虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統及構造方法
2023-12-12 12:52:02
專利名稱：虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統及構造方法
技術領域：
本發明涉及計算機及網絡技術，特別涉及文件、程序的遠程存儲、調用和管理的計算機及網絡技術。
背景技術：
20世紀隨著計算機的發展應用，標誌著人類社會進入了資訊時代，開始從工業化向知識經濟時代轉變。在近10年中，世界範圍內的電話、電臺、電視、計算機和通信衛星等領域正在迅速地融合，信息的獲取、傳送、存儲和處理之間的孤島現象隨著計算機網絡和多媒體技術的發展而逐漸地消失，曾經獨立發展的電信網、電視網和計算機網絡將合而為一，新的信息產業正以強勁的勢頭迅速崛起。
就計算機網絡而言，開始時它是計算機與通信相結合的產物，它的出現和發展促進了計算機應用發生了質的變化。在經歷了以大型主機為核心的集中式運算和由個人電腦為基本單元的分布式處理後，計算機的處理模式已發展成現在的網絡計算；其應用範圍已遠遠超出了科學計算，成為無所不在的工具。計算機網絡的發展既受到計算機科學技術和通信科學技術的支撐，又受到運用計算機網絡的那些領域技術的支持。
「廣義的」計算機網絡是在協議的控制下由一臺或多臺計算機、若干臺終端設備、數據傳輸設備以及便於終端和計算機之間或者計算機之間數據流動的通信控制處理機等所組成的系統之集合。其中協議是網絡的靈魂。1968年美國國防部高級研究計劃署決定建立一個分布式計算機網絡，這就是著名的ARPA網。ARPA網的原理就是分組交換，它奠定了現在大多數計算機網絡「存儲-轉發」的基礎。70年代到80年代中期，計算機網絡的發展面臨著將多種異構網絡互聯在一起的挑戰，於是出現了兩種新思想一是通信協議；二是開放體系結構。
前者通過各層「協議」來管理同層實體的會話和信息傳輸，後者旨在遵循統一的國際標準，允許各種異構網絡的互聯與內部實體無關。在ARPA網上試運行的TCP/IP作為一種新的數據通信技術的探索，於1977年到1979年間，推出目前形成的TCP/IP體系結構和協議規範。80年代國際標準化組織ISO制定了開放系統互連參考模型OSI/RM，它把計算機網絡體系結構分成七層，來說明計算機之間通信應當解決的所有的問題，包括各個層次應當具有的功能、提供的服務以及為實現這些功能各層次之間交換信息的格式和時序。
從計算機網絡提供的服務來看，早期的計算機網絡提供非常簡單的單點投遞，即點到點的數據傳輸，後來，逐步擴大到點到多點的廣播方式，但其本質還是利用點到點方式，只是形式上變成了客戶機/伺服器工作模式。80年代早期的共享式網絡技術和相關協議提供的是盡力而為的服務，對所有的服務請求按照同一個優先級處理，不能保證服務質量。90年代以後，大量實時多媒體應用在網上出現，如計算機視頻會議等，它們需要網絡能提供可靠的多點投遞服務，即群組通信和確保的服務質量控制。
計算機網絡的基本功能是突破地理限制，實現資源(信息、軟體、硬體、服務)共享；依靠網絡中可替代的資源，提高系統可靠性；通過對重要資源的共享，減少投資，提供更大範圍的分布式處理能力。目前其基本應用可主要分為異地數據訪問，異地程序訪問和增值通信三大類以及利用Internet進行增值通信與企業內部以及外部的合作夥伴交流信息，甚至利用到電子數據交換在銀行、客戶和供應商之間傳遞各種單據，為建立企業間動態聯盟和虛擬企業提供支持環境。
值得注意的是計算機終端的發展。
終端和PC一樣，也屬於一種人機界面的計算機設備。和傳統意義上的PC相比，它的最大的區別在於PC基本上屬於一種個人計算設備，一般是一個顯示界面配一個主機，是相對獨立的計算機設備。而終端則是一種計算機平臺，它往往是多臺終端共用一個主機系統。對於在網絡高速發展的今天，企業內的區域網系統已經比較完善，人們更關注的是信息的訪問與共享，希望人機設備更為簡單、實用、低成本、維護簡單，而獨立的PC對企業來說無疑是一種浪費，終端就是在這種情況下煥發出它的光芒。
在計算機系統中的終端是指提供人機界面的計算機顯示終端。計算機顯示終端簡稱顯示終端，是依附於主機/伺服器的端末設備。根據主機/伺服器作業系統的不同，可以把它們分為主機終端、Unix、Windows、Web等終端產品。表面看來，它就像是沒有了主機的PC，只留下了一個顯示器和鍵盤，通過網絡訪問主機系統進行信息處理。這種顯示終端的應用範圍十分廣泛，幾乎可以代替所有行業的PC產品，因而應用前景非常看好。顯示終端主要分為兩種，一種是以Unix終端為代表的字符終端，另一種則是以Windows終端為代表的圖形終端。
未來終端產品將呈現百花齊放的局面，Unix、Windows、Web、Linux、Java等各種不同類別終端將依賴於未來用戶系統的多樣化，應用的差異性而共存。終端技術發展將向著集中化、網絡化、人性化、安全化、開放化發展。終端從傳統的桌面臺式設備，逐漸發展到移動可攜式、掌上式，集成了有線聯結和無線聯結模塊的各種形態。隨著終端產品的發展，它的應用範圍也得到了進一步拓展。
常見的終端可以分述如下1.字符終端。
在UNIX作業系統流行的時候，字符終端的出現對計算機管理者來說可謂是一大福音。其相對簡單的配置和終端機的易維護性，使管理員的工作量相對減少了許多。國內一些大型企業紛紛配置了不少UNIX字符終端設備。但是字符終端存在軟體開發難度較大、顯示界面單一、對管理人員技術要求較高和伺服器設備維護複雜等一系列問題，這些已經成為阻礙UNIX字符終端發展的障礙。大部份企業由於上述原因不得不停用UNIX字符終端設備而改用商用PC作為客戶端設備。
