Linux 文件系统剖析:NFS 文件系统源代码剖析
简介： NFS 文件系统是目前最为成功的网络文件系统，在文件共享领域有着出色的表现，特别是 pNFS 的出现，使得 NFS 文件系统在性能和规模上有了大幅提升，为其带了更为广阔的应用空间。同时，NFS 之所以备受关注，还在于它在 NAS 存储领域的关键作用。本文剖析了 NFSv3 文件系统源代码，使开发工程师，技术支持人员，特别是存储领域从业人员对 NFS 有更为深刻的认识。
发布日期： 2011 年 7 月 29 日
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NFS 文件系统概述
NFS（Network File System，网络文件系统）是一种基于网络的文件系统。它可以将远端服务器文件系统的目录挂载到本地文件系统的目录上，允许用户或者应用程序像访问本地文件系统的目录结构一样，访问远端服务器文件系统的目录结构，而无需理会远端服务器文件系统和本地文件系统的具体类型，非常方便地实现了目录和文件在不同机器上进行共享。虽然 NFS 不是唯一实现这个功能的文件系统，但它无疑是最成功一个。
NFS 的第一个版本是 SUN Microsystems 在 20 世纪 80 年代开发出来的，至今为止，NFS 经历了 NFS，NFSv2，NFSv3 和 NFSv4 共四个版本。现在，NFS 最新的版本是 4.1，也被称为 pNFS（parallel NFS，并行网络文件系统）。
前四个版本的 NFS，作为一个文件系统，它几乎具备了一个传统桌面文件系统最基本的结构特征和访问特征，不同之处在于它的数据存储于远端服务器上，而不是本地设备上，因此不存在磁盘布局的处理。NFS 需要将本地操作转换为网络操作，并在远端服务器上实现，最后返回操作的结果。因此，NFS 更像是远端服务器文件系统在本地的一个文件系统代理，用户或者应用程序通过访问文件系统代理来访问真实的文件系统。
众所周知的是，NFS 的客户端在访问远端服务器文件系统时，既需要通过服务器获得文件的属性信息，还需要通过服务器获得文件的数据信息，这使得 NFS 天然地具备将文件的属性信息和数据信息分离在不同服务器上进行访问的特性，于是最后一个版本 NFS4.1/pNFS，将 Lustre/CephFS/GFS 等集群文件系统的设计思想引入到自身中，成为一个具有里程碑意义的 NFS 版本。它使得 NFS 的数据吞吐的速度和规模都得到了极大提高，为 NFS 的应用带了更为广阔的空间。
NFS 之所以备受瞩目，除了它在文件共享领域上的优异表现外，还有一个关键原因在于它在 NAS 存储系统上应用。NAS 与 DAS 和 SAN 在存储领域的竞争中，NFS 发挥了积极的作用，这更使得 NFS 越来越值得关注。
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NFSv3 源代码结构
相比之前的两个版本，NFSv3 是一个较为稳定和成熟的 NFS 版本，而之后的 NFSv4 除了在安全和性能上有所提高外，还在网络连接中加入了状态属性，因此显得复杂一些。在此，本文以 NFSv3 为例来剖析 NFS 文件系统的源代码结构，所用源码来自 Linux 2.4.9 内核。
按照 NFS 文件系统的设计与实现，NFS 文件系统主要分为三个部分：The Protocol（网络协议），Client Side（NFS 客户端）和 Server Side（NFS 服务器）。NFS 客户端提供了接口，保证用户或者应用程序能像访问本地文件系统一样访问 NFS 文件系统，NFS 服务器作为数据源，为 NFS 客户端提供真实的文件系统服务，而网络协议则使得 NFS 客户端和 NFS 服务器能够高效和可靠地进行通信。NFS 网络协议使用的是 RPC（Remote Procedure Call，远程过程调用）/XDR（External Data Representation，外部数据表示）机制，因此本文将剖析的重点放在 NFS 客户端和 NFS 服务器上。
Client Side 源代码
Client Side 的头文件在 include/linux/ 下面，C 文件在 fs/nfs 下面。
- dir.c/file.c/inode.c/symlink.c/unlink.c：与文件操作相关的系统调用
- read.c/write.c/flushd.c：文件读写
- mount_clnt.c/nfs_root.c：将 NFS 文件系统作为 root 目录的相关实现
- proc.c/nfs2xdr.c/nfs3proc.c/nfs3xdr.c：网络数据交换
与文件操作相关的系统调用都在 struct file_operations，struct inode_operations 这两个数据结构里面定义。文件的读操作 nfs_file_read 和写操作 nfs_file_write 被单独提出来，因为文件读写性能将直接关系到文件系统的成败，本文在后面会重点阐述其实现。
