NFSv4 обеспечивает унифицированный сетевой доступ

Network File System (NFS) является частью мира бесплатных операционных систем и патентованных разновидностей UNIX с середины 1980-х годов. Но не все администраторы знают, как они работают, или почему появляются новые версии. Знание NFS важно просто потому, что эта система является жизненно необходимой для унифицированного доступа по UNIX-сетям. Узнайте о том, как в последней версии NFS (NFSv4) были решены многие проблемы, особенно проблемы защиты, проявившиеся в версиях 2 и 3.

Файловая система - это необходимость. Мы работаем на компьютерах, предоставляющих доступ к принтерам, камерам, базам данных, удаленным датчикам, телескопам, компиляторам и мобильным телефонам. Эти устройства имеют мало общего - в частности, многие из них стали реальностью уже после того, как Интернет стал повсеместным явлением (например, электронные фотокамеры и мобильные устройства, выполняющие функции маленьких компьютеров). Однако всем им необходима файловая система для хранения и защищенного доступа к информации.

Обычно нам не важно, как данные, приложения, использующие их, и интерфейсы, представляющие их нам, хранятся в самих компьютерах. Большинство пользователей хотело бы рассматривать (и оправданно) файловую систему как стену, отделяющую их от голого железа, хранящего биты и байты. Поэтому стеки протоколов, соединяющих файловые системы, обычно остаются черными ящиками для большинства пользователей и, на самом деле, программистов. Однако в конечном итоге, организация сетевого взаимодействия всех этих устройств сводится к разрешению обмена данными между файловыми системами.

Сетевые файловые системы и другие священнодействия

Во многом обмен данными является не более чем копированием информации на большие расстояния. Сетевые протоколы были не единственным средством, благодаря которому стал возможен всеобщий обмен данными. В конце концов, каждая компьютерная система должна преобразовывать датаграммы в что-либо понятное для операционной системы на другом конце. TCP - это очень эффективный протокол передачи, но он не оптимизирован для обеспечения быстрого доступа к файлам или для удаленного управления прикладным программным обеспечением.

Распределенные вычисления против сетевых

Традиционные сетевые протоколы не много могут предложить для организации вычислений, распределенных между компьютерами и, тем более, между сетями. Только безрассудные программисты полагались бы на протокол передачи данных и оптические кабели для организации параллельных вычислений. Обычно мы полагаемся на последовательную модель, в которой после установления соединения начинают работать протоколы канального уровня, выполняющие довольно сложную процедуру приветствия между сетевыми картами. Параллельные вычисления и распределенные файловые системы больше не зависят от IP или Ethernet. В настоящее время мы можем их просто не принимать во внимание, говоря о производительности. Однако проблемы защиты - это другое дело.

Одним из звеньев головоломки является способ организации доступа к файлам в компьютерной системе. Сейчас для системы, осуществляющей доступ к файлам, является несущественным, доступны ли необходимые файлы на одном компьютере, или они расположены по каким-либо причинам на нескольких компьютерах. В настоящее время семантика файловой системы и структуры данных файловой системы являются двумя очень разными темами. Семантика файловой системы Plan 9 или распределенной файловой системы AFS-стиля (Andrew File System) скрывает способ организации файлов или способ отображения файловой системы на аппаратное и сетевое обеспечение. NFS не обязательно скрывает способ хранения файлов и каталогов на удаленных файловых системах, но она также не раскрывает действительный аппаратный способ хранения файловых систем, каталогов и файлов.

NFS: Решение UNIX-проблемы

Доступ к распределенной файловой системе, тем не менее, требует несколько больше пары команд, разрешающих пользователям монтировать каталог, который расположен на другом компьютере в сети. Sun Microsystems столкнулась с этой проблемой несколько лет назад, когда начинала распространять нечто, названное Remote Procedure Calls (RPCs), и NFS.

Основной проблемой, которую пытались решить в Sun, был способ подключения нескольких UNIX-компьютеров для организации единой распределенной рабочей среды без необходимости переписывать семантику файловой системы UNIX и добавлять слишком большое количество структур данных, специфичных для распределенных файловых систем - целостность каждой системы должна была быть сохранена, одновременно предоставляя пользователям возможность работы с каталогом на другом компьютере без возникновения нежелательных задержек или ограничений в их рабочем процессе.

