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透 明 计 算 :<br />
一 种 扩 展 的 冯 · 诺 依 曼 结 构 及 其 实 现<br />
张 尧 学<br />
2006.10.27
目 录<br />
1. 简 介<br />
2. 透 明 计 算 的 概 念<br />
3. 透 明 计 算 的 模 型 与 结 构<br />
4. 透 明 计 算 软 件 平 台 :4VP:<br />
+ (Meta OS)<br />
5. 实 现 示 例<br />
6. 与 传 统 相 关 计 算 模 式 比 较<br />
7. 结 论
1. 简 介<br />
1.1 世 界 正 朝 着 普 适 计 算 发 展<br />
主 机<br />
计 算<br />
基 于 桌 面 的<br />
网 络 计 算<br />
普 适 计 算<br />
(Ubiqutous<br />
Computing)<br />
T/M<br />
C/S C/N C/VE<br />
“ 什 么 都 是 计 算 机 ”<br />
“ 技 术 消 失 ”<br />
1970 年 代 2000 年 代 21 世 纪
1.2 普 适 计 算 的 概 念<br />
From M. Satyanarayanan, , 2001
1.3 普 适 计 算 应 提 供 的 两 类 基 本 服 务<br />
(1)) 同 一 终 端 机 上 获 得 来 自 于 不 同 平 台 的 各 种 服 务<br />
( 服 务 类 型 与 软 件 系 统 的 条 件 无 关 )<br />
服 务
(2)) 不 同 地 点 的 不 同 终 端 机 上 可 获 得 同 一 服 务 ( 例 如 上 网 )<br />
( 同 一 服 务 与 硬 件 平 台 及 地 点 的 条 件 无 关 )<br />
服 务 A<br />
台 式 机<br />
服 务 A<br />
服 务 A<br />
手 机<br />
大 型 机
1.4 目 前 的 计 算 机 系 统 存 在 的 问 题<br />
(1)) 操 作 系 统 与 硬 件 平 台 相 关 过 于 紧 密<br />
“ 没 用 OS 的 计 算 机 是 垃 圾 ”<br />
<br />
<br />
<br />
大 操 作 系 统 与 小 设 备 之 间 的 矛 盾<br />
应 用 不 能 跨 操 作 系 统 的 矛 盾<br />
操 作 系 统 与 硬 件 平 台 互 相 促 进 升 级 的 矛 盾
(2)) 计 算 机 提 供 哪 些 服 务 ?<br />
由 计 算 机 软 硬 件 厂 商 和 软 件 研 制 人 员 决 定 , 而<br />
不 是 用 户 决 定 。<br />
用 户 要 的 服 务 要 么 没 有 , 要 么 被 淹 没<br />
在 巨 大 的 其 它 服 务 之 中 。
(3)) 易 形 成 产 业 垄 断 和 产 本 升 高<br />
<br />
操 作 系 统 和 应 用 太 大 、 太 多<br />
硬 件 升 级<br />
<br />
硬 件 升 级<br />
更 大 的 系 统 和 更 多 的 应 用 堆 积<br />
CPU+OS 只 能 少 数 厂 商 生 产 制 造<br />
, 很 难 有 自 己 的 OS 和 CPU 有 了 也 没 用
1.5 小 结<br />
<br />
<br />
目 前 的 计 算 机 系 统 很 难 做 到 完 全 的 个 性 化<br />
服 务 和 实 现 普 适 计 算 :<br />
无 法 实 现 上 述 两 类 基 本 服 务 ( 无 法 实 现 与 条 件 无<br />
关 和 可 扩 展 性 )<br />
无 法 让 用 户 选 择 服 务 ( 无 法 实 现 智 能 空 间 和 透 明<br />
性 )
2. 透 明 计 算 的 概 念<br />
2.1 “ 存 储 程 序 (stored(<br />
program)” 的 概 念<br />
By Von Neumann 1945<br />
“store its instructions in its internal<br />
memory and process them in its<br />
arithmetic unit, so that in the course of<br />
a computation they may be not just<br />
executed but also modified at<br />
electronic speeds.”<br />
From “The stored program concept”<br />
Aspray. . W. IEEE 1990
冯 · 诺 依 曼 计 算 机 体 系 结 构 :<br />
把 指 令 和 数 据 看 作 程 序 , 存 放 于 存 储 器 中 , 通 过<br />
总 线 送 到 CPU 上 执 行<br />
计 算 机 系 统 结 构<br />
郑 纬 民 ,1992,
2.2 为 什 么 不 能 提 供 个 性 化 服 务 或 主 动 服<br />
务 ?<br />
<br />
目 前 的 冯 · 诺 依 曼 计 算 机 把 所 有 的 程 序 ( 指 令 和 数 据 )<br />
