Современные распределенные файловые системы для Linux: Основные сведения.

О современных заменах традиционных средств совместного доступа к файлам.

Перевод статьи Билла фон Хагена Modern Distributed Filesystems For Linux: An Introduction.

Что такое распределенные файловые системы?

Способность совместно использовать диски, каталоги, и файлы по сети – это одно из наиболее значительных достижений современных информационных технологий. Эта способность может существенно сократить требования к дисковому пространству компьютеров и облегчить совместную работу пользователей. Компьютеры с Microsoft Windows и MacOS Apple / MacOS X используют для этого механизм совместного использования дисков и директорий. В системах Linux / Unix для тех же самых задач традиционно используется NFS – сетевая файловая система.

NFS – это самый известный механизм совместного доступа к файлам для Linux и других Unix-систем, потому что он присутствует во многих Unix-подобных системах и очень прост в настройке. NFS поддерживается ядром Linux, и утилиты, связанные с NFS, присутствуют в каждом дистрибутиве. Но в мире Linux существуют и более современные механизмы для совместного использования файлов и каталогов. Каждый из них имеет определенные преимущества в настройке или в использовании.

Распределенная файловая система OpenAFS – это Open Source-аналог известной коммерческой распределенной файловой системы AFS. Поддержка для распределенных файловых систем InterMezzo и Coda уже присутствует в новых ядрах Linux из серии 2.4. Новые механизмы совместного использования файлов, основанные на Web (например, WebDAV), тоже могут использоваться в качестве файловых систем.

В этой статье дается краткий обзор преимуществ распределенных файловых систем, обсуждаются самые распространенные проблемы и их решения, и описываются самые интересные из распределенных файловых систем, доступных для Linux сегодня.

Введение в распределенные файловые системы.

Сейчас сетевые файловые системы называют «распределенными». Этот термин отражает тот факт, что многие из этих файловых систем имеют гораздо больше возможностей, чем простая передача данных по сети. Носители данных, связанные с этими файловыми системами, не обязательно могут быть расположены на одном компьютере – они могут быть распределены между многими компьютерами.

Распределенные файловые системы OpenAFS и Coda имеют собственные механизмы управления разделами, которые упрощают возможности хранения общедоступной информации. Они так же поддерживают дублирование – способность делать копии разделов и сохранять их на других файловых серверах. Если один файловый сервер становится недоступным, то все равно к данным, хранящимся на его разделах, можно получить доступ с помощью имеющихся резервных копий этих разделов.

Самое главное различие между подходом Windows / MacOS (совместное использование каталогов и дисков) и подходом Linux, MacOS X и других Unix-подобных многопользовательских операционных систем – в том, как эти операционные системы используют и организовывают разделы. Windows / MacOS экспортируют разделы как отдельные каталоги или диски, и удаленные системы, которые хотят обратиться к общедоступным устройствам, должны обязательно подключить их к себе.

Когда самый высокий уровень организации в файловой системе – это раздел диска (например, как в файловых системах Windows), рабочие станции клиентов для получения доступа к этим данным должны обязательно подключиться к разделу и назначить ему отдельную букву в своей локальной раскладке (например, диск E, F, G, и т.д). Буквы могут быть назначены сетевым разделам в пользовательских и групповых профилях Windows (для стандартизации). Но, к сожалению, не на всех компьютерах расположение букв может быть одинаковым. Например, на компьютере с большим количеством жестких дисков и разделов нужные буквы могут быть заняты, и поэтому придется давать сетевым разделам другие обозначения.

Напротив, файловая система Unix – это иерархическая файловая система, к которой дополнительные разделы добавляются с помощью монтирования их к существующей директории. Это позволяет эффективно добавить любой источник данных в любую существующую файловую систему. Если вы монтируете новый источник информации к каталогу, являющемуся частью распределенной файловой системы, он сразу же становится доступным всем клиентам этой распределенной системы.

Современные распределенные файловые системы типа OpenAFS или Coda включают в себя специальные сервисы для управления разделами. Это позволяет вам смонтировать разделы различных файловых серверов в центральную иерархию директорий, поддерживаемую файловыми системами. OpenAFS использует центральный каталог, называемый «/afs», а Coda использует «/coda». Эти иерархии директорий доступны всем клиентам распределенной файловой системы, и выглядят одинаково на любой из клиентских рабочих станций. Это дает возможность пользователям работать со своими файлами одинаково на любом компьютере. Если ваш настольный компьютер не работает, вы совершенно спокойно можете использовать любой другой – все ваши файлы находятся в безопасности на сервере.

