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

摘要：在簡(jiǎn)要介紹網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器硬件原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)說(shuō)明軟件平臺(tái)的構(gòu)建，并對(duì)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。 關(guān)鍵詞：Linux 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器 Samba NFS 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(zhǎng)，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(wèn)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(shuō)明這兩個(gè)接口的主要功能。 ①I(mǎi)/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(pán)冗余陣列卡(RAID)接口。包括與CPU的接口和與磁盤(pán)陣列的接口。磁盤(pán)陣列主要用來(lái)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)用戶資料，CPU通過(guò)磁盤(pán)陣列卡對(duì)磁盤(pán)陣列進(jìn)行管理操作，允許一定的冗余來(lái)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(pán)管理功能。針對(duì)這些要求，我們選擇Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，對(duì)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(jiǎn)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(duì)CPU的訪問(wèn)，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(wèn) 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(guò)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(duì)各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)硬件的訪問(wèn)。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(guò)程中，可以針對(duì)要實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(guò)整個(gè)VFS，直接將文件系統(tǒng)寫(xiě)成一個(gè)Driver 的型式，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(duì) 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(lái)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)這兩種不同平臺(tái)下的文件共享。 (1)Samba簡(jiǎn)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(guò)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)行于TCP/IP通信協(xié)議之上實(shí)現(xiàn)文件共享，并且使用NetBEUI協(xié)議，可以讓W(xué)indows通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鄰居看到Linux服務(wù)器。 ①NetBIOS協(xié)議。NetBIOS是一個(gè)對(duì)話層通信服務(wù)，通過(guò)一種公共的方法為訪問(wèn)提供應(yīng)用程序，并且對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。它是一個(gè)針對(duì)如何訪問(wèn)數(shù)據(jù)的規(guī)范，依靠更低一級(jí)的協(xié)議，如NetBEUI或TCP/IP等，提供實(shí)際傳輸服務(wù)的。NetBIOS規(guī)范把協(xié)議分成三種服務(wù)：名字服務(wù)、對(duì)話服務(wù)、數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)。名字服務(wù)主要校驗(yàn)該NetBIOS名字是唯一的，刪除不再需要的NetBIOS名字，在NetBIOS名字基礎(chǔ)上確定服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址;對(duì)話服務(wù)在兩個(gè)應(yīng)用程序之間，提供橫跨NetBIOS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)通信通道;數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)提供廣播信息或在應(yīng)用程序之間發(fā)送信息而無(wú)需應(yīng)答。 