互聯(lián)網(wǎng)以及其它與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的各種應(yīng)用飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)上的信息資源呈爆炸型增長趨勢。通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)男畔⒘坎粩嗯蛎?，大量信息需要進(jìn)行處理，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，這對信息存儲系統(tǒng)提出了的要求。近年來，網(wǎng)絡(luò)正成為主要的信息承載和處理模式，通過網(wǎng)絡(luò)的互連來實(shí)現(xiàn)不同用戶間數(shù)據(jù)和文件以及相關(guān)資源的共享成為了當(dāng)今主流。

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)主要有三種：服務(wù)器附屬存儲（SAS, Server Attached Storage）、存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN, Storage Area Network）、網(wǎng)絡(luò)附屬存儲（NAS, Network Attached Storage）。傳統(tǒng)的存儲體系諸如SAS都是存儲設(shè)備通過諸如IDE/SCSI等I/O總線與服務(wù)器相連，當(dāng)客戶連接數(shù)增多時，I/O總線將會成為一個潛在的瓶頸，并且會影響到服務(wù)器本身的功能，嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。因此，脫離于服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)逐漸成為近年來上比較熱門的一個研究方向。數(shù)據(jù)存儲從以服務(wù)器為中心的存儲方式轉(zhuǎn)變到以網(wǎng)絡(luò)為和中心的網(wǎng)絡(luò)核心存儲架構(gòu)。NAS則成為存儲網(wǎng)絡(luò)化的重要存儲模式之一。

NAS系統(tǒng)是一個具有專一功能的網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接連接，使客戶機(jī)與存儲器之間直接傳送數(shù)據(jù)。本文提出采用具有低成本優(yōu)勢的ARM片上處理系統(tǒng)EP9315和穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)性能的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低成本、即插即用、管理和設(shè)置簡單的網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)。

NAS系統(tǒng)概述

NAS是一種將以太網(wǎng)技術(shù)和即插即用技術(shù)結(jié)合起來的存儲方案。它把存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口集成在一起，直接通過網(wǎng)絡(luò)存取數(shù)據(jù)，使其成為的網(wǎng)絡(luò)文件存儲及文件備份設(shè)備。NAS設(shè)備有自己的IP地址，可以放在任何的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境當(dāng)中，通過物理鏈路和網(wǎng)絡(luò)連接，這樣NAS設(shè)備無需應(yīng)用服務(wù)器的干預(yù)，用戶直接在網(wǎng)絡(luò)上存取數(shù)據(jù)，使應(yīng)用服務(wù)器大大降低I/O負(fù)荷，減小了CPU的開銷。

由于NAS主要是實(shí)現(xiàn)存儲功能，目標(biāo)單一，使得我們可以設(shè)計好的方案用于優(yōu)化存儲，盡量避免I/O瓶頸，從而獲得更高的存儲效率、更低的存儲成本。NAS設(shè)備一般支持多計算機(jī)平臺，不同操作系統(tǒng)平臺上的用戶通過網(wǎng)絡(luò)支持協(xié)議可以調(diào)用同一文檔，其中SMB格式是用于Windows和Linux之間的文件共享。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用Cirrus Logic公司的ARM9系列的32位微處理器EP9315作為主控制器，Micrel公司的KS8721BL作為以太網(wǎng)PHY接口芯片。

1. EP9315主要特性介紹

EP9315內(nèi)嵌運(yùn)行于200MHz的ARM920T微處理器內(nèi)核，內(nèi)核工作電壓1.8V，輸入/輸出電壓3.3V；內(nèi)部集成了一個高性能的1/10/100Mbps以太網(wǎng)MAC，通過與支持MII接口的外置PHY接口簡單連接，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)高性能、低開銷的互聯(lián)網(wǎng)訪問功能。EP9315的IDE接口可以支持與兩個ATAPI工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容設(shè)備的連接，支持主模式和從模式，其內(nèi)部的DMA控制器支持Multiword DMA和Ultra DMA模式的數(shù)據(jù)傳輸。

EP9315其它的特性還包括：帶通用存儲器接口（SDRAM、SRAM、ROM和閃存）、Raster/LCD接口、12位A/D轉(zhuǎn)換器的觸摸屏接口、鍵盤接口、UART接口、3通道USB2.0全速主口、12通道DMA控制器等。其豐富的外圍接口大大降低了系統(tǒng)開發(fā)費(fèi)用。

