Распределенные файловые системы. Страж файлового дерева: развертываем распределенную файловую систему DFS

Сегодня уже трудно кого-либо удивить разветвленными сетями со сложной
топологией, наличием удаленных и мобильных офисов. Для администратора
организация любого сервиса в таких условиях — дело непростое. Но не нужно
забывать и о наших пользователях — им в этом случае придется работать с большим
количеством разрозненных устройств и ресурсов, находящихся на различных
компьютерах и серверах сети, соответственно, поиск необходимой информации может
быть крайне затруднен. позволяет решить эту
проблему. Давай посмотрим, как именно.

Назначение и возможности DFS

Распределенная файловая система DFS (Distributed File System ) появилась как
стандартный компонент еще в Win2k. Ее задача — облегчить управление, доступ и
поиск данных в сети. Для этого файловые ресурсы, находящиеся на разных
компьютерах, объединяются в единое логическое пространство имен. Пользователь,
вместо того чтобы запоминать имена всех общих сетевых ресурсов (Universal Naming
Convention, UNC), вроде \\Server\Folder, будет обращаться к единому пространству
UNC-имен, в котором объединены все серверы и общие ресурсы сети. А на каком
конкретно компьютере находится запрашиваемый файл, уже забота DFS , пользователю
не нужно беспокоиться о реальном расположении файла. При обращении клиента он
просто перебрасывается на нужный ему каталог. На месте источника, на который
указывает ссылка, может быть любая операционная система, к ресурсам которой
можно обратиться, используя UNC (Windows, Linux, xBSD, NetWare). Физические
объекты, связанные ссылками с DFS , называются целевыми объектами (targets) или
репликами (replics).

Но удобство для пользователей и администраторов — далеко не самое важное из
основных преимуществ DFS . Дело в том, что с одним логическим именем может быть
связано несколько общих ресурсов, в которых хранится идентичная информация.
Такой набор альтернативных общих ресурсов, связанных с одним логическим именем
DFS , называется набором реплик. И если общие ресурсы находятся в одном
пространстве доменного корня DFS и располагаются на серверах Win2k или Win2k3,
есть возможность настроить автоматическую синхронизацию информации между ними.
Пользователь, обратившийся к DFS , обычно перенаправляется к ближайшей реплике, и
если она не доступна, он будет перенаправлен к альтернативному ресурсу. Для
уменьшения нагрузки на сервер DFS на стороне клиента данные кэшируются, поэтому
при частом обращении к одному и тому же ресурсу каждый запрос к DFS не
производится. Таким образом, автоматическое резервирование важной информации ,
реализованное в DFS , еще и повышает отказоустойчивость всей системы (выход
одного сервера или дискового устройства не повлияет на работу пользователей).
Хотя следует помнить, что DFS не создавалась для работы часто с обновляющимися
данными, и особенно для тех случаев, когда файл одновременно может обновляться в
нескольких местах (в DFS остается та версия файла, где были внесены последние
изменения).

В реализации DFS в Win2k можно было разместить только одно пространство имен,
в Win2k3 их может быть уже несколько. В Win2k3 R2 появилась новая версия этой
системы — DFS Namespaces , в которой многие вопросы уже решены. За репликацию
данных в Win2k3 SP1 и SP2 отвечает FRS (File Replication Server ), в Win2k3 R2 —
DFS Replicatio n. Главным их отличием является то, что в FRS самым маленьким
объектом, подлежащим репликации, является файл, в DFS Replication используется
более развитая технология RDC (Remote Differential Compression ), которая умеет
копировать только изменившиеся части файла, а функция cross-file RDC меньше
нагружает канал при копировании новых файлов. Таким образом, использование DFS
еще и уменьшает нагрузку на сеть, что особенно актуально для удаленных офисов с
недостаточной пропускной способностью. В службе DFS не используется никаких
дополнительных средств обеспечения безопасности. При обращении к targets
проверяются только права доступа файловой системы и установленные для этих
объектов разрешения в каталоге Active Directory.

Эти разные корни

Начальной точкой для всех имен дерева DFS служит корень распределенной
файловой системы. Фактически корень — это некоторый общий ресурс, находящийся на
сервере, все остальные логические имена системы DFS будут подключаться как
следующий иерархический уровень. Корни в DFS могут быть двух видов, каждый
отличается способами хранения данных и возможностями. Изолированный (автономный)
корень (Standalone DFS ) не связан с Active Directory, и все ссылки на сетевые
ресурсы хранятся в реестре самого сервера DFS . Такой корень не использует
DFS
Replication , то есть не предполагает дублирование информации на другие ресурсы,
и поэтому не обеспечивает отказоустойчивость. При выходе из строя сервера DFS
вся иерархия становится не доступной, хотя пользователи могут обращаться к
ресурсам напрямую. К слову, несколько Standalone DFS серверов способны работать
в кластере, поэтому эта проблема может быть решена. Если сервер DFS является
членом домена, используется доменный корень (Domain-based DFS ). При таком
варианте можно подключать несколько реплик и использовать DFS Replication для
репликации как самого корня, так и ссылок DFS . Если в Domain-based DFS корни
находятся на компьютерах под управлением Win2k и Win2k3, то такой корень
называется "Mixed mode domain DFS ".

При доменном DFS вся информация о пространстве имен находится на контроллере
домена, к которому периодически обращается сервер DFS . Учитывая синхронизацию
между DFS в домене, которая становится все более сложной при каждом изменении
структуры, эти запросы могут быть узким местом в системе, поэтому в этом случае
также есть некоторые ограничения. Так в Win2k существовало ограничение на 16
корней для одного пространства имен. В Win2k3 это ограничение снято, так как
сервер DFS теперь может обращаться к любому DC, а не только к эмулятору PDC.
Второе ограничение доменных корней связано с тем, что вся структура хранится в
специальном объекте, который также необходимо дублировать на всех DC при любом
малейшем изменении в структуре DFS . В документации рекомендуется ограничивать
максимальный размер объекта 5-тью Мб, что приблизительно соответствует 5000
ссылкам (каталогам). Эта величина зависит от многих параметров, длины имени
ссылок, наличия и размера комментариев, которые также хранятся в этом объекте.
Но в среднем DFS редко когда превышает 50-100 ссылок, и после первоначальной
настройки она остается в основном статичной, а значит, часто дублироваться не
будет, и этих ограничений достигнуть просто не удастся. Кстати, в будущей
Windows 2008 ограничение в 5000 ссылок уже снято, но для этого все серверы
должны работать под управлением Longhorn. Для Standalone DFS рекомендованный
лимит ссылок на порядок выше и составляет 50000 ссылок .

Настройка DFS

Для примера настроим DFS на компьютере под управлением Win2k3 с SP2, все
настройки в SP1 аналогичны. В настройках DFS в R2 и Win2k есть некоторые
отличия, но не настолько глобальные, чтобы не разобраться самостоятельно. Все
управление распределенной файловой системой выполняется централизованно с
помощью оснастки MMC "Распределенная файловая система DFS ", которую можно
вызвать во вкладке "Администрирование" Панели управления Windows. С ее помощью
можно создавать и удалять корни, подключаться к любым корням DFS . Удобно, что в
одной вкладке может отображаться несколько корней DFS . В случае работы корня в "Mixed
mode domain DFS ", то есть когда реплики и корни DFS располагаются на компьютерах
под управлением разных версий Windows, управление DFS необходимо производить с
компьютера, работающего под Win2k3. Как вариант, можно установить пакет Win2k3 Administration Tools Pack (adminpak.msi), который лежит в свободном доступе на
сайте корпорации. В этом случае для управления можно использовать и компьютеры с
WinXP. Информацию по этому пакету найдешь по адресу

support.microsoft.com/kb/304718 . Кроме этого, для работы с DFS также можно
использовать утилиты командной строки dfscmd.exe и dfsutil.exe. Последняя имеет
больше возможностей, но по умолчанию не включена в состав операционной системы,
чтобы ее использовать, необходимо установить пакет Win2k3 Support Tools. Обрати
внимание, что для успешной установки Support Tools требуется скачать два файла:
suptools.msi и support.cab.

Для создания нового корня вызываем оснастку, щелкаем мышкой по заголовку и в
контекстном меню выбираем "Создать корень" (New Root), как вариант, можно
выбрать аналогичный пункт в меню "Действие". Появляется Мастер создания нового
корня (New Root Wizard), следуем его подсказкам. На втором шаге выбираем тип
создаваемого корня (доменный или изолированный), указываем несущий домен и
сервер. После проверки соединения с выбранным сервером вводим имя корня. Обрати
внимание, как будет выглядеть UNC путь к новому корню, по умолчанию \\server\nameshare.
Так как на данный момент общего каталога не существует, на следующем шаге нужно
выбрать локальный каталог, который будет использоваться в качестве общего. Этот
каталог не содержит реальных данных, в нем будут находиться ссылки, указывающие
на физическое расположение данных. Мастер создает ресурсы, разрешающие чтение и
выполнение членам группы Пользователи. При необходимости следует скорректировать
разрешения. Теперь нажимаем кнопку Готово, новый корень появится в окне консоли.
Если сервер работает под управлением Win2k3, аналогичным образом создаем и
другие корни. С помощью команды Проверить статус (Check Status), вызываемую из
меню консоли или контекстного меню, можно проверить состояние реплики. Состояние
будет указано в одноименном столбце и рядом с именем появится кружок с отметкой.
Если она зеленого цвета, значит, все нормально. Для проверки можно зайти по
указанному UNC или использовать на локальном компьютере команду «net share» или
«net view computer_name» с удаленного. Команда «dfsutil /Root:\\server\share /View»
покажет информацию о DFS .

>dfsutil /Root:\\server.com\first /View
DFS Utility Version 5.2 (built on 5.2.3790.3959)
Domain Root with 0 Links
Root Name="\\SERVER\first" Comment="first Root" State="1" Timeout="300"
Target Server="GRINDERS" Folder="first" State="2"

После создания корня его можно опубликовать в Active Directory. Для этого в
контекстном меню выбираем Свойства, переходим на вкладку Публикация и
устанавливаем флажок "Опубликовать этот корень в Active Directory". Доменные
корни публикуются автоматически и в обязательном порядке.

