安卓无盘系统.doc

安卓无盘系统摘要：在本文中我们将介绍安卓无盘系统，该系统在局域网条件下提供一系列用来引导和管理无硬盘计算机的工具。目的是在一个像学校实验室以及像网络咖啡屋一样的小型企业中普通的环境中使用一个设备状况良好但是没有硬盘的旧电脑。由此产生的解决方案允许用户像现在的电脑使用方法一样，进行连接到互联网，存储他们的数据，玩游戏，以及和文档（pdf，doc，xls，ppt格式）、媒体进行交互操作。在本文的最后，读者可以通过应用于安卓的系统基准测试发现，无盘系统和标准安卓系统并没有显著的差异，其它的无盘GNU/Linux解决方案也不能像我们的方案一样效率显著。索引词：安卓，无盘客户端，老式电子计算机。一、介绍在20世纪60年代，特定的计算机芯片的市场可用性期望为20到25年之间，而现在，则是2到5年之间。被人们称作为摩尔定律的阴暗面，向我们陈述了芯片上的晶体管数量，每18到20个月就会翻倍一次。部分报废的可怜计划导致公司增加更多的开支来面对系统老化的结果这样会留下更少的钱来进行新的投资，从而导致一个螺旋式下降的维护成本以及延迟升级。这种趋势会在更大程度上影响国家公共部门的发展，因为无法支付起在硬件过时时进行硬件更新，所以要延长计算机的使用寿命知道其丧失功能。自从Linux开发者声称使用他们的基于Linux的无盘操作系统的客户端在不进行任何硬件和软件更新的情况下拥有超过300年的生命周期，我们就得到了一个解决此问题的良好选择。 图1：操作系统的市场份额为了选择一个适合无盘客户端的基于Linux的操作系统，我们必须对操作系统的市场份额（图1）进行研究。从图1中我们可以看出安卓的操作系统所占的市场份额比其他所有Linux操作系统市场份额加起来都高。安卓的设计初衷也有对内存和硬件资源进行优化以及拥有大量的免费应用从而可以为每天的使用计算机提供一系列很好的工具。有一些像LTSP和Zentyal的工程，提供了管理无盘计算机以及精简型客户端的工具。然而，据我们所知，目前仍然没有一个很好的方案可以使得安卓在一个没有硬盘的计算机中运行。另一个目的是只是用免费和开源软件，使得解决方案更加适合被科技老化问题影响更大的发展中国国家。本文提出运用安卓操作系统的无盘计算机网络的设计与实现。第二部分讨论了与本研究相关的工程和论文，第三部分描述了我们系统的基本设计，第四部分详述了我们已经实现的部分的概念验证原型，第五部分给出了我们无盘系统的基准测试结果，第六部分对全文进行了总结。二、相关工作现如今已经有一些旨在提供技术老化问题的解决途径的项目可以安装在许多Linux发行版包括Debian、Fedora、OpenSUSE、Ubuntu上以及运行在OpenSolaris和BSD上，比如说轻量级X11桌面环境（LXDE），就是一个执行速度快同时又节能的桌面环境。即便在1999年生产的个人电脑上，LXDE也有一个不错的表现。但是LXDE是基于Windows 98/2000操作系统下进行设计和信息架构的，这是在过去发展的十年中逐渐成为一种范例，但随着KDE推出Plasma，Windows 8推出GNOME Shell以及Android的桌面推出，在桌面环境概念更新换代的情况下，LXDE也变得过时了。Eric Y.Chen和Mistutaka Itoh提出的通过IP工作的虚拟智能手机揭示了一个可以对在模型上类似精简客户端架构的拥有云计算机处理的智能手机授权的平台。尽管他们的研究目的与我们大相径庭，他们平台的想法中的一些因素值得我们考虑。比如说他们运用了网络文件系统（NFS）来提供外部存储目录的节点。与此同时，Chao-Tung Yang，Wen-Feng Hsieh和Hung-Yen Chen的论文计算机教室中的无盘集群计算环境的实现经评估后，被用来选择我们系统的服务器端技术。三、系统综述基于Linux操作系统的无盘计算机的功能可以通过两种途径实现：第一种是像精简型客户端一样在服务器端进行处理，第二种是在客户端进行处理。两者拥有着相同的引导顺序（图2）。图2：无盘计算机的引导顺序在引导的最后一步结束之后，客户端可以通过任何协议（比如VNC，RDP，SSH或XDMCP）连接到服务器，这允许客户端远程运行图形化应用程序（服务器端处理）或者在本地登录（客户端处理）。图3：使用GNU/Linux对客户端/服务器的测试结果本次研究我们选择客户端处理，因为它可以花更少的钱使得在不崩溃的情况下，每架服务器支持更大比率的客户端数（图3）。我们提出的安卓无盘系统架构和其他精简客户端的网络实现相同。它由许多连接到服务器或服务器组的无盘计算机组成：DHCP是最主要的服务。