CN1968203A - 一种基于AoE协议的网络存储设备及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于AoE(ATA over Ethernet，以太网直接承载ATA)协议的网络存储设备。特征在于：采用简单、有效的AoE协议传输用于硬盘读写的ATA命令和数据；基础传输协议采用以太网或WiFi；硬件系统采用嵌入式技术，包括基于片上系统的低功耗CPU芯片、内存、闪存、硬盘控制器、硬盘接口、以太网接口和WiFi射频电路；软件系统采用经过裁减和加固后的嵌入式操作系统；AoE协议处理程序采用核心模块方式嵌入到操作系统。本发明设备具有价格低廉、体积小巧、零配置和管理，并具有较低的能耗，特别应用于个人和家庭用户，应用前景良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于AoE(ATA over Ethernet，以太网直接承载ATA)协议的网络存储设备及其数据处理方法。采用AoE协议传输ATA(AT Attachment)命令和数据；采用以太网(Ethernet)和WiFi(802.11)作为基础通讯协议，属于计算机网络存储技术领域。
背景技术
随着互联网和多媒体技术的飞速发展，信息资源的积累呈爆炸式的增长。越来越多的、各式各样的音频文件和视频文件重复地充满了我们的每一个硬盘，而且随着Intel所倡导的数字家庭应用的方兴未艾，更多音频和视频信息的到来将加剧这个趋势，因此，一个灵活、有效、高性能价格比的小型网络存储设备成为必需，该类设备将包括多种特点：(1)易于为多种设备(电脑、掌上电脑、无线路由器、数字家庭中的各种设备以及具有无线或有线网络接口的家电设备等)所在线共享；(2)易于操作和使用；(3)易于扩充和扩展存储容量；(4)较低的价格；(5)较低的能耗
现有的传统存储方式、移动存储方式和网络存储方式，均不能充分满足以上的需求。
传统存储方式，也叫直接连接存储(DAS，Direct Attached Storage)较为最常见，例如，我们的桌面电脑和笔记本电脑的内置的硬盘，其优点是操作和使用简单，并具有较低的价格；其缺点是难以扩展存储容量以及多设备共享较困难。
移动存储方式，包括USB接口的硬盘和闪盘，近几年为越来越多的使用，作为方便携带的信息交换和存储手段，其缺点为难以实现多设备在线共享。
网络存储方式提供丰富、快速灵活和简便的存储资源，主要有两种基本类型：网络附加存储(NAS，Network Attached Storage)和存储区域网(SAN，Storage Area Network)。
NAS存储系统拥有一个专用存储服务器，服务器上安装一个“瘦”操作系统和一个经过优化的文件系统，类似一个文件服务器。NAS服务器通过IP网络，同时向网络中多个客户机(一般为桌面电脑、笔记本电脑以及应用服务器)提供文件级的I/O服务，客户机可以在NAS服务器提供的共享目录中进行文件级的操作。如果NAS服务器的操作系统为Windows系列，那么NAS服务器与客户机之间的文件共享协议为互联网公共文件系统(CIFS，Internet Common File System)；如果NAS服务器的操作系统为Unix/Linux系列，那么NAS服务器与客户机之间的文件共享协议为网络文件系统(NFS，Network File System)和CIFS。问题表现为，传输速度较慢，不适合大型文件，如视频文件，连续、高速传输；不能进行一些基本的硬盘存储操作，如分区和格式化；不支持存储块(Block)级的操作，使其存储能力受限。
SAN存储系统采用一种面向网络的存储结构，是以数据存储为中心。其采用可扩展的网络拓扑结构连接服务器和存储设备，并将数据的存储和管理集中在相对独立的专用网络中，向服务器提供最优的数据存储服务。与NAS存储系统不同的是SAN提供存储块(Block)级的服务。磁盘访问协议采用较高级的SCSI协议。