2.Windows 2000終端(WBT)。
圖形終端以Windows終端為代表，WBT(Windows Based Termintal)是Windows 2000Server/Advanced Server推出的一項標準服務，它允許用戶以Windows界面的客戶端訪問伺服器，運行伺服器中的應用程式，使用戶就像用自己的計算機一樣。在WBT的網絡中，所有應用軟體的安裝、配置、運行和存儲等均在伺服器上進行，客戶機(終端)只作為輸入輸出設備。當終端用戶登錄到伺服器後，就可以像使用本地資源一樣使用伺服器上的資源，運行伺服器上Windows應用程式。多個終端用戶可以同時登錄到伺服器上，互不影響地工作。WBT的這一特點跟早期UNIX的字符終端類似，但WBT的優勢在於它是基於Windows的，具有友好的圖形界面和Windows的易用性。另外，在WBT的網絡環境下，網絡傳輸的數據主要是鍵盤和滑鼠的輸入信息與顯示器的輸出信息，數據的處理都在伺服器上進行，這就減少了網絡的傳輸量。但在實際運營中對伺服器的要求往往過高。
3.Novell無盤工作站。
從1994年至1996年，絕大多數無盤網絡基本構架都是採用Novell的Netware 3.11或Netware 3.12作伺服器的操作平臺，工作站以IPX或ODI方式登錄。在這種網絡中使用的網絡協議是IPX/SPX(Internetwork Packed Exchange/Sequenced PackedExchange)，當時我們稱它為IPX無盤網絡，主要是用於教學網絡，應用程式大多以DOS為主。這可以說是第一代無盤網絡。
4.RPL無盤工作站。
從1996年至1999年，以RPL(Remote initial Program Load)方式登錄的無盤網絡佔絕大多數，伺服器端可以選擇Novell的Netware4.1或Windows NT 4.0 Server。正是在這幾年之中，微軟公司在1995年推出了Windows 95、1996年推出Windows NT 4.0，Novell公司和微軟公司在網絡市場上出現了此消彼長的情況，Novell公司在網絡市場上的優勢逐漸被微軟公司所取代。微軟推出的Windows NT 4.0 Server可以提供RPL遠程啟動服務，Windows 95也支持網絡安裝，其中包含了網絡安裝命令Netsetup。在此之後的幾年中RPL幾乎成為了無盤網絡的代名詞。這便是第二代無盤網絡。
微軟公司推出的Windows 98內核較Windows 95有較大變化，與Intemet的聯繫更加緊密，功能也有所增強，遺憾的是Windows 98不再提供Netsetup命令，也就是說Windows 98無法直接安裝在無盤站上。
5.PXE無盤工作站。
1999年之後，Intel公司推出了PXE(Preboot Execution Environment)技術，由於Intel、3COM和QUALSTEM、三道科技等公司的介入，使無盤技術得到了飛速的發展，大量高質量的無盤支持軟體不斷出現，與之相對應的無盤方案也層出不窮，令人目不暇接，無盤站不能運行Windows 98已成為過去，新的無盤啟動機制反過來被用到了RPL中，使得RPL工作站上也可以運行Windows 98了。第三代無盤網絡的核心技術是Intel的PXE技術。
總體看來，在網絡計算時代軟硬體的高速發展中，計算機只是作為一個計算平臺而存在，人們希望人機設備更為簡單、實用、低成本，人們更關注的是信息的訪問與共享。
目前，在計算機網絡上工作的計算機有以下兩種形式一種是有本地硬碟的PC，其工作方式是通過網絡伺服器共享數據或通過伺服器訪問intetnet；另一類就是大家常聽到的NC(網絡計算機)。工作在計算機網絡上的PC由於有本地硬碟所以存在容易受到病毒和誤操作等破壞，導致系統崩潰。由於硬碟是機電一體化產品，機械部分的故障率仍然很高，同時硬碟的存在使PC在網絡環境中變成信息孤島。NC雖然有很多優點，比如本地不需要安裝硬碟，完全通過伺服器集中管理等；但由於網絡支撐平臺採用卷的簡單實現模式，依賴複雜、龐大的非安全內核，落後於現實網絡的需要，只能以終端terminal(RDP方式共享伺服器的cpu和內存)模式運行，軟體環境也只能是簡單的圖形界面。NC最致命的問題就是伺服器的負荷十分巨大，客戶端無法獨立運行3D Max、CAD、遊戲、多媒體課件等軟體，只能做簡單的文本處理，瀏覽網頁也有比較吃力的現象。而且網絡支撐平臺系統的構建方法落後而煩瑣，對維護管理人員要求太高。
發明內容
本發明為了解決現有技術網絡環境中存在的上述問題，提出一種不採用卷而採用物理地址訪問磁碟、而且具有固化、精簡安全體系的OS內核的虛擬磁碟體系結構VDSA(theVirtual Disk System Architecture)技術，通過對伺服器的集中管理使各網絡站點在無需本地硬碟和本地作業系統的情況下高效安全地運行在區域網上，使整個網絡就象一臺計算機一樣，實現了軟硬體資源的合理共享，同時解決了目前計算機網絡中的信息孤島問題。其客戶端能正常運行Linux、MS Win 9x/Win 2000/Win XP及應用軟體。同時，該系統全面支持x86架構、ARM架構、MIPS架構的CPU客戶端。
本發明解決落後的網絡支撐平臺的技術方案是設計、構建一種虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統，包括若干伺服器、網絡站點和連接網絡，尤其是所述伺服器和網絡站點之間還設置有虛擬結構式網絡磁碟結構；所述伺服器設置有虛擬結構式網絡磁碟支持程序。
