CN101075930A - 网络存储装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种网络存储装置(2)，用于在网络(4)与存储单元(6)之间传送数据。网络存储装置(2)包括：嵌入式***处理器(8)，适于管理存储单元(6)的存储空间；网络接口组件(12)；以及存储单元管理处理器(10)，适于组织存储数据通信并传送存储数据。网络存储装置(2)的特征在于，网络接口组件(12)包括以专用硬件实现的硬件处理器(20)，用于对数据进行专用硬件处理。网络接口组件(12)还包括控制数据接口(24)和存储数据接口(28)，而且存储数据接口(28)和控制数据接口(24)彼此完全分离。

Description

网络存储装置
技术领域
本发明涉及一种网络存储装置，用于在网络与存储单元之间进行数据传送。
背景技术
通过网络附加存储(NAS)与网络相连的若干客户端或应用程序能够访问存储单元上存储的数据。通常，通过把NAS装置与网络交换机相连而实现网络附加存储，其中运行在其它装置或服务器上的多个应用程序与网络交换机相连。
NAS装置包括网络接口卡、中央处理单元、包含硬盘驱动器的存储单元以及独立冗余磁盘阵列(RAID)控制器。所有的组件可以安装在单一的底板上，或者存储单元可以独立于其它组件。单一底板上的NAS装置的优点是，其结构紧凑，且在需要时可以通过增加额外的底板而容易地增大存储量。中央处理单元通过高速小型计算机***接口(SCSI)或高级技术(AT)附件与存储单元相连，而且通常在网络连接上访问NAS装置，其中NAS装置以具有因特网协议地址的单一节点而出现在网络上。
高存储容量的需求导致高性能的硬盘驱动器阵列以每分钟10千转的速率工作，并且存储容量接近1兆兆(1000吉)字节。
这种吞吐量要求在网络与存储单元之间的NAS装置中进行有效的数据传送。进出网络的数据流应当至少与高速SCSI内部总线的速度一样快，以便充分地使用内部通信总线。
然而，当在与网络相连的装置上运行的应用程序与NAS装置的存储单元之间进行大量的数据传输时、或者当同时存在面向网络的大量数据通信时，网络附加存储装置显现出通信瓶颈。这导致数据在到达其目的地时出现延迟，以及关于带宽的不确定行为。
由于NAS装置包含有可以由多个网络装置的应用程序所访问的附加数据存储空间，所以在NAS装置中采用这种大存储容量能力甚至进一步增大了NAS装置在网络与NAS装置之间显现出通信瓶颈的可能性。
发明内容
本发明旨在提供一种网络存储装置，该装置提供了存储单元与网络之间有效的数据处理，并且保证了存储单元与网络之间的数据通信。
为了这个目标，本发明提供了一种根据权利要求1所述的网络存储装置，用于在网络与存储单元之间传送数据。
所述网络存储装置的其它特征可以在从属权利要求中找到。
附图说明
根据下文的详细描述，结合附图，本发明的上述目的、特征和其它优点将会得到更好的理解，其中：
图1是根据本发明的网络存储装置的示意性框图；
图2是图1中的网络存储装置的示意性框图，更加详细地示出了所述网络存储装置中的网络接口组件；
图3是示出了存储数据比特率调整机制的操作的流程图；以及
图4是图1中的网络存储装置的示意性框图，更加详细地示出了所述网络存储装置中的存储单元管理处理器。
在附图中，相同的附图标记用于指定相同的元件。
具体实施方式
图1示出了用于在网络4与存储单元6之间进行数据传送的网络存储装置2。网络4上传送的数据包括至少一个导航部分和数据有效载荷。
数据有效载荷在网络4上、在网络存储装置2和例如与网络4相连的服务器的装置上运行的应用程序之间传送。
数据有效载荷包括控制数据或存储数据。控制数据包含对网络存储装置2与网络4之间的存储数据通信进行组织和同步的信息，或控制数据包含用于控制与网络4相连的装置的信息。
例如，存储数据是从摄像机现场传送的视频数据，或是暂时存储在服务器上、并被传输到网络存储装置2以存储在存储单元6中的数据。同样，存储数据可以是存储在存储单元6中的、被传输到与网络4相连的装置上的观看应用程序的视频记录。
控制数据包含在数量上比存储数据小得多的数据，然而控制数据要求低等待时间。
存储单元6是独立冗余磁盘阵列(RAID)。在备选实施例中，存储单元6是单一的硬盘驱动器。
在本发明的当前实施例中，使用以太网基础结构来实现网络4，并使用以太网和因特网协议在网络4上进行数据导航。
包含存储和控制数据有效载荷的数据的通信采用包括如下协议的导航部分：以太网协议(即以太网帧)、因特网协议(IP)、传输控制协议(TCP)、用户数据报协议(UDP)或实时传输协议(RTP)。
另外，包含控制数据的数据有效载荷的通信采用如下协议的导航部分：实时控制协议(RTCP)、地址解析协议(ARP)、因特网控制消息协议(ICMP)或因特网组管理协议(IGMP)。
网络存储装置2包括：嵌入式***处理器8，适于对控制数据进行传送和处理，并适于对存储单元6的存储空间进行管理；存储单元管理处理器10，适于对存储数据通信进行管理并与存储单元6进行存储数据的传送；以及网络接口组件12，把网络4与网络存储装置2进行接口连接，并与嵌入式***处理器8进行控制数据的传输，以及与存储单元管理处理器10进行存储数据的传输。
