CN100454260C - 设备驱动层的虚拟驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种设备驱动层的虚拟驱动系统及方法，依照设备驱动层的区块数据请求指定一外部数据源，并依照外部数据源的档案属性转换数据请求信息为外部数据源的对应数据请求信息，进而获取并传输外部数据源的区块形式数据至一虚拟区块设备中，并映像外部数据源的区块形式数据至数据请求空间内，以响应上层数据请求。本发明通过在设备驱动层建立一虚拟数据的环境，因此能够在真正的设备驱动层来虚拟区块实体设备，并可以将虚拟区块设备的功能移植至无操作系统的硬件环境中。

Description

设备驱动层的虚拟驱动系统及方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟技术，尤其涉及一种设备驱动层的虚拟化的系统及方法。

背景技术

如今，由于数据量的增加以及企业成本因素的需求，各种虚拟技术应运而生。随着信息技术的快速发展与更新，设备虚拟化技术在信息技术领域也蒸蒸日上，作为资源高效利用及资源管理自由度的需求，各种设备虚拟技术都已经崭露头角。事实上，数据的共享与传输早已不是什幺新鲜的技术，在档案系统层可以很轻松地实现这些功能。但是能够以设备为单位进行管理仍然是目前资源利用与整合的重要方向。在设备驱动层或更底层的平台上进行虚拟技术的实现，是实现这些功能的首要技术前提。对于目前很多现有的设备虚拟软件，其主要局限为仅实现与本地的镜像档案虚拟，因此存在远程虚拟功能薄弱的缺点，不易于扩展开发。

另外，这些虚拟技术中以虚拟储存以及虚拟机为代表，其主要的研发方向体现在对于目前系统功能的改造。基本上有两种方式，一种是在已有的档案系统功能基础上制订更高效的专用的档案系统例如全局档案系统(Global FileSystem，简称GFS)、直接储存档案系统(Direct Access File System，简称DAFS)等。此外，目前很多基于档案系统的改进衍生出多种档案系统，可以实现在不同系统之间的档案及设备共享，但是这些技术本身是基于操作系统，而非设备层的，同时在统一上也不容易操作，对底层的不同硬件环境也缺乏足够针对性的支持。还有一种技术是基于对目前操作系统体系改造，提供新的中间处理虚拟层，在不同的架构的主机就会用不同的方案，这本身也是依赖于操作系统的。

发明内容

为了解决上述现有技术中的问题与缺陷，本发明的目的在于，提供一种具有高扩展性、功能独立性及可开发性的设备驱动层的虚拟驱动系统及方法，以解决现有技术所存在的缺点及局限。

本发明所提供的一种设备驱动层的虚拟驱动系统，位于一设备驱动层，用以创建一虚拟区块设备，此虚拟驱动系统包含有：一操作模块、一媒体数据转换模块、一数据传输模块及一映像模块；于此，操作模块用以依照虚拟区块设备的一数据请求信息指定一外部数据源；媒体数据转换模块用以依照外部数据源的档案属性，转换数据请求信息为外部数据源的对应数据请求信息；数据传输模块用以获取并传输外部数据源的区块形式数据至虚拟区块设备中；以及映像模块用以映像外部数据源的区块形式数据至一数据请求空间内，以响应数据请求；还包含有：一注册模块、一信息接口模块及一命令协议模块，其中注册模块用以起始化虚拟区块设备；信息接口模块用以执行对虚拟区块设备的各种通用操作；以及命令协议模块用以虚拟上述虚拟区块设备的操作命令。

依照本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统，其中还包含有一优化模块，其依据外部数据源的区块形式数据的传输速度与映像速度的比例优化外部数据源的区块形式数据的映像速度。

依照本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统，其中媒体数据转换模块提供外部数据源的数据压缩排列方式及数据请求的数据映像，以转换数据请求信息。

依照本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统，其中此虚拟驱动系统可位于有操作系统或者无操作系统的环境中。

此外，本发明还提供了一种设备驱动层的虚拟驱动方法，此虚拟驱动方法包含下列步骤：依照一设备驱动层的一区块数据请求的数据请求信息指定一外部数据源；依照该外部数据源的档案属性起始化一虚拟区块设备；依照外部数据源的档案属性，转换数据请求信息为外部数据源的对应数据请求信息；获取并传输外部数据源的区块形式数据至一虚拟区块设备中；映像外部数据源的区块形式数据至一数据请求空间内，以响应数据请求；执行对该虚拟区块设备的各种通用操作；以及进行虚拟该虚拟区块设备的操作命令。

