НТВ плюс 

Сетевая файловая система. Прародителем был unix

На данный момент в вашем распоряжении должно быть работающее TCP/IP-подключение к вашей сети. Вы должны быть в состоянии пинговать другие компьютеры сети и, если вы соответствующим образом настроили шлюз, вы также должны быть в состоянии пинговать компьютеры в Интернете. Как известно, главной целью подключения компьютера к сети, является получение доступа к информации. Хотя некоторые люди могут подключать компьютер к сети просто так, большинство людей хотели бы предоставлять и получать доступ к файлам и принтерам. Они хотели бы получать доступ к документам в Интернете или играть в онлайновые игры. Установив в свою новую систему Slackware поддержку TCP/IP и необходимое программное обеспечение, вы всё это получите; однако, установив только поддержку TCP/IP, функциональность будет очень ограниченной. Чтобы предоставлять и получать общий доступ к файлам, нам потребуется переносить их туда и обратно, используя FTP или SCP. Мы не можем посматривать на нашем новой компьютере со Slackware дерево файлов через значки “Сетевое окружение” или “Вся сеть” с Windows-компьютеров. Мы хотели бы иметь возможность иметь постоянный доступ к файлам на других Unix-машинах.

В идеале мы хотели бы использовать сетевую файловую систему , позволяющую нам иметь прозрачный доступ к файлам на компьютерах. Программам, которые мы используем для работы с информацией, хранимой на компьютерах, на самом деле даже не надо знать на каком компьютере хранится нужный файл. Им нужно только знать, что этот файл существует, и способ для его получения. Дальнейшее уже является задачей операционной системы, обеспечивающей доступ к этому файлу с помощью доступных локальных и сетевых файловых систем. Две наиболее часто используемые сетевые файловые системы - это SMB (реализованная через Samba) и NFS.

5.6.1. SMB/Samba/CIFS

SMB (Server Message Block, блок серверных сообщений) - это потомок более старого протокола NetBIOS, изначально разработанного в IBM для их продукта LAN Manager. Компанию Microsoft в свою очередь всегда интересовал NetBIOS и его наследники (NetBEUI, SMB и CIFS). Проект Samba начал своё существование в 1991 году, когда он был написан для обеспечения связи между IBM PC и сервером Unix. Сегодня предоставление общего доступа к файлам и службам печати через сеть SMB является предпочитаемым методом практически для всего цивилизованного мира, поскольку его поддерживает и Windows.

Конфигурационный файл Samba /etc/samba/smb.conf является одним из самых хорошо документированных конфигурационных файлов, которые вы сможете найти. К вашим услугам уже готовые примеры с настройками общих ресурсов, так что вы можете просмотреть и изменить их согласно своим потребностям. Если же вам нужен ещё больший контроль, к вашим услугам страница руководства smb.conf. Поскольку Samba имеет такую хорошую документацию, мы не будем её здесь переписывать. Однако быстро остановимся на основных моментах.

smb.conf разбит на несколько разделов: по одному разделу на общий ресурс плюс один глобальный раздел для настройки параметров, которые используются везде. Некоторые параметры являются действительными только в глобальном разделе, а некоторые верны только за его пределами. Помните, что глобальный раздел может быть переопределён любым другим разделом. За дополнительной информацией обращайтесь к страницам руководства.

Вы скорее всего захотите отредактировать свой файл smb.conf, чтобы отразить в нём параметры своей локальной сети. Советуем вам изменить перечисленные ниже пункты:

Это будет описание вашего компьютера Slackware, показываемое в папке Сетевое окружение (или Вся сеть).

Вы почти наверняка захотите использовать в своей системе Slackware уровень безопасности user.

Если шифрование паролей не включено, вы не сможете использовать Samba с системами NT4.0, Win2k, WinXP и Win2003. Для предыдущих версий операционных систем Windows для предоставления доступа к общим ресурсам шифрование не требовалось.

SMB является протоколом с аутентификацией, т.е. вы можете указать имя пользователя и пароль, чтобы воспользоваться возможностями этой службы. Мы сообщаем серверу samba о том, что имена пользователей и пароли верны, посредством команды smbpasswd. smbpasswd допускает использование общих ключей для добавления как обычных пользователей, так и машин-пользователей (для SMB необходимо, чтобы вы добавили NETBIOS-имена компьютеров как машин-пользователей, ограничивая тем самым круг компьютеров, с которых может осуществляться аутентификация).

Важно учесть, что данное имя пользователя или имя машины должно уже существовать в файле /etc/passwd. Вы можете добиться этого с помощью команды adduser. Обратите внимание, что при использовании команды adduser для добавления имени компьютера к нему необходимо добавить знак доллара (“$”). Однако этого не нужно делать при работе с smbpasswd. Утилита smbpasswd самостоятельно добавляет знак доллара. Нарушение этого правила посредством adduser приведёт к ошибке при добавлении имени машины в samba.

#adduser machine$

5.6.2. Сетевая файловая система (NFS)

NFS (Network File System) изначально была написана компанией Sun для Solaris - их реализации системы Unix. И хотя её значительно легче поднять и настроить по сравнению с SMB, NFS гораздо менее безопасна. Главным слабым местом в безопасности является несложность подмены идентификаторов пользователя и группы одной машины на идентификаторы с другой машины. В протоколе NFS не реализована аутентификация. Было заявлено, что в будущих версиях протокола NFS безопасность будет повышена, однако на время написания этой книги это ещё не было сделано.

Настройка NFS осуществляется через файл /etc/exports. Когда вы загрузите стандартный файл /etc/exports в редактор, вы увидите пустой файл с комментарием вверху на две строки. Нам надо будет добавить строку в файл exports для каждого из каталогов, которые мы хотим экспортировать, с перечнем клиентских рабочих станций, которым будет разрешён доступ к этому каталогу. Например, если нам нужно экспортировать каталог /home/foo для рабочей станции Bar, нам надо будет добавить в наш файл /etc/exports такую строку:

Как видите, существует несколько различных опций, однако большинство из них должны быть понятными из этого примера.

NFS полагает, что заданный пользователь с одной из машин в сети имеет один и тот же идентификатор на всех остальных машинах. Когда NFS-клиент делает попытку чтения или записи на NFS-сервер, UID передаётся как часть запроса на чтение/запись. Этот UID считается таким же, как если бы запрос был выполнен с локальной машины. Как видите, если кто-то сможет произвольным образом указать заданный UID при обращении к ресурсам на удалённой машине, неприятности могут случиться и случаются. Средство, отчасти позволяющее избежать этого, заключается в монтировании всех каталогов с параметром root_squash . Это переопределяет UID любого пользователя, объявившего себя root"ом, на другой UID, предотвращая таким образом root"овый доступ к файлам и каталогам в экспортируемом каталоге. Похоже, что root_squash включается по умолчанию по соображениям безопасности, однако авторы всё равно рекомендуют явно указывать его в своём файле /etc/exports.

Вы также можете экспортировать каталог на сервере непосредственно из командной строки, воспользовавшись командой exportfs, как показано ниже:

# exportfs -o rw,no_root_squash Bar:/home/foo

Эта команда экспортирует каталог /home/foo для компьютера “Bar” и предоставляет ему доступ на чтение/запись. Кроме того на сервере NFS не включен параметр root_squash , означающий, что любой пользователь на Bar с UID “0” (UID root"а) будет иметь на сервере те же привилегии, что и root. Синтаксис выглядит довольно странно (обычно, когда вы указываете каталог в виде computer:/directory/file, вы ссылаетесь на файл в каталоге на заданном компьютере).

Дополнительную информацию о файле exports вы найдёте в странице руководства.

Сетевые службы

Лекция 10

Совокупность серверной и клиентской частей ОС, предоставляющих доступ к конкретному типу ресурса компьютера через сеть, называется сетевой службой . Клиентская часть обращается с сетевыми запросами к серверной части другого компьютера. Серверная часть удовлетворяет запросы к локальным ресурсам сервера. Клиентская часть – активная, серверная – пассивная.

При сетевом взаимодействии значительное место занимает доступ через сеть к файловой системе. В этом случае клиентская и серверная части, совместно с сетевой файловой системой образуют файловую службу

Ключевым компонентом распределенной ОС является сетевая файловая система. Сетевая файловая система поддерживается одним или несколькими компьютерами, хранящими файлы (файловые сервера)

Клиентские компьютеры подсоединяются или монтируют эти файловые системы к своим локальным файловым системам

Файловая служба включает программы-серверы и программы-клиенты, взаимодействующие по сети с помощью протокола.

Файловые службы включает собственно файловую службу (файловые операции) и службу каталогов (управление каталогами)

Модель сетевой файловой службы включает следующие элементы:

Локальная файловая система (FAT, NTFS)

Интерфейс локальной файловой системы (системные вызовы)

Сервер сетевой файловой системы

Клиент сетевой файловой системы (Windows Explorer, UNIX shell и пр.)

Интерфейс сетевой файловой системы(повторяет системные вызовы локальной файловой системы)

Протокол клиент-сервер сетевой файловой системы (SMB-Server Message Block для Windows, NFS (Network File System) и FTP (File Transfer Protocol) для UNIX)

Интерфейс сетевой файловой системы

Существуют несколько типов интерфейсов, которые характеризуются:

Структура файлов . Большинство сетевых ФС поддерживают неструктурированные файлы

Модифицируемость файлов . В большинстве сетевых ФС имеется возможность модифицировать файл. Некоторые распределенные ФС запрещают операции модификации. Возможны лишь create и read. Для таких файлов легче организовать кэширование и тиражирование.

Семантика разделения файлов:

Семантика UNIX (централизованная). Если чтение следует за несколькими операциями записи, то читается последнее обновление. Этот принцип возможен и в распределенной файловой системе, при условии одного файлового сервера и отсутствия кэширование файлов у клиента.

Сеансовая семантика. Изменения начинаются после открытия файла, а завершаются после закрытия. Другими словами, для других процессов изменения видны лишь после закрытия файла. В данном случае имеется проблема при совместном доступе к файлу. Семантика неизменяемых файлов. Файл можно только создать и читать. Можно также заново создать файл под другим именем. Следовательно файл нельзя модифицировать, но можно заменить новым файлом. Проблема совместного доступа при этом отсутствует.



Механизм транзакций. Это способ работы с разделяемыми файлами с помощью механизма транзакций (неделимых операций)

Контроль доступа . Например для Windows NT/2000 существует два механизма: на уровне каталогов (для FAT) и на уровне файлов (NTFS)

Единица доступа. Модель загрузки-выгрузки файла целиком (FTP). Вторая модель - использование операций над файлами.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»

____________________________________________________________________________________________________________________

Кафедра вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

СЕТЕВЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ.

СЕТЕВЫЕ ФАЙЛОВЫЕ СИСТЕМЫ

И СЛУЖБА КАТАЛОГОВ

Утверждено Редакционно-

издательским Советом МГТУ ГА

Москва - 2010

ББК 32.973.202-018.2я73-1+32.973.26-018.2я73-1

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Московского государственного технического университета ГА

Рецензенты: канд. физ.-мат. наук, доц. ;

Ч48 Сетевые операционные системы. Сетевые файловые системы и служба каталогов: Учебное пособие. - М.: МГТУ ГА, 2010. –68 с. 10 ил., лит.: 4 наим.

Данное учебное пособие издается в соответствии с рабочей программой учебной дисциплины «Сетевые операционные системы» по Учебному плану специальности 230101 для студентов IV курса дневного обучения.