嵌入式***处理器8是运行定制软件的标准硬件处理器，它与双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDR SDRAM)14一同操作。作为软件处理器工作时，它仅处理控制数据，而且仅接收和发送控制数据，所述控制数据用于对存储单元6与网络4之间的存储数据通信进行管理，或用于控制与网络4相连的装置。
直接从网络接口组件12接收、或通过网络接口组件12直接从网络4接收包括控制指令的控制数据。嵌入式***处理器8对控制指令做出解释并执行。嵌入式***处理器8适于通过网络接口组件12向网络4上的装置发送控制数据，或直接向存储单元管理处理器10发送控制数据。嵌入式***处理器8还适于和存储单元管理处理器10一同对从存储单元6至网络接口组件12的存储数据传输进行组织。
嵌入式***处理器8包含适于实现本地数字文件管理方法的软件，所述方法对存储单元6上的存储数据的物理布置和组织进行管理。
存储单元管理处理器10在嵌入式***处理器8的控制下对传输到存储单元6的存储数据进行准备，而本地数字文件管理方法对磁盘上数据的物理组织进行管理。在把存储单元管理处理器10接收到的存储数据划分为磁盘访问块后，本地数字文件管理方法对磁盘访问块的物理布置进行组织，并把磁盘访问块划分为具有512字节大小的RAID磁盘分区。
本地数字文件管理方法通过更新包含在嵌入式***处理器8中的存储分配表而保持对磁盘分区中存储数据的物理位置的记录。存储分配表用于跟踪哪些分区属于哪些存储数据、以及哪些分区保持未使用。
嵌入式***处理器8包含存储集群接口16，用于和至少一个其它的网络存储装置2的嵌入式***处理器8进行通信。嵌入式***处理器8包含适于实现分布式数字文件管理方法的软件，所述方法与其它网络存储装置2进行控制数据的传送，并与其它网络存储装置2进行与其它网络存储装置2上存储的存储数据有关的信息的传送。这可以形成存储单元集群。
图2详细示出了网络接口组件12。网络接口组件12包括：网络接口18，用于建立与网络4的通信；硬件处理器20，用于执行专用硬件处理以及与网络4进行数据传送；本地嵌入式处理器22，用于对导航部分和控制数据进行软件处理；控制数据接口24，用于通过控制数据信道26，与嵌入式***处理器8进行针对包括控制数据的数据有效载荷的传送；以及存储数据接口28，用于通过存储数据信道30在硬件处理器20与存储单元管理处理器10之间对包括存储数据的数据有效载荷进行传送。
取决于导航部分包含的控制数据中的目的地，控制数据由本地嵌入式处理器22或嵌入式***处理器8使用。本地嵌入式处理器22在本地使用控制数据，以控制网络接口组件12的配置；或嵌入式***处理器8使用控制数据，以控制存储单元管理处理器10。
网络接口18包括至少一个RJ45连接器，用于把网络接口12与网络4相连。在备选实施例中，光链接用于网络存储装置2与网络4之间更高带宽的数据通信。网络接口18还包含：适于沿着网络4的物理通信介质发送数据比特、并且从网络4的物理通信介质接收数据字节的硬件电路。
硬件处理器20通过网络接口18从网络4接收包括导航数据部分和数据有效载荷的输入数据，而且还通过网络接口18发送要在网络4上传输的包括导航部分和数据有效载荷的数据。
硬件处理器20是专用硬件处理器，它包含专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)中高度集成的逻辑组件。
硬件处理器20是编程用于如下用途的硬件：对与来自网络4的输入数据的数据链路层、网络层和传输层相对应的导航部分进行接收和处理，并向从存储单元管理处理器10传输到硬件处理器20的数据有效载荷添加与数据链路层、网络层和传输层相对应的导航部分，以便在网络4上进行传送。
硬件处理器20被编程用于对以太网协议、IP、TCP和UDP的导航部分进行处理。在从网络接口18接收到数据时，硬件处理器20被编程用于对以太网协议的导航部分中的介质访问控制器(MAC)地址进行检测。仅当导航部分中的MAC地址与网络接口组件12的MAC地址一致时，才对输入数据进行进一步的处理。
处理继续执行，通过对因特网协议(IP)地址进行检测和验证而检查因特网协议的导航部分。如果数据是目标为网络接口组件12的单播，那么硬件处理器20检查传输控制协议或用户数据报协议的导航部分，以检测数据有效载荷的目的地是控制数据接口24还是存储数据接口28，随后把数据有效载荷传输到相应的接口。包括控制数据的数据有效载荷被传输到控制数据接口24，而包括存储数据的数据有效载荷被传输到分离的存储数据接口28。
如果输入数据是多播/广播，那么在对上述传输控制协议或用户数据报协议的导航部分进行处理之前，硬件处理器20检查因特网协议的导航部分，并验证因特网协议地址与网络存储装置2的因特网协议地址一致、或与网络存储装置2相关。此外，当输入数据是单播时，如果需要对输入数据进行过滤，硬件处理器20还适于检查因特网协议的导航部分。
另外，硬件处理器20被编程用于：如果输入数据不包含因特网协议地址、或者如果传输控制协议或用户数据报协议的导航部分中包含的数据的目的地与本地嵌入式处理器22的目的地一致，那么硬件处理器20把数据传输到本地嵌入式处理器22。
本地嵌入式处理器22是运行定制软件的标准硬件处理器，并具有相关的DDR SDRAM存储器31。它接收具有仅包含控制数据的数据有效载荷的数据，而所述控制数据由本地嵌入式处理器22上运行的软件在本地进行处理。
