TransOS 透明操作系统


一种云计算操作系统TransOS: 基于透明 计算的设计与实现 张尧学, 周悦芝 ( 清华大学计算机科学与技术系, 清华信息科学与技术国家实验室, 北京 100084) 摘 要: 云计算正成为计算机研究和应用的热点. 在云计算研究的许多问题中, 云计算操作系统的研究受到了 广泛重视. 但是, 至今为止, 人们对什么是云计算操作系统? 怎样研制云计算操作系统? 以及为什么要有云计算操作 系统等问题并没有给出答案, 也没有看到成功的云计算操作系统实例. 本文从透明计算, 也就是用户控制的云计算 ( Customer Controlled Cloud Computing) 角度出发, 以用户端提供用户服务、网络服务器提供程序和数据的存储、对网络软 硬件资源进行管理来定义云计算操作系统. 我们把传统操作系统, 例如 Linux、Windows 等也定义为资源, 把云计算操作 系统定义为运行在传统操作系统与计算机主板 BIOS 之间, 对包含各种传统操作系统在内的网络资源进行管理的超级 操作系统( Meta OS) . 本文首先介绍什么是透明计算和基于透明计算的云计算操作系统, 然后给出该系统的结构和相 关实现实例. 关键词: 透明计算; 云计算操作系统; 云计算 中图分类号: TP302 文献标识码: A 文章编号: 03722112 ( 2011) 05098506 A New Cloud Operating System: Design and Implementation Based on Transparent Computing ZHANG Yaoxue, ZHOU Yuezhi ( Department of Computer Science and Technology , Tsinghua National Laboratory f or Information Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: Cloud computing has become a hot topic recently. Among many research issues of cloud computing, CCOS ( cloud computing operating system) has attracted extensive attention. However, to date, there is no answer to such related issues: What is a cloud computing operating system? Why we need it? How to develop a CCOS? And no successful instance of CCOS has been wit nessed. In this paper, we introduce a CCOS from the viewpoint of transparent computing, i. e. , a customercontrolled cloud comput ing, in which the client machines serve users computing and services, and the networked servers provide the storage of programs and data. The CCOS manages all the networked and virtualized hardware and software to provide a unified service for users. Tradi tional operating systems, such as Linux and Windows are also defined as resources in the CCOS, which runs between the traditional operating system and the BIOS of computer motherboard. Therefore, the CCOS is a super operating system ( Meta OS) , which man ages a variety of networked resources, including traditional operating systems. This paper first introduces the concept of transparent computing and the Meta OS based on transparent computing, and then gives the layered structure of Meta OS and one of its imple mentation examples. Key words: transparent computing; operating systems; cloud computing 1 引言 云计算[ 1] 正成为新的计算机研究和产业发展重要 热点. 