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透 明 计 算 :
一 种 扩 展 的 冯 · 诺 依 曼 结 构 及 其 实 现
张 尧 学
2006.10.27

目 录
1. 简 介
2. 透 明 计 算 的 概 念
3. 透 明 计 算 的 模 型 与 结 构
4. 透 明 计 算 软 件 平 台 :4VP:
+ (Meta OS)
5. 实 现 示 例
6. 与 传 统 相 关 计 算 模 式 比 较
7. 结 论

1. 简 介
1.1 世 界 正 朝 着 普 适 计 算 发 展
主 机
计 算
基 于 桌 面 的
网 络 计 算
普 适 计 算
(Ubiqutous
Computing)
T/M
C/S C/N C/VE
“ 什 么 都 是 计 算 机 ”
“ 技 术 消 失 ”
1970 年 代 2000 年 代 21 世 纪

1.2 普 适 计 算 的 概 念
From M. Satyanarayanan, , 2001

1.3 普 适 计 算 应 提 供 的 两 类 基 本 服 务
(1)) 同 一 终 端 机 上 获 得 来 自 于 不 同 平 台 的 各 种 服 务
( 服 务 类 型 与 软 件 系 统 的 条 件 无 关 )
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 )
( 同 一 服 务 与 硬 件 平 台 及 地 点 的 条 件 无 关 )
服 务 A
台 式 机
服 务 A
服 务 A
手 机
大 型 机

1.4 目 前 的 计 算 机 系 统 存 在 的 问 题
(1)) 操 作 系 统 与 硬 件 平 台 相 关 过 于 紧 密
“ 没 用 OS 的 计 算 机 是 垃 圾 ”
大 操 作 系 统 与 小 设 备 之 间 的 矛 盾
应 用 不 能 跨 操 作 系 统 的 矛 盾
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 ?
由 计 算 机 软 硬 件 厂 商 和 软 件 研 制 人 员 决 定 , 而
不 是 用 户 决 定 。
用 户 要 的 服 务 要 么 没 有 , 要 么 被 淹 没
在 巨 大 的 其 它 服 务 之 中 。

(3)) 易 形 成 产 业 垄 断 和 产 本 升 高
操 作 系 统 和 应 用 太 大 、 太 多
硬 件 升 级
硬 件 升 级
更 大 的 系 统 和 更 多 的 应 用 堆 积
CPU+OS 只 能 少 数 厂 商 生 产 制 造
, 很 难 有 自 己 的 OS 和 CPU 有 了 也 没 用

1.5 小 结
目 前 的 计 算 机 系 统 很 难 做 到 完 全 的 个 性 化
服 务 和 实 现 普 适 计 算 :
无 法 实 现 上 述 两 类 基 本 服 务 ( 无 法 实 现 与 条 件 无
关 和 可 扩 展 性 )
无 法 让 用 户 选 择 服 务 ( 无 法 实 现 智 能 空 间 和 透 明
性 )

2. 透 明 计 算 的 概 念
2.1 “ 存 储 程 序 (stored(
program)” 的 概 念
By Von Neumann 1945
“store its instructions in its internal
memory and process them in its
arithmetic unit, so that in the course of
a computation they may be not just
executed but also modified at
electronic speeds.”
From “The stored program concept”
Aspray. . W. IEEE 1990

冯 · 诺 依 曼 计 算 机 体 系 结 构 :
把 指 令 和 数 据 看 作 程 序 , 存 放 于 存 储 器 中 , 通 过
总 线 送 到 CPU 上 执 行
计 算 机 系 统 结 构
郑 纬 民 ,1992,

2.2 为 什 么 不 能 提 供 个 性 化 服 务 或 主 动 服
务 ?
目 前 的 冯 · 诺 依 曼 计 算 机 把 所 有 的 程 序 ( 指 令 和 数 据 )
放 在 同 一 台 计 算 机 上 ,
小 设 备 装 载 不 了 很 多 的 程 序 , 大 设 备 不 能 共 享 不
能 运 行 所 装 载 程 序 之 外 的 程 序
网 络 的 出 现 解 决 了 数 据 共 享 问 题 和 部 分 解 决 应 用 程 序
共 享 问 题
没 有 从 根 本 上 解 决 系 统 程 序 共 享 问 题 ( 即 计 算 机 一 定
要 有 OS)

