網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)與 Linux
網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）是文件系統(tǒng)之上的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)抽象。他是 NFS 是在 UNIX 和 Linux 系統(tǒng)中***的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，用來(lái)允許遠(yuǎn)程客戶(hù)端以與本地文件系統(tǒng)類(lèi)似的方式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn)。雖然 NFS 不是***個(gè)此類(lèi)系統(tǒng)，但是它已經(jīng)發(fā)展并演變成 UNIX 系統(tǒng)中***大最廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)。NFS 允許在多個(gè)用戶(hù)之間共享公共文件系統(tǒng)，并提供數(shù)據(jù)集中的優(yōu)勢(shì)，來(lái)最小化所需的存儲(chǔ)空間。
本文以 NFS 的簡(jiǎn)短歷史開(kāi)始，到它的起源，再到它如何演化。然后探索了 NFS架構(gòu)以及 NFS 的走向。
一、NFS 的簡(jiǎn)短歷史
***個(gè)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng) — 稱(chēng)為 File Access Listener — 由 Digital Equipment Corporation(DEC)在 1976 年開(kāi)發(fā)。Data Access Protocol(DAP)的實(shí)施，這是 DECnet 協(xié)議集的一部分。比如 TCP/IP，DEC 為其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)布了協(xié)議規(guī)范，包括 DAP。
NFS 是***個(gè)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(構(gòu)建于 IP 協(xié)議之上)。在 20 世紀(jì) 80 年代，它首先作為實(shí)驗(yàn)文件系統(tǒng)，由 Sun Microsystems 在內(nèi)部完成開(kāi)發(fā)。NFS 協(xié)議已歸檔為 Request for Comments(RFC)標(biāo)準(zhǔn)，并演化為大家熟知的 NFSv2。作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，由于 NFS 與其他客戶(hù)端和服務(wù)器的互操作能力而發(fā)展快速。
標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)地演化為 NFSv3，在 RFC 1813 中有定義。這一新的協(xié)議比以前的版本具有更好的可擴(kuò)展性，支持大文件(超過(guò) 2GB)，異步寫(xiě)入，以及將 TCP 作為傳輸協(xié)議，為文件系統(tǒng)在更廣泛的網(wǎng)絡(luò)中使用鋪平了道路。在 2000 年，RFC 3010(由 RFC 3530 修訂)將 NFS 帶入企業(yè)設(shè)置。Sun 引入了具有較高安全性，帶有狀態(tài)協(xié)議的 NFSv4(NFS 之前的版本都是無(wú)狀態(tài)的)。今天，NFS 是版本 4.1(由 RFC 5661 定義)，它增加了對(duì)跨越分布式服務(wù)器的并行訪問(wèn)的支持(稱(chēng)為 pNFS extension)。
NFS 的時(shí)間表，包括記錄其特性的特定 RFC ，都在圖 1 中有展示。
圖 1. NFS 協(xié)議的時(shí)間表
令人驚訝的是，NFS 已經(jīng)歷了幾乎 30 年的開(kāi)發(fā)。 它代表了一個(gè)非常穩(wěn)定的(及可移植)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，它可擴(kuò)展、高性能、并達(dá)到企業(yè)級(jí)質(zhì)量。由于網(wǎng)絡(luò)速度的增加和延遲的降低，NFS 一直是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供文件系統(tǒng)服務(wù)具有吸引力的選擇。甚至在本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中，虛擬化驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，來(lái)支持更多的移動(dòng)虛擬機(jī)。NFS 甚至支持***的計(jì)算模型，來(lái)優(yōu)化虛擬的基礎(chǔ)設(shè)施。
二、NFS 架構(gòu)