本地嵌入式处理器22使用软件处理对包括从数据链路层至应用层的协议层的完整协议栈进行处理，而且能够对例如因特网小型计算机***接口(iSCSI)的协议的应用层导航部分进行处理，以建立对存储单元6上存储的存储数据的检索，以便在网络4上进行传输。
本地嵌入式处理器22还产生用于硬件处理器20的导航部分，所述导航部分由硬件处理器20添加到要在网络4上进行传送的有效载荷数据中。
向网络接口组件12传送的数据包含如下协议的导航部分：实时控制协议(RTCP)、地址解析协议(ARP)、因特网控制消息协议(ICMP)或因特网组管理协议(IGMP)，所有这些数据被硬件处理器20路由到本地嵌入式处理器22以在本地进行处理，或随后传送到嵌入式***处理器8。
这些协议用于对存储单元6与网络4之间的存储数据通信进行组织和同步，而且在控制数据从嵌入式***处理器8传送到网络4、或从本地嵌入式处理器22传送到网络4期间，本地嵌入式处理器22适于产生上述协议的导航部分。
本地嵌入式处理器22还对到达网络接口组件12的任何未预计的数据传送进行处理。
使用传输层协议导航部分(例如传输控制协议或用户数据报协议导航部分)以及分配给本地嵌入式处理器22、控制数据接口24和存储数据接口28中每一个的单独的IP地址，来区分输入数据的目的地，即输入数据是去往本地嵌入式处理器22、控制数据接口24还是去往存储数据接口28。
在打开通信连接后，本地嵌入式处理器22、控制数据接口24和存储数据接口28中每一个都被分配有单独的端口号和IP地址。使用传输控制协议，当本地嵌入式处理器22在网络存储装置2与网络4上的另一个装置之间建立TCP连接时，对TCP端口号进行分配。
本地嵌入式处理器22与嵌入式***处理器8一同适于使用标准套接字***调用的“连接”、“绑定”、“监听”和“关闭”功能来建立连接。本地嵌入式处理器22打开套接字并被动地监听来自网络4的连接。网络4上的装置通过经本地嵌入式处理器22向嵌入式***处理器8发送初始同步TCP导航部分而发起主动打开请求，其中本地嵌入式处理器22做出响应而返回同步TCP导航部分。通过本地嵌入式处理器22把应答TCP导航部分发送到嵌入式***处理器8，以最终创建数据通信的连接，而且为所述连接分配源TCP端口号和目的TCP端口号。利用网络4上的装置，本地嵌入式处理器22为本地嵌入式处理器22、控制数据接口24和存储数据接口28建立端口号和IP地址，从而可以使用它们各自的TCP端口号和IP地址、通过网络4把数据传送到本地嵌入式处理器22、控制数据接口24和存储数据接口28。
在连接过程中，对与所使用的传输协议有关的信息、装置的IP地址和MAC地址以及与数据通信带宽有关的参数进行交换。以这种方式，可以对网络4上的一个装置或若干装置做出多个连接。
把端口号和IP地址***传输控制协议(或在打开连接以与用户数据报协议进行通信的情况下***用户数据报协议)和因特网协议的导航部分，以区分数据传送的目的地。
通过向网络4上的装置传送用于指示数据传输结束的TCP导航部分，本地嵌入式处理器22关闭数据连接。一旦本地嵌入式处理器22从网络4上的装置接收到类似的TCP导航部分，则关闭所述连接。
硬件处理器20被编程用于验证在面向网络存储装置2的传送中没有丢失数据有效载荷。传输控制协议的导航部分包含当接收到数据时由硬件处理器20进行验证的序列号，这个序列号使硬件处理器20验证数据有效载荷已经按照正确的顺序到达。一旦进行了验证，硬件处理器20向网络4上的传输装置发送具有有效载荷数据接收确认的TCP导航部分。如果传输装置没有在预定时间内接收到确认，那么重新向网络接口组件12发送数据。
当从网络接口组件12向网络4发送数据时，硬件处理器20被编程用于：如果经过预定时间后网络4上的接收装置没有发送确认，则硬件处理器20重新发送数据。
硬件处理器20还被编程用于：估计已接收数据的校验和，以通过把结果与已接收TCP导航部分的校验和进行比较而验证没有破坏数据字节；以及产生要在网络4上传送的数据的校验和，这个校验和被***所要传送的TCP导航部分。
通过控制数据信道26把硬件处理器20传输到控制数据接口24的控制数据传输到嵌入式***处理器8。硬件处理器20被编程用于：在硬件处理器20与控制数据接口24之间仅传输控制数据。
如上所述，嵌入式***处理器8是运行定制软件的标准硬件处理器。直接从本地嵌入式处理器20、通过硬件处理器20从网络4接收控制数据。嵌入式***处理器8适于通过本地嵌入式处理器22向网络4上的装置发送控制数据，并通过硬件处理器20向网络4上的装置发送控制数据。嵌入式***处理器8还适于对从存储单元管理处理器10经存储单元接口28向硬件处理器20的存储数据传输进行组织。
如上所述，通过一旦建立连接则在本地嵌入式处理器22与网络4上的装置之间交换控制数据、并且交换例如源端口号和目的端口号的信息，实现了网络4上的装置的数据通信连接的打开和关闭。嵌入式***处理器8包含连接管理表，并且当网络4上的装置的连接被打开和关闭时维持对连接管理表的更新。
嵌入式***处理器8把数据通信所需的连接特性(例如MAC地址、IP地址和TCP端口号)传送给本地嵌入式处理器22。然后，本地嵌入式处理器22对硬件处理器20进行配置，从而当从网络4上的装置接收到数据时识别连接，并且向硬件处理器20提供相关的MAC地址、IP地址和TCP端口号，这些内容由硬件处理器20在网络4上发送数据时增加到导航部分。
