基于Linux操作系統平臺上的嵌入式網絡存儲器設計詳解

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，網絡存儲器的實現主要包括兩個部分：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(以太網接口)。它采用PCI的方式與以太網相連，是進入LAN(Local Area Network)的通道，在整個系統中負責發送或接收網絡上的數據包。

②存儲器接口。包括兩個方面：一是RAM接口，主要存儲數據，采用PCI接口方式;二是Flash接口，主要存儲操作系統及應用軟件，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據的安全。

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。整個操作系統要求體積比較小、網絡功能比較強、適于裁減、能被嵌入到Flash中，并且有網絡管理和磁盤管理功能。針對這些要求，我們選擇統Linux操作系作為軟件平臺，對其內核進行裁減，從而實現嵌入式網絡存儲器的功能。整個軟件實現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、網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行必要的硬件操作。內存管理負責管理系統的物理內存，實現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中，并在需要使用時再導回到物理內存中。虛擬文件系統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。網絡接口實現了對各種網絡標準網絡硬件的訪問。進程間通信子系統實現了系統內進程間的多種通信機制。

(2)Linux內核的配置

Linux系統的內核采用單塊結構，可以動態地加載和卸載模塊。系統利用內核模塊的可動態裝載和卸載功能，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。因此在具體實現過程中，可以針對要實現的功能對其內核進行裁減，以縮小體積。根據網絡存儲器的硬件實現框圖可以知道，整個系統的硬件接口只包括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Charac ter Device移除，只留下old IDE Device、PCI。另外，文件系統在內核中占了相當大的比例，VFS簡化了檔案系統的設計，Buffer cache、Directory cache增加了系統的效率;但這些對嵌入式系統用處不大，可以移除，內核會減小20KB左右，或者跳過整個VFS，直接將文件系統寫成一個Driver的形式，這樣文件系統可由230KB縮減至50KB左右。在配置Linux內核時，網絡協議的支持是必不可少的。現在，大多數網絡都是以TCP/IP協議為基礎的，并且一般的工作站所選用的操作系統為Windows或Linux系統，因此，要實現其網絡功能，并能夠在不同平臺下實現文件共享，應該選擇對TCP/IP協議、NFS以及Samba協議的支持。

2.2 不同平臺下文件共享的實現

現代PC機中廣為流行的操作系統有兩種：Windows和Linux。這兩種操作系統是依賴于完全不同的技術來提供網絡服務的：Linux操作系統是以傳輸控制協議/網絡協議(TCP/IP)、網絡文件系統(NFS)以及網絡信息服務(NIS)為基礎，提供網絡服務的;而Microsoft則依賴于NetBIOS和服務信息塊(SMB)來提供把數據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網絡鄰居的通信協議)和SMB(Server Messege Block)兩個協議運行于TCP/IP

通信協議之上實現文件共享，并且使用NetBEUI協議，可以讓Windows通過網絡鄰居看到Linux服務器。

①NetBIOS協議：NetBIOS是一個對話層通信服務，通過一種公共的方法為訪問提供應用程序，并且對整個網絡提供服務。它是一個針對如何訪問數據的規范，依靠更低一級的協議，如NetBEUI或TCP/IP等，提供實際傳輸服務的。NetBIOS規范把協議分成三種服務：名字服務、對話服務、數據報服務。名字服務主要校驗該NetBIOS名字是唯一的，刪除不再需要的NetBIOS名字，在NetBIOS名字基礎上確定服務器的網絡地址;對話服務在兩個應用程序之間，提供橫跨NetBIOS網絡的實現通信通道;數據報服務提供廣播信息或在應用程序之間發送信息而無需應答。由于NetBIOS和TCP/IP在主機命名方面使用的是完全不同的系統，前者以字符為基礎，后者以數據為基礎，所以必須把每個NetBIOS名字與IP地址進行匹配。

Samba使用TCP/IP協議來傳輸NetBIOS，把NetBIOS名字解析或IP地址，通常通過三種匹配方式：第一種是把每個對IP地址的請求廣播到節點名字解析的原始NetBIOS，依賴于每個客戶機和服務器，通過網絡去尋找對方;第二種使用本地文件，并加載進入高速緩沖存儲器，以便每個客戶機可以了解哪個名字解析成哪個IP地址;第三種使用NetBIOS名字服務(NBNS)，一個NBNS是一個中央主機，它為一個工作組存儲NetBIOS名字以及與其相對應的IP地址列表，因此，每個工作組上的NetBIOS節點都可以向NBNS請求為它們把名字解析成IP地址。

