Snapshot & Restore — VM 快照與還原

KubeVirt 的快照功能讓您能夠在任何時間點捕捉 VM 的完整狀態，並在需要時快速還原。本文涵蓋快照的技術原理、操作方式，以及 VM Clone 的進階用法。

快照使用場景

快照（Snapshot）是 VM 管理中不可或缺的功能，以下是最常見的使用場景：

場景	說明	建議類型
系統升級前備份	升級 OS、應用程式或資料庫前，建立快照作為安全網	Online/Offline 皆可
測試環境快速復原	測試後快速還原到初始狀態，節省重建時間	Online Snapshot
開發環境 Checkpoint	記錄開發過程中的重要里程碑	Online Snapshot
故障恢復	系統遭到破壞（惡意軟體、誤操作）後快速恢復	Offline Snapshot
克隆到新環境	從 snapshot 建立新的 VM（用於水平擴展或環境複製）	任意類型
合規性備份	定期快照供稽核或法規遵循使用	Offline Snapshot

Online vs Offline Snapshot 差異

Online Snapshot（線上快照）

線上快照在 VM 持續運行時建立。由於 VM 的記憶體狀態和磁碟 I/O 是動態的，需要特殊處理以確保一致性。

Online Snapshot 流程

Offline Snapshot（離線快照）

離線快照在 VM 停止後建立，資料完全靜止，具有最高的一致性保證：

Offline Snapshot 流程

選擇建議

Online Snapshot 的一致性挑戰

即使有 guest agent 進行 fs-freeze，Online Snapshot 也存在以下限制：

記憶體狀態未捕捉：快照只包含磁碟，不包含 RAM 內容
應用層一致性：有些應用程式（如部分資料庫）可能在 freeze 期間仍有未提交的事務
Freeze 時間：fs-freeze 會短暫影響 VM I/O 效能

建議：對於重要的生產環境備份，優先使用 Offline Snapshot。對於頻繁的 checkpoint（例如每小時），可以使用帶有 guest agent 的 Online Snapshot。

Guest Agent Quiescing

什麼是 Quiescing（靜默）

Quiescing 是指在建立快照前，通知 guest OS 將所有待寫入的 I/O 操作完成並凍結文件系統，確保快照的資料一致性：

fs-freeze：通知 Linux kernel 將 journal 和 dirty cache flush 到磁碟，並暫停所有後續的寫入操作
快照建立：在此靜默狀態下建立磁碟快照
fs-thaw：解除凍結，允許正常 I/O 恢復

qemu-guest-agent 配置

要使用 quiescing 功能，VM 必須安裝並運行 qemu-guest-agent：

yaml

# VM spec 中的 guest agent 相關設定
apiVersion: kubevirt.io/v1
kind: VirtualMachine
metadata:
  name: my-vm-with-agent
spec:
  template:
    spec:
      domain:
        devices:
          # 必須有 virtio-serial channel 供 guest agent 通訊
          channels:
            - name: guest-agent-channel
              type: virtio
              target:
                type: virtio
                name: org.qemu.guest_agent.0
      volumes:
        # 確保 cloud-init 安裝了 qemu-guest-agent
        - name: cloudinit
          cloudInitNoCloud:
            userData: |
              #cloud-config
              packages:
                - qemu-guest-agent
              runcmd:
                - systemctl enable qemu-guest-agent
                - systemctl start qemu-guest-agent

有無 Guest Agent 的差異

情況	Quiescing	一致性	Indication
有 guest agent，freeze 成功	✅ 完整 quiescing	最高	`GuestAgent`
有 guest agent，freeze 超時	⚠️ 部分 quiescing	中等	`QuiesceTimeout`
無 guest agent	❌ 無 quiescing	最低（crash-consistent）	`NoGuestAgent`
VM 已暫停 (Paused)	N/A（VM 靜止）	高	`Paused`

QuiesceTimeout 設定

yaml

apiVersion: snapshot.kubevirt.io/v1beta1
kind: VirtualMachineSnapshot
metadata:
  name: my-vm-snap
  namespace: default
spec:
  source:
    apiGroup: kubevirt.io
    kind: VirtualMachine
    name: my-vm
  # quiescing 超時時間（秒），預設 300 秒
  # 超過此時間會繼續建立快照，但標記 QuiesceTimeout
  quiesceDeadlineSeconds: 60

