Сетевые службы

     ГЛАВА 8. Сетевые службы

     Практически все современные операционные системы  являются сетевыми. Они позволяют своим пользователям получать доступ не только к локальным ресурсам, но и к ресурсам других компьютеров, подключенных к сети.

     Сетевые же службы помогают ОС реализовать специфические функции по организации совместной работы в сети.

     Распределенные  файловые системы

     Файловая  система – ключевой компонент  любой распределенной системы. Как  и в централизованных системах, в распределенной системе функцией файловой системы является хранение программ и данных и предоставление доступа к ним по мере необходимости. Файловая система поддерживается одной или более машинами, называемыми файл-серверами. Файл-серверы перехватывают запросы на чтение или запись файлов, поступающие от других машин (не серверов). Эти другие машины называются клиентами. Каждый посланный запрос проверяется и выполняется, а ответ отсылается обратно. Файл-серверы обычно содержат иерархические файловые системы, каждая из которых имеет корневой каталог и каталоги более низких уровней. Рабочая станция может подсоединять и монтировать эти файловые системы к своим локальным файловым системам. При этом монтируемые файловые системы остаются на серверах.

     Файловый  сервер – это процесс, который  выполняется на отдельной машине и помогает реализовывать файловый сервис. В системе может быть один файловый сервер или несколько, но в хорошо организованной распределенной системе пользователи не знают, как реализована файловая система: количества файловых серверов, их месторасположение и функции. Они только знают, что если процедура определена в файловом сервисе, то требуемая работа каким-то образом выполняется, и им возвращаются требуемые результаты. Более того, пользователи даже не должны знать, что файловый сервис является распределенным.

     Так как обычно файловый сервер – это  просто пользовательский процесс (или  иногда процесс ядра), выполняющийся на некоторой машине, в системе может быть несколько файловых серверов, каждый из которых предлагает различный файловый сервис.

     Файловый  сервис в распределенных файловых системах (как и в централизованных) имеет две функционально различные части: собственно файловый сервис и сервис каталогов. Первый имеет дело с операциями над отдельными файлами, такими, как чтение, запись или добавление, а второй – с созданием каталогов и управлением ими, добавлением и удалением файлов из каталогов и т.п.  

     Интерфейс файлового сервиса

     Для любого файлового сервиса, независимо от того, централизован он или распределен, самым главным является вопрос, что такое файл? Во многих системах, таких как UNIX и MS DOS, файл – это не интерпретируемая последовательность байтов.

     Файл  может быть организован как последовательность записей, и у операционной системы  имеются вызовы, которые позволяют работать на уровне этих записей. Большинство современных распределенных файловых систем поддерживают определение файла как последовательности байтов, а не последовательности записей. Файл характеризуется атрибутами: именем, размером, датой создания, идентификатором владельца, адресом и другими.

     Важным  аспектом файловой модели является возможность  модификации файла после его  создания. Обычно файлы могут модифицироваться, но в некоторых распределенных системах единственными операциями с файлами являются СОЗДАТЬ и ПРОЧИТАТЬ. Такие файлы называются неизменяемыми. Для неизменяемых файлов намного легче осуществить кэширование файла и его репликацию (тиражирование), так как исключается все проблемы, связанные с обновлением всех копий файла при его изменении.

     Файловый  сервис может быть разделен на два типа 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. Преимуществом этой модели является ее простота. Главным недостатком этой модели являются высокие требования к дискам клиентов. Кроме того, неэффективно перемещать весь файл, если нужна его маленькая часть.
• Модели удаленного доступа 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 так далее. В то время как в модели загрузки-выгрузки файловый сервер обеспечивал только хранение и перемещение файлов, в данном случае вся файловая система выполняется на серверах, а не на клиентских машинах. Преимуществом такого подхода являются низкие требования к дисковому пространству на клиентских машинах, а также исключение необходимости передачи целого файла, когда нужна только его часть.

     Интерфейс сервиса каталогов

     Природа сервиса каталогов не зависит от типа используемой модели файлового сервиса. В распределенных системах используются те же принципы организации каталогов, что и в централизованных, в том числе многоуровневая организация каталогов.

     Принципиальной  проблемой, связанной со способами  именования файлов, является обеспечение прозрачности. В данном контексте прозрачность понимается в двух слабо различимых смыслах. Первый – прозрачность расположения – означает, что имена не дают возможности определить месторасположение файла. Например, имя /server1/dir1/ dir2/x говорит, что файл x расположен на сервере 1, но не указывает, где расположен этот сервер. Сервер может перемещаться по сети, а полное имя файла при этом не меняется. Следовательно, такая система обладает прозрачностью расположения.

     Предположим, что файл x очень большой, а на сервере 1 мало места, предположим далее, что на сервере 2 места много. Система может захотеть переместить автоматически файл x на сервер 2. К сожалению, когда первый компонент всех имен – это имя сервера, система не может переместить файл на другой сервер автоматически, даже если каталоги dir1 и dir2 находятся на обоих серверах. Программы, имеющие встроенные строки имен файлов, не будут правильно работать в этом случае. Система, в которой файлы могут перемещаться без изменения имен, обладает свойством независимости от расположения. Распределенная система, которая включает имена серверов или машин непосредственно в имена файлов, не является независимой от расположения. Система, базирующаяся на удаленном монтировании, также не обладает этим свойством, так как в ней невозможно переместить файл из одной группы файлов в другую и продолжать после этого пользоваться старыми именами. Независимости от расположения трудно достичь, но это желаемое свойство распределенной системы.

