Протокол NFS

1.4 Сетевая файловая система

Файловая система CIFS доминирует на рынке сетевых файловых систем для платформы Windows. На платформе UNIX основной является сетевая файловая система (Network File System - NFS). Кроме того, NFS считается первой широко распространенной файловой системой, что произошло еще в середине 1980-х годов. Однако, несмотря на некоторые общие функциональные возможности CIFS и NFS (это сетевые файловые системы, позволяющие клиентам получать доступ к ресурсам серверов), эти системы имеют совершенно различные архитектурные особенности. С выходом NFS версии 4 некоторые различия были пересмотрены.
Протокол CIFS сохраняет сервисные данные, относящиеся к каждому клиенту. До версии 3 файловая система NFS не сохраняла статус клиента, что изменилось в версии 4.
Клиент NFS не "договаривается" с сервером NFS об установлении сеанса. Меры безопасности предпринимаются для всего сеанса или каждой операции обмена данными между клиентом и сервером. Реализация последнего варианта чрезмерно дорогостоящая, поэтому NFS возлагает задачу обеспечения безопасности на клиента. Сервер "предполагает", что идентификаторы поль¬зователя на клиентских и серверной системах совпадают (а клиент проверил личность пользователя перед тем, как дать ему зарегистрироваться под указанным идентификатором). Кроме того, NFS обеспечивает определенный уровень безопасности, контролируя список файловых систем, которые может монтировать клиент. Каждый раз, когда клиент CIFS открывает файл, получает дескриптор файла (т.е. сервисные данные, которые должен сохранять сервер) и использует его для проведения операций чтения или записи на стороне клиента, сервер NFS запрашивает сервер, который возвращает дескриптор файла. Этот дескриптор файла обрабатывается клиентами, поддерживающими стандарты NFS 3 и NFS 2. Клиент кэширует полученный дескриптор файла и ожидает, что дескриптор всегда будет указывать на один и тот же файл.
Для тех, кто знаком с UNIX, можно отметить, что дескриптор файла обычно состоит из номера inode (inode number), счетчика поколения inode (inode generation count) и идентификатора файла, который связан с разделом диска. Достаточно сказать, что inode представляет собой исключительно важную структуру данных, которая используется в файловых системах UNIX. Для удаления дескрипторов, кэшированных клиентами, хранится достаточный объем информации, необходимой, если соответствующий дескриптору файл изменился и дескриптор должен указывать на другой файл. Например, если файл удален и на его место скопирован файл с таким же именем, счетчик поколения inode будет изменен и кэшированный клиентом дескриптор файла окажется недействительным. Файловая система NFS 4 имеет отличия в реализации.
Некоторые клиенты NFS проводят кэширование на стороне клиента, храня данные на дисках, что напоминает кэширование в CIFS. Также некоторые клиенты NFS меняют значение тайм-аутов в зависимости от времени отклика сервера. Чем медленнее отзывается сервер, тем больше значение тайм-аута, и наоборот.
Файловая система NFS проектировалась, как независящая от транспорта и изначально использовала транспортный протокол UDP. Различные типы NFS могут использовать протокол TCP и другие протоколы.

1.4.1 Сетевая файловая система, версия 3

Файловая система NFS 3 позволяет увеличить быстродействие, особенно для больших файлов, разрешая клиенту и серверу динамически выбирать максимальный объем данных, которые передаются в одном логическом элементе пакета при записи или чтении. В файловой системе NFS 2 на размер пакета накладывалось ограничение в 8 Кбайт. Другими словами, клиент мог отправить максимум 8 Кбайт в запросе на запись, а сервер - максимум 8 Кбайт в ответе на запрос чтения. Кроме того, в NFS 3 переопределены смещения в файлах и размеры данных. Теперь это 64-разрядные значения, вместо 32-разрядных в NFS 2.
Далее представлены некоторые особенности NFS 3.
■ В дескрипторах файлов в NFS 3 указан переменный размер; их максимальных размер составляет 64 бит.
■ Файловая система NFS 3 позволяет клиентам и серверам выбирать максимальный размер имен файлов и каталогов.
■ В NFS 3 определяется список ошибок, которые сервер может возвращать клиентам. Сервер должен вернуть одну из определенных ошибок или не возвращать ошибку вообще.
■ В NFS 3 серверу разрешено кэшировать данные, которые клиент отправил вместе с запросом на запись. Сервер может кэшировать данные и отправлять клиенту ответ на запрос еще до того, как данные будут записаны на диск. Также добавлена команда COMMIT, которая позволяет клиенту убедиться, что все отправленные данные были записаны на диск. Это дает возможность соблюсти баланс между повышением производительности и сохранением целостности данных.
■ В NFS 3 сокращено количество операций запрос/ответ между клиентом и сервером. Для этого данные об атрибутах файла отправляются вместе с первоначальным запросом. В NFS 2 от клиента требовалось получение имен файлов и дескриптора для каждого файла, только после этого передавались атрибуты файла.

1.4.2 Сетевая файловая система, версия 4

В NFS 4 полностью пересмотрены основополагающие принципы и реализовано много функций, характерных для CIFS, что весьма расстроило некоторых апологетов NFS. Если посмотреть на историю сетевых файловых систем, то можно увидеть, что NFS получила широкое распространение. Файловая система SMB разрабатывалась с учетом сильных и слабых сторон NFS и теперь, по крайней мере в среде клиентов, CIFS/SMB распространены больше, a NFS развивается, учитывая все недостатки и преимущества CIFS/SMB. Ниже рассматриваются возможности, которые были добавлены в NFS 4 для повышения быстродействия и безопасности, а также для улучшения взаимодействия с CIFS.
■ В NFS 4 появился запрос COMPOUND, который позволяет запаковывать несколько запросов в один запрос и несколько ответов в один ответ. Это нововведение предназначено для повышения производительности за счет снижения нагрузки на сеть и сокращения задержек при передаче запросов и ответов по сети. Если это несколько напоминает функцию CIFS AndX SMB (см. раздел 3.3.5.1), то, возможно, дело не в обычном совпадении.
■ Сетевая файловая система версии 4 заимствовала некоторые возможности у WebNFS, созданной компанией Sun. В частности, в NFS 4 некоторые вторичные протоколы поддерживаются в базовой спецификации, что делает NFS более подходящей для применения вместе с брандмауэрами. В NFS 3 и более ранних версиях использовался специальный протокол для монтирования общего ресурса сервера в дерево локальной файловой системы. Поскольку служба протокола монтирования не имела назначенного порта TCP или UDP, клиент сначала отправлял запрос службе отображения портов (portmapper daemon), предоставляющей номер порта, посредством которого ожидает запросов служба монтирования. Таким образом, кроме NFS, в процессе принимали участие протоколы монтирования и отображения портов. Более того, так как служба монтирования могла использовать произвольный порт, настройка брандмауэра весьма усложнялась. В NFS 4 протоколы монтирования и отображения портов были исключены. Кроме того, блокирование было включено в базовую спецификацию протокола NFS, а протокол NLM (Network Lock Manager), который применялся в более ранних версиях NFS, окончательно устарел.
■ Файловая система NFS 4 требует использования транспортного протокола, который предоставляет возможность обнаружения "заторов" в сети. Это значит, что клиенты и серверы NFS постепенно будут переходить к протоколу TCP вместо UDP, который обычно используется вместе с NFS 3.
■ В NFS 2 и NFS 3 допускалось использование набора символов U.S. ASCII или ISO Latin 1. Это приводило к возникновению проблем, когда клиент, использующий один набор символов, создавал файл и к этому файлу получал доступ клиент с другим набором символов. В NFS 4 используется набор символов UTF-8, который поддерживает компактное сжатие 16- и 32-разрядных символов для их передачи по сети. Кроме того, набор символов UTF-8 содержит достаточный объем информации, чтобы избежать проблем при создании файла посредством одного набора символов и получении доступа к файлу с другим набором.
■ Файловая система NFS 4 требует от клиента отдельной обработки дескрипторов файлов. В NFS 3 клиент мог кэшировать дескриптор в качестве объекта, в то время как сервер заботился о том, чтобы дескриптор всегда указывал на файл. В NFS 4 определены два типа файловых дескрипторов. Один называется постоянные дескрипторы файлов и обладает возможностями дескрипторов файлов из NFS 3. Второй - временные дескрипторы файлов - предполагает истечение срока действия дескриптора после определенного промежутка времени или события. Это функция для серверов, файловые системы которых (например, NTFS) не могут обеспечить постоянного соответствия между отображаемыми файлами и дескрипторами.
■ В NFS 4 добавлена поддержка операций OPEN и CLOSE, семантика которых допускает взаимодействие с клиентами CIFS. Команда OPEN создает данные состояния на сервере.
■ Поддержка запроса OPEN в NFS 4 позволяет клиенту осуществлять запрос на открытие файла, структура которого будет аналогична запросам на открытие приложений Windows. Также поддерживается выбор совместного использования файла с другими клиентами или эксклюзивный доступ к файлу.

