（管理科学与工程专业论文）面向信息管理的支持透明计算的io管理研究.pdf

合肥工业大学博士论文 摘要 摘要 计算机、网络等信息技术为管理提供了手段和支撑环境，管理科学与信息技术融合而 形成的管理信息系统等已被广泛应用于各个部门、企业和学校等但是基于传统冯诺依曼 结构的计算机系统，软件和硬件的紧密绑定造成用户操作复杂、管理维护升级成本高等问 题，使得管理信息系统不能长期、稳定、可靠地运行，导致用户的总体拥有成本较高。因 此如何降低计算机系统的管理维护复杂度，为管理信息系统提供易于安装、使用、维护、 可靠性高而且成本低的运行支撑环境，降低用户的总体拥有成本，成为信息管理研究的一 个重要内容。 随着信息技术的发展，出现了多种降低用户总体拥有成本的计算模式，如n e t w o r k c o m p u t e r 、n e t p c 、t h i nc l i e n t 、d i s k l e s sw o r k s t a t i o n 和透明计算等。在这些计算模式中， 透明计算基于普适计算思想，将冯诺依曼结构中存储器与c p u 之间的i 0 扩展到网络， 在网络环境中实现冯诺依曼结构的“存储程序”概念，解除了冯诺依曼结构计算机系统中 软件和硬件绑定关系，能够为管理信息系统提供管理维护简单、稳定可靠的计算机系统作 为支撑环境，有效降低用户的总体拥有成本。 本文围绕透明计算将冯诺依曼结构中存储器与c p u 之间的i 0 扩展到网络所带来的 程序存储和计算的分布式一体化问题，以普适计算、冯诺依曼计算机体系结构为研究基础， 系统研究了透明计算的i 0 管理，实现了一个透明计算系统，并应用在信息管理中。研究 的具体内容如f ： ( 1 ) 研究了透明计算模式的特点，提出一种在局域网环境下支持多操作系统远程启动和运 行的i 0 管理方法。通过在客户端系统创建一个虚拟块设备，提供给端系统与真实硬 盘类似的存储视图。将端系统访问磁盘的i 0 请求通过网络透明地重定向到服务器端， 完成相应的i 0 处理。实现程序动态按需分页调度和交换指令与数据的功能 ( 2 ) 提出在透明计算中用于传输i 0 请求和数据的网络存储访问协议，定义虚拟i 0 请求 和数据传输的报文类型及格式，并提出一种超时重传算法以保证虚拟i 0 请求的可靠 传输和安全性。 ( 3 ) 研究了透明计算中多用户共享情况下远程操作时可能产生的数据不一致性问题，提出 一种基于块的写重定向机制，在服务器硬盘为每个用户所要访问的程序映像分别创建 一个初始为空的临时交换区，以磁盘块作为操作粒度将每个客户端远程加载的程序要 求回写的数据写到临时交换区中，从而在保证原始数据完整性的前提下，支持多用户 远程任意读、写程序映像内容，有效解决了多用户远程操作数据一致性被破坏的问题 ( 4 ) 为提高服务器的响应性能，研究分析了透明计算中访i 司服务器的i 0 请求访问模式， 提出一种基于访问频率的多优先级缓存替换算法，通过访问频率区分磁盘块，访问频 率高的赋予高优先级，使其在缓存中生存时间长，以增加缓存命中率，减少访目服务 合肥工业大学博士论文 摘要 器磁盘次数，加快服务器响应速度，加速程序的远程加载。 ( 5 ) 研究实现了一个透明计算系统t r a n s c o m 。并将研究的f o 管理相关方法和协议应用到 t r a n s c o m 系统的实际设计中，然后通过对t r a m c o m 系统的性能评测和在现实应用铡 试中的具体表现以及与其他类似系统的比较，表明t m n s c o m 具有良好的整体性能， 能够满足用户需求。 ( 6 ) 给出了t r a n s c o m 系统在中国石油信息化建设中应用的可行性分析及应用示例，表明 t r a m c o m 系统能够为管理信息系统提供管理维护简单、稳定可靠的支撑环境，有效地 降低用户信息化建设的总体拥有成本，提高信息管理效率和服务水平 关键词：信息管理，普适计算，计算机网络，操作系统，f o 合肥工业大学博士论文a b s l l m ( t a b s t r a c t i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m p u t e ra n dn e t w o r kh a v ep r o v i d e dm s u r a n d s u p p o r t i n ge n v i r o n m e n t s f o rm a n a g e m e n t m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m sw h i c hw e 他 p r o d u c e dw i t ht h ei n t e g r a t i o no fm a n a g e m e n ts c i e n c ea n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e sh a v eb e e n w i d e l ya p p l i e dt oe n t e r p r i s e s , g o v e r n m e n t s , e td h o w e v e r , i nt h ec o m p u t e rs y s t e m sb a s e d 册 v o nn e u m a a na r c h i t e c t u r e , s o f t w a r eb i n d i n gh a r d w a r ec l o s e l yh a sb r o u g h tf o r t has e r i e so f p r o b l e m si n c l u d i n go p e r a t i n gc o m p l e x l y , t