應用程式層面的 Quiescing

對於資料庫（MySQL、PostgreSQL 等），僅憑 fs-freeze 可能不足以保證事務一致性。建議：

在建立快照前，先在應用層執行 FLUSH TABLES WITH READ LOCK（MySQL）或 pg_start_backup()（PostgreSQL）
建立快照
解除應用層的鎖定

KubeVirt 的快照功能主要保證 filesystem 層面的一致性。

快照依賴說明

CSI Driver 要求

KubeVirt 的快照功能建立在 Kubernetes CSI（Container Storage Interface）快照框架之上，需要：

CSI Driver 支援 VolumeSnapshot：儲存後端的 CSI driver 需要實作 CREATE_DELETE_SNAPSHOT 能力
安裝 snapshot controller：cluster 需要安裝 snapshot-controller（external-snapshotter）
VolumeSnapshotClass 設定：需要建立對應的 VolumeSnapshotClass

VolumeSnapshotClass 設定範例

yaml

# Ceph RBD 的 VolumeSnapshotClass
apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshotClass
metadata:
  name: ceph-rbd-snapclass
  annotations:
    # 設定為預設的 snapshot class
    snapshot.storage.kubernetes.io/is-default-class: "true"
driver: rbd.csi.ceph.com
deletionPolicy: Delete
parameters:
  clusterID: <ceph-cluster-id>
  csi.storage.k8s.io/snapshotter-secret-name: ceph-client-secret
  csi.storage.k8s.io/snapshotter-secret-namespace: ceph-system

---
# Longhorn 的 VolumeSnapshotClass
apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshotClass
metadata:
  name: longhorn-snapclass
driver: driver.longhorn.io
deletionPolicy: Delete
parameters:
  type: bak

---
# OpenEBS cStor 的 VolumeSnapshotClass
apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshotClass
metadata:
  name: cstor-snapclass
driver: cstor.csi.openebs.io
deletionPolicy: Delete

各儲存後端支援情況

儲存後端	CSI VolumeSnapshot 支援	說明
Ceph RBD (rook-ceph)	✅	推薦用於生產環境
Ceph CephFS (rook-ceph)	✅	支援
Longhorn	✅	推薦用於邊緣/小叢集
OpenEBS cStor	✅	支援
AWS EBS	✅	僅 Kubernetes on AWS
GCP Persistent Disk	✅	僅 GKE
Azure Disk	✅	僅 AKS
NFS (通用)	⚠️ 依 NFS CSI driver	部分支援，需確認
hostPath / local	❌	不支援

確認 VolumeSnapshotClass

KubeVirt 需要知道要使用哪個 VolumeSnapshotClass。若只有一個 VolumeSnapshotClass 且標記為 default，KubeVirt 會自動使用它。若有多個，需要在相關設定中指定。

bash

# 確認 VolumeSnapshotClass 已就緒
kubectl get volumesnapshotclass

VirtualMachineSnapshot → VolumeSnapshot 資源關係

VirtualMachineSnapshot 資源關係

資源說明

資源	說明
`VirtualMachineSnapshot`	使用者建立的頂層資源，表示對某個 VM 的快照請求
`VirtualMachineSnapshotContent`	KubeVirt 自動建立，儲存快照的實際內容（包括 VM spec 和所有 VolumeSnapshot 的參考）
`VolumeSnapshot`	Kubernetes 標準快照資源，每個 PVC 對應一個
`VolumeSnapshotContent`	CSI driver 管理的底層快照資料

建立快照完整流程

快照 YAML 範例

yaml

apiVersion: snapshot.kubevirt.io/v1beta1
kind: VirtualMachineSnapshot
metadata:
  name: my-vm-snap-20240115
  namespace: default
  labels:
    snapshot-type: pre-upgrade
    vm-name: my-vm
spec:
  source:
    apiGroup: kubevirt.io
    kind: VirtualMachine
    name: my-vm
  # 可選：quiescing 超時時間
  quiesceDeadlineSeconds: 120
  # 可選：指定快照失敗後的保留策略
  # deletionPolicy: Delete  # 刪除快照時是否刪除底層資料

