智能網絡磁盤IND軟件設計與實現

摘 要：提出一種新型的智能網絡磁盤存儲技術，適用于TCP／IP通信網絡。該技術可有效地解決存儲設備單點失效問題，提高了數據吞吐率，易于擴展磁盤容量。結合嵌八式技術的發展，詳細討論智能網絡磁盤的數據訪問模塊的軟件結構和關鍵技術，并通過在S3C44BOX開發板上移植uCIinux操作系統和開發應用軟件，實現智能網絡磁盤的數據訪問功能。
關鍵詞：網絡磁盤 ARM S3C44BOX uClinux

引 言
在過去的20年里，存儲系統的發展速度一直較慢。盡管IDE技術、SCSI技術的發展提供了更有效的數據傳輸、更快的磁盤驅動和更大的磁盤容量，但是存儲系統仍然是作為服務器的附屬設備，沒有擺脫服務器／存儲系統的模式，服務器單點失效及瓶頸問題依然存在。吉比特以太網和Fibre Channel技術的出現，使服務器和存儲系統作為對等的實體存在于網絡上成為可能，存儲系統不再依附于服務器，服務器的失效不會導致對存儲系統上數據訪問的失效。

所謂的智能網絡磁盤1ND(Intelligent NetworkDisk)，不是直接連在個人計算機上，而是通過網絡接口連接在網絡上，用戶可通過文件屬性來訪問文件數據。智能網絡磁盤向用戶提供統一的接口，利用元數據為用戶提供面向集合的數據視圖。在物理上，同一集合的數據可能分布在不同的智能網絡磁盤上。存儲時根據元數據決定數據的存儲位置；響應數據訪問請求根據所存儲的元數據定位數據的具體存儲位置，然后向用戶發送數據。智能網絡磁盤可以分為系統軟件和應用軟件兩大部分；系統軟件包括TCP／IP協議棧、文件系統、驅動程序等幾個部分。應用軟件包括數據訪問模塊、數據定位模塊、元數據管理模塊及數據緩存模塊等。數據訪問模塊經過虛擬文件系統訪問存儲在存儲介質上的數據；數據定位模塊根據元數據定位數據具體的存放位置；元數據管理模塊負責元數據的有效性；數據緩存模塊提供訪問數據的緩存機制。企業通過使用智能網絡磁盤，既可以提高企業內部公共數據存儲空間，方便數據共享和管理，又可以減少為了增加存儲空間而增加服務器所花費的代價；另一方面，企業可以減少每臺個人計算機的存儲空間，加大智能網絡磁盤的空間或數量，從整體上降低企業為存儲所花費的代價。

下面詳細介紹智能網絡磁盤的數據訪問模塊及系統軟件部分。

1 硬件設計
智能網絡磁盤硬件設計的核心是Samsung公司的S3C44BOX微處理器。S3C44BOX微處理器主頻為66 MHz，采用ARM7TDMI內核，支持16位的Thumb指令集和32位的ARM指令集；支持8個32 MB的存儲體地址空間。為了降低成本，SaC44BOX提供了豐富的片上設備，包括8 KB Cache、SRAM、LCD控制器、2通道UART、4通道DMA、系統管理器(片選邏輯、FP／EDO／SDRAM控制器)、帶PWM功能的5通道定時器、1個內部定時器、I／O端口、RTC、8通道10位ADC、12C總線接口、12S總線接口、同步SIO接口和PLL倍頻器。在片外為S3C44BOX微處理器增加了2 MB F1ash、8 MB SDRAM、1個IDE接口和1個RTL8019AS以太網通信芯片。Flash主要用于存放BootLoader程序、uClinux內核映像、ROMFS文件系統和應用程序。智能網絡磁盤采用IDE接口硬盤作為存儲介質。普通IDE接口硬盤數據傳輸速率為133 Mbps，遠遠比磁帶機快，有利于數據傳輸；固態存儲器盡管存儲速度快，但其昂貴的價格使其在目前仍不適于海量數據存儲。S3C44BOX開發板的原理框圖如圖1所示。

S3C44BOX微處理器提供25位的地址總線Addr0～Addr24，提供16位的數據總線data0～datal5，因此SaC44BOX支持的最大存儲體空間為32 MB。IDE硬盤與內存之間按照DMA方式進行數據傳送，而以太網卡與內存之間采用中斷方式進行數據傳送。對于S3C44BOX微處理器，SDRAM安排于第6個或第7個bank，地址分別OxOc000000或OxOc800000開始。ATA接口位于第2個bank內，而以太網接口位于第1個bank內。

