FPGA中个人云存储系统的设计与研究

摘要

随着高性能网络技术的不断进步，不论是大型企业还是个人用户，对数据存储、迁移和管理方式都提出了更高要求，需求也越来越强烈，导致相关的云存储技术快速发展。然而，个人云存储技术目前仍处于起步阶段，无法满足用户需求。现行的网络存储服务都是基于大型服务器的，客户对用户存储空间的访问受到服务器性能、用户所拥有的存储空间大小、用户读写文件的模式以及网络带宽等诸多因素的限制，并且需要向服务商缴纳一定的费用;另外，市场上现行的带有网络接口的网络硬盘基本都是基于B/S模式的网络硬盘服务器系统或者是安装专用的服务软件，支持文件的一次性上传与下载以及文本文件与图片等在线浏览等功能，与操作本地存储系统之间有本质区别，用户不能像操作本地文件那样方便快捷。
　　针对上述一些问题，本研究提出一种新的个人云存储系统，它区别于当前国内外网络公司提供的比较流行的在线存储服务，除了向用户提供基于网络和本地的文件存储、访问等文件管理双重模式外，还提供了比网络存储服务提供商更多优越的特性:
　　一、基于SUN RPC的NFS协议。与基于FTP或http协议等的文件传输协议不同，NFS协议是目前最成熟的网络文件系统标准，具有较高的安全性与可靠性。基于NFS的网络文件系统的访问与本地文件系统的访问完全一致，并且支持多用户、多权限的文件访问管理。
　　二、FPGA实现关键功能单元
　　(1)用FPGA实现存储介质接口控制器，可针对不同存储介质设计并行的接口，实现接口可扩展和存储容量可扩展。本研究采用PATA/SATA硬盘控制器接口，实现对硬盘扇区数据的管理与控制。
　　(2)用FPGA实现SUN RPC协议以及NFS文件访问协议。目前尚没有用硬件实现NFS整套协议的系统。基于FPGA的NFS协议不仅可以利用FPGA速度优势提升NFS服务器性能，，并且可以真正实现多RPC远程过程请求的并行处理。
　　三、用VHDL硬件描述语言设计了NPI接口控制器，并采用了xilinx的IP核MPMC的NPI接口设计底层NFS服务与内存数据的DMA操作，提高了服务程序的执行效率。
　　四、独立的文件系统。本研究设计与操作相分离的文件系统功能模块，由单独的处理器完成文件系统的管理。独立的文件系统不仅可以与NFS服务等网络功能模块并行执行，提升文件存储速度，并且可扩展实现不同类型文件系统，增强文件系统兼容性。本研究采用了FAT32以及EXT3两种文件系统作为实验方案。
　　本研究设计的个人云存储系统在提供安全可靠的类似本地文件管理功能外，不仅能够满足个人对网络存储的需求，更加方便部署，而且还方便集成，进行并行扩展，为大型数据服务器企业数据存储服务解决方案提供了良好的思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 技术标准及现状

1．2．1 硬盘

1．2．2 VFS文件系统

1．2．3 FAT文件系统

1．2．4 SUN NFS文件系统

1．3 开发环境简介

1．4 研究工作及结构

第二章 原型机设计

2．1 原型机系统架构

2．2 硬件部分设计

2．2．1 ATA硬盘控制器

2．2．2 硬盘控制器IP核封装

2．2．3 硬件系统搭建

2．3 NFS组件设计

2．3．1 网络接收与发送

2．3．2 RPC编解码

2．3．3 NFS服务组件

2．4 文件系统接口

2．5 FAT32文件系统设计

2．6 驱动程序设计

2．7 系统移植

2．7．1 搭建软件开发环境

2．7．2 添加目标板

2．7．3 添加用户应用程序

2．7．4 添加硬盘控制器IP驱动

2．7．5 编译服务程序以及操作系统镜像

2．7．6 操作系统移植

2．8 本章小结

第三章 原型机的验证

3．1 硬件部分验证

3．1．1 ATA硬盘控制器验证

3．1．2 ATA硬盘控制器IP验证

3．2 软件部分验证

3．2．1 驱动程序调试

3．2．2 FAT32文件系统验证

3．2．3 NFS服务程序测试

3．3 原型机系统验证

3．4 服务器性能测试及分析

3．5 本章小结

第四章 双核系统设计

4．1 双核系统体系结构

4．2 RPC消息的DMA设计

4．2．1 驱动程序的DMA设计

4．2．2 NPI接口控制器设计

4．2．3 NPI接口验证

4．3 NFS服务的FPGA设计

4．3．1 RPC协议头部设计

4．3．2 NFS服务组件的FPGA设计

4．3．3 节点信息查询表设计

4．4 EXT3文件系统设计

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及成果