Создание ссылок

После создания корня можно начинать подключать общие ресурсы. Для чего в том
же контекстном меню выбираем пункт Создать ссылку (New Link). В появившемся окне
"Новая ссылка", в поле "Имя ссылки", вводим имя ссылки, под которым она будет
доступна в DFS, затем чуть ниже UNC-путь к целевому каталогу (должен уже
существовать). Для поиска общих ресурсов можно использовать кнопку Обзор, чуть
ниже можно изменить время кэширования этой ссылки для клиентов DFS (по умолчанию
1800 сек). По окончании нажимаем кнопку ОК. Команда «dfsutil /view» должна
показать состояние всех подключенных ссылок и их свойства. Если в сети работает
несколько серверов, есть возможность добавить реплику, указывающую на
альтернативную ссылку. Реплика на корень или отдельный объект создается
аналогично, только в первом случае в контекстном меню выбираем пункт "Создать
корневую целевую папку", а во втором – "Создать папку".

Общие ресурсы, с которыми будет производиться репликация, должны
располагаться в разделах с файловой системой NTFS на компьютерах, работающих под
управлением серверных версий Windows от 2000 (лучше 2003). В поле "Путь к
целевой общей папке" появившегося окна вводим или при помощи кнопки Обзор
указываем общий ресурс, располагающийся на другом компьютере. В том случае если
для синхронизации информации между этими ресурсами планируется использовать
альтернативные программы (или синхронизация будет производиться вручную),
следует снять флажок "Добавить эту целевую папку к набору репликации" (Add this
target to the replication set). Нажимаем ОК, и появляется Мастер настройки
репликации (Configure Replication Wizard), который поможет выбрать
мастер-реплику и топологию репликации. На первом шаге указываем каталог, который
будет использоваться в качестве основного целевого, вся информация из этого
каталога затем будет скопирована в другую папку. Последняя должна быть пустой,
если в ней есть файлы, они будут скопированы во временный каталог, а затем
удалены. Если общий ресурс по каким-либо причинам не подходит для репликации
(например, расположен не в разделе с NTFS), он будет отмечен красным крестиком,
при попытке перейти к следующему шагу мастер предложит указать другую ссылку или
закончить работу.

Нажатием кнопки "Промежуточное хранение " (Staging Folder ) можно изменить
расположение каталога, который будет использоваться для временного хранения
реплицируемых данных. По умолчанию этот каталог размещается в разделе, отличном
от того, на котором находится общий ресурс, связанный с DFS . Далее мастер
предложит выбрать топологию репликации. Необходимо будет указать один из
следующих вариантов:

Кольцо (Ring) - все реплики обмениваются информацией с двумя соседними;
Звезда (Hub and spoke) - указывается основная ссылка, с которой и будут
обмениваться информацией все остальные реплики;
Полная сетка (Mesh) - все реплики обмениваются друг с другом;
Особая (Custom) - позднее администратор самостоятельно настроит репликацию
для каждой пары серверов.

Кольцевая топология установлена по умолчанию и подходит для большинства
случаев. В идеале выбранная топология репликации должна соответствовать схеме
сети. Например, если есть центральный офис, где располагаются основные ресурсы,
а многочисленные филиалы подключаются к ним по мере необходимости, то в этом
случае больше подойдет схема Звезда. Если ничего из предустановок не подходит,
следует обратиться к пункту Особая.

После создания реплики для ссылки соответствующий ей значок в окне оснастки
изменится. В контекстном меню также появятся два новых пункта: Отобразить/Скрыть
статус репликации и Остановить репликацию. В поле статуса репликации может быть
один из трех результатов. Если процесс репликации завершен нормально, на значках
будут зеленые флажки. Красный крестик на значке реплики укажет, что она в данный
момент недоступна, в поле Состояние подпись изменится на Автономный. Если в
проверяемой ссылке недоступны лишь некоторые реплики, в значке появится желтый
восклицательный знак.

Перед удалением одной из альтернативных реплик сначала следует запретить
репликацию. При возобновлении репликации тебя встретит тот же мастер. Если
сервер является контроллером домена, вместе со всеми данными DFS будет
реплицировать и содержимое тома SYSVOL. Поэтому следует помнить, что до тех пор,
пока не произойдет полная репликация всех реплик, начинать любые изменения в
конфигурации DFS очень рискованно, это может нарушить работоспособность всего
домена.

Если выбранный вариант топологии репликации по каким-либо причинам не
подошел, топологию репликации впоследствии можно легко изменить, выбрав окно
свойств соответствующей ссылки и перейдя на вкладку Репликация. Здесь находятся
еще несколько полезных настроек. По умолчанию репликация выполняется постоянно,
нажав кнопку Расписание, можно изменить расписание репликаций для всех
подключений. Чуть ниже указываются фильтры для файлов и подпапки, которые не
будут реплицироваться. Для этого нажимаем Изменить и вводим шаблоны файлов или
подкаталогов.

Для принудительной репликации информации, хранящейся на определенном сервере,
можно воспользоваться утилитой NtfrsUtl.exe, которая входит в состав пакета
Support Tools . Команда проста: «ntfrsutl poll /now server.com». Чтобы увидеть
установленные временные интервалы, через которые производится репликация,
следует ввести «ntfrsutl poll». Все установки доступны по команде «ntfrsutl sets
server.com».

В окне свойств общего ресурса, представленного в службе DFS , появится еще
одна вкладка – DFS . Открыв ее, пользователь может просмотреть, с какими общими
папками сопоставлена эта ссылка, проверить состояние реплики, выбрать активную
реплику, к которой он будет перенаправляться в первую очередь.

Администратору для контроля следует почаще заглядывать в журнал
"Администрирование – Просмотр событий – Служба репликации файлов", где можно
найти информацию обо всех событиях, происходящих со службой FRS.

Что такое распределенные файловые системы?

Способность совместно использовать диски, каталоги, и файлы по сети это одно из наиболее значительных достижений современных информационных технологий. Эта способность может существенно сократить требования к дисковому пространству компьютеров и облегчить совместную работу пользователей. Компьютеры с Microsoft Windows и MacOS Apple / MacOS X используют для этого механизм совместного использования дисков и директорий. В системах Linux / Unix для тех же самых задач традиционно используется NFS сетевая файловая система.

NFS это самый известный механизм совместного доступа к файлам для Linux и других Unix-систем, потому что он присутствует во многих Unix-подобных системах и очень прост в настройке. NFS поддерживается ядром Linux, и утилиты, связанные с NFS, присутствуют в каждом дистрибутиве. Но в мире Linux существуют и более современные механизмы для совместного использования файлов и каталогов. Каждый из них имеет определенные преимущества в настройке или в использовании.

Распределенная файловая система OpenAFS (http://www.openafs.org/ ) это Open Source-аналог известной коммерческой распределенной файловой системы AFS. Поддержка для распределенных файловых систем InterMezzo (http://www.inter-mezzo.org/) и Coda (http://coda.cs.cmu.edu/) уже присутствует в новых ядрах Linux из серии 2.4. Новые механизмы совместного использования файлов, основанные на Web (например, WebDAV (http://www.webdav.org/)), тоже могут использоваться в качестве файловых систем.

В этой статье дается краткий обзор преимуществ распределенных файловых систем, обсуждаются самые распространенные проблемы и их решения, и описываются самые интересные из распределенных файловых систем, доступных для Linux сегодня.

Введение в распределенные файловые системы.

Сейчас сетевые файловые системы называют <<распределенными>>. Этот термин отражает тот факт, что многие из этих файловых систем имеют гораздо больше возможностей, чем простая передача данных по сети. Носители данных, связанные с этими файловыми системами, не обязательно могут быть расположены на одном компьютере они могут быть распределены между многими компьютерами.

Распределенные файловые системы OpenAFS и Coda имеют собственные механизмы управления разделами, которые упрощают возможности хранения общедоступной информации. Они так же поддерживают дублирование способность делать копии разделов и сохранять их на других файловых серверах. Если один файловый сервер становится недоступным, то все равно к данным, хранящимся на его разделах, можно получить доступ с помощью имеющихся резервных копий этих разделов.

Самое главное различие между подходом Windows / MacOS (совместное использование каталогов и дисков) и подходом Linux, MacOS X и других Unix-подобных многопользовательских операционных систем в том, как эти операционные системы используют и организовывают разделы. Windows / MacOS экспортируют разделы как отдельные каталоги или диски, и удаленные системы, которые хотят обратиться к общедоступным устройствам, должны обязательно подключить их к себе.

Когда самый высокий уровень организации в файловой системе это раздел диска (например, как в файловых системах Windows), рабочие станции клиентов для получения доступа к этим данным должны обязательно подключиться к разделу и назначить ему отдельную букву в своей локальной раскладке (например, диск E, F, G, и т.д). Буквы могут быть назначены сетевым разделам в пользовательских и групповых профилях Windows (для стандартизации). Но, к сожалению, не на всех компьютерах расположение букв может быть одинаковым. Например, на компьютере с большим количеством жестких дисков и разделов нужные буквы могут быть заняты, и поэтому придется давать сетевым разделам другие обозначения.

Напротив, файловая система Unix это иерархическая файловая система, к которой дополнительные разделы добавляются с помощью монтирования их к существующей директории. Это позволяет эффективно добавить любой источник данных в любую существующую файловую систему. Если вы монтируете новый источник информации к каталогу, являющемуся частью распределенной файловой системы, он сразу же становится доступным всем клиентам этой распределенной системы.

Современные распределенные файловые системы типа OpenAFS или Coda включают в себя специальные сервисы для управления разделами. Это позволяет вам смонтировать разделы различных файловых серверов в центральную иерархию директорий, поддерживаемую файловыми системами. OpenAFS использует центральный каталог, называемый <>, а Coda использует <>. Эти иерархии директорий доступны всем клиентам распределенной файловой системы, и выглядят одинаково на любой из клиентск х рабочих станций. Это дает возможность пользователям работать со своими файлами одинаково на любом компьютере. Если ваш настольный компьютер не работает, вы совершенно спокойно можете использовать любой другой все ваши файлы находятся в безопасности на сервере.

