計算機外圍設備的網格化研究和實現

(1.中國科學院 計算技術研究所， 北京 100080； 2.中國科學院 研究生院， 北京 100049)

摘 要：部件網格化是網格計算機體系結構一個重要的發展趨勢，通過部件的網格化可以提高計算機資源的利用率，減少系統資源開銷。從計算機外設部件的角度來探討計算機部件的網格化，給出了網格外設的定義和特點，分析了網格外設使能協議，并探討了網格外設實現的各種階段性方案。基于軟件方案，選擇控制臺為對象，具體分析了鼠標、鍵盤、顯卡等網格外設和網格使能協議，實現了一個網格控制臺——GConsole，驗證了網格外設和網格使能協議的設計。

關鍵詞： 遠程控制； 網格外設； 控制臺； 網格使能

中圖法分類號： TP338.4文獻標識碼： A

文章編號： 1001 3695(2006)08 0218 04

Research and Implementation Based on Grid enabling of Computer Peripheral

YANG Yi ZHANG Yue dong 1，2

(1.Institute of Computing Technology， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100080， China; 2.School of Graduate， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China) 

Abstract: Grid enabling of the computer component is one important trend of development of grid computer architecture， by the grid enabling computers can improve the utility efficiency of the computer resources and reduce the spending of the system. This paper discusses the characteristics of grid peripheral， analyses the grid enabling protocol， and implementations in diffe rent development stages. Finally based on the software design， analyses mouse，keyboard，video card and the protocol，im plementation of the Grid Console：GConsole validate the validity of our design of grid peripheral.

Key words: Remote Control； Grid Peripheral； Console； Grid Enabling

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1 引言

網格計算已經成為當前計算技術發展的一個重要方向，一些研究項目根據網格計算的思想提出了一些基于散耦合思想的網格計算機體系結構，如Dagger[1]、DSAG[2]等。這些思想提供了一種新的思路用來解決原有體系結構存在的一些問題，其核心是通過拆分和聚合將網格部件思想加入到原有體系結構中。

網格計算機體系結構中的散耦合就是說將目前計算機系統中緊密耦合的各種部件轉換成松散耦合的獨立部件，然后依靠這些部件在系統運行時綁定、動態部署、智能共享來構建計算機系統。外設部件是計算機部件的一類，網格化的外設部件可以用于網格計算機監控、網格用戶終端等多種應用場景。

外設部件的網格化，可以很好地解決一些原有的問題。通過網格使能的實現，可以根據需要使用網絡中的外設，更為廣泛地利用網絡中的設備；通過智能共享，可以讓多個主機同時動態地使用單個外設，提高外設的利用率；通過無縫互連，可以使得主機對網絡中外設的控制更為直接、全面。

本文討論了計算機外設部件網格化的特點和實現，這些外設包括鍵盤、鼠標、顯卡、USB設備、PCI設備等計算機外部設備等。

2 背景介紹

2.1 傳統網絡外設調用

在這里我們認為網絡外設是指計算機的一些外圍設備，通過網絡可以提供給其他網絡中的計算機使用。而網絡主機則是這些使用網格外設的計算機。

在網格計算機中，網絡設備成為一個基本的設備，網格計算機外設的使用應該依賴于其自身網絡設備而存在。而傳統的體系結構中網絡設備是作為外設的一種，與其他外設屬于同等地位。該結構通過網絡進行外設調用有如下缺點：

(1)資源利用率不高。設備利用率不高，為了利用網絡中的一個設備，需要配置一臺完整的計算機作為設備提供者。例如打印機，我們首先需要將打印機連接到一個服務器。這個服務器需要CPU、內存、硬盤等基本資源，而這些資源只是為了中轉網絡主機對打印機的調用；支持網絡調用的外設有限，如PCI設備、顯卡等缺乏網絡調用的支持。目前通過網絡調用的外設只是局限于某些具體的設備，擴展起來比較困難。

(2)網絡外設控制力度有限。計算機通過互聯網可以進行數據交互，達到資源的互相利用。然而基于傳統的調用方式，操作系統對于網絡外設的操作是相對高級的，無法進行一些原始的操作。

(3)執行效率不高。傳統的網絡外設操作過程復雜，操作一個網絡上的設備，一般需要通過網絡主機操作系統、網絡調用、外設所在主機操作系統、驅動程序、設備一系列的操作。而操作一個傳統本機設備只需要操作系統、驅動程序、設備三個步驟。如果能夠對這些步驟進行精簡，那么不但可以大大提高速度，而且能減少主機CPU、內存等資源的占用率。