使用用户数据报协议或实时传输协议来打开或关闭数据通信连接，并以类似的方式来完成面向本地嵌入式处理器22的连接特性的后续传输。
通过嵌入式***处理器8经过本地嵌入式处理器22与网络4上的装置之间的控制数据通信，其它形式的控制数据的通信得以执行，这些控制数据通过实时控制协议来监测多媒体通信的服务品质，或使用TCP来保持到达存储数据中出现的序列中断或超时的记录。
在网络4上的装置通过本地嵌入式处理器22向嵌入式***处理器8发送“打开文件、获取文件、关闭文件”类型的控制数据指令以请求存储数据文件的情况下，嵌入式***处理器8会向存储单元管理处理器10发送控制指令，以打开、检索存储数据文件，关闭文件并把文件中包含的存储数据传输到存储数据接口28。然后，它把存储数据文件的目的地告知本地嵌入式处理器22。
存储数据被传输到硬件处理器20，而本地嵌入式处理器22把连接细节告知硬件处理器20。硬件处理器20把相关导航部分添加到存储数据有效载荷，随后把存储数据发送到网络4。
进入网络接口12的存储数据由硬件处理器20仅传输到存储数据接口28，随后通过存储数据信道30被传输到存储单元管理处理器10。硬件处理器20被编程用于：去除所有的导航部分，并如上所述按照正确的顺序把包括存储数据的数据有效载荷进行集合，以在存储数据接口28处和面向存储单元管理处理器10的存储数据信道30处形成连续的存储数据数据流。
用于向网络存储装置2传送存储数据的请求、或用于从网络存储装置2接收存储数据的请求可以来自运行在网络4的其它装置上的多个应用程序，或者请求可能源自打算建立若干存储数据通信的一个应用程序。
硬件处理器20适于在存储数据接口28中建立多个虚拟存储通信信道，而且每一个虚拟存储通信信道在存储数据接口28与存储单元管理处理器10之间通过存储数据信道30进行通信。每一个虚拟存储通信信道与存储数据通信相对应，并与存储单元管理处理器10进行存储数据的传送。硬件处理器20还适于：一旦存储数据传输完成，则终止虚拟存储通信信道。
如上所述，通过在网络存储装置2与网络4上的装置之间经过本地嵌入式处理器22来交换控制数据，使用标准套接字调用***来打开数据通信连接，从而打开一个或若干个虚拟存储通信信道。虚拟存储通信信道的存在与针对一个数据文件或多个数据文件的访问相对应。
一旦连接被打开，则为虚拟存储通信信道分配TCP端口号，并为每一个虚拟存储通信信道分配单独且可区分的IP地址。在当前实施例中，为每一个虚拟存储通信信道(即每一个面向网络接口组件12的输入数据通信以及每一个来自网络接口组件12的输出通信)分配单独的目的IP地址。因此，在当前实施例中，虚拟存储通信信道具有相同的端口号(存储数据接口28的端口号)，但具有不同的目的IP地址。嵌入式***处理器8的连接管理表中维持有每一个打开的虚拟存储通信信道连接的IP地址和端口号的记录。
然后，硬件处理器20通过把虚拟存储通信信道与专用存储缓冲器段相关联而建立存储数据接口28中的虚拟存储通信信道，其中所述专用存储缓冲器段通过存储总线与存储数据接口28相连。所述专用存储缓冲器段还与存储单元管理处理器10相连，而且每一个专用存储缓冲器段具有物理上分离的通信介质，例如与存储单元管理处理器10相连的电缆电线。
存储缓冲器段是单一DRAM存储器32的段，它被按照先入先出(FIFO)原理管理的数据流所划分，而且针对从存储单元6至网络4的方向上的数据流，存储器段持续保持为满。对于从网络4至存储单元6方向上的数据流，存储器段持续保持为空。
在另一个实施例中，DRAM存储器32与存储单元管理处理器10之间使用单一连接，而且使用硬件处理器20所添加的内部导航部分而连续地传送虚拟存储通信信道中的存储数据。
图2示出了DRAM存储器段32a、32b的总共8个段，从而允许在当前实施例中创建总共8个虚拟存储通信信道。在图2中，为了进行说明，单一DRAM存储器32以两部分32a、32b而示出。
对存储缓冲器进行组织，以使网络接口组件12的数据吞吐适应存储单元管理处理器10的吞吐要求。存储缓冲器段的大小取决于面向存储单元管理处理器10的存储缓冲器段的连接被配置为分立介质还是单一的连续连接。使用单一的连续连接要求在随后的多路复用之前临时存储所有虚拟存储通信信道中的数据。
存储缓冲器段的大小还取决于存储缓冲器段与存储单元管理处理器10之间的通信所使用的通信接口的性质，即它是专有的还是例如***组件快速互连(PCI express)。所使用的通信接口的性质确定了数据传输的大小，而且对存储缓冲器的大小进行最优化以减小开销大小/数据传输大小这个比率。
因此，通过面向专用存储器段的存储总线建立了从存储数据接口28至存储单元管理处理器10的虚拟存储通信信道，而通过面向存储单元管理处理器10的单独段连接而建立了到达存储单元管理处理器10的虚拟存储通信连接。当前实施例中的存储数据信道30包括8个虚拟存储通信信道。
通过本地嵌入式处理器22把虚拟存储通信信道的IP目的地址传送到硬件处理器20。本地嵌入式处理器22把硬件处理器20设计用于向存储缓冲器段32a、32b分配段标识号，并把段标识号与虚拟存储通信信道的IP目的地址相关联，以建立虚拟存储通信信道。
本地嵌入式处理器22把存储缓冲器段32b告知嵌入式***处理器8，借此把去往特定IP目的地址的输入存储数据传送到嵌入式***处理器8。本地嵌入式处理器22还把存储缓冲器段32a告知嵌入式***处理器8，存储单元管理处理器10应当向嵌入式***处理器8传送存储数据，所述存储数据由硬件处理器20向网络4上的特定IP目的地址进行发送。
