基于Linux的嵌入式网络存储器设计

摘要：在简要介绍网络存储器硬件原理的基础上，详细说明软件平台的构建，并对不同网络、不同平台之间实现文件存储提出了相应的解决方法。 关键词：Linux 网络存储器 Samba NFS 随着现代信息社会的高速发展，各种类型的数据也呈几何指数级地增长，如何更有效、更方便、更完全地存取管理这些数据，成为人们关注的一个问题。新的网络存储技术的出现，给了人们一个很好的解决方案。它把存储设备直接连接到网络上，作为一个瘦的网络客户终端设备给用户提供网络存储服务，而且，Web技术的发展也为其方便、可靠的管理提供了技术保障。 1 硬件设计 硬件设计方框图如图1所示。 从图1可看到，除CPU单元以外，网络存储器的实现主要包括两个部分：I/O接口和存储器接口。下面以CPU为中心，说明这两个接口的主要功能。 ①I/O接口。这里指CPU与Ethernet的接口（以太网接口）。它采用PCI的方式与以太网相连，是进入LAN（Local Area Network）的通道，在整个系统中负责发送或接收网络上的数据包。 ②存储器接口。包括两个方面：一是RAM接口，主要存储数据，采用PCI接口方式；二是Flash接口，主要存储操作系统及应用软件，采用并口形式与CPU相连。 ③磁盘冗余阵列卡（RAID）接口。包括与CPU的接口和与磁盘阵列的接口。磁盘阵列主要用来存储网络用户资料，CPU通过磁盘阵列卡对磁盘阵列进行管理操作，允许一定的冗余来保证用户数据的安全。 2 软件设计 在整个软件设计中，应选择一个合适的操作系统。整个操作系统要求体积比较小、网络功能比较强、适于裁减、能被嵌入到Flash中，并且有网络管理和磁盘管理功能。针对这些要求，我们选择Linux操作系统作为软件平台，对其内核进行裁减，从而实现嵌入式网络存储器的功能。整个软件实现可分为以下几个部分。 2.1 Linux内核的裁减 （1）Linux内核简介 Linux内核主要由五部分构成： 进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口以及进程间通信。进程调度负责控制进程对CPU的访问，调度程序使用一种策略确保所有的进程都能公平地访问CPU，并且确保内核在任意时刻能执行必要的硬件操作。内存管理负责管理系统的物理内存，实现多进程安全地共享计算机的内存；另外内存管理支持虚拟内存，使进程可以使用大于实际物理内存的内存地址空间，不用的内存址空间被导出到文件系统中，并在需要使用时再导回到物理内存中。虚拟文件系统通过将各种设备抽象为一种公共接口，屏蔽了各种硬件设备的细节。网络接口实现了对各种网络标准网络硬件的访问。进程间通信子系统实现了系统内进程间的多种通信机制。 （2）Linux内核的配置 Linux系统的内核采用单块结构，可以动态地加载和卸载模块。系统利用内核模块的可动态装载和卸载功能，可灵活地在内核中添加新的组件或卸载不再需要的内核组件。因此在具体实现过程中，可以针对要实现的功能对其内核进行裁减，以缩小体积。根据网络存储器的硬件实现框图可以知道，整个系统的硬件接口只包括PCI和IDE两种接口。在对Linux内核进行配置时，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，文件系统在内核中占了相当大的比例，VFS简化了档案系统的设计，Buffer cache、Directory cache增加了系统的效率；但这些对嵌入式系统用处不大，可以移除，内核会减小20KB左右，或者跳过整个VFS，直接将文件系统写成一个Driver的型式，这样文件系统可由230KB缩减至50KB左右。在配置Linux内核时，网络协议的支持是必不可少的。现在，大多数网络都是以TCP/IP协议为基础的，并且一般的工作站所选用的操作系统为Windows或Linux系统，因此，要实现其网络功能，并能够在不同平台下实现文件共享，应该选择对TCP/IP协议、NFS以及Samba协议的支持。 