h eh i g hc o s to f m a n a g e m e n t , m a i n t e n a n c ea n du p g r a d e , a n d 咖tp r o v i d es t a b l ea n dr e l i a b l es u p p o r t i n ge n v i r o n m e n t sf o rm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e m s w h i c hl e a dt ot h et o t a lo w n e r s h i po f c o s th i g h e r t h e r e f o r e , i th a sb e e na ni m p o r t a n t a r e ai ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tt h a th o wt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo fm a n a g e m e n ta n d m s i n t e n a n c et op r o v i d et h eh i g hr e l i a b l ea n dl o wc o s ts u p p o r t i n ge n v i r o n m e n t sf o rm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m sw h i c hi s e a s yt oi n s t a l lu s e ，m a i n t a i n , a n dr e d u c et h et o t a lc o s to f o w n e r s h i p w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s t h e r ea ”s o m ec o m p u t i n gp a r a d i g m s p r u p o 刚t or e d u c et h et o t a lc o s to f o w n e r s h i p , s u c ha sn e t w o r kc o m p u t e r , n e c p c , t h i nc l i e n t , d i s k l e s sw o r k s t a t i o na n dt r a n s p a r e n tc o m p u t i n g , e ta 1 a m o n gt h e s ec o m p u t i n gp a r a d i g m s ， t r a n s p a r e n tc o m p u t i n gb a s e do nu b i q u i t o u sc o m p u t i n gh a st h ei 0o f v o nn e u m a n na r c h i t e c t u r e b e t w e e nt h ec p ua n dd i s k se x t e n d e dt ot h en e t w o r kt or e a l i z et h e s t o r e dp r o g r a mc o n c e p t m o d e li nn e t w o r k i n ge n v i r o n m e n t sp r o g r a m s t r a n s p a r e n tc o m p u t i n gr e l e a s e dt h eb i n d i n g r e l a t i o n s h i po f t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ei nv e nn e u m a n na r c h i t e c t u r e a n dc a np r o v i d eas t a b l e a n dr e l i a b l ea n de a s yt om a n a g ea n dm a i n t a i nc o m p u t e rs y s t e ma ss o p p o r t i n ge n v i r o n m e n tf o r m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m s , a n de f f e c t i v e l yr e d u c et h et o t a lc o s to f o w n e r s h i p a i m i n ga tt h ep r o b l e m sp r o d u c e db yt r a n s p a r e n tc o m p u t i n ge x t e n d i n gt h ei 0b d 慨nt h e c p ua n dd i s k st ot h en e t w o r k , b a s e da nu b i q u i t o u sc o m p u t i n ga n dv o nn e n m m ma r c h i t e c t u r e , t h ed i s s e r t a t k ms t u d i e ss y s t e m a t i c , a l l yi 0m a n a g e m e n ts u p p o n l n gu , m s p a r e n tc o m p u