分布式OS分布式文件系統(tǒng)課件

1、分布式操作系統(tǒng)Distributed OS分布式文件系統(tǒng)提綱7.1 分布式文件系統(tǒng)的要求7.2 分布式文件系統(tǒng)的組成7.3 設(shè)計(jì)策略7.4 接口7.4.1 展開文件服務(wù) 7.4.2 與UNIX的比較 7.4.3 目錄服務(wù)7.5 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)7.5.1 文件組結(jié)構(gòu)7.5.2 權(quán)限和存取控制7.5.3 文件定位7.5.4 高速緩存7.6 NFS分析7.1 分布式文件系統(tǒng)的要求分布式文件系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)的基本構(gòu)件之一，完成的功能類似與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)。它用來支持永久性存儲(chǔ)介質(zhì)和信息的共享，允許用戶程序直接存取遠(yuǎn)程文件而不需要拷貝到本地站點(diǎn)。文件系統(tǒng)在分布式操作系統(tǒng)中使用最頻繁，因此它的功能

2、和性能要求很高。其設(shè)計(jì)需要滿足分布式系統(tǒng)中的一些透明性要求。要均衡靈活性和擴(kuò)展性兩方面的考慮。當(dāng)前的分布式文件系統(tǒng)大多支持以下部分的透明性：存取透明性：不知道文件的分布。位置透明性：全局文件名空間。并發(fā)存取透明性：一個(gè)用戶修改不影響另一用戶。故障透明性：客戶端或服務(wù)器端故障時(shí)不影響其它的正確操作。性能透明性：不會(huì)因距離而產(chǎn)生過多的性能衰減。7.1 分布式文件系統(tǒng)的要求此外，分布式系統(tǒng)必須滿足兩個(gè)主要條件：系統(tǒng)的異構(gòu)性：必須定義系統(tǒng)的接口，體現(xiàn)開放性。擴(kuò)展性：系統(tǒng)能夠增量擴(kuò)展。當(dāng)系統(tǒng)包括大量源節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要考慮透明性：復(fù)制透明性：某個(gè)文件在不同站點(diǎn)可有多個(gè)副本。遷移透明性：文件遷移不會(huì)導(dǎo)致程序和系

3、統(tǒng)管理表的變化。細(xì)粒度分布式數(shù)據(jù)的支持：對(duì)子單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享。網(wǎng)絡(luò)分割：可能由于誤操作所致，。7.1 分布式文件系統(tǒng)的要求分布式文件系統(tǒng)包括3個(gè)組件展開文件服務(wù)、目錄服務(wù)和客戶組件：7.2 分布式文件系統(tǒng)的組成三個(gè)組件的功能定義如下：展開文件服務(wù)涉及到實(shí)現(xiàn)對(duì)文件內(nèi)容的操作。文件的惟一標(biāo)識(shí)符（UFID）在展開文件服務(wù)操作請(qǐng)求中用來標(biāo)識(shí)文件。文件服務(wù)和目錄服務(wù)的功能就是根據(jù)UFID（長(zhǎng)整型、唯一性）劃分；目錄服務(wù)提供文件文本名到UFID的映射。當(dāng)創(chuàng)建文件時(shí)，客戶組件把文件的標(biāo)識(shí)符連同文本名記錄在目錄里。用戶就可以通過把文件的文本名提交給目錄服務(wù)，從而獲得文件的惟一標(biāo)示符。目錄服務(wù)提供了生成、修改

4、目錄以及從目錄中取得文件標(biāo)識(shí)副的功能。7.2 分布式文件系統(tǒng)的組成單一的客戶組件運(yùn)行在每一臺(tái)客戶機(jī)上。它集成并擴(kuò)展了適合客戶機(jī)上用戶程序的單一編程接口下的展開文件服務(wù)和目錄服務(wù)操作。此外，客戶組件還能通過在客戶機(jī)上高速緩存最近使用的文件塊而達(dá)到滿意性能。7.2 分布式文件系統(tǒng)的組成分布式文件系統(tǒng)至少應(yīng)具有與常規(guī)文件系統(tǒng)相同的功能、通用性，而具有更高的性能。它們需要適合于特定用戶，實(shí)現(xiàn)不同用戶間高層上的系統(tǒng)共享。1.展開文件服務(wù)。設(shè)計(jì)成能提供簡(jiǎn)單、通用目標(biāo)的操作集合。2.容錯(cuò)性。在客戶或服務(wù)器故障時(shí)必須能夠繼續(xù)工作。3.目錄服務(wù)。創(chuàng)建和修改單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)的基本目錄服務(wù)。其它功能包括分析路徑名，將目