這種傳統的網絡外設調用方式造成了計算機外設部件與核心部件之間的緊密綁定關系，對計算機體系結構造成了限制，進而影響到了很多應用場景下的具體技術實現問題，如在計算機遠程控制方面。下面就分析一下目前主要的兩種遠程控制方式：

(1)基于硬件實現。主要通過對鼠標、鍵盤、顯示器的電信號截取、線纜或網絡傳送、還原的過程，實現系統對外設的控制。例如KVM，這類的實現不依賴于網絡并有距離限制，而且只能針對專門的幾種控制設備，無法支持USB光盤等一些其他外設。雖然目前存在KVM Over IP以VNC[3]作為核心技術利用了網絡實現，但是其對硬件的需求相對比較高，同樣也存在擴展性差的問題。

(2)軟件實現。通過在操作系統上編寫服務器和客戶端軟件實現。在字符界面的有Telnet；圖形界面有X Windows，Windows Remote Desktop，PC Anywhere等軟件。這類軟件優點是靈活，但是最大的缺點是基于操作系統之上，控制力度有限。這類對網絡的利用是在應用層次。如前面所敘述的，必然有執行效率不高的缺點，而且需要控制方必須配備一個完整的計算機。

2.2 來自網格計算機體系結構的啟示

Dagger，DSAG針對傳統體系結構中硬件資源利用率低、資源靜態部署、被動安全等問題，提出了對計算機的原有資源進行拆分，從資源、功能、服務的角度來定義網格計算機的部件。設備成為一個個單獨的單元，這些設備單元根據需要，在網絡中能夠自動組織起來，提供給具體的網絡中的計算機應用。 Dagger和DSAG所涉及到的需要拆分的計算機設備包括CPU、內存以及其他外接設備，DASG中提出了用光互連來實現設備的高速訪問，但是我們這里只討論外設等速度要求及特別緊迫的設備。

基于這些思想，我們的目標就是實現計算機外部設備在網絡中動態加載到網絡主機之上。對于運行動態加載的網絡外設，我們稱之為網格外設(Grid Peripheral)。通過網絡，網絡主機可以動態按需地得到網格外設的掛載。下面我們給出網格外設的定義、特點以及為了實現網格外設所需的網格使能協議的需求。

2.3 網格外設的概念和特點

網格外設是指網格中存在的某個硬件設備，它可以隸屬于某臺計算機，也可以是個擁有網絡接口的獨立設備。該設備可以通過網絡動態地綁定到網絡上原本不擁有該外設的計算機主機。這里網格外設所關聯的外設主要是PCI，PS/2，USB等接口的外設，并不包括內存、CPU等對速度要求十分嚴格的設備。

在此我們約定可以在網格環境下通過網絡對各種網格外設進行使用的計算機為網格主機。在所提到的網格外設中，它可能是一個完整的計算機，也可能是只擁有基本外設和網絡接口的嵌入式設備。但是初級軟件實現階段，其很有可能是一臺獨立的計算機。因此，我們暫時約定通過傳統方式擁有外設的計算機為客戶端。也可以這樣認為，客戶端是能夠提供網格外設的實體。而這些網格外設必須具有散耦合的能力，也就是下面幾個特點：

(1)風格獨立。網格外設必須是獨立的，它們不需要依賴網絡主機的存在而存在。網格外設可以不需要完整的計算機管理，它可以是一個擁有網絡接口的嵌入式設備。

(2)智能共享。網格外設作為一個智能設備生存在網絡上，一方面可以根據某種需要動態地與網格主機連接、斷開；另一方面，網格外設可以提供多個網格主機同時共享使用，提供網格外設盡可能大的利用率。

(3)無縫互連。網格外設連接到網格主機上時，在網格主機看來，它擁有一個完整的網格外設，網格主機可以使用網格外設的所有功能。網絡主機對網格外設的操作有網格主機操作系統、網格主機網格使能、網絡、客戶端網格外設這樣一個過程，減少了過程中的開銷。2.4 網格使能協議網格外設實現的一個核心的部分就是網絡使能協議。網格主機和客戶端的交互就是通過網格使能協議來實現的。根據網格外設的特點，需要構建一個合適的網絡協議來支持網格外設的網絡獨立、智能共享、無縫互連。而且在我們涉及網絡協議時，要盡可能靈活。這里的靈活主要針對兩方面的設備操作，即設備獨立性和設備擴展性。