Распределенные файловые системы, предоставляющие одни и те же данные многим различным компьютерным системам, дают пользователям возможность использовать любую операционную систему, лучше всего подходящую для их задач. Пользователи Macintosh могут пользоваться всеми преимуществами графических инструментальных средств, доступных в Mac OS, и одновременно хранить свои данные на централизованных файловых серверах. Пользователи Windows так же могут иметь доступ к устойчивой глобальной файловой системе. Распределенные файловые системы особенно привлекательны при попытке координации работы между группами, расположенными в различных городах, государствах, или даже в разных странах. Преимущество общие данные всегда доступны по сети, независимо от вашего местонахождения.

Проблемы администрации распределенных файловых систем.

Использование распределенных файловых систем дает системным администраторам не только новые возможности, но и новые проблемы. Но распределенные системы способны упростить многие из стандартных административных задач. В сетевой среде пользователи должны иметь возможность зайти в сеть под своим именем с любого компьютера. Это значит, что механизм входа в сеть (или аутентификации) тоже должен быть сетевым. Поэтому в среде распределенной файловой системы файлы групп и паролей, расположенные на индивидуальных компьютерах, вторичны по отношению к сетевым механизмам аутентификации (таким, как Kerberos или NIS, которые предоставляют пользователям возможность работать на любом компьютере). Но стандартные локальные механизмы проверки пароля все же должны существовать, чтобы администраторы могли выполнять на локальных компьютерах необходимые задачи. Сохранение общих данных на централизованных файловых серверах (а не на индивидуальных компьютерах) упрощает такие административные задачи, как резервирование и восстановление файлов и каталогов. Это так же централизует такие стандартные административные задачи, как контроль за использованием файловой системы, и представляет новые возможности управления хранением данных например, балансирование загрузки.

Распределенные файловые системы типа OpenAFS и Coda обеспечивают встроенные логические системы управления разделами, которые дают администраторам возможность переместить интенсивно используемые данные на более мощные или менее используемые компьютеры. Если распределенная файловая система поддерживает дублирование, копии интенсивно используемых данных могут распределяться между многими файловыми серверами. Это может уменьшить нагрузку на сеть, и облегчить работу серверов. Распределенные файловые системы используют логические разделы вместо физических дисковых разделов, и это позволяет легко добавить в сеть новую свободную память прямо во время работы. (Для добавления нового диска в локальный компьютер пришлось бы потратить некоторое время).

Использование распределенных файловых систем так же облегчает возможность совместного доступа к программному и аппаратному обеспечению. Но перед этим нужно удостовериться, что лицензии к используемым программам разрешают установку программного обеспечения в распределенной файловой системе. Сервера печати одна из первоначальных причин появления среды <<клиент-сервер>>. Распределенные файловые системы так же упрощают совместный доступ к специализированным аппаратным средствам, соединяясь по сети с компьютером, на котором установлены нужные аппаратные средства, и при этом все еще имея доступ к вашим данным.

Использование централизованной распределенной файловой системы может обеспечивать существенные преимущества в стоимости и быстродействии выполнения работы для клиентских систем. Распределенные файловые системы существенно уменьшают аппаратные затраты, минимизируя количество памяти на любом десктопе или ноутбуке. Использование распределенной файловой системы в качестве архива для пользовательских данных обычно означает более быструю загрузку клиентских машин, потому что большое количество данных больше не хранится локально и поэтому не нуждается в проверке после перезапуска клиента. Комбинация распределенной файловой системы и использования журналируемых файловых систем на клиентских компьютерах может дать значительное увеличение скорости запуска системы.

Поддержка автономной работы с данными.

Использование распределенной файловой системы увеличивает зависимость компьютерных систем от сети. Эта зависимость от данных, к которым люди могут обращаться только по сети, вызывает некоторые интересные проблемы для пользователей лаптопов/мобильных компьютеров, которые нуждаются в доступе к своим данным даже тогда, когда доступ к сети невозможен. Это называется <<автономная работа>> система должна функционировать, если ресурсы, которые обычно присутствуют в сети (например, пользовательские данные), по каким-то причинам не доступны. Даже Windows обеспечивает графический интерфейс для возможности маркировки файлов, с которыми вы хотите работать, когда вы отключены от сети, и для синхронизации этих файлов, когда вы соединяетесь повторно.

Распределенные файловые системы Coda и InterMezzo, которые являются в настоящее время доступными для Linux, тоже обеспечивают интегрированную поддержку для автономной работы. Так же сейчас ведется работа над обеспечением этой возможности для файловых систем NFS. Coda и InterMezzo уже поддерживаются ядром Linux поддержка Intermezzo встроена в ядро, начиная с версии 2.4.5, а Coda вообще была интегрирована в ядро 2.4 с самого начала.

Coda распределенная файловая система с происхождением из OpenAFS, которая разрабатывается в университете Carnegie Mellon с 1987 года. InterMezzo относительно новая распределенная файловая система, упор в разработке которой сделан на высокой доступности, гибком дублировании каталогов, поддержке автономных операций, и постоянном кэшировании. Создатели InterMezzo были вдохновлены CMU Coda, но этот проект не основан на исходном тексте Coda. Начальный создатель InterMezzo, Питер Браам, был главой проекта Coda в CMU в течение нескольких лет, и после этого он сам начал разрабатывать InterMezzo и несколько других проектов.

Расширение файловых систем с помощью Web.

До создания распределенных файловых систем совместное использование файлов через сеть ограничивалось простыми передачами файлов с помощью использования протокола передачи файлов FTP (File Transfer Protocol). Появление Всемирной паутины в значительной степени упростила процесс работы с FTP теперь не нужно знать команды, потому что протокол FTP интегрирован в большинство броузеров. Способность легко передавать файлы через Web также вела к расширению Паутины и существенному улучшению основного протокола передачи гипертекста

HTTP (HyperText Transfer Protocol), который сейчас является основанием для многих систем распределенного использования файлов.

Самая известная из них это WebDAV, которая расшифровывается как <> (Web-enabled Distributed Authoring and Versioning). WebDAV это набор расширений к протоколу HTTP, обеспечивающий совместную среду для пользователей, которая позволяет им скачивать, упорядочивать и редактировать файлы, хранящиеся на Web-серверах.

Поддержка WebDAV встроена во многие популярные Web-серверы, например Apache, где это основывается на опознавательных механизмах сервера. (От простых файлов.htaccess до интегрированных NIS, LDAP, или даже механизма аутентификации Windows). Использование WebDAV для доступа и модификации файлов через Web встроено в операционные системы Mac OS X, в новые версии Microsoft Internet Explorer, а так же доступно и в Linux при использовании таких приложений, как менеджер файлов Nautilus. Хотя это и не файловая система в традиционном смысле, но вы можете даже смонтировать WebDAV в Линуксе, используя загружаемый модуль ядра под названием davfs.

WebDAV обеспечивает такие стандартные для распределенных систем возможности, как блокировка файлов, создание, переименование, копирование, удаление файлов, а так же поддерживает такие продвинутые возможности, как meta-данные файла (более подробная информация о файле заголовок, тема, создатель, и т.д). В ближайшем будущем WebDAV будет включать интегрированную поддержку управления версиями, которая упростит работу многих пользователей над общими файлами, отслеживая изменения, авторов этих изменений, и другие аспекты общего использования документа. Эти возможности контроля над версиями обеспечиваются в соответствии с протоколом DeltaV, который активно разрабатывается Рабочей группой DeltaV (http://www.webdav.org/deltav) подразделением Проектировочной группы Интернета (IETF Internet Engineering Task Force). Некоторые проекты, например, Subversion (http://subversion.tigris.org/) (WebDAV и DeltaV-основанная замена стандарту CVS), уже доступны в альфа-версии. Subversion обеспечивает систему контроля над версиями и сохранение архива файла на основе базы данных, имеющей API языка C, и моделирует версионную файловую систему, легко доступную через Web.

NFS - это самый известный механизм совместного доступа к файлам для Linux и других Unix-систем, потому что он присутствует во многих Unix-подобных системах и очень прост в настройке. NFS поддерживается ядром Linux, и утилиты, связанные с NFS, присутствуют в каждом дистрибутиве. Но в мире Linux существуют и более современные механизмы для совместного использования файлов и каталогов. Каждый из них имеет определенные преимущества в настройке или в использовании.

Распределенная файловая система OpenAFS - это Open Source-аналог известной коммерческой распределенной файловой системы AFS. Поддержка для распределенных файловых систем InterMezzo и Coda уже присутствует в новых ядрах Linux из серии 2.4. Новые механизмы совместного использования файлов, основанные на Web (например, WebDAV), тоже могут использоваться в качестве файловых систем.

Введение в распределенные файловые системы.

Сейчас сетевые файловые системы называют «распределенными». Этот термин отражает тот факт, что многие из этих файловых систем имеют гораздо больше возможностей, чем простая передача данных по сети. Носители данных, связанные с этими файловыми системами, не обязательно могут быть расположены на одном компьютере - они могут быть распределены между многими компьютерами.

Распределенные файловые системы OpenAFS и Coda имеют собственные механизмы управления разделами, которые упрощают возможности хранения общедоступной информации. Они так же поддерживают дублирование - способность делать копии разделов и сохранять их на других файловых серверах. Если один файловый сервер становится недоступным, то все равно к данным, хранящимся на его разделах, можно получить доступ с помощью имеющихся резервных копий этих разделов.

Самое главное различие между подходом Windows / MacOS (совместное использование каталогов и дисков) и подходом Linux, MacOS X и других Unix-подобных многопользовательских операционных систем - в том, как эти операционные системы используют и организовывают разделы. Windows / MacOS экспортируют разделы как отдельные каталоги или диски, и удаленные системы, которые хотят обратиться к общедоступным устройствам, должны обязательно подключить их к себе.

