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QEMU 使用的镜像文件:qcow2 与 raw

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qcow2 的基本原理

qcow2 镜像格式是 QEMU 模拟器支持的一种磁盘镜像。它也是可以用一个文件的形式来表示一块固定大小的块设备磁盘。与普通的 raw 格式的镜像相比,有以下特性:

  1. 更小的空间占用,即使文件系统不支持空洞(holes);
  2. 支持写时拷贝(COW, copy-on-write),镜像文件只反映底层磁盘的变化;
  3. 支持快照(snapshot),镜像文件能够包含多个快照的历史;
  4. 可选择基于 zlib 的压缩方式
  5. 可以选择 AES 加密

qcow2 镜像文件格式

头部信息

每一个 qcow2 文件都以一个大端(big-endian)格式的头开始,结构如下:

清单 1. qcow2 Header
 typedef struct QCowHeader {
      uint32_t magic;
      uint32_t version;

      uint64_t backing_file_offset;
      uint32_t backing_file_size;

      uint32_t cluster_bits;
      uint64_t size; /* in bytes */
      uint32_t crypt_method;

      uint32_t l1_size;
      uint64_t l1_table_offset;

      uint64_t refcount_table_offset;
      uint32_t refcount_table_clusters;

      uint32_t nb_snapshots;
      uint64_t snapshots_offset;
  } QcowHeader;

下面以一个 10G 的 qcow2 文件为例来分析各字段的含义。

清单 2. qcow2 文件的 16 进制表示
# file 1.cow2
1.cow2: QEMU QCOW Image (v2), 10737418240 bytes

0000000: 5146 49fb 0000 0002 0000 0000 0000 0000  QFI.............
0000010: 0000 0000 0000 0010 0000 0002 8000 0000  ................
0000020: 0000 0000 0000 0014 0000 0000 0003 0000  ................
0000030: 0000 0000 0001 0000 0000 0001 0000 0000  ................
0000040: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
0000050: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
0000060: 0000 0004 0000 0068 0000 0000 0000 0000  .......h........
0000070: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
......

前 4 个比特包含了字符 Q,F,I,然后是 0xfb,实例中的 5146 49fb 是 magic 字段。

接下来的 4 个比特包含了该镜像文件的版本号,实例中的 0000 0002 是 version 字段,代表使用的是 qcow2 版本。

backing_file_offset 占用 8 个字节,实例中 0000 0000 0000 0000,给出一个从某个文件开始偏移量。

backing_file_size 给出了一个不以 null 结尾的字符串的长度,实例中为 0000 0000。如果这个镜像文件是一个写时拷贝的,那么它是原始文件的路径。

cluster_bits,32 位(0000 0010),描述了如何映射一个镜像的地址到一个本地文件,它决定了在一个 cluster 中,偏移地址的低位是如何作为索引的。因为 L2 表占用了一个单独的 cluster 并且包含 8 字节的表项(entry),所以 cluster_bits 只有不足 3 个位,作为 L2 表的索引。

接下来的 size ,8 字节代表了该镜像文件所表示的块设备的大小,实例中为 0000 0002 8000 0000 字节,也就是 10G 的空间。

crypt_method 如果为 1 代表使用 AES 加密。

l1_size(0000 0014)和 l1_table_offset(0000 0000 0003 0000::)分别给出了 L1 表大小和偏移量。

refcount_table_offset 给出 refcount 表的偏移量(0000 0000 0001 0000)而 refcount_table_clusters 描述了以 cluster 为单位的 refcount 表的大小(0000 0001)。

nb_snapshots 给出了该镜像包含的快照数量(0000 0000), snapshots_offset 给出每个快照到 QCowSnapshotHeader 的偏移量(0000 0000 0000 0000)。

一个典型的 qcow2 镜像文件包含一下几部分:

  1. 上文中提到的头部信息
  2. L1 表
  3. refcount 表
  4. 一个或者多个 refcount 块
  5. 快照头
  6. L2 表
  7. 数据 cluster

2 级查找

在 qcow2 中,磁盘的内容是保存在 cluster 中(每个 cluster 包含一些大小为 512 字节的扇区)。为了找到给定地址所在的 cluster,我们需要查找两张表,L1->L2。L1 表保存一组到 L2 表的偏移量,L2 表保存一组到 cluster 的偏移量;

所以一个地址要根据 cluster_bits(64 位)的设置分成 3 部分,比如说 cluster_bits=12;

低 12 位是一个 4Kb cluster 的偏移(2 的 12 次方=4Kb);

接下来 9 位是包含 512 个表项目的 L2 表;

剩下 43 位的代表 L1 表偏移量。

为了获取一个给定地址(64 位)的偏移位置:

  1. 从 Head 域中的 l1_table_offset 取得 L1 表的地址
  2. 用前(64-l2_bits-cluster_bits)位地址去索引 L1 表
  3. 在 L1 表中的偏移量获得 L2 表的地址
  4. 用地址中的接下来的 l2_bits 去索引 L2 表,获得一个 64 位的表项
  5. 用 L2 表中的偏移量获得 cluster 的地址
  6. 用地址中剩下的 cluster_bits 位去索引该 cluster,获得该数据块

