二十一世纪以来,随着信息全球化的发展和电子商务、社交网络等新兴网络应用的普及,各领域都出现了数据爆炸的现象.KPCB的报告显示,目前全球网民总数已达24亿,Facebook每天处理25亿条内容,超过500TB数据,而twitter每天产生2亿条信息.在国内,2013年中国产生的数据总量超过0.8ZB,是2012年的两倍,相当于2009年全球的数据总量.数据的爆炸式增长使得分布式文件系统逐渐代替本地文件系统成为企业的基本数据存储方式.其中较为典型的系统包括GoogleFS、Lustre、Ceph等.同时,数字信息化也对存储系统的数据安全性提出了更高的要求.越来越多的企业将其业务数据、客户信息等进行数字化存储,数据信息成为了企业的重要资源和核心竞争力,数据的安全性变得越来越重要.常见的可靠性技术分有备份、日志和快照等.数据备份存在备份窗口问题,不仅仅影响用户体验,而且不能满足像银行系统这样不间断服务用户的要求.日志具有连续性,会占用较大的空间开销,此外,为了恢复数据,需要撤销日志,随着日志增大,撤销操作的时间开销也会增大.基于文件系统的快照主要通过写时复制或写时重定向实现.快照的空间占用量可随着数据的增长而逐渐增加,存储空间利用率高,并且支持目录级和文件级的快照粒度.目前支持快照功能的分布式文件系统主要有HDFS、GoogleFS、Ceph等.文件系统级的快照空间开销低、支持多种快照粒度、灵活性强,在大规模分布式存储系统中是一种较为理想的数据保护方案.其中分布式系统中快照的执行分为两部分：针对元数据的快照和针对数据的快照.随着数据规模的增大,元数据IO操作在整体IO中的比例会超过50％,元数据快照对于快照功能的可用性和性能都有很大的影响,本文针对分布式文件系统元数据快照的创建恢复开销进行了深入研究,并设计实现了分布式文件系统SKYFS中的元数据快照功能.本文的主要的贡献包括：1.提出了一种基于松散时钟同步的快照一致性算法.传统的互斥锁一致性算法会导致系统正常服务阻塞,而基于版本控制的一致性算法会导致系统带宽下降50％.本文的快照一致性算法可实现快照期间的系统的无阻塞服务,并降低对系统带宽的影响,该方法控制快照创建过程中的系统带宽下降率在35％以内,快照创建结束后的系统带宽下降率在30％以内.2.提出了一种基于数据顺序索引的低开销快照访问方法.增量快照中快照之间具有依赖关系,随着系统中快照数量的增多,快照访问开销越来越大.针对该问题,本文提出基于时间顺序索引的低开销快照访问方法,消除快照间的依赖关系,实现较早时刻快照的低开销访问.3.本文以SKYFS(SKYFS为中科院计算所高性能中心研制的大规模分布式文件系统)为基础实现了元数据的快照功能,验证了快照一致性算法和低开销快照访问方法的有效性和扩展性.实验结果显示,增量快照的访问开销随着快照数量的增多基本维持不变；同时,在扩展性方面,当系统规模增大5倍时快照创建开销增长率控制在20％以内,快照访问开销增长率控制在19％以内.