本發明進一步解決落後的網絡磁碟訪問的技術方案是所述虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統的網絡站點是無盤站點；所述虛擬結構式網絡磁碟結構以物理磁軌為管理對象；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括數據調度程序、文件管理程序和伺服器集群總控程序；該總控程序包括登錄管理、虛擬盤管理、遠程管理、用戶運行環境層管理程序。
本發明解決落後的網絡支撐平臺構建方法的技術方案是採用一種虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統構造方法，其包括如下步驟I、在伺服器上運行VDSA內核驅動程序，的網絡計算機支撐平臺，生成虛擬盤；J、客戶端的引導程序(bootrom，支持PXE/EFI、Bootp)向網絡廣播一個帶網卡ID的請求幀；K、伺服器端偵聽到所述請求後，檢查該用戶是否合法。如果是合法用戶即分配IP位址；L、客戶端接收到分配IP位址的響應幀後，請求伺服器傳送啟動文件；M、伺服器端發送啟動文件到客戶端；N、客戶端收到啟動文件後，完成初步啟動。
本發明進一步解決落後的網絡支撐平臺構建方法的技術方案是所述的網絡計算機支撐平臺系統構造方法還包括以下步驟P、客戶端使用虛擬磁碟構造方式建立虛擬引導盤即C盤；所述C盤存儲的信息是由伺服器中組合客戶內核(Mix Olient Kermnel)中的映象下載而來；Q、作業系統在所述虛擬C盤加載最小集合的驅動卡，經網絡連接到伺服器讀、寫共享目錄；R、作業系統加載VDSA文件系統驅動，將虛擬C盤與所述讀、寫共享目錄組合，攔截所有系統的文件讀寫請求；並根據要讀寫的文件的性質判斷所做的操作，構成完全的C盤，進而完成其完整啟動。
採用本發明虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統及構造方法後的有益效果如下實現多種作業系統支持，同一臺VDSA伺服器支持的網絡站點可啟動多種不同作業系統，目前已有DOS、Win 95/98/ME/XP/2003 Server、Linux、Unix、OS/2、Saloris。實現了跨不同作業系統平臺使用。
使用靈活方便，做到了對PC的應用軟體及外設的全部兼容。網絡站點具備可直接訪問網絡虛擬盤，因此具備普通PC所有的靈活使用特性和功能，甚至DOS的Fdisk、Format命令也可執行。
簡單快速的VDSA系統安裝和維護。整個系統的實施只需要安裝本發明虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統的各站點便可即插即用。
高速迅捷的使用性能。本發明應用了高性能高可靠的硬體Raid-1磁碟鏡像技術和高速緩存技術，使得各網點讀取速度大大高於普通PC的本地硬碟讀取速度，消除了PC的性能瓶頸。
強大、高效、簡單的管理維護。本發明基於VDSA(the Virtual Disk SystemArchitecture)技術，具備C/S和B/S架構優異的集中管理、集中存儲、集中維護、集中控制特性。同時本發明虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統管理維護異常簡單，只需要具有PC管理維護經驗即可，無需具備高深的網絡維護和網絡伺服器維護經驗，也能順暢有效的管理。
安全、保密和防病毒。資料數據集中控制管理和存儲，達到更高的資料保密與安全性，如果病毒或黑客侵入只需重啟虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統，執行「層」操作功能即可消除病毒，不會引起系統崩潰。
本發明獨特的網絡整體設計，使各網絡站點甩掉了「硬碟」這個累贅，故整個系統在性能價格比和總體擁有成本TCO(Total Cost of Ownership)方面有絕對的優勢。可廣泛應用於教育(電子教室)、政府(電子政務)、商業(辦公自動化)、金融(終端設備)及網吧等領域。對推動信息化建設將有深遠的意義。
圖1是所述虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統結構圖；圖2是本發明虛擬結構式網絡磁碟的體系結構圖；圖3是所述虛擬結構式網絡磁碟存儲系統構造方法的流程圖；圖4是所述構造方法中遠程啟動程序工作流程圖；圖5是所述虛擬結構式網絡磁碟規範無序數據的情況示意圖；圖6是本發明所支撐的客戶類別示意圖；
圖7是所述虛擬磁碟結構式網絡存儲系統的結構圖；圖8是所述虛擬結構式網絡磁碟在客戶機/伺服器系統中的位置圖；圖9是所述網絡計算機支撐平臺系統結構下眾多終端共用一臺伺服器示意圖；圖10是應用本發明後一種客戶端系統桌面環境圖；圖11是應用本發明後一種客戶端系統應用示例圖；圖12是所述客戶端與伺服器通訊結構圖；圖13是所述伺服器結構圖。
具體實施例方式
以下結合附圖詳述本發明的具體實施例。
圖1所示為一種虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統，包括若干伺服器1、網絡站點2和連接網絡，其特徵在於所述伺服器1和網絡站點2之間還設置有虛擬結構式網絡磁碟結構3；所述伺服器1設置有虛擬結構式網絡磁碟支持程序。
所述網絡站點2是無盤站點；所述虛擬結構式網絡磁碟結構3以物理磁軌為管理對象；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括數據調度程序、文件管理程序和伺服器集群總控程序；該總控程序包括登錄管理、虛擬盤管理、遠程管理、用戶運行環境層管理程序。
