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一、網路檔案系統概述

Sun Microsystems公司於1984年推出了一個在整個計算機工業中被廣泛接受的遠端檔案存取機制，它被稱為Sun的網路檔案系統（Network File System），或者簡稱為NFS。該機制允許在一臺計算機上執行一個伺服器，使對其上的某些或所有檔案都可以進行遠端存取，還允許其他計算機上的應用程式對這些檔案進行存取。

它使我們能夠達到檔案的共享。當使用者想用遠端檔案時只要用"mount"就可把remote檔案系統掛接在自己的檔案系統之下，使得遠端的檔案操作上和本地機器的檔案沒兩樣。一個應用程式可以開啟（Open）一個遠端檔案以進行存取，可以從這個檔案中讀取（Read）資料，向該檔案中寫入（Write）資料，定位（Seek）到檔案中的某個指定位置（開始、結尾或者其他地方），最後當使用完畢後關閉(Close)該檔案。並且這些操作都是對程式設計者透明的，操作方法和對本地檔案的操作方法完全一樣。

二、NFS協議

NFS協議使用NFS，客戶端可以透明地訪問伺服器中的檔案系統，這不同於提供檔案傳輸的FTP協議。FTP會產生檔案一個完整的副本；NFS只訪問一個程序引用檔案部分，並且一個目的就是使得這種訪問透明。這就意味著任何能夠訪問一個本地檔案的客戶端程式不需要做任何修改，就應該能夠訪問一個NFS檔案。NFS是一個使用SunRPC構造的客戶端/伺服器應用程式，其客戶端通過向一臺NFS伺服器傳送RPC請求來訪問其中的檔案。儘管這一工作可以使用一般的使用者程序來實現，即NFS客戶端可以是一個使用者程序，對伺服器進行顯式呼叫，而伺服器也可以是一個使用者程序。因為兩個理由，NFS一般不這樣實現。首先訪問一個NFS檔案必須對客戶端透明，因此NFS的客戶端呼叫是由客戶端作業系統代表使用者程序來完成的；其次，出於效率的考慮，NFS伺服器在伺服器作業系統中實現。如果NFS伺服器是一個使用者程序，每個客戶端請求和伺服器應答（包括讀和寫的資料）將不得不在核心和使用者程序之間進行切換，這個代價太大。第3版的NFS協議在1993年釋出，下圖所示為一個NFS客戶端和一臺NFS伺服器的典型結構。 

圖1  NFS客戶端和NFS伺服器的典型結構 

（1）訪問一個本地檔案還是一個NFS檔案對於客戶端來說是透明的，當檔案被開啟時，由核心決定這一點。檔案被開啟之後，核心將本地檔案的所有引用傳遞給名為“本地檔案訪問”的框中，而將一個NFS檔案的所有引用傳遞給名為“NFS客戶端”的框中。

（2）NFS客戶端通過其TCP/IP模組向NFS伺服器傳送RPC請求，NFS主要使用UDP，最新的實現也可以使用TCP。

（3）NFS伺服器在埠2049接收作為UDP資料包的客戶端請求，儘管NFS可以被實現為使用埠對映器，允許伺服器使用一個臨時埠，但是大多數實現都是直接指定UDP埠2049。

（4）當NFS伺服器收到一個客戶端請求時，它將這個請求傳遞給本地檔案訪問例程，然後訪問伺服器主機上的一個本地的磁碟檔案。

（5）NFS伺服器需要花一定的時間來處理一個客戶端的請求，訪問本地檔案系統一般也需要一部分時間。在這段時間間隔內，伺服器不應該阻止其他客戶端請求。為了實現這一功能，大多數的NFS伺服器都是多執行緒的——伺服器的核心中實際上有多個NFS伺服器在NFS本身的加鎖管理程式中執行，具體實現依賴於不同的作業系統。既然大多數UNIX核心不是多執行緒的，一個共同的技術就是啟動一個使用者程序（常被稱為“nfsd”）的多個例項。這個例項執行一個系統呼叫，使其作為一個核心程序保留在作業系統的核心中。

（6）在客戶端主機上，NFS客戶端需要花一定的時間來處理一個使用者程序的請求。NFS客戶端向伺服器主機發出一個RPC呼叫，然後等待伺服器的應答。為了給使用NFS的客戶端主機上的使用者程序提供更多的併發性，在客戶端核心中一般執行著多個NFS客戶端，同樣具體實現也依賴於作業系統。