1.4.2.1 Безопасность NFS 4

Файловая система NFS 4 позволяет усилить безопасность хранимых данных. В частности, в NFS 4 добавлена поддержка большего количества атрибутов файла. К одному из этих атрибутов относится список управления доступом (ACL) в стиле Windows NT. Это позволяет улучшить взаимодей¬ствие между файловыми системами и укрепить структуру безопасности.
В то время как в NFS 2 и NFS 3 использование возможностей системы безопасности только рекомендовалось, в NFS 4 это стало обязательным. Файловая система NFS 4 требует реализации механизма безопасности с помощью интерфейса RPCSEC_GSS (Generic Security Services) в общем и протоколов Kerberos 5/LIPKEY в частности. Обратите внимание, что RPCSEC_GSS просто выполняет роль интерфейса API и транспортного механизма для меток и данных, связанных с безопасностью. Файловая система NFS 4 позволяет использовать несколько, схем аутентификации и обеспечения безопасности, а также дает возможность выбрать подходящую схему для клиентов и серверов.
Уделим некоторое внимание изучению технологии LIPKEY, использующей комбинацию симметричного и асимметричного шифрования. Клиент шифрует данные о пользователе и пароль, применяя случайно сгенерированный ключ размером 128 бит. Шифрование выполняется с помощью симметричного алгоритма, т.е. для дешифрации должен использоваться тот же ключ. Поскольку серверу необходим этот ключ для дешифрации сообщений, случайно сгенерированный ключ должен быть отправлен серверу. Клиент шифрует ключ (который генерируется случайно) с помощью открытого ключа сервера. Сервер дешифрует данные своим закрытым ключом, извлекает симметричный ключ и дешифрует данные о пользователе и пароль.
Клиенты могут аутентифицировать серверы по серверному сертификату, а для проверки сертификата используются службы сертификационного центра. Одним из популярных методов взлома является перехват "чужих" пакетов данных с их последующей отправкой через некоторый временной промежуток. При использовании Kerberos файловая система NFS добавляет в каждый пакет временную метку. Сервер записывает недавно полученные временные метки и сравнивает их с временными метками новых пакетов RPC. Если временные метки пакетов старше, чем полученные сервером ранее, сервер игнорирует полученные пакеты

1.5 Проблемы доступа при использовании нескольких протоколов

Несколько компаний стали предлагать системы, в которых одновременно реализована поддержка CIFS, NFS и других клиентов сетевых файловых систем. Поставщики проделали немалую работу, пытаясь преодолеть технические проблемы, которые возникают из-за потенциального использования клиентами различных операционных и файловых систем. Обратите внимание, что проблемы возникают не с самими данными, а с метаданными файлов. Простым тестом на наличие подобных проблем будет копирование фай¬ла с сервера на клиент и обратно на сервер (или наоборот). После размещения файла в первоначальном ресурсе метаданные должны содержать базовые значения, т.е. права доступа к файлу и временные метки не должны измениться. Если это не соответствует истине, то проблема обнаружена.
Далее представлены примеры некоторых возможных технических проблем.
■ В различных операционных системах используются разные методы для отслеживания разрешений доступа пользователей и групп.
■ В различных операционных и файловых системах существует разная семантика открытия и блокировки файлов.
■ Соглашения по именованию файлов обрабатываются разными способами. Различные файловые системы по-разному представляют максимальный размер имени файла, значение регистра в имени файла и набор символов, допустимый в именах.
■ Данные и их структура различаются в различных файловых системах; например, одни файловые системы отслеживают две временные метки, в то время как другие - три метки (время последнего доступа к файлу, последней модификации и создания файла). Даже если обе файловые системы отслеживают две временные метки, единицы измерения могут отличаться. Еще одним примером служат единицы измерения смещений в файлах. В некоторых файловых системах поддерживаются 32-разрядные смещения, а в некоторых - 16- или 64-разрядные.
■ Проблемы с адресацией отображаемых блокировок. Сервер CIFS принудительно поддерживает блокировку: если один клиент заблокировал область файла, то любая операция записи в эту область файла со стороны другого клиента приведет к возникновению ошибки. Однако принудительная блокировка не поддерживается серверами NFS. Поэтому необходимо выбрать, будет ли блокировка поддерживаться принудительно, что приведет к отправке сообщения об ошибке клиенту NFS.

Когда речь идет о компьютерных сетях, зачастую можно услышать упоминание NFS. Что такое означает эта аббревиатура?

Это протокол распределенной файловой системы, первоначально разработанный компанией Sun Microsystems в 1984 году, позволяющий пользователю на клиентском компьютере получать доступ к файлам через сеть, подобно доступу к локальному хранилищу. NFS, как и многие другие протоколы, основывается на системе Open Network Computing Remote Procedure Call (ONC RPC).

Другими словами, что такое NFS? Это открытый стандарт, определенный в Request for Comments (RFC), позволяющий любому реализовать протокол.

Версии и вариации

Изобретатель использовал только первую версию для собственных экспериментальных целей. Когда команда разработчиков добавила существенные изменения в первоначальную NFS и выпустила ее за пределами авторства Sun, они обозначили новую версию как v2, чтобы можно было протестировать взаимодействие между дистрибутивами и создать резервный вариант.

NFS v2

Версия 2 первоначально работала только по протоколу User Datagram Protocol (UDP). Ее разработчики хотели сохранить серверную сторону без блокировки, реализованной за пределами основного протокола.

Интерфейс виртуальной файловой системы позволяет выполнять модульную реализацию, отраженную в простом протоколе. К февралю 1986 года были продемонстрированы решения для таких операционных систем, как System V release 2, DOS и VAX/VMS с использованием Eunice. NFS v2 позволял считывать только первые 2 ГБ файла из-за 32-разрядных ограничений.

NFS v3

Первое предложение по разработке NFS версии 3 в Sun Microsystems было озвучено вскоре после выпуска второго дистрибутива. Главной мотивацией была попытка смягчить проблему производительности синхронной записи. К июлю 1992 года практические доработки позволили решить многие недостатки NFS версии 2, оставив при этом лишь недостаточную поддержку файлов (64-разрядные размеры и смещения файлов).

поддержку 64-битных размеров и смещений файлов для обработки данных размером более 2 гигабайт (ГБ);
поддержку асинхронной записи на сервере для повышения производительности;
дополнительные атрибуты файлов во многих ответах, позволяющие избежать необходимости их повторного извлечения;
операцию READDIRPLUS для получения данных и атрибутов вместе с именами файлов при сканировании каталога;
многие другие улучшения.

Во время введения версии 3 поддержка TCP как протокола транспортного уровня начала увеличиваться. Использование TCP в качестве средства передачи данных, выполненного с использованием NFS через WAN, стало позволять передавать большие размеры файлов для просмотра и записи. Благодаря этому разработчики смогли преодолеть пределы ограничений в 8 КБ, налагаемые протоколом пользовательских дейтаграмм (UDP).

Что такое NFS v4?

Версия 4, разработанная под влиянием Эндрской файловой системы (AFS) и блока сообщений сервера (SMB, также называемая CIFS), включает в себя повышение производительности, обеспечивает лучшую безопасность и вводит протокол с соблюдением установленных условий.