5、錄組織成多級(jí)結(jié)構(gòu)并執(zhí)行搜索。4.客戶組件。把展開文件服務(wù)中遠(yuǎn)程過程調(diào)用接口所使用的文件惟一標(biāo)示符及目錄服務(wù)從用戶層的應(yīng)用程序中隱藏起來。當(dāng)需要時(shí)，客戶組件根據(jù)文件標(biāo)示符定位文件。7.3 設(shè)計(jì)策略可以通過對(duì)接口過程的簡(jiǎn)單描述來描述這些系統(tǒng)接口。過程名、輸入?yún)?shù)、結(jié)果、錯(cuò)誤條件的產(chǎn)生以及操作如下：7.4 接口過程名（變量1，變量2，）（結(jié)果1，結(jié)果2，）Reports（錯(cuò)誤1，錯(cuò)誤2，） 描述輸入?yún)?shù)數(shù)列在過程名后面的括號(hào)里。它的命名遵循下面的規(guī)則。結(jié)果列在輸入?yún)?shù)后面，中間用箭頭隔開。其命名規(guī)則同輸入?yún)?shù)一樣。所有可能的異常和錯(cuò)誤條件都列在關(guān)鍵字Reports的后面。Read(File, i,

6、n) Data Reports(BadPosition)定義了包含三個(gè)輸入?yún)?shù)的Read過程。即文件的惟一標(biāo)識(shí)符，兩個(gè)整型數(shù)i、n表明從文件的i位置 讀出n個(gè)數(shù)據(jù)。如果i超過了文件的長(zhǎng)度，會(huì)引起一個(gè)BadPosition錯(cuò)誤。下面接口是客戶組件使用的RPC接口。如果服務(wù)器處理請(qǐng)求時(shí)文件不存在或者操作所要求的存取權(quán)限不正確時(shí)，文件的惟一標(biāo)識(shí)符是無效的。7.4 接口7.4.1展開文件服務(wù)這里討論的接口與UNIX文件系統(tǒng)中的原語在功能上等價(jià)。與UNIX接口相比，展開文件服務(wù)沒有打開和關(guān)閉文件操作。展開文件接口與UNIX文件系統(tǒng)接口最主要的區(qū)別在于容錯(cuò)性：重復(fù)性操作：除了Create操作外，所有的操作

7、都是冪等的。Create的重復(fù)執(zhí)行使得每個(gè)請(qǐng)求都將產(chǎn)生一個(gè)新文件，造成空洞問題。不穩(wěn)定的服務(wù)器：對(duì)不穩(wěn)定的服務(wù)器來說，執(zhí)行接口的功能是可行的。在故障發(fā)生后，客戶和服務(wù)器不需要恢復(fù)到以前的狀態(tài)就可以重新啟動(dòng)并繼續(xù)執(zhí)行。展開文件服務(wù)的使用：服務(wù)接口可用于構(gòu)建客戶組件或用戶包。它可用于提供應(yīng)用程序所需的各種高級(jí)接口，為了簡(jiǎn)單描述文件系統(tǒng)的操作，使用了類似展開文件服務(wù)中文件操作的模型，忽略了GetAttributes和SetAttributes兩個(gè)操作，增加了length函數(shù)。7.4 接口7.4.2 與UNIX比較1 目錄服務(wù)的任務(wù)。 其主要任務(wù)是完成文件的文本名到惟一標(biāo)識(shí)符的轉(zhuǎn)換。為完成此轉(zhuǎn)換，它保

8、存了含有文本名到惟一標(biāo)識(shí)符映射關(guān)系的目錄文件。各目錄服務(wù)跟一般的文件一樣被保存，并有惟一的文件標(biāo)識(shí)符。（文件系統(tǒng)的客戶）。改變目錄有3種操作：AddName、ReName和UnName。AddName向目錄增加一個(gè)條目并使文件屬性記錄的引用計(jì)數(shù)值增大。ReName更改文件的文本名，UnName刪除文件。7.4 接口7.4.3 目錄服務(wù)2 構(gòu)建一個(gè)分層文件系統(tǒng)。類Unix分層文件系統(tǒng)由排成樹結(jié)構(gòu)的目錄組成。每個(gè)目錄含有自身可以存取到的文件和其他目錄的名字。一個(gè)類UNIX文件命名系統(tǒng)可以由采用了展開文件服務(wù)和目錄服務(wù)的客戶組件實(shí)現(xiàn)。樹形目錄可以這樣實(shí)現(xiàn)：葉節(jié)點(diǎn)是文件，其他節(jié)點(diǎn)是目錄。這種方法可以用

