Сетевая файловая система NFS

Сетевая файловая система NFS

Компания  Sun Microsystems представила NFS в 1985 году как средство обеспечения прозрачного доступа к удаленным файловым системам. Помимо публикации протокола Sun лицензировала его базовую реализацию, которая была использована различными поставщиками для портирования NFS на разные операционные системы. С тех пор NFS стала фактически промышленным стандартом, который поддерживается действительно всеми вариантами системы UNIX, а также некоторыми другими системами, например, VMS и MS-DOS.

Архитектура NFS базируется на модели клиент-сервер. Файл-сервер представляет собой машину, которая экспортирует некоторый  набор файлов. Клиентами являются машины, которые имеют доступ к  этим файлам. Одна машина может для  различных файловых систем выступать  как в качестве сервера, так и  в качестве клиента. Однако программный  код NFS разделен на две части, что  позволяет иметь только клиентские или только серверные системы.

Клиенты и серверы взаимодействуют с  помощью удаленных вызовов процедур (rpc - remote procedure call), которые работают как синхронные запросы. Когда приложение на клиенте пытается обратиться к удаленному файлу, ядро посылает запрос в сервер, а процесс клиента блокируется до получения ответа. Сервер ждет приходящие запросы, обрабатывает их и отсылает ответы назад клиентам.

Взгляд со стороны пользователя

Сервер NFS экспортирует одну или несколько  файловых систем. Каждая экспортируемая файловая система может быть либо целым разделом диска либо его поддеревом. (Различные варианты UNIX имеют свои собственные правила дробления экспортируемых систем. Некоторые из них могут, например, разрешать экспортировать только файловую систему целиком, другие - только одно одно поддерево в каждой файловой системе). Сервер может определить, обычно посредством строк в файле /etc/exports, какие клиенты могут иметь доступ к каждой экспортируемой файловой системе, а также разрешенный режим доступа к ней: "только чтение" или "чтение и запись".

Затем клиентские машины могут подмонтировать такую файловую систему или ее поддерево к любому каталогу в своей существующей иерархии файлов, точно так же, как они смогли бы смонтировать любую локальную файловую систему. Клиент может монтировать каталог с режимом "только чтение", даже если сервер экспортирует его в режиме "чтение и запись". NFS поддерживает два типа монтирования: жесткое и мякгое. От типа монтирования зависит поведение клиента в случае, если сервер не отвечает на запрос. Если файловая система смонтирована жестко, клиент продолжает повторные запросы до получения ответа. В случае мягкого монтирования клиент спустя некоторое время отказывается от повторных запросов и получает ошибку. Когда монтирование произведено, клиент может обращаться к файлам в удаленной файловой системе, используя те же самые операции, которые применяются к локальным файлам. Некоторые системы поддерживают также такой тип монтирования, поведение которого соответствует жесткому монтированию при организации повторных попыток смонтировать файловую систему, но оказывается мягким для последующих операций ввода/вывода.

Операции  монтирования NFS менее ограничены по сравнению с операциями монтирования локальных файловых систем. Протокол не требует, чтобы вызывающий операцию монтирования пользователь был привилегированным, хотя большинству пользователей  навязываются эти требования. (Например, ULTRIX компании Digital позволяет любому пользователю монтировать файловую систему NFS до тех пор, пока этот пользователь имеет права доступа по записи в каталог точки монтирования. Пользователь может монтировать ту же самую файловую систему к нескольким точкам дерева каталогов, даже к своему подкаталогу. Сервер может экспортировать только свои локальные файловые системы и не может пересекать свои собственные точки монтирования во время прохода по путевому имени. Таким образом, чтобы увидеть все файлы сервера, клиент должен смонтировать все его файловые системы.

На  рисунке 4.1 приведен пример. Серверная  система nfssrv имеет два диска. Она смонтировала диск 1 к каталогу /usr/local диска 0 и экспортировала каталоги /usr и /usr/local. Предположим, что клиент выполняет следующие четыре операции mount:

   mount -t nfs  nfssrv:/usr        /usr

 

 

 

   mount -t nfs  nfssrv:/usr/u1     /u1

 

 

 

   mount -t nfs  nfssrv:/usr        /users

 

 

 

   mount -t nfs  nfssrv:/usr/local  /usr/local

Рис.4.1. Монтирование файловых систем NFS

Все четыре операции монтирования будут  успешно выполнены. На клиенте поддерево /usr отражает полное поддерево /usr на nfssrv, поскольку клиент также смонтировал /usr/local. Поддерево /u1 на клиенте отображает поддерево /usr/u1 на nfssrv. Этот пример иллюстрирует, что вполне законно можно монтировать подкаталог экспортированной файловой стстемы (это позволяют не все реализации). Наконец, поддерево /users на клиенте отображает только ту часть поддерева /usr сервера, которая размещена на диске 0. Файловая система диска 1 под /users/local не видна.

Цели разработки

Первоначальная  разработка NFS имела следующие цели:

• NFS не должна ограничиваться операционной системой UNIX. Любая операционная система должна быть способной реализовать сервер и клиент NFS.
• Протокол не должен зависеть от каких либо определенных аппаратных средств.
• Должны быть реализованы простые механизмы восстановления в случае отказов сервера или клиента.
• Приложения должны иметь прозрачный доступ к удаленным файлам без использования специальных путевых имен или библиотек и без перекомпиляции.
• Для UNIX-клиентов должна поддерживаться семантика UNIX.
• Производительность NFS должна быть сравнима с производительностью локальных дисков.
• Реализация должна быть независимой от транспортных средств.

