Книга: Серверные технологии хранения данных в среде Windows® 2000 Windows® Server 2003

3.3 Технологии CIFS и SMB

3.3 Технологии CIFS и SMB

Общий протокол доступа к файлам Internet (Common Internet File System – CIFS) своим происхождением обязан технологии блока серверных сообщений (Server Message Block – SMB), которая впервые появилась в MS DOS 3.3. В стандарте SMB описан протокол отправки команд файловой системы (открыть файл, считать, записать, блокировать и закрыть) от клиента к файловому серверу.

Перед обсуждением технических подробностей технологий CIFS и SMB необходимо выяснить основные различия между ними. Изначально существовала только технология SMB, которая использовалась в качестве клиент-сер- верного файлового протокола в мире персональных компьютеров. В середине 1980-х годов компания Microsoft дала своей реализации протокола SMB название CIFS и начала позиционировать CIFS в качестве прямого конкурента стандартов WebNFS и NFS. Компания Microsoft предоставила ознакомительный документ RFC на рассмотрение группе IETF (Internet Engineering Task Force)[6], и впоследствии срок действия документа истек без попыток превратить RFC в одну из спецификаций IETF.

Независимые от компании Microsoft поставщики устройств NAS приступили к разработке спецификации CIFS и организовали несколько мероприятий для популяризации CIFS. Ассоциация SNIA (Storage Networking Industry Association) взяла на себя задачу публикации CIFS. Компания Microsoft также выпустила спецификацию CIFS (она называлась Common Internet Filesys- tem Access Protocol), распространявшуюся бесплатно (ссылка на спецификацию находится в списке основных источников информации, приведенном в конце книги).

В похожих друг на друга спецификациях SNIA CIFS и CIFS от компании Microsoft описывается протокол, используемый клиентами Windows NT 4.0 для получения доступа к ресурсам серверов Windows NT. В обеих спецификациях не рассматривается протокол SMB, который применяется в новых версиях Windows (например, не затрагивается клиентское кэширование, которое поддерживается в Windows 2000 и описано в разделе 3.2.6). Кроме того, в спецификациях не описаны все протоколы взаимодействия между серверами. Новый стандарт SMB, не относящийся к бесплатным спецификациям, описан в соответствующей спецификации, которая за определенную плату распространяется компанией Microsoft, что стало возможным благодаря судебным решениям Европейского Союза и правительства США. Дополнительная информация доступна в статье «Microsoft Settlement Program: Communications Protocol Program» на Web-узле компании Microsoft по адресу: http://www.microsoft.com/legal/protocols.

Таким образом, компания Microsoft вновь стала называть свою реализацию описываемой технологии блоком SMB. По сути, SMB от Microsoft – это закрытый протокол, представляющий собой расширенную версию индустриального стандарта CIFS.

Кроме того, следует обратить внимание на историческую связь между SMB/CIFS и NetBIOS. Программный интерфейс NetBIOS (уровень сеанса в модели OSI) на данный момент безнадежно устарел. Интерфейс реализует уровень абстракции, который позволяет приложениям работать с различными транспортными протоколами, например TCP/IP, NetWare или уже забытым протоколом XNS (Xerox Network System). Необходимость в программном интерфейсе приложений, который предоставляет возможность создания приложений, не зависящих от сетевого протокола, существует и поныне. Однако в настоящий момент для этого обычно используется интерфейс сокетов, в частности в мире Windows – интерфейс Winsock.

Компания Microsoft использовала NetBIOS для преобразования имен (преобразования имени сервера в сетевой адрес), но сейчас для этого предназначена стандартная служба DNS.

Изначально Microsoft не использовала TCP/IP в качестве транспортного протокола, что кардинально изменилось со временем, однако поддержка NetBIOS продолжала присутствовать. Тем не менее роль NetBIOS постоянно уменьшалась. После назначения порта TCP/IP для файловых серверов SMB зависимость от NetBIOS была полностью «излечена», по крайней мере в контексте базового протокола. Но ситуация оставалась запутанной, так как некоторым вторичным службам клиентов и серверов Windows все равно требовался протокол NetBIOS. Хорошим примером будет объявление серверами о своем присутствии в сети и предоставление списка доступных служб, а также передача этих объявлений клиентам другими серверами. Со временем службы были переделаны и NetBIOS был полностью снят со счетов с выходом Windows 2000.