NFS 允許計(jì)算的客戶(hù) — 服務(wù)器模型(見(jiàn)圖 2)。服務(wù)器實(shí)施共享文件系統(tǒng)，以及客戶(hù)端所連接的存儲(chǔ)。客戶(hù)端實(shí)施用戶(hù)接口來(lái)共享文件系統(tǒng)，并加載到本地文件空間當(dāng)中。
圖 2. NFS 的客戶(hù)端 — 服務(wù)器架構(gòu)
在 Linux 中，虛擬文件系統(tǒng)交換(VFS)提供在一個(gè)主機(jī)上支持多個(gè)并發(fā)文件系統(tǒng)的方法(比如 CD-ROM 上的 International Organization for Standardization [ISO] 9660，以及本地硬盤(pán)上的 ext3fs )。VFS 確定需求傾向于哪個(gè)存儲(chǔ)，然后使用哪些文件系統(tǒng)來(lái)滿足需求。由于這一原因，NFS 是與其他文件系統(tǒng)類(lèi)似的可插拔文件系統(tǒng)。對(duì)于 NFS 來(lái)說(shuō)，唯一的區(qū)別是輸入/輸出(I/O)需求無(wú)法在本地滿足，而是需要跨越網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成。
一旦發(fā)現(xiàn)了為 NFS 指定的需求，VFS 會(huì)將其傳遞給內(nèi)核中的 NFS 實(shí)例。 NFS 解釋 I/O 請(qǐng)求并將其翻譯為 NFS 程序(OPEN、ACCESS、CREATE、READ、CLOSE、REMOVE 等等)。這些程序，歸檔在特定 NFS RFC 中，指定了 NFS 協(xié)議中的行為。一旦從 I/O 請(qǐng)求中選擇了程序，它會(huì)在遠(yuǎn)程程序調(diào)用(RPC)層中執(zhí)行。正如其名稱(chēng)所暗示的，RPC 提供了在系統(tǒng)間執(zhí)行程序調(diào)用的方法。它將封送 NFS 請(qǐng)求，并伴有參數(shù)，管理將它們發(fā)送到合適的遠(yuǎn)程對(duì)等級(jí)，然后管理并追蹤響應(yīng)，提供給合適的請(qǐng)求者。
進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，RPC 包括重要的互操作層，稱(chēng)為外部數(shù)據(jù)表示(XDR)，它確保當(dāng)涉及到數(shù)據(jù)類(lèi)型時(shí)，所有 NFS 參與者使用相同的語(yǔ)言。當(dāng)給定架構(gòu)執(zhí)行請(qǐng)求時(shí)，數(shù)據(jù)類(lèi)型表示可能不同于滿足需求的目標(biāo)主機(jī)上的數(shù)據(jù)類(lèi)型。XDR 負(fù)責(zé)將類(lèi)型轉(zhuǎn)換為公共表示(XDR)，便于所有架構(gòu)能夠與共享文件系統(tǒng)互操作。XDR 指定類(lèi)型字節(jié)格式(比如 float)和類(lèi)型的字節(jié)排序(比如修復(fù)可變長(zhǎng)數(shù)組)。雖然 XDR 以其在 NFS 中的使用而聞名，當(dāng)您在公共應(yīng)用程序設(shè)置中處理多個(gè)架構(gòu)時(shí)，它是一個(gè)有用的規(guī)范。
一旦 XDR 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為公共表示，需求就通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給出傳輸層協(xié)議。早期 NFS 采用 Universal Datagram Protocol(UDP)，但是，今天 TCP 因?yàn)槠鋬?yōu)越的可靠性而更加通用。
在服務(wù)器端，NFS 以相似的風(fēng)格運(yùn)行。需求到達(dá)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，通過(guò) RPC/XDR(將數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換為服務(wù)器架構(gòu)) 然后到達(dá) NFS 服務(wù)器。NFS 服務(wù)器負(fù)責(zé)滿足需求。需求向上提交給 NFS 守護(hù)進(jìn)程，它為需求標(biāo)示出目標(biāo)文件系統(tǒng)樹(shù)，并且 VFS 再次用于在本地存儲(chǔ)中獲取文件系統(tǒng)。整個(gè)流程在圖 3 中有展示。注意，服務(wù)器中的本地文件系統(tǒng)是典型的 Linux 文件系統(tǒng)(比如 ext4fs)。因此，NFS 不是傳統(tǒng)意義上的文件系統(tǒng)，而是訪問(wèn)遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)的協(xié)議。
圖 3. 客戶(hù)端和服務(wù)器 NFS 堆棧
對(duì)于高延遲網(wǎng)絡(luò)，NFSv4 實(shí)現(xiàn)稱(chēng)為 compound procedure 的程序。這一程序從本質(zhì)上允許在單個(gè)請(qǐng)求中嵌入多個(gè) RPC 調(diào)用，來(lái)最小化通過(guò)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的 transfer tax。它還為響應(yīng)實(shí)現(xiàn)回調(diào)模式。