因为DHCP为客户端提供所有必要的信息来使用网络引导自身启动。高级琐碎文件传输协议（ATFTP），该协议用来分享PXE引导加载程序的配置文件，Linux内核和它的初始RAM硬盘（初始化内存磁盘）。它在大量TFTP服务器中被选中的原因是它能够支持一个可配置数量的客户端连接。网络块设备（NBD），提出了用一个远程资源作为本地的客户端。使用网络块设备，我们的系统可以和客户端共享根文件系统和交换内存空间。NFS，是无盘结点用来存储长期文件的协议。它的工作方式和SD卡存储智能手机的数据相同。当NFS变得容易扩展之后，它几乎为每个客户端提供了一个无限大小的存储空间。这个解决办法可以轻而易举地被扩展：在不改变任何软件的情况下，每个服务器承担一个服务。四、实现A. 对安卓进行的修改为了对客户端操作系统进行概念验证，我们使用了在Linux核心层添加了支持NBD，NFS和交换内存空间的模块的第一次发布的安卓x86 4.0.3的版本（图4）。图4：安卓系统架构的核心层我们修改了初始化内存磁盘镜像文件的初始脚本来对远程服务器中的根文件系统、用户数据图像和交换空间进行定位。脚本的函数是基于Busybox程序的，其中对于NBD-client，swaponoff和nfs mount的支持都包含在Busybox中。 例程1：对初始化内存磁盘镜像文件的初始脚本的修改通过例程1我们可以看出，根文件系统通过相同的端口（9000）像所有的客户端进行输出，在核心层的命令行中初始化进程中可以发现，共享的交换空间以及用户数据图像通过不同端口存在在每个节点上。因此：（1）客户端共享相同的文件系统而非用户数据或者交换空间。图5：外部存储加载过程初始化脚本是被一个获取网络接口和NFS服务器IP的MAC地址的函数驱动的，加载一个以MAC地址命名的NFS文件夹作为外部存储目录。为了确保第一安全级，DHCP服务器为使用客户端MAC地址的计算机分配相同的IP地址作为“钥匙”，NFS服务器只给MAC地址和IP地址相匹配的客户端以访问权限。因此，没有任何一台计算机有权向访问其它计算机的存储空间（图5）。B.客户端管理工具图6：管理工具原型界面我们基于安卓调试桥（ADB）开发了一个工具来管理所有无盘客户端。这个工具可以在所有客户端中同时或顺序进行管理应用程序、重新启动和停止远程系统的工作。客户端管理工具（图6）组成如下：（1） 所有正在运行客户端的IP地址；（2） Check-box用来选择发出请求的客户端；（3） 每个客户端的存储空间指标；（4） 动作键。任何计算机都可以使用安卓调试桥来管理安卓操作系统，所以我们系统包括的安全措施是只能从管理服务器来获得服务的权限。为了确保此项安全措施，我们在核心层中添加了网络过滤器支持（图4），以及在运行在初始化内存磁盘镜像文件上的Busybox程序中添加了防火墙程序。在初始化进程中，没有得到得到管理服务器的许可，任何申请与ADB端口（5555）的连接都会被遭到拒绝。五、系统评估A. 基准测试结果为了论证安卓无盘系统可以在变为无盘结点的老式计算机上完美运行，我们选择了0xlabs推出的0xbench工具，该工具是一个拥有16项测试的开源基准测试套件。我们的结果将与在具有硬盘的相同计算机相比。表格1：用华硕P4P800进行的基准测试结果从表格1中我们不难看出，无盘结点和标准计算机的表现并没有显著差异。我们进行的另一系列的测试是将我们的系统和其它在无盘计算机上运行的GNU/Linux版本进行的比较。我们选择了Ubuntu 10.04，和LXDE作为桌面来进行的测试。图7,8,9描述了结果：在每个操作系统中，CPU的使用情况大抵相同，安卓最大51%，平均8.9%；LXDE最大47%，平均9.9%。在启动时间，操作系统对I/O端口的请求时最频繁的，我们的系统可以达到10500Kb/s，其它操作系统可以达到2800Kb/s。一旦完成了引导过程，对于两种操作系统，对I/O端口的请求都不频繁了。即使当两种系统对于内存的使用差距均值为24%，安卓系统的内存使用趋势在70%到80%之间振荡，但是其它操作系统的内存使用趋势则是不断上升，当试验时间延长时，其它操作系统的内存使用比例很可能超过安卓系统的内存使用比例。图7：无盘结点实验的CPU使用统计图8：无盘结点实验的I/O端口工作情况图9：无盘结点实验的内存使用统计6、 结论与进一步工作现在在安卓市场上有475843个应用程序，其中有27%是低质量程序，348993个免费下载应用，128343个付费下载应用。在不久的将来，安卓的应用程序开发将考虑到普通用户的所有需求。本文讨论的安卓无盘系统可以用在教室，图书馆，导航点，报摊甚至