查詢快照狀態與 Indications

查詢指令

bash

# 列出所有快照
kubectl get vmsnapshot -n default

# 查看特定快照詳情
kubectl describe vmsnapshot my-vm-snap-20240115 -n default

# 以 JSON 格式查看完整狀態
kubectl get vmsnapshot my-vm-snap-20240115 -n default -o json | jq '.status'

Status 欄位說明

yaml

status:
  # 快照是否已就緒可用
  readyToUse: true

  # 建立時間
  creationTime: "2024-01-15T10:30:00Z"

  # 快照特性說明
  indications:
    - Online         # 這是線上快照（VM 在運行中）
    - GuestAgent     # 使用了 guest agent 進行 quiescing

  # 對應的 VirtualMachineSnapshotContent
  virtualMachineSnapshotContentName: my-vm-snap-20240115-content

  # 快照包含的各磁碟資訊
  sourceUID: abc123-def456-...

  # 條件狀態
  conditions:
    - type: Ready
      status: "True"
      reason: "Operation complete"
      message: "snapshot has been completed successfully"
    - type: Progressing
      status: "False"

Indications 含義對照表

Indication	含義	資料一致性
`Online`	VM 在運行中建立的快照	取決於其他 indication
`GuestAgent`	使用 guest agent 成功 quiescing	高（filesystem 一致）
`NoGuestAgent`	無 guest agent，直接快照	低（crash-consistent）
`QuiesceTimeout`	Guest agent quiescing 超時	中（部分 flush）
`Paused`	VM 在暫停狀態下建立快照	高（VM 靜止）

Crash-consistent vs Application-consistent

Crash-consistent（崩潰一致性）：快照的資料就像突然斷電後的狀態，檔案系統可以通過 fsck 修復，但應用程式可能有未完成的事務
Application-consistent（應用一致性）：透過 guest agent quiescing 確保應用層也是一致的狀態，不需要 fsck

還原操作 (VirtualMachineRestore)

原地還原（同一個 VM）

還原前注意事項

還原操作需要 VM 處於停止狀態。如果 VM 正在運行，KubeVirt 會自動停止 VM，完成還原後再重新啟動。

請確保：

在還原前通知相關使用者停止對 VM 的連線
確認應用程式資料已有其他備份（快照本身就是備份，但要防止快照建立後到還原前的資料遺失）

yaml

apiVersion: restore.kubevirt.io/v1beta1
kind: VirtualMachineRestore
metadata:
  name: restore-my-vm-from-snap
  namespace: default
spec:
  # 還原目標（要還原到的 VM）
  target:
    apiGroup: kubevirt.io
    kind: VirtualMachine
    name: my-vm

  # 要從哪個快照還原
  virtualMachineSnapshotName: my-vm-snap-20240115

  # 可選：指定要還原的特定磁碟
  # 若不指定，還原所有磁碟
  # patches:
  #   - op: replace
  #     path: /spec/dataVolumeTemplates/0/...

還原操作流程

VirtualMachineRestore 還原操作流程

追蹤還原進度

bash

# 查看還原狀態
kubectl get vmrestore -n default

# 詳細狀態
kubectl describe vmrestore restore-my-vm-from-snap -n default

# 等待還原完成
kubectl wait vmrestore restore-my-vm-from-snap \
  --for=condition=Ready \
  --timeout=300s \
  -n default

還原完成後的 status 範例：

yaml

status:
  complete: true
  restoreTime: "2024-01-15T11:00:00Z"
  restores:
    - volumeName: os-disk
      pvcName: my-vm-os-disk-restored
    - volumeName: data-disk
      pvcName: my-vm-data-disk-restored
  conditions:
    - type: Ready
      status: "True"
      message: "the restore operation has completed successfully"

VM Clone (VirtualMachineClone)

使用場景

VirtualMachineClone 讓您從現有的 VM 或快照建立一個全新的 VM 副本，常用於：

水平擴展：從黃金映像快速建立多個相同的 VM
環境複製：將生產環境複製到測試環境
開發分支：為不同開發人員建立獨立的開發環境
範本化部署：從 golden VM 建立新的 VM 實例

Clone 流程

VirtualMachineClone 流程

完整 Clone YAML 範例

yaml

apiVersion: clone.kubevirt.io/v1alpha1
kind: VirtualMachineClone
metadata:
  name: clone-my-vm-to-dev
  namespace: default
spec:
  # 來源：可以是 VM 或 VirtualMachineSnapshot
  source:
    apiGroup: kubevirt.io
    kind: VirtualMachine
    name: production-vm