虽然被划分的单一DRAM存储器32a、32b包含多个存储缓冲器段，仅有与IP目的地址相关联的那些段是有效的，而余下的段可以建立其它虚拟存储通信信道。
硬件处理器20通过如下方式来区分不同虚拟存储通信信道上的输入数据：检测每一个虚拟存储通信信道的目的IP地址，使输入存储数据流动到存储数据接口28和相应的存储缓冲器段32b，其中存储缓冲器段32b具有与虚拟存储通信信道的IP目的地址相关联的段标识号。硬件处理器20去除了所有导航部分，并按照上文所述那样对数据执行校验求和。
硬件处理器20使用存储缓冲器段32a的段标识号来区分由存储单元管理处理器10发送到硬件处理器20的数据，其中存储单元管理处理器10向存储缓冲器段32a发送存储数据。硬件处理器20传输来自存储数据接口28的数据，并把本地嵌入式处理器22提供的连接特性***导航部分，其中导航部分与数据有效载荷组合在一起而在网络4上进行传送。硬件处理器20还针对所要发送的数据进行校验求和并***校验和。
硬件处理器20被编程用于：使用标准套接字***调用的“发送”和“接收”功能，与存储单元管理处理器10进行存储数据的传送。图2中示出了总共8个虚拟存储通信信道，4个用于传输网络接口组件12所接收到的存储数据，4个用于传输网络接口组件12所传送的存储数据。
一旦网络4上的装置与存储单元管理处理器10之间的存储数据通信完成，则嵌入式***处理器8通过本地嵌入式处理器22把存储数据通信的结束告知硬件处理器20。现在，本地嵌入式处理器22对硬件处理器20进行编程，以去除虚拟存储通信信道IP地址与存储缓冲器段32a、32b的段标识号之间的关联，以便终止虚拟存储通信信道。
网络接口组件12具有针对网络存储装置2与网络4之间的通信的已分配带宽限制，这个带宽限制由网络4的网络管理者来确定。存储数据接口28中所有已建立的虚拟存储通信信道(包括用于存储到达网络接口组件12的数据的虚拟存储通信信道、以及用于存储从网络接口组件12传送的数据的虚拟存储通信信道)的累加带宽、以及用于控制数据通信的带宽总是小于带宽限制。在当前实施例中，为控制数据分配了带宽限制的20％，而为存储数据保留了带宽限制的80％。
在虚拟存储通信信道的打开期间，网络存储装置2和网络4上的装置通过本地嵌入式处理器22交换控制数据，所述控制数据涉及被协商用于数据通信的虚拟存储通信信道的带宽和生存期，而且根据网络存储装置2或网络4上的装置所请求的数据传输大小而确定所述带宽和生存期。
数据传输大小被分为多个数据分组，而数据分组的大小也是可调整的参数。虚拟存储通信信道的数据比特率越小，完成存储数据传输所需的虚拟存储通信信道的生存期就越长。
网络4和本地嵌入式处理器22同意并确定带宽和生存期参数。硬件处理器20适于由本地嵌入式处理器22编程，以忽略在虚拟存储通信信道的生存期中接收到的任意中断请求。然而，由于硬件处理器20由本地嵌入式处理器22控制，所以硬件处理器20可以从本地嵌入式处理器22接收取消命令，所述取消命令源自网络4上的装置或用户。一旦在存储数据接口28中打开并建立虚拟存储通信信道，那么存储数据的传输开始。在虚拟存储通信信道的生存期中，虚拟存储通信信道和虚拟存储通信信道的带宽完全不受本地嵌入式处理器22的控制。
在虚拟存储通信信道生存期的结束时，虚拟存储通信信道的连接被关闭，而且本地嵌入式处理器22对硬件处理器20进行编程以终止存储数据接口28中建立的虚拟存储通信信道。当在存储数据接口28中虚拟存储通信信道终止时，虚拟存储通信信道带宽仅可以由新的虚拟存储通信信道来使用。终止之后，嵌入式***处理器8由本地嵌入式处理器22进行更新，并对连接关闭的连接管理表进行更新。
在虚拟存储通信信道的生存期中，已被同意的虚拟存储通信信道的参数不能被网络4上的装置、网络管理者或网络存储装置2改变，而且它们不会干扰数据传输。
本地嵌入式处理器22被编程用于：仅当累加带宽小于被保留用于网络接口组件12的存储数据通信的限制带宽的80％时，与硬件处理器20一同打开虚拟存储通信信道，其中所述累加带宽与所有存在的虚拟存储通信信道带宽的总和相对应，而且在当前虚拟存储通信信道连接已建立的情况下，包括被分配给用于进行通信的当前虚拟存储通信信道连接请求的虚拟存储通信信道带宽。本地嵌入式处理器22适于在任意给定时刻计算总带宽。
在从网络4向存储单元管理处理器10传送存储数据期间，采用直接存储器寻址(DMA)把硬件处理器20传送的存储数据传输到在存储缓冲器32b的专用存储缓冲器段中建立的DMA信道。以可编程硬件实现的外部接收DMA控制器34与本地嵌入式处理器22一同控制把存储数据沿着存储数据信道30的虚拟存储通信信道传输到存储单元管理处理器10。
当作为来自网络4的存储数据的接收机而操作时，网络接口组件12用作创建存储数据流的接口，所述存储数据流流过虚拟存储通信信道而到达存储单元管理处理器10。
在把存储数据从存储单元管理处理器10传送到网络4的期间，也采用直接存储器寻址(DMA)把存储单元管理处理器10所传送的存储数据传输到在存储缓冲器32b的专用存储缓冲器段中建立的DMA信道。以可编程硬件实现的外部传送DMA控制器36与本地嵌入式处理器22一同控制把存储数据沿着虚拟存储通信信道传输到存储数据接口28和硬件处理器20。