Распределенные файловые системы, предоставляющие одни и те же данные многим различным компьютерным системам, дают пользователям возможность использовать любую операционную систему, лучше всего подходящую для их задач. Пользователи Macintosh могут пользоваться всеми преимуществами графических инструментальных средств, доступных в Mac OS, и одновременно хранить свои данные на централизованных файловых серверах. Пользователи Windows так же могут иметь доступ к устойчивой глобальной файловой системе. Распределенные файловые системы особенно привлекательны при попытке координации работы между группами, расположенными в различных городах, государствах, или даже в разных странах. Преимущество – общие данные всегда доступны по сети, независимо от вашего местонахождения.

Проблемы администрации распределенных файловых систем.

Использование распределенных файловых систем дает системным администраторам не только новые возможности, но и новые проблемы. Но распределенные системы способны упростить многие из стандартных административных задач. В сетевой среде пользователи должны иметь возможность зайти в сеть под своим именем с любого компьютера. Это значит, что механизм входа в сеть (или аутентификации) тоже должен быть сетевым. Поэтому в среде распределенной файловой системы файлы групп и паролей, расположенные на индивидуальных компьютерах, вторичны по отношению к сетевым механизмам аутентификации (таким, как Kerberos или NIS, которые предоставляют пользователям возможность работать на любом компьютере). Но стандартные локальные механизмы проверки пароля все же должны существовать, чтобы администраторы могли выполнять на локальных компьютерах необходимые задачи.

Сохранение общих данных на централизованных файловых серверах (а не на индивидуальных компьютерах) упрощает такие административные задачи, как резервирование и восстановление файлов и каталогов. Это так же централизует такие стандартные административные задачи, как контроль за использованием файловой системы, и представляет новые возможности управления хранением данных – например, балансирование загрузки. Распределенные файловые системы типа OpenAFS и Coda обеспечивают встроенные логические системы управления разделами, которые дают администраторам возможность переместить интенсивно используемые данные на более мощные или менее используемые компьютеры. Если распределенная файловая система поддерживает дублирование, копии интенсивно используемых данных могут распределяться между многими файловыми серверами. Это может уменьшить нагрузку на сеть, и облегчить работу серверов. Распределенные файловые системы используют логические разделы вместо физических дисковых разделов, и это позволяет легко добавить в сеть новую свободную память прямо во время работы. (Для добавления нового диска в локальный компьютер пришлось бы потратить некоторое время).

Использование распределенных файловых систем так же облегчает возможность совместного доступа к программному и аппаратному обеспечению. Но перед этим нужно удостовериться, что лицензии к используемым программам разрешают установку программного обеспечения в распределенной файловой системе. Сервера печати – одна из первоначальных причин появления среды «клиент-сервер». Распределенные файловые системы так же упрощают совместный доступ к специализированным аппаратным средствам, соединяясь по сети с компьютером, на котором установлены нужные аппаратные средства, и при этом все еще имея доступ к вашим данным.

Использование централизованной распределенной файловой системы может обеспечивать существенные преимущества в стоимости и быстродействии выполнения работы для клиентских систем. Распределенные файловые системы существенно уменьшают аппаратные затраты, минимизируя количество памяти на любом десктопе или ноутбуке. Использование распределенной файловой системы в качестве архива для пользовательских данных обычно означает более быструю загрузку клиентских машин, потому что большое количество данных больше не хранится локально и поэтому не нуждается в проверке после перезапуска клиента. Комбинация распределенной файловой системы и использования журналируемых файловых систем на клиентских компьютерах может дать значительное увеличение скорости запуска системы.

Поддержка автономной работы с данными.

Использование распределенной файловой системы увеличивает зависимость компьютерных систем от сети. Эта зависимость от данных, к которым люди могут обращаться только по сети, вызывает некоторые интересные проблемы для пользователей лаптопов/мобильных компьютеров, которые нуждаются в доступе к своим данным даже тогда, когда доступ к сети невозможен. Это называется «автономная работа» – система должна функционировать, если ресурсы, которые обычно присутствуют в сети (например, пользовательские данные), по каким-то причинам не доступны. Даже Windows обеспечивает графический интерфейс для возможности маркировки файлов, с которыми вы хотите работать, когда вы отключены от сети, и для синхронизации этих файлов, когда вы соединяетесь повторно.