Рассмотрено и одобрено на заседаниях кафедры 11.05.10 г. и методического совета 14.05.10 г.
-038 ББК 32.973.202-018.2я73-1+32.973.26-018.2я73-1

Ц33(03)-10 Св. тем. план 2010 г.

ЧЕРКАСОВА Наталья Ивановна

СЕТЕВЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ.
СЕТЕВЫЕ ФАЙЛОВЫЕ СИСТЕМЫ И СЛУЖБА КАТАЛОГОВ
Учебное пособие

Редактор

Подписано в печать 11.10.10 г.

Печать офсетная Формат 60х84/16 4,0 уч.-изд. л.

3,95 усл. печ. л. Заказ № 000/ Тираж 100 экз.

Московский государственный технический университет ГА

125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20

Редакционно-издательский отдел

125493 Москва, ул. Пулковская, д.6а

© Московский государственный

технический университет ГА, 2010

Раздел 1. Состав сетевых операционных систем

1.1. Сетевые ОС. Определение, основные свойства

Сеть (Network) может быть какой угодно, начиная от простого набора компьютеров (два связанных компьютера уже есть сеть) до глобальной сети Internet , использующей множество разнообразных средств связи, включая микроволновые и спутниковые технологии.

Сеть состоит из компьютеров, средств связи (например, медных или оптоволоконных кабелей) и прочих устройств, таких как концентраторы различных типов и маршрутизаторы (которые позволяют управлять сетевым трафиком), адаптеры (служат для подключения компьютера к сети), образующие сетевую структуру. Технологии передачи информации также весьма разнообразны.

Рассматриваются две разновидности сетей: LAN (Local area network) – локальная сеть, набор компьютеров и устройств, объединенных в пределах одного здания, и WAN(Wide area network) – глобальная сеть совмещает в себе несколько географически разделенных локальных сетей, которые связаны посредством различных WAN - технологий.

Назначение сети зависит от потребностей человека или организации, но, в общем случае, можно перечислить следующие возможности использования сетей:

1) совместное использование файлов. Сеть позволяет использовать файлы данных как хранящиеся в компьютере конкретного пользователя, так и файлы, размещенные на специализированном файловом сервере;

2) совместное использование аппаратных средств;

3) совместное использование программного обеспечения ;

4) обмен информацией между пользователями;

5) сетевые игры.

Сеть представляет в пользование не только локальные ресурсы, но само наличие сети означает, что ее можно объединить с другими сетями.

Операционные системы для сетей во многом аналогичны ОС автономного компьютера. Однако если последняя представляет пользователю некую виртуальную вычислительную машину, то сетевая ОС, представляя пользователю некую виртуальную вычислительную систему, работать с которой гораздо проще, чем с реальной сетевой аппаратурой, не полностью скрывает распределенную природу своего реального прототипа. Можно сказать, что сетевая ОС предоставляет пользователю виртуальную сеть. В идеальном случае сетевая ОС должна представлять пользователю сетевые ресурсы в виде ресурсов единой централизованной виртуальной машины. Такие операционные системы называются распределенные ОС или истинно распределенные ОС.

Распределенные ОС, динамически и автоматически распределяя работы по различным машинам системы для обработки, заставляют работать набор сетевых машин как виртуальный унипроцессор. Распределенная ОС работает как единая операционная система в масштабах вычислительной системы.

Современные сетевые ОС не являются истинно распределенными, то есть степень автономности каждого компьютера в сети, работающего под управлением сетевой ОС, значительно выше по сравнению с компьютерами, работающими под управлением распределенной ОС.

Термин сетевая ОС используется в двух значениях: во-первых, как совокупность ОС всех компьютеров сети, во-вторых, как ОС отдельного компьютера, способного работать в сети. Функционально сетевую ОС можно разделить на следующие компоненты:

1) средства управления локальными ресурсами, то есть все функции ОС автономного компьютера;

2) серверная часть ОС – средство предоставления локальных ресурсов и услуг в общее пользование;

3) клиентская часть ОС – средства доступа к удаленным ресурсам и услугам;

4) транспортные средства ОС, которые совместно с коммуникационной системой обеспечивают передачу сообщений между компьютерами сети.

Совокупность серверной и клиентской частей ОС, предоставляющих доступ к конкретному ресурсу через сеть, называется сетевой службой. Сетевая служба предоставляет пользователю сети некий набор услуг, который называется сетевым сервисом. Каждая служба связана с определенным типом сетевых ресурсов и \ или определенным способам доступа к этим ресурсам.

Сетевые службы являются клиент – серверными системами, то есть содержит в своем составе клиентскую и серверную часть. Однако сетевая служба может быть представлена в ОС либо обеими частями, либо только одной из них.

Необходимо отметить, что при предоставлении сетевой службой некоторой услуги используются ресурсы не только сервера, но и клиента. Принципиальной же разницей между клиентом и сервером является то, что инициатором выполнения работы сетевой службы всегда выступает клиент, а сервер всегда находится в режиме пассивного ожидания запросов.

Хотя один тип сервера может быть рассчитан на работу с клиентами разного типа, клиент и сервер должны поддерживать общий стандартный протокол взаимодействия.

Глубина внедрения сетевых служб в ОС определяет несколько подходов к построению сетевых ОС:

1) сетевые службы объединены в виде некоторого набора – оболочки;

2) сетевые службы поставляются и производятся в виде отдельного продукта;

3) сетевые службы внедрены в ОС.

Различные цели, преследуемые при создании различных сетей, предполагают наличие различных типов сетей. Одноранговая сеть (Peer-to-Peer Network) представляет собой простой способ объединения персональных компьютеров в тех случаях, когда необходимо совместное использование файлов и прочих ресурсов. В одноранговой сети нет сервера, и все компьютеры функционируют как равноправные узлы. Одноранговую сеть часто называют рабочей группой (Workgroup), так как этот термин ассоциируется с равноправным сотрудничеством без централизованного управления.

Узел сети – компьютер, связывающий две сети, использующий одинаковые протоколы. Узел обеспечивает только связь двух совместимых программ на двух таких сетях. Узлы, существенно, используют адресную информацию, заключенную в передаваемых пакетах. Узлы являются устройствами сетевого уровня.

Рассмотрим программное обеспечение подобных сетей. В одноранговых сетях на всех компьютерах устанавливается такая ОС, которая предоставляет всем компьютерам сети потенциально равные возможности. Очевидно, что такие одноранговые ОС должны включать как серверные, так и клиентские компоненты сетевых служб.

При потенциальном равноправии всех компьютеров в одноранговой сети часто возникает функциональная неоднородность. В сети могут находиться пользователи, не предоставляющие свои ресурсы в совместное использование.

В этом случае серверные возможности их ОС не активизируются, и компьютеры выполняют роль «чистых» клиентов. Возможна и обратная ситуация, когда на некоторых компьютерах выполняются только функции по обслуживанию запросов клиентов, то есть они становятся «чистыми» серверами. Однако изначально в одноранговых сетях специализация ОС не зависит от роли компьютера.

ОС DOS не поддерживала одноранговые сети, поэтому для совместного использования файлов или принтеров требовались дополнительные программные продукты, т. е. сетевые функции реализовывались сетевыми оболочками, работающими поверх ОС. Для поддержки рабочих групп использовались такие программные продукты, как Artisoft LANtastic, Novell NetWare Lite, Personal NetWare и Windows for Workgroup 3.11. Все последующие версии Windows поддерживают рабочие группы.

Дистрибутивы Linux также поддерживают создание рабочих групп из компьютеров, работающих под управлением Windows или Linux с помощью программы Samba.

Хотя к основным достоинствам одноранговых сетей относится, прежде всего, простота установки, имеется и ряд других преимуществ:

1) обычно все необходимое обеспечение уже включено в состав ОС;

2) не требуется системное администрирование, и отдельные пользователи сами могут управлять ресурсами;

3) узлы сети не зависят от сервера, следовательно, они могут работать даже тогда, когда другие узлы недоступны.

Однако в подобной сети жестко определено количество компьютеров – не более десяти. Распределение ресурсов по сети при наличии большого числа узлов осложнит доступ к файлам, каждый из которых может быть защищен собственным паролем. Кроме этого, здесь невозможна централизованная защита, единственно возможной защитой является защита на уровне ресурса. В целом происходит повышение нагрузки на компьютеры из-за совместного использования ресурсов.

Сети с выделенным сервером (или серверами) (Server – based network) могут быть очень крупными и предоставлять пользователям более широкий диапазон ресурсов по сравнению с одноранговыми сетями. Связано это, прежде всего, с тем, что в такой сети имеются различные специализированные серверы.

Кроме того, эти сети позволяют осуществлять централизованное управление ресурсами и добавлять в сеть новые компьютеры, пользователей и ресурсы. Такие сети являются масштабируемыми, то есть могут легко расширяться.

Единственным требованием к такой сети является наличие компьютера, на котором запущена сетевая операционная система, такой компьютер называется сервером.

Как и у одноранговой сети, сети с выделенным сервером имеют свои достоинства и недостатки. Прежде всего, перечислим достоинства:

1) для получения доступа к сетевым ресурсам пользователь вводит только одно регистрационное имя и пароль;

2) управление безопасностью в сети и сетевыми ресурсами осуществляется централизованно;

3) централизованное размещение позволяет выполнять резервное копирование каталогов и файлов;

4) специализированные серверы обеспечивают быстрый доступ к ресурсам;

5) подобные сети можно расширять.

Теперь отметим ряд недостатков:

1) необходимо осуществлять настройку и управление ресурсами в сети, то есть необходим системный администратор;

2) при сбое главного сервера доступ к сетевым ресурсам прекращается;

3) экономически сети с выделенным сервером выгодны только для достаточно крупных компаний.

Таким образом, в зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, они могут выступать в трех различных ролях:

1) компьютер в роли выделенного сервера сети, то есть только обслуживающий запросы других компьютеров;

2) компьютер, обращающийся с запросом к ресурсам другой машины, - клиентский узел;

3) компьютер, совмещающий функции клиента и сервера, - одноранговый узел.

Следовательно, можно определить различные схемы построения сети, как:

1) одноранговая сеть – сеть на основе одноранговых узлов;

2) сеть с выделенным сервером – сеть на основе клиентов и серверов.

Однако сеть может включать в себя узлы всех типов – гибридная сеть, которую иногда относят к сетям с выделенным сервером.

Клиентские ОС в сетях с выделенным сервером обычно освобождены от серверных функций, что значительно упрощает их организацию. Разработчики таких ОС уделяют основное внимание пользовательскому интерфейсу и клиентским частям сетевых служб. В тоже время на серверах используются специальные варианты сетевых ОС, которые оптимизированы для работы в качестве сервера и называются серверными ОС.

Специализация ОС для работы в качестве сервера является естественным способом повышения эффективности серверных операций, так как интенсивность запросов к совместно используемым ресурсам может быть очень большой и сервер должен справляться с ним без больших задержек. Чем меньше функций выполняет ОС, тем эффективней можно их реализовать.

Разработчики NetWare для оптимизации выполнения сервисных услуг полностью исключили из системы многие элементы универсальной ОС, оставив исключительно сетевые. Однако многие компании, разрабатывающие сетевые ОС, выпускают два варианта операционных систем, основанных на одном базовом коде, но отличающемся набором служб и утилит, - серверные и клиентские ОС.

Различные сетевые службы могут быть размещены на нескольких специализированных серверах, а центральный сервер не только разрешает пользователю входить в сеть, но и определяет, к каким ресурсам ему будет предоставлен доступ.

Рассмотрим основные специализированные серверы.

