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)，用來允許遠程客戶端以與本地文件系統(tǒng)類似的方式，通過網(wǎng)絡(luò)進行訪問。雖然 NFS 不是***個此類系統(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 允許在多個用戶之間共享公共文件系統(tǒng)，并提供數(shù)據(jù)集中的優(yōu)勢，來最小化所需的存儲空間。
本文以 NFS 的簡短歷史開始，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 的簡短歷史
***個網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng) — 稱為 File Access Listener — 由 Digital Equipment Corporation(DEC)在 1976 年開發(fā)。Data Access Protocol(DAP)的實施，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 80 年代，它首先作為實驗文件系統(tǒng)，由 Sun Microsystems 在內(nèi)部完成開發(fā)。NFS 協(xié)議已歸檔為 Request for Comments(RFC)標準，并演化為大家熟知的 NFSv2。作為一個標準，由于 NFS 與其他客戶端和服務器的互操作能力而發(fā)展快速。
標準持續(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展性，支持大文件(超過 2GB)，異步寫入，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 之前的版本都是無狀態(tài)的)。今天，NFS 是版本 4.1(由 RFC 5661 定義)，它增加了對跨越分布式服務器的并行訪問的支持(稱為 pNFS extension)。
NFS 的時間表，包括記錄其特性的特定 RFC ，都在圖 1 中有展示。
圖 1. NFS 協(xié)議的時間表
令人驚訝的是，NFS 已經(jīng)歷了幾乎 30 年的開發(fā)。 它代表了一個非常穩(wěn)定的(及可移植)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，它可擴展、高性能、并達到企業(yè)級質(zhì)量。由于網(wǎng)絡(luò)速度的增加和延遲的降低，NFS 一直是通過網(wǎng)絡(luò)提供文件系統(tǒng)服務具有吸引力的選擇。甚至在本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中，虛擬化驅(qū)動存儲進入網(wǎng)絡(luò)，來支持更多的移動虛擬機。NFS 甚至支持***的計算模型，來優(yōu)化虛擬的基礎(chǔ)設(shè)施。
二、NFS 架構(gòu)
NFS 允許計算的客戶 — 服務器模型(見圖 2)。服務器實施共享文件系統(tǒng)，以及客戶端所連接的存儲?？蛻舳藢嵤┯脩艚涌趤砉蚕砦募到y(tǒng)，并加載到本地文件空間當中。
圖 2. NFS 的客戶端 — 服務器架構(gòu)
在 Linux 中，虛擬文件系統(tǒng)交換(VFS)提供在一個主機上支持多個并發(fā)文件系統(tǒng)的方法(比如 CD-ROM 上的 International Organization for Standardization [ISO] 9660，以及本地硬盤上的 ext3fs )。VFS 確定需求傾向于哪個存儲，然后使用哪些文件系統(tǒng)來滿足需求。由于這一原因，NFS 是與其他文件系統(tǒng)類似的可插拔文件系統(tǒng)。對于 NFS 來說，唯一的區(qū)別是輸入/輸出(I/O)需求無法在本地滿足，而是需要跨越網(wǎng)絡(luò)來完成。
一旦發(fā)現(xiàn)了為 NFS 指定的需求，VFS 會將其傳遞給內(nèi)核中的 NFS 實例。 NFS 解釋 I/O 請求并將其翻譯為 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 請求中選擇了程序，它會在遠程程序調(diào)用(RPC)層中執(zhí)行。正如其名稱所暗示的，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 請求，并伴有參數(shù)，管理將它們發(fā)送到合適的遠程對等級，然后管理并追蹤響應，提供給合適的請求者。