Распределенные файловые системы Coda и InterMezzo, которые являются в настоящее время доступными для Linux, тоже обеспечивают интегрированную поддержку для автономной работы. Так же сейчас ведется работа над обеспечением этой возможности для файловых систем NFS. Coda и InterMezzo уже поддерживаются ядром Linux – поддержка Intermezzo встроена в ядро, начиная с версии 2.4.5, а Coda вообще была интегрирована в ядро 2.4 с самого начала.

Coda – распределенная файловая система с происхождением из OpenAFS, которая разрабатывается в университете Carnegie Mellon с 1987 года. InterMezzo – относительно новая распределенная файловая система, упор в разработке которой сделан на высокой доступности, гибком дублировании каталогов, поддержке автономных операций, и постоянном кэшировании. Создатели InterMezzo были вдохновлены CMU Coda, но этот проект не основан на исходном тексте Coda. Начальный создатель InterMezzo, Питер Браам, был главой проекта Coda в CMU в течение нескольких лет, и после этого он сам начал разрабатывать InterMezzo и несколько других проектов.

Примеры использования этих файловых систем будут представлены в последующих статьях этой серии.

Расширение файловых систем с помощью Web.

До создания распределенных файловых систем совместное использование файлов через сеть ограничивалось простыми передачами файлов с помощью использования протокола передачи файлов – FTP (File Transfer Protocol). Появление Всемирной паутины в значительной степени упростила процесс работы с FTP – теперь не нужно знать команды, потому что протокол FTP интегрирован в большинство броузеров. Способность легко передавать файлы через Web также вела к расширению Паутины и существенному улучшению основного протокола передачи гипертекста – HTTP (HyperText Transfer Protocol), который сейчас является основанием для многих систем распределенного использования файлов.

Самая известная из них – это WebDAV, которая расшифровывается как «Web-система распределенной авторизации и контроля версий» (Web-enabled Distributed Authoring and Versioning). WebDAV – это набор расширений к протоколу HTTP, обеспечивающий совместную среду для пользователей, которая позволяет им скачивать, упорядочивать и редактировать файлы, хранящиеся на Web-серверах.

Поддержка WebDAV встроена во многие популярные Web-серверы, например – Apache, где это основывается на опознавательных механизмах сервера. (От простых файлов .htaccess до интегрированных NIS, LDAP, или даже механизма аутентификации Windows). Использование WebDAV для доступа и модификации файлов через Web встроено в операционные системы Mac OS X, в новые версии Microsoft Internet Explorer, а так же доступно и в Linux при использовании таких приложений, как менеджер файлов Nautilus. Хотя это и не файловая система в традиционном смысле, но вы можете даже смонтировать WebDAV в Линуксе, используя загружаемый модуль ядра под названием davfs.

WebDAV обеспечивает такие стандартные для распределенных систем возможности, как блокировка файлов, создание, переименование, копирование, удаление файлов, а так же поддерживает такие продвинутые возможности, как meta-данные файла (более подробная информация о файле – заголовок, тема, создатель, и т.д). В ближайшем будущем WebDAV будет включать интегрированную поддержку управления версиями, которая упростит работу многих пользователей над общими файлами, отслеживая изменения, авторов этих изменений, и другие аспекты общего использования документа. Эти возможности контроля над версиями обеспечиваются в соответствии с протоколом DeltaV, который активно разрабатывается Рабочей группой DeltaV – подразделением Проектировочной группы Интернета (IETF – Internet Engineering Task Force). Некоторые проекты, например, Subversion (WebDAV и DeltaV-основанная замена стандарту CVS), уже доступны в альфа-версии. Subversion обеспечивает систему контроля над версиями и сохранение архива файла на основе базы данных, имеющей API языка C, и моделирует версионную файловую систему, легко доступную через Web.

Вывод.

Многие IT-специалисты, ответственные за вычислительные системы предприятий, уже используют сетевые файловые системы (NFS), или адаптеры файловых систем (Samba, Netatalk, или Novell) для объединения своих сетей. Более новые и более функциональные распределенные файловые системы – такие, как OpenAFS, Coda, InterMezzo и WebDAV – могут стать альтернативой, потому что они имеют более высокое быстродействие, улучшенную защиту, и дополнительные возможности управления разделами и создания резервных копий.

Как мы увидим в дальнейших статьях из этой серии, современные распределенные файловые системы могут быть легко интегрированы в существующую сеть. Распределенные файловые системы могут обеспечить дополнительную гибкость сети, ускорить и упростить процесс совместной работы над файлами, уменьшить затраты и упростить жизнь администраторам. Современные распределенные файловые системы дают новую жизнь слогану Sun Microsystems «The Network is the computer», расширяя файловую систему по компьютерной сети.