浅谈网络文件系统原理

本文分享自天翼云开发者社区《浅谈网络文件系统原理》，作者：谢**云 

什么是网络文件系统？
网络文件系统（Network File System, NFS）实现了一种软件协议，能将远端的文件系统映射到本地，使用者访问网络上的文件就像在使用自己的计算机一样。远端是专属存储系统，通常称为NAS存储。比较出名的网络文件系统的实现包括Sun公司的NFS，微软的CIFS（Common Internet File System）等，网络文件系统的访问示意图如下：

图1 网络文件系统挂载示意图 

网络文件系统协议实现了将远端的目录树映射到本机，成为本机目录树种的一颗子树。一个实现合格的网络文件系统，实现了文件操作接口的POSIX（Portable Operating System Interface X）语义，从而使用户操作操作网络文件系统像操作本地文件系统一样，用户不会感知到操作的文件或文件夹实际存储在远端。 

网络文件系统的实现也分为，客户端和服务端两部分。其中，客户端实现与本地文件系统的实现类似，其主要差异是访问数据的时候，并不是访问本地磁盘设备，而是遵从一定的协议，通过网络访问F服务端。服务端负责处理客户端的访问请求，将对应的数据和元数据保存在磁盘上。 

网络文件系统的关键技术：
（1）远程过程调用，RPC协议
网络文件系统客户端与服务端之间的交互是通过一定的网络协议如NFS协议实现的。网络协议是通过函数调用的方式定义，主要内容包括ID、参数和返回值等。为降低协议封装、解析的复杂性，通常会在文件提业务层与TCP/IP层之间封装一层交互实现，称之为RPC协议。RPC（Remote Procedure Call）是一种远程调用协议，它基于Socket，位于OSI模型中会话层，客户端可以调用远程服务器上的程序或方法，并获取返回结果。
具体的，在客户端调用RPC函数时，会调用RPC库的接口将该函数转化为网络消息转发到服务端，服务端的RPC库对网络包进行解析，调用服务端注册的函数集中的函数来实现功能，然后再将执行的结果返回给客户端。 

图2 RPC协议架构示意图 

（2）文件系统协议
网络文件系统本质上是一个基于C/S（客户端/服务端）架构的应用，其文件系统功能是通过客户端与服务端的交互来实现的。对于网络文件系统来说，其核心是之一是服务端与客户端的交互语言，文件系统协议。
网络文件系统的协议定义类似于函数调用，包含ID，参数和返回值。
NFS协议，是SUN公司设计的网络文件系统协议，默认是*unix系统之间提供服务。包含3个版本，即1984年的NFSv2、1995年的NFSv3和2000年的NFSv4。它所有的读写都是由内核负责，因此其IO性能比较高。

SMB是Server Message Block是微软公司设计的网络系统协议，默认在Windows系统之间提供服务。包括SMB1.0，SMB2.0，SMB3.0版本。

由此可见，无论哪种协议，都有一组与文件系统语义对应的协议命令。客户端对文件系统的操作，都会通过网络文件协议封装转发到服务端，实现对文件的操作。

网络文件系统的优势：
如上，对网络文件系统的访问需要通过网络，其时延比本地文件系统大，但网络文件系统也有其优势，适合在一些场景中应用：
1.适合做数据共享：网络文件系统可以挂载在多个客户端，从而实现在多个客户端之间的数据共享。
2.存储空间大：网络文件系统服务端往往使用具有大存储空间的存储设备实现，具备海量的存储空间，远远大于本地文件系统。
3.可靠性高：网络文件系统服务端作为专用的存储系统，以一定的技术手段，如多副本等方式实现了数据的高可靠。