Реализация файловой системы NFS

Файловая система NFS (Network File System – сетевая файловая система) корпо­рации Sun Microsystems, использующуюся на всех современных системах UNIX (а также на некоторых не-UNIX системах) для объединения на логическом уров­не файловых систем отдельных сетевых машин в единое целое.

В основе файловой системы NFS лежит представление о том, что пользоваться общей файловой системой может произвольный набор клиентов и серверов. Во мно­гих случаях все клиенты и серверы располагаются на одной и той же локальной сети, хотя этого не требуется. Файловая система NFS может также работать в гло­бальной сети, если сервер находится далеко от клиента. Для простоты мы будем говорить о клиентах и серверах, как если бы они работали на различных машинах, хотя файловая система NFS позволяет каждой машине одновременно быть клиентом и сервером. Каждый сервер файловой системы NFS экспортирует один или несколько ее каталогов, предоставляя доступ к ним удаленным клиентам. Как правило, доступ к каталогу предоставляется вместе со всеми его подкаталогами, то есть все дерево каталогов экспортируется как единое целое. Список экспортируемых сервером каталогов хранится в файле /etc/fexports, таким образом, эти каталоги экспортиру­ются автоматически при загрузке сервера. Клиенты получают доступ к экспорти­руемым каталогам, монтируя эти каталоги. Когда клиент монтирует удаленный каталог, этот каталог становится частью иерархии каталогов клиента. У одного и того же файла могут быть различные имена на различных клиентах, так как их каталоги могут монтироваться в различных узлах каталоговых деревьев. Выбор узла, в котором монтируется уда­ленный каталог, целиком зависит от клиента. Сервер не знает, где клиент монти­рует его каталог.

Так как одна из целей файловой системы NFS заключается в поддержке разнород­ных систем, в которых клиенты и серверы могут работать под управлением раз­личных операционных систем и на различном оборудовании, существенно, чтобы интерфейс между клиентами и серверами был тщательно определен. Только в этом случае можно ожидать, что новый написанный клиент будет корректно работать с существующими серверами, и наоборот. В файловой системе NFS эта задача выполняется при помощи двух протоко­лов клиент-сервер. Протокол – это набор запросов, посылаемых клиентами сер­верам, и ответов серверов, посылаемых клиентам.

Первый протокол NFS управляет монтированием каталогов. Клиент может послать серверу путь к каталогу и запросить разрешение смонтировать этот каталог где-либо в своей иерархии каталогов. Данные о месте, в котором клиент намерева­ется смонтировать удаленный каталог, серверу не посылаются, так как серверу это безразлично. Если путь указан верно и указанный каталог был экспортирован, тогда сервер возвращает клиенту дескриптор файла, содержащий поля, однознач­но идентифицирующие тип файловой системы, диск, i-узел каталога и информа­цию о правах доступа. Этот дескриптор файла используется последующими обра­щениями чтения и записи к файлам в монтированном каталоге или в любом из его подкаталогов.

Во время загрузки операционная система UNIX, прежде чем перейти в много­пользовательский режим, запускает сценарий оболочки /etc/rc. В этом сценарии можно разместить команды монтировки файловых систем. Таким образом, все необходимые удаленные файловые системы будут автоматически смонтированы прежде, чем будет разрешена регистрация в системе. В качестве альтернативы в большинстве версий системы UNIX также поддерживается автомонтировка. Это свойство позволяет ассоциировать с локальным каталогом несколько удаленных каталогов. Ни один из этих удаленных каталогов не монтируется во время загруз­ки операционной системы (не происходит даже контакта с сервером). Вместо это­го при первом обращении к удаленному файлу (когда файл открывается) опера­ционная система посылает каждому серверу сообщение. Побеждает ответивший первым сервер, чей каталог и монтируется.

У автомонтировки есть два принципиальных преимущества перед статической монтировкой с использованием файла /etc/rc. Во-первых, если один из серверов, перечисленных в файле /etc/rc, окажется выключенным, запустить клиента будет невозможно, по крайней мере без определенных трудностей, задержки и большого количества сообщений об ошибках. Если пользователю в данный момент этот сервер не нужен, вся работа просто окажется напрасной. Во-вторых, предоставление кли­енту возможности связаться с несколькими серверами параллельно позволяет зна­чительно повысить устойчивость системы к сбоям (так как для работы достаточно всего одного работающего сервера) и улучшить показатели производи-тельности (так как первый ответивший сервер скорее всего окажется наименее загруженным). С другой стороны, при таком подходе неявно подразумевается, что все указан­ные как альтернативные файловые системы идентичны для автомонтировки. Так как файловая система NFS не предоставляет поддержки репликации файлов или каталогов, то следить за идентичностью всех файловых систем должен сам пользо­ватель. Поэтому автомонтировка, как правило, используется для файловых сис­тем, в которых клиенту разрешено только чтение. Такие файловые системы обыч­но содержат системные двоичные файлы, а также другие редко изменяемые файлы.

