نظام الملفات المجمعة

الموسوعة الحرة

نظام الملفات المُجمّع ( CFS ) هو نظام ملفات يُشارك من خلال تثبيته في وقت واحد على عدة خوادم . توجد عدة طرق للتجميع ، معظمها لا يستخدم نظام ملفات مُجمّع (بل يستخدم فقط وحدة تخزين متصلة مباشرة لكل عقدة). توفر أنظمة الملفات المُجمّعة ميزات مثل العنونة المستقلة عن الموقع والتكرار، مما يُحسّن الموثوقية أو يُقلل من تعقيد الأجزاء الأخرى من المجموعة. أنظمة الملفات المتوازية هي نوع من أنظمة الملفات المُجمّعة التي تُوزّع البيانات عبر عدة عقد تخزين، عادةً لتحقيق التكرار أو الأداء. [ 1 ]

نظام ملفات القرص المشترك

يستخدم نظام الملفات ذو القرص المشترك شبكة منطقة تخزين (SAN) لتمكين أجهزة كمبيوتر متعددة من الوصول المباشر إلى القرص على مستوى الكتل . يجب أن تتم عملية التحكم في الوصول والترجمة من عمليات مستوى الملفات التي تستخدمها التطبيقات إلى عمليات مستوى الكتل التي تستخدمها شبكة SAN على عقدة العميل. يُعد نظام الملفات ذو القرص المشترك، وهو النوع الأكثر شيوعًا من أنظمة الملفات العنقودية، يوفر - من خلال إضافة آليات للتحكم في التزامن - عرضًا متسقًا وقابلًا للتسلسل لنظام الملفات، مما يمنع تلف البيانات وفقدانها غير المقصود حتى عندما يحاول عملاء متعددون الوصول إلى الملفات نفسها في الوقت نفسه. تستخدم أنظمة الملفات ذات القرص المشترك عادةً نوعًا من آليات الحماية لمنع تلف البيانات في حالة تعطل العقد، لأن الجهاز غير المحمي قد يتسبب في تلف البيانات إذا فقد الاتصال بعقده الشقيقة وحاول الوصول إلى المعلومات نفسها التي تصل إليها العقد الأخرى.  

قد تستخدم شبكة منطقة التخزين الأساسية أيًا من عدد من بروتوكولات مستوى الكتلة، بما في ذلك SCSI و iSCSI و HyperSCSI و ATA عبر الإيثرنت (AoE) و Fibre Channel و network block device و InfiniBand .

توجد مناهج معمارية مختلفة لنظام ملفات القرص المشترك. بعضها يوزع معلومات الملفات عبر جميع الخوادم في مجموعة (موزع بالكامل). [ 2 ]

أمثلة

أنظمة الملفات الموزعة

لا تتشارك أنظمة الملفات الموزعة الوصول على مستوى الكتل إلى نفس وحدة التخزين، بل تستخدم بروتوكول شبكة . [ 3 ] [ 4 ] تُعرف هذه الأنظمة عادةً باسم أنظمة ملفات الشبكة، مع أنها ليست أنظمة الملفات الوحيدة التي تستخدم الشبكة لإرسال البيانات. [ 5 ] يمكن لأنظمة الملفات الموزعة تقييد الوصول إلى نظام الملفات بناءً على قوائم الوصول أو الصلاحيات المتاحة على كل من الخوادم والعملاء، وذلك وفقًا لتصميم البروتوكول.

يتمثل الفرق بين نظام الملفات الموزع ومخزن البيانات الموزع في أن نظام الملفات الموزع يسمح بالوصول إلى الملفات باستخدام نفس الواجهات والدلالات المستخدمة في الملفات المحلية ، مثل: التحميل/فك التحميل، وعرض محتويات المجلدات، والقراءة/الكتابة على حدود البايت، ونموذج الأذونات الأصلي للنظام. في المقابل، تتطلب مخازن البيانات الموزعة استخدام واجهة برمجة تطبيقات أو مكتبة مختلفة، ولها دلالات مختلفة (غالباً ما تكون دلالات قاعدة البيانات). [ 6 ] 

أهداف التصميم

قد تسعى أنظمة الملفات الموزعة إلى تحقيق "الشفافية" في جوانب عديدة. أي أنها تهدف إلى أن تكون "غير مرئية" لبرامج المستخدم، التي "ترى" نظامًا مشابهًا لنظام الملفات المحلي. في الخفاء، يتولى نظام الملفات الموزع تحديد مواقع الملفات، ونقل البيانات، وربما توفير ميزات أخرى مذكورة أدناه.

