Глава 10 Сетевые службы

Сетевые службы

• Сетевые файловые системы
• Принципы построения
• Модель сетевой файловой системы
• Интерфейс сетевой файловой службы
• Вопросы реализации сетевой файловой системы
• Размещение клиентов и серверов по компьютерам и в операционной системе
• Файловые серверы типа stateful и stateless
• Кэширование
• Репликация
• Примеры сетевых файловых служб: FTP и NFS
• Служба каталогов
• Назначение и принципы организации
• Служба каталогов NDS
• Межсетевое взаимодействие
• Основные подходы к организации межсетевого взаимодействия
• Трансляция
• Мультиплексирование стеков протоколов
• Инкапсуляция протоколов
• Выводы
• Задачи и упражнения

Практически все современные операционные системы являются сетевыми, то есть позволяют своим пользователям получать доступ не только к локальным ресурсам их собственных компьютеров, но и к ресурсам других компьютеров, подключенных к сети (конечно, только в том случае, если удаленные ресурсы объявлены разделяемыми и у пользователя есть соответствующие права на доступ к ним).

При работе в сети операционные системы опираются на функции ОС по управлению локальными ресурсами, рассмотренные в предыдущих главах, но в них также имеются специальные сетевые службы, которые реализуют специфические функции по организации совместной работы пользователей сети.

Сетевые файловые системы

Принципы построения

Ключевым компонентом любой распределенной системы является файловая система, которая также является в этом случае распределенной. Как и в централизованных системах, в распределенной системе функцией файловой системы является хранение программ и данных и предоставление доступа к ним по мере необходимости. Распределенная файловая система поддерживается одним или более компьютерами, хранящими файлы. Эти компьютеры, которые позволяют пользователям сети получать доступ к своим файлам, обычно называют файловыми серверами. Файловые серверы отрабатывают запросы на чтение или запись файлов, поступающие от других компьютеров сети, которые в этом случае являются клиентами файловой службы. Каждый посланный запрос проверяется и выполняется, а ответ отсылается обратно. Файловые серверы обычно содержат иерархические файловые системы, каждая из которых имеет корневой каталог и каталоги более низких уровней. Во многих сетевых файловых системах клиентский компьютер может подсоединять и монтировать эти файловые системы к своим локальным файловым системам, обеспечивая пользователю удобный доступ к удаленным каталогам и файлам. При этом данные монтируемых файловых систем физически никуда не перемещаются, оставаясь на серверах.

С программной точки зрения распределенная файловая система — это сетевая служба, имеющая типичную структуру, рассмотренную в главе 2 «Назначение и функции операционной системы». Файловая служба включает программы-серверы и программы-клиенты, взаимодействующие с помощью определенного протокола по сети между собой. Таким образом, файловым сервером называют не только компьютер, на котором хранятся предоставляемые в совместный доступ файлы, но и программу (или процесс, в рамках которого выполняется данная программа), которая работает на этом компьютере и обеспечивает совокупность услуг по доступу к файлам и каталогам на удаленном компьютере. Соответственно программу, работающую на клиентском компьютере и обращающуюся к файловому серверу с запросами, называют клиентом файловой системы, как и компьютер, на котором она работает. Такая неоднозначность терминов «файловый сервер» и «клиент» обычно не вызывает затруднений, так как из контекста, как правило, понятно, о каком программном или аппаратном компоненте сети идет речь.

В сети может одновременно работать несколько программных файловых серверов, каждый из которых предлагает различные файловые услуги. Например, в распределенной системе может быть два сервера, которые предоставляют файловые услуги систем UNIX и Windows соответственно, и пользовательские процессы могут обращаться к подходящему серверу. Кроме того, один компьютер может в одно и то же время предоставлять пользователям сети услуги различных файловых служб, для этого нужно, чтобы на этом компьютере работало несколько процессов, каждый из которых реализовывал бы файловую службу определенного типа.

Файловая служба в распределенных файловых системах (впрочем, как и в централизованных) имеет две функционально различные части: собственно файловую службу и службу каталогов файловой системы. Первая имеет дело с операциями над отдельными файлами, такими как чтение, запись или добавление, а вторая — с созданием каталогов и управлением ими, добавлением и удалением файлов из каталогов и т. п.

В хорошо организованной распределенной системе пользователи не знают, как реализована файловая система. В частности, они не знают количество файловых серверов, их месторасположение и функции. Они только знают, что если процедура определена в файловой службе, то требуемая работа каким-то образом выполняется, возвращая им результаты. Более того, пользователи даже не должны знать, что файловая система является распределенной. В идеале для пользователя она должна выглядеть так же, как и централизованная файловая система.