2. 硬件電路

NAS系統(tǒng)核心器件設(shè)計框圖如圖1所示。其中主要部分功能描述如下：

a.SDRAM存儲器為系統(tǒng)程序的運(yùn)行空間，系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)、堆棧均位于SDRAM存儲器中；

b.閃存用于存放用戶應(yīng)用程序、嵌入式Linux操作系統(tǒng)及其其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等；

c.EIDE接口實(shí)現(xiàn)IDE硬盤的接入；

d.1/10/100Mbps以太網(wǎng)物理層接口為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道，本系統(tǒng)通過該接口接上以太網(wǎng)PHY接口芯片KS8721，來實(shí)現(xiàn)高速的以太網(wǎng)接入，大大簡化了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。

                                        圖1：NAS系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

NAS系統(tǒng)的軟件設(shè)計

作為NAS設(shè)備zui重要是存儲，要實(shí)現(xiàn)這個功能，NAS設(shè)備需要具備幾種功能：軟件管理協(xié)調(diào)功能、網(wǎng)絡(luò)功能、數(shù)據(jù)讀取功能和設(shè)備驅(qū)動功能，所以其軟件模塊可以按照這幾個功能來劃分。整個系統(tǒng)中必須有一個核心操作系統(tǒng)，作為對硬件的管理、軟件的協(xié)調(diào)執(zhí)行，并對外部調(diào)用提供API。在核心操作系統(tǒng)之上是外部硬件設(shè)備的驅(qū)動模塊，使硬件能正常地工作，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供基本條件。因為NAS是網(wǎng)絡(luò)存儲方案之一，所以要更多地考慮對網(wǎng)絡(luò)和存儲兩方面功能的支持，在設(shè)備驅(qū)動模塊之上是對一些基本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）的支持和對網(wǎng)絡(luò)存儲服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訪問的文件共享協(xié)議（如服務(wù)器消息塊（SMB））的支持。zui上層的是應(yīng)用模程序塊，包括很多應(yīng)用服務(wù)（如遠(yuǎn)程管理和用戶驗證等服務(wù)）。NAS系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

                                     圖2：NAS系統(tǒng)軟件架構(gòu)

下面從操作系統(tǒng)與設(shè)備驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持、應(yīng)用程序三個方面討論NAS系統(tǒng)的軟件設(shè)計：

1. 嵌入式Linux操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動程序

嵌入式Linux是在標(biāo)準(zhǔn)的Linux基礎(chǔ)上，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕?、裁剪，然后加入一些特定的功能，形成一個精巧的、的、滿足特定應(yīng)用需求的（定制）操作系統(tǒng)，它具有用戶可裁剪、可配置的特點(diǎn)。NAS系統(tǒng)zui重要的是存儲，通過對Linux的裁剪，去掉許多通用的功能，使其成為一個于存儲、精簡、的操作系統(tǒng)。

進(jìn)入Linux內(nèi)核源代碼目錄，注意之前要打上Cirrus Logic的內(nèi)核補(bǔ)丁文件，實(shí)現(xiàn)對EP9315的支持。當(dāng)完成內(nèi)核的配置后，需要編譯Linux內(nèi)核，生成可運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)上的內(nèi)核映像文件。之后制作根文件系統(tǒng)以支持系統(tǒng)與用戶交互。通過不斷的配置、編譯，產(chǎn)生合適的嵌入式Linux內(nèi)核，使之在功能和大小之間取得一個優(yōu)化的結(jié)果，滿足本系統(tǒng)的需要。在Linux中，將各種設(shè)備大致分為3種基本類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

嵌入式系統(tǒng)的差異性決定了系統(tǒng)不但需要進(jìn)行特定硬件的設(shè)計，同時需要編寫相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，它是內(nèi)核用于完成對物理設(shè)備的控制操作的功能模塊。除了CPU、內(nèi)存以及其他很少的幾個部分之外，所有的設(shè)備控制操作都必須由被控設(shè)備相關(guān)的代碼，也就是驅(qū)動程序來完成。

2. 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和共享支持設(shè)計

Windows和Linux平臺之間的文件格式是*不同的，Linux不能對Window用戶直接提供基本服務(wù)。接口工具Samba從根本上消除了Windows與Linux之間的屏障。Samba是一套用于Linux和UNIX的軟件，通過SMB協(xié)議提供文件和打印服務(wù)。