Когда самый высокий уровень организации в файловой системе - это раздел диска (например, как в файловых системах Windows), рабочие станции клиентов для получения доступа к этим данным должны обязательно подключиться к разделу и назначить ему отдельную букву в своей локальной раскладке (например, диск E, F, G, и т.д). Буквы могут быть назначены сетевым разделам в пользовательских и групповых профилях Windows (для стандартизации). Но, к сожалению, не на всех компьютерах расположение букв может быть одинаковым. Например, на компьютере с большим количеством жестких дисков и разделов нужные буквы могут быть заняты, и поэтому придется давать сетевым разделам другие обозначения.

Напротив, файловая система Unix - это иерархическая файловая система, к которой дополнительные разделы добавляются с помощью монтирования их к существующей директории. Это позволяет эффективно добавить любой источник данных в любую существующую файловую систему. Если вы монтируете новый источник информации к каталогу, являющемуся частью распределенной файловой системы, он сразу же становится доступным всем клиентам этой распределенной системы.

Современные распределенные файловые системы типа OpenAFS или Coda включают в себя специальные сервисы для управления разделами. Это позволяет вам смонтировать разделы различных файловых серверов в центральную иерархию директорий, поддерживаемую файловыми системами. OpenAFS использует центральный каталог, называемый «/afs», а Coda использует «/coda». Эти иерархии директорий доступны всем клиентам распределенной файловой системы, и выглядят одинаково на любой из клиентских рабочих станций. Это дает возможность пользователям работать со своими файлами одинаково на любом компьютере. Если ваш настольный компьютер не работает, вы совершенно спокойно можете использовать любой другой - все ваши файлы находятся в безопасности на сервере.

Распределенные файловые системы, предоставляющие одни и те же данные многим различным компьютерным системам, дают пользователям возможность использовать любую операционную систему, лучше всего подходящую для их задач. Пользователи Macintosh могут пользоваться всеми преимуществами графических инструментальных средств, доступных в Mac OS, и одновременно хранить свои данные на централизованных файловых серверах. Пользователи Windows так же могут иметь доступ к устойчивой глобальной файловой системе. Распределенные файловые системы особенно привлекательны при попытке координации работы между группами, расположенными в различных городах, государствах, или даже в разных странах. Преимущество - общие данные всегда доступны по сети, независимо от вашего местонахождения.

Проблемы администрации распределенных файловых систем.

Сохранение общих данных на централизованных файловых серверах (а не на индивидуальных компьютерах) упрощает такие административные задачи, как резервирование и восстановление файлов и каталогов. Это так же централизует такие стандартные административные задачи, как контроль за использованием файловой системы, и представляет новые возможности управления хранением данных - например, балансирование загрузки. Распределенные файловые системы типа OpenAFS и Coda обеспечивают встроенные логические системы управления разделами, которые дают администраторам возможность переместить интенсивно используемые данные на более мощные или менее используемые компьютеры. Если распределенная файловая система поддерживает дублирование, копии интенсивно используемых данных могут распределяться между многими файловыми серверами. Это может уменьшить нагрузку на сеть, и облегчить работу серверов. Распределенные файловые системы используют логические разделы вместо физических дисковых разделов, и это позволяет легко добавить в сеть новую свободную память прямо во время работы. (Для добавления нового диска в локальный компьютер пришлось бы потратить некоторое время).

Использование распределенных файловых систем так же облегчает возможность совместного доступа к программному и аппаратному обеспечению. Но перед этим нужно удостовериться, что лицензии к используемым программам разрешают установку программного обеспечения в распределенной файловой системе. Сервера печати - одна из первоначальных причин появления среды «клиент-сервер». Распределенные файловые системы так же упрощают совместный доступ к специализированным аппаратным средствам, соединяясь по сети с компьютером, на котором установлены нужные аппаратные средства, и при этом все еще имея доступ к вашим данным.

Поддержка автономной работы с данными.

Использование распределенной файловой системы увеличивает зависимость компьютерных систем от сети. Эта зависимость от данных, к которым люди могут обращаться только по сети, вызывает некоторые интересные проблемы для пользователей лаптопов/мобильных компьютеров, которые нуждаются в доступе к своим данным даже тогда, когда доступ к сети невозможен. Это называется «автономная работа» - система должна функционировать, если ресурсы, которые обычно присутствуют в сети (например, пользовательские данные), по каким-то причинам не доступны. Даже Windows обеспечивает графический интерфейс для возможности маркировки файлов, с которыми вы хотите работать, когда вы отключены от сети, и для синхронизации этих файлов, когда вы соединяетесь повторно.

Распределенные файловые системы Coda и InterMezzo, которые являются в настоящее время доступными для Linux, тоже обеспечивают интегрированную поддержку для автономной работы. Так же сейчас ведется работа над обеспечением этой возможности для файловых систем NFS. Coda и InterMezzo уже поддерживаются ядром Linux - поддержка Intermezzo встроена в ядро, начиная с версии 2.4.5, а Coda вообще была интегрирована в ядро 2.4 с самого начала.

Coda - распределенная файловая система с происхождением из OpenAFS, которая разрабатывается в университете Carnegie Mellon с 1987 года. InterMezzo - относительно новая распределенная файловая система, упор в разработке которой сделан на высокой доступности, гибком дублировании каталогов, поддержке автономных операций, и постоянном кэшировании. Создатели InterMezzo были вдохновлены CMU Coda, но этот проект не основан на исходном тексте Coda. Начальный создатель InterMezzo, Питер Браам, был главой проекта Coda в CMU в течение нескольких лет, и после этого он сам начал разрабатывать InterMezzo и несколько других проектов.

Расширение файловых систем с помощью Web.

До создания распределенных файловых систем совместное использование файлов через сеть ограничивалось простыми передачами файлов с помощью использования протокола передачи файлов - FTP (File Transfer Protocol). Появление Всемирной паутины в значительной степени упростила процесс работы с FTP - теперь не нужно знать команды, потому что протокол FTP интегрирован в большинство броузеров. Способность легко передавать файлы через Web также вела к расширению Паутины и существенному улучшению основного протокола передачи гипертекста - HTTP (HyperText Transfer Protocol), который сейчас является основанием для многих систем распределенного использования файлов.

Самая известная из них - это WebDAV, которая расшифровывается как «Web-система распределенной авторизации и контроля версий» (Web-enabled Distributed Authoring and Versioning). WebDAV - это набор расширений к протоколу HTTP, обеспечивающий совместную среду для пользователей, которая позволяет им скачивать, упорядочивать и редактировать файлы, хранящиеся на Web-серверах.

Поддержка WebDAV встроена во многие популярные Web-серверы, например - Apache, где это основывается на опознавательных механизмах сервера. (От простых файлов.htaccess до интегрированных NIS, LDAP, или даже механизма аутентификации Windows). Использование WebDAV для доступа и модификации файлов через Web встроено в операционные системы Mac OS X, в новые версии Microsoft Internet Explorer, а так же доступно и в Linux при использовании таких приложений, как менеджер файлов Nautilus. Хотя это и не файловая система в традиционном смысле, но вы можете даже смонтировать WebDAV в Линуксе, используя загружаемый модуль ядра под названием davfs.

WebDAV обеспечивает такие стандартные для распределенных систем возможности, как блокировка файлов, создание, переименование, копирование, удаление файлов, а так же поддерживает такие продвинутые возможности, как meta-данные файла (более подробная информация о файле - заголовок, тема, создатель, и т.д). В ближайшем будущем WebDAV будет включать интегрированную поддержку управления версиями, которая упростит работу многих пользователей над общими файлами, отслеживая изменения, авторов этих изменений, и другие аспекты общего использования документа. Эти возможности контроля над версиями обеспечиваются в соответствии с протоколом DeltaV, который активно разрабатывается Рабочей группой DeltaV - подразделением Проектировочной группы Интернета (IETF - Internet Engineering Task Force). Некоторые проекты, например, Subversion (WebDAV и DeltaV-основанная замена стандарту CVS), уже доступны в альфа-версии. Subversion обеспечивает систему контроля над версиями и сохранение архива файла на основе базы данных, имеющей API языка C, и моделирует версионную файловую систему, легко доступную через Web.

Вывод.

Многие IT-специалисты, ответственные за вычислительные системы предприятий, уже используют сетевые файловые системы (NFS), или адаптеры файловых систем (Samba, Netatalk, или Novell) для объединения своих сетей. Более новые и более функциональные распределенные файловые системы - такие, как OpenAFS, Coda, InterMezzo и WebDAV - могут стать альтернативой, потому что они имеют более высокое быстродействие, улучшенную защиту, и дополнительные возможности управления разделами и создания резервных копий.

Как мы увидим в дальнейших статьях из этой серии, современные распределенные файловые системы могут быть легко интегрированы в существующую сеть. Распределенные файловые системы могут обеспечить дополнительную гибкость сети, ускорить и упростить процесс совместной работы над файлами, уменьшить затраты и упростить жизнь администраторам. Современные распределенные файловые системы дают новую жизнь слогану Sun Microsystems «The Network is the computer», расширяя файловую систему по компьютерной сети.

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Pr0grammer 29 октября 2009 в 01:31

Распределенная файловая система GFS (Google File System)

Разработка веб-сайтов

В настоящее время, в условиях роста информации, возникают задачи хранения и обработки данных очень большого объема. Поэтому эти данные обрабатывается сразу на нескольких серверах одновременно, которые образуют кластеры. Для упрощения работы с данными на кластерах и разрабатывают распределенные файловые системы. Мы подробно рассмотрим пример распределенной файловой системы Google File System , используемую компанией Google . (Статья является, фактически, вольным и урезанным переводом оригинальной статьи).

