本文是一篇翻譯文章，邊看邊學(xué)習邊翻譯，目前有些地方翻譯的不是太好。之后會(huì )逐步做修正，并結合代碼以及圖表來(lái)深入剖析。原文鏈接：https://people.gnome.org/~markmc/qcow-image-format.html
Qcow2鏡像格式是qemu支持的磁盤(pán)鏡像格式之一。qcow2的表現形式為在一個(gè)文件中模擬一個(gè)固定大小的塊設備。對與qcow2格式，相對于raw格式來(lái)說(shuō)，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： - 更小的文件大小，即使是不支持holes的文件系統也可以（這樣的話(huà)，ls跟du看到的就一樣了)；
- Copy-on-write的支持；
- 快照的支持，可以維護多個(gè)快照；
- 基于zlib的壓縮；
- AES加密
qemu-img命令可以用來(lái)創(chuàng )建qcow2鏡像，或者將qcow2文件轉換成raw格式文件，等其它功能： $> qemu-img create -f qcow2 test.qcow2 4G Formating 'test.qcow2', fmt=qcow2, size=4194304 kB $> qemu-img convert test.qcow2 -O raw test.imgqcow2 Header 每一個(gè)qcow2文件都是以一個(gè)固定格式的數據頭開(kāi)始的，其以大端模式存放，格式如下： 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; - 頭4個(gè)字節包含了字符'Q', 'F', 'I'，并以0xfb結尾；
- 之后的4個(gè)字節包含了這個(gè)文件所用的格式版本，當前存在兩種版本的格式，版本1和版本2。在本文，我們討論的是版本2，即qcow2。版本1將在本文最后做簡(jiǎn)要介紹；
- backing_file_offset字段給出相對于qcow2文件起始位置的偏移，指出一個(gè)字符串的位置，該字符串為backing file文件的絕對路徑。由于該字符串不是以'\0'結束，所以backing_file_size指出字符串的長(cháng)度。如果當前鏡像是一個(gè)copy-on-write鏡像，則存在backing file文件，否則沒(méi)有；
- cluster_bits字段，決定了怎樣映射鏡像偏移地址到文件偏移地址，其決定了在一個(gè)簇中，將拿偏移地址的多少位(低位)來(lái)作為索引。L2表占據一個(gè)單獨的簇，包含若干8字節的項，cluster_bits最少用3bits作為L(cháng)2表的索引。L2表的詳細介紹，見(jiàn)下一節的2級索引；
- size字段指示鏡像以塊設備呈現時(shí)的大小，單位字節；
- crypt_method只有兩種值，0表示沒(méi)有加密，1表示采用了AES加密；
- l1_size字段指示了在L1表中，可用的8字節項的個(gè)數，l1_table_offset字段給出了L1 table的文件偏移；
- 相似的，refcount_table_offset字段給出了refcount table的文件偏移，refcount_table_clusters字段描述了refcount table大小(單位為clusters);
- nb_snapshots字段給出了當前鏡像中有多少個(gè)快照，snapshots_offset字段給出了QCowSnapshotHeader headers的文件偏移，每個(gè)快照都會(huì )有這樣一個(gè)header。
一個(gè)典型的鏡像文件，其布局如下： - 一個(gè)header， 如上描述；
- 在下一個(gè)簇開(kāi)始，存放L1 table；
- refcount table，仍然是簇對齊的；
- 一個(gè)或者多個(gè)的refcount blocks；
- Snapshot headers，第一個(gè)header要求簇對齊，之后的header要求8字節對齊；
- L2 tables，每一個(gè)table占據一個(gè)單獨的cluster；
- Data clusters。
2級索引 對于qcow2格式，塊設備的內容被保存在cluster中。每個(gè)cluster包含了若干個(gè)sector，每個(gè)sector有512個(gè)字節。 為了通過(guò)給定的鏡像地址找到指定的cluster，必須經(jīng)過(guò)1級表和2級表的轉換。例如，假設cluster_bits為12，則地址會(huì )被切分成如下三份： - 低12位用來(lái)定位一個(gè)4Kb的簇內偏移；