Файловые серверы используются для хранения файлов, необходимых для пользователей сети. Серверы печати используются для управления сетевым принтером, по сути это управляющий канал связи с принтером.

Коммуникационный сервер использует специальное программное обеспечение, позволяющее пользователям общаться в сети. Он поддерживает службы электронной почты и телеконференций. На сервере приложений размещаются различные приложения, а сервер позволяет создавать сайт, хотя для размещения сайта можно использовать услуги провайдера.

Некоторые типы серверов используются не для получения доступа к ресурсам, а для повышения качества и эффективности работы в сети. Например, DNS - сервер (Domaine Name Service) – служба имен доменов выполняет преобразование дружественных имен в соответствующие адреса.

Теперь рассмотрим более подробно взаимодействие клиента и серверной ОС. Когда компьютер обращается к файлу на локальном диске или к принтеру, подключенному напрямую, запрос направляется процессору компьютера. Процессор выполняет запрос и все операции выполняются локально. При обращении к общим ресурсам файлового сервера или печати на удаленном принтере сетевое клиентское программное обеспечение выполнят специальную операцию, благодаря которой компьютер считает сетевые ресурсы локальными.

Этот процесс осуществляется компонентом клиентского программного обеспечения, который называют редиректор (REDIRECTOR). Он перехватывает любые запросы, выполненные на компьютере, и в зависимости от типа запроса передает его на сетевой сервер для обработки или определяет, что этот запрос будет выполняться локально.

1.2. Поддержка сетей на основе ОС Windows 2000. Уровни OSI и сетевые компоненты ОС Windows 2000. Сетевые API

Рассмотрим механизмы построения сетевой операционной системы на примере ОС Windows 2000.

Эталонная модель OSI (The OSI Reference Model)

Чтобы помочь поставщикам в стандартизации и интеграции сетевого программного обеспечения в 1974 the International Organization for Standardization (ISO) определила программную модель пересылки сообщений между компьютерами. Результатом явилась the Open Systems Interconnection (OSI) – эталонная модель. Модель определяет семь уровней программного обеспечения (Рис.1).

DIV_ADBLOCK93">

Пунктирными линиями на рисунке показаны протоколы, применяемые для передачи запроса на удаленную машину. Каждый сетевой уровень считает, что он взаимодействует с эквивалентным уровнем на другой машине, который использует тот же протокол. Набор протоколов, передающих запросы по сетевым уровням, называется стеком протоколов.

Сетевые компоненты Windows 2000 (Networking Components)

На рис. 2 представлена общая схема сетевых протоколов Windows 2000, их соответствие уровням эталонной модели, а также протоколы, используемые различными уровнями. Как видно, между уровнями модели и сетевыми компонентами нет точного соответствия. Некоторые компоненты охватывают несколько уровней. Далее приводится список и краткое описание:

1) Networking(Сетевые) API обеспечивают независимое от протоколов взаимодействие приложений через сеть. Networking API реализуются либо в режиме ядра и пользовательском режиме, либо только в пользовательском. Некоторые networking API являются оболочками других API и реализуют специфическую модель программирования или предоставляют дополнительные сервисы. (Термином networking API обозначаются любые программные интерфейсы, представляемые сетевым программным обеспечением);

2) клиенты TDI (Transport Driver Interface). Драйверы устройств режима ядра, обычно реализующие ту часть сетевого API, которая работает в режиме ядра. Клиенты TDI называются так из-за того, что I/O пакеты запросов ввода-вывода (IRP), которые они посылают драйверам протоколов Windows 2000, форматируются по стандарту Transport Driver Interface standard (документировано в DDK). Этот стандарт определяет общий интерфейс программирования драйверов устройств режима ядра;

3) транспорты TDI. Представляют собой драйверы протоколов режима ядра и часто называются транспортами, (Network Driver Interface Specification), NDIS-драйверами протоколов или драйверами протоколов. Они принимают IRP от клиентов TDI и обрабатывают запросы, представленные этими IRP. Обработка запросов может потребовать взаимодействия через сеть с другими равноправными компьютерами, в этом случае транспорт TDI добавляет к данным IRP заголовки, специфические для конкретного протокола (TCP, UDP, IPX), и взаимодействует с драйверами адаптеров через функции NDIS (also documented in the DDK). В общем, транспорты TDI связывают приложения через сеть, выполняя такие операции, как сегментация сообщений, их восстановление, упорядочение, подтверждение и повторная передача;

4) библиотека NDIS (Ndis. sys). Инкапсулирует функциональность для драйверов адаптеров, скрывая от них специфику среды Windows 2000, работающей в режиме ядра. NDIS library экспортирует функции для транспортов TDI, а также функции поддержки для драйверов адаптеров;

5) минипорт – драйверы NDIS. Драйверы режима ядра, отвечающие за организацию интерфейсов между TDI transports и конкретными сетевыми адаптерами. NDIS miniport drivers пишутся так, чтобы они были заключены в оболочку Windows 2000 NDIS library. Такая инкапсуляция обеспечивает межплатформенную совместимость с потребительскими версиями Windows. NDIS miniport drivers не обрабатывают process IRP; а регистрируют интерфейс таблицы вызовов NDIS library, которая содержит указатели на функции, соответствующие функциям, экспортируемым библиотекой NDIS для TDI transports. NDIS miniport drivers взаимодействуют с сетевыми адаптерами, используя функции NDIS library, которые вызывают соответствующие (HAL) функции.

Примечание: Диспетчер ввода-вывода (I/O manager) определяет модель доставки запросов на ввод-вывод драйверам устройств. Большинство запросов ввода-вывода представляется I/O пакетами запросов ввода-вывода (I/O request packets IRP), передаваемых от одного компонента подсистемы ввода-вывода другому. IRP – это структура данных, которая содержит информацию, полностью описывающую запрос ввода-вывода.

Фактически четыре нижних сетевых уровня часто обозначают собирательным термином «транспорт», а компоненты, расположенные на трех верхних уровнях – термином « пользователи транспорта».

DIV_ADBLOCK96">

Протокол SMB является протоколом прикладного уровня, включающим сетевой уровень и уровень представления.

SMB реализует:

1) установление сессии;

2) файловый сервис;

3) сервис печати;

4) сервис сообщений.

CIFS – открытый Microsoft стандарт (документированный в Platform SDK), который позволяет другим платформам взаимодействовать с Windows 2000 файловым сервером и с Windows 2000 файловым клиентом. Например, Samba позволяет UNIX системам выступать в роли файлового сервера для Windows 2000 клиента и UNIX приложениям получать доступ к файлам, хранящимся в системах под управлением Windows 2000 систем. Другие поддерживающие CIFS платформы включают DEC VMS и Apple Macintosh.

Совместное использование файлов в Windows 2000 основывается на редиректоре (redirector FSD - redirector, для краткости), который выполняется на клиентской машине и взаимодействует с FSD redirector сервера. FSD перехватывает запрос Win32 file I/O, направленный в файлы, расположенные на сервере, и передает CIFS messages файловой системе сервера. Сервер получает CIFS messages и преобразует их обратно в запросы на операцию ввода-вывода, которые он выдает локальным FSDs, таким как NTFS.

Поскольку они интегрированны с подсистемой ввода-вывода Windows 2000 (I/O system), redirector and server FSDs имеют некоторые преимущества перед альтернативной реализацией файловых серверов:

1) они могут напрямую взаимодействовать с TDI transports и локальными FSD;

2) они бесшовно интегрируются с диспетчером кеша, что позволяет кешировать данные с файл-сервера на клиентских системах.

Приложения могут использовать стандартные Win32 file I/O функции, такие как CreateFile, ReadFile, and WriteFile для доступа к удаленным файлам.

В Windows 2000 redirector server FSD используют стандартные правила именования сетевых ресурсов, применяемые всеми файл-серверами и клиентскими программами режима ядра. Если подключение к сетевому ресурсу производится по букве диска, имена сетевых файлов указываются также как локальные. Тем не менее, redirector также поддерживает UNC имена

Как server FSD, так и redirector имеют Win32 сервисы, Server and Workstation, выполняемые в процессе service control manager (SCM) и предоставляющие драйверам интерфейсы административного управления.

Примечание:

Можно реализовать серверное приложение как простую исполняемую программу, но можно использовать особый вид – служба (сервис). Служба – это приложение, содержащее дополнительную инфраструктуру, которая позволяет SCM управлять этим приложениям. Все серверные приложения, поставляемые с системой, работают как службы.

Интерфейс транспортных драйверов (TDI)

Открытая архитектура сетевых средств Windows NT обеспечивает работу своих рабочих станций (и серверов) в гетерогенных сетях не только путем предоставления возможности динамически загружать и выгружать сетевые средства, но и путем непосредственного переключения с программных сетевых средств, ориентированных на взаимодействие с одним типом сетей, на программные средства для другого типа сетей в ходе работы системы. Windows NT поддерживает переключение программных средств на трех уровнях:

1) на уровне редиректоров - каждый редиректор предназначен для своего протокола (SMP, NCP, NFS, VINES);

2) на уровне драйверов транспортных протоколов, предоставляя для них и для редиректоров стандартный интерфейс TDI;

3) на уровне драйверов сетевых адаптеров - со стандартным интерфейсом NDIS 3.0.

Для доступа к другим типам сетей в Windows NT, помимо встроенного, могут загружаться дополнительные редиректоры. Специальные компоненты Windows NT решают, какой редиректор должен быть вызван для обслуживания запроса на удаленный ввод-вывод. За последние десятилетия получили распространение различные протоколы передачи информации по сети. И хотя Windows NT поддерживает не все эти протоколы, она, по крайней мере, разрешает включать их поддержку.

После того, как сетевой запрос достигает редиректора, он должен быть передан в сеть. В традиционной системе каждый редиректор жестко связан с определенным транспортным протоколом. В Windows NT поставлена задача гибкого подключения того или иного транспортного протокола, в зависимости от типа транспорта, используемого в другой сети. Для этого во всех редиректорах нижний уровень должен быть написан в соответствии с определенными соглашениями, которые и определяют единый программный интерфейс, называемый интерфейсом транспортных драйверов (TDI).

TDI позволяет редиректорам оставаться независимым от транспорта. Таким образом, одна версия редиректора может пользоваться любым транспортным механизмом. TDI обеспечивает набор функций, которые редиректоры могут использовать для пересылки любых типов данных с помощью транспортного уровня. TDI поддерживает как связи с установлением соединения (виртуальные связи), так и связи без установления соединения (дейтаграммные связи). Хотя LAN Manager использует связи с установлением соединений, Novell IPX является примером сети, которая использует связь без установления соединения. Microsoft изначально обеспечивает транспорты - NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface), TCP/IP, IPX/SPX, DECnet и AppleTalk.

Исходя из описанного выше, представим следующие выводы.

Интерфейс транспортных драйверов (TDI) - это общий интерфейс, позволяющий таким компонентам, как редиректор и сервер связываться с различными сетевыми транспортами, т. е. оставаться независимыми от транспорта. Отметим, что (TDI) – это не драйвер, а стандарт для передачи сообщений между уровнями сетевой архитектуры. Microsoft определила стандарт TDI, чтобы драйверам сетевых протоколов не приходилось использовать отдельные интерфейсы для каждого необходимого им транспортного протокола.

