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。