放 在 同 一 台 计 算 机 上 ,<br />
小 设 备 装 载 不 了 很 多 的 程 序 , 大 设 备 不 能 共 享 不<br />
能 运 行 所 装 载 程 序 之 外 的 程 序<br />
<br />
<br />
网 络 的 出 现 解 决 了 数 据 共 享 问 题 和 部 分 解 决 应 用 程 序<br />
共 享 问 题<br />
没 有 从 根 本 上 解 决 系 统 程 序 共 享 问 题 ( 即 计 算 机 一 定<br />
要 有 OS)
2.3 透 明 计 算<br />
一 种 扩 展 的 冯 · 诺 依 曼 体 系 结 构<br />
Client<br />
Server
程 序 的 存 储 和 计 算 在 物 理 上 分 离<br />
Server 上 存 储 程 序 ( 含 OS)<br />
Client 上 只 负 责 计 算 和 输 入 输 出 , 共 享 Server 上 的 程 序<br />
程 序 按 流 (Streaming(<br />
Streaming) ) 或 小 块 (block(<br />
block) ) 的 方 式 根 据<br />
用 户 需 要 流 到 Client 上 执 行 ( 小 终 端 )<br />
<br />
<br />
<br />
用 户 选 择 自 己 需 要 的 OS( ( 例 如 Linux 或 Windows) ) 和<br />
应 用 ( 一 个 终 端 得 到 不 同 类 型 的 服 务 )<br />
用 户 可 以 在 不 同 的 Client 上 获 得 同 样 的 服 务 ( 例 如 在 手<br />
机 上 使 用 XP 的 应 用 )<br />
所 有 计 算 对 用 户 透 明 , 用 户 只 管 使 用 服 务 , 所 有 的 应 用<br />
由 管 理 员 在 服 务 器 端 管 理
3. 透 明 计 算 的 模 型 与 结 构<br />
3.1 一 般 模 型<br />
应 用<br />
应 用<br />
OS1<br />
OS2<br />
Meta<br />
OS<br />
应 用<br />
OSn<br />
网<br />
络<br />
汇 编 接 口 & 协 议<br />
裸 机<br />
终 端
3.2 拓 扑 结 构<br />
TC<br />
( 透 明 终 端 )<br />
Light-weight devices:<br />
PC、PDA、 手 机 、<br />
家 电 产 品 等 .<br />
TDN<br />
( 透 明 传 输 网 络 )<br />
以 太 网 、 CATV、802.11、<br />
IEEE 1394 等 .<br />
TS<br />
( 透 明 服 务 器 )<br />
普 通 PC、PC 服 务 器 等<br />
有 存 储 和 计 算 能 力 的<br />
设 备
3.3 层 次 结 构<br />
Application Layer<br />
Application Layer<br />
Application Layer<br />
Heterogeneous OS Layer<br />
Meta OS Layer<br />
(VDMS, NSAP, MRBP, etc)<br />
Heterogeneous OS Layer<br />
Heterogeneous JITC Layer OS Layer<br />
(Non-Resident)<br />
Other Part of Trans-<br />
Computing Other Part Support of Trans- Layer<br />
Computing (VDMS, Meta NSAP, Support etc) OSLayer<br />
(VDMS, NSAP, etc)<br />
MRBP<br />
MRBP MRBP<br />
TDN Layer<br />
Network Delivery Layer<br />
Network Delivery Layer<br />
TDN Layer<br />
TS<br />
TC<br />
Resident Module<br />
Non-Resident Module
4. 透 明 计 算 的 软 件 平 台 :4VP<br />
+ (Meta OS)<br />
4.1 4VP + 的 模 块 结 构
4.2 C/S 环 境 下 的 4VP + 模 块 连 接<br />
NSAP<br />
TS<br />
TC
4.3 MRBP 的 流 程<br />
TS<br />
Waiting<br />
TC<br />
Start<br />
NO<br />
If Received the signal<br />
from a client<br />
Search the Boot blocks<br />
Send the Boot block<br />
numbers to Client<br />
Get Start Interruption<br />
Signal<br />
Send Message to Servers to<br />
Search Oses Boot blocks<br />
If get the numbers of<br />