根据存储网络所采用的数据传输协议和传输介质的不同，SAN系统主要分为两种方式：FC-SAN和IP-SAN。FC-SAN采用光纤通道(FC，Fibre Channel)网络结构将服务器和存储设备连接起来，并采用FCP(Fibre Channel Protocol)传输SCSI命令和数据；IP-SAN采用IP网络结构将服务器和存储设备连接起来，并采用iSCSI协议传输SCSI命令和数据。
SAN存储系统拥有多个优点：可以提供网络磁盘服务；支持各种基本的磁盘操作，如分区和格式化；提供灵活扩展的存储容量；较高的传输带宽。其最大的缺点是价格昂贵，只有大型企业才有财力使用，FC-SAN需要建立全光纤专用网络以及光纤接口的交换设备和存储设备；IP-SAN需要增加TOE(TCP OffLoadEngine)卡。另外，iSCSI协议多增加了TCP/IP的处理开销，降低数据传输速度。
随着互联网蓬勃发展，网络的各种信息，包括文字、照片、音频、视频，对我们的日常生活的影响一步步加强，再加上数字家庭的兴起以及未来家居的网络化，一个灵活、高效、高性能价格比的小型网络存储设备的需求就摆在我们面前。
发明内容
本发明的目的是开发一种基于AoE协议的网络存储设备，满足个人用户和家庭使用。它摒弃现有存储系统的缺点，实现了一个灵活、高效、高性能价格比的小型网络存储设备。该设备具有以下多种优点：(1)易于为多种设备(电脑、掌上电脑、无线路由器、数字家庭中的各种设备以及具有无线或有线网络接口的家电设备等)所在线共享；(2)能够像本地硬盘一样易于操作和使用；(3)易于扩充和扩展存储容量；(4)较低的价格；(5)较低的能耗。
本发明的另外一个目的是对于来自客户端的AoE协议数据包的接受、数据存取和响应，即其数据处理方法。
本发明的存储设备的基础通讯网络为以太网(Ethernet)和WiFi(802.11)，当前几乎所有的台式电脑、笔记本电脑、服务器、掌上电脑(PDA)以及网络化的家用电器等都配备其中一种或两种网络接口，因此可以非常方便地使用本发明的网络存储设备。其中以太网的传输速率不低于10兆比特每秒，WiFi的传输速率不低于11兆比特每秒；另外，本设备支持使用最为广泛的PATA(Parallel AT Attachment，并行AT附加，或称IDE，Integrated Device Electronics，集成电路设备)和SATA(Serial AT Attachment，串行AT附加)接口硬盘，使得它的成本最为低廉。
本发明采用AoE(ATA over Ethernet，以太网直接承载ATA)协议传输ATA命令和数据。与iSCSI、FCP、NFS以及CIFS相比，AoE协议非常简单、有效，几乎没有额外TCP/IP协议处理的开销，可以实现较高的传输速度；支持直接接入现有的各种以太网交换机、集线器以及无线路由器(Wireless Router)和无线访问点(Access Point)；另外，AoE协议不可路由，适合局域网、无线局域网和点对点连接使用，具有较高的安全性。
本发明的存储设备的硬件小巧，与常见的2.5寸或3.5寸硬盘尺寸相当，便于携带。系统板采用基于片上系统(SoC，System-on-Chip)的解决方案，外加闪存、内存、硬盘控制器、硬盘以及支持802.11的射频等来保证系统的可实现性；软件采用嵌入式操作系统，保证系统运行的高效率和高性能。
本发明的存储设备的数据处理方法操作包括以下步骤：
(1)软件系统通过以太网或WiFi接受来自客户端AoE协议请求；
(2)软件系统取出AoE协议包中的ATA命令或数据，然后，交给一个专门负责的存储读写的核心线程；
(3)存储读写的核心线程根据具体的ATA命令或数据进行相应处理—读写硬盘，然后把结果返回给软件系统；
(4)软件系统把结果打成AoE协议包，然后交给一个负责通讯的的核心线程进行通讯处理；
(5)负责通讯的的核心线程通过以太网或WiFi把AoE协议包发送给客户端。