GFS является наиболее, наверное, известной распределенной файловой системой. Надежное масштабируемое хранение данных крайне необходимо для любого приложения, работающего с таким большим массивом данных, как все документы в интернете. GFS является основной платформой хранения информации в Google . GFS - большая распределенная файловая система, способная хранить и обрабатывать огромные объемы информации.
GFS строилась исходя из следующим критериев:

Система строится из большого количества обыкновенного недорого оборудования, которое часто дает сбои. Должны существовать мониторинг сбоев, и возможность в случае отказа какого-либо оборудования восстановить функционирование системы.
Система должна хранить много больших файлов. Как правило, несколько миллионов файлов, каждый от 100 Мб и больше. Также часто приходится иметь дело с многогигабайтными файлами, которые также должны эффективно храниться. Маленькие файлы тоже должны храниться, но для них не оптимизируется работа системы.
Как правило, встречаются два вида чтения: чтение большого последовательного фрагмента данных и чтение маленького объема произвольных данных. При чтении большого потока данных обычным делом является запрос фрагмента размером в 1Мб и больше. Такие последовательные операции от одного клиента часто читают подряд идущие куски одного и того же файла. Чтение небольшого размера данных, как правило, имеет объем в несколько килобайт. Приложения, критические по времени исполнения, должны накопить определенное количество таких запросов и отсортировать их по смещению от начала файла. Это позволит избежать при чтении блужданий вида назад-вперед.
Часто встречаются операции записи большого последовательного куска данных, который необходимо дописать в файл. Обычно, объемы данных для записи такого же порядка, что и для чтения. Записи небольших объемов, но в произвольные места файла, как правило, выполняются не эффективно.
Система должна реализовывать строго очерченную семантику параллельной работы нескольких клиентов, в случае если они одновременно пытаются дописать данные в один и тот же файл. При этом может случиться так, что поступят одновременно сотни запросов на запись в один файл. Для того чтобы справится с этим, используется атомарность операций добавления данных в файл, с некоторой синхронизацией. То есть если поступит операция на чтение, то она будет выполняться, либо до очередной операции записи, либо после.
Высокая пропускная способность является более предпочтительной, чем маленькая задержка. Так, большинство приложений в Google отдают предпочтение работе с большими объемами данных, на высокой скорости, а выполнение отдельно взятой операции чтения и записи, вообще говоря, может быть растянуто.

Файлы в GFS организованы иерархически, при помощи каталогов, как и в любой другой файловой системе, и идентифицируются своим путем. С файлами в GFS можно выполнять обычные операции: создание, удаление, открытие, закрытие, чтение и запись.
Более того, GFS поддерживает резервные копии, или снимки (snapshot). Можно создавать такие резервные копии для файлов или дерева директорий, причем с небольшими затратами.

Архитектура GFS

Рисунок взят из оригинальной статьи.

В системе существуют мастер-сервера и чанк-сервера, собственно, хранящие данные. Как правило, GFS кластер состоит из одной главной машины мастера (master) и множества машин, хранящих фрагменты файлов чанк-серверы (chunkservers). Клиенты имеют доступ ко всем этим машинам. Файлы в GFS разбиваются на куски - чанки (chunk, можно сказать фрагмент). Чанк имеет фиксированный размер, который может настраиваться. Каждый такой чанк имеет уникальный и глобальный 64 - битный ключ, который выдается мастером при создании чанка. Чанк-серверы хранят чанки, как обычные Linux файлы, на локальном жестком диске. Для надежности каждый чанк может реплицироваться на другие чанк-серверы. Обычно используются три реплики.
Мастер отвечает за работу с метаданными всей файловой системы. Метаданные включают в себя пространства имен, информацию о контроле доступа к данным, отображение файлов в чанки, и текущее положение чанков. Также мастер контролирует всю глобальную деятельность системы такую, как управление свободными чанками, сборка мусора (сбор более ненужных чанков) и перемещение чанков между чанк-серверами. Мастер постоянно обменивается сообщениями (HeartBeat messages) с чанк-серверами, чтобы отдать инструкции, и определить их состояние (узнать, живы ли еще).
Клиент взаимодействует с мастером только для выполнения операций, связанных с метаданными. Все операции с самими данными производятся напрямую с чанк-серверами. GFS - система не поддерживает POSIX API, так что разработчикам не пришлось связываться с VNode уровнем Linux.
Разработчики не используют кеширование данных, правда, клиенты кешируют метаданные. На чанк-серверах операционная система Linux и так кеширует наиболее используемые блоки в памяти. Вообще, отказ от кеширования позволяет не думать о проблеме валидности кеша (cache coherence).

Мастер

Использование одного мастера существенно упрощает архитектуру системы. Позволяет производить сложные перемещения чанков, организовывать репликации, используя глобальные данные. Казалось бы, что наличие только одного мастера должно являться узким местом системы, но это не так. Клиенты никогда не читают и не пишут данные через мастера. Вместо этого они спрашивают у мастера, с каким чанк-сервером они должны контактировать, а далее они общаются с чанк-серверами напрямую.
Рассмотрим, как происходит чтение данных клиентом. Сначала, зная размер чанка,
имя файла и смещение относительно начала файла, клиент определяет номер чанка внутри файла. Затем он шлет запрос мастеру, содержащий имя файла и номер чанка в этом файле. Мастер выдает чанк-серверы, по одному в каждой реплике, которые хранят нужный нам чанк. Также мастер выдает клиенту идентификатор чанка.
Затем клиент решает, какая из реплик ему нравится больше (как правило та, которая ближе), и шлет запрос, состоящий из чанка и смещения относительно начала чанка. Дальнейшее чтения данных, не требует вмешательства мастера. На практике, как правило, клиент в один запрос на чтение включает сразу несколько чанков, и мастер дает координаты каждого из чанков в одном ответе.
Размер чанка является важной характеристикой системы. Как правило, он устанавливается равным 64 мегабайт, что гораздо больше, чем размер блока в обычной файловой системе. Понятно, что если необходимо хранить много файлов, размеры которых меньше размера чанка, то будем расходоваться много лишней памяти. Но выбор такого большого размера чанка обусловлен задачами, которые приходится компании Google решать на своих кластерах. Как правило, что-то считать приходится для всех документов в интернете, и поэтому файлы в этих задачах очень большого размера.

Метаданные

Мастер хранит три важных вида метаданных: пространства имен файлов и чанков, отображение файла в чанки и положение реплик чанков. Все метаданные хранятся в памяти мастера. Так как метаданные хранятся в памяти, операции мастера выполняются быстро. Состояние дел в системе мастер узнает просто и эффективно. Он выполняется сканирование чанк-серверов в фоновом режиме. Эти периодические сканирования используются для сборки мусора, дополнительных репликаций, в случае обнаружения недоступного чанк-сервера и перемещение чанков, для балансировки нагрузки и свободного места на жестких дисках чанк-серверов.
Мастер отслеживает положение чанков. При старте чанк-сервера мастер запоминает его чанки. В процессе работы мастер контролирует все перемещения чанков и состояния чанк-серверов. Таким образом, он обладает всей информацией о положении каждого чанка.
Важная часть метаданных - это лог операций. Мастер хранит последовательность операций критических изменений метаданных. По этим отметкам в логе операций, определяется логическое время системы. Именно это логическое время определяет версии файлов и чанков.
Так как лог операций важная часть, то он должен надежно храниться, и все изменения в нем должны становиться видимыми для клиентов, только когда изменятся метаданные. Лог операций реплицируется на несколько удаленных машин, и система реагирует на клиентскую операцию, только после сохранения этого лога на диск мастера и диски удаленных машин.
Мастер восстанавливает состояние системы, исполняя лог операций. Лог операций сохраняет относительно небольшой размер, сохраняя только последние операции. В процессе работы мастер создает контрольные точки, когда размер лога превосходит некоторой величины, и восстановить систему можно только до ближайшей контрольной точки. Далее по логу можно заново воспроизвести некоторые операции, таким образом, система может откатываться до точки, которая находится между последней контрольной точкой и текущем временем.

Взаимодействия внутри системы

Выше была описана архитектура системы, которая минимизирует вмешательства мастера в выполнение операций. Теперь же рассмотрим, как взаимодействуют клиент, мастер и чанк-серверы для перемещения данных, выполнения атомарных операций записи, и создания резервной копии (snapshot).
Каждое изменение чанка должно дублироваться на всех репликах и изменять метаданные. В GFS мастер дает чанк во владение (lease) одному из серверов, хранящих этот чанк. Такой сервер называется первичной (primary) репликой. Остальные реплики объявляются вторичными (secondary). Первичная реплика собирает последовательные изменения чанка, и все реплики следуют этой последовательности, когда эти изменения происходят.
Механизм владения чанком устроен таким образом, чтобы минимизировать нагрузку на мастера. При выделении памяти сначала выжидается 60 секунд. А затем, если потребуется первичная реплика может запросить мастера на расширение этого интервала и, как правило, получает положительный ответ. В течение этого выжидаемого периода мастер может отменить изменения.
Рассмотрим подробно процесс записи данных. Он изображен по шагам на рисунке, при этом тонким линиям соответствуют потоки управления, а жирным потоки данных.

Этот рисунок также взят из оригинальной статьи.

Клиент спрашивает мастера, какой из чанк-серверов владеет чанком, и где находится этот чанк в других репликах. Если необходимо, то мастер отдает чанк кому-то во владение.
Мастер в ответ выдает первичную реплику, и остальные (вторичные) реплики. Клиент хранит эти данные для дальнейших действий. Теперь, общение с мастером клиенту может понадобиться только, если первичная реплика станет недоступной.
Далее клиент отсылает данные во все реплики. Он может это делать в произвольном порядке. Каждый чанк-сервер будет их хранить в специальном буфере, пока они не понадобятся или не устареют.
Когда все реплики примут эти данные, клиент посылает запрос на запись первичной реплике. В этом запросе содержатся идентификация данных, которые были посланы в шаге 3. Теперь первичная реплика устанавливает порядок, в котором должны выполняться все изменения, которые она получила, возможно от нескольких клиентов параллельно. И затем, выполняет эти изменения локально в этом определенном порядке.
Первичная реплика пересылает запрос на запись всем вторичным репликам. Каждая вторичная реплика выполняет эти изменения в порядке, определенном первичной репликой.
Вторичные реплики рапортуют об успешном выполнении этих операций.
Первичная реплика шлет ответ клиенту. Любые ошибки, возникшие в какой-либо реплике, также отсылаются клиенту. Если ошибка возникла при записи в первичной реплике, то и запись во вторичные реплики не происходит, иначе запись произошла в первичной реплике, и подмножестве вторичных. В этом случае клиент обрабатывает ошибку и решает, что ему дальше с ней делать.