所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括虛擬盤引導程序，即MBR虛擬盤鏡像頭系統；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括網絡站點的IP管理，即DHCP系統；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括客戶端接口系統，即伺服器和網絡站點的數據交換接口；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括登錄伺服器管理系統，即網絡站點的用戶管理；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括虛擬盤伺服系統即虛擬盤的底層數據服務系統。
所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括IPX協議的支持及管理程序；TCP/IP協議的支持及管理程序；PXE協議的支持及管理程序；EFI協議的支持及管理程序；所述網絡站點設置有站點客戶OS鏡像管理系統；所述網絡站點設置有虛擬盤驅動系統；該系統由底層驅動程序包構成，負責OS和虛擬盤間的數據交換；所述網絡站點設置有OS環境上傳器，即OS鏡像環境生成系統。
一種虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統構造方法，其特徵在於，包括如下步驟I、在伺服器上運行VDSA內核驅動程序，的網絡計算機支撐平臺，生成虛擬盤；J、客戶端的引導程序(支持PXE/EFI、Bootp的bootrom)向網絡廣播一個帶網卡ID的請求幀；K、伺服器端偵聽到所述請求後，檢查該用戶是否合法。如果是合法用戶即分配IP位址；L、客戶端接收到分配IP位址的響應幀後，請求伺服器傳送啟動文件；M、伺服器端發送啟動文件到客戶端；N、客戶端收到啟動文件後，完成初步啟動。
所述的網絡計算機支撐平臺系統構造方法還包括以下步驟P、客戶端使用虛擬磁碟構造方式建立虛擬引導盤即C盤；所述C盤存儲的信息是由伺服器中組合客戶內核(Mix Olient Kermnel)中的映象下載而來；Q、作業系統在所述虛擬C盤加載最小集合的驅動卡，經網絡連接到伺服器讀、寫共享目錄；R、作業系統加載VDSA文件系統驅動，將虛擬C盤與所述讀、寫共享目錄組合，攔截所有系統的文件讀寫請求；並根據要讀寫的文件的性質判斷所做的操作，構成完全的C盤，進而完成其完整啟動。
所述作業系統加載VDSA文件系統驅動，並根據要讀寫的文件的性質判斷所做的操作，包括將三個文件來源的文件混合在一起顯示，獲得文件的優先級依次是客戶端內核Client Kernel，寫共享Write Share和讀共享Read Share的操作；按讀取的優先級進行文件讀取的操作；直接讀取客戶端內核Client Kernel文件的操作；對非客戶端內核Client Kernel文件，先從Write share裡讀取，若找不到，再讀Read Share的操作；以及將非客戶端內核Client Kernel文件寫入到Write Share中的操作。
所述虛擬磁碟構造方式可以是RAMDISK(內存磁碟構建)方式，也可以是VLD(大容量磁碟構建)方式；相應地，客戶端內核Client Kernel文件的寫入目標可能是本地的Client RAM，也可能是伺服器的專用內核區Kernel Difference。
對於客戶端的一切操作均可看做對物理磁軌/柱面及扇區的訪問，一切操作的實現是以對磁碟訪問信號轉換為網絡私有信號發與伺服器，伺服器對存於其中的虛擬磁碟(IMG)的訪問控制，將反饋以網絡信號發回與客戶端，歸結可為一切應用級/文件系統級/OS級的任意操作均為對物理磁軌的偏移量的計算與控制。細節在下以不同圖例說明。
客戶端無盤工作站主要完成幾件事情啟動塊啟動電腦，同時打開網絡接口，與伺服器通訊，下載客戶端基本配置信息；網卡驅動加載；中間層驅動加載；磁碟驅動加載，從內存中讀取伺服器端獲得的登陸及配置信息，從而實現虛擬網絡磁碟；客戶端下載BIN檔，初始化網絡環境後，控制權交與中間層驅動和磁碟驅動。
僅就SCSI磁碟驅動和NDIS中間層驅動的驅動數據流實現方案加以詳述。
SCSI和NDIS工作流程如下SCSI接收到OS的SRB(Scsi請求包)；SCSI轉換SRB為伺服器能夠識別的命令並存放到包緩衝區中；發送線程接收到來自SCSI的事件通知後，將SCSI組建的命令請求包發送到給伺服器；伺服器接收到請求包後即反饋信息；NDIS接收到反饋信息後，將反饋數據存放到包緩衝區中；SCSI接收到NDIS的數據到通知事件後，將相應的包緩衝區存放到SRB完成隊列中。
系統映像(Img)是對應來自樣機的映像。可能是一個文件或磁碟分區(在需要優化的情況下)。全部工作站的系統都是基於Img而派生，簡單地說，Img即範本工作站上傳到Server中的數據。Img文件一般比較大，而處理工作站的請求都是比較細小和頻繁的，所以將Img文件按相等的大小分塊(最後一塊大小可能不足)，分塊的單位稱為SectionSize。系統映像存放在Server上，並在範本機上格式化。系統映像不直接向工作站提供服務，它是通過遮罩「用戶類映像」後封裝成一個工作站專用的映像，再向工作站提供伺服器。
IO塊(IO Block)是工作站訪問Server的方法。工作站每次向Server要求讀寫數據時，都會提供起始偏移(Offset)，讀寫大小(IOSize)，我們稱這為IO請求，請求的範圍稱為IO塊。
