Network Block Device

Ein Network Block Device (engl. für Netzwerk-Blockgerät, abgekürzt NBD) ist eine Art virtuelle Festplatte, auf die ein Rechner via Internetprotokoll zugreifen kann. Das NBD wird von einem NBD-Server bereitgestellt. Er bietet hierfür eine eigene Festplatte, Festplattenpartition oder eine Datei als NBD bestimmten anderen Rechnern (Clients) an. Ein anderer Rechner (oder auch der gleiche) kann sich über eine TCP-Verbindung mit dem NBD-Server verbinden und anschließend das NBD wie eine eigene lokale Festplatte benutzen.

Derzeit existiert nur für Linux eine vollständige NBD-Implementierung. Linux spricht sämtliche Massenspeicher als sogenannte Blockgeräte 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 betriebssystemunabhängig. 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, über 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 Verfügung steht.

Da die Originalversion von NBD einige Schwächen hat (z. B. die Begrenzung auf 4 Gigabyte pro NBD), gibt es verschiedene Erweiterungen, die teilweise als „enhanced NBD“ bezeichnet werden. Diese sind jedoch inkompatibel zum Original-NBD.

Das Protokoll ist ein Binärprotokoll. Sämtliche Mehrbytewerte werden dabei in Network Byte Order gesendet.

Zuerst kommt eine Initialisierungsphase, bei der Daten zwischen dem NBD-Server und dem NBD-Clientprogramm ausgetauscht werden. Dieses Protokoll ist unabhängig vom NBD-Treiber im Linux-Kernel und variiert bei verschiedenen NBD-Implementierungen.

Das alte Handshake-Protokoll unterstützt genau ein Block Device pro Port. Sobald ein Client sich zum NBD-Server verbunden hat, sendet der Server folgende Datenstruktur:

NBD Initialization packet (Server→Client)^[1]

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	Größe des exportierten Blockdevices (in Byte)
24	uint32_t	flags	Flags: Bit 0: Es sind Flags vorhanden Bit 1: Gerät ist read-only Bit 2: Gerät unterstützt „FLUSH“-Befehl zum Leeren von Schreibcaches Bit 3 und 4: ungenutzt Bit 5: Gerät unterstützt den TRIM-Befehl, mit dem das Dateisystem dem Blocklayer freigewordene mitteilen kann
28	char[124]	reserved	Reserviert (Derzeit gefüllt mit Nullbytes)

Akzeptiert der Client den Identifizierungsstring oder die Magic Number nicht, schließt er die Verbindung. Andernfalls gilt die Verbindung als erfolgreich aufgebaut.

Das neue Handshake-Protokoll benutzt den IANA-registrierten Port 10809 und ein anderes Nachrichtenformat, das dem Server erlaubt, über einen TCP-Port mehrere Blockgeräte anzubieten, aus denen der Client über ihren Namen eines auswählen kann. Zusätzlich wurden die 32 Bit flags in 2 16-Bit-Teile aufgespalten, die es erlauben, serverglobale und geräteabhängige Flags zu trennen.

Server Init packet (Server→Client)^[2]

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 (=„IHAVEOPT“)
16	uint16_t	server_flags	Flags, die für den gesamten Server gelten. Üblicherweise haben die Flags den Wert 0003hex. Die Bits bedeuten im Einzelnen: Bit 0 NBD_FLAG_FIXED_NEW_STILE: Gesetztes Bit zeigt an, dass ein bestimmter Handshake-Bug im Server gefixt ist Bit 1 NBD_FLAG_NO_ZEROES: Gesetztes Bit zeigt an, dass die Headernachricht nicht mit 124 Nullbytes aufgefüllt wird

Der Client antwortet mit seinen Flags. Da bisher keine Flags definiert sind, bestehen sie nur aus 32 Nullbits:

Client Init packet (Server→Client)

Offset	Datentyp	Name	Beschreibung
0	uint32_t	client_flags	bisher gleiche Bedeutung wie server_flags, also ebenfalls üblicherweise 0000'0003hex.