2.3 透 明 计 算
一 种 扩 展 的 冯 · 诺 依 曼 体 系 结 构
Client
Server

程 序 的 存 储 和 计 算 在 物 理 上 分 离
Server 上 存 储 程 序 ( 含 OS)
Client 上 只 负 责 计 算 和 输 入 输 出 , 共 享 Server 上 的 程 序
程 序 按 流 (Streaming(
Streaming) ) 或 小 块 (block(
block) ) 的 方 式 根 据
用 户 需 要 流 到 Client 上 执 行 ( 小 终 端 )
用 户 选 择 自 己 需 要 的 OS( ( 例 如 Linux 或 Windows) ) 和
应 用 ( 一 个 终 端 得 到 不 同 类 型 的 服 务 )
用 户 可 以 在 不 同 的 Client 上 获 得 同 样 的 服 务 ( 例 如 在 手
机 上 使 用 XP 的 应 用 )
所 有 计 算 对 用 户 透 明 , 用 户 只 管 使 用 服 务 , 所 有 的 应 用
由 管 理 员 在 服 务 器 端 管 理

3. 透 明 计 算 的 模 型 与 结 构
3.1 一 般 模 型
应 用
应 用
OS1
OS2
Meta
OS
应 用
OSn
网
络
汇 编 接 口 & 协 议
裸 机
终 端

3.2 拓 扑 结 构
TC
( 透 明 终 端 )
Light-weight devices:
PC、PDA、 手 机 、
家 电 产 品 等 .
TDN
( 透 明 传 输 网 络 )
以 太 网 、 CATV、802.11、
IEEE 1394 等 .
TS
( 透 明 服 务 器 )
普 通 PC、PC 服 务 器 等
有 存 储 和 计 算 能 力 的
设 备

3.3 层 次 结 构
Application Layer
Application Layer
Application Layer
Heterogeneous OS Layer
Meta OS Layer
(VDMS, NSAP, MRBP, etc)
Heterogeneous OS Layer
Heterogeneous JITC Layer OS Layer
(Non-Resident)
Other Part of Trans-
Computing Other Part Support of Trans- Layer
Computing (VDMS, Meta NSAP, Support etc) OSLayer
(VDMS, NSAP, etc)
MRBP
MRBP MRBP
TDN Layer
Network Delivery Layer
Network Delivery Layer
TDN Layer
TS
TC
Resident Module
Non-Resident Module

4. 透 明 计 算 的 软 件 平 台 :4VP
+ (Meta OS)
4.1 4VP + 的 模 块 结 构

4.2 C/S 环 境 下 的 4VP + 模 块 连 接
NSAP
TS
TC

4.3 MRBP 的 流 程
TS
Waiting
TC
Start
NO
If Received the signal
from a client
Search the Boot blocks
Send the Boot block
numbers to Client
Get Start Interruption
Signal
Send Message to Servers to
Search Oses Boot blocks
If get the numbers of
blocks, then show to user
Wait for user Choose for
Default Start
Start NSAP
Search and delivery
Meta OS
NO
Default
If User Choose a OS
Start NSAP to get Meta
OS
Page Scheduling of
instance OS
instance OS Running

4.4 NSAP

4.5 VIOM
接 收 中 断 请 求 和 用 户 进 程 的 I/O 请 求
分 析 中 断 原 因 , 唤 醒 中 断 处 理 程 序 和 给 出 中 断 响
应
分 析 I/O 请 求 原 因 , 进 行 设 备 分 配 和 缓 冲 分 配 ,
启 动 I/O 操 作
与 单 机 环 境 不 同 的 是 : 缓 冲 队 列 不 同 , 中 断 和
I/O 请 求 种 类 更 多 ( 网 络 设 备 ), 中 断 和 I/O 处 理
需 要 在 服 务 器 和 端 系 统 之 间 进 行 同 步 互 斥 处 理 。

4.6 VDM
VD 的 分 配 与 回 收
VD 的 驱 动
服 务 器 映 像 (image(
image) ) 与 终 端 上 的 VD 的 对
应 及 管 理
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
中 交 换 或 调 度 , 解 决 计 算 和 存 储 的 分 布 式 一 体 化 问 题
CPU
虚 拟 硬 盘
Cache
数 据
指 令
内 存
网 络 请 求 调 页
( 网 络 )
服 务 器 内 存
交 换 区
服 务 器
CPU
端 系 统
服 务 器 硬 盘

