TCP/IP协议学习之六（RPC原理以及NFS协议）

有时候我们需要Linux系统之间共享文件，常用的方法为NFS（网络文件系统）。

那么这个NFS协议是怎么实现的呢？ 

网络文件系统实现的核心是使用了RPC（Remote Procedure Call Protocol），也就是使用了远程过程调用协议。在说明NFS协议之前必须先搞清楚RPC。

传统模式下都是本地编写程序，编译后在本地执行，调用本地资源，在数据日益膨胀的今天，计算量增大，显然使用这种方式是不行的，需要寻找一种方式能够使用其他主机上的资源来完成计算任务，然后结果汇总到一个主机，说到这里，是不是有点分布式计算的味道，和hadoop的实现方式有点相似，其实hadoop就是利用RPC来实现的。

RPC技术最早出现在1981年由Nelson提出，1984年，Birrell和Nelson把RPC用在支持异构型分布式系统之间通讯，Birrel的RPC模型引入存根进程(stub)作为远程进程的本地代理，调用RPC运行时库(RPC runtime)来传输网络中的调用。stub与rpcruntime屏蔽了网络调用所涉及的众多细节，由于分布式系统的异构性以及分布式计算与计算任务的多样性，RPC作为网络通信与委托计算的实现机制，在实现上种类繁多，其中以Sun公司提出的NFS，这个主要是分布式存储；开放软件基金会提出（OSF）提出的ONC，这个主要用于分布式计算。  

RPC是建立在Socket之上的，一台主机上运行的主程序，可以调用另一台主机上准备好的子程序，就像本地调用子程序一样，不需要知道底层网络实现的细节。RPC使用类似C/S模型，请求的时候，请求程序时客户端，而服务提供的程序则是服务器。使用C/S模型忽略通讯的具体细节，从而程序员不必关心C/S之间的通信协议，集中精力实现其过程就可以了，这一点就决定了RPC生成的通讯包不可能对每种应用都有最恰当的处理方法，与Socket相比会占用更多地网络带宽与系统资源。

了解了RPC是什么，那么RPC是怎么工作的呢？

RPC调用的时候一般有两种方式：

1、同步调用，客户端等待调用执行完成后并返回结果；

2、异步调用，客户端调用后不用等待执行结果的返回，但可以通过回调通知等方式获取返回结果。如若客户端不关心调用返回的结果，则称为单向异步调用。

任何RPC C/S程序的重要实体都包括 IDL 文件（接口定义文件）、客户机 stub、服务器 stub 以及由客户机和服务器程序共用的头文件。客户机和服务器 stub 使用 RPC 运行时库通信。RPC 运行时库提供一套标准的运行时例程来支持 RPC 应用程序。

当我们建立RPC服务后，客户算的调用参数通过调用底层的RPC传输管道，并根据传输前所提供的目的地址及其RPC上层应用程序的stub，转到相应的RPC应用程序服务端，然后客户端程序处于等待状态，直到收到应答或者Timeout的超时信号。服务端获取请求消息，服务端stub吧所需的信息提交给上层的服务应用程序，服务端执行远程过程调用，然后使用RPC运行时库将结果返回给客户端stub，最后客户端stub将结果反馈给客户端应用程序。从上面的过程可以看出来，stub作为应用程序与RPC运行时层之间的接口，它使得两者可以以理解的格式交互信息。其过程如下所示：

     

其实RPC，客户端与服务端交互主要涉及以下几个步骤：

1. 服务器 RPC 应用程序初始化期间它会向 RPC 运行时库注册接口。需要注册接口是因为，客户机在向服务器发出远程过程调用时，要检查它是否与服务器兼容。服务器创建绑定信息并把信息存储在名称服务数据库中，客户机可以访问这个数据库并寻找到服务器的连接信息。服务器如果使用动态端点，那么它把端点信息放在服务器系统上的本地端点映射数据库中。本地端点映射数据库用于存储在此主机上运行的 RPC 服务器进程的所有端点。服务器启动，监听来自客户机的远程过程调用。
2. 客户机发出远程过程调用，此时它会联系名称服务数据库，以寻找服务器系统的相关信息。RPC 运行时库使用这些信息联系服务器系统上的本地端点映射数据库，了解服务器进程在哪个端点上监听到达的 RPC。
3. 客户机找到服务器之后，客户机 stub 把远程过程调用和参数转换为服务器 stub 可以理解的格式，然后交给客户机运行时，由客户机运行时通过网络传输这些信息。
4. 服务器 RPC 运行时库接收到达的 RPC 调用，把它传递给服务器 stub，服务器 stub 把它转换为服务器可以理解的格式。
5. 执行 RPC 调用之后，服务器 stub 和服务器运行时把结果发送回客户机。
6. 客户机RPC 运行时接收执行结果，传递给客户机 stub，客户机 stub 再把它传递给客户机进程。客户机应用程序从客户机 stub 接收结果并完成 RPC 调用。