用戶類映像(UserImg，UserImgOnce，UserImgX)是向工作站提供服務的實例。在工作站的立場來看，它都擁有自己的一個獨立的虛擬硬碟，這其實是由「用戶類映像」疊加到「系統映像」而最終形成了「用戶映像」(即工作站看到的虛擬硬碟)。
本發明的研究動力來源於以下市場需求。
國內IT業的迅猛發展促進了網絡支撐平臺市場需求的增長趨勢。首先在電子政務方面可謂市場商機無限，2004年仍將繼續保持快速增長勢頭。《網際網路周刊》調查顯示2003年中國電子政務100強企業總的電子政務營業收入已達210億元，遠遠超出2002年的124億元。2004年電子政務營業收入將再攀新高。其次在教育領域，2003年，教育信息化成為了主宰IT市場的主旋律，整個中國的教育信息化市場非常之大，據預測2004年教育信息化大概會有300億元的市場容量，包括大學的校園網、中小學的校園網建設，從PC、網絡產品、伺服器到軟體等。特別值得關注的是「網吧」這個新興行業，據CNNIC最新調查顯示，國內網民為6800萬，穩坐世界第二的位置。但是上網電腦臺數僅為2572萬臺，這就意味著除去家用電腦銷量持續增長的因素，這個巨大的缺口是由網吧來填補的。僅10家全國範圍的連鎖網吧就是一個巨大的市場其全國牌照網吧會達到1000家以上，每家的電腦數量至少是200臺，每臺電腦以4000元計算，就是80億元的市場容量。加上後續服務、相關配件市場，這將是一個過百億元的大市場。此外，全國範圍內的經營性網吧還有12.5萬個，共有電腦350萬臺。如果這些網吧加入連鎖品牌旗下，就必須更換電腦。同時網民在網吧使用最多的功能是網路遊戲，這個比例超過了60％，更新速度極快的網路遊戲對電腦硬體的要求很高，從而催生出對設備升級換代的需求，使網吧電腦的平均更新周期進一步縮短至一年半到兩年之間，更使80億元網吧PC市場的雪球越滾越大，網吧PC的市場容量達到220億元。無論從哪個角度講，網吧都是網絡計算機一塊巨大的市場。
值得一提的是，國外的IT市場也出現過象中國這樣的增長現象。但在大量的PC採購後，很多企業都轉向了網絡計算機。事實上，網絡計算機的概念早在上個世紀就出現了。1995年的時候，由Oracle公司提出，由SUN和IBM這兩家IT業的巨無霸聯合主導的「網絡計算機」(NC，Network Computer)概念就以其「低成本」(包括購置和升級)和「平臺無關性」(勿需移植)而鼓譟一時，雖然最終因缺乏足夠的應用軟體支持而偃旗息鼓，但還是對以Microsoft和Intel公司為首的「個人計算機」(PC、Personal Computer)陣營產生了強烈的衝擊。快十年時間過去了，目前世界500強的企業有93％以上大量引入了網絡計算機，其運行狀態十分良好。
在中國，可以說人們對PC的需求也會很快轉到對網絡計算機的需求上，這不光是能節約投資的問題(直接減少了硬碟和OS的投資)，在系統維護、升級和資源共享上將產生巨大的需求。本發明所述的網絡計算機支撐平臺十分適用以上領域，該軟體系統技術在市場需求的拉動下將潛力無限。
實用中，本發明虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統從系統結構上分為客戶端系統和伺服器系統兩大部分。客戶端部分包括虛擬盤驅動系統由底層驅動程序包構成，負責OS和虛擬盤間的數據交換；和OS環境上傳器OS鏡像環境生產系統。伺服器部分包括MBR虛擬盤鏡像頭系統，即虛擬盤引導程序；DHCP系統，負責網絡站點的IP管理；客戶端接口系統，即伺服器和網絡站點的數據交換接口；登錄伺服器管理系統，負責網絡站點的用戶管理；以及虛擬盤伺服系統，即虛擬盤的底層數據服務系統。
本發明虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統的工作原理是在伺服器上運行VDSA為內核的虛擬結構式網絡計算機支撐平臺，生成虛擬盤；客戶端的bootrom(PXE/EFI、Bootp)向網絡廣播一個帶網卡ID的請求幀；伺服器端偵聽到請求後，檢查該用戶是否合法。如果是合法用戶即分配IP位址；客戶端接收到響應幀後，請求伺服器傳送啟動文件；伺服器端發送啟動文件到客戶端；客戶端收到啟動文件後，客戶端完成啟動。
客戶端啟動後，用VLD技術或Ram Disk技術在客戶端中創建一個虛擬的C盤，裡面的信息由Mix Client Kernel的映像下載所得。Windows 2000在這個虛擬的C盤啟動(加載最小集合的驅動)，並驅動網卡，用網絡連接到伺服器上的另外兩個共享目錄(ReadShare和Write Share)，然後加載VDSA文件系統驅動，將虛擬C盤與這兩個共享目錄組合起來，以實現最終的Volume C，然後再繼續完成其完整的啟動。
這時用戶可運行一個理想的OS(linux、win9x、win2000……)環境，並享用本地和網絡上的資源。且對網上的訪問猶如訪問本地資源一樣。
以上的系統既完成了系統功能又滿足了用戶的需求，且升級也十分方便。
本發明的一個典型應用是稱為N.C.magic的網絡計算機支撐平臺系統，是一種NC網絡計算機支撐平臺，應用VDSA技術的專用版本，系統安裝在伺服器上(Windwos NT4或Windows 2000 server)，伺服器啟動VDSA服務，客戶端不必裝硬碟，通過網絡與伺服器相連接，選擇網絡啟動方式，通過網卡的啟動晶片或刷新BIOS從伺服器上下載啟動映像，然後啟動到OS狀態。
N.C.Magic兼容Intel PXE，增加了應用方案的靈活性。N.C.Magic的使用降低硬體成本和系統維護成本，用戶的總成本TCO達到最低。
