How Vmware snapshots works

Posted 2020-09-19 D R Y ! -geek~

VMware中的快照是对VMDK在某个时间点的“拷贝”，这个“拷贝”并不是对VMDK文件的复制，而是保持磁盘文件和系统内存在该时间点的状态，以便在出现故障后虚拟机能够恢复到该时间点。如果对某个虚拟机创建了多个快照，那么就可以有多个可恢复的时间点。

当我们为虚拟机创建的快照时，当前可写的VMDK文件变成为只读状态，并且创建一个新文件（称之为快照文件）来保存变化的内容（使用in-file delta technology)。

在初始状态下，快照文件的大小为16MB，并随着虚拟机对磁盘文件的写操作而增长。快照文件按照16MB的大小进行增长以减少SCSI reservation冲突。当虚拟机需要修改原来的磁盘文件的数据块时，这些修改会被保存到快照文件中。当在快照文件中的已经修改过的数据块需要被再次修改时，这些修改将覆盖快照文件中的数据块，此时，快照文件大小不会改变。因此，快照文件的大小永远不会超过原来的VMDK文件的大小。

快照文件的变化频率取决于虚拟机应用的写的繁忙程度，例如对于Exchange和SQL等应用，快照文件变化比较快。多个快照的情况下，在创建新的快照时，之前的快照文件变成只读的状态。

不同类型的快照文件

*-delta.vmdk文件：该文件就是前面我们所提到的快照文件，也可以理解为redo-log文件。在每创建一个快照时就会产生一个这样的文件。而在删除快照或回复到快照时间点状态时该文件会被删除。

*.vmsd文件：该文件用于保存快照的metadata和其它信息。这是一个文本文件，保存了如快照显示名、UID(Unique Identifier)以及磁盘文件名等。在创建快照之前，它的大小是0字节。

*.vmsn文件：这是快照状态文件，用于保存创建快照时虚拟机的状态。这个文件的大小取决于创建快照时是否选择保存内存的状态。如果选择的话，那么这个文件会比分配给这个虚拟机的内存大小还要大几兆。

创建快照

快照的创建可以通过VMware VI客户端的Snapshot Manager来实现，或者通过ESX服务器的Service Console的命令行vmware-cmd来实现。无论虚拟机是在运行、关机还是挂起的状态，都可以创建快照。Snapshot可以通过VI客户端直接连接到ESX Server或者连接到VirtualCenter来管理。

删除快照或者回滚到快照点状态

当删除虚拟机的所有快照时，针对该虚拟机所创建的所有delta文件中的内容将会合并到原来的vmdk文件中，合并完成后再删除vmdk文件。如果只选择删除一个快照，那么这个快照的delta文件将和其父快照的delta文件进行合并。如果选择回滚到某一个快照，那么当前的磁盘和内存状态将会被丢弃，而且虚拟机会转变到revert-to的状态。无论选择哪个快照进行回滚，该快照都会变成当前的父快照，就是说当前运行的虚拟机会在这个快照之下。因此，父快照不一定是最近所创建的快照（在没有回滚的情况下，父快照一般都是最近所创建的快照）。在Snapshot Manager中父快照之下一般有“You are here”的标记。

如果选择回滚的快照不包含内存状态，那么该虚拟机将会被关机，在管理员启动该虚拟机时应用所选择的快照。如果包含内存状态的话，那么虚拟机会短暂的停顿一下，然后回复到快照时的磁盘和内存状态。

磁盘空间和删除多个快照

在创建快照前，所有的写操作都写入磁盘文件。但是有了快照之后，磁盘文件保持不变，而写操作写入delta文件，同时，如果保存内存状态的话，vmsn文件还要占用比该虚拟机稍大一些的空间。

在只有一个快照时，在删除快照时不需要额外的空间。因为要么直接删除快照文件，要么把快照文件和VMDK磁盘文件相合并。但是在有多个快照的情况时，效果就不一样了。

假设要删除一个虚拟机的所有快照，该虚拟机有三个快照，snap1、snap2和snap3。首先，snap3的快照文件要被合并到snap2的快照文件中，导致snap2占用空间增加。然后，snap2被合并到snap1中，导致snap1占用的空间增加。最后，snap1合并到VMDK文件中，此时不会增加空间开销。在合并完成后，快照才会被删除。

一种替代的方式是依次删除快照，这样就不会增加所需要的空间，只是稍微繁琐一些。

删除快照所需要的时间

通过VI客户端删除快照时，VI的状态栏中显示的信息可能会产生误导。通常，状态栏会很快到达95%完成的状态，但是会在95%的状态等待较长的时间一直到合并完成。VirtualCenter对所有的任务都有15分钟的超时值，即使后台还在合并，但是过了15分钟后，VirtualCenter会报告该操作超时。

一种查看该任务是否完成的方式是通过VI客户端来浏览该虚拟机的datastore。如果该快照对应的delta文件不存在了，则说明该快照被删除了。

如果快照存在的时间比较长，那么快照文件就会变得比较大，因此在删除快照时就需要比较长的时间进行合并。合并的时间取决于虚拟机的繁忙程度，在关机的状态下合并的速度较快。而ESX服务器后端的磁盘子系统的繁忙程度也会影响合并的时间。

一个100GB的快照文件可能需要3-6个小时来合并到原来的VMDK文件中。而从ESX3.5开始，由于VMware修改了合并的算法，可能需要更长的时间来合并（参见VMware文档Consolidation of large or deeply nested snapshots）。这会影响虚拟机和ESX服务器的性能。因此，建议限制快照的保留时间，当不需要时即刻删除快照。

快照和metadata锁对ESX性能的影响

快照对ESX服务器以及虚拟机的性能影响体现在几个方面。但创建快照时，虚拟机的活动会暂时停顿一下，此时如果通过ping命令去检查虚拟机的状态，可以看到一些timeout的response。此外，创建快照会导致metadata的更新，为了避免SCSI Reservations冲突会短时间内对LUN加锁，从而导致在短暂的时间内，这个LUN将只能由一个ESX服务器进行排他性访问。

如果为虚拟机创建了快照，虚拟机在运行的状态中，该快照是活跃的。只要快照是活跃的，那么虚拟机的性能就会下降。因为ESX服务器对delta文件的写入方式不同于VMDK文件，而且效率相对较低。delta文件每次以16MB的大小来增长，它会导致另一种metadata锁。

最后，删除或者回滚快照都会创建一个metadata锁。此外，删除快照时可能会导致性能比较大的下降，虚拟机越忙越明显。为了避免这个问题，快照的删除最好在非高峰时期。