File system distribuito

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1 File System Distribuiti Sistemi di memorizzazione e alcune proprietà Replicazione dei dati: gestione e manutenzione di un insieme di copie dei dati otivazioni: - disponibilità - tolleranza ai guasti - prestazioni Un file system distribuito permette di memorizzare ed accedere a file remoti come se fossero locali Emula le funzionalità di un file system non distribuito Specifica di interfacce Gestione della eterogeneità eccanismi di controllo di accesso ai dati e condivisione dei dati odello architettura di un f.s.d. Casi di studio: NFS (Sun network File System), AFS (Andrew File System), CODA emoria principale File system File system distribuito Web emoria condivisa distribuita Oggetti remoti (RI/ORB) condivisione persistenza cache/repliche distribuite consistenza Esempio RA UNIX file system Sun NFS Web server Ivy (DS) CORBA agazzino di oggetti permanenti 1 CORBA Persistent Object Service Sistema di memoria peer-to-peer D OceanStore Tipi di consistenza 1: esattamente una copia. : garanzia media D: garanzia debole S. Balsamo A.A Università Ca Foscari di Venezia SD12.2 Requisiti di un file system oduli del file system Sistemi monoutente: monoprogrammato: consistenza dello spazio dei nomi interfaccia per le applicazioni mapping nome testuale ->indirizzo fisico integrità multiprogrammato: + controllo della concorrenza Sistemi multiutente multiprogrammato: + sicurezza, protezione dei dati (e.g. Unix) Sistema distribuito: + interfaccia per gli utenti trasparenza tolleranza ai guasti (disponibilità) Uso di tecniche di progettazione dei sistemi distribuiti caching replicazione trasferimenti a blocchi (granularità) crittografia Un file system gestisce - l organizzazione, memorizzazione e accesso a file - la gestione dei nomi - la condivisione e la protezione dei file Un file system è organizzato in moduli Ogni file contiene dati e un insieme di attributi odulo Directory : Associa i nomi di file a IDs odulo File : associa ID a file particolari odulo Controllo Accesso: Controlla il permesso delle operazioni richieste odulo Accesso al File: Letture o scritture di dati o attributi di file odulo Blocchi: Accede e alloca blocchi di dischi odulo periferiche: operazioni I/O su disco e buffering SD12.3 SD12.4 1

2 Struttura dei record di attributi di file Operazioni dello UNIX file system Lunghezza File Timestamp di creazione Read timestamp Write timestamp Timestamp dell attributo Reference count Proprietario Tipo di file List di controllo degli accessi filedes = open(name, mode) filedes = creat(name, mode) status = close(filedes) count = read(filedes, buffer, n) count = write(filedes, buffer, n) pos = lseek(filedes, offset, whence) status = unlink(name) status = link(name1, name2) status = stat(name, buffer) Apre un file esistente con dato name. Crea un nuovo file con un dato name. Entrambe le op. restituiscono un rif. a descrittore di file con mode è read, write o entrambi Chiude il file aperto filedes. Trasferice n bytes dal file rif. da filedes al buffer. Trasferice n bytes dal file rif. da filedes dal buffer. Entrambe le op. restituiscono il numero di bytes trasferiti realmente e avanzano il puntatore read-write Spostano il punt. read-write all offset (relativo o assoluto, in base a whence). Rimuove il file name dalla struttura della directory. Se il file non ha altri nomi, è cancellato Aggiunge un nuovo nome (name2) ad un file (name1). Restituisce gli attributi del file name nel buffer. SD12.5 SD12.6 Requisiti di un file system distribuito Architettura del file service Nei f.s. non distribuiti le funzioni sono solitamente eseguite da funzioni di libreria per l I/O e dal supporto del s.o., incluse le informazioni sullo stato dei file. Requisiti di un f.s.d. trasparenza di accesso uso di interfacce omogenee di locazione modificabilità e indipendenza dalla locazione di mobilità di prestazioni variazioni del carico di scalabilità concorrenza replicazione per requisiti di prestazioni e affidabilità eterogenteità piattaforme (hw e s.o.) diverse consistenza semantica e gestione delle replicazioni tolleranza ai guasti tolleranza di errori di accesso, uso di op. idempotenti serventi stateless, per ripristinare il servizio senza stato sicurezza controllo della autorizzazione all accesso efficienza SD12.7 odello architetturale per f.s. componenti: Applicativo Client computer Applicativo odulo cliente Interfaccia per l accesso ai dati modulo cliente modulo servente: flat file service modulo servente: directory service Server computer Directory service Operazioni sul contenuto del file UFID Unique File IDentifier Flat file service apping fra nomi testuali e UFID SD12.8 2