Современные сетевые файловые системы пока еще не полностью соответствуют идеалу. В большинстве коммерческих ОС (таких, как ОС семейств UNIX, Windows NT/2000, NetWare) пользователь должен явно указать имя файлового сервера при доступе к его ресурсам. Большую степень прозрачности демонстрируют сетевые файловые системы экспериментальных операционных систем — Amoeba, Mach и Chorus. Тем не менее работы в этом направлении продолжаются и сетевые файловые системы постепенно приближаются к истинно распределенным.

Модель сетевой файловой системы

Сетевая файловая система (ФС) в общем случае включает следующие элементы (рис. 10.1):

• локальная файловая система;
• интерфейс локальной файловой системы;
• сервер сетевой файловой системы;
• клиент сетевой файловой системы;
• интерфейс сетевой файловой системы;
• протокол клиент-сервер сетевой файловой системы.

Клиенты сетевой ФС — это программы, которые работают на многочисленных компьютерах, подключенных к сети. Эти программы обслуживают запросы приложений на доступ к файлам, хранящимся на удаленном компьютере. В качестве таких приложений часто выступают графические или символьные оболочки ОС, такие как Windows Explorer или UNIX shell, а также любые другие пользовательские программы.

Рис. 10.1. Модель сетевой файловой системы

Клиент сетевой ФС передает по сети запросы другому программному компоненту — серверу сетевой ФС, работающему на удаленном компьютере. Сервер, получив запрос, может выполнить его либо самостоятельно, либо, что является более распространенным вариантом, передать запрос локальной файловой системе для отработки. После получения ответа от локальной файловой системы сервер передает его по сети клиенту, а тот, в свою очередь, — приложению, обратившемуся с запросом.

Приложения обращаются к клиенту сетевой ФС, используя определенный программный интерфейс, который в данном случае является интерфейсом сетевой файловой системы. Этот интерфейс стараются сделать как можно более похожим на интерфейс локальной файловой системы, чтобы соблюсти принцип прозрачности. При полном совпадении интерфейсов приложение может обращаться к локальным и удаленным файлам и каталогам с помощью одних и тех же системных вызовов, совершенно не принимая во внимание места хранения данных. Например, если на серверах сети используются локальные файловые системы FAT, то интерфейс сетевой файловой системы повторяет системные вызовы FAT.

Клиент и сервер сетевой файловой системы взаимодействуют друг с другом по сети по определенному протоколу. В случае совпадения интерфейсов локальной и сетевой файловых систем этот протокол может быть достаточно простым — в его функции будет входить ретрансляция серверу запросов, принятых клиентом от приложений, с которыми тот затем будет обращаться к локальной файловой системе. Одним из механизмов, используемых для этой цели, может быть механизм RPC.

Рассмотрим сетевую файловую систему, построенную на базе локальной файловой системы FAT и использующую в качестве протокола клиент-сервер протокол SMB (Server Message Block), который был совместно разработан компаниями Microsoft, Intel и IBM и до сих пор является основой сетевой файловой службы в операционных системах семейства Windows (его последние расширенные версии получили название Common Internet File System, CIFS).

Как и все протоколы файловых служб, этот протокол работает на прикладном уровне модели OSI. Для передачи по сети своих сообщений протокол SMB использует различные транспортные протоколы. Исторически основным протоколом передачи сообщений SMB был протокол NetBIOS (и его более поздняя реализация NetBEUI), но сейчас сообщения SMB могут передаваться и с помощью других протоколов, например TCP/UDP и IPX.

SMB относится к классу протоколов, ориентированных на соединение. Работа протокола начинается с того, что клиент отправляет серверу специальное сообщение с запросом на установление соединения. В процессе установления соединения клиент и сервер обмениваются информацией о себе: они сообщают друг другу, какой диалект протокола SMB они будут использовать в этом соединении (диалект здесь — определенное подмножество функций протокола, так как кроме файловых функций SMB поддерживает также доступ к принтерам, управление внешними устройствами и некоторые другие). Если сервер готов к установлению соединения, он отвечает сообщением-подтверждением.

После установления соединения клиент может обращаться к серверу, передавая ему в сообщениях SMB команды манипулирования файлами и каталогами. Клиент может попросить сервер создать и удалить каталог, предоставить содержимое каталога, создать и удалить файл, прочитать и записать содержимое файла, установить атрибуты файла и т. п.

