5.6 Служба теневого копирования томов в Windows ХР и Windows Server 2003
5.6 Служба теневого копирования томов в Windows ХР и Windows Server 2003
В Windows ХР и Windows Server 2003 компания Microsoft реализовала службу теневого копирования. Таким образом, предоставляется инфраструктура, позволяющая создавать целостные копии дисковых томов в заранее определенный момент времени. По юридическим причинам Microsoft решила назвать эту технологию теневым копированием томов (volume shadow copy), что на самом деле не отличается от более популярного термина – моментальные снимки. Служба теневого копирования томов реализована в драйвере, который называется volsnap. sys и находится ниже уровня файловой системы.
Компания Microsoft предоставляет инструментарий разработки программного обеспечения для теневого копирования томов, реализуемый на базе договора о неразглашении. Набор SDK в основном предназначен для представителей трех обширных аудиторий.
Независимые поставщики программного обеспечения, предназначенного для теневого копирования томов, включая Microsoft Exchange, SQL Server, Oracle, SAP, Sybase и др.
Независимые поставщики программного обеспечения, разрабатывающие приложения резервного копирования и управления подсистемами хранения. Такие поставщики могут создавать программное обеспечение для отправки запросов службе теневого копирования томов.
Независимые поставщики программного и аппаратного обеспечения, предназначенного для резервного копирования, восстановления после ошибок и обеспечения целостности данных. В качестве примера можно привести компании VERITAS, EMC и их конкурентов в этой отрасли. Такие поставщики разрабатывают программное обеспечение для предоставления моментальных снимков.
Если приложение не имеет кода, поддерживающего службу моментальных снимков, данные приложения все равно будут скопированы с сохранением целостности, как в том Случае, если файловая система не может штатным образом завершить свою работу. Если приложение содержит код для поддержки службы моментальных снимков, от приложения ожидается поддержка службы и в операциях восстановления данных. Приложение выдает некоторые данные (например, какие файлы необходимо копировать, а также методологию резервного копирования и восстановления) при запросе резервного копирования. От приложения также ожидается обработка этих данных, когда потребуется операция восстановления.
Рис. 5.8. Архитектура теневого копирования томов
Резервное копирование и восстановление данных, реализованное в операционных системах Windows, не всегда работает со стопроцентной надежностью. Новая служба моментальных снимков позволяет достичь максимальной надежности, поддерживая более сложные сценарии, которые до этого момента были недоступны в Windows.
Архитектура теневого копирования томов в Windows ХР и Windows Server 2003 включает в себя четыре типа модулей (рис. 5.8).
Модули записи.
Модули запроса.
Служба теневого копирования томов.
Поставщики.
Эти модули подробно рассматриваются в разделах 5.6.1–5.6.4.
В контексте различных модулей, формирующих службу моментальных снимков, второй поставщик моментальных снимков снабжен компонентом для режима ядра, который отсутствует у первого поставщика. Служба поставщика моментальных снимков на рис. 5.8 выделена серым цветом, что подчеркивает предоставление компанией Microsoft функции, которую остальные поставщики программного обеспечения не пожелали предоставлять в виде службы. Кроме того, Microsoft предлагает и другие компоненты, но их функциональность ограничена определенным приложением или набором опреде-
ленных функций; таким образом, от поставщиков ожидается создание компонентов средствами SDK.
Модули записи и поставщики должны внедрить отдельного внепроцесс- ного поставщика СОМ, как описано в SDK[9], для теневого копирования томов. Поставщики обычно реализуются в виде «конечного автомата». Автомат переходит из одного состояния в другое при получении события, сгенерированного службой теневого копирования. Поставщик получит событие (сгенерированное службой теневого копирования), однако тип события зависит от текущего статуса поставщика и от наличия ошибок в работе. Другими словами, поставщик ожидает получения предпочтительного события, которое позволит ему перейти в следующее нормальное состояние. В случае ошибки поставщик получит событие, которое отличается от ожидаемого. Тем не менее такое событие также может быть обработано поставщиком.
Инфраструктура теневого копирования в Windows ХР и Windows Server 2003 предоставляет базовые функции, необходимые для управления подсистемой хранения данных, включая следующие:
определение момента времени, в который должен создаваться моментальный снимок;
предоставление служб синхронизации для приложений, баз данных, операционных систем и файловых систем для чистки кэшированных данных, приостановки записи, создания моментальных снимков и предоставления уведомлений приложениям, базам данных и элементам операционных систем о возможности продолжения нормального режима работы;
предоставление. единого API, который может использоваться во время операций резервного копирования и восстановления;
предоставление общей платформы для управления моментальными снимками.
Инфраструктура теневого копирования Microsoft поддерживает обработку набора томов, для которых моментальный снимок должен быть сделан как для одного тома. Если одна операция завершится неудачно, неудача постигнет и все другие операции. Кроме того, инфраструктура теневого копирования Microsoft выдает запрос (поставщику моментального снимка) на удаление моментального снимка, когда запрашивающее приложение завершило его обработку. Если необходимо, чтобы моментальный снимок оставался доступным для последующего использования, поставщик моментальных снимков или запрашивающее приложение должны предоставить необходимые функции. Независимые поставщики программного обеспечения разрабатывают приложения, которые на основе архитектуры теневого копирования создают и каталогизируют несколько моментальных снимков, а также управляют ими; такие программы не поставляются в комплекте с Windows Server 2003.