三、NFS 協(xié)議
從客戶(hù)端的角度來(lái)說(shuō)，NFS 中的***個(gè)操作稱(chēng)為 mount。 Mount 代表將遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)加載到本地文件系統(tǒng)空間中。該流程以對(duì) mount(Linux 系統(tǒng)調(diào)用)的調(diào)用開(kāi)始，它通過(guò) VFS 路由到 NFS 組件。確認(rèn)了加載端口號(hào)之后(通過(guò) get_port 請(qǐng)求對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器 RPC 調(diào)用)，客戶(hù)端執(zhí)行 RPC mount 請(qǐng)求。這一請(qǐng)求發(fā)生在客戶(hù)端和負(fù)責(zé) mount 協(xié)議(rpc.mountd)的特定守護(hù)進(jìn)程之間。這一守護(hù)進(jìn)程基于服務(wù)器當(dāng)前導(dǎo)出文件系統(tǒng)來(lái)檢查客戶(hù)端請(qǐng)求;如果所請(qǐng)求的文件系統(tǒng)存在，并且客戶(hù)端已經(jīng)訪問(wèn)了，一個(gè) RPC mount 響應(yīng)為文件系統(tǒng)建立了文件句柄。客戶(hù)端這邊存儲(chǔ)具有本地加載點(diǎn)的遠(yuǎn)程加載信息，并建立執(zhí)行 I/O 請(qǐng)求的能力。這一協(xié)議表示一個(gè)潛在的安全問(wèn)題;因此，NFSv4 用內(nèi)部 RPC 調(diào)用替換這一輔助 mount 協(xié)議，來(lái)管理加載點(diǎn)。
要讀取一個(gè)文件，文件必須首先被打開(kāi)。在 RPC 內(nèi)沒(méi)有 OPEN 程序;反之，客戶(hù)端僅檢查目錄和文件是否存在于所加載的文件系統(tǒng)中。客戶(hù)端以對(duì)目錄的 GETATTR RPC 請(qǐng)求開(kāi)始，其結(jié)果是一個(gè)具有目錄屬性或者目錄不存在指示的響應(yīng)。接下來(lái)，客戶(hù)端發(fā)出 LOOKUP RPC 請(qǐng)求來(lái)查看所請(qǐng)求的文件是否存在。如果是，會(huì)為所請(qǐng)求的文件發(fā)出 GETATTR RPC 請(qǐng)求，為文件返回屬性。基于以上成功的 GETATTRs 和 LOOKUPs，客戶(hù)端創(chuàng)建文件句柄，為用戶(hù)的未來(lái)需求而提供的。
利用在遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)中指定的文件，客戶(hù)端能夠觸發(fā) READ RPC 請(qǐng)求。READ 包含文件句柄、狀態(tài)、偏移、和讀取計(jì)數(shù)。客戶(hù)端采用狀態(tài)來(lái)確定操作是否可執(zhí)行(那就是，文件是否被鎖定)。偏移指出是否開(kāi)始讀取，而計(jì)數(shù)指出所讀取字節(jié)的數(shù)量。服務(wù)器可能返回或不返回所請(qǐng)求字節(jié)的數(shù)量，但是會(huì)指出在 READ RPC 回復(fù)中所返回(隨著數(shù)據(jù))字節(jié)的數(shù)量。
四、NFS 中的創(chuàng)新
NFS 的兩個(gè)***版本(4 和 4.1)對(duì)于 NFS 來(lái)說(shuō)是最有趣和最重要的。讓我們來(lái)看一下 NFS 創(chuàng)新最重要的一些方面。
在 NFSv4 之前，存在一定數(shù)量的輔助協(xié)議用于加載、鎖定、和文件管理中的其他元素。NFSv4 將這***程簡(jiǎn)化為一個(gè)協(xié)議，并將對(duì) UDP 協(xié)議的支持作為傳輸協(xié)議移除。NFSv4 還集成支持 UNIX 和基于 Windows® 的文件訪問(wèn)語(yǔ)義，將本地集成 NFS 擴(kuò)展到其他操作系統(tǒng)中。
NFSv4.1 介紹針對(duì)更高擴(kuò)展性和更高性能的并行 NFS(pNFS)的概念。 要支持更高的可擴(kuò)展性，NFSv4.1 具有腳本，與集群化文件系統(tǒng)風(fēng)格類(lèi)似的拆分?jǐn)?shù)據(jù)/元數(shù)據(jù)架構(gòu)。如 圖 4 所展示的，pNFS 將生態(tài)系統(tǒng)拆分為三個(gè)部分：客戶(hù)端、服務(wù)器和存儲(chǔ)。您可看到存在兩個(gè)路徑：一個(gè)用于數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于控制。pNFS 將數(shù)據(jù)布局與數(shù)據(jù)本身拆分，允許雙路徑架構(gòu)。當(dāng)客戶(hù)想要訪問(wèn)文件時(shí)，服務(wù)器以布局響應(yīng)。布局描述了文件到存儲(chǔ)設(shè)備的映射。當(dāng)客戶(hù)端具有布局時(shí)，它能夠直接訪問(wèn)存儲(chǔ)，而不必通過(guò)服務(wù)器(這實(shí)現(xiàn)了更大的靈活性和更優(yōu)的性能)。當(dāng)客戶(hù)端完成文件操作時(shí)，它會(huì)提交數(shù)據(jù)(變更)和布局。如果需要，服務(wù)器能夠請(qǐng)求從客戶(hù)端返回布局。