附图说明
图1是本发明—一种基于AoE协议的网络存储设备的硬件结构示意图。
图2是本发明的AoE协议示意图
图3是本发明的网络存储设备内部操作系统的核心软件层次结构示意图
图4是本发明的基于以太网和WiFi的整体网络软件层次结构示意图
图5是本发明的AoE核心模块的数据处理过程示意图
具体实施方式
目前，网络存储系统为NAS和SAN系统，主要应用于高端企业用户，价格昂贵、体积庞大、配置繁琐、管理复杂以及需要较高的能耗，不适合应用于个人和家庭用户。本发明基于简单、有效的AoE协议以及嵌入式软/硬件技术，网络存储设备具有价格低廉、体积小巧、零配置和管理以及较低的能耗等特点，特别应用于个人和家庭用户。
本发明的硬件结构参见图1，设备采用嵌入式硬件技术予以实现，由多个芯片组成：
(1)中央处理器(CPU)：采用一个片上系统(SoC)内部集成了一个ARM(Advanced RISC Machines，高级的精简指令集计算机)或MIPS(Microcomputer without Interlocked Pipeline Stages，无互锁流水阶段的微型计算机)、MAC(Media Access Control，媒体访问控制)。包括一个低功耗的CPU以及以太网和WiFi的媒体访问层的处理部分等。
(2)内存(DRAM)：主要用来运行操作系统、AoE核心处理模块以及各种网络系统程序以及分配系统缓冲区。
(3)闪存(Flash)：存放操作系统映像和根文件系统以及配置参数。
(4)磁盘控制器(Disk Controller)：系统控制对硬盘的读写。
(5)硬盘接口(Disk Interface)：提供接口连接PATA和SATA硬盘
(6)以太网接口(Ethernet Interface)：提供10BaseT和100BaseTX等网络接口
(7)射频电路(Radio Frequency Circuit)：提供对801.11a/802.11b/802.11g等的支持
本发明采用AoE(ATA over Ethernet)协议传输ATA命令和数据，参见图2。与iSCSI协议相比，AoE协议无需TCP/IP包处理和配置昂贵的ToE(TCP OFF Engine)卡，具有简单、高效等优点，并且易于安装、配置和使用，对于客户端，网络硬盘可以像本地硬盘一样进行操作，例如：分区，格式化等。另外，AoE协议为不可路由协议，可保证存储设备的访问安全。
本发明的软件组成包括嵌入式操作系统和AoE核心处理模块。其中，嵌入式操作系统采用经过裁减和加固后的Linux操作系统，功能强大并且体积小巧；支持多种嵌入式硬件结构，如ARM和MIPS等；支持以太网和WiFi高速处理；支持多种块设备处理。AoE协议处理采用核心模块方式进行处理以降低CPU使用率、加快数据访问速度；AoE核心处理模块嵌入到操作系统中，作为块设备访问子系统的一部分存在。整个子系统的软件层次结构参见图3。
本发明的软/硬件系统启动简单而快速。存储设备加电后，由硬件的启动加载器(BootLoader)把存放在闪存上的操作系统映像加载到内存中，接着，操作系统对硬件进行初始化，然后，挂载根文件系统，并按照预先配置好的参数对各个子系统进行初始化，特别是网络/设备子系统，完成后，启动各个系统进程以及AoE核心处理模块的核心线程，进入等待接受和处理AoE协议包的状态。
图4揭示了本发明的整体网络软件层次结构和数据处理过程，网络传输介质为以太网或WiFi。原理相同。下面我们详细介绍客户端对网络磁盘(网络存储设备)的一次读取过程：
(1)用户进程读取位于存储在网络磁盘上的某个文件中的数据，文件系统查找是否存在于系统的磁盘缓冲区中；
(2)如果已经存在(过去曾经被访问)，直接把数据传递给用户进程；
(3)如果不存在，把对文件的读取转换成对磁盘块的读取的ATA命令，并提交给AoE客户端核心处理模块；
(4)AoE客户端核心处理模块把ATA命令打上AoE包头，形成AoE协议包，提交给链路层处理(以太网或WiFi)；
