Network Block Device
Ein Network Block Device (engl. fĂŒr Netzwerk-BlockgerĂ€t, abgekĂŒrzt NBD) ist eine Art virtuelle Festplatte, auf die ein Rechner via Internetprotokoll zugreifen kann. Das NBD wird von einem NBD-Server bereitgestellt. Er bietet hierfĂŒr eine eigene Festplatte, Festplattenpartition oder eine Datei als NBD bestimmten anderen Rechnern (Clients) an. Ein anderer Rechner (oder auch der gleiche) kann sich ĂŒber eine TCP-Verbindung mit dem NBD-Server verbinden und anschlieĂend das NBD wie eine eigene lokale Festplatte benutzen.
Derzeit existiert nur fĂŒr Linux eine vollstĂ€ndige NBD-Implementierung. Linux spricht sĂ€mtliche Massenspeicher als sogenannte BlockgerĂ€te an. Wenn ein Linux-Rechner ein Network Block Device nutzen soll, muss NBD support in der Linux-Kernel-Konfiguration aktiviert sein, bzw. das Kernel-Modul nbd.ko geladen sein. Ein Userspace-Hilfsprogramm namens nbd-client stellt nun die TCP-Verbindung zum NBD-Server her, gibt die bestehende Verbindung an den Kernel weiter und beendet sich dann. Dies hat den Vorteil, dass der Kernel sich nicht mit dem Verbindungsaufbau (und einer eventuellen Authentisierung usw.) befassen muss.
Der NBD-Server ist betriebssystemunabhÀngig. Er kann also auch auf einem Nicht-Linux-System laufen, da keine Linux-spezifischen Funktionen benötigt werden. Es existiert ein Programm namens nbd-server, das nichts weiter tut, als eine gegebene Datei (oder Partition etc.) an einem angegebenen TCP-Port bereitzustellen.
Prinzipiell ist es möglich, ĂŒber NBD einen festplattenlosen Rechner zu betreiben, der als einzigen Massenspeicher ein NBD besitzt. Da jedoch zum Aufbau der Verbindung noch ein externes Programm (nbd-client) benötigt wird, ist dies nur mit Konzepten wie der init-ramdisk zu realisieren, einem virtuellen Dateisystem, welches im RAM gehalten wird und im Kernel selbst gespeichert ist, sodass es nach dem Booten zur VerfĂŒgung steht.
Da die Originalversion von NBD einige SchwĂ€chen hat (z. B. die Begrenzung auf 4 Gigabyte pro NBD), gibt es verschiedene Erweiterungen, die teilweise als âenhanced NBDâ bezeichnet werden. Diese sind jedoch inkompatibel zum Original-NBD.
NBD-Protokoll (ab Version 2.6)
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das Protokoll ist ein BinÀrprotokoll. SÀmtliche Mehrbytewerte werden dabei in Network Byte Order gesendet.
Handshake
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Zuerst kommt eine Initialisierungsphase, bei der Daten zwischen dem NBD-Server und dem NBD-Clientprogramm ausgetauscht werden. Dieses Protokoll ist unabhÀngig vom NBD-Treiber im Linux-Kernel und variiert bei verschiedenen NBD-Implementierungen.
Version â€2.9.16
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das alte Handshake-Protokoll unterstĂŒtzt genau ein Block Device pro Port. Sobald ein Client sich zum NBD-Server verbunden hat, sendet der Server folgende Datenstruktur:
| Offset | Datentyp | Name | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 0 | char[8] | INIT_PASSWD | Identifizierungsstring {'N', 'B', 'D', 'M', 'A', 'G', 'I', 'C'} |
| 8 | uint64_t | cliserv_magic | Magic Number 0x00420281861253 |
| 16 | uint64_t | export_size | GröĂe des exportierten Blockdevices (in Byte) |
| 24 | uint32_t | flags | Flags:
|
| 28 | char[124] | reserved | Reserviert (Derzeit gefĂŒllt mit Nullbytes) |
Akzeptiert der Client den Identifizierungsstring oder die Magic Number nicht, schlieĂt er die Verbindung. Andernfalls gilt die Verbindung als erfolgreich aufgebaut.
Version â„ 2.9.17
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das neue Handshake-Protokoll benutzt den IANA-registrierten Port 10809 und ein anderes Nachrichtenformat, das dem Server erlaubt, ĂŒber einen TCP-Port mehrere BlockgerĂ€te anzubieten, aus denen der Client ĂŒber ihren Namen eines auswĂ€hlen kann. ZusĂ€tzlich wurden die 32 Bit flags in 2 16-Bit-Teile aufgespalten, die es erlauben, serverglobale und gerĂ€teabhĂ€ngige Flags zu trennen.
