Интерфейс сетевой файловой службы

Для пользователей сети и сетевых приложений в основном интересен интерфейс, который предоставляет сетевая файловая служба, а не ее внутреннее устройство. Существует несколько типов интерфейсов сетевой файловой службы, которые отличаются несколькими ключевыми аспектами, рассматриваемыми в данном разделе.

Структура файла

Для любой файловой службы, независимо от того, централизована она или рас­пределена, самым главным является вопрос, что такое файл? Во многих систе­мах, таких как UNIX и Windows, файл — это не интерпретируемая последова­тельность байтов. Значение и структура информации в файле является заботой прикладных программ, операционную систему это не интересует. В ОС мэйн­фреймов поддерживаются разные типы логической организации файлов, каждый с различными свойствами. Файл может быть организован как последовательность записей, и у операционной системы имеются вызовы, которые позволяют рабо­тать на уровне этих записей.

Большинство современных сетевых файловых систем поддерживают опреде­ление файла как последовательности байтов, а не последовательности записей, следуя примеру локальных файловых систем. Структура файла естественным образом отражается на типе сетевого файлового интерфейса, поддерживающего для неструктурированных файлов чтение любой области в файле, а для структу­рированных — только записей определенного формата.

Модифицируемость файлов

Важным аспектом файловой модели является возможность модификации файла после его создания. В большинстве сетевых файловых систем файлы могут мо­дифицироваться, но в некоторых распределенных системах единственными опе­рациями с файлами являются create (создать) и read (прочитать). Такие файлы называются неизменяемыми. Для неизменяемых файлов намного легче осущест­вить кэширование файла и его репликацию (тиражирование), так как исключа­ются все проблемы, связанные с обновлением всех копий файла при его из­менении. В файловых системах, работающих с немодифицируемыми файлами, проблемы поддержки многочисленных версий файла, возникающих при его мо­дификации, перекладываются на плечи пользователей, которые должны давать им имена, отражающие тот факт, что все множество файлов имеет близкое со­держание, и в то же время позволяющие различать версии файлов.

Семайтика разделения файлов

Когда два или более пользователей разделяют один файл, необходимо точно определить семантику чтения и записи, чтобы избежать проблем с интерпрета­цией результирующих данных файла.

□ Семантика UNIX. В централизованных многопользовательских операционных системах, разрешающих разделение файлов, таких как UNIX (имеется в виду локальная версия этой ОС), обычно определяется, что когда операция чте­ния следует за операцией записи, то читается только что обновленный файл. Аналогично, когда операция чтения следует за двумя операциями записи, то читается файл, измененный последней операцией записи. Тем самым систе­ма придерживается абсолютного временного упорядочивания всех операций и всегда возвращает самое последнее значение данных. Если запись осущест­вляется в открытый многими пользователями файл, то все эти пользователи немедленно видят результат изменения данных файла. Обычно такая модель называется семантикой UNIX. В централизованной системе, где файлы хра­нятся в единственном экземпляре, ее легко и понять, и реализовать.

Семантика UNIX может быть обеспечена и в распределенных системах, но только если в ней имеется лишь один файловый сервер и клиенты не кэширу-ют файлы. Для этого все операции чтения и записи направляются на файло­вый сервер, который обрабатывает их строго последовательно. На практике, однако, производительность распределенной системы, в которой все запросы к файлам идут на один сервер, часто становится неудовлетворительной. Эта проблема иногда решается за счет разрешения клиентам обрабатывать локаль­ные копии часто используемых файлов в своих личных кэшах. Если клиент сделает локальную копию файла в своем локальном кэше и начнет ее моди­фицировать, а вскоре после этого другой клиент прочитает этот файл с серве­ра, то он получит неверную копию файла. Одним из способов устранения этого недостатка является немедленный возврат всех изменений в кэшированном файле на сервер. Такой подход хотя и концептуально прост, но не эффекти­вен. Распределенные файловые системы обычно используют более свободную семантику разделения файлов.

□ Сеансовая семантика. В соответствии с этой моделью изменения в открытом файле сначала видны только процессу, который модифицирует файл, и толь­ко после закрытия файла эти изменения могут видеть другие процессы. При использовании сеансовой семантики возникает проблема одновременного ис­пользования одного и того же файла двумя или более клиентами. Одним из решений этой проблемы является принятие правила, в соответствии с кото­рым окончательным является тот вариант, который был закрыт последним. Однако из-за задержек в сети часто оказывается трудно определить, какая из копий файла была закрыта последней. Менее эффективным, но гораздо более простым в реализации является вариант, при котором окончательным резуль­тирующим файлом на сервере считается любой из этих файлов, то есть ре­
зультат операций над файлом не является детерминированным.