t i n ga n d r e a l i z e sat r a n s p a r e n tc o m p u t i n gs y s t e mw h i c hi sa p p l i e d 协i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tt h e f o l l o w i n gi st h ed e t a i l ： ( 1 ) t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sa ni om a n a g e m e n tm e t h o ds u p p o r t i n gm u l d - o sr e m o t ea n dt u n i nl a ne n v i r o n m e n tt os u p p o r tt r a n s p a r e n tc o m p u t i n g i tp r o v i d e sas t o r a g ev i e ws i m i l a r t o t h er e a lh a r dd i s kf o rc l i e n t sb yc r e a t i n gav i r t t j a lb l o c kd e v i c e 。w h i c ht r a n s p a r e n t l yr e d i r e c t s i 0r e q u e s t sa c c e s s i n gt h ed i s kt ot h es o r v e rt oc o m p l e t ei op r o c e s s i n ga n dr e a l i z e st h e s c h e d u l i n ga n ds w a p p i n go f i n s t r u c t i o n sa n dd a t ao f p r o g r a m so nd e m a n d ( 2 ) t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n san e t w o r ks t o r a g ea 豁sp r o t o c o lf o r 仃a n s m i t t m gt h ei 0r e q u e s t s 合肥工业大学博士论文a b s r r c t a n dd a t ai nt r a n s p a r e n tc o m p u t i n g i td e f i n e st h et y p e sa n df o r m a t so f a a t a 粤 a mt n m s m l n i n g i or e q u e s t sa n dd a t a , a n da l s op r o p o s e sar e t r a n s m i s s i o nt i m e n u ta l g o r i t h mt oi n s u r et h e r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo f t h ev i l u l a ii or e q u e s t st r a n s m i t t i n g ( 3 ) t h ep r o b t e m so ft h ed a t ac o h e r e n c ed e s t r o y e dw h e nm u l t i - u s e rd or e m o t eo p e r a t i o n si n t r a n s p a r e n tc o m p u t i n ga r ed i s c u s s e d t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e s ab l o c k - b a s e dw r i t e r e d i r e c t i o nm e c h a n i s m ，w h i c hr e s p e c t i v e l yc r e a t e s i n i t i a i l ye m p t yt e m p o r a r ys w a p 蝴 f o re v e r yu s e ra i ma tt h ep r o g r a m si m a g ea c c e s s e do nt h es e r v e rh a r dd i s k , a n dt h e n r e d i r e c t st h ed a t aw r i t t e nb a c kb yt h ep r o g r a m sr u n n i n go ne v e r yc l i e n tt oi t st e m p o r a r y s w a pa r e aa tt h eg r a n u l a r i t yo fad i s kb l o c k i tn o to n l yp r o t e c t st h ep r o g r a m si m a g e s c o n t e n t si n t e g r a l i t yb u ta l s oc o m p l e t e l ys u p p o r t sm u l t i u s e rr e m o t er e , a d i n go rw r i t i n ga n y d a t ao ft h es a m eo n ep r o g r a m si m a g e , a n de f f e c t i v