農(nóng)麗萍，呂嘉嘉，梁梓辰，黃一平

（1.廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541000；2.廣西師范大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣西 桂林 541000；3.廣西師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541000）

0 引 言

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的普及，數(shù)據(jù)流量不斷增多，用戶對云盤的需求越來越高。2020年百度網(wǎng)盤人均數(shù)據(jù)存儲量[1]超過200 GB，數(shù)據(jù)量增長快速。近年來，云盤數(shù)據(jù)泄露事件很常見[2]，公有云盤存儲不安全且下載速度慢的問題也逐漸暴露出來，而個人網(wǎng)盤的核心場景主要基于個人存儲和中小企業(yè)辦公以及家庭娛樂等場景拓展[3]。伴隨著存儲設(shè)備的增多，能耗也在不斷增長。在國內(nèi)，2021年數(shù)據(jù)中心總耗電量已達(dá)到2 000億kW·h，預(yù)計在2025年國內(nèi)數(shù)據(jù)中心總能耗[4]將超過3 000億kW·h。綜上所述，個人或者企業(yè)通常將數(shù)據(jù)存儲在云盤或者個人網(wǎng)盤。網(wǎng)盤容易造成數(shù)據(jù)泄露，且不開通會員下載速度比較慢；云盤后臺服務(wù)器長期不斷電，容易造成能源浪費(fèi)；個人網(wǎng)盤使用百兆網(wǎng)卡，傳輸速度慢，而且無法遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)，長期通電，浪費(fèi)電能，配置繁瑣，使用不便捷。因此，開發(fā)一款安全、高效、節(jié)能、便捷的存儲設(shè)備對人們的生活具有重要意義。本文提出一種安全、節(jié)能的私有存儲設(shè)備，搭載Ubuntu 系統(tǒng)和SFTP 服務(wù)器[5]，可保證數(shù)據(jù)傳輸安全[6]；搭載千兆網(wǎng)卡，確保高速傳輸；配置遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)模塊[7-8]，確保設(shè)備節(jié)能[9]和數(shù)據(jù)安全。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

本文的私有存儲設(shè)備由RTD1296 核心模塊、ESP32輔助控制模塊、WiFi 傳輸模塊、千兆以太網(wǎng)模塊、硬盤存儲模塊、USB 模塊、電源模塊等組成。RTD1296 作為核心控制模塊，主要控制數(shù)據(jù)傳輸以及服務(wù)器各種協(xié)議的運(yùn)行等，不需要傳輸文件時，可以斷電關(guān)機(jī)，節(jié)省能源，防止黑客竊取文件信息。RTD1296 搭載了Uboot、Ubuntu 系統(tǒng)[10-12]、Nginx 服務(wù)器、SFTP 服務(wù)器[13]、NAT 服務(wù)器等。ESP32 模塊的功能包含AirKiss+ESPTouch 智能配網(wǎng)、MQTT 遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)[14]、藍(lán)牙通信等，由專用的APP 控制。私有存儲系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1 所示。

圖1 私有存儲系統(tǒng)整體設(shè)計

本文系統(tǒng)的基本框架層次主要由硬件環(huán)境、硬件接口驅(qū)動、操作系統(tǒng)、傳輸協(xié)議以及上層的應(yīng)用軟件組成，如圖2 所示。