N.C.Magic除提供啟動功能外，還有很強大的管理功能。客戶端安裝一次上傳到伺服器則所有客戶端均可使用，客戶端的軟體更新由「超級用戶」完成，「超級用戶」實際上是在伺服器端授權的任意用戶，「超級用戶」安裝或刪除軟體對全部客戶端生效。還可以從伺服器直接開關機等很多客戶端管理功能。
N.C.Magic系統基本構成包括伺服器、客戶端、交換機、網絡計算機支撐平臺軟體、伺服器軟體、客戶端軟體，其功能主要以軟體方式實現。
伺服器端系統環境包括作業系統Windows 2000 Advance Server/Server或WindowsNT4 Server。安裝TCP/IP和IPX網絡協議，允許足夠的客戶端連接、硬碟最好做RAID 0或SCSI硬碟並有較大的硬碟空間。
客戶端系統環境包括作業系統Microsoft Windows、TCP/IP網絡協議，並具有PXE引導功能。
本發明對於現有技術的突出貢獻在於採用了VDSA核心技術，技術難度高，但系統性能極為優越。VDSA(the Virtual Disk System Architecture)系發明人獨創的技術，其主要包含以下幾方面的內容伺服器設置網絡虛擬盤伺服系統(數據調度和文件管理)、伺服器集群總控系統(登錄管理、虛擬盤管理、遠程管理、用戶運行環境層管理系統)。網絡能對IPX、TCP/IP、PXE、EFI等協議進行支持及管理。站點客戶設置有OS鏡像管理系統。
簡而言之，採用了VDSA技術內核，整個網絡就像一臺計算機一樣工作；不需要對客戶端電腦進行管理；不需要在客戶端電腦上安裝OS和應用軟體；客戶端電腦不需要硬碟；客戶端電腦不會產生垃圾文件；客戶端電腦能防禦所有已知和未知的病毒；只維護伺服器，網上的所有用戶即可自動享受軟體的升級。本發明在計算機網絡支持平臺方面，取得了決定性的進展。
本發明的技術創新，一是精心設計固化的精簡的安全體系OS內核。其創新點是在VDSA(the Virtual Disk System Architecture)技術中要求伺服器端採用固化的精簡的安全體系OS內核，並能適用於上層的標準的及非標準系統結構；在OS體系設計上達到並超過國際同類知名產品的產品平臺，在國內來說達到國防產品的核心技術要求。其創新難度在於如何結合實際設計出合理的OS體系，並在內核支持與OS精簡的情況下能以標準及非標準系統結構。需要開發人員深入掌握作業系統原理/內核構架及實現，能從內核/底層驅動到系統層設計及開發，難度較高。
二是設計領先的虛擬存儲網絡技術，即VDSA(the Virtual Disk SystemArchitecture)技術，在支持Windows XP/2000無盤網絡中時，完全不同於win98使用卷的簡單實現模式，而是使用對XP/2000系統複雜的磁軌處理的技術。需要重點解決網絡中虛擬存儲的瞬間恢復及瞬間備份，集群模式下資源的負載均衡處理。
三是極具特色的抗崩潰與災難恢復。隨意斷電及開關機而不對系統造成任何影響。其方法是內核在裝載系統啟動進程前就初始化設備文件系統，並同時調整磁碟同步，抗崩潰性經測試可使百萬次斷電及非法關機無核態或系統數據丟失，再通過特色的程序控制達到完美的災難恢復性能。
虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統結構如圖2所示，包括客戶端結構，伺服器端結構，讀共享區Read Share和寫共享區Write Share。其中，Windows base kernel是指Windows2000的最小核心文件集，包含了足以啟動Windows2000的文件系統及網絡啟動部分，以磁碟映像的形式出現。
由於每臺客戶機的主機名，IP等信息都有所不同，所以它們的核心文件磁碟映像均不相同(如註冊表信息，SAM資料庫)，但大多數文件是相同的，於是就引入一個專用內核區Kernel difference來記錄不同的部分。這樣每個客戶機所下載的客戶端內核ClientKernel實際上是Windows Base Kernel(共用)與它的修改處(各自不同)的組合映像文件(Mixed Client Kernel)。
這個Mixed Client Kernel映像為客戶機上的客戶端內核Client Kernel(VirtualVolume C)，有兩種方法構造虛擬C盤，即內存磁碟構建Ram disk和大容量磁碟構建VLD。
Read Share中是完整的原來的整個Windows系統(包含所有的應用)。存放有包括Program Files及Windows等原來的有盤工作站上的信息。
這個共享目錄在系統中只存在一個，是只讀性質的。
Write Share是用於做虛擬防寫的共享目錄，每個客戶機均有一個。每個客戶機均能寫入。
VDSA驅動的功能是將Virtual Volume C與兩個共享目錄的文件組合起來。攔截所有系統的文件讀寫請求。並根據要讀寫的文件的性質判斷所做的操作文件檢索時，將三個文件來源的文件混合在一起顯示，獲得文件的優先級依次是客戶端內核Client Kernel，Write Share，Read Share。
文件讀取時，確定讀取的優先級。
對客戶端內核Client Kernel文件，直接讀取客戶端內核Client Kernel的文件對非客戶端內核Client Kernel文件，先從Write share裡讀取，若找不到，再讀Read Share。
文件寫入時，按寫入的種類操作。
對客戶端內核Client Kernel文件，如果Virtual Volume C是由Ram Disk技術製作，則寫到本地的Client RAM中，如果Virtual Volume C是由VLD技術製作，那直接寫到伺服器的專用內核區Kernel Difference中。