以上就是RPC的一些知识可以帮助我们理解NFS系统的实现。

一个RPC的过程调用报文的格式大致如下：

RPC数据报中字段中的公共部分几个含义：

事务标识符（XID）由客户程序设置，由服务器程序返回。当客户收到一个应答，它将服务器返回的XID与它发送的请求的XID相比较。如果不匹配，客户就放弃这个报文，等待从服务器返回的下一个报文。每次客户发出一个新的RPC，它就会改变报文的XID。但是如果客户重传一个以前发送过的RPC，重传报文的XID不会修改。调用(call)变量在过程调用报文中设置为0，在应答报文中设置为1。当前的RPC版本是2。接下来三个变量：程序号、版本号和过程号，标识了服务器上被调用的特定过程。证书(credential)字段标识了客户。有些情况下，证书字段设置为空值；另外一些情况下，证书字段设置为数字形式的客户的用户号和组号。服务器可以查看证书字段以决定是否执行请求的过程。验证(verifier)字段用于使用了DES加密的安全RPC。

外部数据表示XDR(eXternal Data Representation)是一个标准，用来对RPC调用报文和应答报文中的值进行编码。这些值包括RPC首部字段（XID、程序号、接受状态等）、过程参数和过程结果。采用标准化的方法对这些值进行编码使得一个系统中的客户可以调用另一个不同架构的系统中的一个过程。

远程过程的RPC服务器程序使用的是临时端口，而不是知名端口。这就需要某种形式的“注册”程序来跟踪哪一个RPC程序使用了哪一个临时端口。在 Sun RPC中，这个注册程序被称为端口映射器 (port mapper)。

NFS一个特别明显地特点就是客户端可以透明地访问服务器上的文件和文件系统，这个意思就是一个能够访问本地文件的应用程序可以不做任何修改就可以访问一个NFS文件。NFS访问的过程如下：

从图中可以看出：

1、访问的是本地文件还是NFS文件对客户程序时透明地。文件被打开时内核决定这一点，文件被打开后，内核将本地文件的所有引用传递给本地文件访问，将一个NFS文件的所有引用传递给名为NFS客户；

2、NFS客户通过其TCP/IP模块向NFS服务器发起RPC请求。NFS主要使用UDP协议，其实也有使用TCP实现的版本。

3、NFS服务器在端口2049接受作为UDP数据报的客户请求。

4、NFS服务器接受一个客户请求的时候，它将请求传递给本地文件访问例程，后者访问服务器主机上的一个本地的磁盘文件。

5、NFS服务使用多线程的方式响应多个客户端请求，也就是说服务器的内核中其实有多个NFS服务器在运行。

6、在NFS客户端一般发出一个RPC请求后就会等待服务器进行应答。在实际的本地操作中，我们会频繁使用不同的文件，那个NFS也是相同的。这就需要NFS客户端支持多并发，所以客户端内核中也运行多个NFS客户。

NFS最初是由UDP协议实现的，主要用于局域网(LAN)，丢包重传的概率很小。但是随着发展，NFS已经不只使用在局域网中，更广泛地使用在广域网(WAN)中，这种情况下，主要使用的协议为TCP，TCP可以使得文件的操作更快。使用TCP的NFS主要由以下步骤构成：

1、服务器主机进行引导时，启动NFS服务器，被动打开TCP端口2049，等待客户端连接请求；

2、当客户使用TCP安装服务器上的文件系统时，客户对服务器上的TCP端口2049做一个主动打开。这样这个文件系统在客户和服务器之间形成一个TCP连接，如果客户继续安装服务器上另外一个文件系统，就会创建另外一个TCP连接；

3、客户和服务器在它们连接的两端都要设置TCP的keepalive选项，这样双方都能够检测到对方的主机是否崩溃，或者崩溃后重新启动；

4、客户所有使用这个服务器文件系统的应用程序共享这个TCP连接；

5、如果客户检测到服务器已经崩溃，或者崩溃后重新启动，它尝试与服务器重新建立连接。客户开启另外一个连接，为同一个文件系统请求重新建立TCP连接，以前连接上超时的所有请求在新的连接上重新发出；

6、若客户主机崩溃，那么运行的应用程序也崩溃，客户主机重启时候，由于设置了TCP的keepalive选项，先终止这个半开连接，然后重新安装服务器的上的文件系统。