OpenNAS 开源项目¶
OpenNAS 是一个基于 FPGA 的高性能、低功耗开源网络附加存储（NAS）项目。本项目采用完全开源的设计理念，从硬件到软件，从固件到应用，所有代码和设计文档都向社区开放，致力于帮助用户重新掌控自己的数据主权。
硬件¶
1. 主控芯片¶
我们选择使用 Xilinx Zynq-7000 系列 FPGA 作为核心处理器，具体型号为 XC7Z035-FFG900。
为什么选择 FPGA？¶
- 可定制性：FPGA 的硬件可编程特性允许我们针对存储和网络应用进行深度优化
- 高性能：通过硬件加速，可以实现远超传统 ARM 或 x86 处理器的 I/O 性能
- 低功耗：相比同等性能的通用处理器，FPGA 在特定应用场景下功耗更低
- 开源友好：FPGA 设计可以使用开源工具链进行开发和验证
技术规格¶
- 逻辑单元：XC7Z035 提供 275K 逻辑单元，足以实现复杂的存储和网络协议栈
- ARM 双核 Cortex-A9：运行 Linux 操作系统和上层应用
- DDR3 控制器：支持高速内存访问
- PCIe 接口：用于连接 NVMe 存储设备
2. 网络接口（SFP+）¶
OpenNAS 提供 4 路 10Gbps 以太网接口，通过 SFP+ 光模块实现高速网络连接。
设计特点¶
- 10Gbps 带宽：每路接口支持 10Gbps 全双工通信，总带宽可达 40Gbps
- SFP+ 接口：支持多种光模块和直连铜缆，灵活适配不同网络环境
- 硬件加速：网络协议处理在 FPGA 硬件中实现，降低 CPU 负载
- 低延迟：硬件实现的网络栈可以实现微秒级的延迟
应用场景¶
- 高速文件传输和备份
- 媒体内容分发
3. 存储接口（NVMe）¶
OpenNAS 通过 PCIe 软核实现对 NVMe 固态硬盘的直接访问。
技术实现¶
- PCIe 软核：使用 Xilinx GT（Gigabit Transceiver）和 RTL 代码实现 PCIe 协议栈
- NVMe 协议支持：完整的 NVMe 1.4 协议实现，支持多队列、命名空间等高级特性
- 多盘支持：可同时连接多块 NVMe SSD，实现 RAID 或独立存储池
- 高性能：直接硬件访问，避免传统存储栈的开销
性能优势¶
- 低延迟：硬件实现的 PCIe 和 NVMe 协议栈，延迟可低至微秒级
- 高吞吐：充分利用 NVMe SSD 的并行性能
- 可扩展：通过 PCIe 扩展可以支持更多存储设备
开源设计¶
- RTL 代码开源：所有 PCIe 和 NVMe 相关的 RTL 代码完全开源
- 可定制：社区可以根据需求修改和优化存储协议实现
- 透明性：用户可以完全了解数据是如何被存储和访问的
软件¶
系统架构¶
OpenNAS 软件栈采用分层设计，从底层到上层包括：
1. 操作系统层¶
- Linux 内核：基于主线 Linux 内核，针对存储和网络应用进行优化
- 设备驱动：为 FPGA 硬件提供完整的驱动支持
- 资源管理：高效的 CPU、内存和 I/O 资源调度
2. 存储管理层¶
- 文件系统：支持多种现代文件系统（ZFS、Btrfs 等）
- 存储池管理：灵活的存储池配置和管理
- 数据保护：RAID、快照、备份等数据保护机制
- 性能优化：智能缓存、预读、写入合并等优化策略
3. 网络服务层¶
- 文件共享协议：支持 SMB、NFS、FTP、SFTP 等主流协议
- Web 管理界面：现代化的 Web UI，方便远程管理
- 安全认证：完整的用户权限管理和访问控制
4. 应用服务层¶
- 媒体服务器：支持 Plex、Jellyfin 等媒体服务器
- 云同步：支持 Nextcloud、ownCloud 等私有云方案
- 容器支持：Docker 容器化部署应用
- Web 3.0 应用：去中心化存储和内容发布功能
Web 3.0 特性¶
OpenNAS 不仅是存储器，更是个人多媒体发布平台：
- 去中心化内容发布：支持 IPFS、ActivityPub 等去中心化协议
- 内容自主权：用户完全控制自己的内容和数据
- 摆脱平台束缚：不依赖中心化平台，自由发布和分享内容
- 隐私保护：内容存储在本地，用户决定分享范围
开源生态¶
- 完全开源：所有软件代码在开源许可证下发布
- 社区驱动：欢迎社区贡献代码和功能
- 文档完善：提供详细的技术文档和开发指南
- 易于扩展：模块化设计，方便添加新功能
固件¶
TCP Offload Engine (TOE)¶
OpenNAS 在 FPGA 中实现了 TCP 卸载引擎（TOE），将 TCP 协议处理从 CPU 转移到硬件，大幅提升网络性能。
技术优势¶
- CPU 卸载：TCP 协议栈在 FPGA 硬件中实现，释放 CPU 资源用于其他任务
- 低延迟：硬件实现的 TCP 处理，延迟远低于软件实现
- 高吞吐：可以轻松达到 10Gbps 线速转发
- 低功耗：专用硬件比通用 CPU 处理网络协议更节能
实现特性¶
- 完整 TCP/IP 协议栈：支持 TCP、UDP、ICMP 等协议
- 连接管理：支持大量并发连接
- 流量控制：硬件实现的拥塞控制和流量整形
- 安全功能：支持 IPsec、TLS 卸载等安全加速
其他固件特性¶
1. 存储加速¶
- NVMe 队列管理：硬件实现的命令队列和完成队列
- DMA 引擎：高效的数据传输机制
- 缓存管理：智能的读写缓存策略
2. 网络加速¶
- 数据包处理：硬件实现的包分类、过滤和转发
- 负载均衡：多路网络接口的负载均衡
- QoS 保证：服务质量保证机制
3. 能效优化¶
- 热管理：可以通过温度监控来实现风扇转速调节
开源固件¶
- RTL 代码完全开源：所有 FPGA 固件代码开源
- 开发工具链：目前先使用Vivado，未来计划支持开源 FPGA 工具链（如 Yosys、nextpnr）
- 仿真和验证：提供完整的测试平台和验证环境
- 文档和教程：详细的固件开发文档
项目目标¶
技术目标¶
- 高性能：实现 10Gbps 网络吞吐和微秒级延迟
- 低功耗：在同等性能下，功耗低于传统方案 50% 以上
- 高可靠性：7×24 小时稳定运行，数据零丢失
- 易用性：开箱即用，配置简单
开源目标¶
- 完全透明：硬件、软件、固件全部开源
- 社区共建：欢迎全球开发者参与贡献
- 知识共享：所有设计文档和技术细节公开
- 持续改进：基于社区反馈不断优化和完善
应用场景¶
- 个人数据存储：家庭 NAS，个人云存储
- 小型企业存储：小型企业文件服务器
- 媒体中心：家庭媒体服务器，内容分发
- 开发测试：开发者的测试存储环境
- 边缘计算：边缘节点的存储和计算平台
参与贡献¶
OpenNAS 是一个完全开源的项目，我们欢迎所有形式的贡献：
- 代码贡献：硬件设计、软件开发、固件优化
- 文档完善：技术文档、用户手册、教程
- 测试反馈：bug 报告、性能测试、使用体验
- 社区支持：回答问题、帮助新用户、推广项目
让我们一起构建一个真正属于用户的开源存储解决方案！