10.7 分布式文件系统_dfs分布式文件系统不同实现统一管理

 

10.7 分布式文件系统

分布式文件系统（DFS）是一种特殊的文件系统，它允许在网络中的多个计算机上共享文件和数据。与本地文件系统（LFS）不同，DFS建立在松散耦合的多处理机体系结构上，通过通信网络互连，实现了本地或远程节点上的物理存储设备的统一管理和共享。

10.7.1 分布式系统简介

分布式系统的特征

分布式系统是由多个通过通信线路互连的处理机组成的松散耦合系统，具有以下特征：

1. 分布性：系统由多台计算机组成，功能、资源和控制分散在各个节点上。
2. 透明性：系统资源被所有计算机共享，用户可以无需关心资源位置地使用其他计算机的资源。
3. 同一性：系统中的多台计算机可以协作完成共同的任务。
4. 全局性：系统具备全局性的进程通信机制，任意两台计算机都可以实现信息交换。

分布式系统的优点

1. 计算能力强：通过并行处理技术，可以分派任务到不同的计算机节点并行执行。
2. 易于实现共享：基于计算机网络，易于实现资源共享和负载共享。
3. 方便通信：建立在计算机网络上，方便用户之间的信息交流。
4. 可靠性高：工作负载分散，单机故障不会影响整个系统。
5. 可扩充性好：系统可以方便地添加新的计算机节点。

分布式操作系统

分布式操作系统是一种特殊的操作系统，旨在为分布式系统提供统一管理。它实现了分布式系统资源的动态分配、调度、协调各个任务的并行执行等功能，同时对用户隐藏了系统内部实现的细节，提供了统一、方便、透明的使用界面。

分布式文件系统（DFS）

DFS是分布式操作系统中的关键组成部分，它使得网络中的不同节点上的用户可以共享文件。DFS的设计基于客户机/服务器模式，提供了文件的存储、访问和管理等功能。分布式文件系统的主要优点包括数据共享、高可靠性、高性能和灵活的数据访问。

DFS的关键功能

• 文件共享：不同节点上的用户可以访问和共享网络中的文件。
• 透明性：用户访问远程文件就像访问本地文件一样，无需了解文件的物理位置。
• 可靠性和一致性：DFS通过复制和缓存机制保证文件数据的一致性和系统的可靠性。
• 灵活的访问控制：支持对文件的细粒度访问控制，保障数据安全。

DFS的实现需要解决多个技术挑战，包括数据的一致性维护、高效的数据传输、故障恢复和负载均衡等。流行的DFS实现包括NFS（网络文件系统）、SMB/CIFS（服务器消息块/通用Internet文件系统）和Google的GFS（Google文件系统）等。

总之，分布式文件系统是分布式计算环境中实现数据共享和管理的重要技术，它通过网络连接将分散的存储资源集成为一个统一的文件系统，为用户提供高效、可靠和透明的数据访问服务。

 

 

10.7.2 分布式文件系统的实现方式和基本要求

分布式文件系统（DFS）是对分布在不同地点的存储资源进行统一管理和访问的系统。DFS的发展得益于计算机性能的提升、网络技术的进步，以及对大容量、高性能数据存储和共享需求的增长。本节将探讨DFS的实现方式和满足这些需求的基本要求。

DFS的实现方式

DFS主要有两种实现方式，分别是共享文件系统方式和共享磁盘方式。

1. 共享文件系统方式

这种方式通过设置一个或多个文件服务器，将数据分布式存储在各个服务器上。它采用客户机/服务器模式，其中文件服务器负责管理文件系统的逻辑结构。此方式允许用户像访问本地文件一样访问分布在网络上的文件，对用户隐藏了文件的实际物理位置。例如，网络文件系统（NFS）、Andrew文件系统（AFS）和Sprite文件系统等采用了此实现方式。

2. 共享磁盘方式

又称为无服务器方式。在此模型中，没有专门的文件服务器，而是通过共享磁盘（如高速磁盘）来实现文件共享。所有的主机和客户机都直接以盘块方式读写共享磁盘上的文件。这种方式通常用于构造高端或专用的存储设备，如网络附加存储（NAS）和存储区域网络（SAN）。例如，VAX Cluster的文件系统、IBM的GPFS和GFS等使用了此方式。