3 Operazioni del servizio flat file Operazioni del directory service Read(FileId, i, n) -> Data throws BadPosition Write(FileId, i, Data) throws BadPosition Create() -> FileId Delete(FileId) Se 1 i Length(File): legge una sequenza fino ad n pos. da un file a partire dalla posizione i e restituisce in Data. Se 1 i Length(File)+1: scrive una sequenza di Data in un file, dalla posizione i, e se necessario estende il file. Crea un nuovo file di lunghezza 0 e restituisce un UFID Elimina il file GetAttributes(FileId) -> Attr Restituisce gli attributi del file SetAttributes(FileId, Attr) Imposta gli attributi del file Note: Operazioni idempotenti (eccetto create) Interfaccia per possibile uso di server senza stato Lookup(Dir, Name) -> FileId throws NotFound AddName(Dir, Name, FileId) throws NameDuplicate UnName(Dir, Name) throws NotFound GetNames(Dir, Pattern) -> NameSeq Cerca il nome testuale della directory e restituisce UFID, se esiste, altrimenti una eccezione Se Name non è nella directory vi aggiunge (Name, File) e aggiorna il record di attributo del file Se Name è già nella directory: eccezione. Se Name è nella directory: rimuove Name Se Name non è nella directory: eccezione Restituisce tutti i nomi della directory Dir che corrispondono alla espressione regolare Pattern SD12.9 SD12.10 Architettura NFS Architettura NFS Client computer Server computer identificatori di file: file handle derivati dall i-node di Unix Filesystem ID i-node number del file i-node generation number UNIX system calls applicativo applicativo Virtual file system Local Remote Virtual file system I clienti NFS sono integrati nel nucleo Accesso ad NFS con semplici chiamate di sistema Un solo cliente serve tutti processi sulla u.e. ed usa una sola cache UNIX file system Altri file system NFS client NFS protocol NFS server UNIX file system Sicurezza uso della chiave da parte di servente NFS per autenticare i clienti NFS il servente senza stato verifica che il cliente si autorizzato ogni volta Protocollo NFS: comunicazione client-server basata su Sun RPC su TCP oppure UDP varie versioni Trasparenza per l accesso a file remoti per clienti in sistemi Unix o altri Interfaccia identica per diversi file system locali e remoti Eterogeneità: progetto indipendente dal s.op. (e.g. Windows, acos, Unix, Linux, ) SD12.11 SD

4 Operazioni del server NFS 1/2 Operazioni del server NFS 2/2 lookup(dirfh, name) -> fh, attr create(dirfh, name, attr) -> newfh, attr remove(dirfh, name) status getattr(fh) -> attr setattr(fh, attr) -> attr read(fh, offset, count) -> attr, data write(fh, offset, count, data) -> attr rename(dirfh, name, todirfh, toname) -> status link(newdirfh, newname, dirfh, name) -> status Restituisce il file handle e attributi del file name nella directory dirfh Crea un nuovo nome di file nella directory dirfh con attributi attr e restituisce il nuovo file handle e gli attributi Elimina il file name dalla directory dirfh. Restituisce gli attributi del file fh Pone gli attributi (mode, user id, group id, size, access time e modify time di un file). Porre la dimensione a 0 tronca il file Restituisce fino a count bytes di dati da un file iniziando a offset e restituisce gli ultimi attributi del file. Scrive count bytes di dati nel file iniziando a offset. Restituisce gli attributi del file dopo la write odifica il nome del file name nella directory dirfh in toname nella directory todirfh. Crea un record newname nella directory newdirfh riferito al file name nella directory dirfh symlink(newdirfh, newname, string) -> status readlink(fh) -> string mkdir(dirfh, name, attr) -> newfh, attr rmdir(dirfh, name) -> status readdir(dirfh, cookie, count) -> entries statfs(fh) -> fsstats Crea un record newname nella directory newdirfh di tipo link simbolico con valore string. Il server non interpreta la string ma crea un file link simbolico Restituisce la stringa associata al symbolic link file identificato da fh. Crea una nuova directory name con attributi attr e restituisce il nuovo file handle e attributi Cancella la directory name vuota dal padre dirfh. Errore se la dir. non è vuota. Restituisce fino a count bytes di record di directory dalla directory dirfh. Ognuno ha il nome di un file, un file handle, e un opaque pointer al record successivo, detto cookie, che è usato in successive chiamate readdir per iniziare a leggere dal punto seguente Se il valore del cookie è 0, legge dall inizio. Restituisce informazioni del file system (es. dimensione blocchi, no. di blocchi liberi) che contiene il file fh. SD12.13 SD12.14 File systems locale e remoto accessible su un cliente NFS File systems locale e remoto accessible su un cliente NFS Per usare un f.s. remoto si usa il processo mount service disponibile su ogni servente NFS Ogni server ha il file di configurazione /etc/export con la lista dei f.s. esportabili Ogni cliente monta un f.s. remoto con mount indicando il - nome del server, - i percorsi nei f.s. locale (dove montare) e remoto (dove si trova) delle directory Server 1 (root) Client Server 2 (root) (root) export... vmunix usr nfs people Remote mount students x staff Remote mount users big jon bob... jim ann jane joe Note: Il file system montato a /usr/students nel cliente è in realtà un sottoalbero a /export/people nel Server 1; il file system montato a /usr/staff nel cliente è in realtà un sottoalbero a /nfs/users nel Server 2. SD12.15 SD