Второй протокол NFS предназначен для доступа к каталогам и файлам. Клиен­ты могут посылать серверам сообщения, содержащие команды управления ката­логами и файлами, что позволяет им создавать, удалять, читать и писать файлы. Кроме того, у клиентов есть доступ к атрибутам файла, таким как режим, размер и время последнего изменения файла. Файловой системой NFS поддерживается большинство системных вызовов операционной системы UNIX, за исключением системных вызовов open и close. Пропуск системных вызовов open и close не случаен. Это сделано намеренно. Нет необходимости открывать файл, прежде чем прочитать его. Также не нужно закрывать файл после того, как данные из него прочитаны. Вместо этого, чтобы прочитать файл, клиент посылает на сервер сообщение lookup, содержащее имя файла, с запросом найти этот файл и вернуть дескриптор файла, представляющий собой структуру, идентифицирующую файл (то есть содержащую идентификатор файловой системы и номер i-узла вместе с прочей информацией). В отличие от системного вызова open, операция lookup не копирует никакой информации во внутренние системные таблицы. Системному вызову read подается на входе деск­риптор файла, который предстоит прочитать, смещение в файле, а также количе­ство байтов, которые нужно прочитать. Таким образом, каждое сообщение явля­ется самодостаточным. Преимущество такой схемы заключается в том, что серверу не нужно помнить что-либо об открытых соединениях между обращениями к нему. Поэтому если на сервере произойдет сбой с последующей перезагрузкой, не будет потеряно никакой информации об открытых файлах, так как терять просто нече­го. Такие серверы называются серверами без состояния.

К сожалению, метод файловой системы NFS усложняет достижение точной файловой семантики системы UNIX. Например, в операционной системе UNIX файл может быть открыт и заблокирован, так что никакой другой процесс не сможет получить к этому файлу доступ. Когда файл закрывается, все его блокировки сни­маются. В сервере без состояния, как в файловой системе NFS, с открытыми фай­лами нельзя связать блокировку, так как сервер не знает, какие файлы открыты. Следовательно, в файловой системе NFS требуется отдельный специальный ме­ханизм осуществления блокировки.

Файловая система NFS использует стандартный механизм защиты UNIX с би­тами rwx для владельца, группы и всех прочих пользователей. Изначально каждое со­общение с запросом просто содержало идентификаторы пользователя и группы вызывающего процесса, которые сервер NFS использовал для проверки прав до­ступа. В настоящее время для установки надежного ключа для аутентификации клиента и сервера при каждом запросе и каждом отве­те можно использовать шифрование с открытым ключом. При этом злоумышлен­ник не сможет выдать себя за другого клиента (или другой сервер), так как ему неизвестен секретный ключ этого клиента (или сервера).

Хотя реализация программ клиента и сервера не зависит от протоколов NFS, в боль­шинстве систем UNIX используется их трехуровневая реализация. Верхний уровень представляет собой уровень системных вызовов. Он управляет такими системными вызовами, как open, read и close. После анализа системного вызова и проверки его параметров он вызывает второй уровень – уровень VFS (Virtual File System – виртуальная файловая система).

Задача уровня VFS заключается в управлении таблицей, содержащей по одной записи для каждого открытого файла, аналогичной таблице i-узлов для открытых файлов в системе UNIX. В обычной системе UNIX i-узел однозначно указывается парой: устройство – номер i-узла. Вместо этого уровень VFS содержит для каждо­го открытого файла записи, называемые v-узлами (virtual i-node – виртуальный i-узел). V-узлы используются, чтобы отличать локальные файлы от удаленных. Для удаленных файлов предоставляется информация, достаточная для доступа к ним. Для локальных файлов записываются сведения о файловой системе и i-узле, так как современные системы UNIX могут поддерживать несколько файловых систем (например, V7, Berkeley Fast, ext2, /proc, FAT и т. д.). Хотя уровень VFS был создан для поддержки файловой системы NFS, сегодня он поддерживается большинством современных систем UNIX как составная часть операционной сис­темы, даже если NFS не используется.

Чтобы понять, как используются v-узлы, рассмотрим выполнение последова­тельности системных вызовов mount, open и read. Чтобы смонтировать файловую систему, системный администратор (или сценарий /etc/rc) вызывает программу mount, указывая ей удаленный каталог, локальный каталог, в котором следует смонтировать удаленный каталог, и прочую информацию. Программа mount ана­лизирует имя удаленного каталога и обнаруживает имя сервера NFS, на котором располагается удаленный каталог. Затем она соединяется с этой машиной, запра­шивая у нее дескриптор удаленного каталога. Если этот каталог существует и его удаленное монтирование разрешено, сервер возвращает его дескриптор. Наконец, программа mount обращается к системному вызову mount, передавая ядру получен­ный от сервера дескриптор каталога. Затем ядро формирует для удаленного каталога v-узел и просит программу клиента NFS создать в своих внутренних таблицах r-узел (удален­ный i-узел) для хранения дескриптора файла. V-узел указывает на r-узел. Каждый v-узел на уровне VFS будет в конечном итоге содержать либо указатель на r-узел в программе клиента NFS, либо указатель на i-узел в одной из локальных файловых систем. По содержимому v-узла можно понять, является ли файл или каталог локальным или удаленным. Если он локальный, то может быть найдена соответствующая файловая система и i-узел. Если файл удаленный, может быть найден удаленный хост и дескриптор файла.

