郭燕妮，何 杰，張 剛

(太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的增加，人們對簡單快捷易管理易攜帶存儲方式的需求愈加強(qiáng)烈，而網(wǎng)絡(luò)硬盤可以不需要攜帶任何存儲設(shè)備，只要通過網(wǎng)絡(luò)就能隨時隨地對目標(biāo)文件進(jìn)行訪問。

目前，已有眾多企業(yè)推出了各類的網(wǎng)絡(luò)硬盤比如百度網(wǎng)盤、微軟Skydrive、華為網(wǎng)盤等，注冊用戶可以通過賬號密碼隨時隨地訪問自己的已經(jīng)上傳的內(nèi)容，對文件進(jìn)行管理，實現(xiàn)了無存儲設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問，并且不會損壞文件。但是，目前已有的網(wǎng)絡(luò)硬盤均是基于B/S模式的，雖然支持文件的一次性上傳下載及在線瀏覽等功能，但與操作本地文件之間有本質(zhì)區(qū)別，用戶不能在線對文件進(jìn)行編輯保存。此外，該模式的網(wǎng)絡(luò)硬盤還存在安全性能差，對服務(wù)器性能要求高、與服務(wù)器交互性差及存儲數(shù)據(jù)傳輸速度慢等問題。

本文通過FPGA編程設(shè)計實現(xiàn)了一種基于C/S模式的網(wǎng)絡(luò)硬盤，與現(xiàn)有B/S模式網(wǎng)絡(luò)硬盤不同，它是通過客戶端與服務(wù)器進(jìn)行直接相連的，沒有中間環(huán)節(jié)，因此具有響應(yīng)速度快、交互性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)通信量低、易于處理大量數(shù)據(jù)等特點,而且，通過網(wǎng)絡(luò)用戶可以對文件進(jìn)行在線操作。

1 系統(tǒng)簡介及平臺搭建

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

本文設(shè)計實現(xiàn)了一種基于FPGA的C/S模式網(wǎng)絡(luò)硬盤，其系統(tǒng)整體框架如圖1所示，主要包括用戶層、內(nèi)核層和硬件層。其中，用戶層主要完成的是客戶端與服務(wù)器通信；硬件層負(fù)責(zé)對存儲硬盤的操作，可以通過ATA硬盤控制器對上層命令進(jìn)行解析，對硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和存入；內(nèi)核層是用戶層與硬件層之間的連接樞紐，該層可以通過文件系統(tǒng)以及驅(qū)動程序?qū)τ脩魧影l(fā)送的請求進(jìn)行處理并對硬件層硬盤進(jìn)行調(diào)用訪問。

1.2 系統(tǒng)硬件平臺搭建

系統(tǒng)是在XUPV5_LX110T開發(fā)板上外接ATA硬盤以及網(wǎng)線實現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。平臺是以Xilinx公司的XUPV5_LX110T FPGA開發(fā)板為基礎(chǔ)搭建的，通過對開發(fā)板內(nèi)嵌的各個模塊進(jìn)行選擇，然后連接DDR2_SRAM、Hard_Ethernet_MAC、RS232_Uart_1 等 基 本外部設(shè)備，最后添加硬盤控制器IP核，完成系統(tǒng)整體平臺的搭建。其中，核心處理器選擇的是Microblaze軟核處理器。

圖2 硬件平臺

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件層設(shè)計

由于選用的XUPV5_LX110T FPGA開發(fā)板可以提供圖2中的大部分模塊，因此，系統(tǒng)的硬件層主要是對ATA硬盤控制器IP核[1]的設(shè)計。本文通過對ATA/ATAPI-6協(xié)議進(jìn)行分析，用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)對硬盤數(shù)據(jù)進(jìn)行扇區(qū)讀寫操作，其具體模塊結(jié)構(gòu)圖3所示。

圖3 硬盤控制器模塊圖

硬盤控制器按照功能模塊共劃分為BRAM接收和發(fā)送模塊、指令解析模塊、硬盤訪問控制模塊、CRC校驗?zāi)K以及差錯處理模塊。其中，指令解析模塊負(fù)責(zé)對上層發(fā)送的請求進(jìn)行監(jiān)控解析，并觸發(fā)硬盤訪問控制模塊從而對硬盤操作；硬盤訪問控制模塊在接收到觸發(fā)命令后，對基本控制時序進(jìn)行設(shè)置，包括硬盤硬件復(fù)位、硬盤模式設(shè)置、扇區(qū)讀寫等；CRC校驗?zāi)K對讀寫的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗；差錯處理模塊是對錯誤指令或指令執(zhí)行異常的情況進(jìn)行處理。以上所有模塊均是用VHDL語言實現(xiàn)的，并通過仿真調(diào)試及測試。

系統(tǒng)中內(nèi)核層與硬盤之間是以PLB總線掛載的方式互連的，掛載后，可以通過硬盤驅(qū)動程序[2]，以寄存器的方式訪問硬盤數(shù)據(jù)，因此在以上功能模塊設(shè)計以后，要對硬盤控制器按照自定義IP核的方法進(jìn)行IP核封裝來作為外接設(shè)備。

2.2 內(nèi)核層設(shè)計

本系統(tǒng)采用FAT32文件系統(tǒng)[3]對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。為適應(yīng)上層用戶層的調(diào)用，本文對FAT32文件系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)：首先對文件系統(tǒng)信息建立全局變量struct fs_fat32 fatfs，并用 struct node_fat32初始化文件節(jié)點；然后重寫對文件及目錄的操作函數(shù)以適應(yīng)上層NFS的調(diào)用；最后編寫FAT32文件系統(tǒng)的Makefile文件進(jìn)行測試。測試證明可以對文件以及目錄進(jìn)行正確讀寫、修改、刪除等基本操作。