e l ys o l v e st h ep r o b l e m so ft h ed a m c o h e r e n c ed e s t r o y e do nm u l t i u s e rr e m o t eo p e r a t i o n ( 4 ) t oi m p r o v et h er e s p o n s et i m eo ft h es e r v e r , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ea c c e s sp a t t e r no f i or e q u e s t sa c c e s s i n gt h es e r v e ri nt r a n s p a r e n tc o m p u t i n ga n dp r o p o s e sab u f f e rc a c h e r e p l a c e m e n ta l g o r i t h m ：f r e q u e n c y - b a s e dm u l t i - p r i o r i t yq u e u e s i td i s t i n g u i s h e st h eb l o c k a n de n d o w s i t w i t h d i f f e r e n t p r i o r i t y a c c e r d i n g t o i t s a r , e 七5 $ f r e q u e n c y t h e h i g h e r p r i o r i t y i s ， t h el o n g e ri t sl i f e t i m ei si nt h eb u f f e rc a c h e i ti n c r e a s e st h eb u f f e rh i tr a t i oa n dr e d u c e st h e t i m e sa c c e s s i n gt h el ；e r v e rd i s ki no r d e rt or e d u c et h er e s p o n s et i m eo ft h es 翱_ v e ra n d i m p r o v et h ep r o g r a m sr e m o t el o a d ( 5 ) t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o ne r at r a n s p a r e n td e s k t o pc o m p u t i n gp l a t f o r m ： t r a n s c o m ，a n da p p l i e st h ei om a n a g e m e n tm e t h o d sa n dp r o t o c o li n t ot h er e a ld e s i g no f t r a n s c o ms y s t e m t h er e s u l t so fp e r f o n n a w ：ee v a l u a t i o na n dd e p l o y m e n te x p e r i e n c eo f t r a n _ s c o ma n dt h ec o n t r a s tb e t w e e nt r a n s c o ma n do t h e rs i m i l a rs y s t e m ss h o wt h a t t r a n s c o ms y s t e mh a sp r e f e r a b l ep e r f o r m a n c ea n d 啪s a t i s f yt h eu s e rd e m a n d ( 6 ) t h ed i s s e r t a t i o ng i v e st h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i sa n da p p l i e de x a m p l eo ft r a n s c o mi nt h e i n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o no fc h i n an a t i o n a lp e t r o l e u mc o r p o r a t i o n t h e 粥u l ts h o w s t h a tt r a n s c o mi sa b l et op r o v i d et h er e l i a b l ea n de a s yt om a n a g ea n dm a i n t a i ns u p p o r t i n g e n v i r o n m e n tf o rm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m , a n de f f e c t i v e l yd e c r e a s et h et o t a lc o s to f t h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o na n de n h a n t i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n te f f i c i e n c y a n dq u a l i t y