Как уже говорилось, Интерфейс транспортных драйверов (TDI) по сути представляет правила формирования сетевых запросов в IRP, а также выделения сетевых адресов и коммуникационных соединений. Транспортные протоколы, отвечающие данному стандарту, экспортируют интерфейс TDI своим клиентам, в число которых входят драйверы сетевых API и редиректор. Транспортный протокол, реализованный в виде драйвера устройства, называется транспортами TDI, а поскольку они есть драйверы, то преобразуют получаемые от клиентов запросы в IRP. Интерфейс транспортных драйверов (TDI образуют функции поддержки из библиотеки \ winnt\system32\drivers\tdi. sys.

Библиотека NDIS (Ndis . sys )

Введем также понятие граничного слоя. Граница – это унифицированный интерфейс между функциональными уровнями в модели сетевой архитектуры. Создание границ как разделов между сетевыми уровнями облегчает третьим фирмам разработку сетевых драйверов и сервисов в среде открытых систем.

Сетевые адаптеры поставляются вместе с сетевыми драйверами, которые раньше часто были рассчитаны на взаимодействие с определенным типом транспортного протокола. Так как Windows NT позволяет загружать драйверы различных транспортных протоколов, то производители сетевых адаптеров, использующие такой подход, должны были писать различные варианты одного и того же драйвера, рассчитанные на связь с разными протоколами транспортного уровня.

Чтобы помочь производителям избежать этого, Windows NT обеспечивает интерфейс и программную среду, называемые "спецификация интерфейса сетевого драйвера " (NDIS), которые экранируют сетевые драйверы от деталей различных транспортных протоколов. Самый верхний уровень драйвера сетевого адаптера должен быть написан в соответствии с рекомендациями NDIS. В этом случае пользователь может работать с сетью TCP/IP и сетью NetBEUI (или DECnet, NetWare, VINES и т. п.), используя один сетевой адаптер и один сетевой драйвер. Среда NDIS использовалась в сетях LAN Manager, но для Windows NT она была обновлена.

Через свою нижнюю границу драйвер сетевого адаптера обычно взаимодействует непосредственно с адаптером или адаптерами, которые он обслуживает. Драйвер сетевого адаптера, реализованный для среды NDIS, управляет адаптером не непосредственно, а использует для этого функции, предоставляемые NDIS (например, для запуска ввода-вывода или обработки прерываний). Таким образом, среда NDIS образует некую оболочку, которая позволяет достаточно просто переносить драйверы сетевых адаптеров из одной ОС в другую. NDIS позволяет сетевым драйверам не содержать встроенных знаний о процессоре или операционной системе, на которых он работает.

Безопасность в сети и доменная структура

Безопасность в сети означает защиту всех компонентов аппаратуры, программного обеспечения и хранимых данных от уничтожения, похищения, несанкционированного использования. Хорошо продуманный и умело построенный план обеспечения компьютерной безопасности, предоставляющий хороший мониторинг, облегчает контроль использования сетевых компьютеров, практически исключает случайное уничтожение или повреждение данных и делает невозможным или чрезвычайно трудным несанкционированное использование ресурсов.

Корпорация Microsoft включила требования безопасности в состав начальной спецификации для разработки Windows NT. Вопросы безопасности в Windows NT имеют первостепенное значение. Модель безопасности включает компоненты для контроля доступа к объектам (таким как файлы и разделяемые принтеры). Эти компоненты определяют, кто и к каким объектам может получить доступ, какое действие может быть произведено над объектом (например, запись в файл и т. д.), и какие события подлежат аудиту.

Безопасность сети Windows NT включает и доверительные отношения между доменами, что делает эту операционную систему защищенной наилучшим образом.

Архитектура модели безопасности

На рис. 3 показаны компоненты модели безопасности Windows NT, в число которых входят:

1) процессы входа в систему (Logon processes), которые получают от пользователей запросы на вход. Они включают интерактивный вход, который производится с помощью начального диалогового окна входа, и удаленные процессы входа, которые предоставляют удаленным пользователям доступ к процессам сервера Windows NT;

2) локальная служба безопасности (Local Security Authority, LSA), кото­рая следит за тем, чтобы пользователь имел право на доступ (permission) в систему. Этот компонент является центром подсистемы безопасности Windows NT. Он генерирует маркеры доступа (access tokens), управляет локальной политикой безопасности и обеспечивает интерактивную аутентификацию пользователя. Кроме того, LSA контролирует политику аудита и заносит в журнал аудиторские записи, генерируемые монитором безопасности;

3) диспетчер безопасности пользовательских учетных записей (Security Account Manager, SAM), поддерживающий базу данных учетных записей пользова­телей, также известную под названием базы данных каталога (directory database). Эта база данных содержит информацию по всем учетным записям пользователей и групп. SAM обеспечивает сервис проверки пользователей, который используется LSA;

4) монитор безопасности (Security Reference Monitor), который проверяет, имеет ли пользователь разрешение на доступ к объекту и право на операцию, которую он пытается выполнить. Этот компонент принудительным образом осуществляет проверку уровня доступа и проводит политику аудита, определенную LSA. Он обеспечивает сервис для режимов ядра и пользователя, выполняющий проверку наличия необходимого уровня доступа для всех пользователей и процессов, пытающихся получить доступ к объекту. В случае необходимости этот компонент также генерирует записи в файл аудита.

В совокупности все эти компоненты также известны, как подсистема безопасности. Эта подсистема, называемая интегральной подсистемой (integral subsystem), не является подсистемой среды (environmental subsystem), потому что она распространяет свое действие на всю операционную систему Windows NT.

Глава 29 NFS: сетевая файловая система

Введение

В этой главе мы рассмотрим сетевую файловую систему ( NFS - Network File System), популярное приложение, которое предоставляет приложениям клиентов прозрачный доступ к файлам. Краеугольным камнем NFS является Sun RPC: вызов удаленной процедуры (Remote Procedure Call), что мы и опишем в первую очередь.

Программе клиента не требуется специальных средств, чтобы воспользоваться NFS. Ядро определяет что файл находится на NFS сервере и автоматически генерирует RPC вызов, для того чтобы получить доступ к файлу.

Мы не будем подробно рассматривать, как реализуется доступ к файлам, а рассмотрим, как при этом используются протоколы Internet, особенно UDP.

Вызов удаленной процедуры компании Sun

В большинстве случаев задачи сетевого программирования решаются путем написания программ приложений, которые вызывают функции, предоставляемые системой, чтобы осуществить конкретные сетевые операции. Например, одна функция осуществляет активное открытие TCP, другая пассивное открытие TCP, третья посылает данные по TCP соединению, четвертая устанавливает конкретные опции протокола (включает TCP таймер "оставайся в живых") и так далее. В разделе "Интерфейсы прикладного программирования" главы 1 мы упоминали, что существует два популярных набора функций для сетевого программирования (прикладной программный интерфейс, API), это сокеты и TLI. Программный интерфейс, используемый клиентом, и программный интерфейс, используемый сервером, могут отличаться, так же как и операционные системы, которые функционируют у клиента и сервера. Именно коммуникационный и прикладной протоколы определяют, сможет ли конкретный клиент общаться с сервером. Unix клиент, написанный на C, использующий сокеты в качестве программного интерфейса, и TCP - в качестве коммуникационного протокола, может общаться с сервером на мейнфрейме, написанным на COBOLе с использованием других API и TCP, если оба хоста подключены к сети и оба имеют реализацию TCP/IP.

Обычно клиент посылает серверу команды, а сервер отправляет клиенту отклики. Все рассмотренные нами приложения, - Ping, Traceroute, демоны маршрутизации, клиенты и сервера DNS, TFTP, BOOTP, SNMP, Telnet, FTP, SMTP - все построены именно таким образом.

RPC, вызов удаленной процедуры, реализует иной подход к сетевому программированию. Программа клиента просто вызывает функции в программе сервера. Так это решено с точки зрения программиста, однако в действительности имеет место следующая последовательность действий.

  1. Когда клиент вызывает удаленную процедуру, вызывается функция на локальном хосте, которая сгенерирована пакетом RPC. Эта функция называется client stub. client stub упаковывает аргументы процедуры в сетевое сообщение и отправляет сообщение серверу.
  2. server stub на хосте сервера получает сетевое сообщение. Аргументы извлекаются из сетевого сообщения, и осуществляется вызов процедуры сервера, написанной прикладным программистом.
  3. Функция сервера возвращает управление server stubу, который, в свою очередь, принимает полученные значения, упаковывает их в сетевое сообщение и отправляет сообщение обратно к client stub.
  4. client stub возвращает приложению клиента значения из сетевого сообщения.

Сетевое программирование, использующее stubы и библиотечные RPC подпрограммы использует интерфейсы прикладного программирования API (сокеты или TLI), однако пользовательские приложения (программа клиента и процедуры сервера, вызываемые клиентом) никогда не обращаются к API. Приложению клиента достаточно вызывать процедуру сервера, при этом все детали реализации спрятаны пакетом RPC, client stubом и server stubом.

Пакеты RPC имеют следующие положительные стороны.

  • Программирование становится легче, так как не приходится решать задачи сетевого программирования (а если и приходится, то совсем немного). Прикладные программисты просто пишут программу клиента и процедуры сервера, которые вызывает клиент.
  • Если используется ненадежный протокол, такой как UDP, все детали, а именно тайм-ауты и повторные передачи обрабатываются пакетом RPC. Это, в свою очередь, упрощает пользовательское приложение.
  • Библиотека RPC обрабатывает необходимое преобразование аргументов и возвращаемых значений. Например, если аргументы состоят из целых чисел и чисел с плавающей точкой, пакет RPC обработает все различия между представлением целых чисел и чисел с плавающей точкой на клиенте и сервере. Благодаря этому упрощается реализация клиентов и серверов для функционирования в разнородных средах.

Программирование RPC подробно описано в главе 18 . Два наиболее популярных RPC пакета это Sun RPC и RPC пакет в Open Software Foundation"s ( OSF) Distributed Computing Environment ( DCE). Мы рассмотрим, как осуществляется вызов процедуры, как выглядит возвращаемое сообщение и как это соотносится с пакетом Sun RPC, так как именно этот пакет используется в сетевой файловой системе. Версия 2 Sun RPC описана в RFC 1057 [ Sun Microsystems 1988a].

Существует два вида Sun RPC. Одна версия построена с использованием API сокет и работает с TCP и UDP. Другая называется TI-RPC (независимо от транспорта - transport independent), построена с использованием TLI API и работает с любыми транспортными уровнями, предоставляемыми ядром. С нашей точки зрения между ними нет никакой разницы, так как в этой главе мы рассматриваем только TCP и UDP.

На рисунке 29.1 показан формат сообщения вызова процедуры RPC, с использованием UDP.

Рисунок 29.1 Сообщения вызова процедуры RPC в формате UDP датаграммы.

Стандартные IP и UDP заголовки показаны раньше (рисунок 3.1 и рисунок 11.2). Все, что следует после UDP заголовка, определяется пакетом RPC.

Идентификатор транзакции ( XID - transaction ID) устанавливается клиентом и возвращается сервером. Когда клиент получает отклик, он сравнивает XID, возвращенный сервером, с XID отправленного запроса. Если они не совпадают, клиент отбрасывает сообщение и ожидает прихода следующего. Каждый раз, когда клиент выдает новый RPC, он меняет XID. Однако если клиент передает RPC повторно (если отклик не был получен), XID не меняется.

Переменная call равна 0 для вызова и 1 для отклика. Текущая версия RPC (RPC version) равна 2. Три следующие переменные, номер программы (program number), номер версии (version number) и номер процедуры (procedure number), идентифицируют конкретную процедуру, которая должна быть вызвана на сервере.