如果 L1 表和 L2 表中的偏移量都是空,这块区域就尚未被镜像文件分配。

注意 L1 表和 L2 表中的偏移量的前两位被保留,用做表示'copied' 或'compressed'。

Copy-on-Write 镜像文件

qcow2 镜像可以用来保存另一个镜像文件的变化,它并不去修改原始镜像文件,只记录与原始镜像文件的不同即可,这种镜像文件就叫做 copy-on-write 镜像。虽然是一个单独的文件,但它的大部分的数据都来自原始镜像,只有跟原始镜像文件相比有变化的 cluster 才会被记录下来。

这很容易去实现,在头部信息中记录原始文件路径即可。当需要从一个 copy-on-write 镜像文件中读取一个 cluster 的时候,首先检查这块区域是否已经在该镜像文件中被分配,如果没有就从原始文件读取。

快照

快照有些类似 Copy-On-Write 文件,但区别是快照是一个可写的。快照就是原始文件本身(内部快照)。它既包含做快照之前的原始文件部分,它本身也包含可写的部分。

每一个快照都包含如下的头部结构:

清单 3. qcow2 快照 Header

  typedef struct QCowSnapshotHeader {
      /* header is 8 byte aligned */
      uint64_t l1_table_offset;

      uint32_t l1_size;
      uint16_t id_str_size;
      uint16_t name_size;

      uint32_t date_sec;
      uint32_t date_nsec;

      uint64_t vm_clock_nsec;

      uint32_t vm_state_size;
      uint32_t extra_data_size; /* for extension */
      /* extra data follows */
      /* id_str follows */
      /* name follows  */
  } QcowSnapshotHeader;

qcow2 的其他特性

qcow2 支持压缩,它允许每个簇(cluster)单独使用 zlib 压缩。它也支持使用 128 位的 AES 密钥进行加密。

创建 qcow2 和 raw 文件以及两种镜像的对比

使用 QEMU 软件包自带的 qemu-img 软件创建 qcow2 文件。

清单 4. 创建 qcow2 和 raw 文件
$ qemu-img create -f qcow2 test.qcow2 10G
Formatting 'test.qcow2', fmt=qcow2 size=10737418240 encryption=off cluster_size=65536 lazy_refcounts=off

$ qemu-img create -f raw test.raw 10G
Formatting 'test.raw', fmt=raw size=10737418240

对比两种格式的文件的实际大小以及占用空间大小如下:

清单 5. qcow2 和 raw 文件占用空间情况对比
$ ll -sh test.*
200K -rw-r--r-- 1 qiaoliyong qiaoliyong 193K 5 月   6 10:29 test.qcow2
   0 -rw-r--r-- 1 qiaoliyong qiaoliyong  10G 5 月   6 10:28 test.raw

[qiaoliyong@localhost ]$ stat test.raw
  文件:"test.raw"
  大小:10737418240	块:0          IO 块:4096   普通文件

[qiaoliyong@localhost ]$ stat test.qcow2
  文件:"test.qcow2"
  大小:197120    	块:400        IO 块:4096   普通文件

从对比中可以看出 qcow 格式的镜像文件大小位 197120 字节,占用空间为 200K,占用了 200 块磁盘空间。而 raw 格式的文件则没有占用磁盘空间,它是一个空洞文件。

Raw 格式与 qcow2 转化

QEMU 软件包里面提供的 qemu-img 工具可用于 image 镜像一些常用操作。

将 raw 格式转化为 qcow2 格式的文件命令如下:

qemu-img convert -f raw -O qcow2 test.raw test.raw.qcow2
[qiaoliyong@localhost kimchi]$ ll -sh test.*
200K -rw-r--r-- 1 qiaoliyong qiaoliyong 193K 5 月   6 10:29 test.qcow2
   0 -rw-r--r-- 1 qiaoliyong qiaoliyong  10G 5 月   6 10:28 test.raw
200K -rw-r--r-- 1 qiaoliyong qiaoliyong 193K 5 月   6 10:44 test.raw.qcow2

两种格式文件的性能比较

表 1. 使用 ide 作为虚拟磁盘的驱动的三种镜像格式性能对比

cache = off writethrough writeback
Old qcow2 (0.10.5) 16:52 min 28:58 min 6:02 min
New qcow2 (0.11.0-rc1) 5:44 min 9:18 min 6:11 min
raw 5:41 min 7:24 min 6:03 min

表 2. 使用 virtio 作为虚拟磁盘的驱动的三种镜像格式性能对比

cache = off writeback
Old qcow2 (0.10.5) 31:09 min 8:00 min
New qcow2 (0.11.0-rc1) 18:35 min 8:41 min
raw 8:48 min 7:51 min

小结

本文着重介绍了 QEMU 虚拟机使用的镜像文件 qcow2 的格式以及特性,并与 raw 格式镜像做了对比。qcow2 格式的文件虽然在性能上比rRaw 格式的有一些损失(主要体现在对于文件增量上,qcow2 格式的文件为了分配 cluster 多花费了一些时间),但是 qcow2 格式的镜像比 Raw 格式文件更小,只有在虚拟机实际占用了磁盘空间时,其文件才会增长,能方便的减少迁移花费的流量,更适用于云计算系统,同时,它还具有加密,压缩,以及快照等 raw 格式不具有的功能。


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Zone=Linux, Cloud computing
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ArticleTitle=QEMU 使用的镜像文件:qcow2 与 raw
publish-date=09262014