i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ；u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ；c o m p u t e rn e t w o r k ；o p e r a t i n g s y s t e m s ；i 0 合肥工业大学博士论文 插图清单 图1 1 图2 - l 图2 - 2 图2 3 图“ 图2 - 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 - 8 图3 1 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图4 1 图4 - 2 图4 - 3 闰4 - 4 图4 5 图拍 图4 7 图4 8 图4 - 9 图4 - 1 0 图4 1 l 图5 1 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 5 图5 6 图5 - 7 图5 8 插图清单 计算模式变革示意图3 冯诺依曼计算机体系结构。 空间扩展的冯诺依曼计算机体系结构。 操作系统与客户机硬件的关系 透明计算拓扑结构 透明计算一般模型 透明计算层次结构 m r b p 工作流程 虚拟i o 调度与交换 i o m a n 工作环境 虚拟硬盘映射机制 i os e r v e r 处理虚拟i o 请求过程 1 4 1 5 1 5 1 6 1 9 i o m a n 实现的操作系统远程启动过程 n s a p 协议报头格式 s t y _ d i s c o v e r y 和s t y _ d i s c o v e r ya c k 报文格式 u s e r _ i n f o 报文格式 v d i s k _ p a r a m 报文格式一 n s a p 协议虚拟i o 处理报文格式。 n s a p 协议错误处理报文格式 透明计算中r t t 采样随时间变化曲线 增益系数和敏捷性关系 平均值窗口w 和伪超时数、敏捷性的关系4 0 0 、y 和伪超时数，敏捷性的关系4 0 e - e i f e l 算法和j a c o b s o n 算法比较4 l 透明计算的块级虚拟存储机制。4 3 程序的数据流动过程 多用户远程操作数据一致性被破坏的情况 b w r m 基本原理4 6 数据结构4 8 读请求访问的数据被分段处理例子4 9 随机访问时的吞吐量5 2 随机访问时的响应时间5 2 合肥工业大学博士论文插图清单 图6 - l 图6 - 2 图6 - 3 图“ 图7 1 图7 2 图7 3 图7 - 4 图7 - 5 图7 - 6 图7 7 图7 8 图7 9 图8 - l 图s 2 图8 3 图8 - 4 图8 5 图$ - 6 应用程序l l o 请求过程 负载二测试时l 1 和砼缓存的t e m p o r a ld i s t a n c e 分布5 7 不同负载时的l 2 缓存的t e m p o r a ld i s t a n c e 分布。5 8 不同频率时的访问和b l o c k 分布5 9 t r a n s c o m 系统 透明终端的几种产品。6 6 t r a n s c o m 系统运行环境拓扑结构6 7 随机访问时v d i s k 吞吐量 不同尺寸文件的读，写文件响应时间 网页浏览性能 视频播放性能。 运行i - b e n c h 负载的延迟 服务器c p u 利用率 7 0 7 0 7 l 7 2 t r a n s c o m 系统实际应用场景 t r a n s c o m 系统可支持的项目 加油站信息化建设功能示意图。8 l 使咐普通p c 机进行加油站信息化建设的示意图8 2 使用t r a n s c o m 系统进行加油站信息化建设的示意图8 2 采用t r a n s c o m 系统的中石油o a 标准化 合肥工业大学博士论文 表格清单 表4 - l 表睨 表4 - 3 表5 i 表6 - l 表6 - 2 表6 - 3 表7 - l 表7 - 2 表7 - 3 表7 - 4 表8 1 n s a p 协议控制报文 表格清单 n s a p 协议虚拟i o 处理报文3 6 j a c o b s o n 算法和e - e l f e l 算法性能比较 典型程序的启动时间( s ) 。5 l 测试负载的特征5 6 l 2 缓存命中率百分比 l 2 为5 1 2 m b 时负载四的命中数和未命中效分布“ w i n d o w s2 0 0 0 系统时的功能评价 r e d f | a gl i n u x4 1 系统时的功能评价 典型文件系统调用耗时( 哪) 6 8 6 9 t r a n s c o m 系统与相关系统的比较 t r a n s c o m 系统的部分用户 7 3 7 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包舍为获得金目b 王些盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者躲夏椭 签字日期：声。辟伽如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金起 王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：盈喃菊 签字日期：文司年6 月加日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：a 拜月加 电话： 邮编： 合肥工业大学博士论文致谢 致谢 值此论文完成之际，谨向辛勤培育我的导师杨瞢林教授和张尧学教授致以崇高的敬意 和衷心的感谢。本人自2 0 0 2 年考上硕博连读生以来。