Linux网络文件系统的实现与调试

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NFS协议

NFS （网络文件系统）不是传统意义上的文件系统，而是访问远程文件系统的网络协议。整个NFS服务的TCP/IP协议栈如下图所示，NFS是应用层协议，表示层是XDR，会话层是RPC，传输层同时支持UDP和TCP，网络层是IP协议。NFS/XDR/RPC等协议规范细节在《TCP/IP详解 卷1：协议》第29章有详细的描述，这里不再赘述。

经过多年的演进，NFS协议有多个版本，每个版本都有相应的RFC规范，如RFC1813。每个NFS的版本对比如下所示。

NFS通过NFS过程来对外提供服务。如下是RFC1813中定义的一组NFS过程。

• null() 返回()：不执行任何操作，有两个作用：相当于到服务器的ping，以及检测客户端和服务器间的RTT（Round Trip Time）。
• lookup（dirfh, name） 返回(fh, attr)：返回目录中一个指定文件的fhandle和属性信息。
• create(dirfh, name, attr) 返回(newfh, attr)：创建一个新文件并且返回它的fhandle和属性信息。
• remove(dirfh, name) 返回(status)：从指定目录中删除文件。
• getattr(fh) 返回(attr)：返回文件属性信息。这个调用类似于一个stat调用。
• setattr(fh, attr) 返回(attr)：设置一个文件的mode，uid，gid，size，access time，modify time属性。将文件大小设置为0相当于对文件调用truncate。
• read(fh, offset, count) 返回(attr, data)：从文件的offset偏移处开始，返回最多count个字节的数据。read操作也返回文件的属性信息。
• write(fh, fh, offset, count, data) 返回(attr)：向文件offset偏移处开始，写入count字节的数据，返回写操作完成后的文件属性信息。
• rename(dirfh, name, tofh, toname) 返回(status)：将dirfh目录中名为name的文件，重命名为tofh目录中名为toname的文件。
• link(dirfh, name, tofh, toname) 返回(status)：在tofh目录中创建名为toname的链接，指向dirfh目录中的name文件。
• symlink(dirfh, name, string) 返回(status)：在dirfh目录中创建一个名为name的符号链接。服务器不解释string的具体内容，而只是简单将其保存起来并且与符号链接文件相关联。
• mkdir(dirfh, name, attr) 返回(fh, newattr)：在dirfh目录中创建名为name的目录，并返回其fhandle和属性信息。
• rmdir(dirfh, name) 返回(status)：从dirfh中删除名为name的空目录。
• readdir(dirfh, cookie, count) 返回(entries)：从dirfh目录返回组多count字节的目录项信息。每个目录项信息包含了一个文件名，文件id，和一个由服务器解释的指向下一个目录项的指针cookie。cookie的作用是在后续readdir操作中从一个指定的位置返回目录项信息。cookie为0的readdir调用从目录的第一个目录项开始返回。
• statfs(fh) 返回(fsstats)：返回块大小、空闲块数等文件系统的信息。

NFS特性对比

NFSv3特性对比

• V2支持的最大的文件大小为2GB（32bit），V3则更大（64bit）。
• V2将每个READ和WRITE 过程可以读写的数据限制为8192个字节，V3则取消了限制。RPC的读写字节数只受TCP/IP限制。
• V3引入新的NFS过程COMMIT，支持异步写，提高写性能。
• V3引入新的NFS过程ACCESS，支持服务侧ACL访问权限检查。
• V3引入新的NFS过程READDIRPLUS，其返回file handle和属性，这样可以减少LOOKUP的调用次数。
• V3对RPC命令进行优化，每个影响文件属性的RPC都返回新的属性，这样可以减少GETATTR的调用次数。

NFSv4特性对比

• V3是无状态的，V4开始支持状态。改善文件系统的异常恢复能力。
• V4支持file delegation（客户端可以工作在本地副本，直到其他客户端请求同一个文件），改善文件系统一致性问题。
• V4引入新的NFS过程COMPOUND，支持一个COMPOUND请求包含多个NFS过程。提高请求的表达能力，减少RPC请求的调用次数。
• V4强制支持RPCSEC/GSS，改善文件系统的安全问题。
• V4支持加密ACL，改善文件访问权限管理。
• V4服务端为客户端支持统一的伪文件系统视图。服务端所有export目录都必须在一个伪文件系统root export目录下。
• V3客户端的IP是自动适配的，V4客户端支持mount clientaddr参数，可以指定客户端特定的IP地址。