Протокол сетевой файловой системы кроме простой ретрансляции системных файловых вызовов от клиента серверу может выполнять и более сложные функции, учитывающие природу сетевого взаимодействия, например то, что клиент и сервер работают на разных компьютерах, которые могут отказывать, или что сообщения передаются по ненадежной и вносящей порой большие задержки сетевой среде.

Рассмотрим несколько ситуаций, в которых протокол взаимодействия клиента и сервера файловой системы может повлиять на эффективность удаленного доступа к файлам.

• Отказ компьютера, па котором выполняется сервер сетевой файловой системы, во время сеанса связи с клиентом. Локальная файловая система запоминает состояние последовательных операций, которые приложение выполняет с одним и тем же файлом, за счет ведения внутренней системной таблицы открытых файлов (системные вызовы open, read, write изменяют состояние этой таблицы). Если таблица открытых файлов хранится на серверном компьютере, то после его перезагрузки, вызванной крахом системы, содержимое этой таблицы теряется, так что приложение, работающее на клиентском компьютере, не может продолжить нормальную работу с открытыми до краха файлами. Протокол должен позволять приложениям выйти из такой ситуации с наименьшими потерями. Одно из решений этой проблемы основано на передаче функции ведения и хранения таблицы открытых файлов от сервера клиенту. Файловый сервер в этом варианте получил название «stateless», то есть «не запоминающий состояния». Протокол клиент-сервер при такой организации упрощается, так как перезагрузка сервера приводит только к паузе в обслуживании, но работа с файлами может быть после этого продолжена безболезненно для клиента.
• Большие задержки обслуживания из-за заторов в сети и перегрузки файлового сервера при подключении большого числа клиентов. Протокол может для решения этой проблемы организовывать кэширование файлов целиком или частично на стороне клиента. При этом протокол должен учитывать то обстоятельство, что в сети при этом может образоваться одновременно большое количество копий одного и того же файла, которые независимо могут модифицироваться разными пользователями. То есть протокол должен каким-то образом обеспечивать согласованность копий файлов, имеющихся на разных компьютерах.
• Потери данных и разрушение целостности файловой системы при сбоях и отказах компьютеров, играющих роль файловых серверов. Для повышения отказоустойчивости файловой системы в сети можно хранить несколько копий каждого файла (или целиком локальной файловой системы), причем каждую копию — на отдельном компьютере. Такие копии файлов называются репликами (replica). Протокол сетевого доступа к файлам должен учитывать такую организацию файловой службы, например, обращаясь в случае отказа одного файлового сервера к другому, работоспособному и поддерживающему реплику требуемого файла. Репликация файлов не только повышает отказоустойчивость, но решает также и проблему перегрузки файловых серверов, так как запросы к файлам распределяются между несколькими серверами и повышают производительность сетевой файловой системы. Репликация в некоторых аспектах похожа на кэширование — в том и другом случаях в сети создается несколько копий одного и того же файла, при этом повышается скорость доступа к данным. Основным отличием репликации от кэширования является то, что реплики хранятся на файловых серверах, а кэшированные файлы — на клиентах.
• Аутентификация выполняется на одном компьютере, например на клиентском, а авторизация, то есть проверка прав доступа к каталогам и файлам, — на другом, выполняющем роль файлового сервера. Эта общая проблема всех сетевых служб должна каким-то образом учитываться и протоколом взаимодействия клиентов и серверов файловой службы¹.

1 Вопросы безопасности рассматриваются в главе 11 «Сетевая безопасность».

Перечисленные проблемы решаются обычно комплексно, в том числе за счет соответствующей организации файловых серверов и клиентов, а также создания специальных служб, таких как служба централизованной аутентификации или репликации. Все эти дополнительные функции файловой службы обязательно находят свое отражение в протоколе взаимодействия клиентов и серверов, в результате чего создаются различные протоколы этого типа, поддерживающие тот или иной набор дополнительных функций и в общем случае по-своему решающие проблемы эффективного взаимодействия (иногда эту роль возлагают на отдельные протоколы, которые работают наряду с основным).

Поэтому для одной и той же локальной файловой системы могут существовать различные протоколы сетевой файловой системы. Так, к файловой системе NTFS сегодня можно получить доступ с помощью различных протоколов (рис. 10.2), в том числе таких распространенных, как SMB, NCP (NetWare Control Protocol — основной протокол доступа к файлам и принтерам сетевой ОС NetWare компании Novell) и NFS (Network File System — протокол сетевой файловой системы компании Sun Microsystems, чрезвычайно популярный в различных вариантах ОС семейства UNIX).

