NAS存儲系統(tǒng)在車輛中的應(yīng)用

苗河泉，尹成強，劉征東

（聊城大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

引言

當(dāng)今汽車發(fā)展中，很大部分的進步由汽車電子推動。隨物聯(lián)網(wǎng)腳步的到來，汽車也加入物聯(lián)網(wǎng)大軍。汽車的網(wǎng)絡(luò)化、智能化已成為新的發(fā)展方向。而汽車新的發(fā)展方向?qū)ζ嚳偩€及數(shù)據(jù)存儲有了更高的要求。

1 NAS存儲技術(shù)

1.1 NAS存儲器

NAS(Network Attached Storage)是在局域網(wǎng)內(nèi)部署的一種存儲器，它通過網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(Network File System)或公用Internet文件系統(tǒng)(Common Internet File System)等標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議提供數(shù)據(jù)的存儲和訪問。NAS存儲系統(tǒng)方便了文件存儲共享，基于成熟的IP以太網(wǎng)技術(shù)，采用TCP IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，NAS存儲設(shè)備通過設(shè)置固定的IP地址連接到網(wǎng)絡(luò)上，從而實現(xiàn)在有網(wǎng)的地方對其進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問。在安裝NAS存儲設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)中，手機、計算機等設(shè)備通過文件重定向器(File Redirector)從NAS存儲設(shè)備中進行數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)一臺設(shè)備(或某應(yīng)用程序)試圖通過網(wǎng)絡(luò)訪問NAS設(shè)備存儲的資料時，重定向器把對本地文件系統(tǒng)的本地 IO路徑重定向到使用TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)操作而連接到某個遠(yuǎn)程服務(wù)器，服務(wù)器上運行的文件系統(tǒng)能同時支持多個用戶訪問。這種遠(yuǎn)程服務(wù)器（含與它連接的存儲器）稱為NAS存儲器。[1]

1.2 SSD簡介

固態(tài)硬盤（Solid State Drives），簡稱SSD，指用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，與傳統(tǒng)的機械硬盤相比，存儲讀取速度快，功耗低，芯片工作溫度范圍很寬（-40℃～85℃），重量輕，但由于數(shù)據(jù)存儲在由很多顆閃存顆粒組成的陣列中，所以當(dāng)一顆閃存顆粒有問題會導(dǎo)致整個硬盤的數(shù)據(jù)損壞。SSD主要由主控芯片、緩存芯片（主控算法不同導(dǎo)致有的 SSD沒有緩存芯片如 Sand Force SF2281主控芯片）、NAND Flash芯片組成。（如圖1所示）

圖1 ssd內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

閃存顆粒主要有 SLC（單層式存儲）、MLC（多層式存儲）、TLC（三層式存儲），現(xiàn)在3D NAND在市場中已占據(jù)一定規(guī)模，3D NAND與2D NAND就像樓房與平房，在電路板上單位面積存儲的容量更大，因此成為閃存顆粒新的發(fā)展趨勢。不同類型的顆粒使用壽命和成本也有所不同。SLC顆粒壽命最好但價格也是最高的，在企業(yè)數(shù)據(jù)存儲中占有較大比例；TLC顆粒壽命最差但價格優(yōu)勢明顯，在三星等企業(yè)的帶動下，TLC顆粒的固態(tài)硬盤現(xiàn)已在普通消費者市場占了主導(dǎo)地位，同時為彌補TLC顆粒自身的短板，很多配套的主控芯片隨之產(chǎn)生。MLC顆粒壽命和價格在SLC顆粒和TLC顆粒之間，在2015年時在市場占較大份額，但現(xiàn)在隨廠商大力推廣TLC顆粒固態(tài)硬盤，其市場份額已不斷下滑。綜合考慮選擇TLC顆粒固態(tài)硬盤用于NAS存儲。

1.3 HDD簡介

機械硬盤主要由電機、永磁體、磁盤、磁頭搖臂等部件組成（如圖2所示），而電機的轉(zhuǎn)動及搖臂的運動會消耗很大的能量。在汽車上應(yīng)用時對電瓶有較高的要求，而汽車震動會對機械硬盤造成很大的傷害，相對而言SSD固態(tài)硬盤更適合在汽車上應(yīng)用。

圖2 機械硬盤結(jié)構(gòu)

