CN103209119A - 一种低功耗嵌入式云智能网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低功耗嵌入式云智能网关，可用作云存储和云内容分发的主要设备，在新一代互联网架构创新中起到关键作用。所述的云智能网关采用多核ARM SoC处理器，运行嵌入式操作系统和软件实现各种功能和应用，解决现有技术中能耗高，体积大，散热性能差，可靠性差的问题。所述云智能终端实现固网、移动和WiFi多种网络融合、配置大容量硬盘数据存储、通过Hash算法实现数据快速检索、支持HTTP同时多访问接入、解决了系统资源优化、系统文件管理问题。此外，该网关还采用编码TCP技术显著提高无线带宽。

Description

一种低功耗嵌入式云智能网关

技术领域

本发明涉及一种低功耗嵌入式云智能网关，具体涉及云计算、网络、无线通讯、HTTP协议、嵌入式系统等。

背景技术

WWW(World Wide Web)服务的发展带动了互联网的充分发展，也推动了对服务器的动力需求。世界上数以万计的IDC中心，每个中心都拥有数百台服务器，构成庞大的、数以百万计的服务器系统来为互联网服务。普通服务器需要耗费大量的电能，产生大量的热，占有大量的空间，使得IDC成为巨额投资的吸金洞。因而，发展低功耗、满足互联网发展需求的高性能服务器具有广阔的前景。云技术的推广，云存储的大量采用，更加推动了对网络带宽和服务器的大量需求，同时带来对能源的大量需求和浪费。

随着在智能手机上大量使用AMR系统和不断对性能的升级和提高，目前ARMCortex A9已经将主频提高到1.6GHz，并推出4核SoC，不但在性能上能够满足嵌入式服务器的需求，而且在功耗耗上只是普通服务器的几十分之一，为开发低功耗、性能符合要求的Web服务器和云计算服务器提供了基础。

互联网服务器需要运行复杂的WWW服务器，如Apache，CERN httpd，NC.sA httpd等，其中Apache是最流行的Web服务器端软件之一。Unix操作系统上的Apache为每个请求服务器提供一个预派生进程，当Apache父进程启动时，它派生出很多子进程，当系统接收到一个连接时，系统便唤醒一个进程，用以处理连接。由此可见，Apache服务器要占用很大的系统资源。对于在资源有限的嵌入式系统中，显然是不合适的。由于嵌入式系统本身的硬件资源无法和普通服务器去相比，所以嵌入式网络服务器的开发设计应尽可能的优化代码，节省系统资源，尤其是宝贵的硬件资源。

目前，LTE作为4G移动核心技术，已经得到广泛的部署，特别是在数据服务方面，LTE和WiFi的无缝融合，给用户提供更加经济高速的无线数据接入，市场已经可以大量购买到LTE-WiFi融合的数据终端，将更多的应用和其它功能整合将是LTE与WiFi网络融合的方向。

针对以上技术背景和应用环境，一种能够降低能耗、减少空间、提高可靠性，具有开放式设计，集成度高、尺寸小、可扩展性强的嵌入式服务器或嵌入式智能网关将适用于下一代互联网架构、云计算、无线应用、数字家电、车载设备、通信终端等应用场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗嵌入式云智能网关，所述云智能网关可用作云存储和云内容分发的主要设备，在新一代互联网架构创新中起到关键作用。所述的云智能网关解决现有技术中能耗高、体积大、散热性能差、可靠性差的问题。所述云智能终端解决多种网络融合、大容量高速数据存储、数据快速检索、HTTP同时多接入、系统资源优化、系统文件管理问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低功耗嵌入式云智能网关，其中，所述系统包括：

