NAS存儲系統在車輛中的應用

苗河泉，尹成強，劉征東

（聊城大學機械與汽車工程學院，山東 聊城 252000）

引言

當今汽車發展中，很大部分的進步由汽車電子推動。隨物聯網腳步的到來，汽車也加入物聯網大軍。汽車的網絡化、智能化已成為新的發展方向。而汽車新的發展方向對汽車總線及數據存儲有了更高的要求。

1 NAS存儲技術

1.1 NAS存儲器

NAS(Network Attached Storage)是在局域網內部署的一種存儲器，它通過網絡文件系統(Network File System)或公用Internet文件系統(Common Internet File System)等標準化的協議提供數據的存儲和訪問。NAS存儲系統方便了文件存儲共享，基于成熟的IP以太網技術，采用TCP IP協議進行數據傳輸，NAS存儲設備通過設置固定的IP地址連接到網絡上，從而實現在有網的地方對其進行遠程數據訪問。在安裝NAS存儲設備的網絡中，手機、計算機等設備通過文件重定向器(File Redirector)從NAS存儲設備中進行數據的傳輸。當一臺設備(或某應用程序)試圖通過網絡訪問NAS設備存儲的資料時，重定向器把對本地文件系統的本地 IO路徑重定向到使用TCP協議的網絡操作而連接到某個遠程服務器，服務器上運行的文件系統能同時支持多個用戶訪問。這種遠程服務器（含與它連接的存儲器）稱為NAS存儲器。[1]

1.2 SSD簡介

固態硬盤（Solid State Drives），簡稱SSD，指用固態電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，與傳統的機械硬盤相比，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，但由于數據存儲在由很多顆閃存顆粒組成的陣列中，所以當一顆閃存顆粒有問題會導致整個硬盤的數據損壞。SSD主要由主控芯片、緩存芯片（主控算法不同導致有的 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內部結構圖

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），現在3D NAND在市場中已占據一定規模，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，在企業數據存儲中占有較大比例；TLC顆粒壽命最差但價格優勢明顯，在三星等企業的帶動下，TLC顆粒的固態硬盤現已在普通消費者市場占了主導地位，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，但現在隨廠商大力推廣TLC顆粒固態硬盤，其市場份額已不斷下滑。綜合考慮選擇TLC顆粒固態硬盤用于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），而電機的轉動及搖臂的運動會消耗很大的能量。在汽車上應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固態硬盤更適合在汽車上應用。

圖2 機械硬盤結構

1.4 硬盤接口

由于硬盤接口較多且有的接口已經退出歷史舞臺，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?？欤w積比SATA接口的硬盤小很多，但產生的熱量很大，同時價格也較貴，大量使用時成本較高。而現在SATA3.0接口的固態硬盤價格適中非常適合在NAS中應用，同時也能滿足NAS與汽車其它設備間數據傳輸的要求。

1.5 磁盤陣列（RAID）

磁盤陣列（Redundant Array of Independent Disks），簡稱RAID。上面已經介紹SSD內部NAND閃存顆粒損壞會造成整塊硬盤數據損壞，而磁盤陣列能備份數據從而使數據得以保護，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總線與以太網總線

2.1 CAN總線

上個世紀 80 年代德國博世公司為解決汽車設備之間的數據通信開發了CAN總線（Controller Area Network），它是一種串行通訊協議。工業領域對數據傳輸的高實時性和低數據量有較高的要求，CAN總線針對工業領域的實際情況制定了短幀結構和非破壞性仲裁法則。1991年CAN總線經過多次修訂形成技術規范并成功在量產車上引用。該版本包括CAN2.0A和CAN2.0B。其中2.0A版本對標準幀格式進行了定義，2.0B版本對標準幀和擴展幀兩種格式進行了定義。從那以后，CAN總線標準被ISO組織正式采用，成為全球性規范標準。[2]

2.2 新型汽車車載通信——汽車以太網

新興技術的出現，吸引了消費者的關注，他們迫切希望在汽車中能體驗新技術，對汽車性能要求隨之提高。車載電子系統數量及復雜性的增加對傳統數據總線的帶寬有了更高的要求；汽車智能化、網聯化的發展，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總線和以太網總線進行了對比。

表3 CAN總線與以太網總線對比

2.3 網線的分類

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

表4 各類網線對比

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

2.4 車載以太網優勢

車載以太網很好地彌補了 CAN總線帶寬和延遲方面的短板。目前，汽車內使用了多種總線技術，例如CAN、LIN、Flexray和MOST。這些總線技術隨新應用和更高的帶寬需求而產生，這些網絡拓撲中傳輸數據的格式都不同，需借助網關設備來解決不同總線間的通信。而以太網技術能部署同構IP網絡使的車內設備間的通信更方便。

以太網和IP生態系統傳輸的數據格式相同，能以不同的方式進行設備間的通信。這樣，用 100Mbps接口和 1Gbps接口通信只影響傳輸速度而不影響數據格式，同時也可用無線網絡通信。

以太網不僅能用不同方式傳輸通信數據，而且是不斷更新的技術，發展前景一片光明。在經歷了標準以太網(10Mbps)、快速以太網(100Mbps)和千兆以太網(1Gbps)發展后，目前迎來了萬兆以太網（10Gbps）。帶寬持續增長并沒有影響對原有系統的兼容性，新舊以太網間仍能正常通訊。

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

3 NAS在汽車中的布局

當在汽車內布置NAS時，首先要考慮供電系統。由于娛樂系統和辦公系統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、汽車娛樂系統、辦公設備供電。對于純電動汽車也可采取類似方法，在電池組中設計獨立的部分給這些大功耗設備供電，從而減少對汽車行駛的影響。汽車內部NAS及相應設備連接如圖（3），行車記錄儀的攝像頭可將錄制的視頻通過以太網總線存入到NAS中，不需購買內存卡。辦公文檔可存到NAS中備份或通過NAS分享。娛樂系統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。其它的存儲數據也可存到NAS中。

圖3 車內NAS布局及以太網連接圖

路由器采用工業級無線路由器，與汽車外部的發射塔或公路兩側相應的網絡設備相連?，F在4G工業路由器已大量使用，而隨 5G腳步的到來各種新型號的路由器也將涌出。5G網絡傳輸速率最高可達10Gbps，能滿足視頻傳輸等的要求。

4 結論

本文介紹了NAS存儲系統在汽車中的使用，同時對相應的通信網絡進行了簡單的介紹。隨車聯網及5G通信技術的發展，基于以太網的車載總線將在汽車總線中占有一席之地，引領新的潮流，而NAS存儲設備將加快在汽車領域發展的腳步。

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

[2] 李元熙.嵌入式 Ethernet-CAN網關協議研究與實現[N].無錫商業技術職業學院學報.2009（6）： 74-77頁.

[3] 郭麗麗,陳新.以太網技術在汽車通信中的應用[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對比CAN總線優勢明顯[EB/OL]（,2017-08-28）[2018-03-08].http：//www.sohu.com/a/167922361_ 99935473.