blocks, then show to user<br />
Wait for user Choose for<br />
Default Start<br />
Start NSAP<br />
Search and delivery<br />
Meta OS<br />
NO<br />
Default<br />
If User Choose a OS<br />
Start NSAP to get Meta<br />
OS<br />
Page Scheduling of<br />
instance OS<br />
instance OS Running
4.4 NSAP
4.5 VIOM<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
接 收 中 断 请 求 和 用 户 进 程 的 I/O 请 求<br />
分 析 中 断 原 因 , 唤 醒 中 断 处 理 程 序 和 给 出 中 断 响<br />
应<br />
分 析 I/O 请 求 原 因 , 进 行 设 备 分 配 和 缓 冲 分 配 ,<br />
启 动 I/O 操 作<br />
与 单 机 环 境 不 同 的 是 : 缓 冲 队 列 不 同 , 中 断 和<br />
I/O 请 求 种 类 更 多 ( 网 络 设 备 ), 中 断 和 I/O 处 理<br />
需 要 在 服 务 器 和 端 系 统 之 间 进 行 同 步 互 斥 处 理 。
4.6 VDM<br />
<br />
<br />
VD 的 分 配 与 回 收<br />
VD 的 驱 动<br />
服 务 器 映 像 (image(<br />
image) ) 与 终 端 上 的 VD 的 对<br />
应 及 管 理<br />
<br />
虚 拟 交 换 与 调 度
端 系 统 中 无 硬 盘 和 程 序 代 码 , 通 过 网 络 从 服 务 器<br />
中 交 换 或 调 度 , 解 决 计 算 和 存 储 的 分 布 式 一 体 化 问 题<br />
CPU<br />
虚 拟 硬 盘<br />
Cache<br />
数 据<br />
指 令<br />
内 存<br />
网 络 请 求 调 页<br />
( 网 络 )<br />
服 务 器 内 存<br />
交 换 区<br />
服 务 器<br />
CPU<br />
端 系 统<br />
服 务 器 硬 盘
4.7 VFM<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
文 件 空 间 的 分 配 与 管 理<br />
文 件 目 录 的 分 配 与 管 理<br />
文 件 重 定 向<br />
文 件 的 访 问 、 控 制 与 搜 索<br />
文 件 的 一 致 性
4.8 VUM<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
用 户 参 数 配 置 与 管 理<br />
用 户 地 址 管 理<br />
用 户 的 增 加 与 减 少<br />
用 户 使 用 过 程 管 理 等
5. 实 现 示 例<br />
5.1 实 现 环 境<br />
C/S 模 式 以 太 网<br />
TS<br />
NAT<br />
Internet<br />
NAT: Network<br />
Address<br />
Translation<br />
TC<br />
…<br />
TC<br />
…<br />
TC
5.2 TC 的 实 现 ( 可 自 己 设 计 主 板 或 使 用 通 用 板 )<br />
硬 件 :<br />
• 低 电 源 :
5.3 TS 的 实 现<br />
硬 件 : 普 通 PC 或 PC 服 务 器<br />
软 件 :4VP:<br />
+ (Meta OS)
5.4 性 能 分 析<br />
(1)) 测 试<br />
Win 98 Win 2000<br />
Linux<br />
80G 硬 盘<br />
2G 内 存<br />
80G 硬 盘<br />
2G 内 存<br />
1 2 3<br />
80G 硬 盘<br />
2G 内 存<br />
1GHZ CPU<br />
128M 内 存<br />
TC 1 TC i TC 28
(2)Windows 2000 的 启 动 时 间 比 较<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
BIOS<br />
PXE<br />
UOSL<br />
OS Loading<br />
Boot time (s)<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
PC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16<br />
TransCom client number<br />
X 轴 : TC 数 目<br />
Y 轴 : 启 动 时 间
(3)Windows 2000 时 的 Throughput 比 较<br />
Throughput (MB/s)<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