Полномочия (credentials) идентифицируют клиента. В некоторых примерах это поле остается незаполненным, а в других здесь можно встретить цифровой идентификатор пользователя и идентификатор группы к который он принадлежит. Сервер может заглянуть в полномочия и решить, обработать ли запрос или нет. Проверка (verifier) используется для защищенного RPC (Secure RPC), которое использует DES шифрование. Несмотря на то, что поля полномочий и проверки это поля с переменной длиной, их длина передается как часть поля.

Дальше следуют параметры процедуры. Их формат зависит от того, как приложение определяет удаленную процедуру. Как получатель (server stub) узнает размер параметров? Так как используется UDP, размер параметров можно рассчитать как размер UDP датаграммы минус длина всех полей вплоть до поля проверки. Когда вместо UDP используется TCP, понятия фиксированной длины не существует, так как TCP это поток байтов без разделителей записей. В подобном случае, между TCP заголовком и XID появляется 4-байтовое поле длины, из которого приемник узнает длину RPC вызова в байтах. Это позволяет, если необходимо, послать сообщение вызова RPC в нескольких TCP сегментах. (DNS использует подобную технику; упражнение 4 главы 14.)

На рисунке 29.2 показан формат RPC отклика. Он отправляется от server stub к client stub, когда удаленная процедура завершает свою работу.

Рисунок 29.2 Формат сообщения отклика процедуры RPC как UDP датаграмма.

XID вызова просто копируется в XID отклика. В поле reply находится 1, по этому полю проводится различие между вызовом и откликом. Поле статуса (status) содержит нулевое значение, если сообщение вызова было принято. (Сообщение может быть отброшено, если номер версии RPC не равен 2 или если сервер не может аутентифицировать клиента.) Поле проверки (verifier) используется в случае защищенного RPC, чтобы указать сервер.

В поле статуса приема (accept status) находится нулевое значение, если все нормально. Ненулевое значение может указывать, например, на неверный номер версии или неверный номер процедуры. Если вместо UDP используется TCP, то, как и в случае сообщения вызова RPC, между TCP заголовком и XID посылается 4-байтовое поле длины.

XDR: представление внешних данных

Представление внешних данных ( XDR - External Data Representation) это стандарт, используемый для кодирования значений в RPC вызове и отклике сообщениях - полей заголовка RPC (XID, номер программы, статус приема и так далее), параметров процедуры и результатов процедуры. Стандартный способ кодирования данных позволяет клиенту вызвать процедуру в системе с отличной архитектурой. XDR определен в RFC 1014 [ Sun Microsystems 1987].

XDR определяет определенное количество типов данных и точный способ того, как они передаются в RPC сообщении (порядок битов, порядок байтов и так далее). Отправитель должен построить RPC сообщение в XDR формате, тогда получатель конвертирует XDR формат в исходное представление. (В тот формат, который принят для его системы.) Мы видим, например, на рисунках 29.1 и 29.2, что все целые значения, которые мы показали (XID, вызов, номер программы и так далее), это 4-байтовые целые числа. И действительно, все целые в XDR занимают 4 байта. XDR поддерживает и другие типы данных, включая целые без знака, логические, числа с плавающей точкой, массивы фиксированной длины, массивы переменной длины и структуры.

Соответствие портов

Программы RPC сервера, содержащие удаленные процедуры, используют динамически назначаемые порты, а не заранее известные порты. Это требует "регистрации" в какой-либо форме, для того чтобы постоянно иметь информацию, какая динамически назначаемый порт использует та или иная RPC программа. В Sun RPC этот регистратор называется преобразователь портов (port mapper). (Port mapper - это сервер, который конвертирует номера RPC программ в номера портов протоколов DARPA. Этот сервер обязательно должен быть запущен, чтобы можно было исполнить RPC вызов.)

Термин "порт" (port) в названии происходит от номеров портов TCP и UDP, характеристики семейства протоколов Internet. Так как TI-RPC работает поверх любых транспортных уровней, а не только поверх TCP и UDP, название port mapper в системах, использующих TI-RPC ( SVR4 и Solaris 2.2, например), было преобразовано в rpcbind. Однако мы будем продолжать использовать более привычное - port mapper.

В действительности, сам преобразователь портов должен иметь заранее известный порт: UDP порт 111 и TCP порт 111. Преобразователь портов - это всего лишь программа RPC сервера. Он имеет номер программы (100000), номер версии (2), TCP порт 111 и UDP порт 111. Серверы регистрируют друг друга в преобразователе портов, используя RPC вызовы, а клиенты запрашивают преобразователь портов, используя RPC вызовы. Преобразователь портов предоставляет четыре процедуры сервера:

  1. PMAPPROC_SET. Вызывается RPC сервером при старте, чтобы зарегистрировать номер программы, номер версии и протокол в преобразователе портов.
  2. PMAPPROC_UNSET. Вызывается сервером, чтобы удалить ранее зарегистрированное преобразование.
  3. PMAPPROC_GETPORT. Вызывается RPC клиентом при старте, чтобы получить номер порта для заданного номера программы, номера версии и протокола.
  4. PMAPPROC_DUMP. Возвращает все пункты (номер программы, номер версии, протокол и номер порта) в базу данных преобразователя портов.

Когда стартует программа сервер RPC и позже, когда она вызывается программой клиента RPC, осуществляются следующие шаги.

  1. Преобразователь портов должен стартовать первым, обычно при загрузке системы. При этом создается конечная точка TCP и осуществляется пассивное открытие TCP порта 111. Также создается конечная точка UDP, которая находится в ожидании, когда на UDP порт 111 прибудет UDP датаграмма.
  2. При старте программа сервера RPC создает конечную точку TCP и конечную точку UDP для каждой поддерживаемой версии программы. (Программа RPC может поддерживать несколько версий. Клиент указывает требуемую версию при вызове процедуры сервера.) Динамически назначаемый номер порта закрепляется за каждой конечной точкой. (Нет никакой разницы, одинаковые ли номера портов TCP и UDP или разные.) Сервер регистрирует каждую программу, версию, протокол и номер порта, осуществляя удаленной вызов процедуры преобразователя портов PMAPPROC_SET.
  3. Когда стартует программа клиента RPC, она вызывает процедуру преобразователя портов PMAPPROC_GETPORT, чтобы получить динамически назначаемый номер порта для заданной программы, версии и протокола.
  4. Клиент отправляет сообщение вызова RPC на номер порта, полученный в пункте 3. Если используется UDP, клиент просто посылает UDP датаграмму, содержащую сообщение вызова RPC (рисунок 29.1), на номер UDP порта сервера. В ответ сервер отправляет UDP датаграмму, содержащую сообщение RPC отклика (рисунок 29.2). Если используется TCP, клиент осуществляет активное открытие на номер TCP порта сервера и затем посылает сообщение вызова RPC по соединению. Сервер отвечает сообщением отклика RPC по соединению.

Программа rpcinfo(8) печатает все текущие настройки преобразователя портов. (Здесь происходит вызов процедуры преобразователя портов PMAPPROC_DUMP.) Ниже показан обычный вывод:

Sun % /usr/etc/rpcinfo -p
program vers proto port
100005 1 tcp 702 mountd демон монтирования NFS
100005 1 udp 699 mountd
100005 2 tcp 702 mountd
100005 2 udp 699 mountd

100003 2 udp 2049 nfs сам NFS

100021 1 tcp 709 nlockmgr менеджер блокирования NFS
100021 1 udp 1036 nlockmgr
100021 2 tcp 721 nlockmgr
100021 2 udp 1039 nlockmgr
100021 3 tcp 713 nlockmgr
100021 3 udp 1037 nlockmgr

Мы видим, что некоторые программы поддерживают несколько версий, и каждая комбинация номера программы, номера версии и протокола имеет свою собственную раскладку номеров портов, обслуживаемую преобразователем портов.

Доступ к обеим версиям монтирующего демона можно получить через один и тот же номер TCP порта (702) и один и тот же номер UDP порта (699), однако каждая версия блокирующего менеджера имеет свой собственный номер порта.

Протокол NFS

NFS предоставляет клиентам прозрачный доступ к файлам и файловой системе сервера. Это отличается от FTP (глава 27), который обеспечивает передачу файлов. С помощью FTP осуществляется полное копирование файла. NFS осуществляет доступ только к тем частям файла, к которым обратился процесс, и основное достоинство NFS в том, что он делает этот доступ прозрачным. Это означает, что любое приложение клиента, которое может работать с локальным файлом, с таким же успехом может работать и с NFS файлом, без каких либо модификаций самой программы.

NFS это приложение клиент-сервер, построенное с использованием Sun RPC. NFS клиенты получают доступ к файлам на NFS сервере путем отправки RPC запросов на сервер. Это может быть реализовано с использованием обычных пользовательских процессов - а именно, NFS клиент может быть пользовательским процессом, который осуществляет конкретные RPC вызовы на сервер, который так же может быть пользовательским процессом. Однако, NFS обычно реализуется иначе, это делается по двум причинам. Во-первых, доступ к NFS файлам должен быть прозрачным для клиента. Поэтому, вызовы NFS клиента осуществляются операционной системой клиента от имени пользовательского процесса клиента. Во-вторых, NFS сервера реализованы внутри операционной системы для повышения эффективности работы сервера. Если бы NFS сервер являлся пользовательским процессом, каждый запрос клиента и отклик сервера (включая данные, которые будут считаны или записаны) должен пройти через разделитель между ядром и пользовательским процессом, что вообще довольно дорогое удовольствие.

В этом разделе мы рассмотрим версию 2 NFS, как она документирована в RFC 1094 [ Sun Microsystems 1988b]. Лучшее описание Sun RPC, XDR и NFS дано в [ X/Open 1991]. Подробности использования и администрирования NFS приведены в [ Stern 1991]. Спецификации версии 3 протокола NFS были реализованы в 1993 году, о чем мы поговорим в разделе этой главы.

На рисунке 29.3 показаны типичные настройки NFS клиента и NFS сервера. На этом рисунке необходимо обратить внимание на следующее.

  1. Клиенту безразлично, получает ли он доступ к локальному файлу или к NFS файлу. Ядро определяет это, когда файл открыт. После того как файл открыт, ядро передает все обращения к локальным файлам в квадратик, помеченный как "доступ к локальным файлам", а все ссылки на NFS файлы передаются в квадратик "NFS клиент".
  2. NFS клиент отправляет RPC запросы NFS серверу через модуль TCP/IP. NFS обычно использует UDP, однако более новые реализации могут использовать TCP.
  3. NFS сервер получает запросы от клиента в виде UDP датаграмм на порт 2049. Несмотря на то, что NFS может работать с преобразователем портов, что позволяет серверу использовать динамически назначаемые порты, UDP порт 2049 жестко закреплен за NFS в большинстве реализаций.

Рисунок 29.3 Типичные настройки NFS клиента и NFS сервера.

  • Когда NFS сервер получает запрос от клиента, он передаются локальной подпрограмме доступа к файлу, которая обеспечивает доступ к локальному диску на сервере.
  • Серверу может потребоваться время, для того чтобы обработать запросы клиента. Даже доступ к локальной файловой системе может занять некоторое время. В течение этого времени сервер не хочет блокировать запросы от других клиентов, которые также должны быть обслужены. Чтобы справиться с подобной ситуацией, большинство NFS серверов запускаются несколько раз, то есть внутри ядра существует несколько NFS серверов. Конкретные методы решения зависят от операционной системы. В большинстве ядер Unix систем не "живет" несколько NFS серверов, вместо этого запускается несколько пользовательских процессов (которые обычно называются nfsd), которые осуществляют один системный вызов и остаются внутри ядра в качестве процесса ядра.
  • Точно так же, NFS клиенту требуется время, чтобы обработать запрос от пользовательского процесса на хосте клиента. RPC выдается на хост сервера, после чего ожидается отклик. Для того, чтобы пользовательские процессы на хосте клиента могли в любой момент воспользоваться NFS, существует несколько NFS клиентов, запущенных внутри ядра клиента. Конкретная реализация также зависит от операционной системы. Unix система обычно использует технику, напоминающую NFS сервер: пользовательский процесс, называемый biod, осуществляет один единственный системный вызов и остается внутри ядра как процесс ядра.