對非客戶端內核Client Kernel文件，寫入到Write Share中。
本發明虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統另一個經典應用是為當今中國教育行業提供一個完善的解決辦法，克服中國地域廣大、使用維護人員較少的現狀，使得我們的學校電腦系統能夠正常、穩定的長時間無故障運行，保證有限的資金投入得到最大程度的利用。真正讓學校擁有買得起、用得起、用得好的電腦教學平臺。
在目前，學校的電腦系統選型有以下幾種選擇一是經PC硬體為主的PC系統。二是基於以WBT為代表終端類系統，三是普通的無盤工作站。但以上三種類型系統都不能同時滿足以下要求一是終端要和PC一樣，作業系統和應用程式完全和PC兼容，均可直接安裝使用，PC外部設備均可即插即用，保持和PC一樣的擴充性(可用不同的CPU、內存、光碟機、軟碟機、硬碟、顯卡、音效卡以及各種擴展卡)對使用者而言要和有硬碟的PC一樣能夠從終端安裝軟體和改變驅動環境，保持PC的個性化。二是具備集中管理、集中存儲、集中控制、集中維護、分布式運算(即終端本地運算)的先進網絡電腦系統架構。三是維護人員對系統的管理維護要像PC一樣簡單。
本發明虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統，採用VDSA(the Virtual Disk SystemArchitecture)技術，實現通過乙太網絡上虛擬盤的存儲服務，使得PC中的硬碟移出電腦，延至網絡裡的VDSA網絡存儲管理器中。對網絡PC的作業系統來說，它認為還是有本地硬碟的完整的PC機，它並不知道硬碟數據放在網絡中的存儲媒介中，這就使得採用了VDSA技術的網絡PC，不僅擁有PC的全部功能，兼容所有PC軟體，而且系統可隨時備份還原，並允許保留用戶的個性化設置，同時VDSA網絡存儲管理器配置要求不高，即可服務60個網絡站點。
通過對比我們發現，本發明虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統校園網絡電腦系統在保障了學校日常高密度、大數量據圖片教學需求的同時，使得網絡管理系統的維護工作變得更簡明，減輕了老師維護管理、控制的難度和成本，大大降低了老師的工作量。同時，在學校相對緊張的教育資金上，能最大限度的降低電腦系統的運作成本，讓學校集中資金搞好校園信息化建設。
綜上所述，本發明VDSA的內核是經過多方面應用調試，技術先進且穩定性好。該系統具有以下主要的特點基於C/S架構，具有良好的安全性、穩定性、可擴展性和平臺無關性；固化的Linux系統內核和應用系統內核，使系統的工作效率極強，且防止了系統的崩潰；虛擬存儲算法優秀，網絡虛擬盤的實時存取速度快；優化過的CRC算法使數據傳輸容錯高；客戶端鏡像文件的自動修復功能，保證工作站不受病毒侵害；伺服器控制平臺支持遠程維護，TCO達到優化；提供豐富的接口實現不同系統之間的信息交換，真正實現信息的共享和交互；利用先進的加密技術RSA、RC2、RC4、MD5等算法，實現安全的加密與數字籤名；方便地實現內外網間的數據交互和信息傳遞；強大集成能力使系統兼容性極強；支持用戶的多種訪問方式(桌面應用程式/瀏覽器/無線設備等)；跨平臺、多語言支持。與作業系統、資料庫、應用伺服器無關。
鑑於以上特點，系統具有極強的競爭力。並具有如下優點快速引導。由於安裝了例如N.C.Magic的伺服器啟動後會自動運行引導服務，客戶端開機即發出請求，得到可通過伺服器響應後客戶端開始啟動，很快進入Windows系統，通常比硬碟啟動更快，30臺同時啟動到顯示Windows桌面只需1分50秒。一臺伺服器可支持100多臺客戶端。
維護簡單。首先，安裝過程表明，整個系統平臺，例如N.C.Magic的安裝實質上只需安裝伺服器和客戶端各一次，其次，所有客戶端軟體更新在任一臺客戶端(設置其為超級用戶)一次安裝即可，再次，伺服器上N.C.Magic的運行界面提供了備份和恢復功能，系統對於普通權限用戶是保護的，從而系統是不容易受損的。
管理方便。例如從伺服器N.C.Magic的運行界面上管理員能夠清楚地看到當前客戶端機器工作狀態(用戶名前指示燈顯示)，可直接在伺服器遠程啟動、關閉和喚醒客戶端，可批量設置用戶的IP位址(起始)及網關、DNS等信息，還可以根據需要對不同用戶或不同時段設置不同的使用環境，比如語文教研室和數學教研室的辦公電腦在課件提供上就不一樣，在電教室上語文課時可將所有機器設為語文教研室系統，而在電教室上數學課時則可將所有機器設為數學教研室系統，在學生看來使用的不是「好玩」的電腦而更象是高級學習機。
支持廣泛。一是對硬體的廣泛支持，Intel PXE已經成為行業標準，絕大多數主板和網卡均支持，例如N.C.Magic在設計中針對常用的主板和網卡做了優化，使其運行更加穩定流暢，二是對應用軟體的支持非常好，所有客戶端可同時運行大型軟體，可同時播放電影，這些在WBT類終端上根本不可能實現，系統受到保護不允許寫入，但N.C.Magic軟體是加入了虛擬寫入功能，應用軟體在運行中的磁碟數據交換就不受影響了，所以理論上講本發明的應用例如N.C.Magic平臺可支持所有應用軟體。
數據安全。客戶端沒有硬碟，不僅作業系統、應用軟體等存放在伺服器，而且用戶建立的文檔、客戶資料、業務往來等公司資料均存放在伺服器，根據應用領域對數據安全性的要求，可方便地對數據進行管理。即使不用專業工具而用Windows 2000 Server下的權限定義就能很好的管理。