Из примера выше видно, что создатели разделили поток данных и поток управления. Если поток управления идет только в первичную реплику, то поток данных идет во все реплики. Это сделано, чтобы избежать создания узких мест в сети, а взамен широко использовать пропускную способность каждой машины. Так же, чтобы избежать узких мест и перегруженных связей, используется схема передачи ближайшему соседу по сетевой топологии. Допустим, что клиент передает данные чанк-серверам S1 ,..., S4 . Клиент шлет ближайшему серверу данные, пусть S1 . Он далее пересылает ближайшему серверу, пусть будет S2 . Далее S2 пересылает их ближайшему S3 или S4 , и так далее.
Также задержка минимизируется за счет использования конвейеризации пакетов передаваемых данных по TCP . То есть, как только чанк-сервер получил какую-то часть данных, он немедленно начинает их пересылать. Без сетевых заторов, идеальное время рассылки данных объемом B байт на R реплик будет B/T + RL , где T сетевая пропускная способность, а L - задержка при пересылке одного байта между двумя машинами.
GFS поддерживает такую операцию, как атомарное добавление данных в файл. Обычно, при записи каких-то данных в файл, мы указываем эти данные и смещение. Если несколько клиентов производят подобную операцию, то эти операции нельзя переставлять местами (это может привести к некорректной работе). Если же мы просто хотим дописать данные в файл, то в этом случае мы указываем только сами данные. GFS добавит их атомарной операцией. Вообще говоря, если операция не выполнилась на одной из вторичных реплик, то GFS , вернет ошибку, а данные будут на разных репликах различны.
Еще одна интересная вещь в GFS - это резервные копии (еще можно сказать мгновенный снимок) файла или дерева директорий, которые создаются почти мгновенно, при этом, почти не прерывая выполняющиеся операции в системе. Это получается за счет технологии похожей на сopy on write . Пользователи используют эту возможность для создания веток данных или как промежуточную точку, для начала каких-то экспериментов.

Операции, выполняемые мастером

Мастер важное звено в системе. Он управляет репликациями чанков: принимает решения о размещении, создает новые чанки, а также координирует различную деятельность внутри системы для сохранения чанков полностью реплицированными, балансировки нагрузки на чанк-серверы и сборки неиспользуемых ресурсов.
В отличие от большинства файловых систем GFS не хранит состав файлов в директории. GFS логически представляет пространство имен, как таблицу, которая отображает каждый путь в метаданные. Такая таблица может эффективно храниться в памяти в виде бора (словаря этих самых путей). Каждая вершина в этом дереве (соответствует либо абсолютному пути к файлу, либо к директории) имеет соответствующие данные для блокировки чтения и записи(read write lock). Каждое операция мастера требует установления некоторых блокировок. В этом месте в системе используются блокировки чтения-записи. Обычно, если операция работает с /d1/d2/.../dn/leaf , то она устанавливает блокировки на чтение на /d1, /d1/d2, ..., d1/d2/.../dn и блокировку, либо на чтение, либо на запись на d1/d2/.../dn/leaf . При этом leaf может быть как директорией, так и файлом.
Покажем на примере, как механизм блокировок может предотвратить создание файла /home/user/foo во время резервного копирования /home/user в /save/user . Операция резервного копирования устанавливает блокировки на чтение на /home и /save , а так же блокировки на запись на /home/user и /save/user . Операция создания файла требует блокировки на чтение /home и /home/user , а также блокировки на запись на /home/user/foo . Таким образом, вторая операция не начнет выполняться, пока не закончит выполнение первая, так как есть конфликтующая блокировка на /home/user . При создании файла не требуется блокировка на запись родительской директории, достаточно блокировки на чтение, которая предотвращает удаление этой директории.
Кластеры GFS , являются сильно распределенными и многоуровневыми. Обычно, такой кластер имеет сотни чанк-серверов, расположенных на разных стойках. Эти сервера, вообще говоря, доступны для большого количества клиентов, расположенных в той же или другой стойке. Соединения между двумя машинами из различных стоек может проходить через один или несколько свитчей. Многоуровневое распределение представляет очень сложную задачу надежного, масштабируемого и доступного распространения данных.
Политика расположения реплик старается удовлетворить следующим свойствам: максимизация надежности и доступности данных и максимизация использование сетевой пропускной способности. Реплики должны быть расположены не только на разных дисках или разных машинах, но и более того на разных стойках. Это гарантирует, что чанк доступен, даже если целая стойка повреждена или отключена от сети. При таком расположении чтение занимает время приблизительно равное пропускной способности сети, зато поток данных при записи должен пройти через различные стойки.
Когда мастер создает чанк, он выбирает где разместить реплику. Он исходит из нескольких факторов:

Желательно поместить новую реплику на чанк-сервер с наименьшей средней загруженностью дисков. Это будет со временем выравнивать загруженность дисков на различных серверах.
Желательно ограничить число новых создаваемых чанков на каждом чанк-сервере. Несмотря на то, что создание чанка сама по себе быстрая операция, она подразумевает последующую запись данных в этот чанк, что уже является тяжелой операцией, и это может привести к разбалансировке объема трафика данных на разные части системы.
Как сказано выше, желательно распределить чанки среди разных стоек.

Как только число реплик падает ниже устанавливаемой пользователем величины, мастер снова реплицирует чанк. Это может случиться по нескольким причинам: чанк-сервер стал недоступным, один из дисков вышел из строя или увеличена величина, задающая число реплик. Каждому чанку, который должен реплицироваться, устанавливается приоритет, который тоже зависит от нескольких факторов. Во-первых, приоритет выше у того чанка, который имеет наименьшее число реплик. Во-вторых, чтобы увеличить надежность выполнения приложений, увеличивается приоритет у чанков, которые блокируют прогресс в работе клиента
Мастер выбирает чанк с наибольшим приоритетом и копирует его, отдавая инструкцию одному из чанк-серверов, скопировать его с доступной реплики. Новая реплика располагается, исходя из тех же причин, что и при создании.
Во время работы мастер постоянно балансирует реплики. В зависимости от распределения реплик в системе, он перемещает реплику для выравнивания загруженности дисков и балансировки нагрузки. Также мастер должен решать, какую из реплик стоит удалить. Как правило, удаляется реплика, которая находится на чанк-сервере с наименьшим свободным местом на жестких дисках.
Еще одна важная функция, лежащая на мастере - это сборка мусора. При удалении файла, GFS не требует мгновенного возвращения освободившегося дискового пространства. Он делает это во время регулярной сборки мусора, которая происходит как на уровне чанков, так и на уровне файлов. Авторы считают, что такой подход делает систему более простой и надежной.
При удалении файла приложением, мастер запоминает в логах этот факт, как и многие другие. Тем не менее, вместо требования немедленного восстановления освободившихся ресурсов, файл просто переименовывается, причем в имя файла добавляется время удаления, и он становится невидимым пользователю. А мастер, во время регулярного сканирования пространства имен файловой системы, реально удаляет все такие скрытые файлы, которые были удалены пользователем более трех дней назад (этот интервал настраивается). А до этого момента файл продолжает находиться в системе, как скрытый, и он может быть прочитан или переименован обратно для восстановления. Когда скрытый файл удаляется мастером, то информация о нем удаляется также из метаданных, а все чанки этого файла отцепляются от него.
Мастер помимо регулярного сканирования пространства имен файлов делает аналогичное сканирование пространства имен чанков. Мастер определяет чанки, которые отсоединены от файла, удаляет их из метаданных и во время регулярных связей с чанк-серверами передает им сигнал о возможности удаления всех реплик, содержащих заданный чанк. У такого подхода к сборке мусора много преимуществ, при одном недостатке: если место в системе заканчивается, а отложенное удаление увеличивает неиспользуемое место, до момента самого физического удаления. Зато есть возможность восстановления удаленных данных, возможность гибкой балансировки нагрузки при удалении и возможность восстановления системы, в случае каких-то сбоев.

Устойчивость к сбоям и диагностика ошибок

Авторы системы считают одной из наиболее сложных проблем частые сбои работы компонентов системы. Количество и качество компонентов делают эти сбои не просто исключением, а скорее нормой. Сбой компонента может быть вызван недоступностью этого компонента или, что хуже, наличием испорченных данных. GFS поддерживает систему в рабочем виде при помощи двух простых стратегий: быстрое восстановление и репликации.
Быстрое восстановление - это, фактически, перезагрузка машины. При этом время запуска очень маленькое, что приводит к маленькой заминке, а затем работа продолжается штатно. Про репликации чанков уже говорилось выше. Мастер реплицирует чанк, если одна из реплик стала недоступной, либо повредились данные, содержащие реплику чанка. Поврежденные чанки определяется при помощи вычисления контрольных сумм.
Еще один вид репликаций в системе, про который мало было сказано - это репликация мастера. Реплицируется лог операций и контрольные точки (checkpoints). Каждое изменение файлов в системе происходит только после записи лога операций на диски мастером, и диски машин, на которые лог реплицируется. В случае небольших неполадок мастер может перезагрузиться. В случае проблем с жестким диском или другой жизненно важной инфраструктурой мастера, GFS стартует нового мастера, на одной из машин, куда реплицировались данные мастера. Клиенты обращаются к мастеру по DNS, который может быть переназначен новой машине. Новый мастер является тенью старого, а не точной копией. Поэтому у него есть доступ к файлам только для чтения. То есть он не становится полноценным мастером, а лишь поддерживает лог операций и другие структуры мастера.
Важной частью системы является возможность поддерживать целостность данных. Обычный GFS кластер состоит из сотен машин, на которых расположены тысячи жестких дисков, и эти диски при работе с завидным постоянством выходят из строя, что приводит к порче данных. Система может восстановить данные с помощью репликаций, но для этого необходимо понять испортились ли данные. Простое сравнение различных реплик на разных чанк-серверах является неэффективным. Более того, может происходить несогласованность данных между различными репликами, ведущая к различию данных. Поэтому каждый чанк-сервер должен самостоятельно определять целостность данных.
Каждый чанк разбивается на блоки длиной 64 Кбайт . Каждому такому блоку соответствует 32 -битная контрольная сумма. Как и другие метаданные эти суммы хранятся в памяти, регулярно сохраняются в лог, отдельно от данных пользователя.
Перед тем как считать данные чанк-сервер проверяет контрольные суммы блоков чанка, которые пересекаются с затребованными данными пользователем или другим чанк-сервером. То есть чанк-сервер не распространяет испорченные данные. В случае несовпадения контрольных сумм, чанк-сервер возвращает ошибку машине, подавшей запрос, и рапортует о ней мастеру. Пользователь может считать данные из другой реплики, а мастер создает еще одну копию из данных другой реплики. После этого мастер дает инструкцию этому чанк-серверу об удалении этой испорченной реплики.
При добавлении новых данных, верификация контрольных сумм не происходит, а для блоков записывается новые контрольные суммы. В случае если диск испорчен, то это определится при попытке чтения этих данных. При записи чанк-сервер сравнивает только первый и последний блоки, пересекающиеся с границами, в которые происходит запись, поскольку часть данных на этих блоках не перезаписывается и необходимо проверить их целостность. Две главные цели.