進一步來說，RPC 包括重要的互操作層，稱為外部數(shù)據(jù)表示(XDR)，它確保當涉及到數(shù)據(jù)類型時，所有 NFS 參與者使用相同的語言。當給定架構(gòu)執(zhí)行請求時，數(shù)據(jù)類型表示可能不同于滿足需求的目標主機上的數(shù)據(jù)類型。XDR 負責將類型轉(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 指定類型字節(jié)格式(比如 float)和類型的字節(jié)排序(比如修復可變長數(shù)組)。雖然 XDR 以其在 NFS 中的使用而聞名，當您在公共應用程序設(shè)置中處理多個架構(gòu)時，它是一個有用的規(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 因為其優(yōu)越的可靠性而更加通用。
在服務器端，NFS 以相似的風格運行。需求到達網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，通過 RPC/XDR(將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為服務器架構(gòu)) 然后到達 NFS 服務器。NFS 服務器負責滿足需求。需求向上提交給 NFS 守護進程，它為需求標示出目標文件系統(tǒng)樹，并且 VFS 再次用于在本地存儲中獲取文件系統(tǒng)。整個流程在圖 3 中有展示。注意，服務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)，而是訪問遠程文件系統(tǒng)的協(xié)議。
圖 3. 客戶端和服務器 NFS 堆棧
對于高延遲網(wǎng)絡(luò)，NFSv4 實現(xiàn)稱為 compound procedure 的程序。這一程序從本質(zhì)上允許在單個請求中嵌入多個 RPC 調(diào)用，來最小化通過網(wǎng)絡(luò)請求的 transfer tax。它還為響應實現(xiàn)回調(diào)模式。
三、NFS 協(xié)議
從客戶端的角度來說，NFS 中的***個操作稱為 mount。 Mount 代表將遠程文件系統(tǒng)加載到本地文件系統(tǒng)空間中。該流程以對 mount(Linux 系統(tǒng)調(diào)用)的調(diào)用開始，它通過 VFS 路由到 NFS 組件。確認了加載端口號之后(通過 get_port 請求對遠程服務器 RPC 調(diào)用)，客戶端執(zhí)行 RPC mount 請求。這一請求發(fā)生在客戶端和負責 mount 協(xié)議(rpc.mountd)的特定守護進程之間。這一守護進程基于服務器當前導出文件系統(tǒng)來檢查客戶端請求;如果所請求的文件系統(tǒng)存在，并且客戶端已經(jīng)訪問了，一個 RPC mount 響應為文件系統(tǒng)建立了文件句柄?？蛻舳诉@邊存儲具有本地加載點的遠程加載信息，并建立執(zhí)行 I/O 請求的能力。這一協(xié)議表示一個潛在的安全問題;因此，NFSv4 用內(nèi)部 RPC 調(diào)用替換這一輔助 mount 協(xié)議，來管理加載點。
要讀取一個文件，文件必須首先被打開。在 RPC 內(nèi)沒有 OPEN 程序;反之，客戶端僅檢查目錄和文件是否存在于所加載的文件系統(tǒng)中?？蛻舳艘詫δ夸浀?GETATTR RPC 請求開始，其結(jié)果是一個具有目錄屬性或者目錄不存在指示的響應。接下來，客戶端發(fā)出 LOOKUP RPC 請求來查看所請求的文件是否存在。如果是，會為所請求的文件發(fā)出 GETATTR RPC 請求，為文件返回屬性?；谝陨铣晒Φ?GETATTRs 和 LOOKUPs，客戶端創(chuàng)建文件句柄，為用戶的未來需求而提供的。
利用在遠程文件系統(tǒng)中指定的文件，客戶端能夠觸發(fā) READ RPC 請求。READ 包含文件句柄、狀態(tài)、偏移、和讀取計數(shù)?？蛻舳瞬捎脿顟B(tài)來確定操作是否可執(zhí)行(那就是，文件是否被鎖定)。偏移指出是否開始讀取，而計數(shù)指出所讀取字節(jié)的數(shù)量。服務器可能返回或不返回所請求字節(jié)的數(shù)量，但是會指出在 READ RPC 回復中所返回(隨著數(shù)據(jù))字節(jié)的數(shù)量。
四、NFS 中的創(chuàng)新
