本文介紹了 qcow2 和 raw，它們都是 QEMU(KVM)虛擬機使用的磁盤文件格式，本文將從其實現原理，支持特性，以及讀寫效率等進行對比和分析，最後還要介紹這兩種格式的磁盤文件如何轉化。
qcow2 鏡像格式是 QEMU 模擬器支持的一種磁盤鏡像。它也是可以用一個文件的形式來表示一塊固定大小的塊設備磁盤。與普通的 raw 格式的鏡像相比，有以下特性：
每一個 qcow2 文件都以一個大端（big-endian）格式的頭開始，結構如下:
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;
下面以一個 10G 的 qcow2 文件為例來分析各字段的含義。
# 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 個比特包含了字符 Q，F，I，然後是 0xfb，實例中的 5146 49fb 是 magic 字段。
接下來的 4 個比特包含了該鏡像文件的版本號，實例中的 0000 0002 是 version 字段，代表使用的是 qcow2 版本。
backing_file_offset 占用 8 個字節，實例中 0000 0000 0000 0000，給出一個從某個文件開始偏移量。
backing_file_size 給出了一個不以 null 結尾的字符串的長度，實例中為 0000 0000。如果這個鏡像文件是一個寫時拷貝的，那麼它是原始文件的路徑。
cluster_bits，32 位（0000 0010），描述了如何映射一個鏡像的地址到一個本地文件，它決定了在一個 cluster 中，偏移地址的低位是如何作為索引的。因為 L2 表占用了一個單獨的 cluster 並且包含 8 字節的表項（entry），所以 cluster_bits 只有不足 3 個位，作為 L2 表的索引。
接下來的 size ，8 字節代表了該鏡像文件所表示的塊設備的大小，實例中為 0000 0002 8000 0000 字節，也就是 10G 的空間。
crypt_method 如果為 1 代表使用 AES 加密。
l1_size（0000 0014）和 l1_table_offset（0000 0000 0003 0000::）分別給出了 L1 表大小和偏移量。
refcount_table_offset 給出 refcount 表的偏移量（0000 0000 0001 0000）而 refcount_table_clusters 描述了以 cluster 為單位的 refcount 表的大小（0000 0001）。
nb_snapshots 給出了該鏡像包含的快照數量（0000 0000）， snapshots_offset 給出每個快照到 QCowSnapshotHeader 的偏移量（0000 0000 0000 0000）。
一個典型的 qcow2 鏡像文件包含一下幾部分：
在 qcow2 中，磁盤的內容是保存在 cluster 中（每個 cluster 包含一些大小為 512 字節的扇區）。為了找到給定地址所在的 cluster，我們需要查找兩張表，L1->L2。L1 表保存一組到 L2 表的偏移量，L2 表保存一組到 cluster 的偏移量；
所以一個地址要根據 cluster_bits（64 位）的設置分成 3 部分，比如說 cluster_bits=12；
低 12 位是一個 4Kb cluster 的偏移（2 的 12 次方=4Kb）；
接下來 9 位是包含 512 個表項目的 L2 表；
剩下 43 位的代表 L1 表偏移量。
為了獲取一個給定地址（64 位）的偏移位置：
如果 L1 表和 L2 表中的偏移量都是空，這塊區域就尚未被鏡像文件分配。
注意 L1 表和 L2 表中的偏移量的前兩位被保留，用做表示'copied' 或'compressed'。
qcow2 鏡像可以用來保存另一個鏡像文件的變化，它並不去修改原始鏡像文件，只記錄與原始鏡像文件的不同即可，這種鏡像文件就叫做 copy-on-write 鏡像。雖然是一個單獨的文件，但它的大部分的數據都來自原始鏡像，只有跟原始鏡像文件相比有變化的 cluster 才會被記錄下來。
這很容易去實現，在頭部信息中記錄原始文件路徑即可。當需要從一個 copy-on-write 鏡像文件中讀取一個 cluster 的時候，首先檢查這塊區域是否已經在該鏡像文件中被分配，如果沒有就從原始文件讀取。
快照有些類似 Copy-On-Write 文件，但區別是快照是一個可寫的。快照就是原始文件本身（內部快照）。它既包含做快照之前的原始文件部分，它本身也包含可寫的部分。
每一個快照都包含如下的頭部結構：
清單 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 支持壓縮，它允許每個簇（cluster）單獨使用 zlib 壓縮。它也支持使用 128 位的 AES 密鑰進行加密。
使用 QEMU 軟件包自帶的 qemu-img 軟件創建 qcow2 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
對比兩種格式的文件的實際大小以及占用空間大小如下：
$ 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 塊：0 IO 塊：4096 普通文件 [qiaoliyong@localhost ]$ stat test.qcow2 文件："test.qcow2" 大小：197120 塊：400 IO 塊：4096 普通文件
從對比中可以看出 qcow 格式的鏡像文件大小位 197120 字節，占用空間為 200K，占用了 200 塊磁盤空間。而 raw 格式的文件則沒有占用磁盤空間，它是一個空洞文件。
QEMU 軟件包裡面提供的 qemu-img 工具可用於 image 鏡像一些常用操作。
將 raw 格式轉化為 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
兩種格式文件的性能比較
表 1. 使用 ide 作為虛擬磁盤的驅動的三種鏡像格式性能對比
表 2. 使用 virtio 作為虛擬磁盤的驅動的三種鏡像格式性能對比
本文著重介紹了 QEMU 虛擬機使用的鏡像文件 qcow2 的格式以及特性，並與 raw 格式鏡像做了對比。qcow2 格式的文件雖然在性能上比rRaw 格式的有一些損失（主要體現在對於文件增量上，qcow2 格式的文件為了分配 cluster 多花費了一些時間），但是 qcow2 格式的鏡像比 Raw 格式文件更小，只有在虛擬機實際占用了磁盤空間時，其文件才會增長，能方便的減少遷移花費的流量，更適用於雲計算系統，同時，它還具有加密，壓縮，以及快照等 raw 格式不具有的功能。
Ubuntu 12.04之找不到Qemu命令 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-11/73419.htm
Arch Linux上安裝QEMU+EFI BIOS http://www.linuxidc.com/Linux/2013-02/79560.htm
QEMU的翻譯框架及調試工具 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-09/71211.htm
QEMU 的詳細介紹：請點這裡
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