这是一种由谷歌等公司于 2008 年首先提出的网 络计算新模式. 这种模式的主要特点在于通过网络, 把 原来在单台计算机中软件的运算和存储分开到用户终 端机和网络服务器上完成. 即, 这种模式把主要软件( 含 系统程序、应用程序和数据) 存储在网络上, 而用户的终 端机只负责和用户的交互以及获取服务, 为用户提供服 务的运算既可在网络上的某台计算服务器上完成, 也可 收稿日期: 20101220; 修回日期: 20110318 基金项目: 国家自然科学基金( No. 60903029) ; 国家 863高技术研究发展计划( No. 2009AA01Z151) 第 5期 2011 年 5月 电 子 学 报 ACTA ELECTRONICA SINICA Vol.39 No. 5 May 2011 在用户终端机上完成. 至今为止, 谷歌、IBM、亚马逊等公司都推出了自己 的云计算模式和产品[ 2] . 特别是谷歌的 GFS[ 3] 和 MapRe duce[ 4] 分别给出了其大规模网络文件系统的存储结构 和快速搜索算法. 但是, 在网络化的云计算操作系统方 面, 则还未见有相关研究成果报道. 尽管谷歌公司于 2009 年推出了面向终端机的操作系统 Chrome OS[ 5] , 但 该系统只是为终端机提供相应的网络服务, 并不管理 网络软硬件资源. 本文从用户服务和以网络为基础管理系统软硬件 资源的角度出发, 提出一种把传统操作系统、应用程序 与文件/ 数据也看做资源, 通过网络对这些资源进行调 度、分配、回收和控制, 把资源的存储和运算分开管理 的云计算操作系统(TransOS). 由于 TransOS 是在各种传 统操作系统的底层分布式运行, 因此, 它使得用户可以 自主选择自己需要的操作系统( 例如 Windows 或 Lin ux) , 以及其上的各种应用服务, 使不同厂家和不同标准 的操作系统可在同一用户终端上兼容运行; 同时, 这种 模式减少用户终端的存储负载、管理难度以及增加用 户使用的方便性和安全性. 2 操作系统 操作系统是管理和控制计算机系统中软硬件资源 的系统软件[ 6] . 操作系统的发展主要有两条技术路线: (1) 单机操作系统. 基于冯诺依曼结构、以单机为 单位的资源管理和程序运行平台. 包括从最初的批处 理系统, 到后来的多道程序系统、分时系统和有网络功 能的操作系统等. 这类操作系统的典型代表有 Win dows, Linux, Symbian 等. 由于这类系统的资源管理以单 机为单位, 当应用需求增加时, 其功能就会越来越复 杂, 系统程序就会越来越庞大, 安全性降低. 这导致用 户操作复杂、管理维护困难. (2) 网络操作系统. 这类操作系统以网络作为资源 管理和程序运行的平台, 大多是在单机操作系统基础 上加上协议和管理软件构成. 典型代表有 Windows 7[ 7] 、 Android[ 8] 、Chrome OS[ 5] 等. 与单机操作系统相比, 网络 操作系统具有前端功能轻载化、虚拟化、移动化和管理 集中化等特点, 方便了用户的管理和维护、提高了易用 性和安全性. 但是, 无论是单机操作系统, 还是网络操作系统, 它们都存在着系统过于复杂和庞大、不支持跨硬件和 软件平台等问题. 例如, 支持桌面软件的操作系统一般 不支持移动软件; 支持 Windows 的应用软件也不能在 Linux 上运行. 这给用户从网络上获得服务和管理带来 了很多不便和风险, 也提高了成本和功耗; 不适合云计 算模式的大规模异构存储的管理和为用户提供所需要 的主动服务. Chrome OS 试图解决上述问题. 但它只提供了一个 类似于浏览器的简单桌面环境. 它的启动速度很快, 也 能很快访问后端存储的大规模数据库和获得计算服 务. 但是, Chrome OS 不支持跨平台操作和访问, 因而, 还 不能把 Chrome OS 看做云计算操作系统的解决方案. 3 透明计算 透明计算是一种为用户提供服务的计算[ 9] . 