1.4 硬盤接口

由于硬盤接口較多且有的接口已經(jīng)退出歷史舞臺，本次簡單介紹SATA接口、M2（NVMe）接口。見表1：

表1 不同接口硬盤傳輸速度對比

M.2（NVMe）接口SSD速度非常快，體積比SATA接口的硬盤小很多，但產(chǎn)生的熱量很大，同時價格也較貴，大量使用時成本較高。而現(xiàn)在SATA3.0接口的固態(tài)硬盤價格適中非常適合在NAS中應(yīng)用，同時也能滿足NAS與汽車其它設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

1.5 磁盤陣列（RAID）

磁盤陣列（Redundant Array of Independent Disks），簡稱RAID。上面已經(jīng)介紹SSD內(nèi)部NAND閃存顆粒損壞會造成整塊硬盤數(shù)據(jù)損壞，而磁盤陣列能備份數(shù)據(jù)從而使數(shù)據(jù)得以保護，并且各塊硬盤組成的磁盤陣列有更快的傳輸速度。各類型RAID的對比見下表。

表2 RAID類型對比

2 CAN總線與以太網(wǎng)總線

2.1 CAN總線

上個世紀(jì) 80 年代德國博世公司為解決汽車設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信開發(fā)了CAN總線（Controller Area Network），它是一種串行通訊協(xié)議。工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)母邔崟r性和低數(shù)據(jù)量有較高的要求，CAN總線針對工業(yè)領(lǐng)域的實際情況制定了短幀結(jié)構(gòu)和非破壞性仲裁法則。1991年CAN總線經(jīng)過多次修訂形成技術(shù)規(guī)范并成功在量產(chǎn)車上引用。該版本包括CAN2.0A和CAN2.0B。其中2.0A版本對標(biāo)準(zhǔn)幀格式進行了定義，2.0B版本對標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀兩種格式進行了定義。從那以后，CAN總線標(biāo)準(zhǔn)被ISO組織正式采用，成為全球性規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。[2]

2.2 新型汽車車載通信——汽車以太網(wǎng)

新興技術(shù)的出現(xiàn)，吸引了消費者的關(guān)注，他們迫切希望在汽車中能體驗新技術(shù)，對汽車性能要求隨之提高。車載電子系統(tǒng)數(shù)量及復(fù)雜性的增加對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的帶寬有了更高的要求；汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，高清攝像頭、激光雷達、毫米波雷達等新型傳感器由于傳輸較大的信息量，對汽車總線的傳遞速度有了新的要求，而目前大量應(yīng)用的車載總線如CAN、LIN、MOST、Flex Ray總線不能夠很好地承載新型傳感器的傳輸量。車載以太網(wǎng)因為可提供高帶寬、高速率、大信息量的傳輸性能來滿足新型傳感器等設(shè)備信息傳遞的需求，所以其將在汽車總線中占有一席之地。[3]下表對CAN總線和以太網(wǎng)總線進行了對比。

表3 CAN總線與以太網(wǎng)總線對比

2.3 網(wǎng)線的分類

常見的網(wǎng)線有3類線、4類線、5類線、超5類線、6類網(wǎng)線和7類網(wǎng)線。三、四類網(wǎng)線主要用于10Mbps的以太網(wǎng)，五類網(wǎng)線用于100Mbps的以太網(wǎng)，超五類網(wǎng)線用于千兆網(wǎng)，同時價格與五類網(wǎng)線相比差距不大，六類網(wǎng)線支持千兆網(wǎng)，七類網(wǎng)線支持萬兆以太網(wǎng)。各類網(wǎng)線對比見表4：

表4 各類網(wǎng)線對比

考慮成本和干擾選擇六類網(wǎng)線用于車載NAS系統(tǒng)。若對傳輸速度要求較高時也可采用萬兆網(wǎng)線。

2.4 車載以太網(wǎng)優(yōu)勢

車載以太網(wǎng)很好地彌補了 CAN總線帶寬和延遲方面的短板。目前，汽車內(nèi)使用了多種總線技術(shù)，例如CAN、LIN、Flexray和MOST。這些總線技術(shù)隨新應(yīng)用和更高的帶寬需求而產(chǎn)生，這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袀鬏敂?shù)據(jù)的格式都不同，需借助網(wǎng)關(guān)設(shè)備來解決不同總線間的通信。而以太網(wǎng)技術(shù)能部署同構(gòu)IP網(wǎng)絡(luò)使的車內(nèi)設(shè)備間的通信更方便。