圖2 本文系統(tǒng)基本框架層次

2 硬件環(huán)境

本文使用RTD1296 作為核心控制芯片。RTD1296集成四核ARMCortex-A53 MPcore，最高工作頻率為1.5 GHz，能在開源智能路由器中使用；支持多種外圍設(shè)備，包括HDMI/TX、Mini DP、PCI 2.0、PCI 1.1、SDIO、m.2接口、USB 2.0、USB 3.0、SATA 端口、2 Gb/s 以太網(wǎng)端口，還支持通過PCI-e 端口連接IEEE 802.11 AC/n WLAN。本方案使用ESP32 作為輔助芯片，ESP32 是Espressif 樂鑫信息科技推出的一塊WiFi 芯片，雙核32 位MCU、2.4 GHz 雙模WiFi 和藍(lán)牙芯片，兩個CPU 核可以單獨(dú)控制或者上電。ESP32 使用板載天線，接收信號能力強(qiáng)；ESP32 控制RTD1296 和磁盤電源的使能端，控制其開關(guān)機(jī)。 使用RTL8822BE 作為WiFi 網(wǎng)卡，使用IEEE 802.11ac 標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)計自帶2 個SATAⅢ接口，可以保證硬盤的存儲速度，SATAⅢ的傳輸速度可以達(dá)到6 Gb/s，理論上是SATAⅡ的2 倍。本設(shè)計采用合適的固件模塊以及相應(yīng)的驅(qū)動，使操作系統(tǒng)和驅(qū)動能夠更好地適配各個硬件模塊。圖3 所示為硬件模塊連接結(jié)構(gòu)圖。

圖3 硬件模塊連接結(jié)構(gòu)圖

如圖3 所示，RTD1296 通過千兆以太網(wǎng)或者RTL8822BE 連接互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)存儲在SATA 接口的硬盤中。

3 軟件環(huán)境

本設(shè)計使用RTD1296 芯片搭載嵌入式Ubuntu 系統(tǒng)[15]和SFTP 服務(wù)器，將數(shù)據(jù)加密傳輸；使用Nginx 服務(wù)器防止其他客戶端登錄；使用ZeroTier 異地組網(wǎng)技術(shù)，虛擬組建局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透。ESP32 主要實(shí)現(xiàn)AIRKISS+ESPTOUCH 配網(wǎng)技術(shù)，MQTT 通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)，藍(lán)牙通信技術(shù)提醒用戶備份等。兩者之間通過串口進(jìn)行通信。

3.1 Ubuntu 系統(tǒng)設(shè)計

Ubuntu 系統(tǒng)是世界上最流行的Linux 系統(tǒng)之一，Ubuntu 系統(tǒng)主要應(yīng)用在服務(wù)器產(chǎn)品和桌面辦公設(shè)備上，能夠快速兼容新的應(yīng)用。 Ubuntu 系統(tǒng)集成Libreoffice 辦公工具，客戶可以借助此辦公工具，完成幻燈片設(shè)計和電子表格處理；Ubuntu 擁有成熟的網(wǎng)絡(luò)工具，從網(wǎng)絡(luò)配置工具到瀏覽器等。Ubuntu 社區(qū)為其發(fā)展提供了多種交流和討論方式，通過龐大的Ubuntu 社區(qū)，開發(fā)者可以獲得很多技術(shù)支持；且Ubuntu 系統(tǒng)安裝軟件非常便捷，通常都是一個指令便可以完成，很適合新學(xué)者和開發(fā)人員的二次開發(fā)。所以，Ubuntu 系統(tǒng)更加適合本文的設(shè)計與開發(fā)。

3.2 服務(wù)器的搭建

SFTP（SSH File Transfer Protocol）是一種基于SSH（安全外殼）的文件傳輸協(xié)議，與FTP 語法和功能非常的相似。SFTP 是SSH 的一部分，是一種傳輸文件至服務(wù)器的安全方式。SFTP 協(xié)議傳輸過程中提供一種安全的網(wǎng)絡(luò)加密算法，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。SFTP 在Linux 系統(tǒng)中，默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)端口是22，其本身沒有單獨(dú)的守護(hù)進(jìn)程，必須使用SSHD 守護(hù)進(jìn)程完成相應(yīng)的連接和答復(fù)操作，文件傳輸時提供密碼和密鑰驗證機(jī)制，有效防止黑客入侵。SFTP 傳輸速度能夠滿足千兆網(wǎng)速的需求，可以高達(dá)100 MB/s，在千兆寬帶傳輸時，不會拉低網(wǎng)速。

