专利名称：一种透明计算系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机结构的技术领域，尤其涉及一种透明计算系统。
背景技术：
普适计算(Pervasive或Ubiquitous Computing)是计算领域的一股新浪潮。其主要思路是基于网络空间、物理空间以及抗干扰计算的融合。它涵盖了计算机科学相当广泛的领域。在信息时代，普适计算可以降低设备使用的复杂程度，使人们的生活更轻松、更有效率。实际上，普适计算是网络计算的自然延伸，它使得不仅个人电脑，而且其它小巧的智能设备也可以连接到网络中，从而方便人们即时地获得信息并采取行动。一种现有的计算模型系统，参考图1，每个设备都具有硬件、操作系统和应用程序。不同设备之间的互联是由应用程序发起，应用程序通过系统调用来使用硬件资源；网络互 联是使用TCP/IP协议，且协议是属于操作系统的网络组成部分，硬件资源包括内存、硬盘、网卡等设备；这种计算模型系统的特点是每一个设备都具有独立的计算能力，设备配备齐全，操作系统存储与设备本地之内的。然而，现有的计算模型是一种通用计算机结构模型，成本高，硬件设备设施齐全强调通用性造成资源的浪费；另外客户端固化操作系统，系统不仅占用资源率大，而且当系统启动失败后不能与服务器相连，操作系统本身的升级换代速度慢，新系统部署困难。因此，有必要提供一种新的透明计算系统来解决上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种透明计算系统，将网络互联模块独立于操作系统之外，保证了网络互联的可靠性；可以很便利的提供系统部署和快速的系统切换；简化了客户端的软硬件设计，降低客户端的硬件要求，节约成本。为了解决上述问题，本发明提出了一种透明计算系统，包括透明客户端、透明服务器端及透明网络，所述透明客户端包括硬件模块、BIOS (Basic Input Output System)、TNP (Transparent Network Protocol)客户端模块、操作系统及应用程序,所述硬件模块、BIOS、TNP客户端模块固设在透明客户端上；所述透明服务器端存储用户需要的各种软件和信息资源，执行任务的调度、资源的分配、数据的传输及管理；所述透明客户端的TNP客户端模块通过所述透明网络实现与透明服务器端的通信连接；其中，所述透明客户端通过所述透明网络动态地从所述透明服务器端下载和加载操作系统，加载后的操作系统通过驱动调用和透明客户端的硬件进行交互，应用程序通过系统调用得到操作系统提供的服务。较佳地，所述透明服务器端存放有各种操作系统安装程序，透明客户端通过所述透明网络选择下载并加载相应的操作系统。较佳地，所述操作系统的驱动包括传统1/0驱动和通信1/0驱动，传统的1/0驱动用于在操作系统从透明服务器端下载且加载后对本地硬件资源的控制及操作，通信I/o驱动用于与透明服务器端连接，提供数据传输服务。
较佳地,所述透明网络采用基于UDP(User Datagram Protocol,用户数据包协议)的TNP透明传输协议，提供包括建立连接、数据服务、断开连接的服务。本发明实施例的透明计算系统，突出了透明客户端的设计，透明客户端的操作系统都是通过透明网络连接来从透明服务器端下载，然后加载，便利的提供系统部署和快速的系统切换；透明客户端的网络互联独立于操作系统，保证了网络互联的可靠性；并且并在此基础之上运行应用程序和获取后续所需数据，将计算和存储集中在透明服务器端，简化了透明客户端的软硬件设计，同时对透明客户端的硬件要求比较低，节约成本。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图I是传统的透明计算系统的结构框图；图2是本发明实施例的透明计算系统的结构框图；图3是本发明实施例的透明计算系统运行的流程图；图4是本发明实施例的TNP透明传输协议的数据报头结构图；图5是本发明实施例的TNP透明传输协议包数据格式的结构示意图；图6是本发明实施例的TNP透明传输协议提供的服务和工作过程的流程图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如上所述，本发明提出了一种透明计算系统，包括三个部分，一个是整合了当前PC、PDA、智能手机、数字家电等轻巧性设备的透明客户端；一个是整合当前各种网络设备与互联设备的透明网络；最后一个是整合了大量计算能力较强或者很强的普通个人微机、服务器、大型机等的透明服务器端，透明计算构建在一个广泛的物理设备之上，运行环境灵活。