| Offset | Datentyp | Name | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 0 | char[8] | INIT_PASSWD | Identifizierungsstring {'N', 'B', 'D', 'M', 'A', 'G', 'I', 'C'} |
| 8 | uint64_t | cliserv_magic | Magic Number 0x49484156454F5054 (=âIHAVEOPTâ) |
| 16 | uint16_t | server_flags | Flags, die fĂŒr den gesamten Server gelten. Ăblicherweise haben die Flags den Wert 0003hex. Die Bits bedeuten im Einzelnen:
|
Der Client antwortet mit seinen Flags. Da bisher keine Flags definiert sind, bestehen sie nur aus 32 Nullbits:
| Offset | Datentyp | Name | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 0 | uint32_t | client_flags | bisher gleiche Bedeutung wie server_flags, also ebenfalls ĂŒblicherweise 0000'0003hex. |
AnschlieĂend sendet der Client verschiedene Optionen, die der Server entsprechend akzeptierend oder ablehnend quittiert:
| Offset | Datentyp | Name | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 0 | uint64_t | cliserv_magic | Magic Number 0x49484156454F5054 (=âIHAVEOPTâ) |
| 8 | uint32_t | option_number | Kennnummer/Typ der Option |
| 12 | uint32_t | option_length | LĂ€nge der Option (in Bytes) |
| 16 | variabel | option_data | Daten der Option (abhÀngig vom Optionstyp) |
Bisher sind 3 Optionen definiert:
| Name | Wert | Bedeutung |
|---|---|---|
| NBD_OPT_EXPORT_NAME | 1 | Client wÀhlt Namen des BlockgerÀtes: der Name folgt im option_data-Feld. Diese Option beendet automatisch die Optionsliste. Der Server schickt den gerÀteabhÀngigen Teil der Initialisierung (siehe unten). |
| NBD_OPT_ABORT | 2 | Client möchte die Verbindung beenden |
| NBD_OPT_LIST | 3 | Client möchte eine Liste mit den Namen der exportierten BlockgerÀte |
Der Server antwortet auf ein Option Paket mit einem Reply-Paket:
| Offset | Datentyp | Name | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 0 | uint64_t | reply_magic | Magic Number 0x0003e889045565a9 |
| 8 | uint32_t | option_number | Kennnummer/Typ der Option, die beantwortet wird[3] |
| 12 | uint32_t | reply_type | Typ der Antwort |
| 16 | uint32_t | reply_length | LĂ€nge der Antwortdaten |
| 20 | variabel | reply_data | Antwortdaten, sofern reply_length > 0 |
Folgende Antworttypen sind bisher definiert:
| Name | Wert | Bedeutung |
|---|---|---|
| NBD_REP_ACK | 1 | Der Server akzeptiert die Option oder hat keine weiteren Antwortdaten (bei NBD_OPT_LIST) |
| NBD_REP_SERVER | 2 | Beschreibung des BlockgerĂ€tes. Es folgt die LĂ€nge des Namens als 32-Bit-Nummer, der Name, und â falls noch Platz im Antwortpaket ist â evtl. weitere beschreibende Details als Klartext. |
| NBD_REP_ERR_UNSUP | 8000Â 0001hex | Client hat eine unbekannte Option geschickt |
| NBD_REP_ERR_POLICY | 8000 0002hex | Der Server hat die Option verstanden, aber dem Server ist nicht erlaubt, die Option anzunehmen (z. B. NBD_OPT_LIST kann in der Konfigurationsdatei erlaubt oder verboten werden) |
| NBD_REP_ERR_INVALID | 8000Â 0003hex | Der Server hat die Option verstanden, doch sie war syntaktisch ungĂŒltig |
| NBD_REP_ERR_PLATFORM | 8000 0004hex | Die Option wird von der Plattform, auf der der Server lĂ€uft, nicht unterstĂŒtzt. (derzeit ungenutzt) |

Die Aushandelsphase ist abgeschlossen, sobald der Server die NBD_OPT_EXPORT_NAME-Option positiv quittiert hat. Er schickt daraufhin die Kenndaten des exportierten BlockgerÀtes an den Client:
| Offset | Datentyp | Name | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 0 | uint64_t | device_size | GröĂe des exportierten BlockgerĂ€tes (in Byte) |
| 8 | uint16_t | device_flags | Flags, die fĂŒr das exportierte GerĂ€t gelten:
|
| 10 | uint8_t[124] | padding | ungenutzt, alle 0 |
Datenphase
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Der NBD-Client leitet die Informationen ĂŒber die GröĂe des Blockdevices, eventuelle Flags und den geöffneten Socket ĂŒber spezielle Systemaufrufe an den Kernel weiter und beendet sich. Der Kernel ĂŒbernimmt dann die weitere Kommunikation ĂŒber diesen Socket.
Der Kernel auf Clientseite stellt nun Lese- und Schreibanfragen (Requests) an den Server. Diese haben folgenden Paketaufbau:
| Offset | Datentyp | Name | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 0 | uint32_t | magic | Magic Number 0x25609513 |
| 4 | uint32_t | type | 0: Lesezugriff; 1: Schreibzugriff; 2: kontrolliertes Verbindungsende; 3: Flush cache; 4: TRIM-Kommando |
| 8 | char[8] | handle | 8 Bytes, die im Reply identisch mitgeschickt werden, um dieses einem Request zuordnen zu können |
| 16 | uint64_t | from | Offset (in Bytes), ab dem gelesen/geschrieben werden soll |
| 24 | uint32_t | len | LĂ€nge des Datenblocks |
Bei Schreibzugriffen folgen unmittelbar darauf die zu schreibenden Daten. Der Server beantwortet jeden Request mit einer Antwort (Reply). Diese hat folgenden Aufbau:
| Offset | Datentyp | Name | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| 0 | uint32_t | magic | Magic Number 0x67446698 |
| 4 | uint32_t | error | 0=OK (kein Fehler aufgetreten) |
| 8 | char[8] | handle | Kopie des Handles im zugehörigen Request |
Bei Antworten auf Lese-Requests folgen unmittelbar darauf die angeforderten Daten.
Siehe auch
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Loop device: Die gleiche Idee mit einem lokalen GerÀt
- iSCSI: Ein konkurrierendes System
- Network File System: Agiert auf einer anderen Ebene, hat dafĂŒr aber auch einen weitaus gröĂeren Bekanntheitsgrad