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(duì)簡(jiǎn)單快捷易管理易攜帶存儲(chǔ)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(chǔ)設(shè)備，只要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就能隨時(shí)隨地對(duì)目標(biāo)文件進(jìn)行訪問(wèn)。

　　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(cè)用戶可以通過(guò)賬號(hào)密碼隨時(shí)隨地訪問(wèn)自己的已經(jīng)上傳的內(nèi)容，對(duì)文件進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了無(wú)存儲(chǔ)設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，并且不會(huì)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(duì)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(duì)服務(wù)器性能要求高、與服務(wù)器交互性差及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸速度慢等問(wèn)題。

　　本文通過(guò)FPGA編程設(shè)計(jì)實(shí)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(guò)客戶端與服務(wù)器進(jìn)行直接相連的，沒(méi)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(diǎn),而且，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)用戶可以對(duì)文件進(jìn)行在線操作。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及平臺(tái)搭建

　　1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

　　本文設(shè)計(jì)實(shí)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(duì)存儲(chǔ)硬盤的操作，可以通過(guò)ATA硬盤控制器對(duì)上層命令進(jìn)行解析，對(duì)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(guò)文件系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ脩魧影l(fā)送的請(qǐng)求進(jìn)行處理并對(duì)硬件層硬盤進(jìn)行調(diào)用訪問(wèn)。

　　1.2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建

　　系統(tǒng)是在XUPV5_LX110T開(kāi)發(fā)板上外接ATA硬盤以及網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。平臺(tái)是以Xilinx公司的XUPV5_LX110T FPGA開(kāi)發(fā)板為基礎(chǔ)搭建的，通過(guò)對(duì)開(kāi)發(fā)板內(nèi)嵌的各個(gè)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(tái)的搭建。其中，核心處理器選擇的是Microblaze軟核處理器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件層設(shè)計(jì)

　　由于選用的XUPV5_LX110T FPGA開(kāi)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(duì)ATA硬盤控制器IP核[1]的設(shè)計(jì)。本文通過(guò)對(duì)ATA/ATAPI-6協(xié)議進(jìn)行分析，用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)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。

　　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(wèn)控制模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K以及差錯(cuò)處理模塊。其中，指令解析模塊負(fù)責(zé)對(duì)上層發(fā)送的請(qǐng)求進(jìn)行監(jiān)控解析，并觸發(fā)硬盤訪問(wèn)控制模塊從而對(duì)硬盤操作；硬盤訪問(wèn)控制模塊在接收到觸發(fā)命令后，對(duì)基本控制時(shí)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(yàn)?zāi)K對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)；差錯(cuò)處理模塊是對(duì)錯(cuò)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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，并通過(guò)仿真調(diào)試及測(cè)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(guò)硬盤驅(qū)動(dòng)程序[2]，以寄存器的方式訪問(wèn)硬盤數(shù)據(jù)，因此在以上功能模塊設(shè)計(jì)以后，要對(duì)硬盤控制器按照自定義IP核的方法進(jìn)行IP核封裝來(lái)作為外接設(shè)備。

　　2.2 內(nèi)核層設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用FAT32文件系統(tǒng)[3]對(duì)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(duì)FAT32文件系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)：首先對(duì)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(diǎn)；然后重寫對(duì)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(cè)試。測(cè)試證明可以對(duì)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(jì)

　　用戶層設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心部分，主要是對(duì)NFS服務(wù)器端的設(shè)計(jì)。NFS是一種分布式文件系統(tǒng)協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，用戶可以像訪問(wèn)本地文件一樣訪問(wèn)遠(yuǎn)端系統(tǒng)上的文件。因此結(jié)合RPC(Remote Procedure Call，遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用)和XDR(External Data Representation，外部數(shù)據(jù)表示)，就可以實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)、跨操作系統(tǒng)、跨文件系統(tǒng)的訪問(wèn)。其中，RPC是可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端對(duì)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(jì)主要是實(shí)現(xiàn)一次完整的NFS文件訪問(wèn)，通過(guò)客戶端與服務(wù)器端RPC的Portmap、Mountd、NFSD 3個(gè)模塊間的交互完成，其交互的具體過(guò)程如圖4所示。在交互過(guò)程中，每當(dāng)服務(wù)器端NFSD模塊接收到客戶端請(qǐng)求時(shí)，就會(huì)對(duì)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(guò)程號(hào)調(diào)用NFSD程序中的過(guò)程進(jìn)行操作，NFSD過(guò)程會(huì)通過(guò)調(diào)用底層文件系統(tǒng)對(duì)請(qǐng)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。

　　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(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)Socket進(jìn)行管理，并利用select函數(shù)選擇有請(qǐng)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(duì)NFSD、Mountd、Portmap這三個(gè)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(gè)進(jìn)程加入鏈表，其中，鏈表頭為NFSD程序。在接收到請(qǐng)求后，服務(wù)器端從鏈表頭對(duì)鏈表進(jìn)行順序查找，找到需要的服務(wù)，對(duì)其按照?qǐng)D5所示的流程進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

　　本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)移植[6]將軟硬件進(jìn)行整合來(lái)完成系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。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(tái)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(shí)將硬盤控制器封裝為IP核添加到內(nèi)核中。添加完成后對(duì)內(nèi)核進(jìn)行編譯并燒寫到開(kāi)發(fā)板中，運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)運(yùn)行后，打開(kāi)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(kāi)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(cè)試結(jié)果如圖6所示，圖中在客戶端“/tmp/nfs”中顯示的文件，實(shí)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(kāi)這些文件，在線對(duì)文件進(jìn)行讀寫、修改保存等操作，而且拖動(dòng)文件即可實(shí)現(xiàn)文件下載上傳，速度可達(dá)1.3 MB/s。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的基于FPGA的C/S模式網(wǎng)絡(luò)硬盤具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）交互性強(qiáng)，支持用戶在線操作文件；（2）實(shí)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(chǔ)文件的格式、大小及存儲(chǔ)時(shí)間；（4）安全性高，采取賬號(hào)密碼映射IP的方式，存儲(chǔ)文件僅登錄用戶可見(jiàn)。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的C/S模式網(wǎng)絡(luò)硬盤，在XUPV5_LX110T開(kāi)發(fā)板搭建了系統(tǒng)并驗(yàn)證通過(guò)。結(jié)果表明該種網(wǎng)絡(luò)硬盤具備很好的可行性，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)，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(jià)值。

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