DFS的基本要求

DFS除了需要满足大容量存储的需求外，还有以下基本要求：

1. 透明性

包括位置透明性（用户不需要知道文件的实际位置）、移动透明性（文件移动对用户透明）、性能透明性（系统性能变化对用户透明）和扩展透明性（系统扩展对用户透明）。

2. 高性能和高可靠性

DFS应提供超越本地文件系统的性能和可靠性，满足分布式环境中大量客户的访问需求，并确保系统的安全可靠运行。

3. 容错性

通过信息冗余、时间冗余和物理冗余等技术，即使系统出现错误也能继续提供服务，从而保证系统的高可靠性。

4. 安全性

包括身份验证、访问控制和安全通信等机制，以保护系统免受未授权访问和攻击。

5. 一致性

确保用户在本地缓存的文件副本与服务器上的主副本保持一致，避免数据不一致性问题。

总之，分布式文件系统通过其高效的数据共享和管理能力，支持了跨节点的文件访问和存储。随着技术的进步，DFS将继续发展，以满足日益增长的数据存储和共享需求。

 

 

10.7.3 命名及共享语义

命名

在分布式文件系统（DFS）中，命名机制负责将数据的逻辑对象映射到物理对象，同时处理文件所在服务器的地址问题。这种多级映射形成了文件的逻辑访问路径，隐藏了文件的实际物理存储位置和存储方式，为用户提供文件的抽象视图。

DFS中的命名方案

1. 结合主机名和本地名：保证系统范围内的唯一性，但不符合命名的透明性。
2. 远程目录挂载：管理复杂，结构混乱，安全程度低，且依赖性强。
3. 全局统一命名：实现难度较大，但提供了一种理想的解决方案，每个文件和目录使用唯一的全局命名。

共享语义

共享语义定义了多客户端共享文件时的行为规则，是维护数据一致性的关键。当多个客户端并发访问同一文件时，必须精确处理读写操作的交互协议。

共享文件的效果

1. UNIX语义：文件上的每个操作对所有进程即时可见，但在分布式环境中难以实现。
2. 会话语义：在文件关闭之前，改动对其他进程不可见。
3. 只读共享：不允许更新文件，只能共享和复制。
4. 事务处理：所有改动以原子操作顺序发生，提供了较好的一致性保证。

租赁协议

租赁协议是处理一致性访问的有效机制，允许客户端在租赁期内缓存数据，减少了服务器的访问次数，提高了系统性能。当租赁到期或数据更新时，客户端必须重新与服务器交互以获取最新数据。

租赁协议的工作原理

1. 读请求时获取租赁凭据：客户端读取数据时，同时获得带有有效期的租赁凭据。
2. 租赁期内的本地缓存访问：在租赁有效期内，客户端可以直接在本地缓存中访问数据。
3. 租赁期过期的数据更新确认：租赁期过期后，客户端必须确认数据是否更新，若更新则重新请求数据。
4. 写操作的租赁无效化：当有写操作请求时，服务器先使所有相关租赁凭据无效，然后才更新数据。

通过上述机制，租赁协议在保证数据一致性的同时，有效地提升了分布式文件系统的读取性能，同时也确保了写操作的正确同步。这种多读单写的策略平衡了性能与一致性的需求，是分布式文件系统设计中的一项关键技术。

 

 

10.7.4 远程文件访问和缓存

远程文件访问是分布式文件系统（DFS）中的一个核心问题。在客户端-服务器（C/S）模式下，客户通过远程服务机制访问文件，这通常通过远程过程调用（RPC）来实现。考虑到客户可能会反复多次使用同一数据，DFS中引入了缓存机制，以提高数据访问的效率和性能。

缓存与远程服务的比较

• 缓存：转化大量的远程访问为本地缓存访问，提高服务速度，减少服务器负载和网络通信量。
• 远程服务：每次访问都通过网络处理，增加网络通信量和服务器负载，可能导致性能下降。
• 一致性问题：缓存优于频繁读取的访问模式，但在写操作频繁的情况下，一致性机制可能导致大量性能、通信量和负载开销。