  • شفافية الوصول : لا يدرك العملاء أن الملفات موزعة ويمكنهم الوصول إليها بنفس الطريقة التي يتم بها الوصول إلى الملفات المحلية.
  • شفافية الموقع : يوجد نطاق أسماء متسق يشمل الملفات المحلية والبعيدة. اسم الملف لا يدل على موقعه.
  • شفافية التزامن : يتمتع جميع العملاء بنفس الرؤية لحالة نظام الملفات. وهذا يعني أنه إذا قام أحد العمليات بتعديل ملف، فإن أي عمليات أخرى على نفس النظام أو أنظمة بعيدة تصل إلى الملفات سترى التعديلات بطريقة متسقة.
  • شفافية الأعطال : يجب أن يعمل العميل وبرامج العميل بشكل صحيح بعد تعطل الخادم.
  • عدم التجانس : يجب توفير خدمة الملفات عبر منصات الأجهزة وأنظمة التشغيل المختلفة.
  • قابلية التوسع : يجب أن يعمل نظام الملفات بشكل جيد في البيئات الصغيرة (جهاز واحد، عشرات الأجهزة) وأن يتوسع بسلاسة إلى بيئات أكبر (من مئات إلى عشرات الآلاف من الأنظمة).
  • شفافية النسخ المتماثل : لا ينبغي أن يكون العملاء على دراية بنسخ الملفات الذي يتم عبر خوادم متعددة لدعم قابلية التوسع.
  • شفافية عملية نقل البيانات : يجب أن تكون الملفات قادرة على الانتقال بين الخوادم المختلفة دون علم العميل.

تاريخ

استخدم نظام المشاركة الزمنية غير المتوافق أجهزة افتراضية للوصول الشفاف إلى نظام الملفات بين الأجهزة في ستينيات القرن العشرين. وتم تطوير المزيد من خوادم الملفات في سبعينيات القرن العشرين. في عام 1976، ابتكرت شركة ديجيتال إكويبمنت (DEC) برنامج الاستماع للوصول إلى الملفات (FAL)، وهو تطبيق لبروتوكول الوصول إلى البيانات كجزء من المرحلة الثانية من شبكة DECnet ، والذي أصبح أول نظام ملفات شبكي واسع الانتشار. في عام 1984، ابتكرت شركة صن مايكروسيستمز نظام الملفات المسمى " نظام ملفات الشبكة " (NFS)، والذي أصبح أول نظام ملفات شبكي قائم على بروتوكول الإنترنت واسع الانتشار . [ 4 ] ومن أنظمة الملفات الشبكية البارزة الأخرى: نظام ملفات أندرو (AFS)، وبروتوكول ملفات أبل (AFP)، وبروتوكول نت وير الأساسي (NCP)، وبروتوكول كتلة رسائل الخادم (SMB) المعروف أيضًا باسم نظام ملفات الإنترنت المشترك (CIFS).

في عام 1986، أعلنت شركة IBM عن دعمها لأنظمة إدارة البيانات الموزعة (DDM) على مستوى العميل والخادم لأجهزة System/36 و System/38 وأجهزة IBM المركزية التي تعمل بنظام CICS . تبع ذلك دعمها لأجهزة IBM الشخصية ، وAS/400 ، وأجهزة IBM المركزية التي تعمل بنظامي التشغيل MVS و VSE ، بالإضافة إلى نظام FlexOS . كما شكلت DDM الأساس لبنية قواعد البيانات العلائقية الموزعة (DRDA).

هناك العديد من بروتوكولات الشبكة من نظير إلى نظير لأنظمة الملفات الموزعة مفتوحة المصدر للسحابة أو أنظمة الملفات العنقودية مغلقة المصدر، على سبيل المثال: 9P ، AFS ، Coda ، CIFS/SMB ، DCE/DFS، WekaFS، [ 7 ] Lustre ، PanFS، [ 8 ] نظام ملفات جوجل ، Mnet ، Chord Project .

أمثلة

وحدة تخزين متصلة بالشبكة

توفر وحدات التخزين المتصلة بالشبكة (NAS) كلاً من التخزين ونظام الملفات، مثل نظام ملفات القرص المشترك فوق شبكة منطقة التخزين (SAN). تستخدم وحدات التخزين المتصلة بالشبكة عادةً بروتوكولات تعتمد على الملفات (بدلاً من البروتوكولات التي تعتمد على الكتل والتي تستخدمها شبكة منطقة التخزين)، مثل NFS (الشائع في أنظمة UNIX )، وSMB/CIFS ( بروتوكول كتلة رسائل الخادم/نظام ملفات الإنترنت المشترك ) (المستخدم مع أنظمة MS Windows)، وAFP (المستخدم مع أجهزة كمبيوتر Apple Macintosh )، أو NCP (المستخدم مع OES و Novell NetWare ).

اعتبارات التصميم

تجنب نقطة الفشل الوحيدة

قد يؤدي تعطل وحدة تخزين أو عقدة تخزين معينة في مجموعة خوادم إلى نقطة فشل واحدة ، مما قد يتسبب في فقدان البيانات أو عدم توفرها. ويمكن توفير تحمل الأعطال والتوافر العالي من خلال نسخ البيانات بأنواعها المختلفة، بحيث تبقى البيانات سليمة ومتاحة حتى في حال تعطل أي جهاز. للاطلاع على أمثلة، راجع قوائم أنظمة الملفات الموزعة المقاومة للأعطال وأنظمة الملفات الموزعة المتوازية المقاومة للأعطال .