Наконец, наследие SMB можно заметить в каждом запросе CIFS, поскольку каждый запрос и ответ должны начинаться со значение «OxFF», после чего следуют такие символы ASCII, как «SMB».

К сожалению, точного определения стандарта CIFS не существует. Различные типы протоколов SMB называются диалектами. Вот несколько возможных вариантов:

применяемый клиентами DOS и Windows 3. x;

используемый при подключении к серверам, не работающим под управлением Windows;

? применяемый клиентами под управлением Windows NT.

Чаще всего клиент отправляет серверу запрос на установку сеанса и передает список всех поддерживаемых вариантов протокола. Сервер выбирает наиболее функциональный вариант и отправляет клиенту соответствующий запрос. В зависимости от протокола, о котором «договорились» клиент и сервер, некоторые запросы и соответствующие им ответы могут быть недопустимыми. Согласованный вариант протокола не определяет однозначно фактическую реализацию функций протокола, что вносит еще большую путаницу; для указания поддержки определенных функций некоторые флаги могут быть установлены или сброшены. Другими словами, даже при выборе протокола существуют различные варианты предоставляемых функций: например, один из флагов может указывать на наличие поддержки длинных имен файлов.

Как описано в документе RFC компании Microsoft (по правилам IETF на данный момент он уже устарел), протокол CIFS обеспечивает взаимодействие клиента и сервера для доступа к файлам и управления ими. Такие функции, как объявление о наличии в сети доступных принтеров и серверов, выходят за рамки возможностей протокола CIFS.

Организация SNIA продолжает работу над спецификацией CIFS. Кроме того, SNIA проводит ежегодную конференцию, посвященную CIFS, и организует другие мероприятия, на которых обсуждаются вопросы взаимодействия систем по протоколу CIFS.

Спецификация SMB стала стандартом с 1992 года (X/Open CAE Specification С209) и описывает SMB как протокол для обеспечения взаимодействия между компьютерами под управлением DOS, Windows, OS/2 и UNIX.

Запросы и ответы CIFS имеют четкую, понятную структуру. Поля пакетов SMB также стандартизированы, и отличия зависят от выбранной, разновидности CIFS и функций, поддерживаемых как клиентом, так и сервером.

В табл. 3.1 приведена общая структура пакета SMB. Обратите внимание, что показаны только общие элементы для всех вариантов SMB. Подробности строения каждого варианта пакета SMB выходят за пределы тематики этой книги.

Некоторые поля в табл. 3.1 требуют более полного описания. Поле команды имеет размер в один байт и описывает тип запроса. Сервер копирует это значение в ответ, что позволяет клиенту анализировать последний. Спецификация CIFS содержит значения и определения для этого поля. Описанные команды позволяют выполнять такие операции, как открытие файла, чтение, запись и блокирование определенного диапазона файла. Все эти операции выполняются в качестве ответа на запрос приложения.

Кроме того, запросы клиента CIFS (и связанные с ними ответы сервера) инициируются кодом перенаправителя без явного вмешательства приложения. Примерами будут кэширование и оппортунистическая блокировка (opportunistic locking), которые рассматриваются в разделе 3.3.5. В спецификациях CIFS RFC и SNIA, а также Open Group определены значения и семантика кода команды CIFS размером в 1 байт.

Таблица 3.1. Структура заголовка SMB

Окончание табл. 3.1

Помните, что новые значения и семантика полей могут появиться без предупреждения с выходом новых версий Windows, так как протокол CIFS продолжает развиваться.

Существует несколько команд для выполнения одинаковых базовых операций; например, для открытия, чтения и записи существует несколько раз-

личных команд. Некоторые команды уже не применяются, а в ряде случаев могут использоваться альтернативные команды, в зависимости от выбранного диалекта протокола.

Далее представлены примеры функций, описанных в поле команды.

Выбор типа SMB.

Установка сеанса связи.

Переход по каталогам и перечисление файлов и каталогов.