由于NetBIOS和TCP/IP在主機(jī)命名方面使用的是完全不同的系統(tǒng)，前者以字符為基礎(chǔ)，后者以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，所以必須把每個(gè)NetBIOS名字與IP 地址進(jìn)行匹配。Samba使用TCP/IP協(xié)議來(lái)傳輸NetBIOS，把NetBIOS名字解析或IP地址，通常通過(guò)三種匹配方式：第一種是把每個(gè)對(duì)IP 地址的請(qǐng)求廣播到節(jié)點(diǎn)名字解析的原始NetBIOS，依賴于每個(gè)客戶機(jī)和服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)去尋找對(duì)方;第二種使用本地文件，并加載進(jìn)入高速緩沖存儲(chǔ)器，以便每個(gè)客戶機(jī)可以了解哪個(gè)名字解析成哪個(gè)IP地址;第三種使用NetBIOS名字服務(wù)(NBNS)，一個(gè)NBNS是一個(gè)中央主機(jī)，它為一個(gè)工作組存儲(chǔ) NetBIOS名字以及與其相對(duì)應(yīng)的IP地址列表，因此，每個(gè)工作組上的NetBIOS節(jié)點(diǎn)都可以向NBNS請(qǐng)求為它們把名字解析成IP地址。 ②SMB協(xié)議。SMB協(xié)議是一個(gè)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供并獲得資源的協(xié)議，依賴于NetBIOS進(jìn)行名字解析，為網(wǎng)絡(luò)上使用資源提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口。SMB協(xié)議對(duì)服務(wù)器定義了兩種安全模式：共享級(jí)和用戶級(jí)。 共享級(jí)服務(wù)器在硬盤(pán)設(shè)備上建立了一些可被訪問(wèn)的目錄，用戶需要一個(gè)密碼來(lái)獲得訪問(wèn)權(quán)。因此，網(wǎng)絡(luò)上的任何用戶只要知道服務(wù)器的名字、資源的名字以及密碼就可以訪問(wèn)資源了。共享級(jí)服務(wù)器通過(guò)對(duì)同一個(gè)資源設(shè)定不同的密碼，控制用戶的訪問(wèn)權(quán)限。 用戶級(jí)服務(wù)器在硬盤(pán)設(shè)備上建立可被訪問(wèn)的目錄，需要用戶提供用戶名及相應(yīng)的密碼來(lái)獲得訪問(wèn)權(quán)。NT服務(wù)器和LM/U服務(wù)器采用這種方式而不支持共享級(jí)訪問(wèn)。相對(duì)共享級(jí)模式，用戶級(jí)更容易管理用戶。 (2)Samba的配置 一個(gè)Samba服務(wù)器實(shí)際包含了兩個(gè)服務(wù)器程序：smbd和nmbd。Smbd是Samba的核心，負(fù)責(zé)建立對(duì)話進(jìn)程、驗(yàn)證用戶身份、提供對(duì)文件系統(tǒng)和打印機(jī)的訪問(wèn)機(jī)掉;nmbd實(shí)際網(wǎng)絡(luò)瀏覽服務(wù)器的功能，作用是對(duì)外發(fā)布Samba服務(wù)器可以提供的服務(wù)。Nmbd可以使Samba服務(wù)器出現(xiàn)在 Windows95或WindowsNT的“Network Neighborhood”(網(wǎng)絡(luò)鄰居)中，并且客戶機(jī)可瀏覽到Samba服務(wù)器所共享的資源。啟動(dòng)Samba服務(wù)器進(jìn)程時(shí)，可以完全不運(yùn)行nmbd，這樣客戶只能看到Samba服務(wù)器的NetBIOS名字，看不到Samba服務(wù)器所提供的些服務(wù)。 在Samba的軟件包中存在一個(gè)smb.conf配置文件，其結(jié)構(gòu)類似于Windows的*.ini文件。RedHat和Debian 中，smb.conf文件的缺省位置是在/etc/下，所有的Samba程序都要參照這個(gè)配置文件。整個(gè)配置文件分為三節(jié)：[global]、 [home]、[printers]。[global]節(jié)設(shè)置全局選項(xiàng)和一些缺省的服務(wù)選項(xiàng);[home]節(jié)用來(lái)動(dòng)態(tài)地映射到每個(gè)用戶的home目錄下; [printers]節(jié)用來(lái)設(shè)置將按照系統(tǒng)printcap文件配置的打印機(jī)共享至指定用戶。其中每一節(jié)中的配置參數(shù)都是一個(gè)全局參數(shù)或是一個(gè)服務(wù)參數(shù)，全局參數(shù)影響或控制整個(gè)服務(wù)器，服務(wù)參數(shù)影響或控制服務(wù)器提供的某項(xiàng)服務(wù)。Samba的配置文件見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版。 管理員可通過(guò)Samba的一些命令來(lái)管理用戶及用戶的訪問(wèn)權(quán)限，如添加用戶、刪除用戶、改變目錄的訪問(wèn)權(quán)限，也中直接修改smb.conf進(jìn)行管理。 2.3 不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間文件共享的實(shí)現(xiàn) (1)NFS協(xié)議簡(jiǎn)介 NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)是由Sun Microsystems公司最早實(shí)現(xiàn)的，用于在不同的操作系統(tǒng)、不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及不同的傳輸協(xié)議之間共享文件。