硬件处理器20被编程用于：对来自存储数据接口28的存储数据以及来自控制数据接口24的控制数据进行处理，并把它们传输到网络4。通过与嵌入式***处理器8交换控制数据并使用存储缓冲器段的段标识号，本地嵌入式处理器22适于区分每一个虚拟存储通信信道，并知晓每一个虚拟存储通信信道上的数据的目的地。本地嵌入式处理器22对硬件处理器20在传输层、网络层和数据链路层***数据导航部分进行准备和编程。应用层的数据导航部分由本地嵌入式处理器22产生并***。
对于包括来自存储数据接口28的控制数据、或包括来自控制数据接口24的控制数据的数据有效载荷，添加了用户数据报协议的导航部分或传输控制协议的导航部分，并且添加了因特网协议和以太网协议的导航部分。所产生的数据总体由硬件处理器20传输到网络接口18，以在网络4上进行发送。
如图2所示，控制数据和存储数据到达网络接口组件12，通过控制数据信道26和存储数据信道30向网络4进行传送。为接口装置3与网络4之间的通信而由网络管理者所确定的带宽限制由接收和传送的控制数据以及传送存储数据和接收存储数据的虚拟存储通信信道共享。
如上所述，在当前实施例中，为控制数据分配了所分配带宽限制的20％，而为存储数据保留了所分配带宽限制的80％。图3中所示的存储数据比特率调整机制用于调整面向网络的存储数据传送，以确保遵守达成一致的虚拟存储通信信道带宽，而且所分配带宽限制中所保留的80％不会被已建立的虚拟存储通信信道超越。存储数据比特率调整机制由本地嵌入式处理器22与外部传输DMA控制器36一同管理。
存储数据比特率调整机制(图3)包括：传递有规则的信号点(tick)以触发外部传输DMA控制器36向存储数据接口28和硬件处理器20传输数据。来自每一个虚拟存储通信信道的数据分组被暂时存储在FIFO类型的存储缓冲器32a中，而且从存储缓冲器32a至硬件处理器20的传输由比特率调整机制来控制。每当出现所涉及的虚拟存储通信信道的信号点时，出现面向硬件处理器20的传输。
为图3所示4个传输虚拟存储通信信道(VSCC)中的每一个信道设立信号点周期P。通过把针对虚拟存储通信信道而达成一致的数据分组大小除以虚拟存储通信信道比特率而确定信号点周期，而且每一个信号点周期P发送一个数据分组。
当虚拟存储通信信道的信号点已经出现且一旦先前的有效载荷传输结束时，执行数据有效载荷的传输。如果属于不同虚拟存储通信信道的若干信号点同时出现，如图3中所示传送开始时的情况，则应用循环(round robin)规则。
图3中示出了所产生的虚拟存储通信信道传送(VSCC)序列。所述结果是多路复用的流，其中即时比特率不会高于虚拟存储通信信道的带宽限制。
控制数据比特率调整机制还用于调整面向硬件处理器20的控制数据传送(该数据随后被发送到网络4)，以确保不会超越所分配的限制带宽的20％。控制数据比特率调整机制由嵌入式***处理器8和定时器一同管理。
控制数据比特率调整机制避免了具有未受限高比特率和短持续时间的不期望的传输，这些传输会使所有带宽饱和。在面向硬件处理器20的每一次控制数据传输中，触发定时器以启动传输时间，在所述传输时间终止并允许对数据传输率进行控制之前，面向硬件处理器20的下一个传输不会发生。传输时间取决于传输大小，传输大小越大，传输时间越长。传输比特率是传输大小除以传输时间。定时器保证分配给控制数据的带宽不会被超越。
控制数据和存储数据比特率调整机制确保在网络接口组件12进行后续的数据传送期间达成一致的虚拟存储通信信道带宽不会被超越。网络4上的传送装置采用类似的机制而遵守所分配的虚拟存储通信信道带宽。
如图4详细所示，存储单元管理处理器10与双倍数据速率同步动态随机存取存储器38一同操作，并且包括：控制单元40，用于与嵌入式***处理器8进行控制数据传送；流处理器42，用于与条(striping)处理器44进行存储数据传送；所述条处理器44，用于把存储数据划分为将要传输到存储单元SCSI控制器46的数据存储块；所述SCSI控制器46，用于通过串行附加SCSI接口48与存储单元6直接进行数据传送。嵌入式***处理器8控制了存储单元管理处理器10的所有组成组件，包括控制单元40、流处理器42、条处理器44和SCSI控制器46。
存储单元管理处理器10以专用硬件处理器而实现，而串行附加SCSI接口48也以专用硬件而实现。SCSI控制器46包含多个并行SCSI控制器信道(未示出)，而串行附加SCSI接口48包含多个并行串行附加SCSI接口信道。
存储单元6中每一个RAID磁盘具有SCSI控制器46中单独的SCSI控制器信道以及串行附加SCSI接口48中相应的单独串行附加SCSI接口信道。存储单元6中每一个RAID磁盘利用其相应的单独SCSI控制器信道、通过单独的串行附加SCSI接口信道进行通信，而且对磁盘的访问是并行且同时的。
存储单元管理处理器10适于执行RAID控制器的功能。存储单元管理处理器10是被编程用于和嵌入式***处理器8一同对RAID磁盘上的数据实现RAID级别5的组织的硬件。
控制单元40适于执行嵌入式***处理器8的命令，并适于与流处理器42、条处理器44和SCSI控制器46进行控制指令的通信。
流处理器42通过包含专用存储缓冲器段的DRAM存储器32，把存储数据有效载荷传输到存储数据接口28和硬件处理器20，以在网络4上传送。流处理器42还通过DRAM存储器32把存储数据从存储数据接口28传送到条处理器44。流处理器42的这两个操作是双向且同时发生的。
