1. 第 5 章 分布式文件管理 中国科技大学软件学院 丁箐

2. 2 主要内容 5.1 分布式文件5.1 分布式文件设计 5.2 分布式文件系统的实现 5.3 分布式文件系统的5.3 分布式文件系统的趋势

3. 3 主要内容 5.1 分布式文件5.1 分布式文件设计 5.2 分布式文件系统的实现 5.3 分布式文件系统的5.3 分布式文件系统的趋势

4. 4 分布式文件系统设计 文件服务 – 单个文件上的操作，例如读，写和追加 目录服务 – 创建和管理目录，在目录中增加和删除文件等

5. 5 5.1 文件模型 文件：信息在磁盘或其它持久介质上的存储单位 文件名：文件的标识，由字串组成（ 8-255 ） 文件属性：描述信息, 如大小、创建时间、授权 目录：保存文件系统的结构 路径：目录树上的一段路经

6. 6 文件结构 1 、二进制序列； 2 、记录序列； 3 、树

7. 7 文件类型举例 1 、可执行文件 2 、归档文件 不可变的 （ immutable ）

8. 8 典型的文件扩展名

9. 9 文件的属性

10. 10 文件基本操作 1.Create 2.Delete 3.Open 4.Close 5.Read 6.Write 7.Append 8.Seek 9.Get attributes 10.Set Attributes 11.Rename

11. 11 文件操作举例

12. 12 文件操作举例

13. 13 文件服务接口 文件服务：文件系统为客户提供的功能，如读、 写 文件服务器：实现文件服务的进程 文件的保护： – 权能：用户对文件的访问权限 – 存取控制表：每个文件上可访问它的用户列表 如： UNIX 的 mode, Windows 的属性

14. 14 远程文件服务 上载 / 下载模式 c 2. 在客户端 进行访问 客户机 服务器 老文件 新文件 1. 文件移动 到客户端 3. 当客户端工作完毕 后，文件又移回服务器

15. 15 远程文件服务 远程访问模式 服务器客户机 客户请求访问远程 服务器上的文件 文件保存在 服务器上

16. 16 目录服务器接口 目录服务 – 创建、删除 – 命名，重命名文件 – 移动文件 分层文件系统 – 子目录，目录树

17. 17 分层文件系统 (a) 包含在一台机器中的目录树 (b) 在两台机器中的目录图

18. 18 目录图 目录的维护： 引用计数：指向该目 录的连接数 仅当目录为空时或引 用计数 >1 时，才能 删除指向该目录的连 接。

19. 19 文件服务器方式 相同系统 不同系统 (a) 两文件服务器。方 框是目录，圆圈是 文件； (b) 一个所有用户有同 样文件系统图的系 统； (c) 一个不同的客户有 不同的文件系统的 系统

20. 20 命名透明性 位置透明性：文件路径名与存储位置无关 – 例： /server/dir1/dir2/x 位置独立性：文件可移动到其它场地，而无需改变名 字 – /server1/dir1/dir2/x 变为 /server2/dir1/dir2/x 分布式系统中文件和目录的命名方法： – 机器名 + 路径名，如 /machine/path – 将远地文件安装到本地目录中 – 全局统一的命名空间

21. 21 两级命名法 符号名字：外部名字，供用户使用 二进制名字：内部名字，供系统使用 名字映射：由目录完成 符号链接：一个路径名，映射到（服务器，文件名） 字串上的目录项

22. 22 文件共享的语义 UNIX 语义 会话语义 (a) 在单处理机 中，当 READ 操作 紧跟 WRITE 操 作执行时， READ 操作 返回刚刚写 入的值； (b) 在分布式 系统中，可 能返回已过 时的值

23. 23 共享文件的处理方式 方法说明 UNIX 语义 文件上的每个操作对所有进程来 说，立即可见 会话语义 在文件关闭之前，对文件的修改 对其它进程是不可见的 不可更改文件 不能修改。简化了共享和复制控 制 事务 所有的更改要么都完成，要么都 不能完成

24. 24 主要内容 5.1 分布式文件5.1 分布式文件设计 5.2 分布式文件系统的实现 5.3 分布式文件系统的5.3 分布式文件系统的趋势

25. 25 文件的使用 大多数文件比较小（小于 10k ） 对文件的读操作多于对文件的写操作 对文件的读写是顺序进行的，随机访问非常少 大多数文件寿命比较短 文件共享非常少 一般进程只是使用某几个文件 用不同的属性区分文件类型

