（计算机系统结构专业论文）基于高性能服务器的网格控制台的研究和实现.pdf

摘爰 摘要 高性能计算机广泛的应用在众多领域，其中的节点控制技术一直足超级服务 器研究中的一个莺要方向，而当前一些网格计算机体系结构提出了散耦合思想。 这些思想一个很重要的部分就是部件的网格化，通过部件的网格化可以提高计算 机资源的利用率，减少系统资源开销。本文从计算机外设部件的角度柬探讨计算 机部件的网格化。就网格外设的实现方案、网格使能协议展开了分析和讨论。并 基于网格外设思想实现了一个网格控制台( g c o n s o l e ) 。 本文的第一章介绍了高性能服务器的发展历史，并简单介绍了远程控制技术 以及其应用场景，分析了当前高性能计算机控制中存在的一些问题。 第二章分析了网格外设的实现方案。本文首先介绍了d a g g e r 、d s a g 中网格 部件化的思想，就目前存在的各种具体控制方式分析了各自的优缺点：然后在此 基础上，给出了网格外设的定义，并分析了网格外设的三个特征：网络独立、智 能共享、无缝互连；分析了网格外设实现的四个层次：本章的最后提出了网格使 能协议需要解决的问题 第三章讨论基于软件方案的网格控制台的实现，分别分析了操作系统、驱动 程序、硬件调用等各种层次的软件模拟方案。根据分折的结果，采用驱动层次的 方案，详细介绍了该方案的设计思路。本章的最后介绍了基于软件实现方案的网 格使能协议的实现思路，采用分层并介绍了各层次的基本功能。 第四章作为论文研究工作中的工程实践部分，介绍了高性能服务器网格控制 台的具体实现，网格控制台以鼠标、键盘、显卡等人机接口设备为实例，具体介 绍了网格外设的实现过程，给出了外设原语的定义。同时采用基于分层实现的网 格使能协议，就网格使能协议的各方面给出了解决方案。网格控制台还提供了一 个给用户使用的命令行方式的控制界面。最后介绍了一下对该控制台的速度上的 一些优化。 关键词：网格控制台，网格部件，k v m 虚拟设备，网格外设，网格使能协议 中国科学院研究生院硕i 论立壮卜商抖能服务 的喇格柠制台的研究和实现 a b s t r a c t d i r e c t e db yp r o f x i a o f a n gz h a o h i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t e rh a sg r e a ta p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d s ，t h en o d e c o n t r o lt e c h n o l o g yo fh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t e ri sa l w a y sa ni m p o r t a n td i r e c t i o ni n t h es t u d yo fs u p e rc o m p u t e r , w h i l es o m e 鲥dc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e sb r i n gf o r w a r d t h ei d e ao f d e c o u p l i n g - b a s e dc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e o n ei m p o r t a n tp a r to f t h e s ei d e a s i st h e 鲥d e n a b l i n go fc o m p u t e rc o m p o n e n t s ，b yt h eg r i d - e n a b l i n go fc o m p u t e r c o m p o n e n t sc o m p u t e r sc a ni m p r o v et h eu t i l i z a t i o no ft h ec o m p u t e rr e s o u r c e sa n d r e d u c et h es p e n d i n go f t h ec o m p u t e rs y s t e m t h ep a p e rd i s c u s s e st h eg r i d e n a b l i n go f c o m p u t e rc o m p o n e n t sf r o mt h ec o m p u t e rp e r i p h e r a le q u i p m e n ta s p e c t t h ep a p e r d i s c u s s e sa n da n a l y z e st h ei m p l e m e n t so ft h eg i r dp e r i p h e r a la n dt h ep r o t o c o lo f g i r d - e n a b l i n g f u r t h e r m o r e ，b a s e do nt h ei d e ao fg i r dp e r i p h e r a lt h ep a p e ri m p l e m e n t s o n eg r i dc o n s o l e ( g c o n s o l e ) i nt h ef i r s tp a r to ft h ep a p e ri ti n t r o d u c e st h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fh i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t e ra n di n t r o d u c e ss i m p l yt h er e m o t ec o n s o l et e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o n s s o m ep r o b l e m si nt h ec u r r e n th i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t e ra l s oa r e m e n t i o n e d t h es e c o n dp a r to ft h ep a p e rf o c u so nt h ei m p l e m e n tb l u ep r i n to ft h e 鲥d p e r i p h e r a l f i r s t l yi t i n t r o d u c e st h ei d e a st h a tt h ec o m p u t e rc o m p o n e n t ss h o u l db e g r i d - e n a b l i n gc o m p o n e n t si nt h ef u t u r ei nd a g g e ra n dd s a g ；i n t r o d u c e st h ec u r r e n t d i f f e r e n tr e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n de a c ho t h e r sa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e b a s e do i lt h i sf u n d a m e n t a lk n o w l e d g e ，t h ep a p e rd e f i n et h e 鲥dp e r i p h e r a la n dg i v e t h r e ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eg r i dp e r i p h e r a l ：n e t w o r ki n d e p e n d e n c y 、i n t e l l i g e n ts h a r e 、 s e a m l e s sc o n n e c t i o n f i n a l l yt h ep a p e ra n a l y z e sf o u rl e v e li m p l e m e n t so ft h eg r i d p e r i p h e r a la n dm e n t i o n st h ep r o b l e mw h i c hn e e d e ds o l v ei nt h eg r i d - e n a b l i n g p r o t o c 0 1 t h et h i r dp a r to ft h ep a p e rd i s c u s s e st h ei m p l e m e n to ft h eg r i dc o n s o l eb a s e do n t h es o f t w a r ed e s i g n , a n a l y z e so p e r a t i n gs y s t e m 、d e v i c ed r i v e r 、h a r d w a r ei n v o k et h e t h r e el e v e l ss o f t w a r ei m p l e m e n t s f r o mt h er e s u l to ft h ea n a l y s i s ，u s et h ed e s i g no f t h ed e v i c ed r i v e ri m p l e m e n ta n di n t r o d u c et h ep a r t i c u l a rd e s i g no ft h i si d e a i