Server Side 源代码
Server Side 的头文件在 include/linux/nfsd 下面，C 文件在 fs/nfsd 下面。
- auth.c/lockd.c/export.c/nfsctl.c/nfscache.c/nfsfh.c/stats.c：导出目录的访问管理
- nfssvc.c：NFS 服务 deamon 的实现
- vfs.c：将 NFS 文件系统的操作转换成具体文件系统的操作
- nfsproc.c/nfsxdr.c/nfs3proc.c/nfs3xdr.c：网络数据交换
导出目录的访问管理主要解决网络文件系统实现面临的几个重要问题，包括目录导出服务，外部访问的权限控制，多客户端以及客户端与服务器的文件并发操作等。
一个典型例子：rename 的调用过程
在 NFS 文件系统的文件操作中，除了 read 和 write 操作考虑到性能因素，专门使用了缓存机制外，其它的操作基本上都是同步完成的。本文以 rename 为例来进行说明，如下图所示。首先用户或者应用程序开始调用文件操作，经过系统调用 sys_rename，到达虚拟文件系统层 vfs_rename，然后交给 NFS 文件系统 nfs_rename 来处理。NFS 文件系统无法操作存储介质，它调用 NFS 客户端函数 nfs3_proc_rename 和 NFS 服务器函数 nfsd3_proc_rename 进行通信，把文件操作转发到 NFS 服务器的虚拟文件系统层 vfs_rename，最后调用具体的文件系统如 ext2 的函数 ext2_raname，完成文件重命名。
图 1. rename 调用过程
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与传统文件系统相同点
在阐述 NFS 文件系统与传统桌面文件系统的相同点之前，我们首先简要回顾一下 Linux 操作系统上文件系统的体系结构。按照 Linux 文件系统剖析的划分，Linux 文件系统从上至下主要由虚拟文件系统层，特定文件系统层和页高速缓存层三部分组成，如下图所示。当然，这种划分并不是一定的，例如在执行直接 I/O 调用时，是不需要进行页高速缓存的，另外，对于块设备的读写，进行页高速缓存之后还会有通用块层和 I/O 调度层的处理。
图 2. 文件系统体系结构
用户或者应用程序通过统一的系统调用接口对文件系统进行操作，然后系统调用进入虚拟文件系统层，虚拟文件系统根据文件系统类型，调用特定文件系统的操作函数。对用户和应用程序来说，由于接口完全相同，因此用户感觉不到差异，应用程序也可以无缝地移植到 NFS 文件系统上。Linux 通过一组对象对文件系统的操作，这组对象是 superblock（超级块对象），inode（索引节点对象），dentry（目录项对象）和 file（文件对象），如下图所示。所有文件系统都支持这些对象，正是因为它们，VFS 层可以对 NFS 和其它文件系统一视同仁，只管调用这些对象的数据和函数指针，把具体的文件系统数据布局和操作都留给特定的文件系统来完成。
图 3. VFS 对象
NFS 与其它文件系统一样，向内核声明和注册自己的文件系统类型。
static DECLARE_FSTYPE(nfs_fs_type, "nfs", nfs_read_super, FS_ODD_RENAME); ... ... module_init(init_nfs_fs) module_exit(exit_nfs_fs) |
同样，NFS 也需要根据自己的文件类型设置相应的文件操作函数。如果是正规文件，需要设置 inode 操作函数，file 操作函数，以及 address_space 操作函数；如果是目录文件，需要设置 inode 操作函数，file 操作函数；如果是链接，则只需设置 inode 操作函数。
static void
nfs_fill_inode(struct inode *inode, struct nfs_fh *fh, struct nfs_fattr *fattr)
{
... ...
inode->i_op = &nfs_file_inode_operations;
if (S_ISREG(inode->i_mode)) {
inode->i_fop = &nfs_file_operations;
inode->i_data.a_ops = &nfs_file_aops;
} else if (S_ISDIR(inode->i_mode)) {
inode->i_op = &nfs_dir_inode_operations;
inode->i_fop = &nfs_dir_operations;
} else if (S_ISLNK(inode->i_mode))
inode->i_op = &nfs_symlink_inode_operations;
else
init_special_inode(inode, inode->i_mode, fattr->rdev);
... ...