其目 标是在系统为用户提供服务时, 让用户不用知道计算 过程和实现细节, 只需关心系统能否提供所需服务和 服务质量. 为了实现这一目标, 透明计算通过网络把运 算和存储分离, 服务器存储操作系统、应用程序以及用 户数据等软件资源, 终端接近裸机, 只存储最底层的 BIOS 和极少部分协议和管理程序. 用户服务需要的操 作系统和应用程序则通过本文后续的分布式超级操作 系统(Meta OS) 从服务器中以分块或以流的方式调度到 终端上运行. 由于操作系统、应用程序以及用户数据都 存储在服务器上, 终端是一个近乎裸机的运行平台, 因 此, 终端可以做到多样、轻载、安全、易管理和维护. 另 外, 网络服务器可以存储多种不同操作系统以及无数 的应用程序, 形成巨大的 云, 从而使用户可以自由地 从网上跨软件和硬件平台获得所需服务. 透明计算的核心思想包括: ( 1) 计算和存储分离; ( 2) 提供跨终端、跨操作系统平台的操作和用户可选择 的服务; ( 3) 服务器和终端之间通过数据流和块调度交 换指令, 云计算的超级操作系统对整个网络资源进行 一体化管理; ( 4) 程序以流的方式被动态调度到指定的 终端或服务器上执行[ 10] . 基于透明计算理论, 文献[ 11] 提出了透明计算体系 结构 4VP+ , 并研制了相应的终端系统. Intel 公司又进一 步把新一代 BIOS: EFI ( Extensible Firmware Interface) [ 12] 和透明计算结合, 开始进行 BIOS 层开放的研究[ 13] . 4 一种云计算操作系统 TransOS 41 TransOS 操作系统的概念 如前所述, 单机操作系统只能管理单机的有限资 源. 现有的网络操作系统还只是在单机的基础上加上 对网络的支持, 因此它们不能为用户提供需要的主动 服务. 在云计算环境下, 需要一种能够管理网络软硬件 资源, 并为用户提供服务的超级操作系统. 为此, 基于 透明计算, 我们设计了一种层次化、分布式内核的云计 算操作系统 TransOS. 与单机和现有的网络操作系统相 比, TransOS 能够统一管理由各种异构终端、服务器、网 络、以及传统操作系统等组成的网络化资源, 并能主动 为用户提供按需服务. TransOS 具有如下几个特点: 986 电 子 学 报 2011 年 (1) 将传统操作系统也作为一种资源进行管理 TransOS 管理的资源分为三类: 第一类是指由终端 (群) 、服务器( 群) 和互联网络组成的硬件平台资源; 第 二类是指在上述硬件实体资源基础上, 通过设备驱动 和虚拟化, 形成可供 TransOS 管理的虚拟化资源; 第三 类是软件/ 数据资源, 包括传统操作系统、应用程序和 数据等. 因此, 与传统操作系统只管理和调度应用程序 和数据不同, 在 TransOS 中, 传统操作系 统, 如 Linux, Windows 等本身也是一个被管理和调度的对象. 在用户 进行选择后, 相应的传统操作系统会被 TransOS 调度到 用户终端上执行, 完成用户所要求的计算任务. TransOS 的任务就是统一管理和调度上述的三类资源, 形成一 个基于透明计算的云计算超级操作系统. 为方便起见, 作如下定义: 定义 1 网络化资源 包括由 TransOS 管理的硬件 资源, 如终端(群) 和服务器( 群) 等计算和存储设备, 路 由器、交换机、基站等网络设备; 以及传统操作系统、开 发和管理工具、应用软件、结构化和非结构化数据等软 件或数据资源. 定义 2 自治网 络系统 由终端 ( 群) 、服务器 (群) 、以及网络交换机等硬件设备组成的能够在其上 运行TransOS 的网络系统. 定义 3 实例操作系统 指由 TransOS 管理的传统 操作 系 统, 如 Windows, Linux, Sybian, Android, Windows Mobile 等. (2) 分布式内核, 动态调度运行 TransOS 的内核分布在用户终端和服务器上. 如 图 1所示, TransOS 内核的很小一部分, 驻留在终端 BIOS 上, 其它内核部分则驻留在服务器上. 需要注意的是, 图中只画出了一( 终端) 对一( 服务器) 的情形. 在实际 中, 会存在多对多的情形. 当终端启动后, 驻留在 BIOS 中的 TransOS 内核部分负责获得终端控制权, 并与服务 器联系, 获得系统运行所需要的更多内核代码, 并动态 以块流的方式加载到终端侧执行[ 10] . 块流的含义是指 每次只按需从网络服务器上获取一小部分代码或者数 据块到终端上进行计算, 如此循环反复, 形成从网络服 务器到终端的流. 