Рис. 10.2. Доступ к одной локальной файловой системе с помощью нескольких протоколов клиент-сервер

С другой стороны, помощью одного и того же протокола может реализовываться удаленный доступ к локальным файловым системам разного типа. Например, протокол SMB используется для доступа не только к файловой системе FAT, но и к файловым системам NTFS и HPFS (рис. 10.3). Эти файловые системы могут располагаться как на разных, так и на одном компьютере.

Рис. 10.3. Доступ к локальным файловым системам различного типа с помощью одного протокола клиент-сервер

За достаточно долгий срок развития сетей в них утвердилось несколько сетевых файловых систем. В локальных сетях на протяжении многих лет доминировала сетевая операционная система NetWare, которая использовала на файловых серверах оригинальную локальную файловую систему, также носящую имя NetWare, и уже упомянутый протокол NCR Клиенты этой сетевой файловой системы обеспечивали приложениям расширенный интерфейс файловой системы FAT — расширения включали в основном поддержку разграничения прав доступа к файлам и каталогам. Интерфейс FAT был выбран как наиболее распространенный локальный интерфейс для приложений и пользователей персональных компьютеров, работающих под управлением MS-DOS или Windows 3.x и поддерживающих только FAT в качестве локальной файловой системы. Сетевая файловая система NetWare является хорошим примером зависимости между свойствами интерфейса, предоставляемого приложениям на клиентских машинах, и свойствами локальной файловой системы сервера. Требования к поддержке прав доступа пользователей сети к удаленным файлам (помимо других существенных соображений) привели к разработке новой локальной файловой системы NetWare, так как FAT не хранит в своих служебных структурах данных о правах пользователей.

Другим популярным типом сетевых файловых систем стали системы компаний Microsoft и IBM, которые также были первоначально разработаны для локальных сетей на основе персональных компьютеров под управлением MS-DOS и Windows 3.x. Общим для этих сетевых файловых систем стало использование FAT в качестве локальной файловой системы, протокола SMB и интерфейса FAT с расширениями для клиентов. Для разграничения прав доступа здесь был применен другой прием — файловая система FAT была оставлена в качестве локальной системы серверов, но сами серверы стали хранить в ней дополнительные служебные файлы с указанием прав пользователей на доступ к разделяемым каталогам. Эти права проверялись сервером при поступлении запроса из сети, локальные же запросы обслуживались в FAT по-прежнему без проверки прав доступа. Естественно, средства защиты каталогов нашли отражение в командах и ответах протокола SMB, а также в расширениях интерфейса FAT на стороне клиентов. Позже протокол SMB был применен и для доступа к локальным файловым системам HPFS и NTFS.

В среде операционной системы UNIX наибольшее распространение получили две сетевые файловые системы — FTP (File Transfer Protocol) и NFS (Network File System). Они первоначально разрабатывались для доступа к локальной файловой системе s5/ufs, являющейся основной для большинства ОС семейства UNIX. Эти сетевые файловые системы используют собственные протоколы клиент-сервер FTP и NFS, предоставляя интерфейс s5/ufs своим клиентам.

Со временем в крупных сетях стали одновременно применяться несколько сетевых файловых систем разных типов, например NetWare и SMB или NetWare и NFS. Это часто происходило при объединении нескольких сетей в одну. Для пользователей каждой из сетей, привыкших к определенному интерфейсу и работающих с приложениями, рассчитанными на интерфейс FAT или s5/ufs, требовалось сохранить удобную среду. В результате в сети появились различные файловые серверы, поддерживающие различные локальные файловые системы и протоколы клиент-сервер, а также клиенты, обеспечивающие приложениям и пользователям различные интерфейсы. Возникла проблема — как обеспечить доступ клиента любого типа к файловому серверу любого типа? Рассмотренные выше принципы организации сетевой файловой системы и ее основных компонентов подсказывают, что существует несколько вариантов решения этой проблемы, основанных на комбинировании локальных файловых систем, протоколов клиент-сервер и интерфейсов, поддерживаемых клиентами файловой системы.

На рис. 10.4 показан вариант организации неоднородной сетевой файловой системы, в которой на компьютере с локальной файловой системой NTFS работает несколько файловых серверов, поддерживающих различные протоколы клиент-сервер. Каждый файловый сервер обеспечивает доступ к одним и тем же данным всем клиентам, работающим по протоколу данного сервера, например протоколу NFS. Клиенты, в свою очередь, поддерживают для приложений и пользователей интерфейс s5/ufs, для которого разрабатывался протокол NFS.

Рис. 10.4. Неоднородная сетевая файловая система

Возможны и другие варианты решения проблемы, которые с общих для любых сетевых служб позиций мы и рассмотрим в этой главе.

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.