Версия 4 стала первым дистрибутивом, разработанным в Целевой группе Internet Engineering Task Force (IETF) после того, как Sun Microsystems передала разработку протоколов сторонним специалистам.

NFS версия 4.1 направлена на предоставление поддержки протокола для использования кластерных развертываний серверов, включая возможность предоставления масштабируемого параллельного доступа к файлам, распределенным между несколькими серверами (расширение pNFS).

Новейший протокол файловой системы - NFS 4.2 (RFC 7862) - был официально выпущен в ноябре 2016 года.

Другие расширения

С развитием стандарта появились и соответствующие инструменты для работы с ним. Так, WebNFS, расширение для версий 2 и 3, позволяет протоколу сетевого доступа к файловым системам легче интегрироваться в веб-браузеры и активировать работу через брандмауэры.

Различные протоколы сторонних групп стали также ассоциироваться с NFS. Из них наиболее известными выступают:

Network Lock Manager (NLM) с поддержкой протокола байтов (добавлен для поддержки API-блокировки файлов UNIX System V);
удаленной квоты (RQUOTAD), который позволяет пользователям NFS просматривать квоты на хранение данных на серверах NFS;
NFS через RDMA - адаптация NFS, которая использует дистанционный прямой доступ к памяти (RDMA) в качестве средства передачи;
NFS-Ganesha - сервер NFS, работающий в пользовательском пространстве и поддерживающий CephFS FSAL (уровень абстракции файловой системы) с использованием libcephfs.

Платформы

Network File System часто используется с операционными системами Unix (такими как Solaris, AIX, HP-UX), MacOS от Apple и Unix-подобными ОС (такими как Linux и FreeBSD).

Он также доступен для таких платформ, как Acorn RISC OS, OpenVMS, MS-DOS, Microsoft Windows, Novell NetWare и IBM AS/400.

Альтернативные протоколы удаленного доступа к файлам включают в себя блок сообщений сервера (SMB, также называемый CIFS), протокол передачи Apple (AFP), базовый протокол NetWare (NCP) и файловую систему сервера OS/400 (QFileSvr.400).

Это связано с требованиями NFS, которые ориентированы по большей части на Unix-подобные «оболочки».

При этом протоколы SMB и NetWare (NCP) применяются чаще, чем NFS, в системах под управлением Microsoft Windows. AFP наиболее широко распространен в платформах Apple Macintosh, а QFileSvr.400 наиболее часто встречается в OS/400.

Типичная реализация

Предполагая типичный сценарий в стиле Unix, в котором одному компьютеру (клиенту) нужен доступ к данным, хранящимся на другом (сервер NFS):

Сервер реализует процессы Network File System, запущенные по умолчанию как nfsd, чтобы сделать свои данные общедоступными для клиентов. Администратор сервера определяет, как экспортировать имена и параметры каталогов, обычно используя файл конфигурации/etc/exports и команду exportfs.
Администрирование безопасности сервера гарантирует, что он сможет распознавать и утверждать проверенного клиента. Конфигурация его сети гарантирует, что соответствующие клиенты могут вести переговоры с ним через любую систему брандмауэра.
Клиентская машина запрашивает доступ к экспортированным данным, как правило, путем выдачи соответствующей команды. Она запрашивает сервер (rpcbind), который использует порт NFS, и впоследствии подключается к нему.
Если все происходит без ошибок, пользователи на клиентской машине смогут просматривать и взаимодействовать с установленными файловыми системами на сервере в пределах разрешенных параметров.

Следует обратить внимание и на то, что автоматизация процесса Network File System также может иметь место - возможно, с использованием etc/fstab и/или иных подобных средств.

Развитие на сегодняшний день

К 21-му столетию протоколы-конкуренты DFS и AFS не достигли какого-либо крупного коммерческого успеха по сравнению с Network File System. Компания IBM, которая ранее приобрела все коммерческие права на вышеуказанные технологии, безвозмездно передала большую часть исходного кода AFS сообществу свободных разработчиков программного обеспечения в 2000 году. Проект Open AFS существует и в наши дни. В начале 2005 года IBM объявила о завершении продаж AFS и DFS.

В свою очередь, в январе 2010 года компания Panasas предложила NFS v 4.1 на основе технологии, позволяющей улучшить возможности параллельного доступа к данным. Протокол Network File System v 4.1 определяет метод разделения метаданных файловой системы из местоположения определенных файлов. Таким образом, он выходит за рамки простого разделения имен/данных.

Что такое NFS этой версии на практике? Вышеуказанная особенность отличает его от традиционного протокола, который содержит имена файлов и их данных под одной привязкой к серверу. При реализации Network File System v 4.1 некоторые файлы могут распределяться между многоузловыми серверами, однако участие клиента в разделении метаданных и данных ограничено.

При реализации четвертого дистрибутива протокола NFS-сервер представляет собой набор серверных ресурсов или компонентов; предполагается, что они контролируются сервером метаданных.

Клиент по-прежнему обращается к одному серверу метаданных для обхода или взаимодействия с пространством имен. Когда он перемещает файлы на сервер и с него, он может напрямую взаимодействовать с набором данных, принадлежащих группе NFS.

Сетевые службы

Лекция 10

Совокупность серверной и клиентской частей ОС, предоставляющих доступ к конкретному типу ресурса компьютера через сеть, называется сетевой службой . Клиентская часть обращается с сетевыми запросами к серверной части другого компьютера. Серверная часть удовлетворяет запросы к локальным ресурсам сервера. Клиентская часть – активная, серверная – пассивная.

При сетевом взаимодействии значительное место занимает доступ через сеть к файловой системе. В этом случае клиентская и серверная части, совместно с сетевой файловой системой образуют файловую службу

Ключевым компонентом распределенной ОС является сетевая файловая система. Сетевая файловая система поддерживается одним или несколькими компьютерами, хранящими файлы (файловые сервера)

Клиентские компьютеры подсоединяются или монтируют эти файловые системы к своим локальным файловым системам

Файловая служба включает программы-серверы и программы-клиенты, взаимодействующие по сети с помощью протокола.

Файловые службы включает собственно файловую службу (файловые операции) и службу каталогов (управление каталогами)

Модель сетевой файловой службы включает следующие элементы:

Локальная файловая система (FAT, NTFS)

Интерфейс локальной файловой системы (системные вызовы)

Сервер сетевой файловой системы

Клиент сетевой файловой системы (Windows Explorer, UNIX shell и пр.)

Интерфейс сетевой файловой системы(повторяет системные вызовы локальной файловой системы)

Протокол клиент-сервер сетевой файловой системы (SMB-Server Message Block для Windows, NFS (Network File System) и FTP (File Transfer Protocol) для UNIX)

Интерфейс сетевой файловой системы

Существуют несколько типов интерфейсов, которые характеризуются:

Структура файлов . Большинство сетевых ФС поддерживают неструктурированные файлы

Модифицируемость файлов . В большинстве сетевых ФС имеется возможность модифицировать файл. Некоторые распределенные ФС запрещают операции модификации. Возможны лишь create и read. Для таких файлов легче организовать кэширование и тиражирование.

Семантика разделения файлов:

Семантика UNIX (централизованная). Если чтение следует за несколькими операциями записи, то читается последнее обновление. Этот принцип возможен и в распределенной файловой системе, при условии одного файлового сервера и отсутствия кэширование файлов у клиента.

Сеансовая семантика. Изменения начинаются после открытия файла, а завершаются после закрытия. Другими словами, для других процессов изменения видны лишь после закрытия файла. В данном случае имеется проблема при совместном доступе к файлу. Семантика неизменяемых файлов. Файл можно только создать и читать. Можно также заново создать файл под другим именем. Следовательно файл нельзя модифицировать, но можно заменить новым файлом. Проблема совместного доступа при этом отсутствует.

Механизм транзакций. Это способ работы с разделяемыми файлами с помощью механизма транзакций (неделимых операций)

Контроль доступа . Например для Windows NT/2000 существует два механизма: на уровне каталогов (для FAT) и на уровне файлов (NTFS)

Единица доступа. Модель загрузки-выгрузки файла целиком (FTP). Вторая модель - использование операций над файлами.

