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

1、基于Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)存儲器設(shè)計(jì)                摘要：在簡要介紹網(wǎng)絡(luò)存儲器硬件原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)說明軟件平臺的構(gòu)建，并對不同網(wǎng)絡(luò)、不同平臺之間實(shí)現(xiàn)文件存儲提出了相應(yīng)的解決方法。        關(guān)鍵詞：Linux 網(wǎng)絡(luò)存儲器 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)級地增

2、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)存儲器的實(shí)現(xiàn)主要包括兩個(gè)部分：I/O接口和存儲器接口。下面以CPU為中心，說明這兩個(gè)接口的主要功能。 &

3、#160;  I/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。    存儲器接口。包括兩個(gè)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(yīng)用軟件，采用并口形式與CPU相連。    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(luò)用戶資料，CPU通過磁盤陣列

4、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，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)

5、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

6、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Ch

7、aracter 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，并能夠在不同平臺下實(shí)

8、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

9、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(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通過網(wǎng)絡(luò)鄰居看到Linux服務(wù)器。    NetBIOS協(xié)議。NetBIOS是

10、一個(gè)對話層通信服務(wù)，通過一種公共的方法為訪問提供應(yīng)用程序，并且對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。它是一個(gè)針對如何訪問數(shù)據(jù)的規(guī)范，依靠更低一級的協(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)送信息而無需應(yīng)答。    由于NetBIOS和TCP/IP在主機(jī)

11、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)議來傳輸NetBIOS，把NetBIOS名字解析或IP地址，通常通過三種匹配方式：第一種是把每個(gè)對IP地址的請求廣播到節(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，通過網(wǎng)絡(luò)去尋找對方；第二種使用本地文件，并加載進(jìn)入高速緩沖存儲器，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NetBIOS名字以及與其相對應(yīng)的IP地址列表，因此，每個(gè)工作組上

12、的NetBIOS節(jié)點(diǎn)都可以向NBNS請求為它們把名字解析成IP地址。    SMB協(xié)議。SMB協(xié)議是一個(gè)通過網(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)議對服務(wù)器定義了兩種安全模式：共享級和用戶級。    共享級服務(wù)器在硬盤設(shè)備上建立了一些可被訪問的目錄，用戶需要一個(gè)密碼來獲得訪問權(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資源了。共享級服務(wù)器通過對同一個(gè)資源設(shè)定不同的密碼，控制用戶的訪問權(quán)限。  

13、60; 用戶級服務(wù)器在硬盤設(shè)備上建立可被訪問的目錄，需要用戶提供用戶名及相應(yīng)的密碼來獲得訪問權(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訪問。相對共享級模式，用戶級更容易管理用戶。    （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)建立對話進(jìn)程、驗(yàn)證用戶身份、提供對文件系統(tǒng)和打印機(jī)的訪問機(jī)掉；nmbd實(shí)際網(wǎng)絡(luò)瀏覽服務(wù)器的功能，作用是對外發(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Wi

14、ndows95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

15、、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)用來動(dòng)態(tài)地映射到每個(gè)用戶的home目錄下；printers節(jié)用來設(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的配置文件見網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版。    管理員可通過Samba的一些命令來管理用戶及用戶的訪問權(quán)限，如添加用戶、刪除用戶、改變目錄的訪問權(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)議簡介