4.7 VFM
文 件 空 间 的 分 配 与 管 理
文 件 目 录 的 分 配 与 管 理
文 件 重 定 向
文 件 的 访 问 、 控 制 与 搜 索
文 件 的 一 致 性

4.8 VUM
用 户 参 数 配 置 与 管 理
用 户 地 址 管 理
用 户 的 增 加 与 减 少
用 户 使 用 过 程 管 理 等

5. 实 现 示 例
5.1 实 现 环 境
C/S 模 式 以 太 网
TS
NAT
Internet
NAT: Network
Address
Translation
TC
…
TC
…
TC

5.2 TC 的 实 现 ( 可 自 己 设 计 主 板 或 使 用 通 用 板 )
硬 件 :
• 低 电 源 :

5.3 TS 的 实 现
硬 件 : 普 通 PC 或 PC 服 务 器
软 件 :4VP:
+ (Meta OS)

5.4 性 能 分 析
(1)) 测 试
Win 98 Win 2000
Linux
80G 硬 盘
2G 内 存
80G 硬 盘
2G 内 存
1 2 3
80G 硬 盘
2G 内 存
1GHZ CPU
128M 内 存
TC 1 TC i TC 28

(2)Windows 2000 的 启 动 时 间 比 较
100
90
80
70
BIOS
PXE
UOSL
OS Loading
Boot time (s)
60
50
40
30
20
10
0
PC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16
TransCom client number
X 轴 : TC 数 目
Y 轴 : 启 动 时 间

(3)Windows 2000 时 的 Throughput 比 较
Throughput (MB/s)
16
14
12
10
8
6
4
VD (128M)
VD (256M)
VD (512M)
VD (1G)
VD (2G)
VD (2G No cache)
LD (128M)
Throughput (MB/s)
16
14
12
10
8
6
4
VD (128M)
VD (256M)
VD (512M)
VD (1G)
VD (2G)
VD (2G No cache)
LD (128M)
2
2
0 1 2 4 8 16 32 64 128
Request Size (KB)
0 1 2 4 8 16 32 64 128
Request Size (KB)
使 用 Microsoft 的 SQLIO 工 具 进 行 评 价
读 ( 无 缓 存 ) X 轴 : 请 求 尺 寸 写 ( 无 缓 存 )
Y 轴 : 吞 吐 量
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
Applications/OS 1 PC 1 TC 10 TCs 28 TCs
Booting OS
Windows2000
Server
Office Applications
53"13 48"73 70"62
142"57
Word 2003 2"23 1"26 2"28 11"50
Image processing applications
PhotoShop V7.0
13"29
11"08
16"48
1'0"51
Flash V6.0
18"62
7"16
31"41
1'16"56
3D MAX V8.0
29"71
25"68
34"24
1'16"56
Copying files
28"24
24"33
49"48
4'6"99
Playing multimedia
Windows Media
Player
smoothly
smoothly
smoothly
smoothly

6. 与 传 统 相 关 计 算 模 式 比 较 (1)(
透 明 终 端
OS
不 预 置 , 块 调
度 运 行 , 多 OS
存 储 与
计 算
存 储 在 服 务 器
, 计 算 在 终 端
用 户 选 择
OS 权
有
可 扩 展 性
即 插 即 用
PC
预 置 , 运 行 单
一 OS
存 储 、 计 算 都
在 单 机 内
无
无
NC
预 置 , 运 行 单
一 OS
不 预 置 , 运 行
单 一 OS
无
无
Windows
终 端
不 预 置 , 服 务
器 运 行 单 一 OS
不 预 置 , 运 行
单 一 OS
无
无
无 盘 站
不 预 置 , 运 行
单 一 OS
存 储 在 服 务 器
, 计 算 在 终 端
无
无

与 传 统 相 关 计 算 模 式 比 较 (2)(
对 服 务 器 要 求
透 明 终 端
普 通 PC 即 可
PC
NC
高 于 透 明 计 算 模 式
Windows 终 端 高 于 透 明 计 算 模 式
无 盘 站
高 于 透 明 计 算 模 式
可 管 理 性
中 央 管 理
分 散 管 理
中 央 管 理
中 央 管 理
中 央 管 理
抗 病 毒 能 力
可 抗 多 种 病 毒
否
否
否
否

7. 小 结
提 出 了 透 明 计 算 和 其 相 应 的 软 件 平 台
4VP + (Meta OS): 把 冯 · 诺 依 曼 计 算 机
往 网 络 上 扩 展 ( 网 络 存 储 、 周 边 计 算 )
普 适 计 算 的 操 作 系 统
( 满 足 普 适 计 算 的 所 有 条 件 )

谢 谢 !