Открытие, создание, закрытие или удаление файлов.

Блокировка и разблокировка определенных фрагментов файла.

Операции печати.

Уведомления об изменении файлов и каталогов.

Транзакции, при которых указываются данные, параметры и операции. Сервер CIFS выполняет запрошенную операцию и возвращает результат – данные и параметры. Примерами транзакций могут служить ссылки в распределенной файловой системе и управление расширенными атрибутами.

В табл. 3.2 представлены функции поля Flags (флаги) из 3.1.

Таблица 3.2. Семантика поля Flags

В поле Flag2 из табл. 3.1 описано еще больше необязательных функций. Значения этого поля приведены в табл. 3.3.

Поле Заполнение/подпись изначально представляло собой последовательность «холостых» байт. Со временем значение этого поля изменилось. Поле заполнения теперь может включать в себя следующие элементы:

Таблица 3.3. Семантика поля Flags2

2 байта идентификатора процесса, что позволяет указывать 32-разрядные идентификаторы процесса;

8 байт для хранения подписи пакета SMB, если эта функция активизирована (см. описание поля Flags2 в табл. 3.3 и в разделе 3.3.3);

2 неиспользуемых байта.

Протокол CIFS обеспечивает безопасность средствами сервера. Администратор может отключить систему встроенной безопасности CIFS, в чем ед-

ва ли появится необходимость, поэтому система безопасности включена по умолчанию.

В старых вариантах CIFS допускается отправка незашифрованного текстового пароля от клиента к серверу, что категорически не рекомендуется. Протокол CIFS допускает защиту ресурсов сервера с помощью паролей отдельных пользователей (это называется безопасностью на уровне пользователя). Для обеспечения обратной совместимости серверы CIFS поддерживают защиту общего ресурса на базе пароля, одинакового для всех пользователей. Поскольку ресурс будет предоставлен в общее пользование,– этот метод называется безопасностью на уровне ресурса. Использовать механизм безопасности на уровне ресурса не рекомендуется, и в Windows 2000 Server эта система отсутствует. Первый пакет SMB, который отправляется серверу клиентом, называется SMB_NEG0TIATE_PR0T0C0L. Пакет применяется для выбора типа CIFS. В ответ на запрос SMB_NEG0TIATE_PR0T0C0L сервер сообщает об используемом механизме безопасности (уровень пользователя или ресурса).

Начиная с Windows NT4 SP3 и Windows 2000, компания Microsoft предоставила возможность размещения в пакетах SMB цифровой подписи. Сервер может быть настроен на обязательное требование цифровой подписи от клиента; в противном случае клиенту будет запрещен доступ к ресурсам. Использование цифровой подписи отражается на производительности как сервера, так и клиента, но это цена, которую приходится платить за безопасность. Обратите внимание, что подписывание и проверка имеют двунаправленную природу, т.е. клиент подписывает отправляемые запросы, сервер проверяет подпись клиента и подписывает отправляемые ответы, после чего клиент проверяет подпись сервера. Подпись пакета SMB хранится в поле Заполнение/подпись (см. табл. 3.1).

Ответ на запрос SMB_NEG0TIATE_PR0T0C0L используется для предоставления клиенту информации о поддержке сервером подписывания пакетов SMB и о необходимости обязательного подписывания пакетов SMB.

Протокол CIFS позволяет определять уровень безопасности при взаимодействии серверов и клиентов. Сервер может быть настроен на отказ в обслуживании клиентов, которые предлагают слишком низкий уровень безопасности.

Протокол CIFS предоставляет механизмы аутентификации, необходимые серверу для аутентификации клиента. Кроме того, предоставляются методы аутентификации сервера клиентом. В базовом уровне аутентификации клиент сообщает имя пользователя и незашифрованный пароль. По очевидным причинам такой подход нежелателен. Более того, сервер можно настроить на отказ в обслуживании клиентов, которые отправляют пароли в незашифрованном виде.