} |
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与传统文件系统不同点
与内存文件系统，闪存文件系统和磁盘文件系统这些本地文件系统最大的不同在于，NFS 文件系统的数据是基于网络，而不是基于存储设备的，因此 NFS 文件系统在设计自己的 inode 和 superblock 数据结构，以及实现文件操作函数时，无需考虑数据布局情况。同样是因为基于网络，NFS 文件系统的权限控制和并发访问的要求比本地文件系统更高，读写的缓存机制也大大有别于本地文件系统。
superblock 和 inode
清单 1. NFS 的 superblock 定义
struct rpc_clnt * client; /* RPC 客户端句柄 */ struct nfs_rpc_ops * rpc_ops; /* RPC 客户端函数向量表 */ int flags; /* 标识信息 */ unsigned int rsize; /* 每次读请求的最小数据量 */ unsigned int rpages; /* 每次读请求的最小数据量（以页为单位）*/ unsigned int wsize; /* 每次写请求的最小数据量 */ unsigned int wpages; /* 每次写请求的最小数据量（以页为单位）*/ unsigned int dtsize; /* 每次读目录信息的最小数据量 */ unsigned int bsize; /* NFS 服务器端的块大小 */ unsigned int acregmin; /* 正规文件在缓存中驻留的最小允许时间 */ unsigned int acregmax; /* 正规文件在缓存中驻留的最大允许时间 */ unsigned int acdirmin; /* 目录文件在缓存中驻留的最小允许时间 */ unsigned int acdirmax; /* 目录文件在缓存中驻留的最大允许时间 */ unsigned int namelen; /* NFS 服务器端的主机名称最大长度 */ char * hostname; /* NFS 服务器端的主机名称 */ struct nfs_reqlist * rw_requests; /* 异步读写请求队列信息 */ |
清单 2. NFS 的 inode 定义
__u64 fsid; /* 根目录（导出目录）信息 */ __u64 fileid; /* 当前文件信息 */ struct nfs_fh fh; /* 文件句柄 */ ... ... struct list_head read; /* 读数据页队列 */ struct list_head dirty; /* 脏数据页队列 */ struct list_head commit; /* 提交数据页队列 */ struct list_head writeback; /* 写回数据页队列 */ unsigned int nread, /* 读数据页数量 */ ndirty, /* 脏数据页数量 */ ncommit, /* 提交数据页数量 */ npages; /* 写回数据页数量 */ ... ... |
以上省略了 superblock 和 inode 定义的公共部分，列出的仅是 NFS 文件系统 superblock 和 inode 定义的私有部分，因为只有这些私有定义才能体现出文件系统的设计原则。从这些定义可以看出，私有部分数据结构里面主要包含网络连接和读写请求两个方面相关的信息。superblock 里 client 定义了 RPC 协议的客户端连接状态，rpc_ops 定义了 RPC 协议的客户端入口函数，如 nfs3_proc_read，nfs3_proc_write，nfs3_proc_create 等。inode 里 fh 是 NFS 客户端和 NFS 服务器相互传递的关键参数，4 个页队列用于进行读写缓存，随后两小节将分别予以介绍。
file handle
file handle（fh 或者 fhandle）在 NFS 客户端和 NFS 服务器之间相互传递，建立 NFS 客户端的 inode 和 NFS 服务器的 inode 的关联关系。它主要表征的是 NFS 服务器上 inode 和物理设备的信息。file handle 对于 NFS 客户端来说是透明的，NFS 客户端不需要知道它的具体内容。file handle 在 NFS 客户端的定义是 66 个字节，前两个字节组成一个无符号 short 型，表示 file handle 的大小，后 64 个字节组成数据区，存储 file handle 的内容。
#define NFS_MAXFHSIZE 64
struct nfs_fh {
unsigned short size;
unsigned char data[NFS_MAXFHSIZE];
}; |