2.2 不同平台下文件共享的实现 现代PC机中广为流行的操作系统有两种：Windows和Linux。这两种操作系统是依赖于完全不同的技术来提供网络服务的：Linux操作系统是以传输控制协议/网络协议（TCP/IP）、网络文件系统（NFS）以及网络信息服务（NIS）为基础，提供网络服务的；而Microsoft则依赖于NetBIOS和服务信息块（SMB）来提供把数据从服务器传输至客户机的服务。因此，我们选用Samba工具来实现这两种不同平台下的文件共享。 （1）Samba简介 Samba从根本上消除了Windows与Linux之间的屏障，可以提供以下4个方面的服务：共享资源和打印机、名字解析、浏览、用户身份认证。通过让NetBIOS(Windows网络邻居的通信协议)和SMB（Server Messege Block）两个协议运行于TCP/IP通信协议之上实现文件共享，并且使用NetBEUI协议，可以让Windows通过网络邻居看到Linux服务器。 ①NetBIOS协议。NetBIOS是一个对话层通信服务，通过一种公共的方法为访问提供应用程序，并且对整个网络提供服务。它是一个针对如何访问数据的规范，依靠更低一级的协议，如NetBEUI或TCP/IP等，提供实际传输服务的。NetBIOS规范把协议分成三种服务：名字服务、对话服务、数据报服务。名字服务主要校验该NetBIOS名字是唯一的，删除不再需要的NetBIOS名字，在NetBIOS名字基础上确定服务器的网络地址；对话服务在两个应用程序之间，提供横跨NetBIOS网络的实现通信通道；数据报服务提供广播信息或在应用程序之间发送信息而无需应答。 由于NetBIOS和TCP/IP在主机命名方面使用的是完全不同的系统，前者以字符为基础，后者以数据为基础，所以必须把每个NetBIOS名字与IP地址进行匹配。Samba使用TCP/IP协议来传输NetBIOS，把NetBIOS名字解析或IP地址，通常通过三种匹配方式：第一种是把每个对IP地址的请求广播到节点名字解析的原始NetBIOS，依赖于每个客户机和服务器，通过网络去寻找对方；第二种使用本地文件，并加载进入高速缓冲存储器，以便每个客户机可以了解哪个名字解析成哪个IP地址；第三种使用NetBIOS名字服务（NBNS），一个NBNS是一个中央主机，它为一个工作组存储NetBIOS名字以及与其相对应的IP地址列表，因此，每个工作组上的NetBIOS节点都可以向NBNS请求为它们把名字解析成IP地址。 ②SMB协议。SMB协议是一个通过网络提供并获得资源的协议，依赖于NetBIOS进行名字解析，为网络上使用资源提供一个标准的接口。SMB协议对服务器定义了两种安全模式：共享级和用户级。 共享级服务器在硬盘设备上建立了一些可被访问的目录，用户需要一个密码来获得访问权。因此，网络上的任何用户只要知道服务器的名字、资源的名字以及密码就可以访问资源了。共享级服务器通过对同一个资源设定不同的密码，控制用户的访问权限。 用户级服务器在硬盘设备上建立可被访问的目录，需要用户提供用户名及相应的密码来获得访问权。NT服务器和LM/U服务器采用这种方式而不支持共享级访问。相对共享级模式，用户级更容易管理用户。 （2）Samba的配置 一个Samba服务器实际包含了两个服务器程序：smbd和nmbd。Smbd是Samba的核心，负责建立对话进程、验证用户身份、提供对文件系统和打印机的访问机掉；nmbd实际网络浏览服务器的功能，作用是对外发布Samba服务器可以提供的服务。Nmbd可以使Samba服务器出现在Windows95或WindowsNT的“Network Neighborhood”（网络邻居）中，并且客户机可浏览到Samba服务器所共享的资源。启动Samba服务器进程时，可以完全不运行nmbd，这样客户只能看到Samba服务器的NetBIOS名字，看不到Samba服务器所提供的些服务。 在Samba的软件包中存在一个smb.conf配置文件，其结构类似于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程序都要参照这个配置文件。