NFS協(xié)議組包括NFS、RPC、 XDR。NFS本身沒(méi)提供其它程序可調(diào)用的過(guò)程，它通過(guò)遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用和通用外部數(shù)據(jù)表示來(lái)實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用為遠(yuǎn)程服務(wù)提供一個(gè)接口，包括主機(jī)地址、程序號(hào)及一個(gè)遠(yuǎn)端進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)，而外部數(shù)據(jù)表示提供了一套通過(guò)網(wǎng)絡(luò)描述數(shù)據(jù)類型的方法。 在不同的操作系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)的管理方式不同，對(duì)于目錄樹(shù)的深度、名字的使用以及路徑的表示方法也都有不同的規(guī)定。有些操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)處于特定的目錄下面，而有些操作系統(tǒng)用mount操作使所有的文件系統(tǒng)看起來(lái)在一個(gè)單獨(dú)的目錄下。盡管目錄和文件在很多方面都比較類似，但是訪問(wèn)它們卻須調(diào)用不同的程序，因此，NFS假定文件系統(tǒng)是分等級(jí)的，并且文件處于最低等級(jí)，NFS為目錄提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)格式以便訪問(wèn)。在遠(yuǎn)程調(diào)用中，每次調(diào)用只返回一個(gè)目錄，這樣解決了不同文件系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)不同的問(wèn)題。 (2)NFS服務(wù)的配置 NFS服務(wù)器使用了5個(gè)守護(hù)進(jìn)程來(lái)提供NFS服務(wù)。最基本的提供NFS服務(wù)的系統(tǒng)至少要運(yùn)行nfsd用于處理NFS協(xié)議，而mountd用于處理客戶的 mount請(qǐng)求。此外，由于NFS使用RPC遠(yuǎn)程調(diào)用，其它三個(gè)RPC守護(hù)進(jìn)程portmap、rpc_lockd、rpc_statd可以用來(lái)幫助提供更高效的服務(wù)。為了使其它系統(tǒng)也能使用Linux系統(tǒng)上的硬盤(pán)空間，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)載入NFS的守護(hù)進(jìn)程。這需要在rc.conf中更改相應(yīng)關(guān)的參數(shù)：nfs_server_enable、rpc_statd_enable、rpc_lockd.enable和portmap_enable，這些參數(shù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的守護(hù)進(jìn)程。這樣，系統(tǒng)啟動(dòng)之后就具備了能共享文件的能力 ，接下來(lái)的工作是通過(guò)更改/etc/exports文件來(lái)設(shè)置需要共享的目錄以及這些目錄的訪問(wèn)權(quán)了，以保證其安全性。Exports文件的設(shè)置如下： /usr/src/sys-maproot=guest1 ns host2 /usr/ports-ro-network 202.114.1.0 在這里我們使用絕對(duì)路徑的方式定義了兩個(gè)共享目錄—/usr/src/sys和/usr/ports，并且對(duì)這兩個(gè)目錄的訪問(wèn)權(quán)限分別作了不同的限制，以保證其安全性。對(duì)于第一個(gè)目錄，限制了客戶機(jī)上的root用戶等價(jià)于本機(jī)上的guest1用戶，以避免客戶機(jī)上的root用戶擁有這個(gè)服務(wù)器上的root 權(quán)力，進(jìn)行非法操作，此后的ns和host2參數(shù)是主機(jī)名，只有ns和host2才能共享這個(gè)/usr/sys/src目錄。第二行設(shè)置共享了/usr /ports目錄，限制為只允許讀取，并且也只有202.114.1.0網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)才能訪問(wèn)這個(gè)共享目錄。在更改了exports文件之后，向 mountd進(jìn)程發(fā)送一個(gè)SIGHUP信號(hào)，使其重讀exports文件的內(nèi)容，這樣關(guān)于exports文件的設(shè)置才開(kāi)始生效。 結(jié)語(yǔ) 本文提出了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器的基本解決方案，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器的基本功能。整個(gè)系統(tǒng)易于安裝，具有可靠性較高，跨平臺(tái)、跨網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn);同時(shí)也存在著一些不足的地方，比如對(duì)用戶、磁盤(pán)的管理不太方便，這些可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)加以改進(jìn)。