5.8.4. Сетевые файловые системы
Важнейший компонент любой распределенной системы — файловая система, которая в этом случае также является распределенной. Как и в централизованных системах, функцией файловой системы является хранение программ и данных и предоставление клиентам доступа к ним. Распределенная файловая система поддерживается одним или более компьютерами, хранящими файлы. Файловые серверы обычно содержат иерархические файловые системы, каждая из которых имеет корневой каталог и каталоги более низких уровней. Во многих сетевых файловых системах клиентский компьютер может подсоединять и монтировать эти файловые системы к своим локальным файловым системам, обеспечивая пользователю удобный доступ к удаленным каталогам и файлам. При этом данные монтируемых файлов никуда не перемещаются физически, оставаясь на серверах.
С программной точки зрения распределенная файловая система (ФС) — это сетевая служба, включающая программы-серверы и программы-клиенты, взаимодействующие между собой по определенному протоколу. Файловая служба в распределенных файловых системах имеет две функционально различные части: собственно файловую службу и службу каталогов файловой системы. Первая имеет дело с операциями над отдельными файлами, такими как чтение, запись или добавление (изменение), а вторая — с созданием каталогов и управлением ими, добавлением и удалением файлов из каталогов и т. п.
В хорошо организованной распределенной системе пользователи не знают, как реализована файловая система (сколько файловых серверов, где они расположены, как они работают). В идеале для пользователя сетевая файловая система должна выглядеть так, как его собственная на его компьютере, т. е. быть совершенно прозрачной. Однако в реальности сетевые файловые системы пока еще не полностью соответствуют такому идеалу.
Сетевая файловая система в общем случае включает следующие элементы [28]:
• локальные файловые системы;
• интерфейсы локальной файловой системы;
• серверы сетевой файловой системы;
• клиенты сетевой файловой системы;
• интерфейсы сетевой файловой системы;
• протокол клиент-сервер сетевой файловой системы.
Клиенты сетевой ФС — это программы, работающие на многочисленных компьютерах, подключенных к сети. Эти программы обслуживают запросы приложений на доступ к файлам, хранящимся на удаленных компьютерах. Клиент сетевой ФС передает по сети запросы другому программному компоненту — серверу сетевой ФС, работающему на удаленном компьютере. Сервер, получив запрос, может выполнить его самостоятельно либо, что является более распространенным вариантом, передать запрос для обработки локальной файловой системе. После получения ответа от локальной ФС сервер передает его по сети__
Клиент и сервер сетевой ФС взаимодействуют друг с другом по сети по определенному протоколу. В случае совпадения интерфейсов локальной и сетевой ФС этот протокол может быть достаточно простым. Одним из механизмов, используемых для этой цели, может быть механизм RPC.
В операционных системах Windows основной сетевой файловой службы является протокол SMB (Server Message Block), который был совместно разработан компаниями Microsoft, Intel и IBM. Его последние расширенные версии получили название Common Internet File System, CIFS.
Протокол работает на прикладном уровне модели OSI. Для передачи по сети своих сообщений SMB использует различные транспортные протоколы. Исторически первым таким протоколом был NetBIOS (и его более поздняя версия NetBEUI), но сейчас сообщения SMB могут передаваться и с помощью других протоколов (TCP/UDP и IPX).
SMB относится к классу протоколов, ориентированных на соединение. Его работа начинается с того, что клиент отправляет серверу специальное сообщение с запросом на установление соединения. Если сервер готов к установлению соединения, он отвечает сообщением-подтверждением. После установления соединения клиент может обращаться к серверу, передавая ему в сообщениях SMB команды манипулирования файлами и каталогами. В процессе работы возможно возникновение ряда ситуаций, которые могут повлиять на эффективность удаленного доступа к файлам [28]:
1. Отказ компьютера, на котором выполняется сервер сетевой файловой системы, во время сеанса связи с клиентом. Локальная ФС запоминает состояние последовательных операций, которые приложение выполняет с одним и тем же файлом, за счет ведения__ внутренней таблицы открытых файлов (системные вызовы open, read, write изменяют состояние этой таблицы). При крахе системы таблица открытых файлов теряется после перезагрузки серверного компьютера. В этом случае приложение, работаю-щее на клиентском компьютере, не может продолжить работу с файлами, открытыми до краха.