Протокол сетевой файловой службы (Network File Server, NFS) - это открытый стандарт на предоставление пользователю удаленного доступа к файловым системам. Созданные на его основе централизованные файловые системы облегчают ежедневное выполнение таких задач, как резервное копирование или проверка на вирусы, а объединенные дисковые разделы проще обслуживать, чем множество небольших и распределенных.

Кроме того, что система NFS предоставляет возможность централизованного хранения, oна оказалась весьма полезной и для других приложений, включая работу с бездисковыми и тонкими клиентами, разбиение сети на кластеры, а также для совместно работающего межплатформенного ПО.

Лучшее понимание как самого протокола, так и деталей его реализации позволит легче справиться с практическими задачами. Данная статья посвящена NFS и состоит из двух логических частей: вначале описывается сам протокол и цели, поставленные при его разработке, а затем реализации NFS в Solaris и UNIX.

С ЧЕГО ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ...

Протокол NFS разработан компанией Sun Microsystems и в 1989 г. появился в Internet в виде документа RFC 1094 под следующим названием: «Спецификация протокола сетевой файловой системы» (Network File System Protocol Specification, NFS). Интересно отметить, что и стратегия компании Novell в то время была направлена на дальнейшее усовершенствование файловых служб. До недавнего времени, пока движение за открытые коды еще не набрало силу, Sun не стремилась раскрывать секреты своих сетевых решений, однако даже тогда в компании понимали всю важность обеспечения взаимодействия с другими системами.

В документе RFC 1094 содержались две первоначальные спецификации. К моменту его публикации Sun разрабатывала уже следующую, третью версию спецификации, которая изложена в RFC 1813 «Спецификация протокола NFS, версия 3» (NFS Version 3 Protocol Specification). Версия 4 данного протокола определена в RFC 3010 «Спецификация протокола NFS, версия 4» (NFS Version 4 Protocol).

NFS широко используется на всех типах узлов UNIX, в сетях Microsoft и Novell, а также в таких решениях компании IBM, как AS400 и OS/390. Будучи неизвестной за пределами сетевого «королевства», NFS, пожалуй, самая распространенная платформенно-независимая сетевая файловая система.

ПРАРОДИТЕЛЕМ БЫЛ UNIX

Хотя NFS - платформенно-независимая система, ее прародителем является UNIX. Другими словами, иерархичность архитектуры и методы доступа к файлам, включая структуру файловой системы, способы идентификации пользователей и групп и приемы работы с файлами - все это очень напоминает файловую систему UNIX. Например, файловая система NFS, будучи по структуре идентичной файловой системе UNIX, монтируется непосредственно в ней. При работе с NFS на других операционных системах идентификационные параметры пользователей и права доступа к файлам подвергаются преобразованию (mapping).

NFS

Система NFS предназначена для применения в клиент-серверной архитектуре. Клиент получает доступ к файловой системе, экспортируемой сервером NFS, посредством точки монтирования на клиенте. Такой доступ обычно прозрачен для клиентского приложения.

В отличие от многих клиент-серверных систем, NFS для обмена информацией использует вызовы удаленных процедур (Remote Procedure Calls, RPC). Обычно клиент устанавливает соединение с заранее известным портом и затем, в соответствии с особенностями протокола, посылает запрос на выполнение определенного действия. В случае вызова удаленных процедур клиент создает вызов процедуры и затем отправляет его на исполнение серверу. Подробное описание NFS будет представлено ниже.

В качестве примера предположим, что некий клиент смонтировал каталог usr2 в локальной корневой файловой системе:

/root/usr2/ -> remote:/root/usr/

Если клиентскому приложению необходимы ресурсы этого каталога, оно просто посылает запрос операционной системе на него и на имя файла, а та предоставляет доступ через клиента NFS. Для примера рассмотрим простую команду UNIX cd, которая «ничего не знает» о сетевых протоколах. Команда

Cd /root/usr2/

разместит рабочий каталог на удаленной файловой системе, «даже не догадываясь» (пользователю тоже нет в этом необходимости), что файловая система является удаленной.

Получив запрос, сервер NFS проверит наличие у данного пользователя права на выполнение запрашиваемого действия и в случае положительного ответа осуществит его.

ПОЗНАКОМИМСЯ ПОБЛИЖЕ

С точки зрения клиента, процесс локального монтирования удаленной файловой системы средствами NFS состоит из нескольких шагов. Как уже упоминалось, клиент NFS подаст вызов удаленной процедуры для выполнения ее на сервере. Заметим, что в UNIX клиент представляет собой одну программу (команда mount), в то время как сервер на самом деле реализован в виде нескольких программ со следующим минимальным набором: служба преобразования портов (port mapper), демон монтирования (mount daemon) и сервер NFS.

Вначале клиентская команда mount взаимодействует со службой преобразования портов сервера, ожидающей запросы через порт 111. Большинство реализаций клиентской команды mount поддерживает несколько версий NFS, что повышает вероятность нахождения общей для клиента и сервера версии протокола. Поиск ведется, начиная с самой старшей версии, поэтому, когда общая будет найдена, она автоматически станет и самой новой версией из поддерживаемых клиентом и сервером.

(Излагаемый материал ориентирован на третью версию NFS, поскольку она наиболее распространена на данный момент. Четвертая версия большинством реализаций пока не поддерживается.)

Служба преобразования портов сервера откликается на запросы в соответствии с поддерживаемым протоколом и портом, на котором работает демон монтирования. Клиентская программа mount вначале устанавливает соединение с демоном монтирования сервера, а затем передает ему с помощью RPC команду mount. Если данная процедура выполнена успешно, то клиентское приложение соединяется с сервером NFS (порт 2049) и, используя одну из 20 удаленных процедур, которые определены в RFC 1813 и приводятся нами в Таблице 1, получает доступ к удаленной файловой системе.

Смысл большинства команд интуитивно понятен и не вызывает каких-либо затруднений у системных администраторов. Приведенный ниже листинг, полученный с помощью tcdump, иллюстрирует команду чтения, создаваемую командой UNIX cat для прочтения файла с именем test-file:

10:30:16.012010 eth0 > 192.168.1.254. 3476097947 > 192.168.1.252.2049: 144 lookup fh 32,0/ 224145 "test-file" 10:30:16.012010 eth0 > 192.168.1.254. 3476097947 > 192.168.1.252.2049: 144 lookup fh 32,0/ 224145 "test-file" 10:30:16.012729 eth0 192.168.1.254.3476097947: reply ok 128 lookup fh 32,0/224307 (DF) 10:30:16.012729 eth0 192.168.1.254.3476097947: reply ok 128 lookup fh 32,0/224307 (DF) 10:30:16.013124 eth0 > 192.168.1.254. 3492875163 > 192.168.1.252.2049: 140 read fh 32,0/ 224307 4096 bytes @ 0 10:30:16.013124 eth0 > 192.168.1.254. 3492875163 > 192.168.1.252.2049: 140 read fh 32,0/ 224307 4096 bytes @ 0 10:30:16.013650 eth0 192.168.1.254.3492875163: reply ok 108 read (DF) 10:30:16.013650 eth0 192.168.1.254.3492875163: reply ok 108 read (DF)

NFS традиционно реализуется на основе UDP. Однако некоторые версии NFS поддерживают TCP (в спецификации протокола определена поддержка TCP). Главное преимущество TCP - более эффективный механизм повторной передачи в ненадежно работающих сетях. (В случае UDP, если произошла ошибка, то полное сообщение RPC, состоящее из нескольких пакетов UDP, пересылается заново. При наличии TCP заново пересылается лишь испорченный фрагмент.)

ДОСТУП В NFS

В реализациях NFS обычно поддерживаются четыре способа предоставления прав доступа: посредством атрибутов пользователя/файла, на уровне разделяемых ресурсов, на уровне главного узла, а также в виде комбинации других методов доступа.

Первый способ основывается на встроенной в UNIX системе прав доступа к файлам для индивидуального пользователя или группы. Для упрощения обслуживания идентификация пользователей и групп должна быть единообразной для всех клиентов и серверов NFS. Защиту следует тщательно продумать: в NFS можно по неосторожности предоставить такой доступ к файлам, который не планировался при их создании.