2.3 用戶層設(shè)計

用戶層設(shè)計是系統(tǒng)的核心部分，主要是對NFS服務(wù)器端的設(shè)計。NFS是一種分布式文件系統(tǒng)協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)，用戶可以像訪問本地文件一樣訪問遠(yuǎn)端系統(tǒng)上的文件。因此結(jié)合RPC(Remote Procedure Call，遠(yuǎn)程過程調(diào)用)和 XDR(External Data Representation，外部數(shù)據(jù)表示)，就可以實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)、跨操作系統(tǒng)、跨文件系統(tǒng)的訪問。其中，RPC是可實現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端對服務(wù)器端函數(shù)的調(diào)用。而XDR保證了數(shù)據(jù)格式的一致性。

NFS服務(wù)器端[4]設(shè)計主要是實現(xiàn)一次完整的NFS文件訪問，通過客戶端與服務(wù)器端RPC的Portmap、Mountd、NFSD 3個模塊間的交互完成，其交互的具體過程如圖4所示。在交互過程中，每當(dāng)服務(wù)器端NFSD模塊接收到客戶端請求時，就會對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行XDR解碼處理，并根據(jù)解碼得到的過程號調(diào)用NFSD程序中的過程進(jìn)行操作，NFSD過程會通過調(diào)用底層文件系統(tǒng)對請求進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果進(jìn)行XDR編碼后發(fā)送回客戶端，其具體操作流程如圖5所示。

圖4 NFS時序圖

圖5 NFSD過程處理流程

考慮到NFS整體與內(nèi)核聯(lián)系緊密，可移植性低，因此本文在保持NFS功能的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了簡化設(shè)計及改進(jìn)，首先將 Portmap（RPCbind）、Mountd、NFSD 寫成應(yīng)用程序，采用Linux中混合多端口的異步Socket[5]編程方法。分別基于 TCP和 UDP傳輸協(xié)議對 NFSD、Mountd、Portmap進(jìn)行套接字創(chuàng)建，然后設(shè)置全局變量svc_fdset、fd_set對Socket進(jìn)行管理，并利用select函數(shù)選擇有請求的套接字，最后用recv函數(shù)和send函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。其中，本文對NFSD、Mountd、Portmap這三個進(jìn)程用結(jié)構(gòu)體svc_program進(jìn)行定義，并用結(jié)構(gòu)體中pg_next將各個進(jìn)程加入鏈表，其中，鏈表頭為NFSD程序。在接收到請求后，服務(wù)器端從鏈表頭對鏈表進(jìn)行順序查找，找到需要的服務(wù)，對其按照圖5所示的流程進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)驗證

本系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)移植[6]將軟硬件進(jìn)行整合來完成系統(tǒng)的整體設(shè)計。先下載petalinux-v0.40-final內(nèi)核源碼到虛擬機(jī)“/root/桌面”目錄下移植Petalinux操作系統(tǒng)，然后將硬件平臺信息及硬件工程添加到操作系統(tǒng)中，最后將NFS服務(wù)程序以應(yīng)用程序的形式添加到操作系統(tǒng)內(nèi)核，同時將硬盤控制器封裝為IP核添加到內(nèi)核中。添加完成后對內(nèi)核進(jìn)行編譯并燒寫到開發(fā)板中，運(yùn)行整個系統(tǒng)。

系統(tǒng)運(yùn)行后，打開客戶端，在客戶端輸入掛載命令:sudo mount-t nfs-o nolock 192.168.xx.xx://tmp/nfs,其中，192.168.xx.xx為開發(fā)板IP地址，本文中為192.168.0.10，“/tmp/nfs”為客戶端掛載目錄。測試結(jié)果如圖6所示，圖中在客戶端“/tmp/nfs”中顯示的文件，實際為服務(wù)器端硬盤中的文件，在客戶端nfs目錄下即可打開這些文件，在線對文件進(jìn)行讀寫、修改保存等操作，而且拖動文件即可實現(xiàn)文件下載上傳，速度可達(dá)1.3 MB/s。實驗表明，設(shè)計的基于FPGA的C/S模式網(wǎng)絡(luò)硬盤具有以下優(yōu)勢：（1）交互性強(qiáng)，支持用戶在線操作文件；（2）實用性廣，可進(jìn)行硬盤陣列擴(kuò)展，擴(kuò)大內(nèi)存；（3）兼容性強(qiáng)，C/S模式網(wǎng)絡(luò)硬盤具有與本地硬盤相同的兼容性，不限制存儲文件的格式、大小及存儲時間；（4）安全性高，采取賬號密碼映射IP的方式，存儲文件僅登錄用戶可見。

圖6 客戶端訪問圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于FPGA的C/S模式網(wǎng)絡(luò)硬盤，在XUPV5_LX110T開發(fā)板搭建了系統(tǒng)并驗證通過。結(jié)果表明該種網(wǎng)絡(luò)硬盤具備很好的可行性，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，而且傳輸速度快，支持在線編輯,具有廣泛的應(yīng)用前景及參考價值。

[1]彭維.基于PLB總線的用戶IP核接口技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解（第二版)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3]楊明極，陳方縣，吳學(xué)君.嵌入式系統(tǒng)中 SD卡的 FAT32文件系統(tǒng)的設(shè)計[J].電聲技術(shù)，2010，34(4)：36-39.

[4]劉榮勝.一種基于異步回調(diào)機(jī)制的NFS服務(wù)端設(shè)計與實現(xiàn)[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013(1)：41-43.

[5]STEVENS W R.Linux network programming——Socket[Z].2011.

[6]薛慧敏，武傳華，路后兵.MicroBlaze處理器的 PetaLinux操作系統(tǒng)移植[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11(4)：67-69.