    • Большинство Unix хостов может функционировать как NFS клиент и как NFS сервер, или как и то и другое одновременно. Большинство PC реализаций (MS-DOS) имеют только реализации NFS клиента. Большинство IBM мейнфреймов предоставляет только функции NFS сервера.

    NFS в действительности - это нечто большее, чем просто NFS протокол. На рисунке 29.4 показаны различные программы RPC, которые используются с NFS.

    Приложение

    Номер программы

    Номер версии

    Количество процедур
    преобразователь портов
    NFS
    программа mount
    менеджер блокирования
    монитор статуса

    Рисунок 29.4 Различные RPC программы, используемые в NFS.

    Версии, которые мы показали на этом рисунке в виде единиц, найдены в таких системах как SunOS 4.1.3. Новые реализации предоставляют более новые версии некоторых программ. Solaris 2.2, например, также поддерживает версии 3 и 4 преобразователя портов и версию 2 демона mount. SVR4 также поддерживает версию 3 преобразователя портов.

    Демон монтирования вызывается на хосте NFS клиента, перед тем как клиент может получить доступ к файловой системе сервера. Мы опишем этот процесс ниже.

    Менеджер блокирования и монитор статуса позволяют клиенту заблокировать часть файлов, которые находятся на NFS сервере. Эти две программы не зависимы от протокола NFS, потому что блокирование требует идентификации клиента и на хосте клиента, и на сервере, а NFS сам по себе "безразличен". (Ниже мы скажем о безразличности NFS более подробно.) Главы 9, 10 и 11 [ X/Open 1991] документируют процедуры, которые используются менеджером блокирования и монитором статуса для блокирования в NFS.

    Описатели файлов

    Одна из основ NFS реализуется описателями файлов. Для обращения к файлу или директории на сервере объекта используется opaque. Термин opaque обозначает, что сервер создает описатель файла, передает его обратно клиенту, который клиент затем использует при обращении к файлу. Клиент никогда не просматривает содержимое описателя файла - его содержимое представляет интерес только для сервера.

    NFS клиент получает описатель файла каждый раз когда открывает файл, который в действительности находится на NFS сервере. Когда NFS клиент читает или пишет в этот файл (по поручению пользовательского процесса), описатель файла передается обратно серверу. Это указывает на то, что доступ к файлу был осуществлен.

    Обычно пользовательский процесс не работает с описателями файлов. Обмен описателями файлов осуществляют NFS клиент и NFS сервер. В версии 2 NFS описатель файла занимает 32 байта, а в версии 3 он вырос до 64 байт.

    Unix серверы обычно хранят в описателе файла следующую информацию: идентификатор файловой системы (major и minor номера устройства файловой системы), номер инода (i-node) (уникальный номер внутри файловой системы), номер поколения инода (номер, который изменяется каждый раз, когда инод повторно используется для другого файла).

    Протокол монтирования

    Клиент использует NFS протокол монтирования, чтобы смонтировать файловую систему сервера, перед тем как получить доступ к NFS файлам. Обычно это происходит при загрузке клиента. В результате клиент получает описатель файла файловой системы сервера.

    На рисунке 29.5 описана последовательность действий Unix клиента при исполнении команды mount(8).

    Рисунок 29.5 Протокол монтирования, используемый Unix командой mount.

    При этом осуществляются следующие шаги.

    1. При загрузке сервера на нем стартует преобразователь портов.
    2. После преобразователя портов на сервере стартует демон монтирования ( mountd). Он создает конечную точку TCP и конечную точку UDP, а также назначает каждой из них динамически назначаемый номер порта. Затем он регистрирует эти номера у преобразователя портов.
    3. Клиент исполняется команду mount, которая выдает RPC вызов на преобразователь портов сервера, чтобы получить номер порта от демона монтирования на сервере. Для обмена между клиентом и преобразователем портов могут быть использованы и TCP и UDP, однако обычно используется UDP.
    4. Преобразователь портов сообщает номер порта.
    5. Команда mount выдает RPC вызов демону монтирования, чтобы смонтировать файловую систему сервера. И снова может быть использован как TCP, так и UDP, однако обычно используется UDP. Теперь сервер может проверить "годность" клиента основываясь на его IP адресе и номере порта, чтобы убедиться, можно ли этому клиенту смонтировать указанную файловую систему.
    6. Демон монтирования откликается описателем файла указанной файловой системы.
    7. Команда mount клиента выдает системный вызов mount, чтобы связать описатель файла, полученный в шаге 5, с локальной точкой монтирования на хосте клиента. Описатель файла хранится в коде NFS клиента, и с этого момента любое обращение пользовательских процессов к файлам на файловой системе сервера будет использовать описатель файла как стартовую точку.

    Подобная реализация отдает весь процесс монтирования, кроме системного вызова mount на клиенте, пользовательским процессам, а не ядру. Три программы, которые мы показали - команда mount, преобразователь портов и демон монтирования - пользовательские процессы.

    В этом примере на хосте sun (NFS клиент) была исполнена команда

    sun # mount -t nfs bsdi:/usr /nfs/bsdi/usr

    Эта команда монтирует директорию /usr на хосте bsdi (NFS сервер) как локальную файловую систему /nfs/bsdi/usr. На рисунке 29.6 показан результат.

    Рисунок 29.6 Монтирование директории bsdi:/usr как /nfs/bsdi/usr на хосте sun.

    После чего при обращении к файлу /nfs/bsdi/usr/rstevens/hello.c на клиенте sun, происходит обращение к файлу /usr/rstevens/hello.c на сервере bsdi.

    Процедуры NFS

    NFS сервер предоставляет 15 процедур, которые мы сейчас опишем. (Числа, которые использованные при описании, не совпадают с номерами NFS процедур, так как мы сгруппировали их по функциональному признаку.) Несмотря на то что NFS разрабатывалась таким образом, чтобы работать между различными операционными системами, а не только между Unix системами, некоторые из процедур основаны именно на Unix функционировании, что, в свою очередь, может не поддерживаться другими операционными системами (например, жесткие линки, символические линки, групповое пользование, права доступа на исполнение и так далее). Глава 4 содержит дополнительную информацию о характеристиках файловых систем, некоторыми из которых пользуется NFS.

    1. GETATTR. Возвращает атрибуты файлов: тип файла (обычный файл, директория и так далее), права доступа, размер файла, владельца файла, время последнего обращения и так далее.
    2. SETATTR. Устанавливает атрибуты файла. Установлен может быть только определенный набор атрибутов: права доступа, владелец, групповое владение, размер, время последнего обращения и время последней модификации.
    3. STATFS. Возвращает статус файловой системы: размер свободного пространства, оптимальный размер для передачи и так далее. Используется, например, Unix командой df.
    4. LOOKUP. "Оценивает" файл. Эта процедура вызывается клиентом каждый раз, когда пользовательский процесс открывает файл, который находится на NFS сервере. Возвращается описатель файла, вместе с атрибутами файла.
    5. READ. Читает из файла. Клиент указывает описатель файла, начальное смещение в байтах и максимальное количество байтов, которое необходимо считать (до 8192).
    6. WRITE. Записывает в файл. Клиент указывает описатель файла, начальное смещение в байтах, количество байт, которое необходимо записать, и данные, которые необходимо записать.

      Требуется, чтобы NFS записи были синхронными (с ожиданием). Сервер не может ответить OK до тех пор, пока данные не были успешно записаны (и любая другая информация о файле, которая должна быть обновлена) на диск.

    7. CREATE. Создает файл.
    8. REMOVE. Удаляет файл.
    9. RENAME. Переименовывает файл.
    10. LINK. Делает жесткий линк на файл. Жесткий линк это Unix концепция, которая определяет, что конкретный файл на диске может иметь любое количество точек входа (имен, которые также называются жесткими линками), которые указывают на этот файл.
    11. SYMLINK. Создает символический линк на файл. Символический линк это файл, который содержит имя другого файла. Большинство операций, которые осуществляются над символическим линком (например, открытие), в действительности совершаются с тем файлом, на котороый указывает символический линк.
    12. READLINK. Чтение символического линка возвращает имя файла, на который указывает символический линк.
    13. MKDIR. Создает директорию.
    14. RMDIR. Удаляет директорию.
    15. READDIR. Читает директорию. Используется, например, Unix командой ls.

    В действительности, приведенные имена процедур начинаются с префикса NFSPROC_, который мы опустили.

    UDP или TCP?

    NFS был исходно написан, чтобы использовать UDP, и эту возможность предоставляют все производители. Однако, более новые реализации, также поддерживают TCP. Поддержка TCP используется для работы в глобальных сетях, которые становится все быстрее. Поэтому использование NFS в настоящее время уже не ограничено локальными сетями.

    Границы между локальными и глобальными сетями стираются, и все это происходит очень быстро. Времена возврата меняются в очень широком диапазоне, и все чаще возникает переполнение. Эти характеристики глобальных сетей приводят к тому, что все чаще в них используются алгоритмы, которые мы рассматривали для TCP - медленный старт и избежание переполнения. Так как UDP не предоставляет ничего похожего на эти алгоритмы, то они или им подобные должны быть встроены в NFS клиент и сервер, иначе необходимо использовать TCP.

    NFS поверх TCP

    Реализация NFS Berkeley Net/2 поддерживает как UDP, так и TCP. [ Macklem 1991] описывает эту реализацию. Давайте рассмотрим, чем отличается использование NFS при работе поверх TCP.

    1. Когда сервер загружается, он запускает NFS сервер, который осуществляет активное открытие на TCP порт 2049, ожидая прихода запроса на соединение от клиента. Это обычно делается в дополнение к обычному NFS UDP, который ожидает входящие датаграммы на UDP порте 2049.
    2. Когда клиент монтирует файловую систему сервера с использованием TCP, он осуществляет активное открытие на TCP порт 2049 на сервере. При этом устанавливается TCP соединение между клиентом и сервером для этой файловой системы. Если тот же самый клиент монтирует еще одну файловую систему на том же самом сервере, создается еще одно TCP соединение.
    3. И клиент, и сервер устанавливают TCP опцию "оставайся в живых" на своих концах соединения (глава 23). Это позволяет определить момент выхода из строя или перезагрузки того или иного участника обмена.
    4. Все приложения на клиенте, которые используют файловую систему сервера, делят одно и то же TCP соединение для этой файловой системы. Например, если была на рисунке 29.6, бы еще одна директория на bsdi, с именем smith, ниже директории /usr, обращения к файлам в /nfs/bsdi/usr/rstevens и /nfs/bsdi/usr/smith делили бы одно и то же TCP соединение.
    5. Если клиент определяет, что сервер вышел из строя или перезагрузился (после получения TCP ошибки "соединение закрыто по тайм-ауту" или "соединение закрыто хостом"), он старается повторно подсоединиться к серверу. Клиент осуществляет еще одно активное открытие, чтобы повторно установить TCP соединение для этой файловой системы. Любой запрос от клиента, для которого отработан тайм-аут на предыдущем соединении, повторно выдается на новое соединение.
    6. Если клиент вышел из строя, то же происходит и с приложениями, которые работали до выхода из строя. Когда клиент перезагружается, он, возможно, повторно смонтирует файловую систему сервера с использованием TCP, причем будет использовано другое TCP соединение с сервером. Предыдущее соединение между клиентом и сервером для этой файловой системы находится в полуоткрытом состоянии (сервер думает, что оно все еще открыто), однако так как сервер установил опцию "оставайся в живых", это полуоткрытое соединение будет закрыто, когда TCP сервер пошлет следующую пробу "оставайся в живых".