Одно из решений проблемы основано на передаче функции ведения и хранения таблицы открытых файлов от сервера клиенту. При такой организации протокол клиент-сервер упрощается, так как перезагрузка сервера приводит только к паузе в обслуживании.
2. Большие задержки в обслуживании из-за запросов в сети и перезагрузки файлового сервера при подключении большого числа клиентов. Решением проблемы может быть кэширование файлов (частично или целиком) на стороне клиента. Однако в этом случае протокол должен учитывать возможность образования нескольких копий одного и того же файла, которые могут независимо модифицироваться разными пользователями, т. е. протокол должен обеспечивать согласованность копий файлов, имеющихся на разных компьютерах.
3. Потери данных и разрушение целостности файловой системы при сбоях и отказах компьютеров, играющих роль файловых серверов. Для повышения отказоустойчивости сетевой ФС можно хранить несколько копий каждого файла (или целиком всей ФС) на нескольких серверах. Такие копии файла называются репликами (replica).
Репликация файлов не только повышает отказоустойчивость, но и решает проблему перегрузки файловых серверов, так как запросы к файлам распределяются между несколькими серверами, что повышает производительность файловой системы.
4. Аутентификация выполняется на одном компьютере, например на клиентском, а авторизация, т. е. проверка прав доступа к каталогам или файлам, — на другом, выполняющем роль файлового сервера. Эта общая проблема всех сетевых служб должна учитываться протоколом взаимодействия клиентов и серверов файловой службы.
Перечисленные проблемы решаются комплексно путем создания службы центра лизованной аутентификации, репликации, кэширования и др. Эти дополнительные службы находят свое отражение в протоколе взаимодействия клиентов и серверов, в результате чего создаются различные протоколы этого типа, поддерживающие тот или иной набор дополнительных функций. Поэтому для одной и той же локальной ФС могут существовать различные протоколы сетевой ФС (рис. 5.30). Так, к файловой системе NTFS сегодня можно получить доступ с помощью протоколов SMB, NCP (NetWare Control Protocol) и NFS (Network File System — протокол сетевой ФС компании Sun Microsystems, используемой в различных вариантах ОС семейства UNIX).
С другой стороны, с помощью одного и того же протокола может реализоваться удаленный доступ к локальным ФС разного типа. Например, протокол SMB используется для доступа не только к ФС типа FAT, но и ФС NTFS, HPFS (рис. 5.31). Эти ФС могут располагаться как на разных, так и на одном компьютере.__
Контрольные вопросы к главе 5
1. Какими преимуществами обладают сети по сравнению с раздельным использованием компьютеров?
2. Всегда ли совпадают физическая и логическая топологии сети?
3. Как классифицируются сети по величине охватываемой территории?
4. Какой компьютер может выполнять роль сервера в сети?
5. Что такое файловый сервер и сервер печати?
6. Какие функции выполняют регистрационные серверы?
7. Какие функции выполняют серверы удаленного доступа?
9. Перечислите возможных клиентов компьютерной сети.
10. Что такое ≪толстый≫ и ≪тонкий≫ клиенты в компьютерной сети?
11. Как вы понимаете термин ≪сегментация≫ сети?
13. Чем распределенная ОС отличается от сетевой? Существуют ли в настоящее время по-настоящему распределенные сетевые системы?
14. Перечислите основные компоненты сетевой ОС. Что такое сетевая служба? Какие сетевые службы вы можете назвать?
15. Часть сетевых служб направлена не на пользователя, а на администратора. Какие это службы?
16. Что представляли собой первые сетевые ОС? Какие подходы к созданию сетевых ОС используются в настоящее время?
17. Назовите характерные черты одноранговых сетей. В чем основная особенность многоранговой сети?
18. Что такое серверная ОС? Какие они бывают? Чем серверная ОС отличается от клиентской?
19. Сколько вариантов двухзвенных схем используется для распределенной обработки приложений?
20. Чем хороша двухзвенная обработка приложений при сотрудничестве сервера и клиента?
21. Есть ли преимущества у трехзвенной схемы обработки приложений, в чем они заключаются?
22. Как могут взаимодействовать процессы в распределенных системах?
23. Какие основные примитивы используются в транспортной системе сетевой ОС?
24. Как организуется синхронизация процессов в сети?
25. Что понимается под вызовом удаленных процедур?