Lehrveranstaltung Speichersysteme Sommersemester 2009

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1 Lehrveranstaltung Speichersysteme Sommersemester 2009 Kapitel 12: Network File Systems André Brinkmann

2 Beispiel: SUN NFS NFS (Network File System) ist ein offenes Protokoll für den Austausch von Dateien Von SUN entwickelt und 1989 als NFS Version 2 unter RFC 1094 veröffentlicht Einfache und offene SchniRstellen Unterstützt die folgenden Anforderungen an verteilte Dateisysteme Transparenz Heterogenität (eingeschränkt für Windows) Effizienz Fehlertoleranz Folgende EigenschaYen werden nur eingeschränkt unterstützt: Concurrency ReplikaZon Konsistenz Sicherheit

3 NFS v3 Architektur

4 Wo sollte NFS implemenzert werden? NFS muss nicht im Kernel implemenzert werden: NFS kann ebenso als Bibliothek oder Prozess im User Space implemenzert werden Beispiele: Windows und MacOS ImplemenZerungen, PocketPC ImplemenZerung im Kernel hat unter Unix folgende Vorteile: Programme müssen nicht für verschiedene NFS ImplemenZerungen neu kompiliert werden, um an Bibliothek angepasst zu werden System Calls zu Remote Files können direkt durch NFS Modul geroutet werden Cache für aktuell zugegriffenen Daten des Betriebssystems Kernel Level Server kann Inodes und Datenblöcke direkt zugreifen Auch durch priviligierte User Space Anwendung möglich Sicherheit der Verschlüsselung

5 NFS v3 OperaZonen read(&, offset, count) a1r, data write(&, offset, count, data) a1r create(dir&, name, a1r) new&, a1r remove(dir&, name) status geta1r(&) a1r seta1r(&, a1r) a1r lookup(dir&, name) &, a1r rename(dir&, name, todir&, toname) link(newdir&, newname, dir&, name) readdir(dir&, cookie, count) entries symlink(newdir&, newname, string) status readlink(&) string mkdir(dir&, name, a1r) new&, a1r rmdir(dir&, name) status sta;s(&) fsstats Model flat file service: fh = file handle Read(FileId, i, n) -> Data Write(FileId, i, Data) Create() -> FileId Delete(FileId) GetAttributes(FileId) -> Attr SetAttributes(FileId, Attr) Filesystem Identifier inode-number inode-generation Model Verzeichnisdienste: Lookup(Dir, Name) FileId AddName(Dir, Name, File) UnName(Dir, Name) GetNames(Dir, Pattern) NameSeq

6 NFS v3 Zugriffskontrolle und authenzfizierung AuthenZfizierung erfolgt üblicher Weise auf Client Rechner gemeinsame Datenbasis notwendig NFS Version 3 ist zustandslos, so dass die IdenZtät des Benutzers und die Zugriffsrechte bei jedem Zugriff auf den Server geprüy werden muss Lokale Dateisysteme prüfen Rechte nur während open() call Jeder Zugriff eines Clients wird durch userid und groupid ergänzt EigenschaYen werden in RPC call eingefügt Server ist durch betrügerische ARacken gefährdet, fall userid und GruppenId nicht durch eine Verschlüsselung geschützt werden Kerberos kann direkt mit NFS gekoppelt werden

7 Mount Service Mount OperaZon: mount(remotehost, remotedirectory, localdirectory) Server hält Tabelle mit Client Rechnern, die ein Dateisystem von dem Server gemountet haben Jeder Client führt eine Tabelle mit gemounteten Dateisystemen <IP address, port number, file handle>

8 Lokale und Remote Dateisysteme auf NFS Client Der Ordner students auf dem Client Rechner entspricht dem people Verzeichnis auf Server 1 Der Ordner staff auf dem Client Rechner entspricht dem users Verzeichnis auf Server 1