Доступ на уровне разделяемых ресурсов позволяет ограничивать права, разрешив только определенные действия, независимо от принадлежности файла или привилегий UNIX. Например, работу с файловой системой NFS можно ограничить только чтением. Большинство реализаций NFS позволяет дополнительно ограничить доступ на уровне разделяемых ресурсов конкретными пользователями и/или группами. Например, группе «Отдел кадров» разрешается просмотр информации и не более того.

Доступ на уровне главного узла позволяет монтировать файловую систему только на конкретных узлах, что, вообще говоря, хорошая идея, поскольку файловые системы могут легко создаваться на любых узлах, поддерживающих NFS.

Комбинированный доступ просто объединяет вышеописанные виды (например, доступ на уровне разделяемых ресурсов с доступом, предоставляемым конкретному пользователю) или разрешает пользователям работу с NFS только с определенного узла.

NFS В СТИЛЕ «ПИНГВИН»

Относящийся к Linux излагаемый материал основывается на системе Red Hat 6.2 с ядром версии 2.4.9, которая поставляется с пакетом nfs-utils версии 0.1.6. Существуют и более новые версии: на момент написания этой статьи самое последнее обновление пакета nfs-utils имело номер 0.3.1. Его можно загрузить по адресу: .

Пакет nfs-utils содержит следующие исполняемые файлы: exportfs, lockd, mountd, nfsd, nfsstat, nhfsstone, rquotad, showmount и statd.

К сожалению, иногда поддержка NFS вызывает путаницу у администраторов Linux, поскольку наличие той или иной функциональной возможности напрямую зависит от номеров версий как ядра, так и пакета nfs-utils. К счастью, в настоящее время положение дел в этой области улучшается: последние дистрибутивные комплекты включают самые новые версии и того, и другого. Для предыдущих выпусков в разделе 2.4 документа NFS-HOWTO приводится полный список функциональных возможностей системы, имеющихся в наличии для каждой комбинации ядра и пакета nfs-utils. Разработчики поддерживают обратную совместимость пакета с более ранними версиями, уделяя много внимания обеспечению безопасности и устранению программных ошибок.

Поддержку NFS следует инициировать во время компиляции ядра. Если необходимо, в ядро нужно добавить и возможность работы с NFS версии 3.

Для дистрибутивов, поддерживающих linuxconf, легко сконфигурировать службы NFS как для клиентов, так и для серверов. Однако быстрый способ установки NFS с помощью linuxconf не дает информации о том, какие файлы были созданы или отредактированы, что очень важно знать администратору для понимания ситуации в случае сбоя системы. Архитектура NFS в Linux имеет слабую связь с версией BSD, поэтому необходимые файлы и программы поддержки легко найти администраторам, работающим с BSD, Sun OS 2.5 или более ранними версиями NFS.

Файл /etc/exports, как и в более ранних версиях BSD, определяет файловые системы, к которым разрешен доступ клиентам NFS. Кроме того, он содержит ряд дополнительных возможностей, относящихся к вопросам управления и безопасности, предоставляя администратору средство для тонкой настройки. Это текстовый файл, состоящий из записей, пустых или закомментированных строк (комментарии начинаются с символа #).

Предположим, что мы хотим предоставить клиентам доступ только для чтения к каталогу /home на узле Lefty. Этому в /etc/exports будет соответствовать следующая запись:

/home (ro)

Здесь нам необходимо сообщить системе, какие каталоги мы собираемся сделать доступными с помощью демона монтирования rpc.mountd:

# exportfs -r exportfs: В /home (ro) не указано имя узла, введите *(ro) чтобы избежать предупреждения #

При запуске команда exportfs выводит предупреждение о том, что /etc/ exports не ограничивает доступ к отдельному узлу, и создает соответствующую запись в /var/lib/nfs/etab из /etc/exports, сообщающую, какие ресурсы можно просмотреть с помощью cat:

# cat /var/lib/nfs/etab /home (ro,async,wdelay,hide,secure,root_ squash, no_all_squash,subtree_check, secure_locks, mapping=identity,anonuid= -2,anongid=-2)

Другие параметры, перечисленные в виде списка в etab, включают значения по умолчанию, используемые NFS. Детали будут описаны ниже. Чтобы предоставить доступ к каталогу /home, необходимо запустить соответствующие службы NFS:

# portmap # rpc.mountd # rpc.nfsd # rpc.statd # rpc.rquotad

В любой момент после запуска демона монтирования (rpc.mountd) cправиться об отдельных файлах, доступных для вывода, можно, просмотрев содержимое файла /proc/fs/nfs/exports:

# cat /proc/fs/nfs/exports # Version 1.0 # Path Client(Flags) # IPs /home 192.168.1.252(ro,root_squash,async, wdelay) # 192.168.1.252 #

То же самое можно просмотреть и с помощью команды showmount с параметром -e:

# showmount -e Export list for lefty: /home (everyone) #

Забегая несколько вперед, скажу, что команду showmount можно также использовать для определения всех смонтированных файловых систем, или, другими словами, чтобы выяснить, какие узлы являются клиентами NFS для системы, на которой запущена команда showmount. Команда showmount -a выведет все клиентские точки монтирования:

# showmount -a All mount points on lefty: 192.168.1.252:/home #

Как указывалось выше, большинство реализаций NFS поддерживает различные версии этого протокола. Реализация в Linux позволяет ограничивать список запускаемых версий NFS путем указания ключа -N для демона монтирования. Например, для запуска NFS третьей версии, и только ее, введите следующую команду:

# rpc.mountd -N 1 -N 2

Привередливым пользователям может показаться неудобным, что в Linux демон NFS (rpc.nfsd) находится в режиме ожидания пакетов версий 1 и 2, хотя это и достигает желаемого эффекта отказа от поддержки соответствующего протокола. Будем надеяться, что разработчики следующих версий внесут необходимые исправления и сумеют добиться большей согласованности компонентов пакета в отношении различных версий протокола.

«ЗАПЛЫВ С ПИНГВИНАМИ»

Доступ к сконфигурированной выше Lefty, экспортируемой файловой системе NFS на базе Linux, зависит от клиентской операционной системы. Стиль установок для большинства операционных систем семейства UNIX совпадает со стилем либо исходных систем Sun OS и BSD, либо более новой Solaris. Так как данная статья посвящена обеим системам, Linux и Solaris, давайте рассмотрим клиентскую конфигурацию Solaris 2.6 с точки зрения установления соединения с Linux-версией NFS, описанной нами выше.

Благодаря свойствам, унаследованным Solaris 2.6, ее легко сконфигурировать для работы в качестве клиента NFS. Для этого требуется лишь одна команда:

# mount -F nfs 192.168.1.254:/home /tmp/tmp2

Предположим, что предыдущая команда mount выполнена успешно, тогда команда mount без параметров выведет следующее:

# mount / on /dev/dsk/c0t0d0s0 read/write/setuid/ largefiles on Mon Sep 3 10:17:56 2001 ... ... /tmp/tmp2 on 192.168.1.254:/home read/ write/remote on Mon Sep 3 23:19:25 2001

Давайте проанализируем вывод tcpdump, полученный на узле Lefty, после того, как пользователь ввел команду ls /tmp/tmp2 на узле Sunny:

# tcpdump host lefty and host sunny -s512 06:07:43.490583 sunny.2191983953 > lefty.mcwrite.n.nfs: 128 getattr fh Unknown/1 (DF) 06:07:43.490678 lefty.mcwrite.n.nfs > sunny.2191983953: reply ok 112 getattr DIR 40755 ids 0/0 sz 0x000001000 (DF) 06:07:43.491397 sunny.2191983954 > lefty.mcwrite.n.nfs: 132 access fh Unknown/10001 (DF) 06:07:43.491463 lefty.mcwrite.n.nfs > sunny.2191983954: reply ok 120 access c0001 (DF) 06:07:43.492296 sunny.2191983955 > lefty.mcwrite.n.nfs: 152 readdirplus fh 0,1/16777984 1048 bytes @ 0x000000000 (DF) 06:07:43.492417 lefty.mcwrite.n.nfs > sunny.2191983955: reply ok 1000 readdirplus (DF)

Мы видим, что узел Sunny запрашивает для ls описатель файла (fh), на что узел Lefty в ответ посылает OK и возвращает структуру каталога. Затем Sunny проверяет разрешение на право доступа к содержимому каталога (132 access fh) и получает ответ с разрешением от Lefty. После этого узел Sunny, используя процедуру readdirplus, считывает полное содержимое каталога. Вызовы удаленных процедур описаны в документе RFC 1813 и приведены нами в начале данной статьи.

