Единица доступа

Файловый интерфейс может быть отнесен к одному 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_ame 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.

Размещение клиентов и серверов по компьютерам и в операционной системе

Рассмотрим прежде всего вопрос о распределении серверной и клиентской частей между компьютерами. В некоторых файловых системах (например, NFS или файловых системах Windows 95/98/NT/2000) на всех компьютерах сети работает одно и то же базовое программное обеспечение, включающее как клиентскую, так и серверную части, так что любой компьютер, который захочет предложить услуги файловой службы, может это сделать. Для этого администратору ОС достаточно объявить имена выбранных каталогов разделяемыми (экспортируемыми в терминах NFS), чтобы другие машины могли иметь к ним доступ. В некоторых случаях выпускается так называемая серверная версия ОС (например, Windows NT Server), которая использует то же программное обеспечение файловой службы, но только позволяющее за счет выделения файловому серверу большего количества ресурсов (в основном оперативной памяти) обслуживать одновременно большее число пользователей, чем версии файлового сервера для клиентских компьютеров.

В других системах файловый сервер — это специализированный компонент серверной ОС, отсутствующий в клиентских компьютерах. По такому пути пошли разработчики сетевой ОС NetWare, создав операционную систему, оптимизированную для работы в качестве файлового сервера, но не поддерживающую работу в качестве клиентской ОС.

Для повышения эффективности работы файловый сервер и клиент обычно являются модулями ядра ОС, работающими в привилегированном режиме. В современных ОС эти компоненты чаще всего оформляются как высокоуровневые драйверы, работающие в составе подсистемы ввода-вывода. Эффективность работы при этом повышается за счет прямого доступа ко всем внутренним модулям ОС, в том числе и к дисковому кэшу, без выполнения дополнительных операций и смены пользовательского режима на привилегированный. Прямой доступ к содержимому дискового кэша существенно повышает скорость доступа к данным файлов по сети, поэтому для повышения производительности файлового сервера ОС должна быть сконфигурирована для поддержки дискового кэша большого объема.

Файловый сервер и клиенты могут в некоторых случаях оформляться и как модули, работающие в пользовательском режиме. Такое построение было характерно для ранних сетевых файловых систем сетей персональных компьютеров (например, IBM LAN Program), от которых не требовалась высокая скорость доступа, а объемы хранимых данных были весьма невелики. Используется такой режим работы и в файловых серверах ОС, основанных на микроядерной архитектуре, например ОС, построенных на основе микроядра Mach. Такие файловые серверы предназначены для выполнения самой ответственной работы (в отличие от серверов ранних систем для персональных компьютеров), и перенесение сервера в пользовательский режим обусловлено общим подходом к архитектуре ОС, преследующим, как это уже было отмечено в главе 3 «Архитектура операционной системы» такие цели, как повышение устойчивости и модифицируемости ОС. Однако работа файлового сервера в пользовательском режиме снижает его производительность, из-за чего на практике такая архитектура применяется пока редко.

Файловые серверы типа stateful и stateless

Файловый сервер может быть реализован по одной из двух схем: с запоминанием данных о последовательности файловых операций клиента, то есть по схеме stateful, и без запоминания таких данных, то есть по схеме stateless.

Первая состоит в том, что сервер не должен хранить такую информацию (сервер stateless). Другими словами, когда клиент посылает запрос на сервер, сервер его выполняет, отсылает ответ, а затем удаляет из своих внутренних таблиц всю информацию о запросе. Между запросами на сервере не хранится никакой текущей информации о состоянии клиента. Другая точка зрения состоит в том, что сервер должен хранить такую информацию (сервер stateful).