Аутентификация может выполняться с помощью технологии, которая называется протокол запрос/ответ (challenge/response protocol). При отправке клиентом пакета SMB_NEGOTIATE_PROTOCOL для выбора типа CIFS флаг в ответе сервера указывает на возможность использования протокола запрос/ответ. Если сервер поддерживает этот протокол, в ответе сервера предоставляется 8-байтовый запрос. Запрос – это случайное значение с очень низкой вероятностью повторной генерации. И клиент и сервер формируют ключ из пароля пользователя. После этого запрос шифруется с помощью ключа и алгоритма DES (Data Encryption Standart). Клиент отправляет запрос серверу, а сервер сравнивает ответ с собственным подсчитанным значением. Если два значения совпадают, клиент доказывает знание пароля и подтверждает свою аутентичность.

Кроме того, протокол CIFS поддерживает систему расширенной безопасности (можете и не надеяться, что читатель, который догадается об указании на поддержку расширенной безопасности в ответе сервера на запрос SMB_NEG0TIATE_PR0T0C0L, получит награду). Механизм расширенной безопасности предоставляет возможность поддержки произвольного протокола аутентификации в рамках протокола CIFS. При выборе расширенной безопасности первый двоичный объект безопасности предоставляется в ответе на запрос SMB_NEG0TIATE_PR0T0C0L. Двоичные объекты безопасности не обрабатываются протоколом CIFS. В этом он полагается на механизмы клиента и сервера, предназначенные для генерации и обработки двоичных объектов. Последующие двоичные объекты безопасности могут передаваться с данными SMB.

Использование механизма расширенной безопасности позволило Microsoft обеспечить поддержку протокола Kerberos в Windows 2000 и более поздних версиях. Реализация Kerberos в Windows 2000 является примером использования закрытых элементов. Например, некоторые поля мандатов Kerberos применяются для передачи информации о группах, в которые входит клиент. Реализация Kerberos от Microsoft допускает взаимную аутентификацию, когда не только сервер проводит аутентификацию клиента, но и наоборот, клиент аутентифицирует сервер.

Компания Microsoft предлагает еще один способ установки сеанса связи между клиентом и сервером, который называется Netlogon. При этом используются данные о компьютере (а не о пользователе). Протокол Netlogon необходим для установки безопасного сеанса RPC и имеет намного больше возможностей, так как поддерживает маркеры доступа пользователей, которые не поддерживаются при регистрации средствами протокола CIFS. Обычно Netlogon используется для связи между серверами (один сервер выступает в роли клиента другого сервера). В ныне устаревшем документе RFC от Microsoft протокол Netlogon не описан.

Наконец, сервер CIFS не обязательно должен обеспечивать работу механизма аутентификации. Протокол CIFS поддерживает сквозную аутентификацию, когда сервер получает запрос у другого сервера, передает этот запрос клиенту и возвращает ответ клиента серверу аутентификации. При этом, если сервер аутентификации отвечает положительно, клиенту предоставляется доступ- к запрошенным ресурсам. Этот механизм известен как сквозная аутентификация.

Протокол CIFS обладает различными возможностями по оптимизации взаимодействия между клиентом и сервером. Эти возможности рассматриваются в разделах 3.3.5.1 и 3.3.5.2.

Протокол CIFS позволяет формировать последовательность взаимно зависящих друг от друга запросов, поэтому оптимизация этих операций позволяет завершить выполнение запроса за одно обращение к серверу. Эта функция называется AndX; Файловая система NFS версии 4 обеспечивает подобную функцию в виде процедуры COMPOUND. Примером может быть отправка запросов OpenAndRead или WriteAndClose серверу CIFS. При этом вместо отправки отдельных двух запросов, например Open, а затем Read, и получения двух ответов отправляется один запрос OpenAndRead и получается один ответ. Это имеет особое значение в том случае, когда время обращения запрос/ответ слишком велико.

Протокол CIFS поддерживает такую технологию оптимизации производительности, как оппортунистическая блокировка (opportunistic locking, или oplock). Существует две основные причины для использования оппортунистической блокировки.

Первая заключается в блокировке файла и инициализации его локального кэширования. Когда условие блокировки больше не может поддерживаться, протокол допускает определенную задержку, в течение которой клиент должен очистить кэш. Блокировка и разблокировка выполняются незаметно для приложения с помощью механизмов CIFS клиентской и серверной систем. При этом для повышения производительности модификации приложения не требуется.