pNFS 實(shí)施多個(gè)新協(xié)議操作來(lái)支持這一行為。LayoutGet 和 LayoutReturn 分別從服務(wù)器獲取發(fā)布和布局，而 LayoutCommit 將來(lái)自客戶(hù)端的數(shù)據(jù)提交到存儲(chǔ)庫(kù)，以便于其他用戶(hù)使用。服務(wù)器采用 LayoutRecall 從客戶(hù)端回調(diào)布局。布局跨多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備展開(kāi)，來(lái)支持并行訪問(wèn)和更高的性能。
圖 4. NFSv4.1 的 pNFS 架構(gòu)
數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在存儲(chǔ)區(qū)域中。客戶(hù)端可能執(zhí)行直接 I/O ，給出布局的回執(zhí)，而 NFSv4.1 服務(wù)器處理元數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)。雖然這一行為不一定是新的，pNFS 增加功能來(lái)支持對(duì)存儲(chǔ)的多訪問(wèn)方法。當(dāng)前，pNFS 支持采用基于塊的協(xié)議(光纖通道)，基于對(duì)象的協(xié)議，和 NFS 本身(甚至以非 pNFS 形式)。
通過(guò) 2010 年 9 月發(fā)布的對(duì) NFSv2 的請(qǐng)求，繼續(xù)開(kāi)展 NFS 工作。其中以新的提升定位了虛擬環(huán)境中存儲(chǔ)的變化。例如，數(shù)據(jù)復(fù)制與在虛擬機(jī)環(huán)境中非常類(lèi)似(很多操作系統(tǒng)讀取/寫(xiě)入和緩存相同的數(shù)據(jù))。由于這一原因，存儲(chǔ)系統(tǒng)從整體上理解復(fù)制發(fā)生在哪里是很可取的。這將在客戶(hù)端保留緩存空間，并在存儲(chǔ)端保存容量。NFSv4.2 建議用共享塊來(lái)處理這一問(wèn)題。因?yàn)榇鎯?chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始在后端集成處理功能，所以服務(wù)器端復(fù)制被引入，當(dāng)服務(wù)器可以高效地在存儲(chǔ)后端自己解決數(shù)據(jù)復(fù)制時(shí)，就能減輕內(nèi)部存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。其他創(chuàng)新出現(xiàn)了，包括針對(duì) flash 存儲(chǔ)的子文件緩存，以及針對(duì) I/O 的客戶(hù)端提示 (潛在地采用 mapadvise 作為路徑)。
五、NFS 的替代物
雖然 NFS 是在 UNIX 和 Linux 系統(tǒng)中***的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，但它當(dāng)然不是唯一的選擇。在 Windows系統(tǒng)中，ServerMessage Block [SMB](也稱(chēng)為 CIFS)是最廣泛使用的選項(xiàng)(如同 Linux 支持 SMB一樣，Windows 也支持 NFS)。
***的分布式文件系統(tǒng)之一，在 Linux 中也支持，是 Ceph。Ceph 設(shè)計(jì)為容錯(cuò)的分布式文件系統(tǒng)，它具有 UNIX 兼容的 Portable Operating System Interface(POSIX)。您可在 參考資料 中深入了解 Ceph。
其他例子包括 OpenAFS，是 Andrew 分布式文件系統(tǒng)的開(kāi)源版(來(lái)自 Carnegie Mellon 和 IBM)，GlusterFS，關(guān)注于可擴(kuò)展存儲(chǔ)的通用分布式文件系統(tǒng)，以及 Lustre，關(guān)注于集群計(jì)算的大規(guī)模并行分布式文件系統(tǒng)。所有都是用于分布式存儲(chǔ)的開(kāi)源軟件解決方案。
六、更進(jìn)一步
NFS 持續(xù)演變，并與 Linux 的演變類(lèi)似(支持低端、嵌入式、和高端性能)，NFS 為客戶(hù)和企業(yè)實(shí)施可擴(kuò)展存儲(chǔ)解決方案。關(guān)注 NFS 的未來(lái)可能會(huì)很有趣，但是根據(jù)歷史和近期的情況看，它將會(huì)改變?nèi)藗儾榭春褪褂梦募鎯?chǔ)的方法。
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