2 軟件設計
智能網絡磁盤系統軟件功能模塊如圖2所示。IND軟件負責接受請求、請求調度、數據分布管理及數據定位等功能；VFS為虛擬文件系統，為不同的邏輯文件系統提供統一的接口；ROMFS和Ext2為邏輯文件系統。塊設備驅動程序為不同的塊設備提供一個統一的接口，并負責塊設備數據緩存功能；ATA接口驅動程序提供標準的AT總線接口驅動程序；TCP／IP協議和802．3協議組成一個協議棧，使設備可用于以太網，數據可經過Internet傳送；網絡設備經過8019AS芯片連接，為此提供了RTL8019AS芯片驅動程序。

IND軟件模塊響應用戶的讀請求和寫請求，按照先來先服務策略調度請求，統一管理數據在磁盤上的分布視圖。每當有連接請求時，IND軟件模塊就要生成一個輕量級進程，響應連接請求，并根據請求的元數據，決定文件的存儲和讀取集合。客戶與IND智能網絡磁盤之間采用無狀態連接，以減小客戶與網絡磁盤之間連接的復雜性。當打開一個網絡磁盤文件時，數據以一個臨時文件的形式存放在本地系統上，以后的操作都是對本地的臨時文件進行操作，打開完畢后，網絡磁盤上相應的文件對象自動關閉，響應進程死亡。在關閉文件的時候，如果文件被修改過，則寫回網絡磁盤，并且刪除掉本地的臨時文件；如果文件沒有經過修改'則不用進行回寫操作，只在本地刪除掉臨時文件即可。一般情況下，打開文件時要建立一次連接，而關閉文件時可能要建立一次連接，也可能不要。目錄是一種特殊的文件，按照普通文件進行處理。

目前，系統只支持兩種文件系統ROMFS和Ext2。ROMFS是一個小型的ROM文件系統，只能讀不能寫。它包含了需要在uClinux上運行的應用程序，在uClinux操作系統編譯期間被包含進uClinux二進制代碼中。Ext2文件系統安裝于ROMFS文件系統的／var目錄上。系統運行以后，ROMFS文件系統和ext2文件系統在內存中的邏輯關系如圖3所示。帶“*”號的為Ext2文件系統對象，不帶“*”的為ROMFS文件系統對象。

網絡通信采用TCP／IP協議和802．3協議實現。以太網已從一個共享的、低速的拓撲結構發展成為一種高性能的吉比特交換傳輸技術，采用以太網技術有利于網絡磁盤向吉比特以太網上移植。TCP／IP協議是一種開放式的網絡互聯協議，兼容性強，普及程度高，數據可以通過Intemet傳輸。

3 智能網絡磁盤系統軟件的實現
智能網絡磁盤采用uClinux作為操作系統。uClinux是專為不帶MMU的CPU而設計的嵌人式Linux操作系統，具有以下優點：第一，其源碼在GNU公共許可證下是開放的，任何人都可以自由使用和研究；第二，uClinux采用模塊化設計，具有很強的可裁減性，用戶可以根據自己的需要增加或裁減功能模塊；第三，uClinux功能強大，支持多任務操作、TCP／IP協議棧、多種文件系統等功能；第四，uClinux可移植性強，已經成功地移植到各種CPU平臺上．像S3C44BOX、Motorola MC68000、MCF5206和MCF5207ColdFire等；第五，uClintlx還有1個與之相兼容的小型C語言庫uClihc，它與GNUC語言庫glibc兼容，方便用戶開發應用程序。目前，uClinux支持3個Linux內核版本，分別為2．O．x、2．4．x和2．6．x，本設計采用的是2．4．xLinux內核。該內核與IEEE POSIX標準兼容，使得大部分開源代碼不經過修改，只需要簡單編譯一下就可以移植到目標平臺上。

在實現智能網絡磁盤時，先開發了基于S3C44BOX微處理器的系統電路板，然后將uClinux操作系統移植到本電路板上，最后編寫IND軟件。下面主要介紹uClinux操作系統的移植過程和uClinux操作系統的引導過程。

在移植uClinux操作系統時，先要得到一個完整的uClinux操作系統源碼，既可以從網站上下載一個完整的uClinux光盤，也可以從網站上下載必要的源碼，如Linux內核、uClinux補丁程序、uClibc和所需的應用程序源碼。我們下載的是uClinuX_dist一20041215．tar光盤，其中包含對s3C44BOX的支持。其次是要建立交叉編譯開發環境。針對電路板所產生的部分配置內容如下：
#define CONFIG_ARCH_SAMSUNG 1
#deflne DRAM_BASE OxOc000000
#define DRAM_SIZE 0x00800000
#cleftne Flash_MEM_BASE Ox0000000
#define FIash_SIZE0x00200000
#deflne CONFIG_RAMKERNEL 1
#deflne C()NFIG_SPU_NAME″S3C4480X″
#define CONFIG_CPU_S3C44BOX 1
#define CONFIG_CPU_ARM710 1
#define CONFIG_CPU_32v4 1
#defIne CONFIG_CPU_32 1
#defIne CONFIG_No_PGT_CACHE l
#define CoNFIG_CPU_WITH_CACHE 1
#define CONFIG_ARM_CLK(6000000)
#define CoNFIG_SERIAL_S3C4480X 1