缓存的粒度和位置

缓存的粒度

• 数据粒度影响缓存的效率和性能。较大的数据粒度可以减少通信开销和提高缓存命中率，但也可能增加数据一致性维护的复杂度。
• 存储块的大小同样影响性能，需要根据具体场景和需求进行优化。

缓存的位置

• 服务器磁盘：直接存储所有文件，优点是可靠性高。
• 服务器主存：支持无盘工作站，提供快速访问，简化单缓存机制。
• 客户机磁盘/主存：本地缓存提高访问速度，减轻服务器负载。

缓存的更新策略

• 直接写：数据立即写回服务器，提高可靠性。
• 延迟写：先写缓存，后续再写回服务器，可能导致一致性问题。
• 驱逐时写：缓存替换时写回，平衡了性能和一致性。
• 周期性写：定期写回，减少写操作的即时开销。
• 关闭时写：文件关闭时写回，符合会话语义。

数据一致性

为了维护数据的一致性，确保本地缓存的数据副本与服务器上的主副本同步，分布式文件系统采用有效性检查机制。这包括两种基本方法：

客户机发起的检查

客户端主动与服务器进行通信以确认数据的一致性。这种检查的频率可以从每次访问前都进行检查，到只在文件的首次访问（例如，打开文件时）进行检查，或者按固定的时间间隔进行周期性检查。检查的频度直接影响网络和服务器的负载。

服务器发起的检查

服务器记录每个客户机缓存的文件（或文件的某部分），并在检测到可能的不一致时采取措施。例如，如果服务器检测到一个文件被多个客户机以竞争状态打开，则服务器会使该缓存失效。这种方法的挑战在于，它可能违反了客户端/服务器模式的工作原则，因为服务器需要主动干预客户机的缓存状态。

租赁协议的作用

租赁协议通过为客户端提供一个带有有效期的租赁凭据，平衡了性能和一致性的需求。在租赁有效期内，客户端可以减少与服务器的交互，从而提高性能。一旦租赁期过期，客户端需要重新与服务器进行交互以确认数据的最新状态，并根据需要更新本地缓存。

通过这种机制，DFS能够有效地处理远程文件访问和缓存问题，提高系统的整体性能，同时保证数据的一致性和系统的可靠性。缓存策略和数据一致性机制的设计对于保持高效和可靠的分布式文件访问至关重要。

 

 

10.7.5 容错

在分布式文件系统（DFS）中，容错是确保系统稳定运行和数据安全的关键因素。系统的容错机制主要涉及到如何处理服务器故障以及如何保持文件属性的可恢复性、坚定性和可用性。

1. 无状态服务和有状态服务

• 有状态服务：服务器缓存了与客户机相关的信息，提供个性化数据服务。在服务器崩溃时，易失状态的丢失需要通过复杂机制恢复。
• 无状态服务：服务器不缓存客户机信息，崩溃后易于恢复服务，但每次请求可能需要更多的信息和处理时间。

2. 容错性的影响

文件属性定义：

• 可恢复性：文件操作失败或中断后，文件能恢复到一致状态。
• 坚定性：存储崩溃或介质损坏时，文件保持完好。
• 可用性：文件随时可访问，即使在机器崩溃或通信失效情况下。

实现方法：

• 可恢复性：通过原子操作更新保证。
• 坚定性：通过设备冗余性保证。
• 可用性：通过文件复制等冗余措施保证。

3. 可用性与文件复制

文件复制不仅增加系统可靠性，还可以通过分发并行请求到多个服务器上来平衡负载。在设计文件复制机制时，需考虑以下因素：

用户透明性

用户不需知道文件副本的存在和具体位置，文件名到副本的映射应在系统内部处理。

控制的可见性

尽管文件副本的存在对用户是透明的，用户应能控制复制行为的某些方面，如复制的数量和位置。

更新一致性

任何副本的更新都应该触发所有副本的更新，保持逻辑实体的一致性。这要求系统实施复杂的更新协议和一致性保证机制。

文件复制的使用提高了系统的容错性和可用性，但同时带来了更新一致性维护的额外开销。选择合适的容错和一致性策略对于设计高效且可靠的分布式文件系统至关重要。