需要说明的是, TransOS 上面支持的实 例操作系统、应用程序以及数据等也都是以块流的方 式被动态调度到终端侧执行的. ( 3) 运行在 BIOS 之上, 实例操作系统之下 如图 2 所示, TransOS 通过 EFI ( Extensible Firmware Interface) 等标准接口实现对不同终端硬件架构, 如 x86、 ARM、MIPS 等的支持. TransOS 在由 BIOS 负责启动运行 后, 会与服务器联系, 将网络服务器能够支持的实例操 作系统显示给终端用户进行选择. 在用户选择后, 再由 它从服务器上以块流方式调度用户所选择的实例操作 系统到终端上执行. ( 4) 分布式网络化资源的统一管理和调度 如图 3 所示, TransOS 管理的是一个跨网络、跨终端 和服务器平台的自治网络系统. 为了能够统一管理分 布在不同地方的网络软硬件资源, TransOS 将其功能按 照运行的地点, 分为 TransOS 客户端和 TransOS 服务器 端. TransOS 客户端和服务器端通过协议通信, 共同维护 和管理分布在不同地点的网络软硬件资源, 包括终端 硬件、服务器硬件、网络、实例操作系统、应用程序以及 数据等, 并按照用户需求, 统一调度相关资源, 以供用 户使用. 一般而言, TransOS 客户端运行在用户终端设备 上, 而 TransOS 服务器端则运行在网络服务器上. 987第 5 期 张尧学: 一种云计算操作系统 TransOS: 基于透明计算的设计与实现 42 TransOS 操作系统的设计 为了实现对分布式网络软硬件资源, 包括实例操 作系统等的统一管理和调度, TransOS 被设计成一种层 次式的模块结构, 如图 4 所示, 共由 7 个模块组成. 需要 说明的是, 每个模块都是按照需要分布在一台或者多 台设备上, 共同完成某项功能. 下面分别对每个模块的功能进行说明. 网络化中 断处理模块是对来自虚拟设备( 在一台计算机的硬件 设备基础上形成的可供其他计算机操作的设备) 的中 断进行处理的模块. 该模块能够接受来自自治网络系 统中任何一台计算机的网络中断并进行处理, 完成该 中断请求的相应功能. 图 5 描述了 TransOS 与传统单机 操作系统在中断处理上的区别. 对于传统单机操作系 统, 出现诸如缺页中断、键盘中断等中断后, CPU 保存当 前的运行状态, 开始运行相应的中断处理函数处理该 中断事件, 处理结束后恢复之前的运行状态, 继续运 行. 对于 TransOS, 如果是由位于 TransOS 客户端计算机 上的虚拟设备发出的中断, 则该中断事件并不在 Tran sOS 客户端上进行处理, 而是需要通过网络传输给服务 器, 交由 TransOS 服务器端进行处理, 处理结束后, 再通 过网络将处理结果返回给 TransOS 客户端. 此后, Tran sOS 客户端 CPU 恢复中断前的运行过程. 实体/ 虚拟化资源驱动模块, 是在网络化中断管理 的基础上, 完成对实体/ 虚拟化资源的驱动和管理. 具 体包括如下三个方面的功能: ( 1) 对物理的硬件设备, 如网卡、显卡等进行驱动, 完成自治网络系统中所有硬 件设备的驱动; ( 2) 在实体硬件设备驱动基础上, 进一 步形成虚拟化资源, 如对虚拟 CPU、虚拟内存、虚拟存储 等虚拟设备资源进行构建、驱动和管理; ( 3) 实现对大 规模软件/ 数据的存储支持, 其功能类似于 Google 公司 的 GFS 和 Bigtable[ 14] , 实现对大规模数据的网络化存储 和检索. 软件/ 数据资源存储与管理模块是在虚拟化网 络存储的基础上, 进一步将实例操作系统、应用程序以 及数据进行组织、存储和管理, 供用户进行高效访问. TransOS 的核心功能是对网络化资源进行管理和调 度, 也就是进行资源的调度、分配和回收等工作. 这是 由资源管理与调度模块来实现, 该层功能类似于传统 单机操作系统中的内核调度功能. 为满足不同网络化 资源的调度和管理要求, 需要针对不同属性的资源, 研 究基于不同策略和方法的调度、分配和回收算法, 实现 资源的按需弹性流动. 与单机操作系统类似, TransOS 也 具有接口与界面模块, 用于实现与应用程序以及用户 的交互, 接收并完成来自上层应用和用户的请求. 与单机操作系统不同的是, TransOS 具有两个特殊 的模块, 网络化启动与优化模块以及网络通信与服务 协议模块. 其中网络化启动与优化模块的客户端主要 完成终端启动中断的截获, 并将此信号传递到网络服 务器, 由服务器来进行处理. 