Представьте себе приложение, которое открывает файл на сетевом сервере для чтения и записи и записывает в файл 128-байтовые записи. Без оппортунистической блокировки каждая запись размером 128 байт потребует передачи данных по сети. Использование oplock позволяет локально кэшировать файл на клиентской системе и объединять несколько операций записи в одну, которая приводит к передаче данных по сети. Например, предположим, что клиент использует буферы размером 4096 и последовательно записывает в файл по 128 байт. Первый буфер будет содержать данные 32 операций записи (4096/128 = 32), и все данные 32 записей будут переданы по сети одним запросом на запись в файл. Если операция записи не может быть кэширова- на, по сети будет передаваться 32 операции записи (а не одна, как при кэшировании). Сокращение количества операций записи с 32 до одной приводит к значительному снижению нагрузки на сеть и существенному повышению производительности.

Вторым назначением оппортунистической блокировки является расширение условий, при которых подобная блокировка возможна. При использовании oplock можно увеличить эффективность кэширования. Расширение условий, при которых возможна оппортунистическая блокировка, предоставляет несколько дополнительных преимуществ. Предположим, что экземпляр приложения открывает файл (на сетевом сервере) для чтения и записи. При этом запрашивается и предоставляется оппортунистическая блокировка. Программный код клиента может кэшировать операции записи в файле. Предположим, что другой экземпляр того же приложения запущен на другом клиенте. Одним из выходов из подобной ситуации будет снятие оппортунистической блокировки и использование сетевого ввода-вывода для передачи запросов на запись в файл от обоих приложений. Еще одним способом будет снятие оппортунистической блокировки в тот момент, когда второй экземпляр приложения попытается выполнить операцию записи. Очень часто приложения вообще не выполняют операции записи.

При изменении условий сервер отправляет уведомление клиенту о снятии оппортунистической блокировки. В качестве примера ситуации, когда сервер отправляет уведомление о снятии оппортунистической блокировки, можно указать запрос на доступ к файлу или запись данных в файл другим клиентом. Сервер обеспечивает очистку данных состояния сервера (включая закрытие сеанса клиента), если клиент не отвечает на запрос о снятии оппортунистической блокировки. Клиент запрашивает oplock только в случае необходимости; например, если приложение запрашивает открытие файла для эксклюзивного доступа, запрос оппортунистической блокировки просто не имеет смысла.

Оппортунистические блокировки реализуются в трех вариантах:

Рис. 3.3. Последовательность операций при эксклюзивной оппортунистической блокировке

эксклюзивная оппортунистическая блокировка;

пакетная оппортунистическая блокировка;

оппортунистическая блокировка второго уровня.

Далее эти сценарии описываются более подробно.

Этот вариант блокировки запрашивается мини-перенаправителем CIFS, когда приложение открывает файл для чтения или записи. Сервер предоставляет оппортунистическую блокировку, если файл еще не открыт другим клиентом. Последовательность операций показана на рис. 3.3.

Для начала первый клиент отправляет запрос на открытие файла, запрашивая эксклюзивную оппортунистическую блокировку. Сервер выполняет необходимую проверку и предоставляет ее. Первый клиент начинает кэширование файла, выполняя операции упреждающего чтения и отложенной записи. Через некоторое время другой клиент, например клиент 2 (на рис. 3.3 не показан), отправляет серверу запрос на открытие того же файла. Сервер

отмечает, что клиент 1 владеет эксклюзивной оппортунистической блокировкой для запрошенного файла, и отправляет уведомление о снятии блокировки клиенту 1. Клиент 1 очищает буферы данных, отправляя необходимые запросы на запись и на блокировку файла. Как только данные состояния файла будут записаны, клиент 1 сообщает серверу, что обработка уведомления о снятии оппортунистической блокировки завершена. На этом этапе сервер отправляет ответ клиенту 2, позволяя ему открыть файл. Клиент 1 продолжает работу с файлом, не проводя при этом локального кэширования. В данном случае предполагается, что клиент 1 открыл файл в режиме, допускающем открытие файла другими клиентами.