nt h e l a s t l y t h ep a p e ri n t r o d u c et h ei m p l e m e n ti d e ao f t h e 鲥d e n a b l i n gp r o t o c o lb a s e do n t h es o f t w a r ed e s i g na n du s et h el a y e r e dm e t h o dt os o l v es o m ep r o b l e m t h ef o u r t hp a r ti st h ei m p l e m e n to ft h ei d e ao ft h ep a p e r , i ti n t r o d u c ep a r t i c u l a r i m p l e m e n to ft h eg r i dc o n s o l eo ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t e r b yu s i n gt h e k e y b o a r d 、m o u s e 、v i d e oc a r da st h ee x a m p l e so f t h e 鲥dp e r i p h e r a l ，t h ep a p e rg i v e 2 - 摘整 t h ei m p l e m e n to ft h eg r i dp e r i p h e r a la n dt h ed e f i n i t i o no ft h ed e v i c ep r i m i t i v e i n t h ew h i l et h eg d e v i c ep r o t o c o ls o l v e st h e s ep r o b l e m si nt h eg r i d - e n a b l i n gp r o t o c o l b y eu s i n gt h el a y e r e dm e t h o d f u r t h e r m o r et h eg c o n s o l ep r o v i d eu s e r ss o m e c o m m a n d st oc o n t r o lt h es y s t e m f i n a l l ys o m eo p t i m i z e sa r eu s e di nt h es y s t e m k e y w o r d ：g r i dc o n s o l e ，g r i dc o m p o n e n t ，k v m ，v i r t u a ld e v i c e ，g r i dp e r i p h e r a l ， g r i d e n a b l i n gp r o t o c o l - 3 - 目录 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图目录 d a g g e r 网格计算机体系结构1 3 xs e r v e r 和xc l i e n t 交互图1 s 网格外设各方案示意图1 8 网格外设各方案比较1 9 外设调用层次图2 1 软件实现比较图2 3 网格使能协议层次图2 5 网格控制台框架图2 7 键盘实现框架图2 9 鼠标实现框架图3 2 显卡实现框架图3 3 g d e v i c ep d u 结构图3 9 g d e v i c ep d uo p c o d e 对应图4 0 设备原语类别图4 2 控制原语类别图4 3 设备复用管理器( d m m ) i 作原理图4 7 显存读远程实现数据5 s 显存读本地化实现数据5 s 显存实现写缓冲数据5 6 按键回显延迟图5 7 显示延迟图5 8 g c o n s o l e 和t e l n e t 功能对比表5 8 中国科学院研究生院硕士论文幕于高件能服务器的阿格拧制台的研究和实现 1 1 高性能服务器的发展回顾 第一章研究背景 高性能计算机可以提供高速、海量的应用服务，广泛的应用在科学计算、工 业工程、商业计算各个方面。按照技术对国民经济和社会发展的影响，可分为四 个阶段，即专家使用期，早期流行期，公众认识期，和广泛使用期 h p c 0 5 。 在专家使用期，从二十世纪四十年代开始，电子计算机在诞生之初主要就是 为科学计算服务的。至t j - - 十世纪六十年代，随着技术的成熟，计算机开始走向各 种商业领域的应用，并且应用范围越来越广泛。因此，为了有别于”通用计算机”， 专门针对科学计算进行优化设计的计算机开始被称为“高性能计算机”，或简称 h p c 。其中比较著名的有c d c 系列、c r a y 系列、n e c 的s x 系列向量机。中 国有代表性的是银河一号及中科院计算所的7 5 7 计算机。 从八十年代初p c 出现后，随着v l s i 技术和微处理器的技术的发展，向量 机一统天下的格局逐渐被打破。