5.6.1 Модули записи
Модули записи моментальных снимков представляют собой приложения, которые записывают данные. К модулям записи относятся программы Microsoft Exchange, Microsoft SQL Server 2000, SAP и Oracle. Компания Microsoft и независимые поставщики программного обеспечения разрабатывают системы, поддерживающие запись моментальных снимков. При этом модули записи моментальных снимков должны быть реализованы с помощью набора SDK. В частности, модули записи получают от службы моментальных снимков два события, в результате чего приложения прекращают запись данных на диск, а также отдельное событие, позволяющее продолжить запись (это событие указывает на успешное создание моментального снимка). Существуют и другие события, которые может генерировать служба создания моментальных снимков. Дополнительная информация об этих событиях доступна в наборе SDK. Так как приложения могут определять целостность получаемых данных, операции сохранения должны проводиться достаточно быстро.
Необходимо также отметить одно важное преимущество архитектуры службы теневого копирования томов по сравнению с традиционными механизмами создания моментальных снимков, основанными на аппаратных решениях. При использовании в Windows 2000 и более ранних версиях традиционных механизмов аппаратное обеспечение не имело возможности «узнать» состояние приложений, программного обеспечения операционной системы и содержимого кэша. Это означает, что целостность заметного процента моментальных снимков нарушена. Более того, единственным способом определения целостности моментального снимка был запуск проверки целостности в конкретном приложении, на что уходило несколько часов.
В то же время при использовании архитектуры теневого копирования томов можно не только аннулировать содержимое кэша и приостановить one- рации записи, но и проверить целостность снимка за несколько минут. Как только приложениям выдается событие продолжения записи, служба теневого копирования томов запрашивает у приложений сведения об успешной задержке записи между событиями остановки и продолжения записи. Если один из модулей записи не смог остановить запись данных на диск после прихода соответствующего события, создание моментального снимка можно считать неудачным.
От модулей записи моментальных снимков ожидаются данные, необходимые для резервного копирования и восстановления. К ним относятся, например, список файлов, которые требуется скопировать или исключить из процесса копирования, а также группа объектов, которые должны обрабатываться в виде единого набора. Такие данные сохраняются службой создания моментальных снимков в документе метаданных модуля записи, который имеет формат XML. Модули записи могут использовать документ для хранения других необходимых данных. При восстановлении данных приложение предоставляет набор данных записавшему приложению, которое и проводит операцию восстановления.
Компания Microsoft объявила, что будет предоставлять модули записи для программ SQL Server 2000 и Exchange, а также других компонентов Windows Server. Компания сотрудничает с независимыми поставщиками программного обеспечения для разработки модулей записи к другим приложениям, включая службу каталогов Active Directory.
5.6.2 Модули запроса
Обычно модуль запроса – это приложение резервного копирования, которое запрашивает создание моментального снимка с помощью соответствующего вызова API, направленного к службе теневого копирования томов от Microsoft. Такая модель значительно упрощает решение некоторых проблем для создателя программы резервного копирования. Программе более не придется решать сложную задачу поиска копируемых данных или определять файлы журналов приложений, которым требуется специальная обработка.
Соответствующий модуль записи (например, Microsoft SQL Server) отвечает за создание набора файлов, которые будут включены в резервную копию. Операция восстановления также намного упрощается, поскольку приложение восстановления не должно искать данные и определять, какие файлы передавать API приложения (например, Exchange или SQL). Приложение передает набор данных модулю записи (приложению) и предоставляет ему возможность выполнить операцию восстановления.
5.6.3 Служба теневого копирования томов
Созданная компанией Microsoft служба теневого копирования томов Windows NT координирует деятельность всех компонентов создания моментальных снимков. В частности, служба предоставляет описанные ниже возможности.
Единый интерфейс для приложений резервного копирования или модулей запроса создания моментальных снимков. Ранее приложения резервного копирования должны были работать с несколькими API от нескольких приложений.
Единый интерфейс для создания, управления и удаления целостных моментальных снимков томов или теневых томов.
Единый интерфейс, который позволяет различным приложениям и поставщикам моментальных снимков регистрироваться и удалять регистрацию модулей записи и поставщиков моментальных снимков.
Синхронизация и координация различных компонентов для создания, удаления и перемещения моментальных снимков, а также для резервного копирования и восстановления. Служба расставляет приоритеты поставщиков моментальных снимков таким образом: аппаратные поставщики имеют наивысший приоритет, затем идут программные поставщики, а самым низким приоритетом обладают поставщики, которые по умолчанию предоставляются Microsoft.
Независимые поставщики программного обеспечения могут не беспокоиться о необходимости создания службы теневого копирования томов. Службу, предоставленную компанией Microsoft, можно воспринимать, как планировщик печати (spooler). На компьютере должен быть один планировщик печати. Некоторые производители (например, создатели поставщиков) должны написать эквивалент драйвера печати, в то время как остальным достаточно создать приложение печати.
