基于Linux的嵌入式網(wǎng)絡存儲器設計
關鍵詞：Linux 網(wǎng)絡存儲器 Samba NFS
隨著現(xiàn)代信息社會的高速發(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)，成為人們關注的一個問題。新的網(wǎng)絡存儲技術的出現(xiàn)，給了人們一個很好的解決方案。它把存儲設備直接連接到網(wǎng)絡上，作為一個瘦的網(wǎng)絡客戶終端設備給用戶提供網(wǎng)絡存儲服務，而且，Web技術的發(fā)展也為其方便、可靠的管理提供了技術保障。
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(wǎng)絡存儲器的實現(xiàn)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(wǎng)接口）。它采用PCI的方式與以太網(wǎng)相連，是進入LAN（Local Area Network）的通道，在整個系統(tǒng)中負責發(fā)送或接收網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)包。
②存儲器接口。包括兩個方面：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(wǎng)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(shù)據(jù)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(tǒng)。整個操作系統(tǒng)要求體積比較小、網(wǎng)絡功能比較強、適于裁減、能被嵌入到Flash中，并且有網(wǎng)絡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)核進行裁減，從而實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡存儲器的功能。整個軟件實現(xiàn)可分為以下幾個部分。
2.1 Linux內(nèi)核的裁減
（1）Linux內(nèi)核簡介
Linux內(nèi)核主要由五部分構成：
進程調度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)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(nèi)核在任意時刻能執(zhí)行必要的硬件操作。內(nèi)存管理負責管理系統(tǒng)的物理內(nèi)存，實現(xiàn)多進程安全地共享計算機的內(nèi)存；另外內(nèi)存管理支持虛擬內(nèi)存，使進程可以使用大于實際物理內(nèi)存的內(nèi)存地址空間，不用的內(nèi)存址空間被導出到文件系統(tǒng)中，并在需要使用時再導回到物理內(nèi)存中。虛擬文件系統(tǒng)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(jié)。網(wǎng)絡接口實現(xiàn)了對各種網(wǎng)絡標準網(wǎng)絡硬件的訪問。進程間通信子系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)進程間的多種通信機制。
（2）Linux內(nèi)核的配置
Linux系統(tǒng)的內(nèi)核采用單塊結構，可以動態(tài)地加載和卸載模塊。系統(tǒng)利用內(nèi)核模塊的可動態(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。因此在具體實現(xiàn)過程中，可以針對要實現(xiàn)的功能對其內(nèi)核進行裁減，以縮小體積。根據(jù)網(wǎng)絡存儲器的硬件實現(xiàn)框圖可以知道，整個系統(tǒng)的硬件接口只包括PCI和IDE兩種接口。在對Linux內(nèi)核進行配置時，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)核中占了相當大的比例，VFS簡化了檔案系統(tǒng)的設計，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)核會減小20KB左右，或者跳過整個VFS，直接將文件系統(tǒng)寫成一個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，網(wǎng)絡協(xié)議的支持是必不可少的?，F(xiàn)在，大多數(shù)網(wǎng)絡都是以TCP/IP協(xié)議為基礎的，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，要實現(xiàn)其網(wǎng)絡功能，并能夠在不同平臺下實現(xiàn)文件共享，應該選擇對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現(xiàn)
現(xiàn)代PC機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來提供網(wǎng)絡服務的：Linux操作系統(tǒng)是以傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡協(xié)議（TCP/IP）、網(wǎng)絡文件系統(tǒng)（NFS）以及網(wǎng)絡信息服務（NIS）為基礎，提供網(wǎng)絡服務的；而Microsoft則依賴于NetBIOS和服務信息塊（SMB）來提供把數(shù)據(jù)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(xiàn)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(wǎng)絡鄰居的通信協(xié)議)和SMB（Server Messege Block）兩個協(xié)議運行于TCP/IP通信協(xié)議之上實現(xiàn)文件共享，并且使用NetBEUI協(xié)議，可以讓Windows通過網(wǎng)絡鄰居看到Linux服務器。
①NetBIOS協(xié)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(wǎng)絡提供服務。它是一個針對如何訪問數(shù)據(jù)的規(guī)范，依靠更低一級的協(xié)議，如NetBEUI或TCP/IP等，提供實際傳輸服務的。NetBIOS規(guī)范把協(xié)議分成三種服務：名字服務、對話服務、數(shù)據(jù)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(wǎng)絡地址；對話服務在兩個應用程序之間，提供橫跨NetBIOS網(wǎng)絡的實現(xiàn)通信通道；數(shù)據(jù)報服務提供廣播信息或在應用程序之間發(fā)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(tǒng)，前者以字符為基礎，后者以數(shù)據(jù)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(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：第一種是把每個對IP地址的請求廣播到節(jié)點名字解析的原始NetBIOS，依賴于每個客戶機和服務器，通過網(wǎng)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(jié)點都可以向NBNS請求為它們把名字解析成IP地址。
②SMB協(xié)議。SMB協(xié)議是一個通過網(wǎng)絡提供并獲得資源的協(xié)議，依賴于NetBIOS進行名字解析，為網(wǎng)絡上使用資源提供一個標準的接口。SMB協(xié)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(wǎng)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(tǒng)和打印機的訪問機掉；nmbd實際網(wǎng)絡瀏覽服務器的功能，作用是對外發(fā)布Samba服務器可以提供的服務。Nmbd可以使Samba服務器出現(xiàn)在Windows95或WindowsNT的“Network Neighborhood”（網(wǎng)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，看不到Samba服務器所提供的些服務。
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(jié)：[global]、[home]、[printers]。[global]節(jié)設置全局選項和一些缺省的服務選項；[home]節(jié)用來動態(tài)地映射到每個用戶的home目錄下；[printers]節(jié)用來設置將按照系統(tǒng)printcap文件配置的打印機共享至指定用戶。其中每一節(jié)中的配置參數(shù)都是一個全局參數(shù)或是一個服務參數(shù)，全局參數(shù)影響或控制整個服務器，服務參數(shù)影響或控制服務器提供的某項服務。Samba的配置文件見網(wǎng)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(wǎng)絡之間文件共享的實現(xiàn)
（1）NFS協(xié)議簡介
NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)是由Sun Microsystems公司最早實現(xiàn)的，用于在不同的操作系統(tǒng)、不同的網(wǎng)絡結構及不同的傳輸協(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(shù)據(jù)表示來實現(xiàn)。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(shù)據(jù)表示提供了一套通過網(wǎng)絡描述數(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(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(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)至少要運行nfsd用于處理NFS協(xié)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(tǒng)也能使用Linux系統(tǒng)上的硬盤空間，在系統(tǒng)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(shù)：nfs_server_enable、rpc_statd_enable、rpc_lockd.enable和portmap_enable，這些參數(shù)對應相應的守護進程。這樣，系統(tǒng)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(shù)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(wǎng)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(fā)送一個SIGHUP信號，使其重讀exports文件的內(nèi)容，這樣關于exports文件的設置才開始生效。
結語
本文提出了一個網(wǎng)絡存儲器的基本解決方案，實現(xiàn)了網(wǎng)絡存儲器的基本功能。整個系統(tǒng)易于安裝，具有可靠性較高，跨平臺、跨網(wǎng)絡的優(yōu)點；同時也存在著一些不足的地方，比如對用戶、磁盤的管理不太方便，這些可通過數(shù)據(jù)庫技術加以改進。
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