本文設(shè)計出于安全、穩(wěn)定、速度三方面考慮，選擇SFTP 服務(wù)器。

3.3 Nginx 認(rèn)證技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

由于很多種軟件可以訪問SFTP 服務(wù)器，不利于數(shù)據(jù)存儲的安全，為了更安全地訪問設(shè)備，本文設(shè)計了Nginx 認(rèn)證，使用Nginx 的auth_basic 認(rèn)證模塊，主要用于生成用戶及其密碼，檢驗是否為特定APP；每次重新登錄時，都要進(jìn)行Nginx 認(rèn)證。Nginx 是一款輕量級的Web服務(wù)器/反向代理服務(wù)器，其特點(diǎn)是占有內(nèi)存少、并發(fā)能力強(qiáng)，能夠在嵌入式Ubuntu 系統(tǒng)中非常流暢地運(yùn)行。

3.4 NAT 實(shí)現(xiàn)

訪問設(shè)備時，首先要判斷是局域網(wǎng)還是外網(wǎng)，如果是局域網(wǎng)，則采用局域網(wǎng)傳輸；如果是外網(wǎng)，則需要使用NAT 穿透技術(shù)。本文使用ZeroTier 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透，基于P2P 連接，不經(jīng)過服務(wù)器中轉(zhuǎn)，可以最大限度地利用帶寬提升網(wǎng)速，通過安裝相關(guān)客戶端、虛擬局域網(wǎng)，達(dá)到內(nèi)網(wǎng)穿透的效果。圖4 所示為ZeroTier 內(nèi)網(wǎng)穿透模型圖。

圖4 ZeroTier 內(nèi)網(wǎng)穿透模型圖

3.5 智能配網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計是通過內(nèi)部ESP32 模塊進(jìn)行配網(wǎng)，ESP32工作在STA 模式，傳統(tǒng)AP 配網(wǎng)不太合適，操作相對而言，比較繁瑣。ESP32 采用AIRKISS+ESPTOUCH 配網(wǎng)，幾乎所有的智能手機(jī)都可以使用。ESP32 通過智能配網(wǎng)成功以后，將正確的配網(wǎng)信息通過串口發(fā)送給RTD1296，RTD1296 主控設(shè)備接收到信息之后開始配網(wǎng)。具體配網(wǎng)過程如圖5 所示。

圖5 配網(wǎng)過程

RTD1296 整機(jī)工作在STA 模式，在手機(jī)上輸入密碼，點(diǎn)擊“一鍵配網(wǎng)”按鍵，設(shè)備開始配網(wǎng)，成功之后，RTD1296 設(shè)備即可連接無線網(wǎng)。

3.6 遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計的遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)使用的是MQTT 技術(shù)，終端設(shè)備發(fā)布消息，ESP32 模塊接收到由阿里云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的消息，執(zhí)行相關(guān)指令；ESP32 模塊接收到正確的控制指令時，I/O 口輸出對應(yīng)的高低電平，ESP32 的GPIO 連接RTD1296 的電源使能端，從而控制RTD1296 和磁盤的電源開關(guān)。圖6 所示為ESP32 模塊接收指令模型，左側(cè)的3 個終端設(shè)備為消息發(fā)布者，中間是MQTT 服務(wù)器，右側(cè)為RTD1296 設(shè)備，也就是本文的私有存儲設(shè)備。

圖6 ESP32 模塊接收指令模型

ESP32 模塊接收到MQTT 信息之后，如果是有效的指令，GPIO 就執(zhí)行相應(yīng)的輸出；反之，則不執(zhí)行。

3.7 藍(lán)牙連接智能開機(jī)實(shí)現(xiàn)

ESP32 模塊自帶藍(lán)牙功能，在不改變ESP32 模塊硬件電路的情況下，直接編寫藍(lán)牙控制程序即可。當(dāng)ESP32 藍(lán)牙模塊在第一次使用時，要與用戶的藍(lán)牙進(jìn)行配對才可以使用；配對完成以后，再次連接用戶藍(lán)牙設(shè)備，便可以自動激活設(shè)備，提醒用戶備份。