至少一个多核ARM SoC处理器，运行嵌入式操作系统和软件实现各种功能和应用，所述的处理器采用手机芯片大量采用的多核处理器，具有功耗低、性能高、可靠性高的特点；

RAM内存通过数据总线与所述的处理芯片连接，存储运行数据；

Nand Flash存储器通过数据总线与所述的处理器连接，用来存储数据和应用程序；

一个大容量硬盘通过数据总线与所述的处理器连接，作为大容量数据存储；

一个或多个网络接口通过PCI总线与所述的处理器连接，用来完成数据通讯，一般是以太网口，也可以采用光纤模块或DSL模块直接和物理网络连接；

一个LTE模块通过PCI总线与所述的处理器连接，实现与4G移动网的连接与通讯；

一个WiFi模块通过PCI总线与所述的处理器连接，在此设置成AP热点功能，提供其它设备的WiFi接入；

外设控制模块通过GPIO口与所述的处理器连接，完成对该设备的配置和其它控制等。

所述的云智能网关采用Linux或Android嵌入式操作系统，用浏览器作为网络出入的口，运行CGI解析和返回数据，通过HTTP引擎封装并传输数据。

所述的CGI指通用网关接口(Common Gateway Interface)，是一个在Web服务器中使用的技术。

所述的云智能网关从固定网络或移动LTD网络接收数据，在应用层解析数据，再将数据存入硬盘作为长期保存。在所述的硬盘中保存的数据在需要时被调出，通过编码TCP技术编码，再通过HTTP封装后，经过固定网络、移动LTE网络或WiFi网络传输。

所述的编码采用编码TCP技术可以在丢包环境下显著提高传输带宽和减少传输时延，特别适合在无线网络下传输和提高传输带宽。在接收端需要采用相应的解码。

所述的HTTP引擎要具有同时接收多个HTTP链接访问的能力，并具有高效率。

进一步地，所述的云智能网关通过多张存储在所述内存中的Hash(哈希)表提供存储数据的快速检索。如至少一张内容Hash表，至少一张路径Hash表，至少一张量子流标识Hash表等等。

所述的Hash表存储区为专用存储区，是在内存区域内特定划分出来的一块存储区域。

所述的Hash表数据管理方法是一种去数据库技术。

所述的Hash表是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构，将一组关键字映象到一个有限的连续的地址集(区间)上，并以关键字在地址集中的“象”作为记录在表中的存储位置。

所述的Hash表快速检索中采用直接寻址法，即取关键字或关键字的某个线性函数值为散列地址。即H(key)＝key或H(key)＝a·key+b，其中a和b为常数(这种散列函数叫做自身函数)。

本发明所述的云智能网关通过多个的组合可以组成小型数据系统，提供不断扩充的存储容量，接入不同网络和扩展接入带宽的能力，并且具有能耗低、稳定可靠的优点。

所述的小型数据系统由所述的云智能网关、网络和管理软件组成，扩容只需要任意部署所述的网关即可。

本发明所述的云智能网关可以作为云存储的基本单元，通过网络和管理系统组成云存储系统。

附图说明

图1是根据本发明的结构原理图

图2是根据本发明的工作原理原理图

图3是根据本发明的数据处理流程图

图4是根据本发明实现的HTTP通讯原理图

图5是根据本发明实现的快速检索原理图

图6是根据本发明实现的小型云数据系统图

图7是根据本发明实现的云存储系统图

具体实施方式

本发明的目的是提出一种低功耗嵌入式云智能网关，将这种云智能网关用作云存储和云内容分发的主要设备，构建新一代互联网或构建小型数据云存储系统。该云智能网关采用移动智能终端所采用的多核ARM处理器，配合外围器件如、内存、Nand Flash、网络接口模块、WiFi AP模块、大容量硬盘及外围控制器件，通过嵌入式软件实现。具有能耗低、体积小、散热性能差、长期工作稳定可靠生高的优点。在解决多种网络融合、大容量高速数据存储、数据快速检索、HTTP同时多接入、系统资源优化、系统文件管理等方面具有广泛的前景。

图1是本发明的结构原理，101是多核AMR处理器，它是在移动智能终端中大量使用的一种AMR多核处理器，例如飞思卡尔i.MX6Quad四核1.2GHz处理器，MarvellARM服务器系统级芯片ARMADA XP四核1.6GHz处理器，或海思K3V2四核1.5GHz处理器等。102内存可采用16位DDR3内存，与101处理芯片通过数据总线连接，为程序运行处理提供数据缓存。103的Nand Flash通过数据总线连接到101处理器，缓存数据和应用程序，其存储容量可以扩展到64GB，为各种应用程序提供充足的存储空间。104是LTE模块，通过104实现4G网络接入，所接收的数据通过PCI总线送到101处理器进行处理，由于部署了104模块，在没有固定网络接入的情况下也可以通过移动4G网络组网。105是以太网口接入模块，通过105与互联网或固定网络连接如ADSL调制解调器、有线电视调制解调器等，数据通过PCI总线送给101处理器。106是WiFi模块，在此，106设置成为AP，负责和周边的其它设备通过Wifi网络连接和通讯。107是一个大容量硬盘，101通过数据总线和107完成数据交换，107为需要长期保留的数据提供存储空间。在101处理器上运行嵌入式操作系统和软件实现各种功能和应用。108是外围控制模块，通过GPIO口完成外部控制，如键盘、遥控器等。此外，该设备还有USB接口109用于通过外部装载应用程序和升级系统。

