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透明计算

  【IT168 资讯】相信很多人为自己的电脑频频出现软件故障而烦恼、不时遭受病毒和网络攻击而头痛。如果电脑能够如同电视机一样打开后选择频道即可使用,那是多么诱人。清华大学张尧学教授主持研究的透明计算正是面向这种需求的新型网络计算模式。透明计算的未来发展目标是与普适计算的概念相一致的。

透明计算

  清华大学张尧学教授

  何谓透明计算

  在透明计算的模式下,用户的各种计算设备(简称客户机)不预置任何操作系统和应用软件,用户可以根据需求,在客户机启动时通过网络任意选择与客户机兼容的各种操作系统、以及操作系统上的多种应用软件。所有的应用计算都在客户机上进行,绝大部分管理和存储都在服务器上进行。

  透明计算的研究目前处于第一阶段,支持的网络形式是有线以太网,支持的客户端仅限于PC。从未来发展来看,透明计算将支持的网络形式还包括无线网络等多种网络形式,支持的客户端将包括PDA、智能手机、智能家电等多种智能网络设备。透明计算将成为一种能够把数字化家电设备、通信设备、计算机设备等智能设备互连和融合起来进行计算的新网络计算模式。透明计算模式把计算任务交给各种分布设备,而服务器或控制系统只负责资源管理和存储。

  透明计算并不遥远

  21世纪是一个并不缺乏创新理念的年代,各种各样的创新理念几乎泛滥成灾,因此只有能够转化为现实应用的创新理念才真正值得关注。透明计算第一阶段的研究已经具有了商业化成果,而不再停留在虚无飘渺的理念阶段。

  目前,张尧学教授带领着项目组在透明计算模式之下已经初步完成了可管理多媒体网络计算机(MMNC)的研究课题。

  MMNC系统是一种基于透明计算的网络计算机,该系统采用服务器进行存储和管理、客户机进行计算和交互的计算模式。在透明计算模式下,MMNC运用了多操作系统远程启动协议MRBP以及专用文件系统。用户可以根据应用需要选择自己的操作系统,例如Windows98、Windows2000或Linux。专用文件系统保证了用户私有数据在服务端的隔离存放,并使用户数据在服务器上保持不可见状态。

  悉数MMNC

  MMNC的透明计算模式在服务器端分为物理驱动层、透明计算层、多操作系统层、应用计算层;客户端分为物理驱动层、透明计算层、虚拟OS与应用计算层。

透明计算

  透明计算的层次结构

  其中,物理驱动层主要用来提供服务器和客户机之间的网络连接;透明计算层主要负责服务器和客户机之间的计算连接,包括MRBP(Multi-OS Remote Booting Protocol)协议、虚拟调度和交换算法、用户请求管理与地址配置、专用文件系统。服务器端的多操作系统层提供多种可选的OS给客户端下载;客户端从服务器上下载操作系统镜像和应用软件到本地内存中,进行本地计算,并将计算数据存储在服务器端,实现虚拟OS与应用计算。

  1. 多操作系统的远程启动技术MRBP协议

  MRBP协议是在以太网远程引导协议的基础上改进而成,安装在相当于传统以太网卡BOOT-ROM的位置上,或者集成到主板上。MRBP协议基于Client/Server模型,分为服务器和客户端两部分。服务器指提供远程启动服务的PC,而客户端指需要远程启动的MMNC。远程启动服务是指,通过使用服务器硬盘上的软件来代替工作站硬盘引导一台网络上的工作站。当MMNC客户端加电启动自检后,网络接口卡即被初始化,Boot代理程序启动,自动加载MRBP,广播一个包含MRBP协议的DHCP DISCOVER包,其中扩展部分用于标示这个包是MRBP协议的引导请求包。实现了MRBP协议的MMNC服务器收到这个包后,经过标准的DHCP协议给客户端分配IP地址,并发送Boot Server列表(OS列表)给客户端;客户端选定Boot Server 后,从服务器端下载引导程序块,由引导程序块从服务器上下载主引导扇区,加载操作系统和基本的网络I/O服务。

透明计算

  安装有MRBP程序的存储器

  2. 专有文件系统

  专有文件系统保证了在多客户机同时运行的模式下,共享的系统虚拟磁盘不允许写。但是Windows及其上的软件在运行的过程中,还是要写一些临时文件或者保存当前状态文件的。不允许它们写这些文件,它们就无法正常运行。MMNC采用专有文件系统,通过文件系统重定向器,将写操作转移到可写的磁盘上。在可写磁盘上保存的临时文件在客户端重起后将被自动删除,抵御了病毒的侵扰和误操作对操作系统的破坏。专有文件系统添加一个文件系统重定向器,截取Windows对文件Create 或 Open请求。文件系统重定向器因操作系统而异,需要对操作系统做出一定的修改,开发难度比较大。安全性越高的操作系统,为其编写文件系统重定向器越困难。目前Windows 98/2000和Linux的文件系统重定向器比较成熟,Windows XP的文系统重定向器尚在进行稳定性测试之中。为各种主流操作系统开发文件系统重定向器,是后继工作中最严峻的挑战。

  3. 地址设置

  服务器端配置DHCP服务,为客户端动态分配IP地址,设定 IP地址为内网地址并保持不变,并将用户端的IP/MAC地址绑定;服务器端配置NPC(Network Parameter Configuration)服务,实现客户端计算机名称的自动配置,采取客户端IP地址和计算机名对应的策略,IP地址和服务器端的用户私有数据盘对应,从而保证每次客户端启动能够自动找到服务器端对应的用户盘。

  MMNC应用分析

  由于多媒体网络计算机具有NC和无盘工作站的低成本和安全易维护优势,支持更加多样的操作系统和丰富的应用软件(单机版软件),因此有广泛的应用价值。从目前看,学校、企业等新建中小型信息系统和局域网应用环境的单位适合采用MMNC。目前MMNC系统中每台单路服务器可以支持30~50台客户端运行。由于客户端不需要配备硬盘,对其他配置要求也不高,为其定制的客户机购置成本往往只有主流台式机的一半(在台式机上添加为MMNC定制的网卡也可以充当MMNC客户机)。在运行性能上,由于MMNC对操作系统进行了大量优化,MMNC客户端在配置相对较低的情况下也能够运行流畅。通过早期教育领域用户的反馈,MMNC系统低成本、易维护的特点受到用户极大欢迎。

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  体积最小的MMNC客户端,比键盘的尺寸还小,结构简单,成本低廉

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  即使体积较大的MMNC客户端,也和当前最小的mini-PC尺寸不相上下

  据MMNC项目的工作人员介绍,这一项目正在进行深入开发,开发重点有以下几个方面。首先,MMNC将支持更多种类的操作系统;第二,从单一服务器扩展到多服务器支撑环境,从而支撑更多的客户端数量和多种客户端类型;第三,支持不同的客户端硬件类型,解决为不同客户端分别设置一套OS映像的问题。此外,还将实现用户身份与特定配置、网络存储空间相关联的功能。

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