5 Caching in NFS: servente Caching in NFS: cliente Le implementazioni di NFS sfruttano una cache sia nel client che nel server Caching nel server Per il server, la cache funziona come di consueto - blocchi di files appartenenti ai filesystem esportati sono trattenuti in memoria -> diminuisce il tempo di risposta al client per richieste consecutive dello stesso blocco Consistenza in scrittura: Due meccanismi per garantire la consistenza Write Through i blocchi vengono scritti su disco quando il serve riceve la richiesta di scrittura da un client Write Back i blocchi non vengono subito scritti su disco al ricevimento della richiesta di scrittura. NFS versione 3, usa questo tipo di cache, implementa una nuova primitiva commit( ) con la quale il client può chiedere la scrittura di tutti i blocchi in cache Caching nel cliente - Il cliente trattiene in cache i risultati delle operazioni di lettura e scrittura -> riduce il numero di richieste spedite al server Possibile problema: esistenza di versioni differenti dello stesso file in nodi diversi della rete (le operazioni di scrittura di un cliente possono non venire propagate immediatamente nel server e alle copie trattenute in cache da altri clienti) Soluzione: assegnare al cliente la responsabilità di verificare la consistenza dei dati nella sua cache nota: ad ogni accesso ad un file condiviso occorre verificare la condizione di validità della cache SD12.17 SD12.18 Caching in NFS: cliente Andrew File System Caching nel cliente condizione di validità della cache ogni elemento nella cache del cliente ha Tc tempo dell'ultima validazione Tm tempo dell'ultima modifica (T-Tc < t) ( Tm(server) = Tm(client) ) Il tempo trascorso dall'ultima Il tempo dell'ultima modifica registrata dal server validazione non deve superare deve coincidere con un dato valore t il tempo dell'ultima modifica registrata dal cliente Prestazioni di NFS Limitazioni alle prestazioni su server NFS - frequente uso di getattr(), per ricevere da ogni cliente per validare la propria cache, controllando il tempo dell'ultima modifica nel server. - limite dell efficienza delle operazioni di scrittura sul server, a causa del write-through - Sviluppato nel 1983 da Carnegie ellon University e IB AFS - come NFS, consente alle applicazioni l'accesso a file system remoti, senza bisogno di ricompilazioni - AFS rispetto a NFS pone maggiore enfasi sulla scalabilità - diverse scelte implementative e architettura rispetto ad NFS. - caratteristiche principali: - i file vengono trasferiti interamente dai server ai clienti in un unica operazione (in AFS-3, file più grandi di 64K vengono trasferiti in blocchi di 64K) - i clienti mantengono nella cache locale copie dei file (interi) ricevuti dai server SD12.19 SD

6 Distribuzione dei processi nell Andrew File System Componenti di Andrew File System Workstations (Clienti) Venus utente Servers Vice AFS è formato da due componenti Venus è un cliente operante a livello utente su ogni workstation Venus utente Venus utente Network Vice Vice è un server, operante a livello utente Il filesystem di ogni workstation è diviso in due parti - la parte locale è visibile localmente, e non viene condivisa - la parte condivisa è memorizzata su un server, e può esistere in varie copie parziali sparse nelle cache dei cliente I file condivisi si trovano sempre nella sottodirectory /afs Scalabilità obbiettivo principale di AFS diminuire la comunicazione cliente-servente Trasferimento dei file in un unica operazione Uso di caching dei file ricevuti nei clienti CODA: evoluzione di AFS SD12.21 SD12.22 Spazio dei nomi di file visto dai clienti di AFS Funzionamento di Andrew File System Filesystem di ogni workstation è composta da f.s. locale visibile solo localmente f.s. condiviso memorizzato su un servente con eventuali copie nelle cache dei clienti i file condivisi sono nella sottodirectory /afs ed è un sottoalbero del servente Vice Locale / (root) tmp bin... vmunix afs Condiviso Funzionamento di AFS - Quando un processo su una WS cliente apre un file remoto, e non ne esiste una copia nella cache locale, il file viene localizzato e ne viene richiesta una copia La copia viene memorizzata nel file system locale alla WS - Successive operazioni di lettura/scrittura del processo agiscono sulla copia locale - Quando il processo chiude il file, se la copia locale è stata modificata, questa viene rispedita al server. La copia locale alla WS viene mantenuta, per eventuali successive richieste. Note: - I file raramente aggiornati, o utilizzati in lettura/scrittura da un solo utente, possono rimanere validi a lungo nella cache dei cliente Symbolic links bin - La cache locale di ciascuna WS può essere molto capiente (risiede sul disco locale) - L'implementazione di AFS si basa su alcune considerazioni sul presunto utilizzo dei file in UNIX: - La maggior parte dei file sono piccoli - Operazioni di lettura sono molto più frequenti di operazioni di scrittura - L'accesso sequenziale è quello comunemente usato - La maggior parte dei file vengono modificati da un solo utente - I file vengono usati in burst - I database tipicamente non hanno queste caratteristiche => non si prestano bene ad essere condivisi tramite AFS SD12.23 SD