Компоненты NFS

Реализация NFS состоит из нескольких компонент. Некоторые из них локализованы либо на сервере, либо на клиенте, а некоторые  используются и тем и другим. Некоторые  компоненты не требуются для обеспечения  основных функциональных возможностеей, но составляют часть расширенного интерфейса NFS:

• Протокол NFS определяет набор запросов (операций), которые могут быть направлены клиентом к серверу, а также набор аргументов и возвращаемые значения для каждого из этих запросов. Версия 1 этого протокола существовала только в недрах Sun Microsystems и никогда не была выпущена. Все реализации NFS (в том числе NFSv3) поддерживают версию 2 NFS (NFSv2), которая впервые была выпущена в 1985 году в SunOS 2.0. Версия 3 протокола была опубликована в 1993 году и реализована некоторыми фирмами-поставщиками. В таблице 3.1 приведен полный набор запросов NFS.
• Протокол удаленного вызова процедур (RPC) определяет формат всех взаимодействий между клиентом и сервером. Каждый запрос NFS посылается как пакет RPC.
• Расширенное представление данных (XDR - Extended Data Representation) обеспечивает машинно-независимый метод кодирования данных для пересылки через сеть. Все запросы RPC используют кодирование XDR для передачи данных. Следует отметить, что XDR и RPC используются для реализации многих других сервисов, помимо NFS.
• Программный код сервера NFS отвечает за обработку всех запросов клиента и обеспечивает доступ к экспортируемым файловым системам.
• Программный код клиента NFS реализует все обращения клиентской системы к удаленным файлам путем посылки серверу одного или нескольких запросов RPC.
• Протокол монтирования определяет семантику монтирования и размонтирования файловых систем NFS.
• NFS использует несколько фоновых процессов-демонов. На сервере набор демонов nfsd ожидают запросы клиентов NFS и отвечают на них. Демон mountd обрабатывает запросы монтирования. На клиенте набор демонов biod обрабатывает асинхронный ввод/вывод блоков файлов NFS.
• Менеджер блокировок сети (NLM - Network Lock Manager) и монитор состояния сети (NSM - Network Status Monitor) вместе обеспечивают средства для блокировки файлов в сети. Эти средства, хотя формально не связаны с NFS, можно найти в большинстве реализаций NFS. Они обеспечивают сервисы не возможные в базовом протоколе. NLM и NSM реализуют функционирование сервера с помощью демонов lockd и statd соответственно.

Отсутствие сохранения состояния

Возможно наиболее важной характеристикой протокола NFS является то, что сервер, чтобы работать корректно, не запоминает состояний и не нуждается ни в какой информации о своих клиентах. Каждый запрос является полностью независимым от других запросов и содержит всю необходимую информацию для его обработки. Серверу не нужно поддерживать никаких записей о прошлых запросах клиентов, за исключением необязательных возможностей, которые могут использоваться с целью кэширования данных или для сбора статистики.

Например, в протоколе NFS отсутствуют запросы  по открыванию и закрыванию файлов, поскольку они создали бы информацию о состоянии, которая должна запоминаться сервером. По этой же причине, запросы  read и write передают в качестве параметра начальное смещение, в отличие от операций read и write с локальными файлами, которые получают смещение из объекта "открытый файл".

Протокол  без сохранения состояний упрощает восстановление после краха системы. Если отказывает клиентская система, никакого восстановления не требуется, поскольку  сервер не поддерживает никакой устойчивой информации о клиенте. Если клиент перезагрузился, он может перемонтировать файловые системы и запустить приложения, которые обращаются к удаленным  файлам. Серверу не нужно ни знать, ни беспокоиться об отказе клиента.

Если  отказывает сервер, то клиент увидит, что  на свои запросы он не получает ответы. Тогда он продолжает повторно посылать запросы до тех пор, пока сервер не перезагрузится. (Это справедливо только в случае жесткого монтирования (которое выполняется по умолчанию). При мягком монтировании клиент спустя некоторое время прекращает посылку запросов и возвращает приложению сообщение об ошибке). С этого момента времени сервер начнет получать запросы и может их обрабатывать, поскольку запросы не зависят ни от какой более ранней информации о состоянии. Когда наконец сервер ответит на запросы, клиент перестанет их повторно посылать. У клиента нет никаких средств определить, действительно ли сервер отказал и был перезагружен, или просто медленно выполняет операции.

Протоколы с сохранением состояния требуют  реализации сложных механизмов восстановления после отказа. Сервер должен обнаруживать отказы клиента и ликвидировать  все состояния, связанные с этим клиентом. Если отказывает и перезагружается  сервер, он должен уведомить клиентов так, чтобы они могли заново создать  свое состояние на сервере.

Главная проблема работы без сохранения состояния  заключается в том, что сервер должен зафиксировать все изменения  в стабильной памяти до посылки ответа на запрос. Это означает, что не только данные файла, но и все метаданные, такие как индексные дескрипторы  или косвенные блоки должны быть сброшены на диск до возвращения результатов. В противном случае сервер может  потерять данные, о которых клиент уверен, что они успешно записались на диск. (Отказ системы может  привести к потере данных даже в  локальной файловой системе, но в  таких случаях пользователи знают  об отказе и о возможности потерять данные). Работа без сохранения состояния  связана также с другими недостатками. Она требует отдельного протокола (NLM) для обеспечения блокировки файлов. Кроме того, чтобы решить проблемы производительности операций синхронной записи большинство клиентов кэшируют данные и метаданные локально. Но это  противоречит гарантиям протокола  о соблюдении согласованного состояния.