9 Automounter NFS Client versucht leere Mount Points zu finden und sie zum Automounter weiterzugeben Automounter verfügt über Tabelle mit Mount Points und mehreren Kandidaten. Automounter sendet Anfragen an die Kandidaten und mountet Dateisystem von dem Server, der als Erster antwortet mount Tabellen werden hierdurch kleiner gehalten Einfache Form der ReplikaZon für Read only Dateisysteme Beispiel (vereinfacht): Jedem Benutzer steht das /home Directory zur Verfügung Automounter installiert beim booten der Client Maschiene das Verzeichnis Wenn Benutzer auf Verzeichnis mustermann zugreiy, wird dieses durch Automounter direkt von verschiedenen NFS Servern angefragt Beispiel: Wenn verschiedenen Server mit idenzscher /usr/lib verfügbar sind, hat jeder Server die Chance, zugegriffen zu werden

10 NFS v3 OpZmierung: Server Caching Vergleichbar mit Unix File Caching für lokale Dateien: Pages (Blöcke) von der FestplaRe werden in dem Hauptspeicher gehalten, bis sie durch neuere Pages verdrängt werden. OpZmierungen für Read Ahead und Delayed Write NFS v3 bietet zwei Strategien für das Schreiben der Daten: write through: veränderte Seiten werden sofort auf das Speichersystem geschrieben, sobald sie den Server erreichen. Wenn ein write() RPC zurück kommt, hat der NFS Client die GaranZe, dass die Daten auf der FestpaRe sind delayed commit: Pages werden nur bis zu einem commit() Call im Cache gehalten (Standard bei NFS v3). Ein commit() wird immer dann von dem Client ausgeführt, wenn eine Datei geschlossen wird. Zusätzlicher Reply Cache: Logged vergangene Anfragen mit Wenn Client eine Anfrage mehrfach sendet, enthält Cache bereits Antwort (Löst Probleme mit nicht idempotenten Anfragen, wie rm)

11 NFS v3 OpZmierung: Client Caching Caching nicht explizit im Protokoll enthalten Durch Server Caching wird nicht der RPC Verkehr zwischen Client und Server reduziert weitere OpZmierungen notwendig, um Traffic speziell in großen Netzwerken zu reduzieren NFS Client Module speichert die Ergebnisse von read, write, getarr, lookup und readdir OperaZonen Synchronisierung der Dateiinhalte ist nicht garanzert, wenn zwei oder mehr Clients auf die gleiche Datei zugreifen GülZgkeit wird auf Basis von Timestamps validiert Verringert Inkonsistenzen, aber eliminiert sie nicht GülZgkeitsbedingung für Cache Einträge des Clients: (T - Tc < t) (Tm client = Tm server ) t kann (pro Datei) konfiguriert werden und ist typischer Weise auf 3 Sekunden für eine t: Aktualität der Daten Datei und 30 Sekunden für Verzeichnisse gesetzt Tc: Zeit der letzten Validierung schreiben verteilter Anwendungen mit NFS bleibt schwer Tm: Zeit des letzten Updates T: aktuelle Zeit

12 NFS v3 Zusammenfassung I NFS ist Beispiel für einfaches, robustes, verteiltes Dateisystem Bewertung der EigenschaYen: Zugriffstransparenz: Sehr gut; als API kann für lokale und remote Zugriffe die gleiche Unix Syntax verwendet werden Ortstransparenz: Nicht garan8ert; die Namen von Dateisystemen werden durch Mount OperaZon vorgegeben. Gute SystemkonfiguraZon kann Transparenz erzielen Nebenläufigkeit: Beschränkt; werden Dateien schreibend von mehreren Clients zugegriffen, so ist eine Konsistenz nicht garanzert ReplikaZon: Beschränkt auf Read Only Dateisysteme Fehler Handling: Eingeschränkt; Service wird unterbrochen, sobald ein Server ausfällt. Nach dem Neustart wird Service über Zustandslose Protokoll wieder aufgenommen

13 NFS v3 Zusammenfassung II Mobilität von Daten: kaum möglich; das transparente verschieben von Dateien ist nicht möglich, ganze Dateisysteme können verschoben werden, jedoch erfordert dieses eine Anpassung der Client KonfiguraZon Performanz:? Skalierbarkeit:?

