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存储信息是人类社会广泛而永恒的需求,当前尤为迫切.基于科学探索、国家安全、文档管理的重大需求,高性能的海量数据网络存储系统必将得到发展.这种高性能的系统很难使用单一节点,单一通道实现,因此以高速通道为基础的、用网络连接的分布式存储体系结构将成为主流方案.研究互联网存储系统高速访问通道的原理与方法已成为热点.基于片上可编程系统(System on a Programmable Chip,SoPC)的解决方案,兼有片上系统(System on a Chip,SoC)和可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)的优势,既具有SoC的高集成度和高性能,又具有PLD的低成本和灵活性,成为网络存储高速通道系统研究的重要方向.软硬件协同设计(Hardware-Software Co-design)为其核心技术之一,动态部分可重构(Dynamic Partial Reconfiguration,DPR)是研究热点.
本文围绕网络存储高速通道的应用,提出了一种可重构的异构网络网关阵列结构RGAMF(Reconfigurable Gateway Array of Multiple Fabrics).从RGAMF-SoPC系统级设计、RGAMF-SoPC硬件软件子系统设计、RGAMF-DPR研究、RGAMF-SI分析等不同层次上的设计方法对RGAMF高速通道进行了深入地探讨、研究和实现,并成功搭建了一个网络存储高速通道的原型系统,为项目的进一步研究以及存储系统性能优化打下了很好的基础.
可重构的异构网络网关阵列RGAMF作为网络存储访问的高速通道.RGAMF高速通道由多个网关构成.多个RGAMF网关之间通过IB网络和Rocket I/O高速串行接口进行级联扩展,不仅保证了聚合带宽随着系统规模的扩展而线性增长,而且多个RGAMF网关之间形成了冗余阵列,使系统具有了高效、灵活、可靠和易扩展的特点.
设计并实现了一种高性能的片内多总线RGAMF-SoPC架构,该架构各部件设计均衡,有效使用逻辑资源,能很好的满足网络存储系统对RGAMF高速通道的要求.RGAMF-SoPC架构设计支持以太/IP网在IB网上的链路聚合,保障了异构网络之间高效率的无缝连接.在带宽上,充分利用IB网络的高带宽特性达到多条千兆以太网链路的聚合;在延迟上,基于硬件实现的数据流快速转发机制使得网关的延迟大大的降低.RGAMF-SoPC架构提供了对于网关阵列中多网关协同工作的很好支持.RGAMF-SoPC架构分为硬件子系统和软件子系统两部分设计实现.
RGAMF-DPR研究使传统意义上硬件和软件的界限变得模糊,让硬件系统软件化.本文详细分析了DPR技术在RGAMF系统中的应用,使RGAMF高速通道系统兼具了灵活、硬件资源可复用、易于升级等特点.RGAMF-SI分析详细研究了影响板级速度的信号完整性问题,为RGAMF高速通道提供了很好的板级支持.
在上述成果基础上,本文用FPGA实现了一种RGAMF-SoPC原型.该原型较好地完成了RGAMF高速通道对于协议转换、带宽聚合和灵活性的要求.基于RGAMF-SoPC原型,本文搭建了一种网络存储高速通道的原型系统,系统由多台IB服务器交换互联而成,通过多个RGAMF-SoPC原型构成的网关阵列与以太/IP用户和IP存储实现了通讯.验证了研究成果的有效性.