以太網(wǎng)和IP生態(tài)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式相同，能以不同的方式進行設(shè)備間的通信。這樣，用 100Mbps接口和 1Gbps接口通信只影響傳輸速度而不影響數(shù)據(jù)格式，同時也可用無線網(wǎng)絡(luò)通信。

以太網(wǎng)不僅能用不同方式傳輸通信數(shù)據(jù)，而且是不斷更新的技術(shù)，發(fā)展前景一片光明。在經(jīng)歷了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(10Mbps)、快速以太網(wǎng)(100Mbps)和千兆以太網(wǎng)(1Gbps)發(fā)展后，目前迎來了萬兆以太網(wǎng)（10Gbps）。帶寬持續(xù)增長并沒有影響對原有系統(tǒng)的兼容性，新舊以太網(wǎng)間仍能正常通訊。

以太網(wǎng)對于解決自動駕駛的帶寬和延遲問題優(yōu)勢明顯，延遲縮短可以大大改進自動系統(tǒng)的反應(yīng)時間，實現(xiàn)更安全的汽車和運輸體驗。[4]

3 NAS在汽車中的布局

當(dāng)在汽車內(nèi)布置NAS時，首先要考慮供電系統(tǒng)。由于娛樂系統(tǒng)和辦公系統(tǒng)等會消耗大量的電能，若汽車只用一個電瓶可能會對電瓶的壽命造成不利的影響，從而可能會影響汽車的啟動等。所以可采取獨立電瓶對NAS系統(tǒng)、汽車娛樂系統(tǒng)、辦公設(shè)備供電。對于純電動汽車也可采取類似方法，在電池組中設(shè)計獨立的部分給這些大功耗設(shè)備供電，從而減少對汽車行駛的影響。汽車內(nèi)部NAS及相應(yīng)設(shè)備連接如圖（3），行車記錄儀的攝像頭可將錄制的視頻通過以太網(wǎng)總線存入到NAS中，不需購買內(nèi)存卡。辦公文檔可存到NAS中備份或通過NAS分享。娛樂系統(tǒng)所需的高清視頻或音樂可存入NAS中，通過平板、手機等娛樂設(shè)備訪問，每個手機不需下載就可觀看，從而減少存儲空間的浪費。其它的存儲數(shù)據(jù)也可存到NAS中。

圖3 車內(nèi)NAS布局及以太網(wǎng)連接圖

路由器采用工業(yè)級無線路由器，與汽車外部的發(fā)射塔或公路兩側(cè)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連。現(xiàn)在4G工業(yè)路由器已大量使用，而隨 5G腳步的到來各種新型號的路由器也將涌出。5G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率最高可達10Gbps，能滿足視頻傳輸?shù)鹊囊蟆?/p>

4 結(jié)論

本文介紹了NAS存儲系統(tǒng)在汽車中的使用，同時對相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)進行了簡單的介紹。隨車聯(lián)網(wǎng)及5G通信技術(shù)的發(fā)展，基于以太網(wǎng)的車載總線將在汽車總線中占有一席之地，引領(lǐng)新的潮流，而NAS存儲設(shè)備將加快在汽車領(lǐng)域發(fā)展的腳步。

[1] 謝勝彬,陶洋,王國梁. DAS、NAS與SAN的研究與應(yīng)用[J].計算機與現(xiàn)代化. 2003（7）： 8-11 頁.

[2] 李元熙.嵌入式 Ethernet-CAN網(wǎng)關(guān)協(xié)議研究與實現(xiàn)[N].無錫商業(yè)技術(shù)職業(yè)學(xué)院學(xué)報.2009（6）： 74-77頁.

[3] 郭麗麗,陳新.以太網(wǎng)技術(shù)在汽車通信中的應(yīng)用[J].汽車電器.2017(6)： 36-42 頁.

[4] 華強咨詢,自動駕駛時代車載以太網(wǎng)對比CAN總線優(yōu)勢明顯[EB/OL]（,2017-08-28）[2018-03-08].http：//www.sohu.com/a/167922361_ 99935473.