依照本发明的设备驱动层的虚拟驱动方法，其中还包含有依照外部数据源的属性起始化虚拟区块设备的步骤。

依照本发明的设备驱动层的虚拟驱动方法，其中还包含提供外部数据源的数据压缩排列方式及数据请求的数据映像的步骤，以转换数据请求信息。

依照本发明的设备驱动层的虚拟驱动方法，其中还包含依据外部数据源的区块形式数据传输速度及映像速度的比例优化外部数据源的区块形式数据的映像速度的步骤。

依照本发明的设备驱动层的虚拟驱动方法，其中还包含依照区块设备驱动层与外部数据源的通讯方式建立一数据传输信道的步骤，以传输外部数据源的区块形式数据。

本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统及方法通过在系统与真实的实体设备结合处的设备驱动层建立一虚拟数据的环境，在真正的设备驱动层来虚拟区块实体设备，而其工作方式对于上层用户来说是完全透明的，甚至对于系统的档案系统来说也是透明的，在设备驱动层下可以忽略数据与档案数据的差别，因此具有以下优点：

1.高扩展性。由于本发明是不基于档案系统功能的虚拟技术，进而可以在多平台内得以实现，同时，本发明抽取出具体的区块设备的数据采集功能，仅向外部提供一个数据接口，因此各种有效的区块形式数据都可以作为数据源进行虚拟和映像。各种本地或远程的镜像档案及设备，只要能够转换为区块形式数据的数据源都可以作为媒体虚拟成本地主机上的各种相对应的具体形态的实体设备，诸如只读光盘，磁带等等。

2.功能独立性。本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统及方法将设备驱动层的具体驱动行为模糊化，只是在此层下建立有设备的属性，这样把功能抽象出来并独立于上层系统和具体的设备形态，因此可以将虚拟区块设备的功能移植至无操作系统的硬件环境中。

3.可开发性。本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统及方法具有再次开发的伸缩性，由本发明在有操作系统的环境下，可以依据不同的数据请求方式进行开发；在无操作系统的环境下，可以依据具体的硬件条件来定制虚拟应用的具体协议。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统的系统方块图；

图2为本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统的本地数据传输示意图；

图3为本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统的远程数据传输示意图；

图4为本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统的硬件实现示意图；以及

图5为本发明的设备驱动层的虚拟驱动方法的方法流程图。

其中，附图标记

1     本地端                   2     远程端

10    虚拟驱动系统             11    注册模块

12    操作模块                 13    信息接口模块

14    媒体数据转换模块         15    数据传输模块

16    映像模块                 17    命令协议模块

18    虚拟区块设备             19    网络接口

20    用户应用程序             21    档案系统

22    设备驱动                 23    其它介质

24    IP协议栈                 30    媒体伺服程序

31    媒体采集模块             32    镜像档案

33    只读光盘设备             34    软磁盘设备

40    主板设备数据总线         41    基本输入输出系统固件

50    芯片集                   51    定制协议

52    定制IP协议栈             53    网络适配卡驱动

54    局部局域网络接口         55    网络

步骤101依照设备驱动层的区块设备的数据请求指定一外部数据源

步骤102依照外部数据源的属性起始化一区块设备驱动的虚拟区块设备

步骤103依照外部数据源的档案属性，转换数据请求信息为外部数据源的对应数据请求信息

步骤104获取并传输外部数据源的区块形式数据至设备驱动层下

步骤105映像外部数据源的区块形式数据至一数据请求空间内，以响应数据请求

具体实施方式

请参考图1，图中显示为本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统的系统方块图。

本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统10其位于设备驱动层中，实现对外部数据源的请求及应答，进而在本机上虚拟出一区块设备，建立设备驱动层的虚拟数据环境。如图所示，其中虚拟驱动系统10包含有：注册模块11、操作模块12、数据接口模块13、媒体数据转换模块14、数据传输模块15、映像模块16及命令协议模块17。下面将结合上述模块详细说明虚拟驱动驱动10的工作原理。