□ Семантика неизменяемых файлов. Следующий подход к разделению файлов заключается в том, чтобы сделать все файлы неизменяемыми. Тогда файл нельзя открыть для записи, а можно выполнять только операции create (создать) и read (читать). Тогда для изменения файла остается только возможность со­здать полностью новый файл и поместить его в каталог под новым именем. Следовательно, хотя файл и нельзя модифицировать, его можно заменить (автоматически) новым файлом. Таким образом, проблема, связанная с одновременным использованием файла, для файловой системы просто исчезнет, но с ней столкнутся пользователи, которые будут вынуждены вести учет имен своих копий модифицированного файла.

□ Транзакциопная семантика. Четвертый способ работы с разделяемыми фай­лами в распределенных системах — это использование механизма неделимых транзакций, достаточно подробно описанного в главе 8 «Дополнительные воз­можности файловых систем».

Контроль доступа

С каждым разделяемым файлом обычно связан список управления доступом (Access Control List, ACL), обеспечивающий защиту данных от несанкциониро­ванного доступа. В том случае, когда локальная файловая система поддерживает механизм ACL для файлов и каталогов при локальном доступе, сетевая файло­вая система использует этот механизм и при доступе по сети. Если же механизм защиты в локальной файловой системе отсутствует, то сетевой файловой систе­ме приходится поддерживать его самостоятельно, иногда — упрощенным спосо­бом, защищая разделяемый каталог и входящие в него файлы и подкаталоги как единое целое. В Windows NT/2000 существуют два механизма защиты — на уров­не разделяемых каталогов и на уровне локальных каталогов и файлов. Послед­ний работает только в том случае, когда в качестве локальной файловой системы используется система NTFS, поддерживающая механизм ACL. Механизм защи­ты разделяемых каталогов нужен для того, чтобы защищать данные, хранящиеся в локальной файловой системе FAT, не имеющей механизмов защиты. В том случае, когда работают оба уровня защиты, у пользователей и администраторов могут иногда возникать некоторые логические сложности, связанные с определе­нием реальных прав доступа как комбинации нескольких правил.

Единица доступа

Файловый интерфейс может быть отнесен к однму из двух типов в зависимости от того, поддерживает ли он модель загрузки-выгрузки или модель удаленного доступа. В модели загрузки-выгрузки пользователю предлагаются средства чте­ния или записи файла целиком. Эта модель предполагает следующую схему об­работки файла: чтение файла с сервера на машину клиента, обработка файла на машине клиента и запись обновленного файла на сервер. Типичным представи­телем этого вида файлового интерфейса является служба FTP, пользователь ко­торой должен применить команду get file_name для перемещения файла с серве­ра на клиентский компьютер и команду put file_name для возвращения файла на сервер.

Преимуществом этой модели является ее концептуальная простота. Кроме того, передача файла целиком очень эффективна в отношении объема создаваемого трафика. Главным недостатком этой модели являются высокие требования к объ­ему диска клиента, который должен вместить любой файл, хранящийся на серве­ре. Кроме того, неэффективно перемещать весь файл, если нужна его небольшая часть. Недостатком многих реализаций такого интерфейса является отсутствие прозрачности операций с удаленными файлами, когда пользователь должен самостоятельно набирать команды перемещения файлов (как в службе FTP), хотя существуют реализации, выполняющие такую работу полностью самостоятельно при первом обращении к удаленному файлу (при этом, правда, необходимо ре­шить вопрос, каким образом пользователь может задать обращение к удаленно­му файлу).

Другой тип файлового интерфейса соответствует модели удаленного доступа, ко­торая предполагает поддержку большого количества операций над файлами: от­крытие и закрытие файлов, чтение и запись частей файла, позиционирование в файле, проверка и изменение атрибутов файла и т. д. В то время как в модели загрузки-выгрузки файловый сервер обеспечивал только хранение и перемеще­ние файлов, в данном случае все файловые операции выполняются на серверах, а клиенты только генерируют запросы на их отработку. Преимуществом такого подхода являются низкие требования к дисковому пространству на клиентских машинах, а также исключение необходимости передачи целого файла, когда нужна только его часть. Модель удаленного доступа часто используется в про­зрачных реализациях файлового интерфейса, когда удаленные файловые систе­мы монтируются в общее с локальной системой дерево (или его часть, что про­исходит при отображении удаленной системы на букву логического диска).

Модели удаленного доступа могут использовать различные наименьшие едини­цы перемещения части файла. Наиболее популярны такие единицы, как байт, блок или запись. Последний вид единицы может применяться только в том случае, когда локальная файловая система поддерживает структурированные файлы.

Вопросы реализации сетевой файловой системы

Интерфейс определяет способ общения пользователей и приложений с файло­вой системой, скрывая от них особенности ее реализации. В то же время эти осо­бенности во многом определяют ее эффективность в таких аспектах, как произ­водительность, отказоустойчивость и масштабируемость.