Сетевая прозрачность.
Самая важная цель - обеспечить те же самые возможности доступа к файлам, распределенным по сети ЭВМ, которые обеспечиваются в системах разделения времени на централизованных ЭВМ.

Высокая доступность.
Другая важная цель - обеспечение высокой доступности. Ошибки систем или осуществление операций копирования и сопровождения не должны приводить к недоступности файлов.

Понятие файлового сервиса и файлового сервера .

Файловый сервис - это то, что файловая система предоставляет своим клиентам, т.е. интерфейс с файловой системой.
Файловый сервер - это процесс, который реализует файловый сервис.

Пользователь не должен знать, сколько файловых серверов имеется и где они расположены.

Так, как файловый сервер обычно является обычным пользовательским процессом, то в системе могут быть различные файловые серверы, предоставляющие различный сервис (например, UNIX файл сервис и MS-DOS файл сервис).

5.1 Архитектура распределенных файловых систем

Распределенная система обычно имеет два существенно отличающихся компонента - непосредственно файловый сервис и сервис директорий.

5.1.1 Интерфейс файлового сервера

Для любой файловой системы первый фундаментальный вопрос - что такое файл. Во многих системах, таких как UNIX и MS-DOS, файл - не интерпретируемая последовательность байтов. На многих централизованных ЭВМ (IBM/370) файл представляется последовательность записей, которую можно специфицировать ее номером или содержимым некоторого поля (ключом). Так, как большинство распределенных систем базируются на использовании среды UNIX и MS-DOS, то они используют первый вариант понятия файла.

Файл может иметь атрибуты (информация о файле, не являющаяся его частью). Типичные атрибуты - владелец, размер, дата создания и права доступа.

Важный аспект файловой модели - могут ли файлы модифицироваться после создания. Обычно могут, но есть системы с неизменяемыми файлами. Такие файлы освобождают разработчиков от многих проблем при кэшировании и размножении.

Защита обеспечивается теми же механизмами, что и в однопроцессорных ЭВМ - мандатами и списками прав доступа. Мандат - своего рода билет, выданный пользователю для каждого файла с указанием прав доступа. Список прав доступа задает для каждого файла список пользователей с их правами. Простейшая схема с правами доступа - UNIX схема, в которой различают три типа доступа (чтение, запись, выполнение), и три типа пользователей (владелец, члены его группы, и прочие).

Файловый сервис может базироваться на одной из двух моделей - модели загрузки/разгрузки и модели удаленного доступа . В первом случае файл передается между клиентом (памятью или дисками) и сервером целиком, а во втором файл сервис обеспечивает множество операций (открытие, закрытие, чтение и запись части файла, сдвиг указателя, проверку и изменение атрибутов, и т.п.). Первый подход требует большого объема памяти у клиента, затрат на перемещение ненужных частей файла. При втором подходе файловая система функционирует на сервере, клиент может не иметь дисков и большого объема памяти.

5.1.2 Интерфейс сервера директорий

Обеспечивает операции создания и удаления директорий, именования и переименования файлов, перемещение файлов из одной директории в другую.

Определяет алфавит и синтаксис имен. Для спецификации типа информации в файле используется часть имени (расширение) либо явный атрибут.

Все распределенные системы позволяют директориям содержать поддиректории - такая файловая система называется иерархической . Некоторые системы позволяют создавать указатели или ссылки на произвольные директории, которые можно помещать в директорию. При этом можно строить не только деревья, но и произвольные графы (разница между ними очень важна для распределенных систем, поскольку в случае графа удаление связи может привести к появлению недостижимых поддеревьев. Обнаруживать такие поддеревья в распределенных системах очень трудно).

Ключевое решение при конструировании распределенной файловой системы - должны или не должны машины (или процессы) одинаково видеть иерархию директорий. Тесно связано с этим решением наличие единой корневой директории (можно иметь такую директорию с поддиректориями для каждого сервера).

Прозрачность именования .
Две формы прозрачности именования различают - прозрачность расположения (/server/d1/f1) и прозрачность миграции (когда изменение расположения файла не требует изменения имени).

Имеются три подхода к именованию:

машина + путь;
монтирование удаленных файловых систем в локальную иерархию файлов;
единственное пространство имен, которое выглядит одинаково на всех машинах.

Последний подход необходим для достижения того, чтобы распределенная система выглядела как единый компьютер, однако он сложен и требует тщательного проектирования.

Двухуровневое именование .
Большинство систем используют ту или иную форму двухуровневого именования. Файлы (и другие объекты) имеют символические имена для пользователей, но могут также иметь внутренние двоичные имена для использования самой системой. Например, в операции открыть файл пользователь задает символическое имя, а в ответ получает двоичное имя, которое и использует во всех других операциях с данным файлом. Способы формирования двоичных имен различаются в разных системах:

если имеется несколько не ссылающихся друг на друга серверов (директории не содержат ссылок на объекты других серверов), то двоичное имя может быть то же самое, что и в ОС UNIX;
имя может указывать на сервер и файл;
в качестве двоичных имен при просмотре символьных имен возвращаются мандаты, содержащие помимо прав доступа либо физический номер машины с сервером, либо сетевой адрес сервера, а также номер файла.

В ответ на символьное имя некоторые системы могут возвращать несколько двоичных имен (для файла и его дублей), что позволяет повысить надежность работы с файлом.

5.1.3 Семантика разделения файлов

UNIX-семантика
Естественная семантика однопроцессорной ЭВМ - если за операцией записи следует чтение, то результат определяется последней из предшествующих операций записи. В распределенной системе такой семантики достичь легко только в том случае, когда имеется один файл-сервер, а клиенты не имеют кэшей. При наличии кэшей семантика нарушается. Надо либо сразу все изменения в кэшах отражать в файлах, либо менять семантику разделения файлов.

Неизменяемые файлы - очень радикальный подход к изменению семантики разделения файлов.
Только две операции - создать и читать. Можно заменить новым файлом старый - т.е. можно менять директории. Если один процесс читает файл, а другой его подменяет, то можно позволить первому процессу доработать со старым файлом в то время, как другие процессы могут уже работать с новым. Семантика сессий Изменения открытого файла видны только тому процессу (или машине), который производит эти изменения, а лишь после закрытия файла становятся видны другим процессам (или машинам). Что происходит, если два процесса одновременно работали с одним файлом - либо результат будет определяться процессом, последним закрывшим файл, либо можно только утверждать, что один из двух вариантов файла станет текущим.

Транзакции
Процесс выдает операцию НАЧАЛО ТРАНЗАКЦИИ, сообщая тем самым, что последующие операции должны выполняться без вмешательства других процессов. Затем выдает последовательность чтений и записей, заканчивающуюся операцией КОНЕЦ ТРАНЗАКЦИИ. Если несколько транзакций стартуют в одно и то же время, то система гарантирует, что результат будет таким, каким бы он был в случае последовательного выполнения транзакций (в неопределенном порядке). Пример - банковские операции.

5.2 Реализация распределенных файловых систем

Выше были рассмотрены аспекты распределенных файловых систем, которые видны пользователю. Ниже рассматриваются реализационные аспекты.

5.2.1 Использование файлов

Приступая к реализации очень важно понимать, как система будет использоваться. Приведем результаты некоторых исследований использования файлов (статических и динамических) в университетах. Очень важно оценивать представительность исследуемых данных.

большинство файлов имеют размер менее 10К (следует перекачивать целиком).
чтение встречается гораздо чаще записи (кэширование).
чтение и запись последовательны, произвольный доступ редок (упреждающее кэширование, чтение с запасом, выталкивание после записи следует группировать).
большинство файлов имеют короткое время жизни (создавать файл в клиенте и держать его там до уничтожения).
мало файлов разделяются (кэширование в клиенте и семантика сессий).
существуют различные классы файлов с разными свойствами (следует иметь в системе разные механизмы для разных классов).

5.2.2 Структура системы

Есть ли разница между клиентами и серверами ? Имеются системы, где все машины имеют одно и то же ПО и любая машина может предоставлять файловый сервис. Есть системы, в которых серверы являются обычными пользовательскими процессами и могут быть сконфигурированы для работы на одной машине с клиентами или на разных. Есть системы, в которых клиенты и серверы являются фундаментально разными машинами с точки зрения аппаратуры или ПО (требуют различных ОС, например).

Второй вопрос - должны ли быть файловый сервер и сервер директорий отдельными серверами или быть объединенными в один сервер. Разделение позволяет иметь разные серверы директорий (UNIX, MS-DOS) и один файловый сервер. Объединение позволяет сократить коммуникационные издержки.

В случае разделения серверов и при наличии разных серверов директорий для различных поддеревьев возникает следующая проблема. Если первый вызванный сервер будет поочередно обращаться ко всем следующим, то возникают большие коммуникационные расходы. Если же первый сервер передает остаток имени второму, а тот третьему, и т.д., то это не позволяет использовать RPC.