Серверы stateful работают по схеме, обычной для любой локальной файловой службы. Такой сервер поддерживает тот же набор вызовов, что и локальная система, то есть вызовы open, read, write, seek и close, рассмотренные в главе 7 «Ввод-вывод и файловая система». Открывая файлы по вызову open, переданному по сети клиентом, сервер stateful должен запоминать, какие файлы открыл каждый пользователь в своей внутренней системной таблице (рис. 10.5). Обычно при открытии файла клиентскому приложению возвращается по сети дескриптор файла fd или другое число, которое используется при последующих вызовах для идентификации файла. При поступлении вызова read, write или seek сервер использует дескриптор файла для определения, какой файл нужен. В этой таблице хранится также значение указателя на текущую позицию в файле, относительно которой выполняется операция чтения или записи. Таблица, отображающая дескрипторы файлов на сами файлы, является хранилищем информации о состоянии клиентов.

Рис. 10.5. Сервер с сохранением состояния (stateful)

Для сервера stateless каждый запрос должен содержать исчерпывающую информацию (полное имя файла, смещение в файле и т. п.), необходимую серверу для выполнения требуемой операции. Очевидно, что эта информация увеличивает длину сообщения и время, которое тратит сервер на локальное открытие файла каждый раз, когда над ним производится очередная операция чтения или записи. Серверы, работающее по схеме stateless, не поддерживают в протоколе обмена с клиентами таких операций, как открытие (open) и закрытие (close) файлов. Принципиально набор команд, предоставляемый клиенту сервером stateless, может состоять только из двух команд: read и write (рис. 10.6). Эти команды должны передавать в своих аргументах всю необходимую для сервера информацию — имя файла, смещение от начала файла и количество читаемых или записываемых байт данных.

Для того чтобы обеспечить приложениям, работающим на клиентских машинах, привычный файловый интерфейс, включающий вызовы открытия и закрытия файлов, клиент файловой службы должен самостоятельно поддерживать таблицы открытых его приложениями файлов.

Рис. 10.6. Сервер без сохранения состояния (stateless)

Основным последствием переноса таблиц открытых файлов на клиентов при применении серверов stateless является реакция файловой службы на отказ сервера. При отказе сервера stateful теряются все его таблицы, и после перезагрузки неизвестно, какие файлы открыл каждый пользователь. Последовательные попытки провести операции чтения или записи с открытыми файлами будут безуспешными. Серверы stateless в этом плане являются более отказоустойчивыми, позволяя клиентам продолжать операции с открытыми файлами, и это является основным аргументом в пользу их применения. Платой за отказоустойчивость может быть скорость работы сервера, так как ему приходится выполнять больше операций с файлами. Кроме того, применение серверов stateless затрудняет реализацию блокировок файлов, так как информацию о блокировке файла одним из пользователей необходимо запоминать на всех клиентах файлового сервера. Преимущества каждого из подходов можно обобщить следующим образом.

§ Серверы stateless:

§ отказоустойчивы;

§ не нужны вызовы open/close;

§ меньше памяти сервера расходуется на таблицы;

§ нет ограничений на число открытых файлов;

§ отказ клиента не создает проблем для сервера.

§ Серверы stateful:

§ более короткие сообщения при запросах;

§ лучше производительность;

§ возможно опережающее чтение;

§ возможна блокировка файлов.

Кэширование

Кэширование данных в оперативной памяти, как было показано в главе 8 «Дополнительные возможности файловых систем», может существенно повысить скорость доступа к файлам, хранящимся на дисках. Кэширование также широко используется в сетевых файловых системах, где оно позволяет не только повысить скорость доступа к удаленным данным (это по-прежнему является основной целью кэширования), но и улучшить масштабируемость и надежность файловой системы.

Схемы кэширования, применяемые в сетевых файловых системах, отличаются решениями по трем ключевым вопросам:

§ месту расположения кэша;

§ способу распространения модификаций;

§ проверке достоверности кэша.

Кроме того, на схему кэширования влияет выбранная в файловой системе модель переноса файлов между сервером и клиентами: модель загрузки-выгрузки, переносящая файл целиком, или модель удаленного доступа, позволяющая переносить файл по частям. Соответственно в первом случае файл кэшируется целиком, а во втором кэшируются только те части файла, к которым выполняется обращение.