file handle 在 NFS 服务器的定义由 knfsd_fh 数据结构表示，fh_size 表示 file handle 的大小，数据区 fh_base 是一个联合体，有 fh_old，fh_pad，fh_new 三种定义，最大也是 64 个字节。考虑到当前的 NFS 版本是 v3，只看 fh_new 的定义。fh_version 表示 fh_new 定义的版本，当前版本是 1。fh_auth_type 表示认证方式，0 表示不认证。fh_fsid_type 表示根目录（即导出目录）的信息存储方式，如果是 0，那么从 fh_auth 开始前 2 个字节表示根目录所在设备的 major 号，后 2 个字节表示根目录所在设备的 minor 号，随后的 4 个字节表示根目录的 inode 索引号。fh_fileid_type 表示当前文件的信息存储方式，如果是 1，那么在表示完 fh_fsid 后，紧接着 4 个字节表示当前文件的 inode 索引号，之后 4 个字节表示当前文件的 inode generation 号。
struct nfs_fhbase_new {
__u8 fb_version; /* == 1, even => nfs_fhbase_old */
__u8 fb_auth_type;
__u8 fb_fsid_type;
__u8 fb_fileid_type;
__u32 fb_auth[1];
}; |
read 和 write
前面介绍文件系统体系结构的时候，将它分为了虚拟文件系统，特定文件系统和页高速缓存三个层次。NFS 文件系统使用了这三个层次的功能，它本身完成了特定文件系统的功能，同时既为虚拟文件系统提供了完整的调用接口，也用到了页高速缓存来提高读写性能。就层次划分而言，与传统桌面文件系统相比，NFS 文件系统的读写操作不再需要通用块层和 I/O 调度层，而是使用了多个列表以及相关操作来进一步缓存数据，增强读写效率。当然 NFS 文件系统也不再使用存储设备驱动，而是通过网络协议来获取和提交数据。
图 4. 读写缓存机制
如上图所示，NFS 文件系统使用 read，writeback，dirty 和 commit 四个队列，每个队列的单元数据结构都是 nfs_page，每个 nfs_page 都有一个 page 变量指向页高速缓存。读方法 nfs_readpage 首先使用异步方式读取数据，如果异步方式失效，才使用同步方式，nfs_readpage_async 所读的数据都进入 read 队列中。写方法 nfs_writepage 如果写数据超过一页（缺省是 4096 字节），使用异步方式提交数据，否则使用同步方式。nfs_writepage_async 所写的数据首先进入 writeback 队列，如果数据发生更改，则进入 dirty 队列，如果将更改的数据提交到 NFS 服务器上，则进入 commit 队列。这些队列或者因为超时，或者因为单元数量多于最大值，将被释放掉。
权限认证和并发锁
NFSv3 版本使用 nfs_permission 做用户权限认证，用 nfs_revalidate 做文件合法性检查。前者调用 access 系统调用同步完成，后者调用 getattr 同步完成。为了使多个 NFS 客户端或者 NFS 客户端与 NFS 服务器对相同文件可以实现并发操作，NFS 使用 NLM（network lock management，网络锁管理）协议在 NFS 服务器上对文件进行打开，读写和移除，使不同的访问都有及时和同一的语义理解。
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总结
本文分析了 NFS 文件系统的设计，主要分为三个部分，NFS 客户端，NFS 服务器和网络协议，并阐述了三者的功能划分，介绍了它们是如何组织起来，为用户或者应用程序提供文件服务。进一步的，本文使用 Linux 2.4.9 内核剖析了 NFSv3 的源代码实现，从源代码层次说明了 NFS 文件系统的实现细节，重点介绍了它与传统桌面文件系统的相同和不同之处，使读者能够深入理解 NFS 文件系统的本质。pNFS 是 NFS 文件系统从桌面型文件系统到集群型文件系统的一个转折性版本，读者可自行阅读 pNFS 的源代码实现。在阅读之前，推荐读者首先阅读 Luster/CephFS/GFS 等文件系统相关的论文和资料，以便对集群文件系统的设计架构有个基本的认识。
参考资料
学习
- 查看文档 “Design and Implementation of the Sun Network Filesystem”，了解 NFS 文件系统的设计原理。
- 查看 Wiki “Network File System”，了解 NFS 文件系统的演变过程。
- 查看文章 “Linux 文件系统剖析”，了解 Linux 文件系统的体系结构。
- 查看文章 “网络文件系统与 Linux”，了解 NFS 文件系统在 Linux 中的现状。
- 查看书籍 “understanding the linux kernel（3rd edition）”第 12 章，第 18 章，了解 Linux 虚拟文件系统，以及 Ext2 和 Ext3 文件系统的实现。
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关于作者
杨伟，存储研发工程师，中国科学院计算技术研究所硕士毕业，曾在期刊上发表论文《一种时钟级处理器模拟器的快速开发方法》