Очень часто клиенты открывают файл в режиме чтения/записи и ничего не записывают в файл до его закрытия. Оппортунистическая блокировка второго уровня проектировалась для обеспечения совместного использования и кэширования файлов в такой ситуации. Эксклюзивная оппортунистическая блокировка и пакетная оппортунистическая блокировка (она рассматривается в следующем разделе) всегда предоставляются по запросу клиента. Но оппортунистическая блокировка второго уровня никогда не запрашивается клиентом. Клиент начинает с запроса эксклюзивной оппортунистической блокировки. Если такая блокировка предоставляется, сервер при выполнении определенных условий (они описаны далее) может понизить эксклюзивную оппортунистическую блокировку до блокировки второго уровня.

Обратимся к рис. 3.4. Клиент 1 начинает работу с запроса эксклюзивной оппортунистической блокировки и приступает к локальному кэшированию файла. В частности, клиент 1 проводит упреждающее чтение и локально кэширует блокируемые данные. Помните, что в данном случае клиент не собирается записывать данные в файл. На определенном этапе клиент 2 (он не показан на рис. 3.4) запрашивает доступ к этому же файлу. Сервер отправляет клиенту 1 уведомление с требованием понизить эксклюзивную оппортунистическую блокировку до блокировки второго уровня. Клиент аннулирует блокировки и сообщает, что обработка уведомления завершена. Далее серь вер отправляет клиенту 2 сообщение об успешном открытии файла и предоставляет клиенту оппортунистическую блокировку второго уровня. В данном случае предполагается, что клиент 1, открывая файл, сообщил серверу, что другие клиенты также могут получить доступ к файлу.

При использовании оппортунистической блокировки второго уровня, клиентам запрещено буферизировать блокируемые данные. Преимущество этой схемы заключается в упрощенной когерентности данных на стороне сервера, в то время как клиент будет кэшировать считываемые данные, что позволяет сократить объем информации, передаваемой по сети. Как только один из клиентов выдает запрос на запись, сервер снимает оппортунистическую блокировку второго уровня, после чего блокировок вообще не остается. Поскольку ни один из клиентов не буферизирует блокируемые данные при наличии блокировок второго уровня, успешная операция записи означает, что запись выполнялась в область файла, не заблокированную другими клиентами. После снятия оппортунистической блокировки второго уровня клиентам запрещается буферизировать считанные данные.

Рис. 3.4. Оппортунистическая блокировка второго уровня

Этот вариант блокировки используется для оптимизации быстродействия при обработке командных файлов. Командный процессор обычно открывает файл, ищет необходимую строку, считывает ее, закрывает файл и обрабатывает прочитанную строку средствами интерпретатора командной строки. После этого файл открывается снова, в нем находится следующая строка, файл закрывается, и следующая строка обрабатывается интерпретатором командной строки. Этот цикл выполняется, пока все строки в командном файле не закончатся.

Рис. 3.5. Пакетная оппортунистическая блокировка

На рис. 3.5 приведена последовательность операций. Клиент 1 открывает командный файл и запрашивает пакетную оппортунистическую блокировку. Предположим, что сервер предоставляет пакетную блокировку, так как больше никто не выполняет запись данных в файл. Клиент 1 ищет в файле определенную строку и осуществляет операцию чтения. Интерпретатор выполняет прочитанную строку. Затем файл закрывается. Мини-перенапра- витель CIFS не выполняет никаких действий при получении запроса на закрытие файла (т.е. выполняется операция отложенного закрытия). Интерпретатор командной строки открывает файл, но мини-перенаправитель CIFS не выполняет операцию открытия, а просто отменяет размещенную в очереди операцию отложенного закрытия файла. Когда интерпретатор командной строки выполняет операции поиска и чтения строки, мини-перенаправитель CIFS отправляет запросы на поиск и чтение.

В результате сокращается объем данных, передаваемых по сети (выполняется меньше запросов на открытие и закрытие файла). Кроме того, оптимизируется использование ресурсов сервера, так как от сервера не требуется немедленной обработки запроса на закрытие файла с последующим его повторным открытием.

Оглавление книги