    Со временем и другие производители планируют начать поддержку NFS поверх TCP.

    Примеры NFS

    Давайте воспользуемся tcpdump, чтобы посмотреть, какие NFS процедуры привлекаются клиентом для обычных операций с файлом. Когда tcpdump определяет, что UDP датаграмма содержит RPC вызов (call равен 0 на рисунке 29.1) с портом назначения 2049, он декодирует датаграмму как NFS запрос. Точно так же, если UDP датаграмма содержит RPC отклик (reply равен 1 на рисунке 29.2) с портом источника равным 2049, он декодирует датаграмму как NFS отклик.

    Простой пример: чтение файла

    В первом примере мы скопируем файл, находиться на NFS сервере, на терминал с использованием команды cat(1):

    Sun % cat /nfs/bsdi/usr/rstevens/hello.c копирование файла на терминал
    main()
    {
    printf ("hello, world\n");
    }

    Файловая система /nfs/bsdi/usr на хосте sun (NFS клиент) в действительности является файловой системой /usr на хосте bsdi (NFS сервер), как показано на рисунке 29.6. Ядро sun определяет это, когда cat открывает файл и использует NFS для доступа к файлу. На рисунке 29.7 показан вывод команды tcpdump.

    1 0.0 sun.7aa6 > bsdi.nfs: 104 getattr
    2 0.003587 (0.0036) bsdi.nfs > sun.7aa6: reply ok 96

    3 0.005390 (0.0018) sun.7aa7 > bsdi.nfs: 116 lookup "rstevens"
    4 0.009570 (0.0042) bsdi.nfs > sun.7aa7: reply ok 128

    5 0.011413 (0.0018) sun.7aa8 > bsdi.nfs: 116 lookup "hello.c"
    6 0.015512 (0.0041) bsdi.nfs > sun.7aa8: reply ok 128

    7 0.018843 (0.0033) sun.7aa9 > bsdi.nfs: 104 getattr
    8 0.022377 (0.0035) bsdi.nfs > sun.7aa9: reply ok 96

    9 0.027621 (0.0052) sun.7aaa > bsdi.nfs: 116 read 1024 bytes @ 0
    10 0.032170 (0.0045) bsdi.nfs > sun.7aaa: reply ok 140

    Рисунок 29.7 Функционирование NFS при чтении файла.

    Команда tcpdump декодирует NFS запрос или отклик, также она печатает поле XID для клиента, вместо номера порта. Поле XID в строках 1 и 2 равно 0x7aa6.

    Имя файла /nfs/bsdi/usr/rstevens/hello.c обрабатывается функцией открытия в ядре клиента по одному элементу имени за раз. Когда функция открытия достигает /nfs/bsdi/usr, она определяет, что это точка монтирования файловой системы NFS.

    В строке 1 клиент вызывает процедуру GETATTR, чтобы получить атрибуты директории сервера, которую смонтировал клиент (/usr). Этот RPC запрос содержит 104 байта данных, помимо IP и UDP заголовков. Отклик в строке 2 возвращает OK и содержит 96 байт данных, помимо IP и UDP заголовков. Мы видим на этом рисунке, что минимальное NFS сообщение содержит примерно 100 байт данных.

    В строке 3 клиент вызывает процедуру LOOKUP для файла rstevens и получает отклик OK в строке 4. LOOKUP указывает имя файла rstevens и описатель файла, который был сохранен ядром, когда монтировалась удаленная файловая система. Отклик содержит новый описатель файла, который используется в следующем шаге.

    В строке 5 клиент осуществляет LOOKUP файла hello.c с использованием описателя файла из строки 4. Он получает другой описатель файла в строке 6. Этот новый описатель файла как раз то, что клиент использует в строках 7 и 9, чтобы обратиться к файлу /nfs/bsdi/usr/rstevens/hello.c. Мы видим, что клиент осуществляет LOOKUP для каждого компонента имени в пути к открываемому файлу.

    В строке 7 клиент еще раз исполняет GETATTR, затем следует READ в строке 9. Клиент запрашивает 1024 байта, начиная со смещения равного 0, однако получает данных меньше чем 1024 байта. (После вычитания размеров RPC полей и других значений, возвращенных процедурой READ, в строке 10 возвращаются 38 байт данных. Это как раз размер файла hello.c.)

    В этом примере пользовательский процесс ничего не знает об этих NFS запросах и откликах, которые осуществляются ядром. Приложение всего лишь вызывает функцию открытия ядра, которая вызывает обмен 3 запросами и 3 откликами (строки 1-6), а затем вызывает функцию чтение ядра, которая вызывает 2 запроса и 2 отклика (строки 7-10). Для приложения клиента, файл, находящийся на NFS сервере, прозрачен.

    Простой пример: создание директории

    В качестве еще одного примера сменим рабочую директорию на директорию, которая находится на NFS сервере, а затем создадим новую директорию:

    Sun % cd /nfs/bsdi/usr/rstevens меняем рабочую директорию
    sun % mkdir Mail создаем директорию

    На рисунке 29.8 показан вывод команды tcpdump.

    1 0.0 sun.7ad2 > bsdi.nfs: 104 getattr
    2 0.004912 (0.0049) bsdi.nfs > sun.7ad2: reply ok 96

    3 0.007266 (0.0024) sun.7ad3 > bsdi.nfs: 104 getattr
    4 0.010846 (0.0036) bsdi.nfs > sun.7ad3: reply ok 96

    5 35.769875 (35.7590) sun.7ad4 > bsdi.nfs: 104 getattr
    6 35.773432 (0.0036) bsdi.nfs > sun.7ad4: reply ok 96

    7 35.775236 (0.0018) sun.7ad5 > bsdi.nfs: 112 lookup "Mail"
    8 35.780914 (0.0057) bsdi.nfs > sun.7ad5: reply ok 28

    9 35.782339 (0.0014) sun.7ad6 > bsdi.nfs: 144 mkdir "Mail"
    10 35.992354 (0.2100) bsdi.nfs > sun.7ad6: reply ok 128

    Рисунок 29.8 Функционирование NFS при смене директории (cd) на NFS директорию, а затем создание директории (mkdir).

    При смене директории клиент вызывает процедуру GETATTR дважды (строки 1-4). Когда мы создаем новую директорию, клиент вызывает процедуру GETATTR (строки 5 и 6), затем LOOKUP (строки 7 и 8, чтобы проверить, что такой директории не существует), затем MKDIR, чтобы создать директорию (строки 9 и 10). Отклик OK в строке 8 не означает, что директория существует. Он просто означает, что процедура вернула какое-то значение. tcpdump не интерпретирует значение, возвращаемое NFS процедурами. Команда просто печатает OK и количество байт данных в отклике.

    Безразличность

    Одна из характеристик NFS (критики NFS называют это бородавкой, а не характеристикой) заключается в том, что NFS сервер безразличен. Сервер не заботится о том, какие клиенты получают доступ и к каким файлам. Заметьте, что в списке NFS процедур, показанных ранее, нет процедуры открытия или закрытия. Процедура LOOKUP напоминает открытие, однако сервер никогда не знает, осуществил ли клиент обращение к файлу, после того как был сделан LOOKUP.

    Причина такого "безразличного поведения" заключается в том, чтобы упростить восстановление после выхода из строя сервера, после того как он сломался и перезагрузился.

    Пример: выход сервера из строя

    В следующем примере мы читаем файл с NFS сервера, когда сервер выходит из строя и перезагружается. Это покажет как "безразличность" сервера позволяет, клиенту "не знать" о том, что сервер вышел из строя. Все то время, пока сервер сломался и перезагружается, клиент не знает о проблеме, и приложение клиента работает так же, как и раньше.

    На клиенте sun мы стартовали cat с очень большим файлом в качестве аргумента (/usr/share/lib/termcap на NFS сервере svr4), отсоединили Ethernet кабель в процессе передачи, выключили и перезагрузили сервер и затем снова подсоединили кабель. Клиент был сконфигурирован таким образом, чтобы читать 1024 байта за одно NFS чтение. На рисунке 29.9 показан вывод tcpdump.

    Строки 1-10 соответствуют открытию файла клиентом. Эта операция напоминает ту, что показана на рисунке 29.7. В строке 11 мы видим первое чтение (READ) из файла 1024-х байт данных; отклик возвратился в строке 12. Это продолжается до строки 129 (чтение READ по 1024 байта и затем отклик OK).

    В строках 130 и 131 мы видим два запроса, которые отработаны по тайм-ауту и повторно переданы в строках 132 и 133. Первый вопрос: мы видим два запроса на чтение, один начинается со смещения 65536, а другой начинается со смещения 73728, почему? Ядро клиента определило, что приложение клиента осуществляет последовательное считывание, и постаралось получить блоки данных заранее. (Большинство Unix ядер осуществляют это чтение вперед (read-ahead).) Ядро клиента также запустило несколько NFS демонов блочного ввода-вывода (I/O) (biod процессы), которые стараются сгенерировать несколько RPC запросов от имени клиента. Один демон считывает 8192 байта, начиная с 65536 (в 1024-байтных цепочках), а другие осуществляют чтение вперед по 8192 байта, начиная с 73728.

    Повторные передачи клиента появляются в строках 130-168. В строке 169 мы видим, что сервер перезагрузился, и послал ARP запрос перед тем, как откликнуться на NFS запрос клиента из строки 168. Отклик на строку 168 посылается в строке 171. Запросы клиента на чтение (READ) продолжаются.