  # 目標：新 VM 的名稱
  target:
    apiGroup: kubevirt.io
    kind: VirtualMachine
    name: dev-vm-copy-1

  # 為新 VM 生成新的 MAC 地址（避免衝突）
  newMacAddresses:
    eth0: ""  # 空字串表示自動生成

  # 為新 VM 生成新的 SMBios serial（避免授權衝突）
  newSMBiosSerial: ""  # 空字串表示自動生成

  # 複製時要保留的 labels（支援 Glob pattern）
  labelFilters:
    - "!kubevirt.io/*"     # 排除所有 kubevirt.io 的 labels
    - "*"                  # 保留其他所有 labels

  # 複製時要保留的 annotations
  annotationFilters:
    - "!kubevirt.io/*"
    - "!kubectl.kubernetes.io/*"
    - "*"

  # 範本層面的 label 過濾（VMI template 的 labels）
  templateLabelFilters:
    - "app"
    - "version"

  # 範本層面的 annotation 過濾
  templateAnnotationFilters:
    - "!*"  # 不保留任何 annotation

Clone 操作指令

bash

# 建立 clone
kubectl apply -f vm-clone.yaml

# 查看 clone 進度
kubectl get vmclone clone-my-vm-to-dev -n default

# 詳細狀態
kubectl describe vmclone clone-my-vm-to-dev -n default

# 等待 clone 完成
kubectl wait vmclone clone-my-vm-to-dev \
  --for=condition=Ready \
  --timeout=600s \
  -n default

Clone 完成後的 status：

yaml

status:
  phase: Succeeded
  creationTime: "2024-01-15T12:00:00Z"
  completionTime: "2024-01-15T12:05:30Z"
  snapshotName: vmclone-tmp-snapshot-abc123  # 中間快照（完成後自動刪除）

Clone 與 MAC 地址衝突

當 clone 一個 VM 時，必須確保新 VM 的 MAC 地址與來源 VM 不同，否則會導致網路衝突。建議在 newMacAddresses 中為每個網路介面設定為空字串（自動生成），或提供明確的新 MAC 地址。

bash

# 查看來源 VM 的 MAC 地址
kubectl get vmi production-vm -o jsonpath='{.spec.domain.devices.interfaces[*].macAddress}'

完整操作範例

1. 建立快照

bash

# 方式一：使用 virtctl（推薦）
virtctl snapshot my-vm --snapshot-name my-vm-snap-20240115

# 方式二：使用 YAML
cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: snapshot.kubevirt.io/v1beta1
kind: VirtualMachineSnapshot
metadata:
  name: my-vm-snap-20240115
  namespace: default
spec:
  source:
    apiGroup: kubevirt.io
    kind: VirtualMachine
    name: my-vm
EOF

2. 等待快照就緒

bash

# 等待快照就緒（最多 5 分鐘）
kubectl wait vmsnapshot my-vm-snap-20240115 \
  --for=condition=Ready \
  --timeout=300s \
  -n default

# 確認快照狀態
kubectl get vmsnapshot my-vm-snap-20240115 -n default -o wide

3. 查看快照詳情

bash

# 查看快照摘要
kubectl get vmsnapshot -n default
# 輸出：
# NAME                      SOURCEKIND      SOURCENAME   PHASE       READYTOUSE   CREATIONTIME   ERROR
# my-vm-snap-20240115       VirtualMachine  my-vm        Succeeded   true         10m

# 查看包含的磁碟快照
kubectl get volumesnapshot -n default -l snapshot.kubevirt.io/vmsnapshot=my-vm-snap-20240115

# 查看快照內容（包含 VM spec 的完整記錄）
kubectl get vmsnapshotcontent -n default
kubectl describe vmsnapshotcontent my-vm-snap-20240115-content -n default

4. 從快照還原 VM

bash

# 停止 VM（若正在運行）
virtctl stop my-vm

# 建立還原請求
cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: restore.kubevirt.io/v1beta1
kind: VirtualMachineRestore
metadata:
  name: restore-from-20240115
  namespace: default
spec:
  target:
    apiGroup: kubevirt.io
    kind: VirtualMachine
    name: my-vm
  virtualMachineSnapshotName: my-vm-snap-20240115
EOF

