0

这样内存数据也一样保存到块设备中了，要使用时再挂载该块设备访问即可，回滚内存对应的是向libvirt的restore接口传入该内存数据文件

注意点：
（1）libvirt的save接口调用保存完内存状态数据后，虚拟机会关闭，这时可以执行restore接口虚拟机回滚回去
（2）回滚虚拟机时，先将该虚拟机的vm_state状态置为ACTIVE，否则回滚会不成功

5 使用ceph实现OpenStack虚拟机增量备份功能
这里说两个备份名词，全量备份和增量备份。
全量备份：保存的是整个虚拟机的完整的数据
增量备份：保存的只是跟上一次相比有改动的数据
需要先做一次全量备份后，后续才能做增量备份

5.1 创建备份
这里以虚拟机的根磁盘 vms/<instance_id>_disk为例子做增量备份的操作演示：
（1）做一次全量备份
先对该块设备做一次快照：

rbd snap create vms/<instance_id>_disk@time1

然后导出差异数据：

rbd export-diff vms/<instance_id>_disk@time1 time1_diff_file

（2）再做一次增量备份
先对该块设备做一次快照：

rbd snap create vms/<instance_id>_disk@time2 

导出time1到time2之间这段时间该磁盘的差异数据：

rbd export-diff vms/<instance_id>_disk@time2 --from-snap vms/<instance_id>_disk@time1 time2_diff_file

5.2 恢复备份
（1）如果该磁盘还存在，则直接用rbd snap rollback回滚就可以了，比如要回滚到time1这个时间点：

rbd snap rollback vms/<instance_id>_disk@time1 

（2）该磁盘已经被删掉了，要恢复该磁盘到time2的时间点：
<1>创建一个块设备（大小跟删除的那块一样大小，这里以1G为例子）

rbd create --size  vms/restore_disk

<2>导入差异数据，注意这里的导入顺序，先恢复到time1，再恢复到time2

rbd import-diff time1_diff_file vms/restore_disk
rbd import-diff time2_diff_file vms/restore_disk

这时这块块设备就恢复回time2的状态了

友情经验点：
（1）上面的操作都是自己创建一个块设备然后进行回滚，那怎么把这块给到OpenStack的虚拟机使用呢？在OpenStack中添加一个磁盘是先调用api.cinder.volume_create接口创建一个卷，然后调用api.nova.instance_volume_attach将该卷连接到虚拟机中，其实我们只要将它创建的块设备替换成我们的就可以了，比如它生成的是volumes/volume-123，我们自己回滚好的是volumes/restore_disk，则先删掉它的块设备，然后重命名我们的块设备：

rbd rm volumes/volume-
rbd rename volumes/restore_disk volumes/volume-

（2）同理，如果我们要从备份文件中恢复到一个新的虚拟机，那么就先创建一个虚拟机，然后将它的根磁盘替换为我们恢复过数据的根磁盘，然后接着是替换硬盘，这样我们便从备份文件中恢复到一个新的虚拟机了