网络化启动与优化模块的 服务器端会响应来自客户端的请求, 首先是给客户端 分配一个网络地址, 便于后面的通信; 其次, 会对用户 的身份进行认证并将网络自治系统支持的实例操作系 统列表返回给用户进行选择; 在用户选择自己想要运 行的实例操作系统后, 再调用相关的传输协议将部分 的实例操作系统内核加载到终端内存中执行, 完成实 例操作系统的启动. 网络通信与服务协议模块主要完 成实例操作系统启动以后, 如何依照用户的使用, 按需 将其他实例操作系统模块以及应用程序代码和数据按 需以块流的方式传送到终端内存中执行. 与传统操作 系统中通信协议模块只为应用程序间通讯服务所不同 的是, TransOS 中的通信协议传送的不仅是数据, 还有代 码; 同时, TransOS 中的通信协议在实例操作系统未启动 的情况下就会工作. 5 TransOS 的实现示例 TransOS 有多种实现方式. 下面介绍一种基于 4VP+ ( 4 Virtual Layers, 2 Protocols) 在普通 PC 计算机板上基于 EFI BIOS 的实现示例. 在这种实现下, TransOS 客户端和 服务器端的功能均被划分为四个虚拟层和两个协议, 如图 6 所示. 两个协议分别是多操作系统远程启动协议(MRBP, MultiOS Remote Booting Protocol) 和网络服务 访问协议 ( NSAP, Network Service Access Protocol). MRBP 的功能是捕 获客户端启动初始化的中断信号, 发现服务器存储的实 例操作系统列表, 下载部分操作系统内核以及 NSAP 协 议客户端部分. 因此, MRBP 客户端代码必须提前驻留在 终端主板 BIOS 上. 由于MRBP 工作在实例操作系统启动 之前, 因此 MRBP 客户端不能像传统协议一样利用操作 系统的网络通信接口, 而需要实现自己的网络设备驱动 和网络协议栈. NSAP 协议的主要功能是传输TransOS 以 及上层实例操作系统的指令、数据、中断和响应等. 4VP+ 中的四个虚拟层分别是: 虚拟网络 IO 管理 ( VNIOM, Virtual Network I/O Management) , 虚拟网络设备 988 电 子 学 报 2011 年 管理( VNDM, Virtual Network Device Management) , 虚拟网 络文件管理(VNFM, Virtual Network File Management) 以及 虚拟网络用户管理( VNUM, Virtual Network User Manage ment) . 下面分别介绍各个虚拟层的功能. (1) VNIOM. 其主要功能是接收终端上运行的实例 操作系统的 I/O 中断请求, 分析中断原因, 并唤醒相应 的处理程序进行处理. 与单机环境下不同的是, VNIOM 需要将终端的中断请求送到服务器进行处理, 并将处 理结果返回给终端. 由于服务器需要同时处理来自不 同终端的中断请求, 因此 VNIOM 需要管理多级队列, 以 快速响应高优先级的中断请求. (2) VNDM. 其主要功能包括: 完成虚拟设备的分配 与回收; 完成客户端虚拟设备到服务器虚拟镜像的映 射及管理; 完成客户端与服务器的虚拟交换与调度. (3) VNFM. 这一层首先是完成类似于 Google GFS 的大规模分布式文件系统的存储、访问与搜索; 其次, 还需要完成如下辅助功能: 完成用户文件空间、文件目 录的分配与管理; 实现用户文件访问的重定向与虚拟 化; 保证文件访问的一致性; 提供用户文件的访问控 制、搜索等功能. (4) VNUM. 其主要功能包括: 完成增加、减小、配置 用户信息的工作; 进行用户身份认证; 对用户使用过程 进行监管等. 我们已经在基于桌面终端和普通 PC 服务器集群 上实现了局域网范围内的 4VP+ , 并已经进行了产业化 生产和实际部署. 目前, 正在研制基于平板电脑、手机 等终端和移动互联网的 TransOS. 此外, 透明计算模式和 TransOS 也可以在家电等其他设备上得到应用. 6 相关工作 近年来, 为了支持云计算, 谷歌公司开发了 GFS[ 3] 、 BigTable[ 14] 和 MapReduce[ 4] , 亚马逊公司开发了 EC2[ 15] 和 S3[ 16] . 其他公司和研究机构也开发了相应的云计算 技术和产品[ 17, 18] . 但是些工作都是在传统单机操作系 统基础上来实现的分布式系统, 并没有讨论用于云计 算的操作系统问题. 