# 監控還原進度
kubectl get vmrestore restore-from-20240115 -n default -w

# 還原完成後啟動 VM
virtctl start my-vm

5. Clone VM

bash

# 完整 clone 範例（包含自動生成 MAC）
cat <<EOF | kubectl apply -f -
apiVersion: clone.kubevirt.io/v1alpha1
kind: VirtualMachineClone
metadata:
  name: clone-to-staging
  namespace: default
spec:
  source:
    apiGroup: kubevirt.io
    kind: VirtualMachine
    name: production-vm
  target:
    apiGroup: kubevirt.io
    kind: VirtualMachine
    name: staging-vm
  newMacAddresses:
    eth0: ""
  newSMBiosSerial: ""
  labelFilters:
    - "!kubevirt.io/*"
    - "*"
EOF

# 監控 clone 進度
kubectl get vmclone clone-to-staging -n default -w

# Clone 完成後啟動新 VM
virtctl start staging-vm

6. 快照管理最佳實踐

bash

# 定期清理舊快照（保留最新 5 個）
kubectl get vmsnapshot -n default \
  --sort-by=.metadata.creationTimestamp \
  -o jsonpath='{.items[*].metadata.name}' \
  | tr ' ' '\n' \
  | head -n -5 \
  | xargs -I{} kubectl delete vmsnapshot {} -n default

# 查看快照佔用的儲存空間
kubectl get volumesnapshotcontent \
  -o custom-columns='NAME:.metadata.name,SIZE:.status.restoreSize'

快照自動化建議

在生產環境中，建議設定定期快照：

使用 CronJob 定期建立快照
設定 retention policy 自動清理過期快照
監控快照空間使用量 避免儲存空間耗盡
定期驗證快照可還原 確保備份有效性

相關工具：Velero（支援 KubeVirt VM 備份）、Kasten K10。

Snapshot & Restore — VM 快照與還原 ​

快照使用場景 ​

Online vs Offline Snapshot 差異 ​

Online Snapshot（線上快照） ​

Offline Snapshot（離線快照） ​

選擇建議 ​

Guest Agent Quiescing ​

什麼是 Quiescing（靜默） ​

qemu-guest-agent 配置 ​

有無 Guest Agent 的差異 ​

QuiesceTimeout 設定 ​

快照依賴說明 ​

CSI Driver 要求 ​

VolumeSnapshotClass 設定範例 ​

各儲存後端支援情況 ​

VirtualMachineSnapshot → VolumeSnapshot 資源關係 ​

資源說明 ​

建立快照完整流程 ​

快照 YAML 範例 ​

查詢快照狀態與 Indications ​

查詢指令 ​

Status 欄位說明 ​

Indications 含義對照表 ​

還原操作 (VirtualMachineRestore) ​

原地還原（同一個 VM） ​

還原操作流程 ​

追蹤還原進度 ​

VM Clone (VirtualMachineClone) ​

使用場景 ​

Clone 流程 ​

完整 Clone YAML 範例 ​

Clone 操作指令 ​

完整操作範例 ​

1. 建立快照 ​

2. 等待快照就緒 ​

3. 查看快照詳情 ​

4. 從快照還原 VM ​

5. Clone VM ​

6. 快照管理最佳實踐 ​

Snapshot & Restore — VM 快照與還原

快照使用場景

Online vs Offline Snapshot 差異

Online Snapshot（線上快照）

Offline Snapshot（離線快照）

選擇建議

Guest Agent Quiescing

什麼是 Quiescing（靜默）

qemu-guest-agent 配置

有無 Guest Agent 的差異

QuiesceTimeout 設定

快照依賴說明

CSI Driver 要求

VolumeSnapshotClass 設定範例

各儲存後端支援情況

VirtualMachineSnapshot → VolumeSnapshot 資源關係

資源說明

建立快照完整流程

快照 YAML 範例

查詢快照狀態與 Indications

查詢指令

Status 欄位說明

Indications 含義對照表

還原操作 (VirtualMachineRestore)

原地還原（同一個 VM）

還原操作流程

追蹤還原進度

VM Clone (VirtualMachineClone)

使用場景

Clone 流程

完整 Clone YAML 範例

Clone 操作指令

完整操作範例

1. 建立快照

2. 等待快照就緒

3. 查看快照詳情

4. 從快照還原 VM

5. Clone VM

6. 快照管理最佳實踐