NFS 的兩個***版本(4 和 4.1)對于 NFS 來說是最有趣和最重要的。讓我們來看一下 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***程簡化為一個協(xié)議，并將對 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® 的文件訪問語義，將本地集成 NFS 擴展到其他操作系統(tǒng)中。
NFSv4.1 介紹針對更高擴展性和更高性能的并行 NFS(pNFS)的概念。 要支持更高的可擴展性，NFSv4.1 具有腳本，與集群化文件系統(tǒng)風格類似的拆分數(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)拆分為三個部分：客戶端、服務器和存儲。您可看到存在兩個路徑：一個用于數(shù)據(jù)，另一個用于控制。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)。當客戶想要訪問文件時，服務器以布局響應。布局描述了文件到存儲設(shè)備的映射。當客戶端具有布局時，它能夠直接訪問存儲，而不必通過服務器(這實現(xiàn)了更大的靈活性和更優(yōu)的性能)。當客戶端完成文件操作時，它會提交數(shù)據(jù)(變更)和布局。如果需要，服務器能夠請求從客戶端返回布局。
pNFS 實施多個新協(xié)議操作來支持這一行為。LayoutGet 和 LayoutReturn 分別從服務器獲取發(fā)布和布局，而 LayoutCommit 將來自客戶端的數(shù)據(jù)提交到存儲庫，以便于其他用戶使用。服務器采用 LayoutRecall 從客戶端回調(diào)布局。布局跨多個存儲設(shè)備展開，來支持并行訪問和更高的性能。
圖 4. NFSv4.1 的 pNFS 架構(gòu)
數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)都存儲在存儲區(qū)域中?？蛻舳丝赡軋?zhí)行直接 I/O ，給出布局的回執(zhí)，而 NFSv4.1 服務器處理元數(shù)據(jù)管理和存儲。雖然這一行為不一定是新的，pNFS 增加功能來支持對存儲的多訪問方法。當前，pNFS 支持采用基于塊的協(xié)議(光纖通道)，基于對象的協(xié)議，和 NFS 本身(甚至以非 pNFS 形式)。
通過 2010 年 9 月發(fā)布的對 NFSv2 的請求，繼續(xù)開展 NFS 工作。其中以新的提升定位了虛擬環(huán)境中存儲的變化。例如，數(shù)據(jù)復制與在虛擬機環(huán)境中非常類似(很多操作系統(tǒng)讀取/寫入和緩存相同的數(shù)據(jù))。由于這一原因，存儲系統(tǒng)從整體上理解復制發(fā)生在哪里是很可取的。這將在客戶端保留緩存空間，并在存儲端保存容量。NFSv4.2 建議用共享塊來處理這一問題。因為存儲系統(tǒng)已經(jīng)開始在后端集成處理功能，所以服務器端復制被引入，當服務器可以高效地在存儲后端自己解決數(shù)據(jù)復制時，就能減輕內(nèi)部存儲網(wǎng)絡(luò)的負荷。其他創(chuàng)新出現(xiàn)了，包括針對 flash 存儲的子文件緩存，以及針對 I/O 的客戶端提示 (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)，但它當然不是唯一的選擇。在 Windows系統(tǒng)中，ServerMessage Block [SMB](也稱為 CIFS)是最廣泛使用的選項(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)計為容錯的分布式文件系統(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)的開源版(來自 Carnegie Mellon 和 IBM)，GlusterFS，關(guān)注于可擴展存儲的通用分布式文件系統(tǒng)，以及 Lustre，關(guān)注于集群計算的大規(guī)模并行分布式文件系統(tǒng)。所有都是用于分布式存儲的開源軟件解決方案。
六、更進一步
NFS 持續(xù)演變，并與 Linux 的演變類似(支持低端、嵌入式、和高端性能)，NFS 為客戶和企業(yè)實施可擴展存儲解決方案。關(guān)注 NFS 的未來可能會很有趣，但是根據(jù)歷史和近期的情況看，它將會改變?nèi)藗儾榭春褪褂梦募鎯Φ姆椒ā?/p>
【編輯推薦】
