基于LINUX的嵌入式網(wǎng)絡存儲器設計

--------------------------------------------------------------------------------

摘要：

    在簡要介紹網(wǎng)絡存儲器硬件原理的基礎上，詳細說明軟件平臺的構建，并對不同網(wǎng)絡、不同平臺之間實現(xiàn)文件存儲提出了相應的解決方法。

隨著現(xiàn)代信息社會的高速發(fā)展，各種類型的數(shù)據(jù)也呈幾何指數(shù)級地增長，如何更有效、更方便、更完全地存取管理這些數(shù)據(jù)，成為人們關注的一個問題。新的網(wǎng)絡存儲技術的出現(xiàn)，給了人們一個很好的解決方案。它把存儲設備直接連接到網(wǎng)絡上，作為一個瘦的網(wǎng)絡客戶終端設備給用戶提供網(wǎng)絡存儲服務，而且，Web技術的發(fā)展也為其方便、可靠的管理提供了技術保障。

1、硬件設計
硬件設計方框圖如圖1所示。
    從圖1可看到，除CPU單元以外，網(wǎng)絡存儲器的實現(xiàn)主要包括兩個部分：I/O接口和存儲器接口。下面以CPU為中心，說明這兩個接口的主要功能。

①I/O接口。這里指CPU與Ethernet的接口（以太網(wǎng)接口）。它采用PCI的方式與以太網(wǎng)相連，是進入LAN（Local Area Network）的通道，在整個系統(tǒng)中負責發(fā)送或接收網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)包。
②存儲器接口。包括兩個方面：一是RAM接口，主要存儲數(shù)據(jù)，采用PCI接口方式；二是Flash接口，主要存儲操作系統(tǒng)及應用軟件，采用并口形式與CPU相連。

③磁盤冗余陣列卡（RAID）接口。包括與CPU的接口和與磁盤陣列的接口。磁盤陣列主要用來存儲網(wǎng)絡用戶資料，CPU通過磁盤陣列卡對磁盤陣列進行管理操作，允許一定的冗余來保證用戶數(shù)據(jù)的安全。

2、軟件設計
在整個軟件設計中，應選擇一個合適的操作系統(tǒng)。整個操作系統(tǒng)要求體積比較小、網(wǎng)絡功能比較強、適于裁減、能被嵌入到Flash中，并且有網(wǎng)絡管理和磁盤管理功能。針對這些要求，我們選擇Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺，對其內核進行裁減，從而實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡存儲器的功能。整個軟件實現(xiàn)可分為以下幾個部分。

2.1 Linux內核的裁減
（1）Linux內核簡介
    Linux內核主要由五部分構成：進程調度、內存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡接口以及進程間通信。進程調度負責控制進程對CPU的訪問，調度程序使用一種策略確保所有的進程都能公平地訪問CPU，并且確保內核在任意時刻能執(zhí)行必要的硬件操作。內存管理負責管理系統(tǒng)的物理內存，實現(xiàn)多進程安全地共享計算機的內存；另外內存管理支持虛擬內存，使進程可以使用大于實際物理內存的內存地址空間，不用的內存址空間被導出到文件系統(tǒng)中，并在需要使用時再導回到物理內存中。虛擬文件系統(tǒng)通過將各種設備抽象為一種公共接口，屏蔽了各種硬件設備的細節(jié)。網(wǎng)絡接口實現(xiàn)了對各種網(wǎng)絡標準網(wǎng)絡硬件的訪問。進程間通信子系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)內進程間的多種通信機制。

（2）Linux內核的配置
    Linux系統(tǒng)的內核采用單塊結構，可以動態(tài)地加載和卸載模塊。系統(tǒng)利用內核模塊的可動態(tài)裝載和卸載功能，可靈活地在內核中添加新的組件或卸載不再需要的內核組件。因此在具體實現(xiàn)過程中，可以針對要實現(xiàn)的功能對其內核進行裁減，以縮小體積。根據(jù)網(wǎng)絡存儲器的硬件實現(xiàn)框圖可以知道，整個系統(tǒng)的硬件接口只包括PCI和IDE兩種接口。在對Linux內核進行配置時，可把Floppy、SMP、MTRR、SCSI及所有的Block Device和Character Device移除，只留下old IDE Device、PCI。另外，文件系統(tǒng)在內核中占了相當大的比例，VFS簡化了檔案系統(tǒng)的設計，Buffer cache、Directory cache增加了系統(tǒng)的效率；但這些對嵌入式系統(tǒng)用處不大，可以移除，內核會減小20KB左右，或者跳過整個VFS，直接將文件系統(tǒng)寫成一個Driver的形式，這樣文件系統(tǒng)可由230KB縮減至50KB左右。在配置Linux內核時，網(wǎng)絡協(xié)議的支持是必不可少的�，F(xiàn)在，大多數(shù)網(wǎng)絡都是以TCP/IP協(xié)議為基礎的，并且一般的工作站所選用的操作系統(tǒng)為Windows或Linux系統(tǒng)，因此，要實現(xiàn)其網(wǎng)絡功能，并能夠在不同平臺下實現(xiàn)文件共享，應該選擇對TCP/IP協(xié)議、NFS以及Samba協(xié)議的支持。

2.2 不同平臺下文件共享的實現(xiàn)
    現(xiàn)代PC機中廣為流行的操作系統(tǒng)有兩種：Windows和Linux。這兩種操作系統(tǒng)是依賴于完全不同的技術來提供網(wǎng)絡服務的：Linux操作系統(tǒng)是以傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡協(xié)議（TCP/IP）、網(wǎng)絡文件系統(tǒng)（NFS）以及網(wǎng)絡信息服務（NIS）為基礎，提供網(wǎng)絡服務的；而Microsoft則依賴于NetBIOS和服務信息塊（SMB）來提供把數(shù)據(jù)從服務器傳輸至客戶機的服務。因此，我們選用Samba工具來實現(xiàn)這兩種不同平臺下的文件共享。

(1）Samba簡介
    Samba從根本上消除了Windows與Linux之間的屏障，可以提供以下4個方面的服務：共享資源和打印機、名字解析、瀏覽、用戶身份認證。通過讓NetBIOS(Windows網(wǎng)絡鄰居的通信協(xié)議)和SMB（Server Messege Block）兩個協(xié)議運行