QEMU 使用的镜像文件：qcow2 与 raw

   本文介绍了 qcow2 和 raw，它们都是 QEMU(KVM)虚拟机使用的磁盘文件格式，本文将从其实现原理，支持特性，以及读写效率等进行对比和分析，最后还要介绍这两种格式的磁盘文件如何转化。

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

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

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Raw 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。