7 Intercettazione delle chiamate di sistema in AFS Consistenza della cache in AFS 1/2 Workstation Consistenza della cache in AFS Quando un modulo Vice (server) fornisce un file a Venus (cliente), invia anche una utente UNIX file system calls UNIX kernel UNIX file system operazioni su file remoti Venus callback promise promessa da parte del server a ricontattare il cliente nel caso il file venga modificato da parte di altri client Ad ogni file nella cache dei cliente è associato il callback che può avere due stati Valid: Il server non ha ancora comunicato modifiche al file, che quindi è da ritenersi valido Cancelled: Il server ha richiamato, comunicando di invalidare la copia locale del file perchè è stata modificata Local disk Quando un serve riceve la richiesta di modifica di un file, manda un avviso a tutti i clienti ai quali ha promesso un callback => a differenza di NFS, i server AFS non sono stateless Quando è necessario un file non in cache si recupera e la copia memorizzata nel f.s. locale del cliente Operazioni del processo utente solo sulla copia locali Solo alla fine se necessario, si invia il file modificato al server Una volta contattato dal server, il cliente provvede a porre il callback associato a quel file come cancelled SD12.25 SD12.26 Consistenza della cache in AFS 2/2 Implementazione delle chiamate di sistema a file in AFS Tolleranza ai guasti Quando una WS riparte dopo un crash, deve cercare di mantenere la maggior parte del contenuto della propria cache Potrebbe aver perso alcuni dei callback da parte dei server la cache va rivalidata (Ri)validazione della cache Venus manda una cache validation request contenente - il file da validare - la data di ultima modifica, come risulta dal cliente Se il server verifica che non ci sono state modifiche a partire dalla data indicata dal cliente, il file (e relativo callback) viene validato Altrimenti, il callback viene posto a cancelled. In ogni caso, ciascun cliente deve rivalidare un callback una volta trascorso un certo intervallo di tempo senza ricevere notifiche dal server Nota: questo meccanismo di consistenza si applica solo durante le operazioni di open( ) e close( ). => è possibile che clienti diversi tentino di modificare lo stesso file, con risultati inconsistenti => i programmi utente devono adottare strategie per garantire la consistenza delle operazioni. (In linea con la semantica delle operazioni standard UNIX sui file, che di default non forza alcuna verifica della concorrenza) SD12.27 Processo utente Venus rete Vice open(filename,mode) read(filedescriptor, Buffer, length) write(filedescriptor, Buffer, length) close(filedescriptor) Se FileName è nello spazio condiviso passa la richiesta a Venus Apri il file locale e restituisci il descrittore Esegui un normale read Unix sulla copia locale Esegui un normale write Unix sulla copia locale Chiudi il file locale e notifica a Venus Controlla la lista di file nella cache e se non c è una callback promise valida manda una richeista del file al server Vice relativo Poni una copia del file nel f.s. locale, poni il nome nella lista della cache locale e restituisci il nome locale a Unix Se la copia locale è stata modificata, mandane copia al servente Vice, responsabile del file Trasferisci una copia del file e callback promise alla workstation. Log la c.p. Sostituisci il contenuto del file e manda una callback a tutti gli altri clienti che hanno una callback promise sul file SD

8 Componenti dell interfaccia del servizio Vice Fetch(fid) -> attr, data Store(fid, attr, data) Create() -> fid Remove(fid) SetLock(fid, mode) ReleaseLock(fid) RemoveCallback(fid) BreakCallback(fid) Restituisce gli attributi ed eventualmente il contenuto del file con id. fid e registra una callback promise Aggiorna gli attributi e (event.) i contenuti del file specificato Crea un nuovo file e registra una callback promise Elimina il file specificato Pone un lock il file o directory specificata, com mode condiviso o esclusivo. I locks non cancellati scadono dopo 30 min. Rilascia il lock del file o directory specificata Informa il server che un processo Venus ha rimosso un file dalla cache Da un server Vice ad un processo Venus: cancella la callback promise sul file specificato SD

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