分布式文件系统协议：NFS（Network File System）网络文件系统

发布时间：2024年01月19日

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NFS名词解释

NFS（Network File System）网络文件系统是一种分布式文件系统协议，最初由Sun Microsystems开发，并在1984年首次发布。

NFS允许不同计算机通过网络共享资源，特别是文件和目录，就像它们是本地存储的一部分一样。使用NFS的客户端可以挂载远程服务器上的文件系统，使得用户能够以透明的方式访问远程数据，实现跨多个系统的文件共享。

NFS基于客户端-服务器架构运行，其中服务器端提供共享的文件系统资源，而客户端则通过网络请求这些资源。

NFS协议通常在应用层实现，它依赖于底层的传输层协议进行通信，传统上是基于UDP，部分版本也可以使用TCP以增强可靠性。

NFS的关键技术之一是远程过程调用（RPC），这是一种让客户端能够直接调用位于远程机器上的服务或函数的技术。通过RPC，NFS定义了一套标准接口，用于处理文件操作，如打开、读取、写入、创建和删除等。

NFS广泛应用于企业环境和多操作系统环境中，提高了数据共享的效率和灵活性。
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NFS的历史版本

NFS（Network File System）自1980年代以来已发展了多个版本，下表是主要的历史版本：

NFS版本发布时间版本描述
NFSv1第一个版本，发布于1984年基于Sun Microsystems的原始设计，存在诸多限制且功能有限，它并未广泛部署
NFSv2发布于1985年，在RFC 1094中定义引入了文件属性、目录操作和其他增强功能，但仍有一些局限性，如32位文件大小限制和缺乏安全模型
NFSv3发布于1995年，在RFC 1813中定义增加了对64位文件大小的支持，提高了性能，并引入了更丰富的错误处理机制,NFSv3是使用最为广泛的NFS版本之一
NFSv4NFSv4.0在2000年由RFC 3010定义,NFSv4.1由RFC 5661在2010年定义NFSv4引入了状态保持、会话概念、RPC流水线化、复制支持、安全性改进（例如 Kerberos 集成）以及其他许多新特性。NFSv4.1还增加了并发写入支持、租约管理和复制提升等

NFS支持的操作系统

NFS（Network File System）作为一种广泛使用的网络文件系统协议，很多操作系统平台都支持NFS协议。支持NFS的主流操作系统：

  1. Unix-like 系统：

    • Solaris
    • FreeBSD
    • OpenBSD
    • NetBSD
    • macOS
    • AIX
    • HP-UX
    • IBM z/OS
    • UnixWare

  2. Linux 发行版：

    • Red Hat Enterprise Linux (RHEL)
    • CentOS
    • Ubuntu
    • Debian
    • SUSE Linux Enterprise Server (SLES)
    • Arch Linux
    • Gentoo Linux
      -几乎所有Linux发行版都支持NFS作为客户端和服务器。

  3. Windows 操作系统：

    • Windows 10（通过安装适用于Windows的Services for NFS）
    • Windows Server 2008及以后版本（自带NFS服务）

  4. 其他操作系统可能通过第三方软件或插件提供对NFS的支持。

NFS最大的功能就是可以透过网络，让不同的机器、不同的操作系统、可以彼此分享个别的档案(share files)。所以，你也可以简单地将它看做是一个文件服务器(file server)。

NFS工作原理

NFS（Network File System）工作原理基于网络的客户端-服务器架构，它允许网络中的不同计算机如同访问本地磁盘一样透明地共享和存取远程主机上的文件系统。

具体过程如下：

首先，NFS服务器在其操作系统上配置并启动相关的服务进程，如rpc.nfsd用于处理来自客户端的数据请求，并通过rpc.mountd管理共享目录的挂载权限。服务器在 /etc/exports 文件中定义了哪些目录可以被哪些客户端以何种权限访问。

当客户端需要访问服务器端的共享资源时，它会通过Portmapper（或rpcbind）服务查询到NFS服务器所监听的实际端口，并向这些端口发送挂载请求。一旦服务器验证并批准该请求后，客户端就可以将远端的共享目录“挂载”至本机的一个指定路径下。

在数据交换过程中，NFS协议借助于Remote Procedure Call (RPC)机制，使客户端能够执行诸如读、写、打开、关闭等与文件系统相关的操作。这些操作实际上是对服务器上对应文件系统的调用，而结果则通过网络返回给客户端。

为了提高性能，NFS支持缓存技术，即客户端可以对常用文件的部分或全部内容进行缓存。同时，为了确保多用户环境下的数据一致性，NFS使用lock manager服务（如lockd）来管理和同步多个客户端对同一文件的并发访问。

NFS使用的端口

NFS（Network File System）在运行时使用多个端口，以下是主要的端口：

  1. 端口 111 (TCP/UDP)：这是RPC（Remote Procedure Call）端口映射器（Portmapper）的服务端口。所有NFS相关的服务都会通过Portmapper注册它们所监听的实际端口号。当客户端需要与服务器进行通信时，首先会联系Portmapper以获取到NFS及其他相关服务实际使用的动态或固定端口号。