- 之后的9位為一個(gè)512項的數組的偏移，每一項為一個(gè)8字節的文件偏移，即L2 table。 這里的9位是這么算出來(lái)的， l2_bits = cluster_bits - 3，L2 table是一個(gè)單獨的包含若干8字節項的cluster；
- 剩下的43位為另外一個(gè)8字節的文件偏移的數組的偏移，即L1 table。
注意，L1 table的最小值，可以通過(guò)給定磁盤(pán)鏡像的大小來(lái)計算，公式如下： l1_size = round_up(disk_size / (cluster_size * l2_size), cluster_size) 總的來(lái)說(shuō)，為了將磁盤(pán)鏡像地址映射到鏡像文件偏移，需要經(jīng)歷以下幾步： - 通過(guò)qcow2 header中的l1_table_offset字段獲取L1 table的地址；
- 使用高（64 - l2_bits - cluser_bits)位的地址來(lái)索引L1 table，L1 table是一個(gè)數組，數組元素是一個(gè)64位的數；
- 通過(guò)L1 table中的表項來(lái)獲取L2 table的地址；
- 通過(guò)L2 table中的表項來(lái)獲取cluster的地址；
- 剩余的cluster_bits位來(lái)索引cluster內的位置。
如果找到的L1 table或L2 table的地址偏移為0，則表示磁盤(pán)鏡像對應的區域尚未分配。 還需要注意的是，L1或L2 table的地址的高2位被保留下來(lái)，拿來(lái)置"copied"和"compressed"標記。具體細節見(jiàn)下節"引用計數"。引用計數 每一個(gè)cluster都有一個(gè)引用計數，cluster可以被刪除，但前提條件是沒(méi)有任何快照再使用這個(gè)cluster。 針對每一個(gè)cluster的2個(gè)字節的引用計數，存放在cluster sized blocks。通過(guò)refcount_table_offset字段可以獲取到refcount table的位置，refcount_table_clusters字段給出refcount table的大?。▎挝粸閏luster），refcount table給出了這些refcount blocks在鏡像文件中的偏移地址。 為了獲取一個(gè)給定的cluster的引用計數，你需要將cluster offset劃分成refcount table offset和refcount block offset。一個(gè)refcount block是一個(gè)單獨的cluster，這個(gè)cluster里包含了若干個(gè)2字節的項，低（cluster_size -1)位作為block offset，剩余的位作為table offset。 qcow2有一個(gè)優(yōu)化處理，任何一個(gè)L1或L2表項指向的cluster的引用計數為1，則L1/L2表項的最高有效位被置上“copied”標記。這表明沒(méi)有快照在使用這個(gè)cluster，所以這個(gè)cluster可以馬上寫(xiě)入數據，而不需要復制一份給快照使用。Copy-on-Write特性 一個(gè)qcow2鏡像可以用來(lái)保存其它鏡像的變化部分，從而不實(shí)際影響到原有磁盤(pán)的內容。這就是增量鏡像，看著(zhù)就像一個(gè)獨立的鏡像，其所有數據都是從模板鏡像獲取的。僅當clusters中的內容跟模板鏡像不一樣的時(shí)候，這些cluster才會(huì )被保存到增量鏡像中。 寫(xiě)時(shí)復制的實(shí)現方式比較簡(jiǎn)單。增量鏡像會(huì )在qcow2 header中的backing_file_offset字段指示一個(gè)字符串在qcow2文件內的偏移，該字符串是模板鏡像文件的絕對路徑，backing_file_size字段指明字符串的長(cháng)度。 當要從增量鏡像中讀取一個(gè)cluster時(shí)，qemu會(huì )先檢查這個(gè)cluster在增量鏡像中有沒(méi)有被分配。如果沒(méi)有，則會(huì )去讀模板鏡像中的對應位置。快照 快照跟寫(xiě)時(shí)復制的概念比較類(lèi)似。 