Хотя последовательность команд для доступа к удаленным файловым системам очень проста, ряд обстоятельств может привести к некорректному монтированию системы. Перед монтированием каталога точка монтирования должна уже существовать, в противном случае ее необходимо создать с помощью команды mkdir. Обычно единственной причиной ошибок на клиентской стороне является отсутствие локального каталога для монтирования. Большинство же проблем, связанных с NFS, обязано своим происхождением несоответствию между клиентом и сервером или некорректной конфигурации сервера.

Проще всего устранить проблемы на сервере с узла, на котором работает сервер. Однако, когда администрированием сервера занимается вместо вас кто-то другой, это не всегда возможно. Быстрый способ убедиться, что соответствующие службы сервера правильно сконфигурированы, - использовать команду rpcinfo с параметром -p. С узла Solaris Sunny можно определить, какие процессы RPC зарегистрированы на узле Linux:

# rpcinfo -p 192.168.1.254 program vers proto port service 100000 2 tcp 111 rpcbind 100000 2 udp 111 rpcbind 100024 1 udp 692 status 100024 1 tcp 694 status 100005 3 udp 1024 mountd /100005 3 tcp 1024 mountd 100003 2 udp 2049 nfs 100003 3 udp 2049 nfs 100021 1 udp 1026 nlockmgr 100021 3 udp 1026 nlockmgr 100021 4 udp 1026 nlockmgr #

Заметим, что здесь же приводится информация о версиях, что достаточно полезно, когда для работы системы требуется поддержка различных протоколов NFS. Если какая-либо служба не запущена на сервере, то такая ситуация должна быть исправлена. В случае неудачного монтирования приводимая ниже команда rpcinfo -p позволит выяснить, что служба mountd на сервере не работает:

# rpcinfo -p 192.168.1.254 program vers proto port service 100000 2 tcp 111 rpcbind ... ... 100021 4 udp 1026 nlockmgr #

Команда rpcinfo очень полезна для выяснения, активен ли тот или иной удаленный процесс. Параметр -p - самый важный из ключей. Для ознакомления со всеми возможностями rpcinfo обратитесь к справочной странице man.

Другое полезное средство - команда nfsstat. С ее помощью можно узнать, обращаются ли в действительности клиенты к экспортируемой файловой системе, а также вывести статистическую информацию в соответствии с версией протокола.

Наконец, еще одним достаточно полезным инструментом определения причин сбоев системы является tcpdump:

# tcpdump host lefty and host sunny -s512 tcpdump: listening on eth0 06:29:51.773646 sunny.2191984020 > lefty.mcwrite.n.nfs: 140 lookup fh Unknown/1"test.c" (DF) 06:29:51.773819 lefty.mcwrite.n.nfs > sunny.2191984020: reply ok 116 lookup ERROR: No such file or directory (DF) 06:29:51.774593 sunny.2191984021 > lefty.mcwrite.n.nfs: 128 getattr fh Unknown/1 (DF) 06:29:51.774670 lefty.mcwrite.n.nfs > sunny.2191984021: reply ok 112 getattr DIR 40755 ids 0/0 sz 0x000001000 (DF) 06:29:51.775289 sunny.2191984022 > lefty.mcwrite.n.nfs: 140 lookup fh Unknown/1"test.c" (DF) 06:29:51.775357 lefty.mcwrite.n.nfs > sunny.2191984022: reply ok 116 lookup ERROR: No such file or directory (DF) 06:29:51.776029 sunny.2191984023 > lefty.mcwrite.n.nfs: 184 create fh Unknown/1 "test.c" (DF) 06:29:51.776169 lefty.mcwrite.n.nfs > sunny.2191984023: reply ok 120 create ERROR: Permission denied (DF)

Вышеприведенный листинг, полученный после выполнения инструкции touch test.c, отражает следующую последовательность действий: сначала команда touch пытается получить доступ к файлу по имени test.c, затем она ищет каталог с этим же именем, а после неудачных попыток пытается создать файл test.c, что также не приводит к успеху.

Если файловая система смонтирована, то большинство типичных ошибок связано с обычными правами доступа UNIX. Использование uid или NIS+ в Sun помогает избежать глобального установления прав доступа на все файловые системы. Некоторые администраторы практикуют «открытые» каталоги, когда права доступа на их чтение даются «всему миру». Однако этого следует избегать по причинам безопасности. Даже отбросив в сторону проблемы защиты, все равно придется признать такой подход порочной практикой, поскольку пользователи редко создают данные с намерением сделать их доступными для чтения всем подряд.

Обращения привилегированного пользователя (root) к смонтированным файловым системам NFS трактуются по-особому. Чтобы избежать предоставления привилегированному пользователю неограниченного доступа, запросы от него трактуются так, как будто бы они поступают от пользователя nobody («никто»). Этот действенный механизм ограничивает доступ привилегированного пользователя глобально доступными для чтения и разрешенными для записи файлами.

СЕРВЕР NFS, ВЕРСИЯ SOLARIS

Конфигурирование Solaris для работы в качестве сервера NFS так же просто, как и в случае с Linux. Однако команды и местоположение файлов несколько отличаются. При начальной загрузке Solaris по достижении уровня загрузки 3 (run level 3) автоматически запускаются службы NFS и экспортируются все файловые системы. Для запуска этих процессов вручную введите команду:

#/usr/lib/nfs/mountd

Для запуска демона монтирования и сервера NFS введите:

#/usr/lib/nfs/nfsd

Начиная с версии 2.6 в Solaris для указания экспортируемых файловых систем больше не используется файл экспорта. Теперь файлы экспортируются с помощью команды share. Предположим, мы хотим позволить удаленным узлам смонтировать /export/home. Введем для этого следующую команду:

Share -F nfs /export/home

Мероприятия по обеспечению безопасности

БЕЗОПАСНОСТЬ В LINUX

Некоторые системные службы NFS на основе Linux имеют дополнительный механизм ограничения доступа посредством управляющих списков или таблиц. На внутреннем уровне этот механизм реализован с помощью библиотеки tcp_wrapper, которая для формирования списков контроля доступа использует два файла: /etc/hosts.allow и /etc/hosts/deny. Исчерпывающий обзор правил работы с tcp_wrapper выходит за рамки данной статьи, основной же принцип состоит в следующем: сопоставление вначале производится с etc/hosts.allow, а затем с /etc/hosts. deny. Если правило не найдено, то запрашиваемая системная служба не представляется. Чтобы обойти последнее требование и обеспечить очень высокий уровень безопасности, в конец /etc/hosts.deny можно добавить следующую запись:

ALL: All

После этого можно использовать /etc/ hosts.allow, чтобы установить тот или иной режим работы. Например, файл /etc/hosts. allow, который я использовал при написании данной статьи, содержал следующие строки:

Lockd:192.168.1.0/255.255.255.0 mountd:192.168.1.0/255.255.255.0 portmap:192.168.1.0/255.255.255.0 rquotad:192.168.1.0/255.255.255.0 statd:192.168.1.0/255.255.255.0

При этом разрешается определенный вид доступа к узлам до того, как будет предоставлен доступ на уровне приложений. В Linux доступом на уровне приложений управляет файл /etc/exports. Он состоит из записей в следующем формате:

Экспортируемый каталог {пробел} узел|сеть(опции)

«Экспортируемый каталог» - это каталог, обработка запроса к которому разрешена демону nfsd. «Узел|сеть» - это узел или сеть, имеющие доступ к экспортируемой файловой системе, а «опции» определяют те ограничения, какие демон nfsd налагает на использование данного разделяемого ресурса, - доступ только для чтения или преобразование идентификатора пользователя (user id mapping).