通过多个廉价的微处理器构建的并行化超级计算 机首先从成本上具有了无可比拟的优势。计算机技术进入了早期流行期，这时才 有了“服务器”这一概念，应用模式变成”客户机服务器”，客户机承担了除显示、 输入输出以外的其它重要计算任务，同时应用在后端的功能也可分散到多个”服 务”计算机上完成，这时的服务器以u n i x 小型机为主。 随着九十年代中期i n t e m e t 的应用，公众认识期来临，由于机群体系结构的 发展，高性能计算机也进入普及阶段。这时，在技术上追求性能已经不是最重要 的目标，可靠性，可扩展能力，管理能力，可用性，降低成本，提高总拥有性能， 成为服务器技术的目标。二十世纪九十年代中后期的一种趋势是将s m p 的优点 和m p p 的扩展能力结合起来，这一趋势发展成后来的c c - n u m a 结构 h p c 0 3 ， 即分布式共享内存每个处理器节点都可以访问到所有其它节点的内存，但访问 远程内存需要的延迟相对较大。在发展c c - n u m a 同时，机群系统( c l u s t e r ) 也 迅速发展起来。至f j - - 十一世纪机群实际上已经构成了高性能计算机系统的主流。 现在正处于进入广泛使用期的前夜，高性能计算机的发展趋势主要表现在网 络化、体系结构主流化、开放和标准化、应用的多样化等方面。网络化的趋势将 是高性能计算机最重要的趋势，c l i e n t s e r v e r 模式会进入到第二代，即服务器聚 集的模式，这是一个发展趋势。可以想象，未来的高性能计算机将成为像电力、 汽车、电信这样的大众化资源，进入以应用为主要驱动力的时代，计算机半身的 技术将隐藏在产品中，用户不再关心，计算机成为按需服务的一种资源。计算机 和网络不可分割。网格化将是高性能计算机的一个重要发展趋势。所谓网格是指 研究背景 把一台讣算机中的各种部件( c p u 、存储器、磁盘等) 和资源都独屯上网，形成 相对独立管理的能力服务器 l 1 0 5 。l | i j f 司络外改将成为一个独立拥有网k 的通信 设名- n c 9 7 1 ，而奉文也就是肇丁这个思想上对其中外设部分进行7 一些讨论。 1 2 远程控制技术 远程控制是一台电脑( 客户端) 远距离通过网络去控制另一台电脑( 服务器 端) 的技术，当操作者使用客户端电脑控制服务器端电脑时，可以和直接使用服 务器端电脑类似，可以启动服务器端电脑的应用程序可以使用被控端电脑的文 件资料，甚至町以利用服务器端电脑的外部打印设备( 打印机) 和通信设备( 调 制解溯器或者专线等) 柬进 r 打印和访问互联网。般来说，客户端电脑只是将 键盘和鼠扔i 的事件传送给服务器端电腑，同时将服务器端电脑的屏幕画面通过通 信线路回传过来。 l 也脑中的远程控制技术，始于d o s 时代，那时候的t e l n e t 就是个很好的 应用，即使释现在t e l n e t 也还是有广泛的应用随右网络的高度发展电脑的管 理及技术支持的需要，远秤操作及控制技术越柬越引起人们的关注。远群控制一 般支持f 面的这些网络方式：l a n 、w a n 、拨号方式、互联网方式。此外，有 的远程控制软件还支持通过串口、并口、红外端口来对远程机进行控制( 不过 这咀说的远程f 也脑，只能是有限距离范围内的i 乜脑了) 。传统的远程控制软件 般使用n e t b e u i 、n e t b i o s ，i p x s p x 、t c p i p 等防议来实现远程控制，不 过，随着网络技术的发展，耳静很多远稃控制软什提供通过w e b 页面以j a v a 技 术束控制远程电脑，这样可以实现不同操作系统下的远程控制。 远程挖制技术有如下的应片j ： 远秆办公：美国著名的未柬学家余斯比特曾经预言，2 1 世纪，人们将实 现远程办公。g a r t n e rg r o u p 则预爵，到2 0 0 2 年全世界将有1 亿零8 西万 以上的人会经常不在办公室内工作，而是通过远程控制技术来办公 远程技术支持：现在的w i n d o w s x p 甲而已经内冒了远程协助功能有了 远程控制技术。技术人员就可以远程控制用、的电腩，很快就可以找到 u j 题的所在，并加以解决。 远程维护、管理、监控：网络管理员或者酱通用户可以通过远程控制技 术为远端的电脑安装和配簧软件、下载并安装软件修补程序、配置应用 程序和进行系统软件设覆。有时候还需要髓控网络中的计算机是否安装 矿规允许的方式运行。 远程挖制的最笨奉的需求就是能够通过鼠标、键盘、显示器对服务器进行基 本的系统监测、系统维护、系统管理等基本控制。在此基础上，我们需要火泣实 现远程控制的可用性、控制成木、易操作性此外我们还希钽基于远程控制的基 中图科学院研究生院碗十论文 垠f 岛件能服务器的喇格柠制台的研究和实现 础上，能够实现一些设备资源共享之类的高级控制功能 1 3 高性能计算机控制存在的问题 目前的高性能计算机对于网格环境存在以下缺陷：硬件资源利用率低：资源 静态部署；被动安全。 而对f 高性能计算机机群的控制来说，目前也存在下面的这样一些缺点。 资源利用率不高：设备利用率不高，为了利用网络中的一个设备，例如 打印机，我们首先需要将打印机连接到一个服务器上去。