Anschließend sendet der Client verschiedene Optionen, die der Server entsprechend akzeptierend oder ablehnend quittiert:

Option packet (Client→Server)

Offset	Datentyp	Name	Beschreibung
0	uint64_t	cliserv_magic	Magic Number 0x49484156454F5054 (=„IHAVEOPT“)
8	uint32_t	option_number	Kennnummer/Typ der Option
12	uint32_t	option_length	Länge der Option (in Bytes)
16	variabel	option_data	Daten der Option (abhängig vom Optionstyp)

Bisher sind 3 Optionen definiert:

NBD Optionen

Name	Wert	Bedeutung
NBD_OPT_EXPORT_NAME	1	Client wählt Namen des Blockgerätes: der Name folgt im option_data-Feld. Diese Option beendet automatisch die Optionsliste. Der Server schickt den geräteabhängigen 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 Blockgeräte

Der Server antwortet auf ein Option Paket mit einem Reply-Paket:

Reply packet (Server→Client)

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	Länge der Antwortdaten
20	variabel	reply_data	Antwortdaten, sofern reply_length > 0

Folgende Antworttypen sind bisher definiert:

Reply types

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 Blockgerätes. Es folgt die Länge des Namens als 32-Bit-Nummer, der Name, und – falls noch Platz im Antwortpaket ist – evtl. weitere beschreibende Details als Klartext.
NBD_REP_ERR_UNSUP	8000 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	8000 0003hex	Der Server hat die Option verstanden, doch sie war syntaktisch ungültig
NBD_REP_ERR_PLATFORM	8000 0004hex	Die Option wird von der Plattform, auf der der Server läuft, nicht unterstützt. (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 Blockgerätes an den Client:

Device Init packet (Server→Client)

Offset	Datentyp	Name	Beschreibung
0	uint64_t	device_size	Größe des exportierten Blockgerätes (in Byte)
8	uint16_t	device_flags	Flags, die für das exportierte Gerät gelten: Bit 0: Es existieren Flags Bit 1: Gerät ist read-only Bit 2: Server & Gerät unterstützen das NBD_CMD_FLUSH-Kommando Bit 3: Server & Gerät unterstützen das NBD_CMD_FLAG_FUA-Flag Bit 4: NBD_FLAG_ROTATIONAL: exportierte Daten liegen auf einem rotierenden Medium (klassische Festplatte), was der Client bei dem Zugriffsmuster auf die Blöcke berücksichtigen kann Bit 5: Server & Gerät unterstützen das NBD_FLAG_SEND_TRIM-Kommand
10	uint8_t[124]	padding	ungenutzt, alle 0

Der NBD-Client leitet die Informationen über die Größe des Blockdevices, eventuelle Flags und den geöffneten Socket über spezielle Systemaufrufe an den Kernel weiter und beendet sich. Der Kernel übernimmt dann die weitere Kommunikation über diesen Socket.

Der Kernel auf Clientseite stellt nun Lese- und Schreibanfragen (Requests) an den Server. Diese haben folgenden Paketaufbau:

NBD Request (Client→Server)^[4]

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	Länge des Datenblocks

Bei Schreibzugriffen folgen unmittelbar darauf die zu schreibenden Daten. Der Server beantwortet jeden Request mit einer Antwort (Reply). Diese hat folgenden Aufbau:

NBD Reply (Server→Client)^[4]

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.

• Loop device: Die gleiche Idee mit einem lokalen Gerät
• iSCSI: Ein konkurrierendes System
• Network File System: Agiert auf einer anderen Ebene, hat dafür aber auch einen weitaus größeren Bekanntheitsgrad

• NBD-Website

1. ↑ Aus dem Quellcode von nbd-2.9.13/cliserv.h
2. ↑ Aus dem Quellcode von nbd-3.2/proto.txt
3. ↑ Wird entgegen der Protokoll-Beschreibung in Host-Byteorder gesendet. Wert vom Client beim Einlesen ignoriert.
4. ↑ ^{a b} Aus dem Header /usr/include/linux/nbd.h