NFSv4.1特性对比

• 客户端可以并行访问存储设备。
• 支持多个服务端。
• 支持文件系统的元数据和数据分离。
• delegation功能支持目录。
• 支持会话机制(session)，改善断链、崩溃等异常恢复能力。

Linux NFS实现与实例

LInux NFS架构是典型的CS架构，其结构如下图所示。其中服务端应用程序主要由如下几部分组成：

• portmap：端口映射器，主要功能是进行RPC程序的端口映射工作。当客户端尝试连接并使用RPC服务器提供的服务（如NFS服务）时，portmap会将所管理的与服务对应的端口提供给客户端，从而使客户可以通过该端口向服务器请求服务。
• rpc.mountd：NFS挂载守护进程，主要功能是实现NFS MOUNT协议，负责挂载/卸载NFS文件系统和权限管理。它会读取NFS的配置文件/etc/exports来对比客户端访问权限。挂载成功后，客户获得服务器文件系统的一个文件句柄（fh）。
• rpc.nfsd：NFS服务端守护进程，是NFS服务的用户态部分，负责创建nfsd内核进程。需要提出的是，NFS服务的大部分功能都由nfsd内核进程处理。

可以看出NFS服务的大部分功能都是由内核模块实现的，除了图中所示的内核模块，内核还提供了几个内核守护进程：

• nfsd：主要作用是处理NFS的RPC请求。
• nfsiod：主要作用是为NFS客户端提供高效的缓冲机制，如预读、延时写等，从而改善NFS文件系统的性能。
• rpciod：主要作用是作为RPC（远过程调用服务）的守护进程，用于从客户端启动I/O服务。

下图是一个NFS协议消息流图实例（点击见大图），包含了一些典型的网络文件系统操作场景，如：

服务注册过程

• NFS挂载：mount 168.0.155.1:/datadisk0 /tmp
• 改变工作目录：cd /tmp
• 查看目录下文件：ls
• 读文件：more tail bootcfg.ini
  

Linux NFS调试

NFS应用程序调试

打开应用程序调试功能：

    /usr/sbin/portmap -d
    /usr/sbin/rpc.mountd -d all
    /usr/sbin/rpc.nfsd -d -s

查看NFS配置与记录日志：

    cat /etc/exports
    cat /var/lib/nfs/rmtab
    cat /var/lib/nfs/etab
    cat /var/lib/nfs/xtab
    cat /var/lib/nfs/state
    tail /var/log/messages

NFS内核模块调试

• 打开NFS模块调试功能：

    sysctl -w sunrpc.nfs_debug=2147483647
    sysctl -w sunrpc.nfsd_debug=2147483647

• 查看NFS相关统计和日志：

    cat /proc/slabinfo | grep nfs
    /proc/fs/nfsfs/
    nfsstat
    dmesg

TCP/IP模块调试

• 打开RPC模块调试功能：

    sysctl -w sunrpc.rpc_debug=2147483647

• 查看RPC相关统计和日志：

    cat /var/run/portmap_mapping
    cat /proc/net/rpc/nfs
    cat /proc/net/rpc/nfsd

• 查看TCP/IP相关统计和配置：

    ping // 查看网络情况
    netstat -tpwn | grep 2049 // 查看NFS TCP链接
    cat /proc/sys/net/ipv4/... // 查看网络配置，如tcp_retries2等
    cat /proc/net/rpc/nfs
    cat /proc/net/rpc/nfsd // deciles等字段
    cat /proc/net/snmp // IP: ReasmFails等字段
    sysctl -a | grep net // 查看所有网络配置参数，如/proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2控制tcp断链尝试次数

• 网络抓包：

    tcpdump -s 9000 -w /tmp/dump.out port 2049

其他

nfs-utils移植

    ./configure
    CC=XX-gcc
    --build=$(./config.guess)
    --host=mips64-unknown-linux-gnu
    LDFLAGS="-L/usr/local/lib"
    CPPFLAGS="-I/usr/local/include"
    --disable-tirpc --disable-gss --disable-uuid --without-tcp-wrappers --with-gnu-ld

    make
    make install

文件系统导出条件

由NFS导出的文件系统由配置文件/etc/exports配置，可以导出的文件系统需要满足如下2个条件：

• 文件系统必须有一个设备号（需要有FS_REQUIRES_DEV，即存储设备）或FSID号（需要有NFSEXP_FSID 或 ->uuid）。
• 文件系统必须支持s_export_op接口。而支持s_export_op接口的文件系统都是存储设备文件系统，如ext3/4、ubifs等。其他文件系统如rootfs、ramfs、sysfs等是不支持的。