5.6.4 Поставщики
Поставщики моментальных снимков должны разрабатываться независимыми компаниями для создания, удаления и управления моментальными снимками. Как отмечалось ранее в главе, поставщики моментальных снимков должны быть созданы в виде внепроцессных поставщиков СОМ средствами соответствующего набора SDK.
Поставщик может иметь компонент, работающий в режиме ядра, например драйвер фильтрации, который расположен между файловой системой и диспетчером логических дисков (logical disk manager – LDM). При необходимости функции режима ядра могут быть реализованы в аппаратном обеспечении. Обратите внимание, что даже аппаратный поставщик будет использовать остальные возможности инфраструктуры, например определение временной точки, синхронизацию ввода-вывода и платформу для создания приложений управления подсистемой хранения, включая резервное копирование/восстановление данных и приложения управления моментальными снимками.
Одним из примеров поставщика моментальных снимков служит драйвер volsnap. sys, который предоставляется в Windows ХР и ожидается в Windows Server 2003. Этот поставщик использует технологию копирования при записи для создания минимального необходимого набора данных во вторичном хранилище, чтобы воссоздать том с определенной временной точки. При этом должен быть доступен достаточный объем свободного дискового пространства. Поставщик может обрабатывать тома NTFS, FAT32 и тома без файловой системы в Windows Server 2003. Однако поставщик может создавать моментальные снимки, предназначенные только для чтения, и для каждого тома создается только один моментальный снимок. Это ограничение самого поставщика, а не инфраструктуры, на базе которой он создан. Независимые производители программного и аппаратного обеспечения при желании могут предоставлять более широкие возможности.
Полное описание всех событий, которые получает поставщик моментальных снимков, приводится в документации SDK. Далее рассматривается два наиболее важных события.
PreCommitSnapshot. При получении этого события поставщик должен начать выполнение всех операций ввода-вывода, которые занимают довольно много времени, например синхронизацию зеркала.
Commit Snapshot. С получением этого события поставщик уведомляется о том, что служба моментальных снимков завершит работу через 10 секунд. Таким образом, быстродействие поставщика должно быть достаточно высоким. Более того, пока создание моментального снимка не будет завершено, Windows NT не будет выполнять операции записи на том, для которого создается моментальный снимок. Это значит, что поставщик не должен выполнять операции ввода-вывода с этим томом, а если такая операция выполнена, то она не должна завершаться до тех пор, пока создание моментального снимка не будет завершено или прервано.
Поставщики моментальных снимков должны предоставлять определенные функции, а также возможности, выходящие за рамки обязательных. Ниже описаны обязательные функции.
Поставщики отвечают за поиск хранилища, необходимого для создания моментального снимка. Инфраструктура Microsoft не обеспечивает подобной возможности.
Поставщик должен монтировать моментальный снимок в другом пространстве имен й не в виде отдельного тома. Внимательно рассмотрев архитектуру Windows ХР, можно отметить, что поставщик моментальных снимков от компании Microsoft монтирует их с использованием адреса DeviceHarddiskSnapshotX.
5.6.5 Модификации подсистемы ввода-вывода Windows NT
Хотя модификации подсистемы ввода-вывода Windows NT не обязательно относятся к окружению моментальных снимков, следует обратить внимание, что для создания целостных и надежных моментальных снимков в определенный момент времени требуются значительные доработки файловой системы, стека ввода-вывода и драйверов фильтрации файловой системы. В частности, компания Microsoft добавила два вызова управления вводом: выводом (IOCTL), которые должны быть реализованы во всех файловых системах и драйверах фильтрации файловых систем.
Вызов IOCTL_VOLSNAP_FLUSH_AND_HOLD_WRITES, который должен входить в последовательность и обрабатываться. Включение в последовательность позволяет обрабатывать вызов драйверам более низкого уровня. Обработка заключается в очистке и удержании всех метаданных файловой системы. Как только все данные будут сброшены, до завершения работы пакетов IRP, предназначенных для аннулирования данных и метаданных, другие запросы на запись выдаваться не должны.
Вызов IOCTL_VOLSNAP_RELEASE_WRITES также должен обрабатываться и включаться в последовательность. Этот вызов указывает на успешное завершение создания моментального снимка или. на прерывание операции создания моментального снимка.
Некоторые компоненты Windows NT также были модифицированы для вызова указанных IOCTL в соответствующие моменты времени. Хотя компания Microsoft уже модифицировала файловую систему и драйвер фильтрации файловой системы для предоставления соответствующей функции, от драйверов фильтрации независимых производителей^ программного обеспечения ожидается то же самое.
В разделе 5.8 рассматривается промышленный стандарт NDMP (Network Data Management Protocol – сетевой протокол управления данными). Но перед обсуждением этой темы следует рассмотреть взаимосвязь между службой теневого копирования томов Windows ХР/Windows Server 2003 и протоколом NDMP. Служба теневого копирования используется для клонирования данных, которые необходимо скопировать на резервный носитель, в то время как NDMP применяется для переноса данных с клонированного образа на магнитную ленту или другой резервный носитель.