两位导师一直对我进行工作上的指引、 学术上的指导和生活上的关怀长期以来作者取得的每一点成绩和进步，都蕴含着两位导 师的殷切期望、凝结着他们倾注的大量心血两位导师渊博的学识造诣、严谨的治学态度、 敏锐的学术思想、忘我的拼搏精神。以及他们博大的胸怀和对学生至真至诚的关爱，使我 终生难忘，并将激励我以后的工作和学习。 感谢合肥工业大学计算机网络系统研究所为本人提供的良好研究条件，感谢马溪骏老 师长期以来对本人的关怀和指导；感谢赵惠芳教授、梁昌勇教授、刘心报教授、李兴国教 授、刘业政教授、周永务教、倪志伟教授对本人学业上的指点；感谢左春荣老师、潘若愚 老师、胡笑旋老师、钟金宏老师、余本功老师、聂会星老师、卢光松老师、付超老师、马 华伟老师对我的关心和帮助感谢清华大学计算机科学与技术系网络与系统结构组为本人 提供的良好研究条件，感谢王春茹老师、周悦芝、方存好老师长期以来对本人的关怀和指 导。 感谢合肥工业大学管理学院的领导、老师对我的鼓励和关心 感谢合肥工业大学和清华大学一起攻博的师兄弟柏昊、鲁奎、杨昌辉、吴金园、冯南 平、高丽、季星、程飞、卢广彦、王晓辉、郭关飞、韦理、田鹏伟，徐广斌、匡文渊、钟 鸣、杨华杰、徐鹏志、金鑫等人的热心帮助，在和他们探讨论文内容的过程中，经常能得 到很好的建议 感谢我的夫人陈蕊女士以及我的家人多年来对我的理解、支持和无微不至的关怀，正 是他们的支持使我顺利地完成了学业和论文 最后，感谢所有帮助和关心过我的人们 作者：夏楠 2 0 0 7 年4 月2 0 日 台肥工业大学博七论文 面向信息管理的支持透明计算的i 0 管理研究 1 1研究背景 第一章绪论 当今社会，信息科学技术的应用已经无处不在，管理也不例外，计算机软硬件、网络 和存储等信息技术为管理提供了手段和支撑环境。从信息学的角度看，管理过程就是信息 的获取、加工和利用信息进行决策的过程。目前管理科学与信息技术融合而形成的管理信 息系统等已被广泛应用于各个部门，企业和学校等，为管理服务例如，当前很多企业大 力进行信息化建设，使用各种e l l o 或c r m 等信息系统来加强管理提升企业工作效率和 决策服务以获取最大经济效益，为企业在市场中赢得竞争优势。 随着信息化建设进程的高速发展，企业、政府等机构的信息基础设施变得越来越庞大 与复杂，越来越多的业务构建在计算机系统上，使得这些机构对管理信息系统的依赖性也 越来越高，同时管理信息系统的总体拥有成本也日益受到关注。管理信息系统的总体拥有 成本不仅包括信息系统软件的购置或开发成本，还包括系统硬件购置成本、操作系统和应 用软件购置成本。以及系统运行后发生的硬件维护升级成本、系统软件和应用软件维护升 级成本、系统管理成本等。在这些费用中，许多是隐性成本，例如，为了保证系统的正常 运行保证系统安全性等投入的系统管理成本，对企业各部门提供的系统维护成本等。 研究表明，对系统进行管理维护的成本实际上要超过其购置成本。因此，在信息化建 设过程中，为了有效降低信息系统的总体拥有成本，需要考虑和解决诸如计算机系统安装 的轻松程度、维护的费用和难度、使用的轻松程度以及防护病毒侵袭、网络攻击等问题， 减少系统管理维护成本，提高计算机系统的安全稳定运行时间，保障信息系统可以长期、 稳定、可靠地运行。 计算机硬件和系统软件( 操作系统等) 构成了管理信息系统的运行环境，然而，一直 以来，全球p c 厂商均集中于开发功能齐全的计算机，使计算机功能强大的同时也变得过 于复杂而不可靠，影响了管理信息系统运行环境的稳定性。计算机系统硬件和操作系统等 软件自身需要不断进行维护、升级和管理：计算机技术迅猛发展的同时也滋生出诸如病毒、 网络攻击等计算机系统安全隐患，加之互联网的普及应用及与业务流程的整合应用，使得 这种威胁在事实上得以加剧；当前计算机系统中因存储设备的损坏而造成系统故障率的比 例较高，而且分散存放在各个计算机中的数据也可能会因为操作人员的误操作等丢失或破 坏，导致重要数据不复存在，带来不可估量的损失；使用管理信息系统的人员大多并不是 专业计算机人员，他们本身的计算机操作素养与技能往往不能达到应付复杂的隐患处理与 维护管理工作水平这些都是影响计算机系统稳定性的重要隐患，造成计算机系统的可管 理性、安全性和可靠性较差。从而造成管理信息系统的运行环境不稳定，使得用户不能完 合肥工业大学博士论文第一章绪论 全将注意力放在使用管理信息系统所要完成的管理职能和任务上，严重降低了管理信息系 统运行的可靠性，影响了管理信息系统的运行效率。所以在现有计算机系统构建的支撑环 境上运行的管理信息系统出现高成本，低效率、低效益的现象，而且较高的管理维护升级 成本也导致管理信息系统的总体拥有成本高。 因此。有必要通过新的信息技术和方法，降低计算机系统的管理维护复杂度，为信息 系统提供易于安装、使用、维护、可靠性高而且成本低的运行支撑环境，在保障信息系统 的顺畅运行而且稳定的基础上，降低信息系统的总体拥有成本，提高信息管理效率 当前，一些研究机构和企业提出了n e t w o r kc o m p u t e r ，n e t p c 、t h i nc l i e n t 和d i s l d e s s w o r k s t a t i o n 等计算机系统，希望通过集中式管理，减少计算机系统的管理维护工作，降低 总体拥有成本。而随着计算机软件、硬件和网络等信息技术的快速发展，计算模式向着普 适计算方向发展，在普适计算环境中，人们关注丁所需的服务，而无需考虑服务的安装、 维护和管理。本文从计算机体系结构入手，根据计算模式的发展，从各个角度分析了当前 基于冯诺依曼结构的计算机系统所存在的问题，研究了支持透明计算的f o 管理，以实现 安全、稳定、高效、开放、完全以用户为中心的计算机系统，为管理信息系统等管理服务 提供管理维护简单、稳定可靠的支撑环境，降低用户的总体拥有成本。 