VD (128M)<br />
VD (256M)<br />
VD (512M)<br />
VD (1G)<br />
VD (2G)<br />
VD (2G No cache)<br />
LD (128M)<br />
Throughput (MB/s)<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
VD (128M)<br />
VD (256M)<br />
VD (512M)<br />
VD (1G)<br />
VD (2G)<br />
VD (2G No cache)<br />
LD (128M)<br />
2<br />
2<br />
0 1 2 4 8 16 32 64 128<br />
Request Size (KB)<br />
0 1 2 4 8 16 32 64 128<br />
Request Size (KB)<br />
使 用 Microsoft 的 SQLIO 工 具 进 行 评 价<br />
<br />
读 ( 无 缓 存 ) X 轴 : 请 求 尺 寸 写 ( 无 缓 存 )<br />
Y 轴 : 吞 吐 量<br />
随 机 访 问 : 在 请 求 的 尺 寸 较 小 时 , 比 本 地 磁 盘 性 能 好
(4) Win 2000 时 的 功 能 评 价<br />
Applications/OS 1 PC 1 TC 10 TCs 28 TCs<br />
Booting OS<br />
Windows2000<br />
Server<br />
Office Applications<br />
53"13 48"73 70"62<br />
142"57<br />
Word 2003 2"23 1"26 2"28 11"50<br />
Image processing applications<br />
PhotoShop V7.0<br />
13"29<br />
11"08<br />
16"48<br />
1'0"51<br />
Flash V6.0<br />
18"62<br />
7"16<br />
31"41<br />
1'16"56<br />
3D MAX V8.0<br />
29"71<br />
25"68<br />
34"24<br />
1'16"56<br />
Copying files<br />
28"24<br />
24"33<br />
49"48<br />
4'6"99<br />
Playing multimedia<br />
Windows Media<br />
Player<br />
smoothly<br />
smoothly<br />
smoothly<br />
smoothly
6. 与 传 统 相 关 计 算 模 式 比 较 (1)(<br />
透 明 终 端<br />
OS<br />
不 预 置 , 块 调<br />
度 运 行 , 多 OS<br />
存 储 与<br />
计 算<br />
存 储 在 服 务 器<br />
, 计 算 在 终 端<br />
用 户 选 择<br />
OS 权<br />
有<br />
可 扩 展 性<br />
即 插 即 用<br />
PC<br />
预 置 , 运 行 单<br />
一 OS<br />
存 储 、 计 算 都<br />
在 单 机 内<br />
无<br />
无<br />
NC<br />
预 置 , 运 行 单<br />
一 OS<br />
不 预 置 , 运 行<br />
单 一 OS<br />
无<br />
无<br />
Windows<br />
终 端<br />
不 预 置 , 服 务<br />
器 运 行 单 一 OS<br />
不 预 置 , 运 行<br />
单 一 OS<br />
无<br />
无<br />
无 盘 站<br />
不 预 置 , 运 行<br />
单 一 OS<br />
存 储 在 服 务 器<br />
, 计 算 在 终 端<br />
无<br />
无
与 传 统 相 关 计 算 模 式 比 较 (2)(<br />
对 服 务 器 要 求<br />
透 明 终 端<br />
普 通 PC 即 可<br />
PC<br />
NC<br />
高 于 透 明 计 算 模 式<br />
Windows 终 端 高 于 透 明 计 算 模 式<br />
无 盘 站<br />
高 于 透 明 计 算 模 式<br />
可 管 理 性<br />
中 央 管 理<br />
分 散 管 理<br />
中 央 管 理<br />
中 央 管 理<br />
中 央 管 理<br />
抗 病 毒 能 力<br />
可 抗 多 种 病 毒<br />
否<br />
否<br />
否<br />
否
7. 小 结<br />
提 出 了 透 明 计 算 和 其 相 应 的 软 件 平 台<br />
4VP + (Meta OS): 把 冯 · 诺 依 曼 计 算 机<br />
往 网 络 上 扩 展 ( 网 络 存 储 、 周 边 计 算 )<br />
普 适 计 算 的 操 作 系 统<br />
( 满 足 普 适 计 算 的 所 有 条 件 )
谢 谢 !