(5)链路层把来自AoE的协议包打上以太网或WiFi的帧头，形成第二层的数据帧，提交给物理层处理；
(6)物理层将链路层的数据帧转换成0、1形式的电信号或射频信号向网络存储设备发送；
(7)网络存储设备受到来自客户端的电信号或射频信号，将信号转换成链路层的数据帧，提交给链路层处理；
(8)链路层处理对数据帧的类型进行判断，如果类型为AoE(其值为0x88A2)，则去掉帧头，取出数据包，提交给AoE服务器端核心处理模块；
(9)AoE服务器端核心处理模块对AoE数据包的进行处理，详细过程见后面的说明。处理完后，提交给核心的通用存储块层程序；
(10)核心的通用存储块层程序把ATA命令转换成对具体的硬盘进行的操作，然后，提交给输入输出调度层；
(11)输入输出调度程序对所有的输入输出操作重新进行优化，然后，把一组新的输入输出操作提交给块设备驱动程序；
(12)块设备驱动程序把每个输入输出操作提交给硬盘，并进入睡眠状态等待来自硬盘的数据输入；
(13)当硬盘的数据到达时，系统唤醒等待的块设备驱动程序；
(14)块设备驱动程序对数据进行处理后，提交给输入输出调度程序；
(15)输入输出调度程序把数据提交给核心的通用存储块层程序；
(16)核心的通用存储块层程序把数据提交给AoE服务器端核心处理模块进行处理，其详细过程见后面的说明；
(17)AoE服务器端核心处理模块把数据打上AoE包头，形成AoE协议包，提交给链路层处理(以太网或WiFi)；
(18)链路层把来自AoE的协议包打上以太网或WiFi的帧头，形成第二层的数据帧，提交给物理层处理；
(19)物理层将链路层的数据帧转换成0、1形式的电信号或射频信号向客户端发送；
(20)客户端受到来自网络存储设备的电信号或射频信号，将信号转换成链路层的数据帧，提交给链路层处理；
(21)链路层处理对数据帧的类型进行判断，如果类型为AoE(其值为0x88A2)，则去掉帧头，取出数据包，提交给AoE客户端核心处理模块；
(22)AoE客户端核心处理模块取其中的数据，提交给用户进程并存放在磁盘缓冲区中。AoE服务器端核心处理模块是本发明的另一个关键组成，它采用操作系统的核心模块的形式加以实现，图5介绍了它的多线程处理方式，其处理的详细过程如下：
(91)来自客户端的AoE请求包到达AoE接收线程；
(92)AoE接收线程对AoE请求包进行检查，找到要读取的硬盘，并把AoE包添加到该硬盘对应的输入队列中，然后，唤醒硬盘读写线程进行处理；
(93)硬盘读写线程进行处理从输入队列中取出AoE包，去掉包头，再取出ATA命令，提交给核心的通用存储块层程序，然后，硬盘读写线程睡眠等待；
(94)来自通用存储块层程序的数据到达时，核心唤醒硬盘读写线程，它把数据打成多个AoE应答包，添加到输出队列中，并唤醒AoE发送线程；
(95)AoE发送线程从输出队列取出AoE应答包，并逐个发送给客户端。
Claims (8)
1.一种基于AoE(ATA over Ethernet，以太网直接承载ATA)协议的网络存储设备。特征在于：采用简单、有效的AoE协议传输用于硬盘读写的ATA命令和数据；基础传输协议采用以太网或WiFi；硬件系统采用嵌入式技术，包括基于片上系统的低功耗CPU芯片、内存、闪存、硬盘控制器、硬盘接口、以太网接口和WiFi射频电路；软件系统采用经过裁减和加固后的嵌入式操作系统；AoE协议处理程序采用核心模块方式嵌入到操作系统。
2.根据权利要求1所述的网络存储设备，其特征在于：AoE协议为ATA命令和数据传输协议。
3.根据权利要求1所述的网络存储设备，其特征在于：基础传输协议采用以太网协议，并且传输速率不低于10兆比特每秒。
4.根据权利要求1所述的网络存储设备，其特征在于：基础传输协议采用WiFi协议，并且传输速率不低于11兆比特每秒。
5.根据权利要求1所述的网络存储设备，其特征在于：硬件系统采用嵌入式技术，包括基于片上系统的低功耗CPU芯片、内存、闪存、硬盘控制器、硬盘接口、以太网接口和WiFi射频电路。