Samba的工作原理是讓NetBIOS（Windows網(wǎng)絡(luò)鄰居的通訊協(xié)議）和SMB這兩個協(xié)議運(yùn)行于TCP/IP通信協(xié)議之上。其中zui重要的就是SMB協(xié)議，這是一個用于不同計算機(jī)之間共享打印機(jī)、串行口和通訊抽象的協(xié)議，在所有的Microsoft Windows系列操作系統(tǒng)中被廣為應(yīng)用。NetBIOS是一個對話通信服務(wù)，它通過一種公共的方法為訪問提供應(yīng)用程序，并且對整個網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。它實(shí)際上為應(yīng)用程序提供了一種公共的語言來進(jìn)行通信。NetBIOS是一個針對如何訪問數(shù)據(jù)的規(guī)范，并沒有對兩個應(yīng)用程序之間的實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)提供方法，它依靠更低一級的協(xié)議，比如TCP/IP，來提供實(shí)際的傳輸服務(wù)。

Samba專門使用TCP/IP協(xié)議來傳輸NetBIOS，在Samba程序中，SMB依賴NetBIOS進(jìn)行名字解析，通過網(wǎng)絡(luò)提供和獲得資源。當(dāng)運(yùn)行Samba服務(wù)器時，Windows用戶就可以登陸至你的Linux機(jī)器并且用你賦予它們的權(quán)限與UNIX文件系統(tǒng)進(jìn)行雙向的交流。

3. 系統(tǒng)應(yīng)用程序軟件設(shè)計

NAS設(shè)備本身一般沒有顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等這些與人交互的外設(shè)，那么通過什么途徑使系統(tǒng)管理員完成對這樣一個“黑箱”的配置和管理呢？基于Web的管理是目前在NAS系統(tǒng)管理中用的zui多、zui方便的方式之一。對于支持Web管理的NAS系統(tǒng)，系統(tǒng)管理員可以在任意一臺客戶機(jī)上使用標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器對其進(jìn)行各種應(yīng)用和管理的操作。

在Web管理功能部分我們實(shí)現(xiàn)了如下功能：磁盤管理、用戶和組管理、網(wǎng)絡(luò)配置、系統(tǒng)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)共享、硬件設(shè)置。

我們在搭建NAS應(yīng)用和管理軟件平臺時，基于Web方式建立了兩種應(yīng)用模塊，一種是面向客戶端的，為客戶提供一個訪問NAS系統(tǒng)，并在系統(tǒng)上存取數(shù)據(jù)、管理文件的平臺。另一種是面向NAS系統(tǒng)管理員的，通過這個管理的平臺，管理員可以實(shí)現(xiàn)對NAS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理（見圖3）。

                                  圖3：NAS系統(tǒng)的Web管理和應(yīng)用流程圖

我們將客戶端的入口和管理員的入口集合到一個NAS系統(tǒng)的主界面中，通過選擇不同入口進(jìn)入不同的操作。NAS的用戶進(jìn)入客戶端后，被提示輸入用戶名和密碼，并將填寫后的表單提交給Web服務(wù)器，與Linux系統(tǒng)中保存的用戶信息進(jìn)行比較。如果是合法用戶，驗證通過后就會進(jìn)入為此用戶的文件目錄，用戶僅可以在此目錄中進(jìn)行文件的存儲和管理操作，不會涉及到其他用戶的文件。同樣其他用戶進(jìn)入客戶端后也看不見此用戶的信息，用戶間是相互隔離、互不干擾的，起到了數(shù)據(jù)保護(hù)的作用，防止了某些用戶蓄意破壞其他用戶的數(shù)據(jù)。如果選擇管理員端，同樣也會先要輸入管理員名和密碼。通過驗證后，將進(jìn)入NAS的管理界面。

本文小結(jié)

本設(shè)計方案基于EP9315實(shí)現(xiàn)了一個基本的NAS系統(tǒng)，其采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)性能強(qiáng)大、穩(wěn)定，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議和SMB文件共享協(xié)議，加以完善就可以作為中小型用戶的存儲系統(tǒng)方案。本項目便于對ARM9微處理器和嵌入式開發(fā)做更深入的實(shí)踐研究，推動了ARM微處理器更廣泛的應(yīng)用，也為網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)的發(fā)展提供了方向。