9、AddName操作和屬性記錄中的引用數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。7.4 接口7.4.3 目錄服務(wù)1 文件組的作用。文件組是安裝在服務(wù)器計(jì)算機(jī)上文件的集合。一個(gè)服務(wù)器可以包含多個(gè)文件組，文件組可以在服務(wù)器上移動(dòng)，但文件不能改變其所屬的組。文件組最初是為了支持不同計(jì)算機(jī)上可拆卸磁盤上文件集間的移動(dòng)。分布式文件系統(tǒng)中，文件組支持文件服務(wù)器以更大的邏輯單元收集文件，以及實(shí)現(xiàn)文件在多個(gè)服務(wù)器上的存放。7.5 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)7.5.1 文件組結(jié)構(gòu)2 空間漏洞。當(dāng)事件的序列發(fā)生在對(duì)系統(tǒng)永久性不可存取的存儲(chǔ)空間時(shí)，系統(tǒng)中就會(huì)產(chǎn)生空間漏洞。文件和目錄的分離所造成的缺陷是磁盤空間漏洞產(chǎn)生的原因。當(dāng)創(chuàng)建文件的應(yīng)用程序終止時(shí)，沒有

10、把文件的惟一標(biāo)識(shí)符寫入目錄或者刪除該文件，就會(huì)產(chǎn)生空間漏洞。7.5 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)7.5.1 文件組結(jié)構(gòu)權(quán)限在分布式系統(tǒng)中用于防止資源遭受非授權(quán)的存取。展開文件服務(wù)用來管理基于基于權(quán)限的存取控制，在對(duì)文件進(jìn)行操作時(shí)，客戶必須擁有正確的權(quán)限。文件惟一標(biāo)識(shí)符的結(jié)構(gòu)。展開文件服務(wù)必須生成惟一的文件標(biāo)識(shí)符，并使其不被偽造。實(shí)現(xiàn)唯一性的一種辦法：文件組標(biāo)識(shí)符+ 文件編號(hào)+ 隨機(jī)數(shù)。文件的存取控制基于UFID所形成的對(duì)文件的存取權(quán)限，即存取控制就是對(duì)授權(quán)用戶隱藏UFID。7.5 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)7.5.2 權(quán)限和存取控制允許字段的加密。為了避免整個(gè)文件系統(tǒng)安全性的問題，可以將字段與隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加密以生成單

11、獨(dú)的37位數(shù)字。文件表示。展開文件服務(wù)管理著服務(wù)器磁盤上文件的存儲(chǔ)。文件中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非連續(xù)的空間塊上。通過記錄塊指針的順序來組織文件。索引塊（獨(dú)立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）記錄了這個(gè)順序，它支持對(duì)文件的數(shù)據(jù)進(jìn)行順序存取或自由存取。索引塊結(jié)構(gòu)：7.5 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)7.5.2 權(quán)限和存取控制響應(yīng)文件服務(wù)請(qǐng)求的第一步是確定含有所請(qǐng)求文件組的服務(wù)器。這個(gè)由客戶組件完成的。第二步是定位出被請(qǐng)求文件的塊索引，這由含該文件的服務(wù)器自身完成。7.5 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)7.5.3 文件定位服務(wù)器的高速緩存。通過在服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的本地存儲(chǔ)器中保留最近使用的塊副本可降低文件存取的開銷。大多數(shù)文件服務(wù)器都包含一個(gè)高速緩存系統(tǒng)。磁盤塊的高速緩存由主存的一部分區(qū)域按隊(duì)列順序組成，各塊的大小與磁盤塊的大小相同，各塊都包含一個(gè)塊指針。此后讀該塊的請(qǐng)求就可以直接從高速緩存中讀出內(nèi)容?？蛻魴C(jī)的高速緩存。服務(wù)器高速緩存不能減少由于網(wǎng)絡(luò)等待和服務(wù)器負(fù)載造成的延遲，可在客戶機(jī)上高速緩存文件最近存取的塊、文件屬性及文件條目。7.5 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)7.5.4 高速緩存NFS是第一個(gè)被設(shè)計(jì)成產(chǎn)品