6.根据权利要求1所述的网络存储设备，其特征在于：AoE协议处理程序采用核心模块方式嵌入到操作系统，并且采用多个核心线程进行AoE协议数据的并发通讯和硬盘读写。
7.一种基于AoE(ATA over Ethernet，以太网直接承载ATA)协议的网络存储设备的数据处理方法，其特征在于：客户端对网络磁盘(网络存储设备)的读取步骤：
(1)用户进程读取位于存储在网络磁盘上的某个文件中的数据，文件系统查找是否存在于系统的磁盘缓冲区中；
(2)如果已经存在(过去曾经被访问)，直接把数据传递给用户进程；
(3)如果不存在，把对文件的读取转换成对磁盘块的读取的ATA命令，并提交给AoE客户端核心处理模块；
(4)AoE客户端核心处理模块把ATA命令打上AoE包头，形成AoE协议包，提交给链路层处理(以太网或WiFi)；
(5)链路层把来自AoE的协议包打上以太网或WiFi的帧头，形成第二层的数据帧，提交给物理层处理；
(6)物理层将链路层的数据帧转换成0、1形式的电信号或射频信号向网络存储设备发送；
(7)网络存储设备受到来自客户端的电信号或射频信号，将信号转换成链路层的数据帧，提交给链路层处理；
(8)链路层处理对数据帧的类型进行判断，如果类型为AoE(其值为0x88A2)，则去掉帧头，取出数据包，提交给AoE服务器端核心处理模块；
(9)AoE服务器端核心处理模块对AoE数据包的处理过程见权利要求8所述。处理完后，提交给核心的通用存储块层程序；
(10)核心的通用存储块层程序把ATA命令转换成对具体的硬盘进行的操作，然后，提交给输入输出调度层；
(11)输入输出调度程序对所有的输入输出操作重新进行优化，然后，把一组新的输入输出操作提交给块设备驱动程序；
(12)块设备驱动程序把每个输入输出操作提交给硬盘，并进入睡眠状态等待来自硬盘的数据输入；
(13)当硬盘的数据到达时，系统唤醒等待的块设备驱动程序；
(14)块设备驱动程序对数据进行处理后，提交给输入输出调度程序；
(15)输入输出调度程序把数据提交给核心的通用存储块层程序；
(16)核心的通用存储块层程序把数据提交给AoE服务器端核心处理模块进行处理，其过程见权利要求8所述；
(17)AoE服务器端核心处理模块把数据打上AoE包头，形成AoE协议包，提交给链路层处理(以太网或WiFi)；
(18)链路层把来自AoE的协议包打上以太网或WiFi的帧头，形成第二层的数据帧，提交给物理层处理；
(19)物理层将链路层的数据帧转换成0、1形式的电信号或射频信号向客户端发送；
(20)客户端受到来自网络存储设备的电信号或射频信号，将信号转换成链路层的数据帧，提交给链路层处理；
(21)链路层处理对数据帧的类型进行判断，如果类型为AoE(其值为0x88A2)，则去掉帧头，取出数据包，提交给AoE客户端核心处理模块；
(22)AoE客户端核心处理模块取其中的数据，提交给用户进程并存放在磁盘缓冲区中。
8.根据权利要求7所述的网络存储设备的数据处理方法，其特征在于：所述步骤(9)和步骤(16)中的AoE服务器端核心处理模块的处理详细过程包括下列步骤：
(81)自客户端的AoE请求包到达AoE接收线程；
(82)AoE接收线程对AoE请求包进行检查，找到要读取的硬盘，并把AoE包添加到该硬盘对应的输入队列中，然后，唤醒硬盘读写线程进行处理；
(83)硬盘读写线程进行处理从输入队列中取出AoE包，去掉包头，再取出ATA命令，提交给核心的通用存储块层程序，然后，硬盘读写线程睡眠等待；
(84)来自通用存储块层程序的数据到达时，核心唤醒硬盘读写线程，它把数据打成多个AoE应答包，添加到输出队列中，并唤醒AoE发送线程；
(85)AoE发送线程从输出队列取出AoE应答包，并逐个发送给客户端。
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