從以上內容可以看出，Flash位于S3C44BOX的第0個Bank，地址從Ox00000000到0x00200000，容量為2MB。SDRAM位于第6個Bank，地址從Oxoc000000到0xOc800000，容量為8 MB。S3C44BOX工作頻率為60 MHz，串口采用S3C44BOx片上的一個UART，并在該串口上支持控制臺功能，使得uClinux的啟動輸出信息可以在超級終端上顯示出來。其他的配置包括TCP／IP網絡，10／100 Mbps以太網絡、IDE和ext2文件系統等內容。配置完的uClinux操作系統帶有進程調度模塊、內存管理模塊、ATA接口驅動程序、文件系統、TCP／1P協議棧、網卡驅動等功能。

uClinux配置完成以后即可對uClinux編譯，產生兩個文件：一個是非壓縮的uClinux操作系統二進制代碼uCllnux_bootram．bin，其在SDRAM中工作的起始地址為0xoc008000；另一個是壓縮的uclinux操作系統二進制代碼uClinux_bootrom．bin，通過JTAG線纜燒寫到Flash中，由bootloader程序將其加載到SDRAM中執行。在系統啟動的時候uCIinux_bootrom．bin要先進行解壓縮，存放到SDRAM中，然后跳轉到uClinux操作系統的入口處執行。內核在啟動時要檢查機器的CPU類型和體系結構、初始化CPU、建立RAM頁表和中斷矢量表、加載設備驅動程序。這一切完成之后，uClinux創建最初的init進程，安裝根文件系統ROMFS和ext2磁盤文件系統。最后，操作系統將自動執行IND軟件，等待接收客戶端請求。

uClinux操作系統的引導通過B00tlDader程序完成。從本質上講，它不屬于操作系統內核，針對不同的CPU體系結構，不具有可移植性。本設計所編寫的Bootloader程序在系統啟動時完成以下幾項工作：
①將存放在Flash中壓縮的操作系統內核進行解壓縮，然后復制到從0xoc008000處開始的SDRAM中；
②改寫系統的內存地址鏡像，將RAM的起始地址映射為O；
③設置CPU的sp寄存器，并將內核的BSS段清零；
④設置CPU的pc寄存器，使其值指向內核的起始地址。

4 性能分析
智能網絡磁盤的性能受到系統各個方面的制約，像IND軟件的進程調度策略、局域網的帶寬、ATA總線的帶寬、文件系統的緩存機制和客戶端的緩存機制。這里分析文件系統的緩存機制及系統數據吞吐率，以此對智能網絡磁盤的性能作個初步的衡量。

虛擬文件系統和塊設備驅動程序普遍采用高速緩存技術，將最近最常使用的數據保存在內存中，提高數據在內存中的命中率。文件系統的目錄項對象、索引節點對象、文件對象及vfsmount對象都存在獨立的高速緩存區中，當請求的對象在高速緩存區中，且有效時，就直接從高速緩存區中取出數據發送給客戶；如果所請求的數據不存在，則在高速緩存區中取出一個空閑的對象作為新對象的描述符，這樣可以減少為創建新對象而分配內存所花費的時間，提高系統的效率。對于索引節點對象、目錄項對象及vfsmount對象，為了提高它們的查找效率，這些對象都存在于它們各自的Hash表中。對于塊設備驅動程序使用高速緩存區，可以降低頻繁地讀取存儲設備的次數。對客戶端目錄文件的讀取要采用一定的預取機制，因為對目錄文件的打開比較頻繁，每打開一個目錄，都要建立一次連接，因此，采可行的預取機制可以有效地減少建立連接的次數。

系統性能測試采用BenchMark軟件。硬件測試平臺由智能網絡磁盤、l00MB交換機和24臺客戶機組成。測試文件大小為1 MB，客戶機隨機地向智能網絡磁盤發送讀請求，測試結果如圖4所示。吞吐率表示多用戶請求時單位時間內通過網絡傳輸的數據總量。

從測試結果可以得出，當客戶數逐漸增多時，每個客戶所得到的平均帶寬逐漸漸少。當客戶增加到24個時，每個客戶可得到大約O．3 Mbps的帶寬，可以滿足文件遠程訪問請求。

結 語
本文首先介紹了智能網絡磁盤的硬件開發環境，然后詳細介紹了智能網絡磁盤的軟件模塊及關鍵技術，最后在S3C4480X嵌入式開發板上實現了智能網絡磁盤。客戶端在訪問智能網絡磁盤時，速度還有待進一步提高。這可以從改善網絡環境，提高網卡的速度著手，對客戶端請求的調度策略也可以作為一個方面的研究，其他的功能模塊還需要繼續添加。相信智能網絡磁盤對企業來說是一個好的解決存儲設備問題的方案。