26. 26 系统结构 客户和服务器不同吗？ 文件和目录服务怎样构造？ – 两者合并 – 保持独立

27. 27 UNIX 文件系统结构举例

28. 28 查找 a/b/c 迭代查找 自动查找 文件 客户 a b c a b c 服务器 1 上的 目录 服务器 2 上的 目录 服务器 3 上的 目录 查找 a/b/c 查找 b/c 查找 c 带着 c 响应 查找 a/b/c 查找 b/c 查找 c 带着 c 响应 （ a) （b）（b）

29. 29 是否应该保留客户的状态信息？ 无状态服务器 – 当客户发送一个请求给服务器，服务器完成请求，发送一个 应答，然后从内部表中移出关于该请求的所有信息。在请求 之间，服务器不保存具体客户的信息。 – 请求必须是独立的，为了使服务器能够工作，它必须包含全 文件名和文件中的偏移量。 – 不需要 OPEN 和 CLOSE 调用。 有状态服务器 – 服务器保存两个请求之间的客户的状态信息。 – 可以预读。

30. 30 无状态服务器与有状态服务器 无状态服务器优点有状态服务器优点 容错短小的请求消息 无需 open/close 调用好的性能 不浪费服务器空间可以预读 无打开文件个数限制容易有等幂性 客户崩溃不会导致问题可对文件加锁

31. 31 高速缓存（ caching ） 存储文件的四个位置 3241 网络 客户内存 客户磁盘（可选） 服务器内存 服务器磁盘

32. 32 Cache 位置 – Disk vs. Main Memory 磁盘缓存的优点 – 更可靠 – 恢复时不需要再取 主内存缓存的优点 – 可以采用无盘工作站 – 数据存取更快

33. 33 在客户存储器中进行超高速高速缓存的不同方法 (a) 没有超高速缓存 (b) 每个进程都有超 高速缓存 (c) 内核中有速高速 缓存 (d) 超高速缓存管理 作为一个用户进 程

34. 34 缓存的一致性 直接写（ write_through ） 延迟写 关闭时写（ write_on_close ） 方 法描 述 直接写 有效，但不影响写流量 延迟写 效率较高，但可能语义 关闭时写 与会话语义相配 集中控制 UNIX 语义，但不健壮，不能规模化

35. 35 文件复制管理 复制透明性 复制方式 1. 显性复制 2. 惰性复制 3. 组复制 文件 prog.c 1.14 1.21 2.16 2.43 3.19 3.41 符号名 S1 ， S2 ， S3 地址 (a) S1 S2 S3 C 1 2 3 S1 S2 S3 C 组 (c) S1 S2 S3 C 客户 服务器 现在 以后 (b)

36. 36 文件更新协议 主拷贝复制法： – 主服务器：指定的一个服务器 – 从服务器：除主服务器之外的其它服务器 – 所有更新操作首先在主服务器上进行 – 主服务器更新后，再更新各从服务器

37. 37 文件更新协议 版本号：记录文件更新的版本 表决法（ voting ） ：读 / 写一个复制文件时需一定数量服务器的 同意 – 读法定数 Nr ：读一个已有 N 个复制存在时，客户需要获得 一个读法定数（ read quorum ）, 它是任何 Nr 个或更多服务 器的任意集合。 – 写法定数 Nw ：修改一个文件需要一个至少 Nw 个服务器的 写法定数（ write quorum ）. 满足约束条件： Nr+Nw>N

38. 38 表决算法举例 1. 读锁半数，写锁半数加 1 2. 读锁一个，写锁全体

39. 39 SUN NFS 系统 虚拟文件系统（ VFS ） – V- 节点（虚拟 i 节点） – 远程安装程序 系统调用层 虚拟文件系统层 本地操 作系统 NFS 客户 发往服务 器的消息 本地磁 盘 虚拟文件系统层 本地操 作系统 NFS 服务 器 客户端发 来的消息 本地磁 盘 网络 客户服务器

40. 40 SUN NFS 系统 NFS 协议 – 客户协议处理安装（ mounting ） – 关于目录和文件访问 NFS 实现

41. 41 分布式文件系统设计原则 尽可能利用工作站处理能力 使用缓存技术 利用文件使用特性 减少全局知识和变化 ，使用分层控制 信任最少的实体，提高安全性 尽可能运用批处理方式

42. 42 主要内容 5.1 分布式文件5.1 分布式文件设计 5.2 分布式文件系统的实现 5.3 分布式文件系统的5.3 分布式文件系统的趋势

43. 43 分布式文件系统的趋势 新的硬件 更新共享文件的硬件方案

44. 44 分布式文件系统的趋势 规模 广域网 移动用户 容错 多媒体