Когда на клиенте открывается удаленный файл, при анализе пути файла ядро обнаруживает каталог, в котором смонтирована удаленная файловая система. Оно видит, что этот каталог удаленный, а в v-узле каталога находит указатель на r-узел. Затем она просит программу клиента NFS открыть файл. Программа клиента NFS просматривает оставшуюся часть пути на удаленном сервере, ассоциированном с монтированным каталогом, и получает обратно дескриптор файла для него. Он создает в своих таблицах r-узел для удаленного файла и докладывает об этом уровню VFS, который помещает в свои таблицы v-узел для файла, указывающий на r-узел. Таким образом и в этом случае у каждого открытого файла или каталога есть v-узел, указывающий на r-узел или i-узел.

Вызывающему процессу выдается дескриптор удаленного файла. Этот дескрип­тор файла отображается на v-узел при помощи таблиц уровня VFS. Необходимо обратить вни­мание, что на сервере не создается никаких записей в таблицах. Хотя сервер готов предоставить дескрипторы файлов по запросу, он не следит за состоянием дескрип­торов файлов. Когда дескриптор файла присылается серверу для доступа к файлу, сервер проверяет дескриптор и использует его, если дескриптор действителен. При проверке может проверяться ключ аутентификации, содержащийся в заголовках вызова удаленной процедуры RPC.

Когда дескриптор файла используется в последующем системном вызове, на­пример read, уровень VFS находит соответствующий v-узел и по нему определяет, является ли он локальным или удаленным, а также какой i-узел или r-узел его опи­сывает. Затем он посылает серверу сообщение, содержащее дескриптор, смещение в файле (хранящееся на стороне клиента, а не сервера) и количество байтов. Для повышения эффективности обмен информацией между клиентом и сервером вы­полняется большими порциями, как правило, по 8192 байт, даже если запрашива­ется меньшее количество байтов.

Когда сообщение с запросом прибывает на сервер, оно передается там уровню VFS, который определяет файловую систему, содержащую файл. Затем уровень VFS обращается к этой файловой системе, чтобы прочитать и вернуть байты. Эти данные передаются клиенту. После того, как уровень VFS клиента получает 8-ки-лобайтную порцию данных, которую запрашивал, он автоматически посылает за­прос на следующую порцию, чтобы она была под рукой, когда понадобится. Такая функция, называемая опережающим чтением, позволяет значительно увеличить производительность.

При записи в удаленный файл проходится аналогичный путь от клиента к серверу. Данные также передаются 8-килобайтными порциями. Если системному вызову write подается менее 8 Кбайт данных, данные просто накапливаются ло­кально. Только когда порция в 8 Кбайт готова, она посылается серверу. Если файл закрывается, то весь остаток немедленно посылается серверу.

Кроме того, для увеличения производительности применяется кэширование, как в обычной системе UNIX. Серверы кэшируют данные, чтобы снизить количе­ство обращений к дискам, но это происходит незаметно для клиентов. Клиенты управляют двумя кэшами, одним для атрибутов файлов (i-узлов) и одним для дан­ных. Когда требуется либо i-узел, либо блок файла, проверяется, нельзя ли полу­чить эту информацию из кэша. Если да, то обращения к сети можно избежать.

Хотя кэширование на стороне клиента во много раз повышает производитель­ность, оно также приводит к появлению непростых проблем. Например, если два клиента сохранили в своих кэшах один и тот же блок файла, а затем один из клиентов его модифицировал, тогда другой клиент, считывая этот блок, получает из кэша старое значение блока. Учитывая серьезность данной проблемы, реализация NFS пытается смягчить ее остроту несколькими способами. Во-первых, с каждым блоком кэша ассоцииро­ван таймер. Когда время истекает, запись считается недействительной. Как прави­ло, для блоков с данными таймер устанавливается на 3 секунды, а для блоков каталога – на 30 секунд. Таким образом риск несколько снижается. Кроме того, при каждом открытии кэшированного файла серверу посылается сообщение, чтобы определить, когда в последний раз был модифицирован этот файл. Если последнее изменение про­изошло после того, как была сохранена в кэше локальная копия файла, эта копия из кэша удаляется, а с сервера получается новая копия. Наконец, каждые 30 секунд ис­текает время таймера, и все модифицированные («грязные») блоки кэша посылаются на сервер. Хотя такая схема и далека от совершенства, но она успешно используется системой в большинстве практических случаев.

7.6. Безопасность в UNIX