    1 0.0 sun.7ade > svr4.nfs: 104 getattr
    2 0.007653 (0.0077) svr4.nfs > sun.7ade: reply ok 96

    3 0.009041 (0.0014) sun.7adf > svr4.nfs: 116 lookup "share"
    4 0.017237 (0.0082) svr4.nfs > sun.7adf: reply ok 128

    5 0.018518 (0.0013) sun.7ae0 > svr4.nfs: 112 lookup "lib"
    6 0.026802 (0.0083) svr4.nfs > sun.7ae0: reply ok 128

    7 0.028096 (0.0013) sun.7ae1 > svr4.nfs: 116 lookup "termcap"
    8 0.036434 (0.0083) svr4.nfs > sun.7ae1: reply ok 128

    9 0.038060 (0.0016) sun.7ae2 > svr4.nfs: 104 getattr
    10 0.045821 (0.0078) svr4.nfs > sun.7ae2: reply ok 96

    11 0.050984 (0.0052) sun.7ae3 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 0
    12 0.084995 (0.0340) svr4.nfs > sun.7ae3: reply ok 1124

    Считывание

    128 3.430313 (0.0013) sun.7b22 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 64512
    129 3.441828 (0.0115) svr4.nfs > sun.7b22: reply ok 1124

    130 4.125031 (0.6832) sun.7b23 >
    131 4.868593 (0.7436) sun.7b24 >

    132 4.993021 (0.1244) sun.7b23 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 65536
    133 5.732217 (0.7392) sun.7b24 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 73728

    134 6.732084 (0.9999) sun.7b23 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 65536
    135 7.472098 (0.7400) sun.7b24 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 73728

    136 10.211964 (2.7399) sun.7b23 >
    137 10.951960 (0.7400) sun.7b24 >

    138 17.171767 (6.2198) sun.7b23 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 65536
    139 17.911762 (0.7400) sun.7b24 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 73728

    140 31.092136 (13.1804) sun.7b23 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 65536
    141 31.831432 (0.7393) sun.7b24 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 73728

    142 51.090854 (19.2594) sun.7b23 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 65536
    143 51.830939 (0.7401) sun.7b24 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 73728

    144 71.090305 (19.2594) sun.7b23 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 65536
    145 71.830155 (0.7398) sun.7b24 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 73728

    Повторные передачи

    167 291.824285 (0.7400) sun.7b24 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 73728
    168 311.083676 (19.2594) sun.7b23 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 65536

    Сервер перезагрузился

    169 311.149476 (0.0658) arp who-has sun tell svr4
    170 311.150004 (0.0005) arp reply sun is-at 8:0:20:3:f6:42

    171 311.154852 (0.0048) svr4.nfs > sun.7b23: reply ok 1124

    172 311.156671 (0.0018) sun.7b25 > svr4.nfs: 116 read 1024 bytes @ 66560
    173 311.168926 (0.0123) svr4.nfs > sun.7b25: reply ok 1124
    считывание

    Рисунок 29.9 Считывание файла клиентом, когда NFS сервер вышел из строя и перезагрузился.

    Приложение клиента никогда не узнает, что сервер выходил из строя и перезагружался, за исключением того, что между строками 129 и 171 была 5-минутная пауза, таким образом, выход из строя сервера прозрачен для клиента.

    Чтобы оценить продолжительность тайм-аутов при повторных передачах в этом примере, представьте, что существуют два демона клиента, каждый со своими собственными тайм-аутами. Интервалы для первого демона (читающего со смещения 65536) примерно следующие (округлено до двух знаков после запятой): 0,68; 0,87; 1,74; 3,48; 6,96; 13,92; 20,0; 20,0; 20,0 и так далее. Интервалы для второго демона (читающего со смещения 73728) точно такие же. Это означает, что эти NFS клиенты используют тайм-ауты, которые кратны 0,875 секунды с верхним пределом равным 20 секундам. После каждого тайм-аута интервал повторной передачи удваивается: 0,875; 1,75; 3,5; 7,0 и 14,0.

    Сколько времени клиент будет осуществлять повторные передачи? Клиент имеет две опции, которые могут повлиять на это. Во-первых, если файловая система сервера смонтирована жестко (hard) , клиент будет повторно передавать вечно, однако если файловая система сервера смонтирована мягко (soft) , клиент прекратит свои попытки после фиксированного количества повторных передач. Также, в случае жесткого монтирования клиент имеет опцию, позволяющую пользователю прервать неудачные повторные передачи или не прерывать. Если при монтировании файловой системы сервера, хост клиента указывает что прервать можно, и если мы не хотим ждать 5 минут, пока сервер перезагрузится после выхода из строя, мы можем ввести символ прерывания, чтобы прекратить работу приложения клиента.

    Несколько одинаковых процедур

    RPC процедуры могут быть исполнены сервером несколько раз, но при этом все равно возвращают тот же самый результат. Например, процедура чтения NFS. Как мы видели на рисунке 29.9, клиент просто повторно выдает вызов READ до тех пор, пока он получает отклик. В нашем примере причина повторной передачи была в том, что сервер вышел из строя. Если сервер не вышел из строя, а сообщения, содержащие RPC отклики, были потеряны (так как UDP ненадежный протокол), клиент просто повторно передает, и сервер снова осуществляет то же самое чтение (READ). Та же самая часть того же самого файла считывается снова и посылается клиенту.

    Это работает, потому что каждый запрос на чтение READ содержит начальное смещение. Если бы NFS процедура попросила сервер считать следующие N байт файла, это бы не сработало. Если бы сервер не был безразличным (это значение наоборот к безразличности), и отклик потерян, а клиент повторно выдает READ для следующих N байт, результат будет отличаться. Именно поэтому процедуры NFS READ и WRITE имеют начальное смещение. Именно клиент поддерживает состояние (текущее смещение для каждого файла), а не сервер.

    К несчастью, не все операции с файловыми системами можно исполнить несколько раз. Например, представьте себе следующие шаги: клиент NFS выдает запрос REMOVE, чтобы удалить файл; NFS сервер удаляет файл и отвечает OK; отклик сервера потерян; NFS клиент отрабатывает тайм-аут и повторно передает запрос; NFS сервер не может найти файл и возвращает ошибку; приложение клиента получает ошибку, сообщающую о том, что файл не существует. Эта ошибка возвращается приложению клиента, и эта ошибка несет неверную информацию - файл не существовал и был удален.

    Ниже приведен список NFS процедур, которые можно исполнить несколько раз: GETATTR, STATFS, LOOKUP, READ, WRITE, READLINK и READDIR. Процедуры, которые нельзя исполнить несколько раз: CREATE, REMOVE, RENAME, LINK, SYMLINK, MKDIR и RMDIR. SETATTR обычно исполняется несколько раз, если только она не была использована для того, чтобы обрезать файл.

    Так как в случае использования UDP всегда могут появиться потерянные отклики, NFS сервера должны иметь способ обработать операции, которые нельзя исполнять несколько раз. Большинство серверов имеют кэш последних откликов, в котором они хранят последние принятые отклики для подобных операций. Каждый раз, когда сервер получает запрос, он, во-первых, просматривает свой кэш, и если найдено совпадение, возвращает предыдущий отклик, вместо того чтобы вызывать NFS процедуру снова. [ Juszczak 1989] описывает детали этих типов кэша.

    Подобный подход к процедурам на серверах применяется ко всем приложениям, основанным на UDP, а не только NFS. DNS, например, предоставляет сервис, безболезненно используемый несколько раз. DNS сервер может осуществить запрос разборщика любое количество раз, что не приведет к отрицательным результатам (может быть, кроме того, что будут заняты сетевые ресурсы).

    NFS версии 3

    В течение 1994 года были выпущены спецификации для версии 3 протокола NFS [ Sun Microsystems 1993]. Реализации, как ожидается, станут доступными в течение 1994 года.

    Здесь вкратце описаны основные различия между версиями 2 и 3. Мы будем называть их V2 и V3.

    1. Описатели файлов в V2 это массив фиксированного размера - 32 байта. В V3 это массив переменного размера с размером до 64 байт. Массив переменной длины в XDR определяется 4-байтным счетчиком, за которым следуют реальные байты. Это уменьшает размер описателя файла в таких реализациях, как, например, Unix, где требуется всего около 12 байт, однако позволяет не-Unix реализациям обмениваться дополнительной информацией.
    2. V2 ограничивает количество байт на процедуры READ или WRITE RPC размером 8192 байта. Это ограничение не действует в V3, что, в свою очередь, означает, что с использованием UDP ограничение будет только в размере IP датаграммы (65535 байт). Это позволяет использовать большие пакеты при чтении и записи в быстрых сетях.
    3. Размеры файлов и начальное смещение байтов для процедур READ и WRITE расширены с 32 до 64 бит, что позволяет работать с файлами большего размера.
    4. Атрибуты файла возвращаются в каждом вызове, который может повлиять на атрибуты. Это уменьшает количество вызовов GETATTR, требуемых клиентом.
    5. Записи (WRITE) могут быть асинхронными, тогда как в V2 они должны были быть синхронными. Это может улучшить производительность процедуры WRITE.
    6. Одна процедура была удалена (STATFS) и семь были добавлены: ACCESS (проверка прав доступа к файлу), MKNOD (создание специального файла Unix), READDIRPLUS (возвращает имена файлов в директории вместе с их атрибутами), FSINFO (возвращает статистическую информацию о файловой системе), FSSTAT (возвращает динамическую информацию о файловой системе), PATHCONF (возвращает POSIX.1 информацию о файле) и COMMIT (передает ранее сделанные асинхронные записи на постоянное хранение).

    Краткие выводы

    RPC это способ построить приложение клиент-сервер таким образом, что клиент просто вызывает процедуры на сервере. Все сетевые детали спрятаны в stubах клиента и сервера, которые генерируются для приложений пакетом RPC и в подпрограммах библиотеки RPC. Мы показали формат RPC сообщений вызова и отклика и упомянули, что XDR используется, чтобы кодировать значения, что позволяет RPC клиентам и серверам работать на машинах с различной архитектурой.

    Одно из наиболее широко используемых приложений RPC это Sun NFS, протокол доступа к разнородным файлам, который широко используется на хостах практически всех размеров. Мы рассмотрели NFS и то, как он использует UDP или TCP. В протоколе NFS версии 2 (NFS Version 2) определено 15 процедур.

    Доступ клиента к NFS серверу начинается с протокола монтирования, после чего клиенту возвращается описатель файла. Затем клиент может получить доступ к файлам в файловой системе сервера с использованием этого описателя файла. Имена файлов просматриваются на сервере по одному элементу имени за раз, при этом для каждого элемента возвращается новый описатель файла. Конечный результат это описатель того файла, к которому было осуществлено обращение, и который используется при последовательных чтениях и записях.

    NFS старается сделать все свои процедуры независимыми от количества исполнений таким образом, чтобы клиент мог просто повторно выдать запрос, если отклик был потерян. Мы видели примеры этого: в случае, когда клиент читал файл, пока сервер вышел из строя и перезагружался.

    Упражнения

     На рисунке 29.7 мы видели, что tcpdump интерпретирует пакеты как NFS запросы и отклики, и при этом печатает XID. Может ли tcpdump сделать это для любых RPC запросов или откликов?
  • Как Вы думаете, почему в Unix системах программа RPC сервера использует динамически назначаемые порты, а не заранее известные?
  • RPC клиент вызвал две процедуры сервера. Первая процедура потребовалось на исполнение 5 секунд, а второй - 1 секунда. Клиент имеет тайм-аут равный 4 секундам. Нарисуйте временную диаграмму того, чем обмениваются клиент и сервер. (Представьте, что на прохождение сообщения от клиента к серверу и наоборот время не тратится.)
  • Что произойдет в примере на рисунке 29.9, если пока NFS сервер был выключен, его Ethernet плата была удалена?
  • Когда сервер перезагрузился на рисунке 29.9, он обрабатывал запрос, начинающийся на смещении 65536 (строки 168 и 171), а затем обрабатывал следующий запрос, начинающийся со смещения 66560 (строки 172 и 173). Что произойдет с запросом, начинающимся со смещением 73728 (строка 167)?
  • Когда мы описывали независимые от количества исполнений NFS процедуры, то показали пример отклика REMOVE, который потерялся в сети. Что произойдет в этом случае, если используется TCP вместо UDP?
  • Если NFS сервер использует динамически назначаемый порт вместо порта 2049, что произойдет с NFS клиентом, когда сервер выйдет из строя и перезагрузится?
  • Номеров зарезервированных портов (глава 1, раздел "Номера портов") очень-очень мало, их максимум 1023 на хост. Если NFS сервер требует, чтобы его клиенты имели зарезервированные порты (что обычно так и есть), и NFS клиент, использующий TCP, монтирует N файловых систем на N различных серверах, необходимо ли клиенту иметь различные зарезервированные номера портов для каждого соединения?
    •