В следующем примере всему домену mcwrite.net предоставлен доступ в режиме только для чтения к /home/mcwrite.net:

/home/mcwrite.net *.mcwrite.net(ro)

Другие примеры можно найти на справочной странице exports man.

БЕЗОПАСНОСТЬ NFS В SOLARIS

В Solaris возможности по предоставлению доступа к NFS аналогичны Linux, однако в этом случае ограничения задаются с помощью определенных параметров в команде share с ключом -o. Следующий пример показывает, как разрешить монтирование в режиме только для чтения /export/mcwrite.net на любом узле домена mcwrite.net:

#share -F nfs -o ro=.mcwrite.net/ export/ mcwrite.net

Справочная страница man для share_nfs подробно описывает предоставление доступа с помощью управляющих списков в Solaris.

Ресурсы Internet

В NFS и RPC не обошлось без «дыр». Вообще говоря, NFS не следует использовать при работе в Internet. Нельзя делать «дыры» в брандмауэрах, предоставляя какой бы то ни было доступ посредством NFS. Необходимо тщательно следить за всеми появляющимися заплатами для RPC и NFS, в чем могут помочь многочисленные источники информации по вопросам безопасности. Два наиболее популярных источника - Bugtraq и CERT:

Первый можно регулярно просматривать в поисках необходимой информации или воспользоваться подпиской на периодическую рассылку новостей. Второй предоставляет, может быть, не столь оперативную, по сравнению с другими, информацию, зато в достаточно полном объеме и без оттенка сенсационности, свойственной некоторым сайтам, посвященным информационной безопасности.

NFS: удобная и перспективная сетевая файловая система

Сетевая файловая система – это сетевая абстракция поверх обычной файловой системы, позволяющая удаленному клиенту обращаться к ней через сеть так же, как и при доступе к локальным файловым системам. Хотя NFS не является первой сетевой системой, она сегодня развилась до уровня наиболее функциональной и востребованной сетевой файловой системы в UNIX®. NFS позволяет организовать совместный доступ к общей файловой системе для множества пользователей и обеспечить централизацию данных для минимизации дискового пространства, необходимого для их хранения.

Эта статья начинается с краткого обзора истории NFS, а затем переходит к исследованию архитектуры NFS и путей её дальнейшего развития.

Краткая история NFS

Первая сетевая файловая система называлась FAL (File Access Listener - обработчик доступа к файлам) и была разработана в 1976 году компанией DEC (Digital Equipment Corporation). Она являлась реализацией протокола DAP (Data Access Protocol – протокол доступа к данным) и входила в пакет протоколов DECnet. Как и в случае с TCP/IP, компания DEC опубликовала спецификации своих сетевых протоколов, включая протокол DAP.

NFS была первой современной сетевой файловой системой, построенной поверх протокола IP. Её прообразом можно считать экспериментальную файловую систему, разработанную в Sun Microsystems в начале 80-х годов. Учитывая популярность этого решения, протокол NFS был представлен в качестве спецификации RFC и впоследствии развился в NFSv2. NFS быстро утвердилась в качестве стандарта благодаря способности взаимодействовать с другими клиентами и серверами.

Впоследствии стандарт был обновлен до версии NFSv3, определенной в RFC 1813. Эта версия протокола была более масштабируема, чем предыдущие, и поддерживала файлы большего размера (более 2 ГБ), асинхронную запись и TCP в качестве транспортного протокола. NFSv3 задала направление развития файловых систем для глобальных (WAN) сетей. В 2000 году в рамках спецификации RFC 3010 (переработанной в версии RFC 3530) NFS была перенесена в корпоративную среду. Sun представила более защищенную NFSv4 c поддержкой сохранения состояния (stateful) (предыдущие версии NFS не поддерживали сохранение состояния, т.е. относились к категории stateless). На текущий момент последней версией NFS является версия 4.1, определенная в RFC 5661, в которой в протокол посредством расширения pNFS была добавлена поддержка параллельного доступа для распределенных серверов.

История развития NFS, включая конкретные RFC, описывающие её версии, показана на рисунке 1.

Как ни удивительно, NFS находится в стадии разработки уже почти 30 лет. Она является исключительно стабильной и переносимой сетевой файловой системой с выдающимися характеристиками масштабируемости, производительности и качества обслуживания. В условиях увеличения скорости и снижения задержек при обмене данными внутри сети NFS продолжает оставаться популярным способом реализации файловой системы внутри сети. Даже в случае локальных сетей виртуализация побуждает хранить данные в сети, чтобы обеспечить виртуальным машинам дополнительную мобильность. NFS также поддерживает новейшие модели организации вычислительных сред, нацеленные на оптимизацию виртуальных инфраструктур.

Архитектура NFS

NFS использует стандартную архитектурную модель "клиент-сервер" (как показано на рисунке 2). Сервер отвечает за реализацию файловой системы совместного доступа и хранилища, к которому подключаются клиенты. Клиент реализует пользовательский интерфейс к общей файловой системе, смонтированной внутри локального файлового пространства клиента.

Рисунок 2. Реализация модели "клиент-сервер" в архитектуре NFS

В ОС Linux® виртуальный коммутатор файловой системы (virtual file system switch - VFS) предоставляет средства для одновременной поддержки на одном хосте нескольких файловых систем (например, файловой системы ISO 9660 на CD-ROM и файловой системы ext3fs на локальном жестком диске). Виртуальный коммутатор определяет, к какому накопителю выполняется запрос, и, следовательно, какая файловая система должна использоваться для обработки запроса. Поэтому NFS обладает такой же совместимостью, как и другие файловые системы, применяющиеся в Linux. Единственное отличие NFS состоит в том, что запросы ввода/вывода вместо локальной обработки на хосте могут быть направлены для выполнения в сеть.

VFS определяет, что полученный запрос относится к NFS, и передает его в обработчик NFS, находящийся в ядре. Обработчик NFS обрабатывает запрос ввода/вывода и транслирует его в NFS-процедуру (OPEN , ACCESS , CREATE , READ , CLOSE , REMOVE и т.д.). Эти процедуры, описанные в отдельной спецификации RFC, определяют поведение протокола NFS. Необходимая процедура выбирается в зависимости от запроса и выполняется с помощью технологии RPC (вызов удаленной процедуры). Как можно понять по названию, RPC позволяет осуществлять вызовы процедур между различными системами. RPC-служба соединяет NFS-запрос с его аргументами и отправляет результат на соответствующий удаленный хост, а затем следит за получением и обработкой ответа, чтобы вернуть его инициатору запроса.

Также RPC включает в себя важный уровень XDR (external data representation – независимое представление данных), гарантирующий, что все пользователи NFS для одинаковых типов данных используют один и тот же формат. Когда некая платформа отправляет запрос, используемый ею тип данных может отличаться от типа данных, используемого на хосте, обрабатывающего этот запрос. Технология XDR берет на себя работу по преобразованию типов в стандартное представление (XDR), так что платформы, использующие разные архитектуры, могут взаимодействовать и совместно использовать файловые системы. В XDR определен битовый формат для таких типов, как float , и порядок байтов для таких типов, как массивы постоянной и переменной длины. Хотя XDR в основном известна благодаря применению в NFS, это спецификация может быть полезна во всех случаях, когда приходится работать в одной среде с различными архитектурами.

После того как XDR переведет данные в стандартное представление, запрос передается по сети с помощью определенного транспортного протокола. В ранних реализациях NFS использовался протокол UDP, но сегодня для обеспечения большей надежности применяется протокол TCP.

На стороне NFS-сервера применяется схожий алгоритм. Запрос поднимается по сетевому стеку через уровень RPC/XDR (для преобразования типов данных в соответствии с архитектурой сервера) и попадает в NFS-сервер, который отвечает за обработку запроса. Там запрос передается NFS-демону для определения целевой файловой системы, которой он адресован, а затем снова поступает в VFS для обращения к этой файловой системе на локальном диске. Полностью схема этого процесса приведена на рисунке 3. При этом локальная файловая система сервера – это стандартная для Linux файловая система, например, ext4fs. По сути NFS – это не файловая система в традиционном понимании этого термина, а протокол удаленного доступа к файловым системам.