4 實(shí)驗結(jié)果

4.1 實(shí)驗環(huán)境

本文的實(shí)驗測試環(huán)境PC 端為聯(lián)想小新Pro13 便攜式計算機(jī)，Windows 10 操作系統(tǒng)，CPU 為AMD Ryzen 54600U with Radeon Graphics 2.10 GHz，16 GB 內(nèi)存，普通固態(tài)硬盤512 GB，網(wǎng)卡型號為RTL8822CE。測試客戶端的加解密速度為平均速度。私有存儲設(shè)備的系統(tǒng)為Ubuntu1 6.04、RJ 45 千兆網(wǎng)口、RTL8822BE 無線網(wǎng)卡、SATA 接口硬盤，測試文件的傳輸速度為平均速度，并非理論速度。

4.2 安全性分析

SFTP 服務(wù)器是密文傳輸，主要考慮文件的安全性，防止黑客入侵，用戶通過SSH 文件傳輸協(xié)議安全傳輸文件。用WireShark 軟件進(jìn)行抓包分析，圖7 所示為其后臺抓包截圖。

圖7 SFTP 服務(wù)器抓包圖（部分）

由圖7 中第2 行、3 行、7 行、8 行可以看出，SFTP 服務(wù)器的數(shù)據(jù)都是進(jìn)行加密傳輸，不能獲得用戶名和密碼，由此可見數(shù)據(jù)傳輸是安全的。

4.3 傳輸速度分析

本文設(shè)計的RTD1296 設(shè)備，其傳輸速度比傳統(tǒng)的私有存儲設(shè)備有一個很大的提升。與市面上的另一款私有存儲產(chǎn)品做對比，該產(chǎn)品簡稱為M1，其配置為使用RTD1195 為控制核心、1 GB DDR3、128 MB FLASH、千兆以太網(wǎng)接口、USB 3.0 擴(kuò)展硬盤。下載與上傳速度對比如圖8、圖9 所示。

圖8 千兆以太網(wǎng)下載速度

圖9 千兆以太網(wǎng)上傳速度

下載速度方面，從圖8 中可以看出，RTD1296 的速度是RTD1195 的3 倍；上傳速度方面，從圖9 中可以看出，RTD1296 的速度是RTD1195 的7 倍；在私有存儲方面，RTD1296 更加合適。

外網(wǎng)訪問時，使用的是ZeroTier 異地組網(wǎng)，網(wǎng)速和設(shè)備所接入的網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，不經(jīng)過服務(wù)器中轉(zhuǎn)，可以以最佳方式利用好帶寬。

4.4 能耗分析

市面上的私有存儲設(shè)備空閑的時候不能關(guān)閉主控的電源，只是主控進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)、磁盤進(jìn)入休眠狀態(tài)，主控和磁盤的電源沒有斷開，通常是5～10 W。本文設(shè)計的設(shè)備待機(jī)時只有ESP32 在工作，主控和硬盤電源關(guān)閉，延長整機(jī)壽命，待機(jī)功耗0.5 W 左右或者更低，按照每天工作10 h、待機(jī)14 h 進(jìn)行對比，結(jié)果如表1 所示。

表1 存儲設(shè)備耗電量對比

表1 為兩款私有存儲設(shè)備的功率表，按照每天使用10 h、待機(jī)14 h 進(jìn)行計算，RTD1296 設(shè)備每天消耗電能0.073 6 kW·h；RTD1195設(shè)備每天消耗電能0.149 kW·h。結(jié)果證明，本文設(shè)計的私有存儲設(shè)備（RTD1296）每天節(jié)省一半的電能，更適用于節(jié)能項目。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種以RTD1296 為控制核心的千兆私有存儲設(shè)備。本文的存儲設(shè)備采用模塊化設(shè)計方式，實(shí)驗證明，該系統(tǒng)的安全性高、傳輸速度快、節(jié)能。結(jié)合未來市場考慮，本文的硬件成本還可以降低。實(shí)際使用中，只需要以太網(wǎng)部分即可，輔助模塊也采用以太網(wǎng)連接，節(jié)省一個WiFi 網(wǎng)卡設(shè)備的成本。WiFi 連接網(wǎng)絡(luò)傳輸文件不穩(wěn)定，對網(wǎng)速需求較高者，則不能用WiFi 連接。不用WiFi 連接時，還可以省去配網(wǎng)時間，方便用戶聯(lián)網(wǎng)，節(jié)省開發(fā)時間。

注：本文通訊作者為黃一平。