基于LINUX的嵌入式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

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摘要：

    在簡要介紹網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器硬件原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)說明軟件平臺(tái)的構(gòu)建，并對不同網(wǎng)絡(luò)、不同平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)文件存儲(chǔ)提出了相應(yīng)的解決方法。

隨著現(xiàn)代信息社會(huì)的高速發(fā)展，各種類型的數(shù)據(jù)也呈幾何指數(shù)級(jí)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(guān)注的一個(gè)問題。新的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)的出現(xiàn)，給了人們一個(gè)很好的解決方案。它把存儲(chǔ)設(shè)備直接連接到網(wǎng)絡(luò)上，作為一個(gè)瘦的網(wǎng)絡(luò)客戶終端設(shè)備給用戶提供網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)，而且，Web技術(shù)的發(fā)展也為其方便、可靠的管理提供了技術(shù)保障。

1、硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示。
    從圖1可看到，除CPU單元以外，網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)主要包括兩個(gè)部分：I/O接口和存儲(chǔ)器接口。下面以CPU為中心，說明這兩個(gè)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(jìn)入LAN（Local Area Network）的通道，在整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)發(fā)送或接收網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包。
②存儲(chǔ)器接口。包括兩個(gè)方面：一是RAM接口，主要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采用PCI接口方式；二是Flash接口，主要存儲(chǔ)操作系統(tǒng)及應(yīng)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(chǔ)網(wǎng)絡(luò)用戶資料，CPU通過磁盤陣列卡對磁盤陣列進(jìn)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(shè)計(jì)
在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇一個(gè)合適的操作系統(tǒng)。整個(gè)操作系統(tǒng)要求體積比較小、網(wǎng)絡(luò)功能比較強(qiáng)、適于裁減、能被嵌入到Flash中，并且有網(wǎng)絡(luò)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(tái)，對其內(nèi)核進(jìn)行裁減，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器的功能。整個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)可分為以下幾個(gè)部分。

2.1 Linux內(nèi)核的裁減
（1）Linux內(nèi)核簡介
    Linux內(nèi)核主要由五部分構(gòu)成：進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口以及進(jìn)程間通信。進(jìn)程調(diào)度負(fù)責(zé)控制進(jìn)程對CPU的訪問，調(diào)度程序使用一種策略確保所有的進(jìn)程都能公平地訪問CPU，并且確保內(nèi)核在任意時(shí)刻能執(zhí)行必要的硬件操作。內(nèi)存管理負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的物理內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程安全地共享計(jì)算機(jī)的內(nèi)存；另外內(nèi)存管理支持虛擬內(nèi)存，使進(jìn)程可以使用大于實(shí)際物理內(nèi)存的內(nèi)存地址空間，不用的內(nèi)存址空間被導(dǎo)出到文件系統(tǒng)中，并在需要使用時(shí)再導(dǎo)回到物理內(nèi)存中。虛擬文件系統(tǒng)通過將各種設(shè)備抽象為一種公共接口，屏蔽了各種硬件設(shè)備的細(xì)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)了對各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)硬件的訪問。進(jìn)程間通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)程間的多種通信機(jī)制。

（2）Linux內(nèi)核的配置
    Linux系統(tǒng)的內(nèi)核采用單塊結(jié)構(gòu)，可以動(dòng)態(tài)地加載和卸載模塊。系統(tǒng)利用內(nèi)核模塊的可動(dòng)態(tài)裝載和卸載功能，可靈活地在內(nèi)核中添加新的組件或卸載不再需要的內(nèi)核組件。因此在具體實(shí)現(xiàn)過程中，可以針對要實(shí)現(xiàn)的功能對其內(nèi)核進(jìn)行裁減，以縮小體積。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器的硬件實(shí)現(xiàn)框圖可以知道，整個(gè)系統(tǒng)的硬件接口只包括PCI和IDE兩種接口。在對Linux內(nèi)核進(jìn)行配置時(shí)，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(nèi)核中占了相當(dāng)大的比例，VFS簡化了檔案系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(nèi)核會(huì)減小20KB左右，或者跳過整個(gè)VFS，直接將文件系統(tǒng)寫成一個(gè)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(nèi)核時(shí)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持是必不可少的�，F(xiàn)在，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都是以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)功能，并能夠在不同平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)文件共享，應(yīng)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(tái)下文件共享的實(shí)現(xiàn)
    現(xiàn)代PC機(jī)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(shù)來提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的：Linux操作系統(tǒng)是以傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）以及網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)（NIS）為基礎(chǔ)，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的；而Microsoft則依賴于NetBIOS和服務(wù)信息塊（SMB）來提供把數(shù)據(jù)從服務(wù)器傳輸至客戶機(jī)的服務(wù)。因此，我們選用Samba工具來實(shí)現(xiàn)這兩種不同平臺(tái)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(gè)方面的服務(wù)：共享資源和打印機(jī)、名字解析、瀏覽、用戶身份認(rèn)證。通過讓NetBIOS(Windows網(wǎng)絡(luò)鄰居的通信協(xié)議)和SMB（Server Messege Block）兩個(gè)協(xié)議運(yùn)行