Для сетей с большим временем ожидания в NFSv4 предлагается специальная составная процедура (compound procedure ). Эта процедура позволяет поместить несколько RPC-вызовов внутрь одного запроса, чтобы минимизировать затраты на передачу запросов по сети. Также в этой процедуре реализован механизм callback-функций для получения ответов.

Протокол NFS

Когда клиент начинает работать с NFS, первым действием выполняется операция mount , которая представляет собой монтирование удаленной файловой системы в пространство локальной файловой системы. Этот процесс начинается с вызова процедуры mount (одной из системных функций Linux), который через VFS перенаправляется в NFS-компонент. Затем с помощью RPC-вызова функции get_port на удаленном сервере определяется номер порта, который будет использоваться для монтирования, и клиент через RPC отправляет запрос на монтирование. Этот запрос на стороне сервера обрабатывается специальным демоном rpc.mountd , отвечающим за протокол монтирования (mount protocol ). Демон проверяет, что запрошенная клиентом файловая система имеется в списке систем, доступных на данном сервере. Если запрошенная система существует и клиент имеет к ней доступ, то в ответе RPC-процедуры mount указывается дескриптор файловой системы. Клиент сохраняет у себя информацию о локальной и удаленной точках монтирования и получает возможность осуществлять запросы ввода/вывода. Протокол монтирования не является безупречным с точки зрения безопасности, поэтому в NFSv4 вместо него используются внутренние RPC-вызовы, которые также могут управлять точками монтирования.

Для считывания файла его необходимо сначала открыть. В RPC нет процедуры OPEN , вместо этого клиент просто проверяет, что указанные файл и каталог существуют в смонтированной файловой системе. Клиент начинает с выполнения RPC-запроса GETATTR к каталогу, в ответ на который возвращаются атрибуты каталога или индикатор, что каталог не существует. Далее, чтобы проверить наличие файла, клиент выполняет RPC-запрос LOOKUP . Если файл существует, для него выполняется RPC-запрос GETATTR , чтобы узнать атрибуты файла. Используя информацию, полученную в результате успешных вызовов LOOKUP и GETATTR , клиент создает дескриптор файла, который предоставляется пользователю для выполнения будущих запросов.

После того как файл идентифицирован в удаленной файловой системе, клиент может выполнять RPC-запросы типа READ . Этот запрос состоит из дескриптора файла, состояния, смещения и количества байт, которое следует считать. Клиент использует состояние (state ), чтобы определить может ли операция быть выполнена в данный момент, т.е. не заблокирован ли файл. Смещение (offset ) указывает, с какой позиции следует начать чтение, а счетчик байт (count ) определяет, сколько байт необходимо считать. В результате RPC-вызова READ сервер не всегда возвращает столько байт, сколько было запрошено, но вместе с возвращаемыми данными всегда передает, сколько байт было отправлено клиенту.

Инновации в NFS

Наибольший интерес представляют две последние версии NFS – 4 и 4.1, на примере которых можно изучить наиболее важные аспекты эволюции технологии NFS.

До появления NFSv4 для выполнения таких задач по управлению файлами, как монтирование, блокировка и т.д. существовали специальные дополнительные протоколы. В NFSv4 процесс управления файлами был упрощен до одного протокола; кроме того, начиная с этой версии UDP больше не используется в качестве транспортного протокола. NFSv4 включает поддержку UNIX и Windows®-семантики доступа к файлам, что позволяет NFS "естественным" способом интегрироваться в другие операционные системы.

В NFSv4.1 для большей масштабируемости и производительности была введена концепция параллельной NFS (parallel NFS - pNFS). Чтобы обеспечить больший уровень масштабируемости, в NFSv4.1 реализована архитектура, в которой данные и метаданные (разметка ) распределяются по устройствам аналогично тому, как это делается в кластерных файловых системах. Как показано на , pNFS разделяет экосистему на три составляющие: клиент, сервер и хранилище. При этом появляются два канала: один для передачи данных, а другой для передачи команд управления. pNFS отделяет данные от описывающих их метаданных, обеспечивая двухканальную архитектуру. Когда клиент хочет получить доступ к файлу, сервер отправляет ему метаданные с "разметкой". В метаданных содержится информация о размещении файла на запоминающих устройствах. Получив эту информацию, клиент может обращаться напрямую к хранилищу без необходимости взаимодействовать с сервером, что способствует повышению масштабируемости и производительности. Когда клиент заканчивает работу с файлом, он подтверждает изменения, внесенные в файл и его "разметку". При необходимости сервер может запросить у клиента метаданные с разметкой.

С появлением pNFS в протокол NFS было добавлено несколько новых операций для поддержки такого механизма. Метод LayoutGet используется для получения метаданных с сервера, метод LayoutReturn "освобождает" метаданные, "захваченные" клиентом, а метод LayoutCommit загружает "разметку", полученную от клиента, в хранилище, так что она становится доступной другим пользователям. Сервер может отозвать метаданные у клиента с помощью метода LayoutRecall . Метаданные с "разметкой" распределяются между несколькими запоминающими устройствами, чтобы обеспечить параллельный доступ и высокую производительность.

Данные и метаданные хранятся на запоминающих устройствах. Клиенты могут выполнять прямые запросы ввода/вывода на основе полученной разметки, а сервер NFSv4.1 хранит метаданные и управляет ими. Сама по себе эта функциональность и не нова, но в pNFS была добавлена поддержка различных методов доступа к запоминающим устройствам. Сегодня pNFS поддерживает использование блочных протоколов (Fibre Channel), объектных протоколов и собственно NFS (даже не в pNFS-форме).

Развитие NFS продолжается, и в сентябре 2010 года были опубликованы требования к NFSv4.2. Некоторые из нововведений связаны с наблюдающейся миграцией технологий хранения данных в сторону виртуализации. Например, в виртуальных средах с гипервизором весьма вероятно возникновение дублирования данных (несколько ОС выполняют чтение/запись и кэширование одних и тех же данных). В связи с этим желательно, чтобы система хранения данных в целом понимала, где происходит дублирование. Такой подход поможет сэкономить пространство в кэше клиента и общую емкость системы хранения. В NFSv4.2 для решения этой проблемы предлагается использовать "карту блоков, находящихся в совместном доступе" (block map of shared blocks). Поскольку современные системы хранения все чаще оснащаются собственными внутренними вычислительными мощностями, вводится копирование на стороне сервера, позволяющее снизить нагрузку при копировании данных во внутренней сети, когда это можно эффективно делать на самом запоминающем устройстве. Другие инновации включают в себя субфайловое кэширование для флэш-памяти и рекомендации по настройке ввода-вывода на стороне клиента (например, с использованием mapadvise).

Альтернативы NFS

Хотя NFS – самая популярная сетевая файловая система в UNIX и Linux, кроме нее существуют и другие сетевые файловые системы. На платформе Windows® чаще всего применяется SMB, также известная как CIFS ; при этом ОС Windows также поддерживает NFS, равно как и Linux поддерживает SMB.

Одна из новейших распределенных файловых систем, поддерживаемых в Linux - Ceph - изначально спроектирована как отказоустойчивая POSIX-совместимая файловая система. Дополнительную информацию о Ceph можно найти в разделе .

Стоит также упомянуть файловые системы OpenAFS (Open Source-версия распределенной файловой системы Andrew, разработанной в университете Карнеги-Меллона и корпорации IBM), GlusterFS (распределенная файловая система общего назначения для организации масштабируемых хранилищ данных) и Lustre (сетевая файловая система с массовым параллелизмом для кластерных решений). Все эти системы с открытым исходным кодом можно использовать для построения распределенных хранилищ.

Заключение

Развитие файловой системы NFS продолжается. Подобно ОС Linux, подходящей для поддержки и бюджетных, и встраиваемых, и высокопроизводительных решений, NFS предоставляет архитектуру масштабируемых решений для хранения данных, подходящих как отдельным пользователям, так и организациям. Если посмотреть на путь, уже пройденный NFS, и перспективы её дальнейшего развития, становится понятно, что эта файловая система будет продолжать изменять наши взгляды на то, как реализуются и используются технологии хранения файлов.