参考图2，本发明实施例的透明计算系统包括透明客户端、透明服务器端及透明网络，所述透明客户端包括硬件模块、BIOS、TNP客户端模块、操作系统及应用程序，所述硬件模块、BIOS、TNP客户端模块固设在透明客户端上；所述透明服务器端存储用户需要的各种软件和信息资源，执行任务的调度、资源的分配、数据的传输及管理；所述透明客户端的TNP客户端模块通过所述透明网络实现与透明服务器端的通信连接；其中，所述透明客户端通过所述透明网络动态地从所述透明服务器端下载和加载操作系统，加载后的操作系统通过驱动调用和透明客户端的硬件进行交互，应用程序通过系统调用得到操作系统提供的服务。在透明计算系统中，把所使用的终端设备称为透明客户端，把其中的服务器称为透明服务器端，并把连接终端设备和服务器的网络称为透明网络。透明客户端可以是没有安装任何软件的裸机，也可以是装有部分核心软件平台的轻巧性终端，强调透明客户端的输入和输出，突出用户的体验。透明服务器端是带有外部存储器的计算装置，例如PC机、PC级服务器、高档服务器、小型机等。透明服务器端存储用户需要的各种软件和信息资源，同时还要完成透明计算系统的管理与协调，例如各种不同操作系统核心代码的调度、分配与传输，各种不同软件服务往透明客户机上的调度、分配与传输等过程的管理。配合参考图3，本发明涉及的透明客户端从结构上可以分为硬件模块、BIOS和TNP客户端模块、操作系统、应用；其中只有硬件、BIOS和TNP客户端模块是本地模块，其他模块都是非本地模块，意味着需要联网后从透明服务器端下载得到。硬件是上层软件的资源基础，该透明客户端的硬件模块的设备要求可以非常低，保证透明客户端可以支撑特定服务以及配备网络适配器即可；BIOS是基本输入输出系统，它是一组固化到主板上的一个ROM芯片上的程序，其主要功能是提供最底层、最直接的硬件设置和控制，包括中断设置、排除系统故障和诊断系统问题，重置系统；TNP客户端模块，是透明网络客户端，负责透明客户端和透明服务器端之间的网络互联，是和BIOS —样固化在ROM芯片上的程序；操作系统和一般的操纵系统具有共性，最大的区别是该操作系统是动态下载和加载，面向特定应用的，较佳地，所述透明服务器端存放有各种操作系统安装程序，透明客户端通过所述透明网络选择下载并加载相应的操作系统；在最上层是应用程序。应用程序通过系统调用得到操作系统提供的服务；操作系统通过驱动调用和硬件进行交互；在本发明所涉及的操作系统中的驱动分为传统I/O驱动和通信I/O驱动；传统的I/O驱动，在操作系统从服务器下载且加载之后具有对本地硬件资源可操作后，对硬件的控制；通信I/O驱动是针对网络互联设计的，具备在操作系统还未下载之前即可和服务端相连，在操作系统成功加载之后依然可以提供数据传输服务。将网络互联设计为独立于操作系统之外，直接处于硬件之上。这样的优势在于操作系统是在透明客户端每次加电开机时候，先通过TNP客户端模块、TNP协议网络，从透明服务器端下载。如果要将新的操作系统进行部署的时候，只需要将新的操作系统存放在透明服务器端即可。透明客户端可以通过查看透明服务器端中已有的数据进行选择，这不仅提供便捷高效的系统部署，而且方便在多个系统之间的快速切换。较佳地，所述透明网络采用基于UDP的TNP透明传输协议，提供包括建立连接、数据服务、断开连接的服务。TNP协议工作在以太网中，通信发生在双工的、不可靠的媒介上，有可能出现丢包和包延迟的现象；媒介可以是无线或者有线。TNP采用UDP为底层的通信协议，提供可靠的、面向连接的块级存储访问服务，需要提供通信纠错等管理功能。TNP协议是基于UDP不可靠协议上的可靠传输协议，其数据帧的报头结构如图4所示。TNP没有定义任何IP头部中的值，UDP头部中源端口和目的端口被TNP当作传输的识别号(Transfer Identifier, TID)，服务端得初始监听TID为4083。对客户端和其后的TID没有特别的限定。因为M)P包长度的最大值为65535字节，所以一个TNP的数据包长度最大不能超过65507字节。因此，客户端请求的扇区应该小于128 (扇区大小为512字节)。
TNP支持8种数据包，不同的数据包对应不同的操作代码，其名字和含义如表I所示
表18种数据包及含义 PU
CRConnect Request，连接请求
