NAS存储系统在车辆中的应用

苗河泉，尹成强，刘征东

（聊城大学机械与汽车工程学院，山东 聊城 252000）

引言

当今汽车发展中，很大部分的进步由汽车电子推动。随物联网脚步的到来，汽车也加入物联网大军。汽车的网络化、智能化已成为新的发展方向。而汽车新的发展方向对汽车总线及数据存储有了更高的要求。

1 NAS存储技术

1.1 NAS存储器

NAS(Network Attached Storage)是在局域网内部署的一种存储器，它通过网络文件系统(Network File System)或公用Internet文件系统(Common Internet File System)等标准化的协议提供数据的存储和访问。NAS存储系统方便了文件存储共享，基于成熟的IP以太网技术，采用TCP IP协议进行数据传输，NAS存储设备通过设置固定的IP地址连接到网络上，从而实现在有网的地方对其进行远程数据访问。在安装NAS存储设备的网络中，手机、计算机等设备通过文件重定向器(File Redirector)从NAS存储设备中进行数据的传输。当一台设备(或某应用程序)试图通过网络访问NAS设备存储的资料时，重定向器把对本地文件系统的本地 IO路径重定向到使用TCP协议的网络操作而连接到某个远程服务器，服务器上运行的文件系统能同时支持多个用户访问。这种远程服务器（含与它连接的存储器）称为NAS存储器。[1]

1.2 SSD简介

固态硬盘（Solid State Drives），简称SSD，指用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，与传统的机械硬盘相比，存储读取速度快，功耗低，芯片工作温度范围很宽（-40℃～85℃），重量轻，但由于数据存储在由很多颗闪存颗粒组成的阵列中，所以当一颗闪存颗粒有问题会导致整个硬盘的数据损坏。SSD主要由主控芯片、缓存芯片（主控算法不同导致有的 SSD没有缓存芯片如 Sand Force SF2281主控芯片）、NAND Flash芯片组成。（如图1所示）

图1 ssd内部结构图

闪存颗粒主要有 SLC（单层式存储）、MLC（多层式存储）、TLC（三层式存储），现在3D NAND在市场中已占据一定规模，3D NAND与2D NAND就像楼房与平房，在电路板上单位面积存储的容量更大，因此成为闪存颗粒新的发展趋势。不同类型的颗粒使用寿命和成本也有所不同。SLC颗粒寿命最好但价格也是最高的，在企业数据存储中占有较大比例；TLC颗粒寿命最差但价格优势明显，在三星等企业的带动下，TLC颗粒的固态硬盘现已在普通消费者市场占了主导地位，同时为弥补TLC颗粒自身的短板，很多配套的主控芯片随之产生。MLC颗粒寿命和价格在SLC颗粒和TLC颗粒之间，在2015年时在市场占较大份额，但现在随厂商大力推广TLC颗粒固态硬盘，其市场份额已不断下滑。综合考虑选择TLC颗粒固态硬盘用于NAS存储。

1.3 HDD简介

机械硬盘主要由电机、永磁体、磁盘、磁头摇臂等部件组成（如图2所示），而电机的转动及摇臂的运动会消耗很大的能量。在汽车上应用时对电瓶有较高的要求，而汽车震动会对机械硬盘造成很大的伤害，相对而言SSD固态硬盘更适合在汽车上应用。

图2 机械硬盘结构

1.4 硬盘接口

由于硬盘接口较多且有的接口已经退出历史舞台，本次简单介绍SATA接口、M2（NVMe）接口。见表1：

表1 不同接口硬盘传输速度对比

M.2（NVMe）接口SSD速度非常快，体积比SATA接口的硬盘小很多，但产生的热量很大，同时价格也较贵，大量使用时成本较高。而现在SATA3.0接口的固态硬盘价格适中非常适合在NAS中应用，同时也能满足NAS与汽车其它设备间数据传输的要求。

1.5 磁盘阵列（RAID）

磁盘阵列（Redundant Array of Independent Disks），简称RAID。上面已经介绍SSD内部NAND闪存颗粒损坏会造成整块硬盘数据损坏，而磁盘阵列能备份数据从而使数据得以保护，并且各块硬盘组成的磁盘阵列有更快的传输速度。各类型RAID的对比见下表。

表2 RAID类型对比

2 CAN总线与以太网总线

2.1 CAN总线

上个世纪 80 年代德国博世公司为解决汽车设备之间的数据通信开发了CAN总线（Controller Area Network），它是一种串行通讯协议。工业领域对数据传输的高实时性和低数据量有较高的要求，CAN总线针对工业领域的实际情况制定了短帧结构和非破坏性仲裁法则。1991年CAN总线经过多次修订形成技术规范并成功在量产车上引用。该版本包括CAN2.0A和CAN2.0B。其中2.0A版本对标准帧格式进行了定义，2.0B版本对标准帧和扩展帧两种格式进行了定义。从那以后，CAN总线标准被ISO组织正式采用，成为全球性规范标准。[2]