權利要求
1.一種虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統，包括若干伺服器(1)、網絡站點(2)和連接網絡，其特徵在於所述伺服器(1)和網絡站點(2)之間還設置有虛擬結構式網絡磁碟結構(3)；所述伺服器(1)設置有虛擬結構式網絡磁碟支持程序。
2.根據權利要求1所述的網絡計算機支撐平臺系統，其特徵在於所述網絡站點(2)是無盤站點；所述虛擬結構式網絡磁碟結構(3)以物理磁軌為管理對象；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括數據調度程序、文件管理程序和伺服器集群總控程序；該總控程序包括登錄管理、虛擬盤管理、遠程管理、用戶運行環境層管理程序。
3.根據權利要求2所述的網絡計算機支撐平臺系統，其特徵在於所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括虛擬盤引導程序，即MBR虛擬盤鏡像頭系統；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括網絡站點的IP管理，即DHCP系統；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括客戶端接口系統，即伺服器和網絡站點的數據交換接口；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括登錄伺服器管理系統，即網絡站點的用戶管理；所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括虛擬盤伺服系統，即虛擬盤的底層數據服務系統。
4.根據權利要求3所述的網絡計算機支持平臺系統，其特徵在於所述虛擬結構式網絡磁碟支持程序包括IPX協議的支持及管理程序；TCP/IP協議的支持及管理程序；PXE協議的支持及管理程序；EFI協議的支持及管理程序；所述網絡站點設置有站點客戶OS鏡像管理系統；所述網絡站點設置有虛擬盤驅動系統；該系統由底層驅動程序包構成，負責OS和虛擬盤間的數據交換；所述網絡站點設置有OS環境上傳器，即OS鏡像環境生成系統。
5.一種虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統構造方法，其特徵在於，包括如下步驟I、在伺服器上運行VDSA內核驅動程序，生成虛擬盤；J、客戶端的引導程序向網絡廣播一個帶網卡ID的請求幀；K、伺服器端偵聽到所述請求後，檢查該用戶是否合法，如果是合法用戶即分配IP位址L、客戶端接收到分配IP位址的響應幀後，請求伺服器傳送啟動文件；M、伺服器端發送啟動文件到客戶端；N、客戶端收到啟動文件後，完成初步啟動。
6.根據權利要求5所述的網絡計算機支撐平臺系統構造方法，其特徵在於還包括以下步驟P、客戶端使用虛擬磁碟構造方式建立虛擬引導盤即C盤；所述C盤存儲的信息是由伺服器中組合客戶內核中的映象下載而來；Q、作業系統在所述虛擬C盤加載最小集合的驅動集，經網絡連接到伺服器讀、寫共享目錄；R、作業系統加載VDSA文件系統驅動，將虛擬C盤與所述讀、寫共享目錄組合，攔截所有系統的文件讀寫請求；並根據要讀寫的文件的性質判斷所做的操作，構成完全的C盤，完成其完整啟動。
7.根據權利要求6所述的網絡計算機支撐平臺系統構造方法，其特徵在於所述作業系統加載VDSA文件系統驅動，並根據要讀寫的文件的性質判斷所做的操作包括將三個文件來源的文件混合在一起顯示，獲得文件的優先級依次是客戶端內核ClientKernel，寫共享Write Share和讀共享Read Share的操作；按讀取的優先級進行文件讀取的操作；直接讀取客戶端內核Client Kernel文件的操作；非客戶端內核Client Kernel文件先從寫共享Write share裡讀取，若找不到，再讀ReadShare的操作；將非客戶端內核Client Kernel文件寫入到寫共享Write Share中的操作。
8.根據權利要求7所述的網絡計算機支撐平臺系統構造方法，其特徵在於所述虛擬磁碟構造方式是RAMDISK(內存磁碟構建)方式；客戶端內核Client Kernel文件的寫入目標為本地的Client RAM。
9.根據權利要求7所述的網絡計算機支撐平臺系統構造方法，其特徵在於所述虛擬磁碟構造方式是VLD(大容量磁碟構建)方式；客戶端內核Client Kernel文件的寫入目標為伺服器的專用內核區Kernel Difference。
全文摘要
一種虛擬結構式網絡計算機支撐平臺系統，包括若干伺服器(1)、網絡站點(2)和連接網絡，尤其是所述伺服器和網絡站點之間還設置有虛擬結構式網絡磁碟結構(3)；所述伺服器設置有虛擬結構式網絡磁碟支持程序。本發明採用物理地址訪問磁碟、精簡安全體系的OS內核的虛擬磁碟體系結構技術，通過對伺服器的集中管理使各網絡站點在無需本地硬碟和本地作業系統的情況下高效安全地運行在區域網上，使整個網絡就象一臺計算機一樣，實現了軟硬體資源的合理共享，同時解決了計算機網絡中的信息孤島問題。其客戶端能正常運行Linux、MS Win 9x/Win 2000/Win XP及應用軟體。同時，該系統全面支持x86、ARM、MIPS等架構的CPU客戶端。
文檔編號G06F3/06GK1758228SQ200410051849
公開日2006年4月12日 申請日期2004年10月10日 優先權日2004年10月10日
發明者金文明, 袁暉 申請人:深圳市三道科技有限公司