这个服务器需 要c p u 、内存、硬盘等基本资源，而这些资源只是为了中转网络主机对 打印机的调用；支持网络调用的外设有限，比如说p c i 设备、显卡等缺 乏网络调用的支持，目前通过网络调用的外设只是局限于某些具体的设 备，扩展起来比较困难。 网络外设控制力度有限：使用应用层控制软件进行控制不能对服务器的 b i o s 进行设置、无法开机等基础操作，比如说映射其他计算机的移动硬 盘，网络主机只是将其当作一个硬盘，而不是u s b 设备，无法对其进行 卸载等原始的操作，网络主机对网络外设的操作是比较高级的。k v m 支 持的设备有限，无法方便的添加光驱等新设备。 距离限制、控制效果不理想：k v m 拥有距离的限制，虽然现在存在k v m o v e ri p 等技术，但是由于其本身的局限性。不可避免的有占用过来带宽、 速度瓶颈等限制。 执行效率不高：传统的网络外设操作过程复杂，操作一个网络上的设备， 一般需要通过网络主机操作系统、网络调用、外设所在主机操作系统、 驱动程序、设备一系列的操作。而操作一个传统本机设备只需要操作系 统、驱动程序、设备三个步骤，当然网络上的设备调用通过网络这一步 是不可避免的。但是我们如果能够对这些步骤进行精简，那么不但可以 大大提高速度，而且能减少主机c p u 、内存等资源占用率。 1 3 本文的研究贡献 本文的研究工作主要是在网格部件的思想基础上探讨了一种新模式的远程 控制技术，通过将控制设备实现为网格部件，为超级服务器提供软终端控制功能。 文中的研究工作主要包括下面三个方面： 研究背景 1 3 1 高性能服务器远程控制技术的研究 分析了当前存在的远程控制技术，并分析各种技术的应用场景以及优势和缺 点。分析了基于网格外设实现基础的远程控制技术的实现的各阶段的可能性，以 及优缺点。 1 3 2 网格外设的研究 分析了网格外设技术的定义和特点，并分析实现网格外设的各种方案以及进 行比较得到设计方案。通过网格使能的实现，可以根据需要动态使用网络中的外 设，减少主机资源用在外设处理上的占用率；通过智能共享，可以让多个主机同 时使用单个外设，提高外设的利用率；通过无缝互连，可以使得主机对网络中外 设的控制更为直接、全面。 1 3 3 高性能服务器远程控制台的实现 给出了一个远程控制台的详细设计方案，包括基于鼠标、键盘、显示器的详 细设计，制定了详细的设备原语。在网络协议方面，参考i s c s i 【i s c s l 0 3 协议以 及i g r s 协议 i g r s 0 3 ，给出了网络协议的详细制定并对该系统进行了一些优 化。 中圈科学院研究掌硫帧i 论文捧十如忡能撇雏精构m 格抻撕竹的埘畿椰娈脱 第二章网格外设的实现分析 2 1 来自网格计算机体系结构的启示 在高能计算机领域，上f 廿纪9 0 年代中期，川格计算的伞新科学领域诞 ，上7 g r i d 9 9 a 1 9 9 8 年，往“网格：一种新的计算皋础设施蓝图”一书中，l a nf o s t e r 和 c a r lk e s s e l m a n 埘嗍格的定义：一个计算删格是一个硬件和软件基础设施，此 基础设施提供对岛端计算能力可靠的、一致的、普遍的和不昂贵按入。 存2 0 0 0 年的一篇题为“网格r 0 析”的文章中，i a i lf o s t e r 和合作者s t e v e t u e c k e 提出社会和策略问题，进。步精化网格定义。他们指出，网格计算天心 的是：在动态的，多机构的虚拟组织l t 协调资源共事和协同解决问题。其核心 概念是：在一组参与节点( 资源提供者和消费者) 中协商资源共享管珲的能力， 利用协商得到的资源池共同解决些问题 o r i d 0 2 。 网格技术源丁大型科学计算，初始主要目标是想通过实现对网络上各种资 源的允分共享而为特定的人型讣算提供必须的计算能力但随着越柬越多的商 q k 公司的加入，网格技术的应用不再局限于科学计算领域。与许多其他技术的 发展一样，网格计算在学术研究领域诞生，但迅速扩散到会融、汽车设计、生 命科学和其他领域的各种商业应用中。网格技术中最为核心的是为各种网络上 的资源提供一种安全、商效的共享机制，使得各种异构和孤立的资源能以一个 整体为用户提供各种计算和信息服务。科学计算领域对心格资源的使用方式和 针对个人信息服务领域对网格资源的使用要求有很大的不同。在许多文献中讨 论了网格环境中交互式应片j 的特点。并提出了针对应用服务提供商的交互式网 格体系结构。科学 l 算和一股的交瓦式应用的最人刺足科学t l 算采用批处理 方式，交互式应用一般采用图形用j l 界面( g u i ) 方式，例如町视化图形应 用、c a d m c a d 等应用、数字内容制作、流媒体、视频游戏、文字编辑等等 【g i r d 0 4 b 。 当前一些探讨研究项目也提f j j 了对高性能汁算机进行体系结构卜的改进， d a g g e r 0 3 d a g g e r 。【d s a g 0 3 d s a g 等。这些心想提供了一种新的思路用束 解决高性能服务器的1 北原有问题。 