表 1 展 示了 TransOS 与 Chrome OS 的 详细 比较. Chrome OS[ 5] 以网络作为开发和运行的平台, 通过轻载的 前端界面, 利用强大的后端 云, 给用户提供方便的服 务, 是云计算操作系统的一个示例. Chrome OS 强调前端 轻载, 后台支撑. 在这一点上, TransOS 和 Chrome OS 的思 路是类似的. Chrome OS 通过本地轻载的操作系统内核 加上一个浏览器, 将存储在网络上的 Web 应用程序下载 到本地浏览器运行, 实质上还是一个传统单机操作系统 的开发思路. 与 Chrome OS 不同, TransOS 利 用开放的 BIOS 技术和一个轻载的固件层模块将存储在网络上的 表 1 TransOS 与 Chrome OS 的异同点 TransOS Chrome OS 硬件平台 x86,MIPS, 适用于 PC, 服务器, 上网本, 手机等 X86 和 ARM, 只适用于上网本 网络支持 LAN, WAN, 3G 等 WAN 类型 轻载操作系统, 分布式内核/ 组件+ Web 浏览器 轻载操作系统, 操作系统内核+ Web 浏览器 网络传输内容 操作系统环境 ( 包括操作系统, 应用程序, 数据, 状态等) 应用 操作系统存储位置 网络 本地 应用程序存储位置 网络 网络 支持的应用程序类型 本地应用, Web 应用 Web 应用 操作系统维护和管理 远程更新, 集中管理 本地只读 应用程序维护和管理 集中式管理 集中式管理 管理对象 操作系统 应用程序 编程模式 Web编程+ 传统编程 Web 编程 向后兼容性 既可以支持传统应用, 又可以支持 Web 应用 只能支持 Web 应用 用户体验 可以保持用户体验 改变用户体验 989第 5 期 张尧学: 一种云计算操作系统 TransOS: 基于透明计算的设计与实现 实例操作系统及其应用程序调度到本地运行, 因此是一 种网络化操作系统的思路. 其次, Chrome OS 只能支持 Web 应用, 而TransOS 支持多种操作系统及其应用程序. 7 结束语与未来工作 云计算操作系统是云计算领域研究的核心问题之 一. 针对目前操作系统只能管理单机软硬件资源的问 题, 本文提出了一种基于透明计算的云计算操作系统 TransOS. TransOS 内核分布在由终端、服务器和网络设备 组成的自治网络系统上, 能够集中管理包括传统操作 系统在内的各种网络化软硬件资源, 并通过按需调度 用户所需资源, 完成用户所需要的计算和服务. 未来的工作包括: ( 1) 探索如何将基于透明计算的 云操作系统扩展并应用到更多的设备( 如数字家电) 和 网络( 如 3G, LTE 网络) 上去; ( 2) 建立相应的云操作系 统结构和接口规范; ( 3) 在实际应用中进一步完善相关 理论和技术. 参考文献 [ 1] Michael Armbrust, Armando Fox, Rean Griffith, Anthony D. Joseph, Randy Katz, Andy Konwinski, Gunho Lee, David Pat terson, Ariel Rabkin, Ion Stoica, Matei Zaharia. A view of cloud computing[ J] . Communications of the ACM, 2010, 53 ( 4) : 50- 58. [ 2] 陈康, 郑纬民. 云计算: 系统实例与研究现状[ J] . 软件学 报, 2009, 20( 5) : 1337- 1348. [ 3] Sanjay Ghemawat, Howard Gobioff, ShunTak Leung. The Google file system[ A] . Proc of the 19th ACM Symposium on Operating Systems Principles ( SOSP 03) [ C] . New York: ACM, 2003. 29- 43. [ 4] Jeffrey Dean, Sanjay Ghemawat. MapReduce: Simplified data processing on large clusters[ A] . Proc of the Sixth Symposium on Operating System Design and Implementation ( OSDI 04) [ C] . San Francisco, CA: USENIX. 2004. 137- 150. [ 5] S. 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