DRDisconnect Request，数据请求
DCDisconnect Confirm，数据确认
CCConnect Confirm，连接确认
RDTRight Data Transport，正确的数据传输
WDTWrong Data Transport，错误的数据传输
RACKRight Acknowledgement，正确的确认
WACKWrong Acknowledgement，错误的确认各种数据包的格式如图5所示。CR、DR、DC可以共用同一类数据包格式，只是在操作码上有所差异。状态码是指示状态的一个字节，正常时，状态码为0 ;出现异常时，状态码指示相关信息，例如1表示错误的TNP包序号，2表示磁盘访问冲突，3表示磁盘空间已满。CC是服务器对连接的确认时返回给客户端的数据包，主要是提供给客户端关于该服务器上各个磁盘的参数，以便客户端选取。DT (包含RDT和WDT)和ACK(包含RACK和WACK)是数据传送时所用数据包包含操作码，序号是数据包在本次连接中数据传送的序号，通过磁盘设备号、起始扇区号和处理扇区数来控制数据的读取。TNP采用客户服务器模式，服务包括建立连接、数据服务和断开连接3个阶段。假设有2个用户C和S，分别与TNP的协议实体C-Station和S-Stat ion进行交互。C-Station为客户端，能从用户C接收的服务原语包括ConReq/DatReq/DisReq,分别表示连接请求、数据请求和断开请求，并能向用户C发出ConConf/DatACK/DisInd指示，分别表示连接请求确认提示、数据回复确认、断开提示；S-Station为服务端，能从用户S接收的服务原语包括ConResp/DatResp/DisReq,分别连接回复、数据回复、断开请求，并能向用户S发出Conlnd/DatInd/Dislnd指示,分别表示请求提示、数据请求提示、断开请求。C-Station和S-Station通过发送PDU来通信。参考图6，TNP所涉及的对象交互及工作过程具体步骤如下Step I 正常情况下，C用户通过发起ConReq (请求连接)来向S用户请求连接,客户端协议实体C-Station发出I个CR。当CR到达服务端协议实体S-Station时,它向用户S发出I个指示ConInd(连接请求提示);转Step2 ；Step2 :如果用户S同意建立此连接就回复ConResp (请求回复)给S-Station,S-Station发送CC给C-Station, C-Station发出ConConf (请求确认)给用户C,建立连接的过程结束。
Step3 :连接建立后,C用户通过发起DatReq向S用户请求数据服务,C-Station发出DT。当DT到达S-Station时，S-Station向用户S发出I个指示DatInd (数据请求提示),如果用户S能够满足数据请求,用户S回复DatResp (数据回复)给S-Station, S-Station发ACK给C-Station，C-Station收AK后发出DatAK (数据确认)给用户C，完成数据请求。Step4 :随后,用户可以断开此次连接。C用户通过发起DisReq(断开请求)通知S用户断开连接，C-Station发出DR。当DR到达S-Station时,S-Station向用户S发出I个指示DisInd(断开连接提示),并回复DC给C-Station,连接结束。TNP是一种建立在UDP之上的面向连接的提供可靠服务的网络通信协议。为了在实际的运行中保证服务的质量，必须要有错误和异常的处理，TNP定义了异常情况下和错误情况下的协议工作过程，主要定义了 3类参数包超时重传时间t ;超时重传限制次数m ;连接闲置最大时间ti，将从以下四方面进行异常和错误处理。I)流量控制。TNP采用固定发送窗口，发送和接受窗口大小都设为I。C-Station对每一个发出的数据请求包DT，只有在收到S-Station发出的正确响应包ACK后，才发出下一个数据请求包。这样，就实现了流量控制，且发送方只需保存I个已发送数据包用于重传，减少了计算资源的占用。2)超时重传。TNP对报文CR/DR/DT分别预先设定网络超时重传时间tcr/tdr/tdt。CR和DR的网络超时重传时间稍大于数据包往返时延RT T即可；DT的网络超时重传时间稍大于请求最大数据块的DT包的响应时间即可。如重传次数达到设定的限制次数m，就发起断开此次连接的过程。3)闲置超时断开连接。