整个配置文件分为三节：[global]、[home]、[printers]。[global]节设置全局选项和一些缺省的服务选项；[home]节用来动态地映射到每个用户的home目录下；[printers]节用来设置将按照系统printcap文件配置的打印机共享至指定用户。其中每一节中的配置参数都是一个全局参数或是一个服务参数，全局参数影响或控制整个服务器，服务参数影响或控制服务器提供的某项服务。Samba的配置文件见网络补充版。 管理员可通过Samba的一些命令来管理用户及用户的访问权限，如添加用户、删除用户、改变目录的访问权限，也中直接修改smb.conf进行管理。 2.3 不同结构网络之间文件共享的实现 （1）NFS协议简介 NFS网络文件系统是由Sun Microsystems公司最早实现的，用于在不同的操作系统、不同的网络结构及不同的传输协议之间共享文件。NFS协议组包括NFS、RPC、XDR。NFS本身没提供其它程序可调用的过程，它通过远程过程调用和通用外部数据表示来实现。远程过程调用为远程服务提供一个接口，包括主机地址、程序号及一个远端进程的进程号，而外部数据表示提供了一套通过网络描述数据类型的方法。 在不同的操作系统中，文件系统的管理方式不同，对于目录树的深度、名字的使用以及路径的表示方法也都有不同的规定。有些操作系统的文件系统处于特定的目录下面，而有些操作系统用mount操作使所有的文件系统看起来在一个单独的目录下。尽管目录和文件在很多方面都比较类似，但是访问它们却须调用不同的程序，因此，NFS假定文件系统是分等级的，并且文件处于最低等级，NFS为目录提供一个标准的网络格式以便访问。在远程调用中，每次调用只返回一个目录，这样解决了不同文件系统之间结构不同的问题。 （2）NFS服务的配置 NFS服务器使用了5个守护进程来提供NFS服务。最基本的提供NFS服务的系统至少要运行nfsd用于处理NFS协议，而mountd用于处理客户的mount请求。此外，由于NFS使用RPC远程调用，其它三个RPC守护进程portmap、rpc_lockd、rpc_statd可以用来帮助提供更高效的服务。为了使其它系统也能使用Linux系统上的硬盘空间，在系统启动时，应载入NFS的守护进程。这需要在rc.conf中更改相应关的参数：nfs_server_enable、rpc_statd_enable、rpc_lockd.enable和portmap_enable，这些参数对应相应的守护进程。这样，系统启动之后就具备了能共享文件的能力 ，接下来的工作是通过更改/etc/exports文件来设置需要共享的目录以及这些目录的访问权了，以保证其安全性。Exports文件的设置如下： /usr/src/sys-maproot=guest1 ns host2 /usr/ports-ro-network 202.114.1.0 在这里我们使用绝对路径的方式定义了两个共享目录—/usr/src/sys和/usr/ports，并且对这两个目录的访问权限分别作了不同的限制，以保证其安全性。对于第一个目录，限制了客户机上的root用户等价于本机上的guest1用户，以避免客户机上的root用户拥有这个服务器上的root权力，进行非法操作，此后的ns和host2参数是主机名，只有ns和host2才能共享这个/usr/sys/src目录。第二行设置共享了/usr/ports目录，限制为只允许读取，并且也只有202.114.1.0网络上的计算机才能访问这个共享目录。在更改了exports文件之后，向mountd进程发送一个SIGHUP信号，使其重读exports文件的内容，这样关于exports文件的设置才开始生效。 结语 本文提出了一个网络存储器的基本解决方案，实现了网络存储器的基本功能。整个系统易于安装，具有可靠性较高，跨平台、跨网络的优点；同时也存在着一些不足的地方，比如对用户、磁盘的管理不太方便，这些可通过数据库技术加以改进。