三、NFS的工作原理和服務程序的作用

在Linux中，NFS和服務程序是兩個不同的概念，但它們確實緊密聯絡在一起。首先，先介紹NFS的工作原理。

第一節、NFS的工作原理

啟動NFS檔案伺服器時，/etc/rc.local會自動啟動exportfs程式，指定可以匯出的檔案或目錄，而所能掛載的也只能是其所指定的目錄。
NFS是基於XDR/RPC協議的。XDR（eXternal Data Representation，即外部資料表示法）提供一種方法，把資料從一種格式轉換成另一種標準資料格式表示法，確保在不同的計算機、作業系統及程式語言中，所有資料代表的意義都是相同的。
RPC（Remote Procedure Call，遠端程式呼叫）請求遠端計算機給予服務。客戶機通過網路傳送RPC到遠端計算機，請求服務。
NFS運用RPC傳送資料的方法有以下幾步：
（1）客戶送出資訊，請求服務。
（2）客戶佔位程式把客戶送出的引數轉換成XDR標準格式，並用系統呼叫把資訊送到網路上。
（3）資訊經過網路送達遠端主機系統。
（4）遠端主機將接受到的資訊傳給伺服器佔位程式。
（5）把XDR形式的資料，轉換成符合主機端的格式，取出客戶發出的服務請求引數，送給伺服器。
（6）伺服器給客戶傳送服務的逆向傳送過程。

第二節、服務程序的作用

服務程序是系統在啟動計算機後自動執行的程式，包括對網路的連線、網路協議的載入、圖形桌面的顯示、檔案系統的載入等，Linux系統中常見的程序包括以下幾種。
（1）nfsd
根據客戶端對檔案系統的需求，啟動檔案系統請求服務程序，響應客戶的請求，而一般檔案系統請求服務程序的數目是8，這也是在rc.local中寫nfsd 8 &的原因。
（2）biod
此程序是在NFS客戶端上用的，用來啟動非同步塊I/O服務程序來建立Buffer Cache，處理在客戶機上的讀寫。（3）mountd
這是個RPC伺服器。啟動rpc.mountd服務程序後，mountd會讀取/etc/xtab檢視哪一臺客戶機正在掛載哪一個檔案系統，並回應客戶機所要掛載的路徑。
（4）inetd Internet services服務程序
當系統啟動時，rc.local會啟動inetd讀取inetd.conf配置檔案，讀取網路上所有伺服器的地址，連結啟動inetd.conf中所有的伺服器。當客戶機請求服務時，inetd就會啟動相關的服務程序，如user使用telnet時，inetd啟動telnetd配合user telnet的需求，其餘像ftp、finger、rlogin等應用程式，inetd也都會啟動相對應的服務程式ftpd、fingerd、rloingd等。
（5）portmap服務程式
主要功能是將TCP/IP通訊協議的埠數字轉換成RPC程式數字，因為這樣客戶端才能進行RPC呼叫。一般RPC伺服器是被inet啟動的，所以portmap必須在inetd之前啟動，否則無法進行RPC呼叫。 