(1)設備無關性。協議本身并不需要對具體設備的指令進行理解，雖然通過協議傳送的數據中包括具體設備操作的內容，但是協議本身應該避免直接對這些設備操作的理解。

(2)設備擴展性。能夠包容我們所需要的所有外部設備，協議允許我們動態添加一個外設的設備相關信息，使得協議支持該外設。

在此基礎上，網格使能協議還需要解決以下一些問題：

(1)設備描述。對于一個網格外設，我們如何能夠順利地對其進行唯一的定位。

(2)互連互通。網格外設如何與網格主機建立聯系，網格主機如何掛載、卸載網格外設。

(3)資源共享與復用。對于一個網格外設，如何能夠提供給多個網格主機使用。

(4)安全。如何保證網格外設與網格主機之間通信的安全。

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3 網格組件實現

3.1 實現分析

計算機網格外設的實現根據實現的階段可以分為四個，目標是讓網格主機能自如、高效率、高利用率地控制網格外設。存在下面四種層次上的實現方案：

(1)硬件一體化（硬—硬）；

(2)網格主機軟件、網格外設全硬件(軟—硬)；

(3)網格主機硬件、網格外設全軟件(硬—軟)；

(4)全軟件的仿真實現方案(軟—軟)。

由于硬—軟和軟—硬均是介于軟件仿真和硬件一體化實現方案的中間，是過渡階段的方案，其特點也是介于軟件仿真和硬件一體化之間，因此不著重討論。

3.2 一體化方案(硬—硬實現方案)

傳統的外設操作，由計算機應用程序對操作系統發出請求，然后操作系統通過驅動程序對外設發出請求，完成設備的調用過程。在一體化實現方案中，網格外設是擁有自己的網絡接口，硬件實現網格使能協議并存在網絡上，能夠獨立地完成連接到網格主機的網絡外設。就像傳統的外設通過PCI，S/2等接口連接到計算機總線上一樣，網格外設通過網線連接到網絡上。同樣網格主機也是用硬件實現的網絡使能接口，通過網線連接到網絡上，然后通過網絡，網絡主機的網格使能硬件能與網格外設進行交互。

這樣在一體化方案中網格主機對網格外設的調用過程中，處于網格主機這邊的調用過程從上往下依次是：網格主機應用程序、網格主機操作系統、網格主機網格使能驅動、網格主機網格使能硬件；網格外設的處理過程是網格外設使能部件、網格外設功能部件。網格外設和網格主機通過雙方的網格使能部件在網絡上進行交互。

3.3 全軟件的仿真實現方案

用軟件模擬一體化硬件方案可以比較快地驗證該網格外設的設計思路，并制定好我們所需的網格使能協議。在軟件仿真方案中，網格外設處于一個計算機上，如前面提到的網格外設處于客戶端?？蛻舳司邆鋬却?、CPU、操作系統、網絡接口等基本資源，通過傳統的方式連接上外設，并將外設以網格外設的形式提供給網格主機使用。

在軟件實現方案中，客戶端是一個完整的系統。通過軟件模擬，網格使能模塊負責實現網格使能協議；外設驅動模塊實現與外設硬件的交互。而在網格主機方面，軟件實現網格使能模塊負責實現網格使能協議，一體化硬件實現中對應的網格使能驅動就改變為設備的虛擬驅動，虛擬驅動并不真正地操作硬件，主要是與操作系統交互，并將交互需要的傳送給網格使能軟件模塊部分。

3.4 網格主機軟件、網格外設全硬件

網格主機的網格使能通過軟件實現。而網格外設屬于一個獨立的擁有網絡接口的外部設備。通過網格外設硬件和網格主機軟件進行交互。

3.5 網格主機硬件、網格外設全軟件

網格主機方面使用硬件實現，網格外設方面應該是稱為客戶端，因為通過客戶端的軟件模擬實現通過網絡與網格主機進行交互。

3.6 各種方案示意圖

圖1給出了硬件一體化方案、傳統外設、軟件仿真方案三種外設調用過程的實現過程?？梢钥闯鰝鹘y對網絡中的外設調用過程是相對復雜的，而且對于客戶端要求比較高。

3.7 總結

軟—軟可以說是其他實現方案的基礎，通過軟—軟的實現，我們可以制定出網格部件所需的網絡使能協議以及客戶端和服務器端網絡使能模塊。同時還擁有開發周期短、開發難度低等特點。在此基礎上，我們以后可以考慮其他層的實現方案。下面討論基于軟—軟的實現方案。

4 軟件方案的實現

4.1 實現綜述

基于上面的分析，我們實現了一個基于網格外設方案的網格控制臺——GConsole。GConsole是一個應用于計算機機群管理的控制臺，可以對高性能計算機的節點進行控制管理。GConsole的網格外設目前包括鼠標、鍵盤、顯卡三個終端設備，在以后會增加USB設備、CDROM等外設。

GConsole實現目前采用一個控制臺對多個網格主機（服務器）進行控制的模式，提高了網格外設的復用率，服務器和客戶端運行操作系統均為Linux （Redhat9.0內核版本2.4.20 8）。所有的計算機在百兆局域網中。