本课题来源于国家“八六三”高技术研究发展计划基金项目“智能化网络访闯终端系 统( n c ) ”和“基于透明计算的高可信终端研究”，中石油与清华大学合作项目“透明计算 在中石油信息化应用的可行性分析”，以及获2 0 0 4 年度国家技术发明奖二等奖的。基于索 普卡( s o p c a ) 网络结构的索普卡电脑”的延伸。 1 2研究现状 1 2 1 计算模式的发展 计算技术的发展及用户需求的变化直接导致计算模式( c o m p m i n gp a r a d i g m ) 的变革，自 t i = 界上第一台电子数字式计算机e n i a c 1 1 【2 l 诞生以来。计算模式在2 0 世纪8 0 年代经历了 主机计算( m a i n f r a m ec o m p u t i n g ) 到桌面计算( d 蜘pc o 唧砸嘲的革新【3 l 。近2 0 年来，随 着计算机硬件、软件以及网络技术的快速发展，特别是l u t e m c t 的普及，产生了分布式系 统p 耶1 、移动计算1 6 1 1 7 1 、网格计算 s l 9 1 、按需计算l ”1 等计算技术。 随着计算机( c o m p u t e o 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 和数字媒体技术( d i g i t a lm u l t i m e d i a 的互 相渗透和结合，各种贝有计算和联网能力的信息设备大量涌现，使得计算已不再局限丁二桌 面，它将变得像我们日常生活中使用的水、电、纸、笔一样，随手可得；同时人们日益关 注于所要完成的任务，希望能随时随地享用计算能力和信息服务，由此带来了计算模式的 新变革，世界正朝着普适计算( u b i q u t o u s 伊e r v a s i v ec o m p u t i n g ) i n l 【1 2 1 1 1 3 l 发展( 图1 1 ) 普适计算的思想最早是1 9 9 1 年x e r o xp a r e 首席科学家m a r kw e i r 在( s c i e n t i f i c a m e r i c a n 的。t h e c o m p u t e r f o r t h e2 1 s t c e n t u r y 川”j 一文中提出来的，强调把计算机嵌入 2 舍肥工业大学博士论文面向信息管理的支持透明计算的f o 管理研究 到环境或日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中消失，让人们注意的中心回归到所 要完成的任务本身，强调随时随地透明地获取服务普适计算是在网络技术和移动计算的 基础上发展起来的，其本质是真正全面实现计算技术的“以人为本”1 1 3 1 ，重点在于提供面 向客户的、统一的、自适应的网络服务。 ： ： 主机计算| 。：裹；嚣；。u 。；。：i ：盎。呜， ；： ： t e 婴n 训；c 1 i e n t + b p d w 州! 。什么都是计算机一 n f r a m e l 咖e r s e r v e ri“装篇姜：剐 ： 7 0 年代前年代9 0 年代9 0 年代末2 l 世纪 图! - 1 计算模式变革示意图 但是，要将普适计算的蓝图带入到现实世界中，仍然有许多问题需要解决，饲如如何 利用智能空间、不可见性、局部化可缩放性和屏蔽非均衡条件等提供个性化或者主动服务。 尽管有众多的挑战和困难，从2 0 世纪9 0 年代中后期开始，普适计算已经成为国际上一个 蓬勃发展的研究热点，一些著名大学和工业界相继出现了各种普适计算的研究项目，研究 嵌入式或者可穿戴计算机、统一身份认证、传感器等以及相关的普适网络架构和开放服务 的拓展及管理框架等。例如，m i t 的o x y g e n 0 4 1 , c m u 的i n v i s i b l e c o m p u t i n g ( a u r a ) 1 1 5 1 。i l l i n o i s 大学的g a i a t l 6 | g i t 的i n f o s p h e r e l l ”，u cb e r k e l e y 的e n d e a v o r l l 8 j 和w a s h i n g t o n 大学的 p o r t o l a n o i ”，欧盟资助的d i s 印p e 矾n gc o m p u t e r l 2 0 1 ，i b m 的d r e a m s p a c e l 2 ”，m i c r o s o f t 的 e a s y l i v i n g 2 2 1 等，其他诸如s u n 、l i p 、a t & t 、s o n y 等公司也投入巨资开展与普适计算相 关的系统架构、操作系统、中间件、接口模型等方面的设计、拓展和管理技术的研究 1 2 2目前的计算机系统存在的问题 普适计算的目标就是为用户提供个性化服务，其应该提供两类基本服务：一是用户可 能需要在同一台终端机上获得来自于不同平台的服务( 服务类型与软件系统的条件无关) ， 例如在同一裸机上加载不同类型的操作系统和应用；二是在不同地点的不同终端机上获得 同一服务( 同一服务与硬件平台及地点的条件无关) ，例如上网。 但是迄今为止的普适计算以及在普适计算之前的网络计算等计算模式都是在基于 冯诺依曼结构的计算机系统上进行研究的。冯储依曼结构p 埘l 口”由控制单元、计算单元、 存储器( 包括内存和外存) 和输入输出几部分组成，指令和数据( 即程序) 都统一存放在 存储设备上。在执行时再通过i 0 被取到内存中，和用计算单元进行处理。虽然传统冯诺 3 合肥工业大学博士论文 第一章绪论 依曼结构使用本地存储设备存放指令和数据能够获得很大的灵活性，例如改变或者替换程 序容易，但是这种将计算设备与存储资源( 包括物理存储设备及存储的操作系统、应用程 序、用户数据等) 紧密绑定在一起的结构，使得无论何种计算机，必须从一开始就要为它 研制和安装