图2是本发明的工作原理的一个简单描述，201是Web浏览器，作为网络的数据出入口。202是HTTP引擎，所承载的IP数据根据CGI205解析，并通过文件系统203送入数据存储单元208存储，读取所存储的数据时，CGI反方向与文件系统和数据库交换，并通过HTTP引擎封装后传送。CGI是通用网关接口(Common Gateway Interface)，在此完成通过浏览器对数据与服务器接口进行控制。再此，CGI的输出结果直接返回到浏览器，直接建立连接。HTTP引擎是一个关键处理单元，在此需要对多个HTTP访问同时处理。206是嵌入式系统应用程序，207是嵌入式操作系统，一般采用Linux系统，在本发明中还采用Android OS系统。

图3是本发明的数据处理流程，数据从固定网络或移动4G LTE网络通过301送给本云智能网关，所收到的数据在302数据应用层解析，解析后的IP数据存储到硬盘302中。当数据要外送时，首先通过TCP编码器304编码，该编码器采用编码TCP技术对数据进行预纠错处理，可以显著提高在无线网络环境下的传输带宽。TCP编码后的数据通过305完成HTTP封装，然后再通过网络/LTE/WiFi传输协议传送。

图4是本发明实现的HTTP通讯原理，401是HTTP服务器端，410是HTTP客户端。HTTP通信服务都由客户端发起，如410通过408发出一个请求消息，服务器端收到请求消息，并解析请求消息，根据内容执行相关操作，最后向客户端通过409回应一个响应消息，完成一次完整的HTTP通信服务。数据流流通的实际路径是请求消息和响应消息都要经过传输层403和412、网络编码层404和网络解码层413、网络层405和414、数据链路层406和415的封装和解析，最后通过物理层407和416完成传输。HTTP协议在传输层采用传输控制切议(Transfer Control Protocol，TCP)，TCP是保证可靠性的传输层协议，这样也同时保证了HTTP可靠地传输数据。但是，HTTP还是一种无状态的协议，不同请求/响应对的操作之间不对其状态进行维护，而对资源的每个请求都会启动一个独立的应用请求，同时产生一个新的应用响应.因此在HTTP协议实现中不必要考虑每次HTTP服务之间的相互影响，简化了HTTP服务实现的复杂度。另外支持HTTP协议的用户浏览器已被广泛使用，用户容易接受以浏览器为界面的应用程序。

图5是本发明实现快速检索的原理，输入数据501是经过如图2的处理解析得到，502是根据关键码值(Key value)制作Hash表，一个简单的做法是直接把Key通过一个固定的算法函数既哈希函数转换成一个整型数字，然后就将该数字对数组长度进行取余，取余结果就当作数组的下标，将value存储在以该数字为下标的数组空间里。通过Hash算法，找到一种数据内容和数据存放地址之间的映射关系。Hash转换是一种压缩映射，也就是，散列值的空间通常远小于输入的空间。数学表述为：h＝H(M)，其中H()--单向散列函数，M--任意长度明文，h-固定长度散列值。

在这里制作多张Hash表来便于快速检索。503使用Hash表进行数据查询，具体是再次使用哈希函数将key转换为对应的数组下标，并定位到该空间获取value，如此一来，就可以充分利用到数组的定位性能进行数据定位。

图6是本发明实现的小型云数据系统，本实施例提供一种小型云数据存储系统，具体系统连接如图6所示。系统由至少一个云智能网关602，至少一个云客户端604，一个云管理系统601和企业内部网络(Intranet)603组成。云智能网关602用来存储被切割成量子流媒体的数据文件，该数据文件含内容标识、数据包序列标识，并根据这些标识和存储地址分别产生出Hash表便于检索。云管理系统对该小型云数据系统进行管理，负责与客户端沟通，上载处理客户存储的内容文件，具体地是将该文件量子化处理成量子流媒体文件，再根据负载平衡原理，分别将数据文件存储在不同的云智能网关中。当客户需要获取在该小型云数据系统中的内容时，该云管理系统负责对用户接入鉴权，并将客户要求的内容信息发送给各云智能网关，各云智能网关将检索到符合要求的数据返回给云客户端604。该小型云数据系统可以在社区或企业中部署，移动终端可以通过WiFi接入系统，完成各种应用。