四、NFS伺服器之RPC

因為NFS支援的功能相當多，而不同的功能都會使用不同的程式來啟動。每啟動一個功能就會啟用一些埠來傳輸資料，因此NFS的功能所對應的端口才沒有固定，而是採用隨機取用一些未被使用的小於724的埠來作為傳輸之用。但如此一來又造成客戶端要連線伺服器時的困擾，因為客戶端要知道伺服器端的相關端口才能夠聯機，此時我們需要遠端過程呼叫（RPC）的服務。RPC最主要的功能就是指定每個NFS功能所對應的埠號，並且回報給客戶端，讓客戶端可以連線到正確的埠上。當伺服器在啟動NFS時會隨機選用數個埠，並主動地向RPC註冊。因此RPC可以知道每個埠對應的NFS功能。然後RPC固定使用埠111來監聽客戶端的請求並回報客戶端正確的埠，所以可以讓NFS的啟動更為容易。注意，啟動NFS之前，要先啟動RPC；否則NFS會無法向RPC註冊。另外，重新啟動RPC時原本註冊的資料會不見，因此RPC重新啟動後它管理的所有程式都需要重新啟動以重新向RPC註冊。
當客戶端有NFS檔案要存取請求時，它如何向伺服器端要求資料？
（1）客戶端會向伺服器端的RPC（port 111）發出NFS檔案存取功能的詢問請求。
（2）伺服器端找到對應的已註冊的NFS daemon埠後會回報給客戶端。
（3）客戶端了解正確的埠後，就可以直接與NFS守護程序來聯機。
由於NFS的各項功能都必須要向RPC註冊，因此RPC才能瞭解NFS服務的各項功能的port number、PID和NFS在主機所監聽的IP等，而客戶端才能夠通過RPC的詢問找到正確對應的埠。即NFS必須要有RPC存在時才能成功地提供服務，因此我們稱NFS為RPC Server的一種。事實上，有很多這樣的伺服器都向RPC註冊。例如，NIS（Network Information Service）也是RPC Server的一種。所以如下圖所示，不論是客戶端還是伺服器端，要使用NFS都需要啟動RPC。

NFS協議從誕生到現在為止，已經有多個版本，如NFS V2（rfc794）及NFS V3（rfc1813）（最新的版本是V4（rfc307））。最早，SUN公司曾將NFS V2設計為只使用UDP，主要原因是當時機器的記憶體、網路速度和CPU的影響，不得不選擇對機器負擔較輕的方式。而到了NFS V3，SUN公司選擇了TCP作為預設的傳輸方式。V3相對V2的主要區別如下：
（1）檔案尺寸：V2最大隻支援32位的檔案大小（4 GB），而V3新增加了支援64位檔案大小的技術
（2）檔案傳輸尺寸：V3沒有限定傳輸尺寸，V2最多隻能設定為8 KB，可以使用-rsize and -wsize來設定
（3）返回完整的資訊：V3增加和完善了返回錯誤和成功資訊，對於伺服器的設定和管理能帶來很大好處
（4）增加了對TCP傳輸協議的支援：V2只提供了對UDP的支援，在一些高要求的網路環境中有很大限制；V3增加了對TCP的支援。UDP有著傳輸速度快且非連線傳輸的便捷特性，但是在傳輸上沒有TCP穩定。當網路不穩定或者黑客入侵時很容易使NFS的效能大幅度降低，甚至使網路癱瘓。所以對於不同情況，網路要有針對性地選擇傳輸協議。NFS的預設傳輸協議是UDP，然而RHEL 4.0核心提供了對通過TCP的NFS的支援。要通過TCP來使用NFS，在客戶端系統上掛載NFS匯出的檔案系統時包括一個“-o tcp”選項。使用TCP的優點和缺點如下：
1）被提高了的連線永續性，因此獲得的NFS stale file handles訊息就會較少。
2）載量較大的網路的效能會有所提高，因為TCP確認每個分組，而UDP只在完成時才確認。
3）TCP具有擁塞控制技術（UDP根本沒有），在一個擁塞情況嚴重的網路上，UDP分組是被首先撤銷的型別。使用UDP意味著，如果NFS正在寫入資料（單元為8 KB的塊），所有這8 KB資料都需要被重新傳輸。由於TCP的可靠性，8 KB資料中只有一部分需要重新傳輸。
4）錯誤檢測。當TCP連線中斷（由於伺服器停止），客戶端就會停止傳送資料而開始重新連線。UDP是無連線的，使用它的客戶端就會繼續給網路傳送資料直到伺服器重新上線為止。
5）TCP的費用在效能方面的提高並不顯著。
（5）非同步寫入特性。
（6）改進了伺服器的mount效能。
（7）有更好的I/O寫效能。
（8）更強的網路執行效能，使得網路執行更為有效。
（9）更強的災難恢復功能。

在Linux上，UDP是預設使用的協議。作為伺服器別無選擇。但作為客戶端，可以使用TCP和其他使用TCP的UNIX NFS伺服器互聯。在區域網中使用UDP較好，因為區域網有比較穩定的網路保證。使用UDP可以帶來更好的效能，Linux預設使用V2，但是也可以通過mount option的nfsvers=n選擇。NFS使用TCP/IP提供的協議和服務運行於OSI層次模型的應用層，如表1所示。

表1  OSI層次模型上的NFS