Конечно же, NFS делает больше, чем предоставление доступа к текстовым файлам. Вы можете также распределять по NFS "запускаемые" приложения. Процедуры системы защиты служат для предохранения сети от вредоносного вмешательства исполняемых файлов. Но как именно это происходит?

NFS - это RPC

NFS традиционно определяется как RPC-приложение, требующее наличия TCP для NFS-сервера, а также либо TCP, либо другого не перегружающего сеть протокола для NFS-клиента. Организация Internet Engineering Task Force (IETF) опубликовала Request for Comments (RFC) для RPC в RFC 1832. Другой жизненно важный для функционирования NFS-реализации стандарт описывает форматы данных, используемые NFS; он был опубликован в RFC 1831 как документ "External Data Representation" (XDR).

Другие RFC имеют дело с защитой и алгоритмами шифрования, используемыми при обмене информацией для аутентификации во время NFS-сессий, но мы сначала остановимся на базовых механизмах. Одним из протоколов, которые нас интересуют, является протокол Mount , описанный в Приложении 1 RFC 1813.

Этот RFC описывает, какие протоколы обеспечивают функционирование NFS, но в нем не описывается, как NFS функционирует в настоящее время . Вы уже узнали кое-что важное, а именно - NFS-протоколы задокументированы в виде IETF-стандартов. После того, как последняя версия NFS застряла на цифре 3, RPC-протоколы не развивались дальше информационной фазы RFC и воспринимались, в основном, как не выходящие за пределы интересов (предположительно) огромной инженерной рабочей группы Sun Microsystems и патентованных разновидностей UNIX. С 1985 года Sun выпустила несколько версий NFS, на несколько лет предвосхитившей большинство современных разновидностей файловых систем. Sun Microsystems передала контроль над NFS организации IETF в 1998 году, и большая часть работы над NSF версии 4 (NFSv4) проводилась под эгидой IETF.

То есть, работая сегодня с RPC и NFS, вы работаете с версией, которая отражает интересы компаний и групп, не имеющих отношения к Sun. Однако многие инженеры Sun сохраняют глубокий интерес к разработке NFS.

NFS версии 3

NFS в своем воплощении в виде версии 3 (NFSv3) не сохраняет свое состояние (не является stateful), а NFSv4 сохраняет. Это фундаментальное выражение сегодня едва ли кого-то удивляет, хотя мир TCP/IP, на котором построена NFS, по большей части не сохраняет своего состояния (stateless) - факт, который помогает компаниям, производящим программное обеспечение для анализа трафика и системы защиты, чувствовать себя довольно хорошо.

Протокол NFSv3 должен был полагаться на несколько дополнительных протоколов для прозрачного монтирования каталогов на удаленных компьютерах, чтобы не зависеть от используемых на них механизмов файловых систем. NFS не всегда преуспевала в этом. Хороший пример - протокол Mount вызывал начальный идентификатор файла, в то время как протокол Network Lock Manager занимался блокировкой файла. Обе операции нуждались в текущем состоянии, которое протокол NFSv3 не предоставлял. Следовательно, имели место сложные взаимодействия между уровнями протоколов, которые не отражали аналогичные механизмы потоков данных. Кроме того, если добавить тот факт, что создание файла и каталога в Microsoft® Windows® осуществляется совершенно не так, как в UNIX, ситуация еще более усложнится.

Протокол NFSv3 должен был использовать порты для предоставления некоторых из его вспомогательных протоколов; при этом получается довольно сложная картина портов, уровней протоколов и сопутствующих всему этому вопросов безопасности. Сегодня от такой модели функционирования отказались, и все операции, которые ранее выполняли реализации вспомогательных протоколов через индивидуальные порты, управляются протоколом NFSv4 через один хорошо известный порт.