图7是本发明实现的云存储系统，系统由至少一个接到互联网上的4G数据处理前端701和4G发射系统702、至少一个云智能网关602，至少一个云客户端604，一个云管理系统703和互联网(Internet)704组成。云智能网关602用来存储被切割成量子流媒体的数据文件，该数据文件含内容标识、数据包序列标识，并根据这些标识和存储地址分别产生出Hash表便于检索。云管理系统对该云存储系统进行管理，负责与客户端沟通，上载处理客户存储的内容文件，具体地是将该文件量子化处理成量子流媒体文件，再根据负载平衡原理，分别将数据文件存储在不同的云智能网关中。当客户需要获取在该小型云数据系统中的内容时，该云管理系统负责对用户接入鉴权，并将客户要求的内容信息发送给各云智能网关，各云智能网关将检索到符合要求的数据返回给云客户端604。在没有固定网络接入时，该云存储系统还可以通过LTE实现所有功能。此时，通过4G发射系统702发射的数据由云智能网关中的LTE模块接收。

本领域的熟练技术人员会明白，尽管这里为了说明的目的而描述了相似性系统的特定实施例，但是在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作各种修改。因此，除了附加的权利要求之外，对本发明不作限制。

Claims (10)

1.一种低功耗嵌入式云智能网关，其特征在于，至少一个多核ARM SoC处理器，RAM内存通过数据总线与处理器连接实现运行数据存储，Nand Flash存储器通过数据总线与处理器连接实现数据和应用程序存储，大容量硬盘通过数据总线与处理器连接实现数据存储，至少一个网络接口通过PCI总线与处理器连接完成数据通讯，一个LTE模块通过PCI总线与处理器连接实现与4G移动网的连接与通讯，一个WiFi模块通过PCI总线与处理器连接提供其它设备的WiFi接入，外设控制模块通过GPIO口与处理器连接，完成对该设备的配置和其它控制。 

2.根据权利要求1所述的低功耗嵌入式云智能网关，其特征在于，采用Linux或Android嵌入式操作系统，用浏览器作为网络出入的口，运行CGI解析和返回数据，通过HTTP引擎封装并传输数据，HTTP引擎具有同时接收多个HTTP链接访问的能力。 

3.根据权利要求1所述的低功耗嵌入式云智能网关，其特征在于，采从相应网络接收数据，在应用层解析数据，存入硬盘长期保存，数据在需要时被调出，通过编码TCP技术编码，再通过HTTP封装后，经过相应网络传输。 

4.根据权利要求1所述的低功耗嵌入式云智能网关，其特征在于，通过多张存储在RAM内存中的Hash表提供存储数据的快速检索，至少一张内容Hash表，至少一张路径Hash表，至少一张量子流标识Hash表。 

5.根据权利要求1所述的低功耗嵌入式云智能网关，其特征在于，所述的WiFi作为AP，为周边其它WiFi设备提供网络接入。 

6.据权利要求1所述的低功耗嵌入式云智能网关，其特征在于，多个云智能网关组成小型数据系统，扩充存储容量，接入不同网络和扩展接入带宽。 

7.根据权利要求3所述的TCP技术，采用线性代数方程对TCP数据编码，提高传输过程的纠错能力，在接收端通过代数运算解码，并取消TCP的回传请求信号。 

8.根据权利要求4所述的Hash表，其特征在于，Hash表存储区为专用存储区，是在内存区域内特定划分出来的一块存储区域。 

9.根据权利要求4所述的Hash表，其特征在于，Hash表根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构，将一组关键字映象到一个有限的连续的地址集上，以关键字在地址集中的“象”作为记录在表中的存储位置。 

10.根据权利要求4所述的Hash表，其特征在于，Hash表快速检索中采用直接寻址法，即取关键字或关键字的某个线性函数值为散列地址。即H(key)＝key或H(key)＝a·key+b，其中a和b为常数。 

Images