14 NFS v3 NFS v4 NFS v4 ist unter RFC 3530 standardisiert UNIX Benutzer und Gruppennummern werden durch ZeichenkeRen, etwa ersetzt Einführung von flüchzgen Handles, die nur eine beszmmte Zeit zur Verfügung stehen Das Mount und Lockprotokoll sind Bestandteil des Protokolls selbst und laufen auf festem Port. Die Verwendung von Firewalls bei NFS Verbindungen wird vereinfacht Mehrere Anfragen können gebündelt werden (combined request). Sie werden vom Server ausgeführt und nur eine Antwort muss zurückgesendet werden. Das Protokoll kann effizienter in Wide Area Netzwerken eingesetzt werden. Verschlüsselung ist Teil der SpezifikaZon. Zwar war früher über Secure RPC eine Verschlüsselung möglich. Dies wurde nur selten genutzt, weil Secure RPC nicht grundsätzlich zur Verfügung stand. Der lookup Aufruf wird durch open ersetzt. Schreib /LeseposiZon können auf dem Server verwaltet werden. Falls viele Clients eine Datei nur lesen, kann diese an alle Clients verliehen werden. Wenn ein Client eine Datei schreiben möchte, kann diese exklusiv verliehen werden. Folie basiert auf Wikipeida.de

15 Andrew File System (AFS) Basiert auf den folgenden (von einer CMU Studie validierten) Annahmen Dateien sind in der Regel klein Lese OperaZonen sind viel häufiger als Schreib OperaZonen (durchschnirlich 6 mal) SequenZelle Zugriffe sind typisch, zufällige Zugriffe selten Dateien werden meistens von einem Benutzer gelesen oder geschrieben. Im Falle mehrerer Benutzer verändert die Datei nur einer. Dateien werden in Bursts referenziert (hohe Wahrscheinlichkeit, dass eine Datei kurz nach dem Zugriff wieder benutzt wird) Dateinutzung ist lokal, Caches sind über eine lange Zeit gülzg AFS verwendet Client Caches, um Flaschenhals Netzwerk zu überbrücken Hier nur kleiner AusschniR aus AFS

16 AFS Cache Konsistenz AFS führt Objekt callback promise ein Jede in dem Client gecachte Datei verfügt über einen callback promise CP Auch AFS Server hält ein callback promise für jede gecachte Datei Der Status einer CP ist valid or cancelled OperaZonen: Bei einem remote open einer Datei transferiert der Server eine CP zu dem Client. Die CP wird gemeinsam mit der Datei auf der Client Seite gesichert Bei einem Öffnen aus dem Cache heraus muss Client testen, ob CP noch gülzg ist (CP müssen nach Zeit T (freier Parameter) erneuert werden) Bei einer Aktualisierung einer Datei sendet Server allen Clients, die eine CP halten, den Status cancelled für die CP Wenn CP im Zustand cancelled und der Client die Datei zugreifen möchte, muss die Datei neu von dem Server geladen werden Nach dem Herunterfahren eines Clients müssen alle CPs von dem Server geholt werden Aktualisierungen werden lokal durchgeführt; letzte lokale Update überschreibt andere Updates auf dem Server

17 Erweiterungen von AFS DCE Distributed File System (DFS) DCE steht für Distributed CompuZng Environment Konsistenz bei Aktualisierungen: Ein Client, der Daten aktualisieren möchte, muss einen Schreib Token von dem Server holen Schreib Token beschreibt PosiZon und Anzahl der Bytes, die aktualisiert werden sollen Nach dem Erhalt einer Anfrage an ein Schreib Token sendet Server Annulierung der Rechte an alle anderen Clients für den Bereich Vergleichbare Token für das Verändern von ARributen Alle Token haben eine LifeZme; nach dem Ablauf müssen Token erneuert werden Seit 2005 nicht mehr von IBM weiterentwickelt DCE ist (jetzt) Open Source

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