進(jìn)一步解釋——一個(gè)增量鏡像也可以被說(shuō)成是一個(gè)“快照”，因為它確實(shí)可以作為模板鏡像的一個(gè)快照。我們可以創(chuàng )建多個(gè)增量鏡像來(lái)實(shí)現創(chuàng )建多個(gè)“快照”，每一個(gè)增量鏡像都引用同一個(gè)模板鏡像。模板鏡像必須保持為只讀，增量鏡像則為可寫(xiě)的。 快照——"實(shí)際的快照"——存在于一個(gè)鏡像里面，這個(gè)鏡像既當模板，也當增量鏡像。每一個(gè)快照都是鏡像在過(guò)去某個(gè)瞬間的只讀記錄。鏡像仍然可寫(xiě)，寫(xiě)時(shí)復制出來(lái)的cluster會(huì )被不同的快照引用。 每個(gè)快照都對應一個(gè)描述信息結構體： 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; 各字段介紹如下： - 快照有名字和ID，都是字符串，id_str_size，name_size給出字符串長(cháng)度，字符串緊接在QCowSnapshotHeader后面；
- 快照至少有原來(lái)的L1 table的副本，其通過(guò)l1_table_offset和l1_size來(lái)定位；
- 在快照被創(chuàng )建的時(shí)候，qemu會(huì )調用gettimeofday()，快照時(shí)間被保存在date_sec和date_nsec字段中；
- vm_clock_nsec給出VM clock當前的狀態(tài)；
- vm_state_size表示作為快照的一部分被保存的虛擬機狀態(tài)的大小。這個(gè)狀態(tài)被保存在原來(lái)L1 table的位置，直接在鏡像header的后面；
- extra_data_size表示在QCowSnapshotHeader之后的擴展數據的長(cháng)度，不包括id和name字符串。這一段擴展數據是留給以后用的。
創(chuàng )建一個(gè)快照，就會(huì )添加一個(gè)QCowSnapshotHeader，然后復制一份L1 table，同時(shí)會(huì )增加所有L2 table和數據clusters的被L1 table引用的引用計數。打完快照之后，如果任何在這個(gè)鏡像中的L2 table或者data clusters被修改了——也就是，如果一個(gè)cluster的引用計數大于1，且"copied"標記被置上了——qemu則會(huì )先復制一份這個(gè)cluster，然后再寫(xiě)入數據。就這樣，所有的快照都不會(huì )被修改。壓縮 qcow2鏡像格式支持壓縮特性，其允許每一個(gè)cluster獨立的通過(guò)zlib進(jìn)行壓縮。 /*cluster offset表示一個(gè)簇在qcow2文件中的偏移，其最高的2位是標記位*/ 從L2 table中獲取cluster offset的流程如下： - 如果cluster offset的第二最高有效位是1，則這是一個(gè)被壓縮的cluster；
- cluster offset中之后的cluster_bits - 8 位是這個(gè)壓縮過(guò)的cluster的大小，單位是sectors；
- cluster offset剩余的位是壓縮的cluster在文件中的實(shí)際偏移地址。
加密 qcow2格式，也支持針對cluster的加密。 如果QCowHeader中的crypt_method字段被置為1，則會(huì )采用一個(gè)16個(gè)字符的密碼作為128位AES key。 每一個(gè)Cluster中的每一個(gè)sector都是通過(guò)AES密碼塊鏈接模式來(lái)單獨加密，采用sector的偏移地址（小端模式）來(lái)作為128位初始化向量的頭64位。qcow鏡像——上一代鏡像 qcow2格式相對于qcow格式的不同點(diǎn)有： - 支持快照的概念，qcow只支持增量鏡像；
- 在qcow2中，引入了cluster的引用計數的概念；引用計數也被用來(lái)支持快照；
- 在qcow2中，L2 table將一直占一個(gè)單獨的cluster； 之前，是通過(guò)QCowHeader中的l2_bits來(lái)確定的；
- 壓縮的cluster的大小，現在單位為sector，之前是字節。
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