流处理器42使存储数据从每一个虚拟存储通信信道和每一个存储缓冲器段32b流至条处理器44。然后与嵌入式***处理器8一同把存储数据写入存储单元6，所述嵌入式处理器8通过控制单元40与条处理器44和SCSI控制器46交换控制指令。
在嵌入式***处理器8的控制下，以类似的方式实现在读取操作期间把存储数据传输到网络4。由于嵌入式***处理器8包含与存储缓冲器段32a的段标识号有关的信息，其中存储缓冲器段32a的段标识号与虚拟存储通信信道的连接端口号和IP地址相关联，所以嵌入式***处理器8使用这个信息来识别应向哪个存储缓冲器段32a传输存储数据。
随后，嵌入式***处理器8控制存储数据从条处理器44经过流处理器42并到达存储缓冲器段32a的传输，其中存储缓冲器段32a具有与存储数据要传送到的虚拟存储通信信道目的IP地址相关的段标识号。
在向存储单元6传输存储数据期间，条处理器44适于把存储数据流划分为16比特的数据存储块，这与存储单元6中的RAID磁盘的磁盘访问大小相对应。
另外，存储单元管理处理器10包括条缓冲器49。条缓冲器49包含多个并行信道缓冲器或条，而每一个单独的SCSI控制器信道具有相关的信道缓冲器。每一个缓冲器暂时存储多个数据存储块，并执行条处理器44与存储单元6的磁盘阵列之间通过SCSI控制器46和串行附加SCSI接口48的分组数据传输，以便对存储数据通信进行最优化。
SCSI控制器46通过串行附加SCSI接口与RAID磁盘进行通信，向RAID磁盘写入或从RAID磁盘读取16比特的数据块。SCSI控制器46在与磁盘进行数据传输时的快速响应使存储单元6与网络4之间的存储数据传输速度得到最优化。此外，它允许在存储数据写入或读取操作期间在RAID磁盘与嵌入式主机***处理器8之间进行控制数据的快速通信。
存储单元管理处理器10还包括奇偶发生器50和重建组件52。
奇偶发生器50与条处理器44一同操作，并且基于对存储数据逐位进行异或操作的异或矩阵。重建组件52适于和控制单元40一同重建RAID磁盘的损坏部分中所包含的数据。仅对所使用的磁盘分区进行重建。重建组件52以硬件实现，读取操作、异或操作和分区写入操作是自动的且不需要与***进行交换。因此，在读取和写入期间，重建操作与其它针对RAID磁盘的访问进行竞争。重建操作在带宽方面不会比一次访问花费更多，而且可以由分布式文件管理***管理。
SCSI控制器46以硬件实现，而且从条缓冲器49至串行附加SCSI磁盘接口进行大量的并行通信。每个条具有一个缓冲器，每个条具有一个SCSI控制器，每个磁盘具有一个串行附加SCSI磁盘接口，因而每个磁盘具有一个电缆。在当前实施例中，针对多个优点而使用串行附加SCSI磁盘(或在备选实施例中为串行ATA)，例如速度、可靠性和紧密性。这个并行架构减小了访问时间，这是因为典型搜寻时间是半确定性的(quasi-deterministic)，平均值可被确定并用于对命令做出预期。然而，离散度(dispersion)仍旧是未知参数。
条缓冲器49包含与磁盘一样多的信道。条缓冲器49的尺寸不仅对通信进行了最优化，而且还对磁盘访问时间进行了最优化。访问时间包括控制时间、用于置换首部的时间以及用于在介质上传输数据的时间。传输大小越小，持续的传输速率(持续的比特率)越小。为了增大传输大小，需要在条缓冲器中累积数据，以限制磁盘的访问次数。所选择的条缓冲器大小由如下来确定：在何种大小上增大条缓冲器的大小变得在经济上不利(大量的存储器)，以及当与传输时间相比时在何种大小上条缓冲器的使用期间的时间“丢失”变得明显。类似地，经过缓冲器的通道引起了数据流中的等待时间，这在特定情况下(对于服务器来说，这个不便是次要的)是不便的。发现了一个良好的折衷：使条缓冲器的大小在每信道128千比特与1兆比特之间。
由于虚拟存储通信信道受到保护以免由网络4、网络管理者和网络存储装置2进行外部操作或干扰，而且如果额外的虚拟存储通信信道的创建会导致网络存储装置2的带宽限制被超越，则不会建立所述信道，从而在存储数据通信期间保证了虚拟存储通信信道的带宽。因此，确保了存储单元6与网络4之间的存储数据通信，而且避免了通信瓶颈。
网络存储装置2中的控制数据和存储数据的完全分离以及硬件处理器20、由硬件实现的存储单元管理处理器10和串行附加SCSI接口48的使用确保了网络4与存储单元6之间高度并行且有效的存储数据流动。
通过复制网络存储装置(2)的所有组成组件，可以实现可靠并可用的网络存储装置，以提供冗余度和随时可用的网络存储装置。
网络存储装置2基于专用硬件处理器而实现分散架构。数据传输操作和重建操作由“管理者”(嵌入式***处理器)发起并控制，但是数据传输和处理由专用硬件处理器执行。由于其分散架构，网络存储装置2能够满足符合HDD存储技术中期望的进步的、每个服务器上每秒10G比特的预测数据传输要求。相比较来说，当前包括软件多处理器的网络存储装置难以处理每秒1G比特的数据传输。
根据本发明的混合硬件/软件架构不仅允许高速数据流，而且允许装置功耗保持相对较低，而且不需要性能强劲的冷却元件。这导致了具有如下特征的紧密的网络存储装置：高存储容量和密度、高处理效率、借助RAID和重建功能的高数据吞吐和高可靠性，而且所述网络存储装置具有借助于冗余度的可用性。