أداء

يُعدّ الوقت اللازم لتلبية طلبات الخدمة أحد المقاييس الشائعة لأداء نظام الملفات المُجمّع. في الأنظمة التقليدية، يتألف هذا الوقت من وقت الوصول إلى القرص ووقت معالجة قصير لوحدة المعالجة المركزية . أما في نظام الملفات المُجمّع، فيُضاف إلى الوصول عن بُعد عبء إضافي نظرًا لبنيته الموزعة. يشمل هذا العبء وقت إرسال الطلب إلى الخادم، ووقت إرسال الرد إلى العميل، بالإضافة إلى عبء إضافي لوحدة المعالجة المركزية لتشغيل برنامج بروتوكول الاتصال في كل اتجاه .

التزامن

تُصبح إدارة التزامن مشكلةً عندما يقوم أكثر من شخص أو عميل بالوصول إلى نفس الملف أو الكتلة ويرغبون في تحديثه. لذا، يجب ألا تتعارض تحديثات الملف من عميل واحد مع وصول وتحديثات العملاء الآخرين. وتزداد هذه المشكلة تعقيدًا في أنظمة الملفات نظرًا لعمليات الكتابة المتداخلة المتزامنة، حيث يكتب كُتّاب مختلفون إلى مناطق متداخلة من الملف في وقت واحد. [ 9 ] عادةً ما تُعالج هذه المشكلة من خلال إدارة التزامن أو التأمين، والتي قد تكون مُدمجة في نظام الملفات أو مُقدمة عبر بروتوكول إضافي.

تاريخ

كانت أجهزة IBM المركزية في سبعينيات القرن الماضي قادرة على مشاركة الأقراص المادية وأنظمة الملفات إذا كان لكل جهاز قناة اتصال خاصة به بوحدات التحكم في محركات الأقراص. وفي ثمانينيات القرن الماضي، تضمنت مجموعات TOPS-20 و OpenVMS (VAX/ALPHA/IA64) التابعة لشركة Digital Equipment Corporation أنظمة ملفات أقراص مشتركة. [ 10 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ سيفي، أمينة؛ كوخار، غاريما؛ هسيه، جينوي؛ سيليبيوغلو، أونور (مايو 2005). "تحسين أداء مجموعات الحوسبة عالية الأداء باستخدام أنظمة الملفات المتوازية" (ملف PDF) . حلول ديل للطاقة . شركة ديل . تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 مارس 2019 .
  2. ↑ موكادم، رياض؛ ليتوين، ويتولد؛ شوارتز، توماس (2006). "النسخ الاحتياطي للقرص باستخدام التوقيعات الجبرية في هياكل البيانات الموزعة القابلة للتوسع" (ملف PDF) . مؤتمر DEXA 2006، سبرينغر . تاريخ الاسترجاع: 8 يونيو 2006 .
  3. ↑ سيلبرشاتز، أبراهام؛ جالفين، بيتر؛ غاني، جريج (2009). "مفاهيم أنظمة التشغيل، الطبعة الثامنة" (ملف PDF) . جامعة بابل . جون وايلي وأولاده، الصفحات 705-725 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 6 مارس 2019. تم الاطلاع عليه في 4 مارس 2019 . 
  4. 1 2 أرباتشي-دوسو، رمزي ح.؛ أرباتشي-دوسو، أندريا س. (2014)، نظام ملفات شبكة صن (ملف PDF) ، كتب أرباتشي-دوسو
  5. ↑ ساندبرغ، راسل (1986). "نظام ملفات شبكة صن: التصميم والتنفيذ والتجربة" (ملف PDF) . وقائع مؤتمر ومعرض USENIX التقني لصيف 1986. شركة صن مايكروسيستمز . تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 مارس 2019. صُمم نظام ملفات الشبكة (NFS) لتبسيط مشاركة موارد نظام الملفات في شبكة من الأجهزة غير المتجانسة.
  6. ↑ صبح، طارق (2008). التطورات في علوم وهندسة الحاسوب والمعلومات . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ص 423-440 . Bibcode : 2008acis.book.....S . 
  7. ↑ "أنظمة الملفات الموزعة من ويكا (DFS)" . weka.io. 2021-04-27 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2023-10-12 .
  8. ↑ "نظام الملفات المتوازي PanFS" . panasas.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12-10-2023 .
  9. ↑ بيساخ، يانيف (2013). التخزين الموزع: المفاهيم والخوارزميات والتطبيقات . ISBN 978-1482561043.
  10. ↑ مورفي، دان (1996). "أصول وتطوير TOPS-20" . دان مورفي. خطط طموحة لكوكب المشتري . تم الاطلاع عليه في 6 مارس 2019. في نهاية المطاف ، تم تزويد كل من VMS وTOPS-20 بهذا النوع من القدرات.

للمزيد من القراءة