当客户端在连接建立后长时间不发出数据请求报文，闲置时间超过设定的连接闲置最大时间ti，S-Station就主动发起断开此次连接的过程。其目的是保证服务器资源不被长期闲置，保证所提供服务对所有客户端的公平性。4)出错时断开连接。数据交互的过程中，如果出现报文序号错误，或收到不能合理解释的数据报文，或S-Station在处理DT的请求时出现不能完成请求的情况,如访问磁盘设备冲突、磁盘空间不足无法完成写入请求等，察觉到错误的一方会主动发起断开此次连接的过程，将错误信号记录在DR的状态码中传递给对方。以上处理采用的都是比较直接的方法，但是在相对稳定的局域网环境中，它们能高效地工作。与iSCSI采用TCP/IP协议的控制机制相比，如可变发送窗口来进行流量控制，根据网络的情况动态调整往返时延RTT的自适应超时重传算法，TNP协议实现占用资源较少且有效，而后者在对网络变化的适应性方面要更好，但局域网环境中网络条件较为稳定，对协议适应网络变化能力的要求较低。本发明技术方案带来的有益效果有I)将网络互联模块独立于操作系统之外，保证了网络互联的可靠性；2)操作系统是通过TNP网络从服务器下载的，这样可以很便利的提供系统部署和快速的系统切换；3)将计算和存储集中在服务器端，简化了终端的软硬件设计，同时对客户端的硬件要求比较低,节约成本。综上，本发明提供了一种透明计算系统，它包括透明服务器端、透明网络和透明客户端，主要突出透明客户端的设计，强调透明客户端的硬件廉价性和网络互联是独立于操作系统的，并且透明客户端的操作系统都是通过现有的网络连接来从服务端下载，然后加载。并在此基础之上运行应用程序和获取后续所需数据。本发明还涉及的一个主要方面是透明网络互联协议TNP的设计，包括通信协议服务原语、数据包格式、通信服务过程已经异常、错误处理，服务质量的保证方法。以上对本发明实施例所提供的透明计算系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明 的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种透明计算系统，其特征在于，包括 透明客户端，包括硬件模块、BIOS、TNP客户端模块、操作系统及应用程序，所述硬件模块、BIOS、TNP客户端模块固设在透明客户端上； 透明服务器端，所述透明服务器端存储用户需要的各种软件和信息资源，执行任务的调度、资源的分配、数据的传输及管理； 透明网络，所述透明客户端的TNP客户端模块通过所述透明网络实现与透明服务器端的通信连接； 其中，所述透明客户端通过所述透明网络动态地从所述透明服务器端下载和加载操作系统，加载后的操作系统通过驱动调用和透明客户端的硬件进行交互，应用程序通过系统调用得到操作系统提供的服务。
2.根据权利要求I所述的透明计算系统，其特征在于，所述透明服务器端存放有各种操作系统安装程序，透明客户端通过所述透明网络选择下载并加载相应的操作系统。
3.根据权利要求2所述的透明计算系统，其特征在于，所述操作系统的驱动包括传统I/O驱动和通信I/O驱动，传统的I/O驱动用于在操作系统从透明服务器端下载且加载后对本地硬件资源的控制及操作，通信I/o驱动用于与透明服务器端连接，提供数据传输服务。
4.根据权利要求I所述的透明计算系统，其特征在于，所述透明网络采用基于UDP的TNP透明传输协议，提供包括建立连接、数据服务、断开连接的服务。
全文摘要
本发明实施例公开了一种透明计算系统，包括透明客户端、透明服务器端及透明网络，透明客户端包括硬件模块、BIOS、TNP客户端模块、操作系统及应用程序，硬件模块、BIOS、TNP客户端模块固设在透明客户端上；透明服务器端存储用户需要的各种软件和信息资源，执行任务的调度、资源的分配、数据的传输及管理；透明客户端通过透明网络实现与透明服务器端的通信连接；其中，透明客户端动态地从透明服务器端下载和加载操作系统，加载后的操作系统通过驱动调用和透明客户端的硬件进行交互，应用程序通过系统调用得到操作系统提供的服务。本发明实施例的透明计算系统，网络独立性强，具有可靠的网络互联；透明客户端的软硬件设计简化，硬件要求低，节约成本。
文档编号H04L29/06GK102664958SQ20121012915
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者曾金龙, 林格, 王若梅 申请人:中山大学