2.2 新型汽车车载通信——汽车以太网

新兴技术的出现，吸引了消费者的关注，他们迫切希望在汽车中能体验新技术，对汽车性能要求随之提高。车载电子系统数量及复杂性的增加对传统数据总线的带宽有了更高的要求；汽车智能化、网联化的发展，高清摄像头、激光雷达、毫米波雷达等新型传感器由于传输较大的信息量，对汽车总线的传递速度有了新的要求，而目前大量应用的车载总线如CAN、LIN、MOST、Flex Ray总线不能够很好地承载新型传感器的传输量。车载以太网因为可提供高带宽、高速率、大信息量的传输性能来满足新型传感器等设备信息传递的需求，所以其将在汽车总线中占有一席之地。[3]下表对CAN总线和以太网总线进行了对比。

表3 CAN总线与以太网总线对比

2.3 网线的分类

常见的网线有3类线、4类线、5类线、超5类线、6类网线和7类网线。三、四类网线主要用于10Mbps的以太网，五类网线用于100Mbps的以太网，超五类网线用于千兆网，同时价格与五类网线相比差距不大，六类网线支持千兆网，七类网线支持万兆以太网。各类网线对比见表4：

表4 各类网线对比

考虑成本和干扰选择六类网线用于车载NAS系统。若对传输速度要求较高时也可采用万兆网线。

2.4 车载以太网优势

车载以太网很好地弥补了 CAN总线带宽和延迟方面的短板。目前，汽车内使用了多种总线技术，例如CAN、LIN、Flexray和MOST。这些总线技术随新应用和更高的带宽需求而产生，这些网络拓扑中传输数据的格式都不同，需借助网关设备来解决不同总线间的通信。而以太网技术能部署同构IP网络使的车内设备间的通信更方便。

以太网和IP生态系统传输的数据格式相同，能以不同的方式进行设备间的通信。这样，用 100Mbps接口和 1Gbps接口通信只影响传输速度而不影响数据格式，同时也可用无线网络通信。

以太网不仅能用不同方式传输通信数据，而且是不断更新的技术，发展前景一片光明。在经历了标准以太网(10Mbps)、快速以太网(100Mbps)和千兆以太网(1Gbps)发展后，目前迎来了万兆以太网（10Gbps）。带宽持续增长并没有影响对原有系统的兼容性，新旧以太网间仍能正常通讯。

以太网对于解决自动驾驶的带宽和延迟问题优势明显，延迟缩短可以大大改进自动系统的反应时间，实现更安全的汽车和运输体验。[4]

3 NAS在汽车中的布局

当在汽车内布置NAS时，首先要考虑供电系统。由于娱乐系统和办公系统等会消耗大量的电能，若汽车只用一个电瓶可能会对电瓶的寿命造成不利的影响，从而可能会影响汽车的启动等。所以可采取独立电瓶对NAS系统、汽车娱乐系统、办公设备供电。对于纯电动汽车也可采取类似方法，在电池组中设计独立的部分给这些大功耗设备供电，从而减少对汽车行驶的影响。汽车内部NAS及相应设备连接如图（3），行车记录仪的摄像头可将录制的视频通过以太网总线存入到NAS中，不需购买内存卡。办公文档可存到NAS中备份或通过NAS分享。娱乐系统所需的高清视频或音乐可存入NAS中，通过平板、手机等娱乐设备访问，每个手机不需下载就可观看，从而减少存储空间的浪费。其它的存储数据也可存到NAS中。

图3 车内NAS布局及以太网连接图

路由器采用工业级无线路由器，与汽车外部的发射塔或公路两侧相应的网络设备相连。现在4G工业路由器已大量使用，而随 5G脚步的到来各种新型号的路由器也将涌出。5G网络传输速率最高可达10Gbps，能满足视频传输等的要求。

4 结论

本文介绍了NAS存储系统在汽车中的使用，同时对相应的通信网络进行了简单的介绍。随车联网及5G通信技术的发展，基于以太网的车载总线将在汽车总线中占有一席之地，引领新的潮流，而NAS存储设备将加快在汽车领域发展的脚步。

[1] 谢胜彬,陶洋,王国梁. DAS、NAS与SAN的研究与应用[J].计算机与现代化. 2003（7）： 8-11 页.

[2] 李元熙.嵌入式 Ethernet-CAN网关协议研究与实现[N].无锡商业技术职业学院学报.2009（6）： 74-77页.

[3] 郭丽丽,陈新.以太网技术在汽车通信中的应用[J].汽车电器.2017(6)： 36-42 页.

[4] 华强咨询,自动驾驶时代车载以太网对比CAN总线优势明显[EB/OL]（,2017-08-28）[2018-03-08].http：//www.sohu.com/a/167922361_ 99935473.