Протокол NFSv3 был также готов для работы с файловыми системами, поддерживающими Unicode - преимущество, которое до конца 1990-х годов оставалось в некоторой степени чисто теоретическим. Он хорошо соответствовал семантике файловой системы UNIX и явился причиной создания конкурирующих реализаций файловых систем, таких как AFS и Samba. Не удивительно, что Windows-поддержка была бедной, но файловые серверы Samba обеспечивали общий доступ к файлам для систем UNIX и Windows.

NFS версии 4

Протокол NFSv4 является, как мы отметили, протоколом, сохраняющим свое состояние. Такое поведение сделали возможным несколько радикальных изменений. Мы уже упоминали, что должны вызываться вспомогательные протоколы, так как процессы пользовательского уровня были устранены. Вместо них все операции по открытию файла и довольно много RPC-вызовов были реализованы в виде операций файловой системы уровня ядра.

Все NFS-версии определяли каждую единицу работы в понятиях операций RPC-клиента и сервера. Каждый NFSv3-запрос требовал довольно значительного количества RPC-вызовов и вызовов операций открытия портов для выдачи результата. Версия 4 упростила это, введя понятие так называемой составной (compound) операции, к которой относится большое количество операций над объектами файловой системы. Прямым эффектом, разумеется, стало значительно меньшее количество RPC-вызовов и меньший объем данных, которые нужно передавать по сети, даже при том, что каждый RPC-вызов нес, по сути, больше данных, выполняя значительно больший объем работы. Было приблизительно подсчитано, что RPC-вызовы в NFSv3 требовали в пять раз большее количество клиент-серверных взаимодействий по сравнению с составными RPC-процедурами.

RPC, на самом деле, больше не имеет такой важности и, по существу, служит оболочкой (wrapper) над несколькими операциями, инкапсулированными в NFSv4-стеке. Также это изменение сделало стек протокола намного менее зависимым от семантики используемой файловой системы. Но это не означает, что операции файловой системы других операционных систем были проигнорированы: например, для совместного использования Windows-ресурсов требуется сохранение состояния при вызовах открытия ресурса. Сохранение состояния не только облегчает анализ трафика, но при реализации на уровне семантики файловой системы делает операции файловой системы значительно более доступными для контроля. Вызовы открытия ресурсов с сохранением состояния позволяют клиентам кэшировать файловые данные и состояние - то, что в противном случае происходило бы на сервере. В реальной жизни (в которой Windows-клиенты распространены повсеместно) организация прозрачной и унифицированной работы NFS-серверов с разделяемыми Windows-ресурсами стоит потраченного вами времени на настройку NFS-конфигурации.

Использование NFS

Установка NFS, в общем, аналогична установке Samba. На стороне сервера вы определяете файловые системы или каталоги для экспорта или совместного использования ; клиентская сторона монтирует эти каталоги. После монтирования удаленным клиентом NFS-каталога этот каталог становится доступен так же, как любой другой каталог локальной файловой системы. Настройка NFS на сервере - это простой процесс. Как минимум, вы должны создать или отредактировать файл /etc/exports и запустить NFS-демон. Для настройки более защищенной NFS-службы вы должны также отредактировать файлы /etc/hosts.allow и /etc/hosts.deny. NFS-клиент требует выполнения только команды mount. Дополнительная информация и параметры описаны в оперативной документации по Linux® (man page).

NFS-сервер

Записи в файле /etc/exports имеют понятный формат. Для организации совместного доступа к файловой системе измените файл /etc/exports и опишите файловую систему (с параметрами) в следующем общем формате:

каталог (или файловая система)   client1 (option1, option2) client2 (option1, option2)

Общие параметры

Для настройки вашей NFS-реализации доступно несколько общих параметров. К ним относятся:

• secure: Этот параметр (по умолчанию) использует для NFS-соединения доступный порт TCP/IP, меньший 1024. Указание insecure запрещает это.
• rw: Этот параметр разрешает NFS-клиентам доступ для чтения/записи. Доступ по умолчанию - только для чтения.
• async: Этот параметр может повысить производительность, но он может также вызвать потерю данных при перезапуске NFS-сервера без предварительной процедуры остановки NFS-демона. Настройка по умолчанию - sync.
• no_wdelay: Этот параметр отключает задержку при записи. Если установлен режим async, NFS игнорирует этот параметр.
• nohide: Если вы монтируете один каталог поверх другого, старый каталог обычно скрывается или выглядит пустым. Для запрета такого поведения разрешите параметр hide.
• no_subtree_check: Этот параметр отключает контроль подкаталогов, выполняющийся для некоторых проверок системой защиты, которые вы, возможно, не хотите игнорировать. Параметр по умолчанию - разрешить контроль подкаталогов.
• no_auth_nlm: Этот параметр при значении insecure_locks указывает NFS-демону не проводить аутентификацию во время запросов на блокировку. Параметр по умолчанию - auth_nlm или secure_locks.
• mp (mountpoint=path): При явном объявлении этого параметра NSF требует монтирования экспортируемого каталога.
• fsid=num: Этот параметр обычно используется при организации системы восстановления после сбоя NFS. Если вы хотите реализовать восстановление после сбоя для NFS, обратитесь к документации по NFS.

Отображение пользователей

Через отображение пользователей в NFS вы можете отождествить псевдопользователя или реального пользователя и группы с пользователем, работающим с NFS-томом. NFS-пользователь имеет права пользователя или группы, которые позволяет отображение. Использование единого (generic) пользователя и группы для NFS-томов обеспечивает уровень защиты и гибкость без значительных усилий по администрированию.

При использовании файлов на NFS-монтированной файловой системе пользовательский доступ обычно "подавляется" (squashed). Это означает, что пользователь обращается к файлам как анонимный пользователь, который имеет доступ к этим файлам только по чтению. Это поведение особенно важно для пользователя root. Однако, существуют ситуации, когда вы хотите, чтобы пользователь обращался к файлам на удаленной системе как root или какой-либо другой определенный пользователь. NFS позволяет указать пользователя (по идентификационному номеру пользователя (UID) и идентификационному номеру группы (GID)) для доступа к удаленным файлам, и вы можете запретить нормальное поведение "подавления" по умолчанию.

К параметрам отображения пользователей относятся:

• root_squash: Этот параметр не позволяет пользователю root обращаться к смонтированному NFS-тому.
• no_root_squash: Этот параметр позволяет пользователю root обращаться к смонтированному NFS-тому.
• all_squash: Этот параметр, полезный для NFS-томов с открытым доступом, подавляет все UID и GID и использует только учетную запись анонимного пользователя. Установка по умолчанию - no_all_squash.
• anonuid и anongid: Эти параметры меняют UID и GID анонимного пользователя на указанную учетную запись.

В листинге 1 приведены примеры записей /etc/exports.

Листинг 1. Примеры записей /etc/exports

				
/opt/files   192.168.0.*
/opt/files   192.168.0.120
/opt/files   192.168.0.125(rw, all_squash, anonuid=210, anongid=100)
/opt/files   *(ro, insecure, all_squash)

Первая запись экспортирует каталог /opt/files для всех хостов сети 192.168.0. Следующая запись экспортирует /opt/files для одного хоста: 192.168.0.120. Третья запись указывает хост 192.168.0.125 и предоставляет доступ по чтению/записи к файлам с правами пользователя, имеющего user id=210 и group id=100. Последняя запись используется для общедоступного каталога и разрешает доступ только по чтению и только под учетной записью анонимного пользователя.

NFS-клиент

Для использования NFS в роли клиента на клиентском компьютере должен выполняться rpc.statd и portmap. Вы можете выполнить команду ps -ef для проверки присутствия двух этих демонов. Если они работают (как и должны), вы можете монтировать экспортируемый сервером каталог при помощи следующей общей команды:

mount server:directory  local mount point

Вообще говоря, при монтировании файловой системы вы должны работать как пользователь root. На удаленном компьютере вы можете использовать следующую команду (в предположении, что NFS-сервер имеет IP-адрес 192.168.0.100):

mount 192.168.0.100:/opt/files  /mnt

Ваш дистрибутив системы может потребовать указания типа файловой системы при ее монтировании. Если это так, используйте команду:

mount -t nfs 192.168.0.100:/opt/files /mnt

Удаленный каталог должен монтироваться безо всяких проблем, если вы корректно настроили сервер. Теперь выполните команду cd для перехода в каталог /mnt, затем команду ls для просмотра файлов. Для того чтобы сделать такое монтирование постоянным, вы должны изменить файл /etc/fstab и создать запись, аналогичную следующей:

192.168.0.100:/opt/files  /mnt  nfs  rw  0  0

Примечание: Дополнительная информация по записям /etc/fstab приведена в оперативной справке по fstab.

Критика NFS

Протокол NFSv3 подвергся существенной критике в области защищенности. Если NFSv3-серверы работали по TCP, было абсолютно реально запускать NFSv3-сети по Интернет. К сожалению, нужно было также открывать несколько портов, что приводило к появлению нескольких хорошо разрекламированных дыр в системе защиты. Сделав порт 2049 обязательным для NFS, стало возможным использование NFSv4 с брандмауэрами (firewall) без необходимости уделять слишком большое внимание тому, какие порты прослушивали другие протоколы, например, протокол Mount. Таким образом, исключение протокола Mount имело несколько положительных эффектов:

• Обязательные механизмы строгой аутентификации: NFSv4 сделал механизмы строгой аутентификации обязательными. Разновидности Kerberos довольно распространены. Также должен поддерживаться Lower Infrastructure Public Key Mechanism (LIPKEY). NFSv3 никогда не поддерживал что-то большее, чем стандартное UNIX-шифрование для аутентификации доступа - это порождало основные проблемы защиты в больших сетях.
• Обязательные схемы списков контроля доступа (access control list - ACL) в стиле Microsoft Windows NT: Хотя NFSv3 позволял реализовать строгое шифрование для аутентификации, он не использовал схемы ACL-доступа в стиле Windows NT. Списки ACL в стиле Portable Operating System Interface (POSIX) иногда реализовывались, но никогда не были общепринятыми. NFSv4 сделал ACL-схемы в стиле Windows NT обязательными.
• Договорные механизмы и стили аутентификации: NFSv4 предоставил возможность договариваться о механизмах и стилях аутентификации. В NSFv3 было невозможно сделать что-то большее, чем ручное определение используемого стиля шифрования. Системный администратор должен был затем согласовывать протоколы шифрования и защиты.

До сих пор ли NFS вне конкуренции?

NFSv4 заменяет NFSv3 на большинстве систем UNIX и Linux. Как сетевая файловая система NSFv4 имеет мало конкурентов. Жизнеспособным конкурентом могла бы считаться Common Internet File System (CIFS)/Server Message Block (SMB), исходя из того, что она присутствует во всех разновидностях Windows и (в настоящее время) в Linux. AFS никогда не имела большого коммерческого влияния; в ней придавалось особое значение элементам распределенных файловых систем, которые облегчали миграцию и репликацию данных.

Готовые к использованию Linux-версии NFS были выпущены после достижения ядром версии 2.2, но одной из наиболее общих неудач версий ядра Linux было то, что Linux принял NFSv3 довольно поздно. Фактически, прошло много времени до того, когда Linux стал полностью поддерживать NSFv3. С появлением NSFv4 этот недостаток был быстро устранен и полную поддержку NSFv4 реализовали не только в Solaris, AIX и FreeBSD.

NFS считается в настоящее время зрелой технологией, которая имеет довольно большое преимущество: она защищенная и удобная - большинство пользователей сочли удобным использовать одну защищенную регистрацию для доступа в сеть и для использования ее возможностей, даже когда файлы и приложения расположены на различных системах. Хотя это может выглядеть как недостаток по сравнению с распределенными файловыми системами, скрывающими структуры систем от пользователей, не забывайте о том, что многие приложения используют файлы, находящиеся на разных операционных системах и, следовательно, на разных компьютерах. NFS облегчает работу с различными операционными системами без необходимости слишком беспокоиться о семантике файловых систем и характеристиках их производительности.