②SMB協議：SMB協議是一個通過網絡提供并獲得資源的協議，依賴于NetBIOS進行名字解析，為網絡上使用資源提供一個標準的接口。SMB協議對服務器定義了兩種安全模式：共享級和用戶級。共享級服務器在硬盤設備上建立了一些可被訪問的目錄，用戶需要一個密碼來獲得訪問權。因此，網絡上的任何用戶只要知道服務器的名字、資源的名字以及密碼就可以訪問資源了。共享級服務器通過對同一個資源設定不同的密碼，控制用戶的訪問權限。用戶級服務器在硬盤設備上建立可被訪問的目錄，需要用戶提供用戶名及相應的密碼來獲得訪問權。NT服務器和LM/U服務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Samba服務器實際包含了兩個服務器程序：smbd和nmbd。Smbd是Samba的核心，負責建立對話進程、驗證用戶身份、提供對文件系統和打印機的訪問機掉;nmbd實際網絡瀏覽服務器的功能，作用是對外發布Samba服務器可以提供的服務。Nmbd可以使Samba服務器出現在Windows95或WindowsNT的“Network Neighborhood”(網絡鄰居)中，并且客戶機可瀏覽到Samba服務器所共享的資源。啟動Samba服務器進程時，可以完全不運行nmbd，這樣客戶只能看到Samba服務器的NetBIOS名字，卻看不到Samba服務器所提供的服務。

在Samba的軟件包中存在一個smb.conf配置文件，其結構類似于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程序都要參照這個配置文件。整個配置文件分為三節：[global]、[home]、[printers]。[global]節設置全局選項和一些缺省的服務選項;[home]節用來動態地映射到每個用戶的home目錄下;[printers]節用來設置將按照系統printcap文件配置的打印機共享至指定用戶。其中每一節中的配置參數都是一個全局參數或是一個服務參數，全局參數影響或控制整個服務器，服務參數影響或控制服務器提供的某項服務。Samba的配置文件見網絡補充版。管理員可通過Samba的一些命令來管理用戶及用戶的訪問權限，如添加用戶、刪除用戶、改變目錄的訪問權限，也中直接修改smb.conf進行管理。

2.3 不同結構網絡之間文件共享的實現

(1)NFS協議簡介

NFS網絡文件系統是由Sun Microsystems公司最早實現的，用于在不同的操作系統、不同的網絡結構及不同的傳輸協議之間共享文件。NFS協議組包括NFS、RPC、XDR。NFS本身沒提供其它程序可調用的過程，它通過遠程過程調用和通用外部數據表示來實現。遠程過程調用為遠程服務提供一個接口，包括主機地址、程序號及一個遠端進程的進程號，而外部數據表示提供了一套通過網絡描述數據類型的方法。在不同的操作系統中，文件系統的管理方式不同，對于目錄樹的深度、名字的使用以及路徑的表示方法也都有不同的規定。有些操作系統的文件系統處于特定的目錄下面，而有些操作系統用mount操作使所有的文件系統看起來在一個單獨的目錄下。盡管目錄和文件在很多方面都比較類似，但是訪問它們卻須調用不同的程序，因此，NFS假定文件系統是分等級的，并且文件處于最低等級，NFS為目錄提供一個標準的網絡格式以便訪問。在遠程調用中，每次調用只返回一個目錄，這樣解決了不同文件系統之間結構不同的問題。

(2)NFS服務的配置

NFS服務器使用了5個守護進程來提供NFS服務。最基本的提供NFS服務的系統至少要運行nfsd用于處理NFS協議，而mountd用于處理客戶的mount請求。此外，由于NFS使用RPC遠程調用，其它三個RPC守護進程portmap、rpc_lockd、rpc_statd可以用來幫助提供更高效的服務。為了使其它系統也能使用Linux系統上的硬盤空間，在系統啟動時，應載入NFS的守護進程。這需要在rc.conf中更改相應關的參數：nfs_server_enable、rpc_statd_enable、rpc_lockd.enable和portmap_enable，這些參數對應相應的守護進程。這樣，系統啟動之后就具備了能共享文件的能力，接下來的工作是通過更改/etc/exports文件來設置需要共享的目錄以及這些目錄的訪問權了，以保證其安全性。Exports文件的設置如下：

/usr/src/sys-maproot=guest1 ns host2

/usr/ports-ro-network 202.114.1.0

在這里我們使用絕對路徑的方式定義了兩個共享目錄usr/src/sys和/usr/ports，并且對這兩個目錄的訪問權限分別作了不同的限制，以保證其安全性。對于第一個目錄，限制了客戶機上的root用戶等價于本機上的guest1用戶，以避免客戶機上的root用戶擁有這個服務器上的root權力，進行非法操作，此后的ns和host2參數是主機名，只有ns和host2才能共享這個/usr/sys/src目錄。第二行設置共享了/usr/ports目錄，限制為只允許讀取，并且也只有202.114.1.0網絡上的計算機才能訪問這個共享目錄。在更改了exports文件之后，向mountd進程發送一個SIGHUP信號，使其重讀exports文件的內容，這樣關于exports文件的設置才開始生效。