  2. 端口 2049 (TCP/UDP)：这是NFS服务的标准文件系统服务端口，用于传输文件数据和元数据。NFS v3及以前版本通常只使用这个端口进行文件操作。

  3. 其他端口：

    • mountd：负责处理文件系统的挂载请求，端口号通常是随机分配，但也可以配置为固定端口。
    • nlockmgr：管理网络锁定，确保多个客户端对共享文件进行并发访问时的一致性，它也监听一个由portmapper分配的端口。
    • rquotad：提供远程磁盘配额服务，对于那些需要配额管理的NFS共享而言是必需的，同样监听一个由portmapper分配的端口。

NFS依赖于Portmapper来进行端口管理和服务发现，并且至少固定使用111和2049两个端口。其他关联服务可能使用非固定的动态端口。

NFS的认证机制

NFS（Network File System）在默认情况下并不强制要求进行用户账号的认证，但可以根据配置文件实现一定程度的安全性控制和身份验证。

在传统的NFSv3及更早版本中，NFS通常依赖于客户端主机的信任关系来进行访问控制。这意味着NFS服务器通过检查请求的来源IP地址，并基于/etc/exports文件中的设置来决定哪些客户端可以挂载共享以及使用什么权限。这种机制下，用户的实际身份没有经过严格的身份验证，而是采用了匿名映射或“信任”模式，即客户端用户的UID和GID直接映射到服务器端的相应UID和GID上。

在安全性要求更高的环境中，NFS可以通过多种方式增强安全措施：

  1. root Squashing：默认情况下，为了避免来自客户端的root用户以服务器的root权限操作共享文件系统，NFS服务器会将所有远程root用户映射为一个非特权用户（如nfsnobody），这被称为root squashing。

  2. 身份映射服务：

    • NIS (Network Information Service) 或者后来的 NIS+ 可以用于集中式账户管理和身份验证。
    • LDAP 也可以作为身份验证后端，使得NFS能够与一个中心化的用户数据库同步，确保只有授权用户才能访问共享资源。

  3. Kerberos 集成：在NFSv4中引入了对Kerberos身份验证协议的支持，提供了强大的加密和认证机制，确保只有经过身份验证的用户和服务才能进行交互。

虽然NFS本身不强制执行严格的用户账号认证，但在实际部署中，一般都会结合安全技术来实施必要的身份验证和授权控制。

NFS的优点

NFS（Network File System）的主要优点包括：

  1. 跨平台共享：不同操作系统之间能够无缝共享文件和目录。
  2. 集中管理：数据存储集中化，便于管理和备份。
  3. 空间节约与成本优化：客户端无需重复存储相同数据，降低硬件投资成本。
  4. 灵活访问：用户可以从任何授权的系统上透明地读写远程文件。
  5. 性能优化：支持缓存机制以提高文件访问速度，减少网络传输开销。
  6. 可扩展性好：可以根据需求增加服务器来扩展存储资源。
  7. 易用性强：配置简单，使用标准命令即可挂载和操作远程文件系统。

NFS使用场景

NFS（Network File System）通常在以下场景下使用：

  1. 数据共享：

    • 在企业或数据中心环境中，多台服务器需要访问同一组文件时，例如多个Web服务器共享用户上传的图片、文档等资源。
    • 开发团队间共享代码库或者构建工具链，实现跨开发环境的一致性。

  2. 虚拟化与云计算：

    • 虚拟机（VMs）通过宿主机挂载的NFS共享来存储和读取其操作系统镜像、应用程序数据及用户数据，简化管理和维护。
    • 在云服务中，NFS可以作为云主机与云存储之间的接口，用于存储和共享虚拟机磁盘映像或容器数据卷。

  3. 集群计算：

    • HPC（高性能计算）集群中的各个节点可以通过NFS共享大型数据集，以支持并行计算任务的数据访问需求。
    • 大数据处理环境中，分布式计算框架可能依赖于NFS共享目录，使得不同节点能够存取统一的数据源。

  4. 备份与恢复：

    • 作为备份目标，NFS服务器可被用作集中式备份存储，便于进行数据备份和灾难恢复操作。
    • 数据迁移过程中，NFS可以临时作为中间层存储，简化从旧系统到新系统的数据迁移过程。

  5. 媒体制作与渲染农场：

    • 在多媒体制作和动画渲染等行业中，大量工作站需要共享大型项目文件，NFS提供了高效且实时的数据访问能力。

  6. 容器编排：

    • 在Kubernetes或其他容器编排平台中，NFS常用于持久卷（Persistent Volumes）提供动态存储分配，满足容器应用对持久化数据的需求。

  7. 测试与部署：

    • 开发人员在本地机器上快速搭建与生产环境一致的配置时，通过挂载NFS共享可以确保代码版本、配置文件以及静态资源的同步更新。

NFS广泛应用于需要跨网络透明共享文件和目录的场合，尤其适用于那些强调数据一致性、资源共享和灵活扩展性的分布式系统架构。

以上就是关于NFS协议的一些总结，希望对大家认识这个协议有所帮助。

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文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_37813152/article/details/135620722
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