Возможный выход - использование кэша подсказок. Однако в этом случае при получении от сервера директорий устаревшего двоичного имени клиент должен быть готов получить отказ от файлового сервера и повторно обращаться к серверу директорий (клиент может не быть конечным пользователем!).

Последний важный вопрос - должны ли серверы хранить информацию о клиентах.

Серверы с состоянием . Достоинства.

Короче сообщения (двоичные имена используют таблицу открытых файлов).
выше эффективность (информация об открытых файлах может храниться в оперативной памяти).
блоки информации могут читаться с упреждением.
убедиться в достоверности запроса легче, если есть состояние (например, хранить номер последнего запроса).
возможна операция захвата файла.

Серверы без состояния . Достоинства.

устойчивость к ошибкам.
не требуется операций ОТКРЫТЬ/ЗАКРЫТЬ.
не требуется память для таблиц.
нет ограничений на число открытых файлов.
нет проблем при крахе клиента.

5.2.3 Кэширование

В системе клиент-сервер с памятью и дисками есть четыре потенциальных места для хранения файлов или их частей.

Во-первых, хранение файлов на дисках сервера. Нет проблемы когерентности, так как одна копия файла существует. Главная проблема - эффективность, поскольку для обмена с файлом требуется передача информации в обе стороны и обмен с диском.

Кэширование в памяти сервера. Две проблемы - помещать в кэш файлы целиком или блоки диска, и как осуществлять выталкивание из кэша.

Коммуникационные издержки остаются.

Избавиться от коммуникаций позволяет кэширование в машине клиента.

Кэширование на диске клиента может не дать преимуществ перед кэшированием в памяти сервера, а сложность повышается значительно.

Поэтому рассмотрим подробнее организацию кэширования в памяти клиента.

кэширование в каждом процессе. (Хорошо, если c файлом активно работает один процесс - многократно открывает и закрывает файл, читает и пишет, например в случае процесса базы данных).
кэширование в ядре. (Накладные расходы на обращение к ядру).
кэш-менеджер в виде отдельного процесса. (Ядро освобождается от функций файловой системы, но на пользовательском уровне трудно эффективно использовать память, особенно в случае виртуальной памяти. Возможна фиксация страниц, чтобы избежать обменов с диском).

Оценить выбор того или иного способа можно только при учете характера приложений и данных о быстродействии процессоров, памятей, дисков и сети.

Когерентность кэшей.

Алгоритм со сквозной записью .
Необходимость проверки, не устарела ли информация в кэше. Запись вызывает коммуникационные расходы (MS-DOS).

Алгоритм с отложенной записью .
Через регулярные промежутки времени все модифицированные блоки пишутся в файл. Эффективность выше, но семантика непонятная пользователю (UNIX).

Алгоритм записи в файл при закрытии файла .
Реализует семантику сессий. Не намного хуже случая, когда два процесса на одной ЭВМ открывают файл, читают его, модифицируют в своей памяти и пишут назад в файл.

Алгоритм централизованного управления .
Можно выдержать семантику UNIX, но не эффективно, ненадежно, и плохо масштабируется.

5.2.4 Размножение

Система может предоставлять такой сервис, как поддержание для указанных файлов нескольких копий на различных серверах. Главные цели:

Повысить надежность.
Повысить доступность (крах одного сервера не вызывает недоступность размноженных файлов.
Распределить нагрузку на несколько серверов.
Явное размножение (непрозрачно). В ответ на открытие файла пользователю выдаются несколько двоичных имен, которые он должен использовать для явного дублирования операций с файлами.
Ленивое размножение. Одна копия создается на одном сервере, а затем он сам автоматически создает (в свободное время) дополнительные копии и обеспечивает их поддержание.
Симметричное размножение. Все операции одновременно вызываются в нескольких серверах и одновременно выполняются.

Протоколы коррекции.
Просто посылка сообщений с операцией коррекции каждой копии является не очень хорошим решением, поскольку в случае аварий некоторые копии могут остаться не скорректированными. Имеются два алгоритма, которые решают эту проблему.

Метод размножения главной копии. Один сервер объявляется главным, а остальные - подчиненными. Все изменения файла посылаются главному серверу. Он сначала корректирует свою локальную копию, а затем рассылает подчиненным серверам указания о коррекции. Чтение файла может выполнять любой сервер. Для защиты от краха главного сервера до завершения всех коррекций, до выполнения коррекции главной копии главный сервер запоминает в стабильной памяти задание на коррекцию. Слабость - выход из строя главного сервера не позволяет выполнять коррекции.
Метод голосования. Идея - запрашивать чтение и запись файла у многих серверов (запись - у всех!). Запрос может получить одобрение у половины серверов плюс один. При этом должно быть согласие относительно номера текущей версии файла. Этот номер увеличивается на единицу с каждой коррекцией файла. Можно использовать различные значения для кворума чтения (Nr) и кворума записи (Nw). При этом должно выполняться соотношение Nr+Nw>N. Поскольку чтение является более частой операцией, то естественно взять Nr=1. Однако в этом случае для кворума записи потребуются все серверы.

5.2.5 Пример: Sun Microsystems Network File System (NFS)

Изначально реализована Sun Microsystem в 1985 году для использования на своих рабочих станций на базе UNIX. В настоящее время поддерживается также другими фирмами для UNIX и других ОС (включая MS-DOS). Интересны следующие аспекты NFS - архитектура, протоколы и реализация. Архитектура NFS. Позволяет иметь произвольное множество клиентов и серверов на произвольных ЭВМ локальной или широкомасштабной сети.

Каждый сервер экспортирует некоторое число своих директорий для доступа к ним удаленных клиентов. При этом экспортируются директории со всеми своими поддиректориями, т.е. фактически поддеревья. Список экспортируемых директорий хранится в специальном файле, что позволяет при загрузке сервера автоматически их экспортировать.

Клиент получает доступ к экспортированным директориям путем их монтирования. Если клиент не имеет дисков, то может монтировать директории в свою корневую директорию.

Если несколько клиентов одновременно смонтировали одну и ту же директорию, то они могут разделять файлы в общей директории без каких либо дополнительных усилий. Простота - достоинство NFS. Протоколы NFS. Поскольку одна из целей NFS - поддержка гетерогенных систем, клиенты и серверы могут работать на разных ЭВМ с различной архитектурой и различными ОС. Поэтому необходимо иметь строгие протоколы их взаимодействия. NFS имеет два таких протокола.
Первый протокол поддерживает монтирование . Клиент может послать серверу составное имя директории (имя пути) и попросить разрешения на ее монтирование. Куда будет монтировать директорию клиент для сервера значения не имеет и поэтому не сообщается ему. Если путь задан корректно и директория определена как экпортируемая, то сервер возвращает клиенту дескриптор директории. Дескриптор содержит поля, уникально идентифицирующие тип ЭВМ, диск, номер i-вершины (понятие ОС UNIX) для данной директории, а также информацию о правах доступа к ней. Этот дескриптор используется клиентом в последующих операциях с директорией.

Многие клиенты монтируют требуемые удаленные директории автоматически при запуске (используя командную процедуру shell-интерпретатора ОС UNIX).

Версия ОС UNIX, разработанная Sun (Solaris), имеет свой специальный режим автоматического монтирования. С каждой локальной директорией можно связать множество удаленных директорий. Когда открывается файл, отсутствующий в локальной директории, ОС посылает запросы всем серверам (владеющим указанными директориями). Кто ответит первым, директория того и будет смонтирована. Такой подход обеспечивает и надежность, и эффективность (кто свободнее, тот раньше и ответит). При этом подразумевается, что все альтернативные директории идентичны. Поскольку NFS не поддерживает размножение файлов или директорий, то такой режим автоматического монтирования в основном используется для директорий с кодами программ или других редко изменяемых файлов.

Второй протокол - для доступа к директориям и файлам. Клиенты посылают сообщения, чтобы манипулировать директориями, читать и писать файлы. Можно получить атрибуты файла. Поддерживается большинство системных вызовов ОС UNIX, исключая OPEN и CLOSE. Для получения дескриптора файла по его символическому имени используется операция LOOKUP, отличающаяся от открытия файла тем, что никаких внутренних таблиц не создается. Таким образом, серверы в NFS не имеют состояния (stateless). Поэтому для захвата файла используется специальный механизм.

NFS использует механизм защиты UNIX. В первых версиях все запросы содержали идентификатор пользователя и его группы (для проверки прав доступа). Несколько лет эксплуатации системы показали слабость такого подхода. Теперь используется криптографический механизм с открытыми ключами для проверки законности каждого запроса и ответа. Данные не шифруются.

Все ключи, используемые для контроля доступа, поддерживаются специальным сервисом (и серверами) - сетевым информационным сервисом (NIS). Храня пары (ключ, значение), сервис обеспечивает выдачу значения кода при правильном подтверждении ключей. Кроме того, он обеспечивает отображение имен машин на их сетевые адреса, и другие отображения. NIS-серверы используют схему главный -подчиненные для реализации размножения (ленивое размножение). Реализация NFS (XDR - External Data Represantation)

Задача уровня виртуальной файловой системы - поддерживать для каждого открытого файла строку в таблице (v-вершину), аналогичную i-вершине UNIX. Эта строка позволяет различать локальные файлы от удаленных. Для удаленных файлов вся необходимая информация хранится в специальной r-вершине в NFS-клиенте, на которую ссылается v-вершина. У сервера нет никаких таблиц.

Передачи информации между клиентом и сервером NFS производятся блоками размером 8К (для эффективности).

Два кэша - кэш данных и кэш атрибутов файлов (обращения к ним очень часты, разработчики NFS исходили из оценки 90%). Реализована семантика отложенной записи - предмет критики NFS.

Имеется также кэш подсказок для ускорения получения v-вершины по символическому имени. При использовании устаревшей подсказки NFS-клиент будет обращаться к NFS-серверу и корректировать свой кэш (пользователь об этом ничего не должен знать).

Лаборатория Параллельных Информационных Технологий, НИВЦ МГУ