新闻资讯
Group news
青岛广盛源肥业有限公司    您的位置: 首页  >  新闻资讯  >  正文

详细解读NFS 文件系统源代码

2019年10月12日 文章来源:网络整理 热度:52℃ 作者:刘英

NFS 文件系统概述

NFS(Network File System,网络文件系统)是一种基于网络的文件系统。它可以将远端服务器文件系统的目录挂载到本地文件系统的目录上,允许用户或者应用程序像访问本地文件系统的目录结构一样,访问远端服务器文件系统的目录结构,而无需理会远端服务器文件系统和本地文件系统的具体类型,非常方便地实现了目录和文件在不同机器上进行共享。虽然 NFS 不是唯一实现这个功能的文件系统,但它无疑是最成功一个。

NFS 的第一个版本是 SUN Microsystems 在 20 世纪 80 年代开发出来的,至今为止,NFS 经历了 NFS,NFSv2,NFSv3 和 NFSv4 共四个版本。现在,NFS 最新的版本是 4.1,也被称为 pNFS(parallel NFS,并行网络文件系统)。

前四个版本的 NFS,作为一个文件系统,它几乎具备了一个传统桌面文件系统最基本的结构特征和访问特征,不同之处在于它的数据存储于远端服务器上,而不是本地设备上,因此不存在磁盘布局的处理。NFS 需要将本地操作转换为网络操作,并在远端服务器上实现,最后返回操作的结果。因此,NFS 更像是远端服务器文件系统在本地的一个文件系统代理,用户或者应用程序通过访问文件系统代理来访问真实的文件系统。

众所周知的是,NFS 的客户端在访问远端服务器文件系统时,既需要通过服务器获得文件的属性信息,还需要通过服务器获得文件的数据信息,这使得 NFS 天然地具备将文件的属性信息和数据信息分离在不同服务器上进行访问的特性,于是最后一个版本 NFS4.1/pNFS,将 Lustre/CephFS/GFS 等集群文件系统的设计思想引入到自身中,成为一个具有里程碑意义的 NFS 版本。它使得 NFS 的数据吞吐的速度和规模都得到了极大提高,为 NFS 的应用带了更为广阔的空间。

NFS 之所以备受瞩目,除了它在文件共享领域上的优异表现外,还有一个关键原因在于它在 NAS 存储系统上应用。NAS 与 DAS 和 SAN 在存储领域的竞争中,NFS 发挥了积极的作用,这更使得 NFS 越来越值得关注。

NFSv3 源代码结构

相比之前的两个版本,NFSv3 是一个较为稳定和成熟的 NFS 版本,而之后的 NFSv4 除了在安全和性能上有所提高外,还在网络连接中加入了状态属性,因此显得复杂一些。在此,本文以 NFSv3 为例来剖析 NFS 文件系统的源代码结构,所用源码来自 Linux 2.4.9 内核。

按照 NFS 文件系统的设计与实现,NFS 文件系统主要分为三个部分:The Protocol(网络协议),Client Side(NFS 客户端)和 Server Side(NFS 服务器)。NFS 客户端提供了接口,保证用户或者应用程序能像访问本地文件系统一样访问 NFS 文件系统,NFS 服务器作为数据源,为 NFS 客户端提供真实的文件系统服务,而网络协议则使得 NFS 客户端和 NFS 服务器能够高效和可靠地进行通信。NFS 网络协议使用的是 RPC(Remote Procedure Call,远程过程调用)/XDR(External Data Representation,外部数据表示)机制,因此本文将剖析的重点放在 NFS 客户端和 NFS 服务器上。

Client Side 源代码

Client Side 的头文件在 include/linux/ 下面,C 文件在 fs/nfs 下面。

dir.c/file.c/inode.c/symlink.c/unlink.c:与文件操作相关的系统调用

read.c/write.c/flushd.c:文件读写

mount_clnt.c/nfs_root.c:将 NFS 文件系统作为 root 目录的相关实现

proc.c/nfs2xdr.c/nfs3proc.c/nfs3xdr.c:网络数据交换

与文件操作相关的系统调用都在 struct file_operaTIons,struct inode_operaTIons 这两个数据结构里面定义。文件的读操作 nfs_file_read 和写操作 nfs_file_write 被单独提出来,因为文件读写性能将直接关系到文件系统的成败,本文在后面会重点阐述其实现。

Server Side 源代码

Server Side 的头文件在 include/linux/nfsd 下面,C 文件在 fs/nfsd 下面。

auth.c/lockd.c/export.c/nfsctl.c/nfscache.c/nfsfh.c/stats.c:导出目录的访问管理

nfssvc.c:NFS 服务 deamon 的实现

vfs.c:将 NFS 文件系统的操作转换成具体文件系统的操作

nfsproc.c/nfsxdr.c/nfs3proc.c/nfs3xdr.c:网络数据交换

导出目录的访问管理主要解决网络文件系统实现面临的几个重要问题,包括目录导出服务,外部访问的权限控制,多客户端以及客户端与服务器的文件并发操作等。

一个典型例子:rename 的调用过程

在 NFS 文件系统的文件操作中,除了 read 和 write 操作考虑到性能因素,专门使用了缓存机制外,其它的操作基本上都是同步完成的。本文以 rename 为例来进行说明,如下图所示。首先用户或者应用程序开始调用文件操作,经过系统调用 sys_rename,到达虚拟文件系统层 vfs_rename,然后交给 NFS 文件系统 nfs_rename 来处理。NFS 文件系统无法操作存储介质,它调用 NFS 客户端函数 nfs3_proc_rename 和 NFS 服务器函数 nfsd3_proc_rename 进行通信,把文件操作转发到 NFS 服务器的虚拟文件系统层 vfs_rename,最后调用具体的文件系统如 ext2 的函数 ext2_raname,完成文件重命名。


图 1. rename 调用过程

详细解读NFS 文件系统源代码

与传统文件系统相同点

上一篇:需要了解的Linux inotify功能及实现原理


下一篇:LINUX内核定时器(高精度低精度)

友情链接
Links