     Большинство распределенных систем используют какую-либо форму двухуровневого именования: на одном уровне файлы имеют символические имена, такие как prog.c, предназначенные для использования людьми, а на другом – внутренние, двоичные имена, для использования самой системой. Каталоги обеспечивают отображение между двумя этими уровнями имен. Отличием распределенных систем от централизованных является возможность соответствия одному символьному имени нескольких двоичных имен. Обычно это используется для представления оригинального файла и его архивных копий. Имея несколько двоичных имен, можно при недоступности одной из копий файла получить доступ к другой. Этот метод обеспечивает отказоустойчивость за счет избыточности.  

     Семантика разделения файлов

     Рассмотрим четыре различных подхода к работе с разделяемыми файлами в распределенных системах:

• Семантика UNIX. Каждая операция над файлом немедленно становится видимой для всех процессов.
• Сессионная семантика. Изменения не видны до тех пор, пока файл не закрывается.
• Неизменяемые файлы. Модификации невозможны, разделение файлов и репликация упрощаются.
• Транзакции. Все изменения делаются по принципу "все или ничего".

     Когда два или более пользователей  разделяют один файл, необходимо точно  определить семантику чтения и записи. В централизованных системах, разрешающих разделение файлов, таких как UNIX, обычно определяется, что, когда операция ЧТЕНИЕ следует за операцией ЗАПИСЬ, то читается только что обновленный файл. Аналогично, когда операция чтения следует за двумя операциями записи, то читается файл, измененный последней операцией записи. Тем самым система придерживается абсолютного временнóго упорядочивания всех операций, и всегда возвращает самое последнее значение. Будем называть эту модель семантикой UNIX'а. В централизованной системе ее легко и понять, и реализовать.

     Семантика UNIX может быть обеспечена и в распределенных системах, но только, если в ней имеется  лишь один файловый сервер, и клиенты  не кэшируют файлы. Для этого все  операции чтения и записи направляются на файловый сервер, который обрабатывает их строго последовательно. На практике, однако, производительность распределенной системы, в которой все запросы к файлам идут на один сервер, часто становится неудовлетворительной. Эта проблема иногда решается путем разрешения клиентам обрабатывать локальные копии часто используемых файлов в своих личных кэшах. Если клиент сделает локальную копию файла в своем локальном кэше и начнет ее модифицировать, а вскоре после этого другой клиент прочитает этот файл с сервера, то он получит неверную копию файла. Одним из способов устранения этого недостатка является немедленный возврат всех изменений в кэшированном файле на сервер. Такой подход хотя и концептуально прост, но не эффективен.

     Другим  решением является введение так называемой сессионной семантики, в соответствии с которой изменения в открытом файле сначала виды только процессу, который модифицирует файл, и только после закрытия файла эти изменения могут видеть другие процессы. При использовании сессионной семантики возникает проблема одновременного использования одного и того же файла двумя или более клиентами. Одним из решений этой проблемы является принятие правила, в соответствии с которым окончательным является тот вариант, который был закрыт последним. Менее эффективным, но гораздо более простым в реализации, является вариант, при котором окончательным результирующим файлом на сервере может оказаться любой из этих файлов.

     Следующий подход к разделению файлов заключается  в том, чтобы сделать все файлы неизменяемыми. Тогда файл нельзя открыть для записи, а можно выполнять только операции СОЗДАТЬ и ЧИТАТЬ. Тогда для изменения файла остается только возможность создать полностью новый файл и поместить его в каталог под именем старого файла. Следовательно, хотя файл и нельзя модифицировать, его можно заменить (автоматически) новым файлом. Другими словами, хотя файлы и нельзя обновлять, но каталоги обновлять можно. Таким образом, проблема, связанная с одновременным использованием файла, просто исчезнет.

     Четвертый способ работы с разделяемыми файлами в распределенных системах – это использование механизма неделимых транзакций.

     Вопросы разработки структуры  файловой системы

     В некоторых системах (например, NFS) нет  разницы между клиентом и сервером, на всех машинах работает одно и то же базовое программное обеспечение, так что любая машина, которая хочет предложить файловый сервис, свободно может это сделать. Для этого ей достаточно экспортировать имена выбранных каталогов, чтобы другие машины могли иметь к ним доступ.

     В других системах файловый сервер –  это только пользовательская программа, так что система может быть сконфигурирована как клиент, как  сервер или как клиент и сервер одновременно. Третьим, крайним случаем, является система, в которой клиенты и серверы – это принципиально различные машины, как в терминах аппаратуры, так и в терминах программного обеспечения. Серверы могут даже работать под управлением другой операционной системы.

     Вторым  важный вопрос реализации файловой системы – структуризация сервиса файлов и каталогов:

• комбинировании этих двух сервисов на одном сервере;
• эти сервисы разделяются.

     В последнем случае при открытии файла  требуется обращение к серверу  каталогов, который отображает символьное имя в двоичное, а затем обращение к файловому серверу с двоичным именем для действительного чтения или записи файла.

     Аргументом  в пользу разделения сервисов является тот факт, что они на самом деле слабо связаны, поэтому их раздельная реализация более гибкая. Например, можно реализовать сервер каталогов MS-DOS и сервер каталогов UNIX, которые будут использовать один и тот же файловый сервер для физического хранения файлов. Разделение этих функций также упрощает программное обеспечение. Недостатком является то, что использование двух серверов увеличивает интенсивность сетевого обмена. В некоторых системах делается попытка улучшить производительность за счет кэширования имен. При открытии файла кэш проверяется на наличие в нем нужного имени. Если оно там есть, то этап поиска, выполняемый сервером каталогов, пропускается, и двоичный адрес извлекается из кэша.