2 1 1 d a g g e r 网格化足r , 冒j f t 能汁钌机发眨的一个讴要方向，组成网格系统的资源是广域 分散的，不再局限1 ：单台计算机。网格计算的目标是用网络中的的众多计算机 网格外设的实现分析 构成一台虚拟的超级计算机。从而达到计算资源共享的最终目标。 同格赴理露罔络存话 c 黜 敦话连通c h i - p 置 正拈 一c d 盐 耄 触。“i i 一”l li ( 童格铬由囊p 、管理丹，霰燕一、 ff 罔粘控翻台闷格终端 c 棚芷f t 雩 l 爱终麓l 棠 管 is e 州。l 强 c n 洲 c r m c d 唰i p c li 中圆 1 学院研究院帧i 论正壮十南n 能服务器的州 拧制赍的研究和实现 功能部什动态组织成一个计算机系统，井有效运行应用程序。 网格化足指每种功能部件都形成一种独立的具有自我描述功能的刚络 服务。 动态是指由于网格功能部件分布在网络的不同地办，将不再存在+ 个传 统意义卜一个固定的、物理的计算机系统。构成一个计算机系统的功能 部什可以通过嘲络动态的申请和释放，根掘应用的需求和可用的资源进 i j ：动态的调配。 自组织足利用网格化的功能单元具有自我描述的功能，自动在网络上搜 索满足需求的功能单元服务，自动进行资源分配和协商，收集足够的计 算资源并自动建立功能部件j 的关联以组织成一个完整的计算机系 统。 无论d a g g e r 还是d s a g 。d a g g e r ，这些网格计算机体系结构都上张对计算 机系统中的资源按照其功能和服务的不同进行霞新划分和组合，藿组的结果就 是计算机系统中的资源演化成了网格计算环境下具自 网格使能特征的功能单 元。这些功能簟元在其自身的网格使能特性支持下，可以动念、按需地组成松 散耦合的网格计算机系统。依照这些功能单元在计算机体系结构中的不同层次， 可以将其称为删格外设或者网格零件。d a g g e r 和d s a g 所设计到的需要拆分的 计锌机设备包括c p u 、内存以及其他外接设备，d a s g 中提出了用光互连米实 现设备的高速访问，但是我们这罩只讨论外设等速度要求并特别紧迫的设备。 基于这些思想，我们的h 标就是实现计算机外部设备的在网络中动态加载 到网络主机之一卜。对于运行动态加载的网络外设，我们称之为网格外设( g r i d p e r i p h e r a l ) 。通过网络，网络手机可以动态按需的得到网格外设的挂载。 2 2 控制技术分析 目6 u 终端挖制技术主要有两大类一类足毖r 碗件实现另一类是琏丁j 软 件实现远程控制软件。我们进f r 简单介绍和分析。 k v m k v m 0 2 】：通过恰当的键盘、鼠标和显示器的配置，实现系统和 m 络的高可管理性，提高管理人员的工作效率、节约机房面积，降低网 络服务器系统的总体拥有成本( t c o ) ；利用k v m 上机切换系统，即 爿 一套或数套k v m 红多个不f d 操作系统的多台主机之阃切换，就町以 实现使用一套外设去访| u j 和操作一台以上主机的功能。k v mt 机切换 系统除了k v m 设备外，还包括特制的各种联结电缆。需要配胃专门的 硬件，但线缆有距离的限制。k v mo v e ri p 挖制设备( 块丁i p 的k v m ) 。 即数字k v m ，丌辟了k v m 新纪元。陔技术将所连接管理对象( 服务 器、路山器、交换器、h u b 、防火墙等串口没备) 的模拟信息从客户 网格外设的实现分析 机上转换为数码信号，并将这些信号压缩成一个i p 包通过网络传送。 到达控制网络系统后，i p 包通过控制设备被解码并重新组合成原来的 数码模式，然后被转换成模拟形式传送至主机。该技术突破了距离和用 户的限制，引领了网络时代数据中心远程管理革命。k v mo v e ri p 以 v n c v n c 9 8 作为核心技术，虽然可以解决距离问题，但是需要耗费硬 件资源、控制台的管理域范围受硬件部署状况的制约。而且k v m 只能 针对几种终端设备实现。 软件实现：通过在操作系统上编写服务器和客户端软件实现。在字符界 面的有t e l n e t 。图形界面有xw i n d o w s 使用xw i n d o w sp r o t o c l 协议 x w i n l l l t x w i n 0 3 ，w i n d o w sr e m o t ed e s k t o p r d p ，p ea n y w h e r e 等软 件。这类软件优点是灵活，但是最大的缺点基于操作系统之上，控制力 度有限。这类对网络的利用是在应用层次。如前面所叙述的，必然有执 行效率不高的缺点，而且需要控制方配备一个完整的计算机。 图1 2x s e r v e r 和x c l i e n t 交互图 中国科学院研究生院硕十论文筚于疵件能服务器的嘲格拧制音的研究和实现 2 3 网格外设的定义和特点 2 3 1 网格外设定义 结合d a g g e r 和d s a g 的特点我们可以给出下面的网格外设定义。 