在GConsole的具體實現中，我們根據操作系統對硬件操作的需要，抽象出一系列的操作。通過這些操作系統可以對硬件進行完全的控制，而這些操作又是可以通過網絡調用實現的?？蛻舳撕头斩送ㄟ^網絡使能協議交流這些操作，實現設備操作。由于這些操作是與設備直接關聯的，在此我們稱這些調用原語為設備原語。

如圖2所示，服務器應用程序與操作系統交互，操作系統對虛擬驅動發出設備請求，虛擬驅動接收請求后轉換為設備原語，由網格使能模塊通過網格使能協議與客戶端的網格使能模塊交互，最終客戶端設備驅動接收到設備原語被轉換為具體的硬件操作。

GConsole的實現主要有兩個方面，即網格使能協議和外設相關。下面就分別對這兩點進行介紹。

4.2 網格使能協議實現

網絡存儲部件目前存在ISCSI[4]之類的協議，我們制定了gDevice協議來實現網格外設的網格使能。

設備獨立性和設備擴展性這兩個要求是互斥的，因此我們的實現過程中使用分層的協議，設備接口層（Device Interface Layer） 和gDevice層。之所以這樣分層是為了將協議的設備相關部分與設備無關部分分開。

(1)設備接口層。該層主要是對設備原語的封裝，抽象出服務器與客戶端之間對硬件的操作，這層是與硬件相關的，需要根據不同的設備制定不同的設備原語。

(2)gDevice。該層本身并不需要對具體設備的指令進行理解，主要負責網格使能，即將一個外設轉變為可以連接到網格主機的網格使能設備，負責網格使能的具體設備無關部分。

gDevice層又分為網格功能子層（Grid Function Sublayer）和會話子層（Session Sublayer）。

①網格功能子層。具體解決設備復用管理、智能互連管理、安全控制三個網格相關的功能管理。

②會話子層。該子層實現了網絡數據格式PDU的封裝、解析、網絡發送和接收等功能，同時還以對數據進行檢測。主要負責數據通信功能。

網格使能結構示意圖如圖3所示。

4.3 設備相關的設備原語

設備原語是直接與外設相關的部分，這部分的實現在設備接口層。根據對傳統外設與計算機接口的分析，我們制定出命令、結果和數據輸入三種設備原語。這三種原語可以完成設備與其宿主之間的所有交互功能。

(1)命令：服務器操作系統向設備發出的操作指令，如顯示器顯示命令、鍵盤燈命令、存儲數據讀寫命令等。

(2)結果：設備返回給服務器操作系統的命令執行結果。并不是每一個命令都要返回結果，有的命令則不需要返回結果。

(3)數據輸入：由設備主動發起的，向其服務器操作系統發送數據的情況，如鍵盤輸入、鼠標移動等。

我們分別根據鼠標、鍵盤、顯卡的特點，制定了各自的設備原語。

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5 結束語

GConsole作為一個軟控制臺，將使用在高性能服務器中，作為高性能服務器節點管理的一個重要手段。

本文針對當前網格思想對體系結構的改進，分析了網格外設思想的概念、特點以及實現的方案?；诰W格外設，通過對傳統外設調用過程和網格使能協議的分析，實現了基于軟件仿真的網格控制臺——GConsole。

在當前實現的GConsole基礎上，我們在以后的工作中有以下一些計劃：

(1)完善當前GConsole系統，使其作為軟終端能夠在高性能服務器機群中得到廣泛的應用。

(2)擴展網格外設支持的設備類型，包括USB設備、 CDROM等。 

(3)最終實現硬件一體化，網格外設成為真正獨立動態的網絡設備。

參考文獻：

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[1] 孫凝暉，樊建平.Dagger：一種散耦合的網格計算機體系結構[J]. 計算機研究與發展，2003，40(12)：1731-1736.

[2] 樊建平，陳明宇.網格化的動態自組織體系結構DSAG[J]. 計算機研究與發展，2003，40(12)：1737-1742.

[3] T Richardson， Q Stafford Fraser， K R Wood， et al . Virtual Network Computing[J].IEEE Internet Computing， 1998， 2(1)：33-38.

[4] Julian Satran， Kalman Meth， et al . IP Storage Working Group Internet Draft[EB/OL].http://www.diskdrive.com/reading room/stan dards /iSCSI 20.pdf，2003 01-19. 

作者簡介：楊毅(1979-)，男，江西上高人，碩士研究生，主要研究方向為計算機體系結構；張躍冬(1976-)，男，河北涿鹿人，博士，主要研究方向為計算機體系結構。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。