Claims (10)

1.网络存储装置(2)，用于在网络(4)与存储单元(6)之间传送数据，所述数据包括：至少一个导航部分，用于对数据进行导航以经过网络(4)；以及数据有效载荷，包含控制数据或存储数据；所述网络存储装置(2)包括：
嵌入式***处理器(8)，适于管理存储单元(6)的存储空间，并传送和处理控制数据；
网络接口组件(12)，用于把网络(4)和网络存储装置(2)进行接口连接，所述网络接口组件(12)包括本地嵌入式处理器(22)，用于与嵌入式主机处理器(8)传输控制数据；
存储单元管理处理器(10)，适于组织存储数据通信，并在网络接口组件(12)与存储单元(6)之间传送存储数据；
网络存储装置(2)的特征在于，网络接口组件(12)包括以专用硬件实现的硬件处理器(20)，用于对在网络(4)与存储单元(6)之间传送的数据进行专用硬件处理，所述数据包括数据有效载荷和至少一个导航部分；以及
网络接口组件(12)还包括控制数据接口(24)和存储数据接口(28)；网络接口组件(12)适于通过控制数据接口(24)与嵌入式***处理器(8)传送仅包含控制数据的数据有效载荷，并且适于通过存储数据接口(28)与存储单元管理处理器(10)传送仅包含存储数据的数据有效载荷；存储数据接口(28)和控制数据接口(24)彼此完全分离。
2.根据权利要求所述的网络存储装置(2)，其特征在于，硬件处理器(20)适于对与网络存储装置(2)进行传送的数据的导航部分进行处理，并根据导航部分的内容，把包括控制数据的相关的数据有效载荷传输到控制数据接口(24)，以及把包括存储数据的相关的数据有效载荷传输到存储数据接口(28)。
3.根据权利要求1或2所述的网络存储装置(2)，其特征在于，硬件处理器(20)适于在存储数据接口(28)中建立多个虚拟存储通信信道，每一个虚拟存储通信信道与同存储单元(6)进行的存储数据的独立数据传输相对应，每一个虚拟存储通信信道具有针对存储数据通信所确定和保证的带宽。
4.根据权利要求3所述的网络存储装置(2)，其特征在于，硬件处理器(20)适于对传送到网络存储装置(2)的数据的导航部分进行处理，并根据导航部分的内容，把包括存储数据的相关的数据有效载荷传输到相应的虚拟存储通信信道。
5.根据权利要求3或4所述的网络存储装置(2)，其特征在于，存储数据接口(28)具有相关且专用的存储缓冲器(32)，而且硬件处理器(20)适于被编程用于：把专用存储缓冲器(32)的段与通信数据的至少一个导航部分中包含的数据进行关联，以建立虚拟存储通信信道。
6.根据权利要求3至5中任意一项所述的网络存储装置(2)，其特征在于，硬件处理器(20)适于在与虚拟存储通信信道的生存期相对应的时期内，与本地嵌入式处理器(22)一同建立虚拟存储通信信道，而且硬件处理器(20)适于在虚拟存储通信信道的生存期内拒绝网络存储装置(2)的所有中断请求。
7.根据权利要求3至6中任意一项所述的网络存储装置(2)，其特征在于，本地嵌入式处理器(22)适于与硬件处理器(20)一同来计算累加带宽，所述累加带宽与所有已存在的虚拟存储通信信道带宽之和相对应，而且如果建立了当前虚拟存储通信信道的话，还包括分配给当前虚拟存储通信信道的虚拟存储通信信道带宽；本地嵌入式处理器(22)适于：仅当累加带宽小于网络存储装置(2)的已分配带宽限制的情况下，才会建立虚拟存储通信信道。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的网络存储装置(2)，其特征在于，网络存储装置(2)包括串行附加SCSI接口(48)，串行附加SCSI接口(48)以专用硬件实现，并且适于在存储单元(6)与存储单元管理处理器(10)之间传送存储数据，而且
存储单元管理处理器(10)包括流处理器(42)、条处理器(44)和SCSI控制器(46)，它们全都以专用硬件而实现；流处理器(42)适于在硬件处理器(20)与条处理器(44)之间传送存储数据，条处理器(44)适于把存储数据划分为数据存储块，并与存储单元SCSI控制器(46)传送数据存储块，SCSI控制器(46)适于通过串行附加SCSI接口(48)直接与存储单元(6)进行数据存储块的传输。
9.根据权利要求8所述的网络存储装置(2)，其特征在于，存储单元(6)包括多个硬盘驱动器，SCSI控制器(46)包含多个并行SCSI控制器信道，而串行附加SCSI接口(48)包含多个并行串行附加SCSI接口信道，存储单元(6)中每一个硬盘驱动器具有SCSI控制器46中相关的单独的串行附加SCSI接口信道以及串行附加SCSI接口48中相关的单独的串行附加SCSI接口信道，每一个SCSI控制器信道适于通过其相关的串行附加SCSI接口信道与其相关的硬盘驱动器直接进行存储数据的传输，以提供并行且同时发生的硬盘驱动器访问。
10.根据上述权利要求中任意一项所述的网络存储装置(2)，其特征在于，硬件处理器(20)适于对从网络(4)到达的数据进行处理并传输；通过检测以太网协议导航部分中包含的介质访问控制器地址、通过检测因特网协议导航部分中包含的因特网协议地址以及通过检测传输控制协议导航部分中的有效载荷数据的目的端口号，来处理并传输数据，其中所述目的端口号与控制数据接口(24)和存储数据接口(28)相对应。
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