网格外设是指网络中存在的某个硬件设备，它可以隶属于某台计算机，也 可以是个拥有网络接口的独立设备，这个设备可以通过网络动态的绑定到网络 上的原本不拥有该外设的计算机主机。这里网格外设所关联的外设主要是p c i 、 p s 2 、u s b 等接1 ：3 的外设，并不包括内存，c p u 等对速度要求十分严格的设备。 在这里我们约定可以通过网络对各种网格外设进行加载的计算机为网格主 机。在我们提到的网格外设中，可能是一个完整的计算机，也可能是只拥有基 本外设和网络接口的嵌入式设备，尤其在我们设计的初级软件实现阶段，很有 可能是一台独立的计算机。因此，我们暂时约定通过传统方式拥有外设的计算 机为客户端，也可以这样认为，客户端是能够提供网格外设的实体。 2 3 2 网格外设特点 网格外设必须具有散耦合的特点，也就是下面几个特点。 网络独立：网格外设必须是独立的，他们不需要依赖网络主机的存在而 存在，具备自治能力 r n , c o l l 。网格外设可以不需要完整的计算机的 管理，它可以是一个拥有网络接口的单独的设备。 智能共享：网格外设作为一个智能设备生存在网络上，一方面可以根据 某种需要可以动态和网格主机连接、断开，另一方面，网格外设可以 同时提供多个网格主机同时共享使用，提供网格外设尽可能大的利用 率。 无缝互连：网格外设绑定到网格主机上面的时候，网格主机应该对其完 全的控制，网格主机操作系统应该对网格外设的控制具备像传统的外 设一样无缝控制能力网络主机对网格外设的操作是直接的，由网格 主机操作系统、网格主机网格使能、网络、客户端网格外设这样的一 个过程，减少了过程中的开销。 2 4 网格外设不同层次的实现分析 计算机网格外设的实现根据实现的阶段可以分为四个，目标是都让网格主 机能自如、高效率、高利用率的控制网格外设。存在下面四种层次上的实现方 网格外设的实现分析 案： 硬件一体化( 硬硬) 网格主机软件、网格外设全硬件( 软硬) 网格主机硬件、网格外设全软件( 硬软) 全软件的仿真实现方案( 软- 软) 硬软和软硬都是介于软件仿真和硬件一体化实现方案中问，是过渡阶段的 方案，其特点也是介于软件仿真和硬件一体化之间，因此我们不着重讨论，只 是介绍一下。 2 4 1 服务器硬件一客户端硬件( 硬一硬) 传统的外设操作，由计算机应用程序对操作系统发出请求，然后操作系统 通过驱动程序对外设发出请求，完成设备的调用过程。一体化实现方案中一个 网格外设是拥有网络接口，硬件实现网格使能协议，存在网络上，能够独立的 完成绑定到网格主机。就像传统的外设通过p c i ，p s 2 等接口连接到计算机 总线上一样，网格外设通过网线连接到网络上。同样网格主机也是用硬件实现 的网络使能接口，通过网线连接到网络上，然后通过网络，网络主机的网格使 能硬件能和网格外设进行交互。 这样在一体化方案中网格主机对网格外设的调用过程中，处于网格主机这 边的调用过程依次从上往下是：网格主机应用程序、网格主机操作系统、网格 主机网格使能驱动、网格主机网格使能硬件；网格外设的处理过程是网格外设 使能部件、网格外设功能部件。网格外设和网格主机通过双方的网格使能部件 在网络上进行交互。 2 4 2 服务器软件一客户端硬件( 软一硬) 客户端的实现通过硬件实现，不需要安装专门的软件，客户端连接到网络 上面之后，自动作为一个网格外设存在于网络上面。服务器端对网格外设进行 操作，比如中断处理、显存操作，通过服务端软件进行截取，并通过网络使能 传送到客户端，再由客户端直接通过硬件指令实现。 2 4 3 服务器硬件一客户端软件( 硬一软) 和软一硬方式正好相反，服务器端的实现通过硬件实现，不需要安装专门的 软件，服务器端连接到网络上面之后，硬件能处理网格外设的加载、断开，连 接。客户端则需要软件模拟，软件一方面实现对网格外设的中断处理、i o 读 中团科学院研究生院硕十论文桀于岛r 丰能服务器的阿格柠制台的研究和实现 写、显存操作等真正设备操作，另方面实现网络使能模块和服务端进行交互。 2 4 4 服务器软件- 客户端软件( 软一软) 用软件模拟一体化硬件方案可以比较快的验证我们的网格外设的设计思 路，并制定好我们所需的网格使能协议。在软件仿真方案中，网格外设处于一 个的计算机上，如前面提到的，网格外设处于客户端。客户端具各内存、c p u 、 操作系统、网络接口等基本资源，通过传统的方式连接上外设，并将外设以网 格外设的形式提供给网络主机使用。 在软件实现的方案中，客户端是一个比较完整的系统，因此可以通过软件 模拟，网格使能模块负责实现网格使能协议；操作外设驱动模块实现和外设硬 件的交互而在网格主机方面，我们用软件实现网格使能模块，负责实现网格 使能协议。因为网格使能模块是软件实现，一体化硬件实现中对应的网格使能 驱动就改变为虚拟驱动，因为这个虚拟驱动并不真正的操作硬件，主要是和操 作系统交互，并把交互需要的反应传送给网格使能软件模块部分 2 4 5 方案示意图 ，传境、 庵用程序 操作系统 h 络接口 扩 网络接口 摄作系统 应用程f f 囔功程序 硬件虚鲁 l ，戟件仿真实现、 应用程序 操作系统 窿拟驱动程序 8 妒 h络使能软件驱动捏序 堙件墩鲁 网2 1 网格外设各方案示意图 网格外设的实现分析 开发开灵活性费用丌销 系成果 周期发 统 难 速 度度 硬 长 难 很不灵活，实网格部件能够独立快网格部件不需 硬现后比较难运行，不需要专门的要寄托在计算 改进，需要在计算机。服务器由专机上面，自己提 成形的协议门的网格部件使能供网络接口。同 以及实现方硬件处理网格部件。时服务器通过 式基础上。 硬件操作，速度 快 软较长较不灵活，协议网格部件能够独立 较网格部件不需 硬 难改进困难，客 运行，不需要专门的快要寄托在计算 户端改进困计算机。服务器不需机上面，自己提 难。 要配置专门的硬件。供网络接口 硬较短较不灵活，协议网格部件寄托在一较服务器通过硬 软易改进困难，服 台完整的计算机上，快件操作，速度 务器端改进服务器由专门的网 快。 困难。格部件使能硬件处 j 理网格部件。 软短容 灵活，可以根网格部件寄托在一 制定出网络协 软 易据需要对系台完整的计算机上。般 议、服务器实现 统进行改进服务器不需要配置方案以及网格 专门的硬件。部件实现方案。 图2 2 网格外设各方案比较 上图给出了硬件一体化方案、传统外设、软件仿真方案三种外设调用过程 的实现过程。可以看的出传统对网络中的外设调用过程是相对复杂的，而且对 于客户端要求比较高。 2 5 网格使能协议 网格外设的实现一个核心的部分就是网络使能协议。网格主机和客户端的 中困科学院研究生院硕十论文革于高件能服务器的州格挣制台的研究和实现 交互就是通过网格使能协议束实现。根据网格外设的特点，需要构建一个合适 的网络协议来支持网格外设的网络独立、智能共享、无缝互连。而且在我们涉 及网络协议的时候，要尽可能灵活。这哩的灵活针对设备操作主要足两方面： 设备独立性和设备统一性。 设备独立性：协议本身并不需要对具体设备的指令进行理解，虽然通过 协 义传送的数据中包括具体设备操作的内容，但足协议本身应该避免对 这些设备操作的理解。 设备统一性：能够包容我们所需要的外部设备，协议允许我们动态的添 加一个设备所需要的设备相关的信息，这些信息能够满足外设操作的需 求。 在此基础上，网格使能协议还需要解决以下的一些问题： 设备描述：对于一个网格外设，我们如何能够顺利的对其进行唯一的定 位。目前存在一些命名，比如i e e ee u i 6 4 标准 g g l 0 4 命名，可以参 考。 互连互通：网格外设如何和网格主机建立联系，网格主机如何挂载、卸 载网格外设。 资源共享与复用：对于一个网格外设，是否能够提供给多个网格主机使 用，如何实现、 安全：如何保证网格外设和网格主机之间通信的安全。 2 6 本章小结 本章分析了网格外设的定义和特点，并根据定义分析了网格外设的各个阶 段的实现，最后提出了网格使能协议需要解决的一些问题 根据上面的讨论，软软可以说是其他实现方案的基础，通过软软的实现， 我们可以制定出网格部件所需的网络使能协议以及客户端和服务器端网络使能 模块。同时还拥有开发周期短，开发难度低等特点。在此基础上，我们以后可 以考虑其他层次的实现方案。因此我们下面的讨论基于软软的实现方案。 摹于软件实现分析 3 1 层次分析 第三章基于软件实现分析 厂外设调用层次、 应用程序 操作系统 驱动程序 e l 己 寄存器显存中断 外部硬件设备 图3 1 外设调用层次图 上图为一个简单的软件到硬件的调用过程，这罩的应用程序包含用户操作接 口当接收到应用程序的调用，依次有操作系统、驱动程序、硬件调用三个过程， 当操作系统挂载一个网格部件我们可以在任何一个过程截取服务器上层的调 用，并通过网络发送到网格部件并实现服务器对网格部件的调用。 我们的目标是实现终端方式下的键盘、鼠标，显卡驱动的组成远程控制台 中国科擘院研究生院硕十论丈 筚于高忤能服务器的旧格挣制台的研究和实现 对于键盘、鼠标、显卡我们根掘它们各自的特点分别分析，实现。 我们实现系统的环境为：服务器和客户端均为普通计算机，安装r e d h a t 9 0 操作系统，内核2 4 2 0 版本。客户端和服务器通过1 0 0 m 宽带的局域网连接。 为了实现远程的终端控制，根据外设调用层次图可能有下面四种方案。 操作系统：通过修改操作系统中的应用程序对操作系统的调用实现，例 如t e l n e t 就是通过该方法实现。这种方式不需要涉及到底层硬件，对于 应用程序是透明的( 应用程序并不知道自己是在t e l n e t 的终端还是本地 终端运行) ，甚至能够通过虚拟终端的方式提供多个终端。 驱动程序：当操作系统需要调用某个外设的时候。它通过调用驱动程序 提供的一套，可以使操作系统对硬件的调用透明化。而对于应用程序， 不但是透明的，而且对于它产生的结果和本机执行是没有任何差别。 硬件操作：将驱动和操作系统对硬件的f o 操作和中断调用通过网络实 现，由于网络延迟和软件实现的局限性，在目前实现的可能性不大。在 将来可能通过硬件硬件实现。 硬件实现：直接通过截取硬件电信号，由硬件通过网络在不同计算机中 转，例如k v m 和最近的k v mo v e ri p 等技术。这类实现没有改变原有 的计算机体系结构，需要专门的硬件，对硬件的资源需要比较高。 摹于软件实现分析 方案透明性实现原理对硬件控制力可行性例子 度