本发明主要实现的是在传统的区块设备驱动的基础上进行虚拟化创建，由虚拟驱动系统10创建一虚拟化区块设备，以接管传统区块设备的输入输出空间接口的读写操作，又要完全提供响应上层各种请求的能力。因此需要一注册模块11实现区块设备驱动的虚拟设备的起始化功能，注册模块11的起始化操作可以依照现有的区块设备驱动实现，基本包括注册和注销两个功能函数，以提供正常加载卸载虚拟设备的能力。具体包含在上层系统中注册区块设备，分配相关的设备空间，并起始化设备结构的参数，以及注册具体设备操作功能、区块设备操作方法及属性以及区块设备请求队列的回调函数等。进而注册模块11能够依照上层请求的外部数据源的属性起始化一虚拟区块设备。

操作模块12主要实现了具体区块设备的功能处理，不同的区块设备依照不同的需要存在不同的操作方法及属性，例如设备运转速度、设备的使用状态、设备的驱动状态、设备中媒体信息的设定、及设备默认状态的恢复等。因此，这里操作模块12可用以依照虚拟区块设备中媒体信息的设定，指定数据请求对应的外部数据源。

信息接口模块13为区块设备驱动中的必要部份，对于现有技术的具体设备驱动，信息接口模块13主要用以对区块设备的一些通用操作，例如设定区块设备的设备ID、设定区块设备的私有数据、注册区块设备的操作方法以及向区块设备的数据请求队列注册相对应的相应函数等。通过注册通用操作至系统中核心中，进而对注册的区块设备进行统一管理。在本发明中，信息接口模块13则用以执行对虚拟区块设备的各种通用操作。

媒体数据转换模块14用以依照请求的外部数据源的档案属性，转换数据请求信息为外部数据源的对应数据请求信息。当上层应用对某一个区块设备操作时，会向相应的区块设备发出数据请求。请求主要包括指定的核心缓冲区地址，请求的区块设备数据起始块偏移量，请求的区块设备数据的具体数据量。第一个主要参数是返回数据需要填入内核空间的依据。后两个参数是要根据不同的媒体源进行转换和映像的数据依据。媒体数据转换模块14主要就是提供各种需要的不同外部数据源媒体的数据压缩排列方式及区块数据请求的数据映像，也就是提供不同的换算公式，以转换数据请求信息。例如在Linux系统中，区块设备的区块数据的定义与只读光盘(CDROM)媒体中的区块数据的定义大小是4倍的关系，因此就要对这个数据请求做相应的换算和调整。

数据传输模块15用以获取并传输外部数据源的区块形式数据至虚拟区块设备中，以虚拟获取的外部数据源为真实设备上的数据。本发明关于的是虚拟设备的驱动，因此不存在真实的设备，那么虚拟出来的数据就要有个来源，这个来源的获取要根据具体的实现和开发环境的需要。也许媒体数据在本地，也许媒体数据在远程，形式也各异。无论是本地数据还是远程数据，数据传输模块15可依照与外部数据源的通讯方式建立一数据传输信道，以传输外部数据源的区块形式数据至虚拟区块设备中。对于具体的开发环境会有不同的实现方案来完成数据传输的功能，关于数据传输方式将结合下文的实施例进行说明。

映像模块16用以外部数据源的区块形式数据至一数据请求空间内，以响应数据请求。对于真实的实体设备，响应上层数据请求的方式是直接将具体设备的硬件存储位置映像到设备的输入输出空间进行数据的读写和搬移，虚拟块设备驱动则是由映像模块16将这些上层系统发过来的请求直接向数据源进行映像，直接拷贝到上层系统请求数据的空间内，以完成上层系统任务的请求。

此外，虚拟驱动系统10还包含有一命令协议模块17，以虚拟重现虚拟区块设备的操作命令。作为整个虚拟设备驱动的一部分，命令协议模块17即可以在驱动内部完全实现也可以扩展到驱动的外部。也就是说虚拟一个设备的操作命令的实现主要由命令协议模块17完成，例如在本地没有真实只读光盘设备的情况下，如何虚拟出弹出光盘的动作，如何调节光驱的速度。对于不同的虚拟媒体源，实现不同的设备命令的虚拟及重现。例如在应用层就会提供对一些设备操作的处理，命令协议模块17的协议本身包括了对这些操作命令的识别，分辩，处理，封装，发布。

下面将结合图2、图3及图4对本发明的虚拟驱动系统应用于不同操作环境下的工作原理进行说明。

现在请参考图2，此图为本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统的本地数据传输示意图。如图所示，在具有操作系统的环境下(如在Linux系统的档案系统21下层)，虚拟驱动系统10位于设备驱动层，此层下还可能具有其它具体的设备驱动22。相应地，实体层下具有一虚拟区块设备18及其它介质23。需要说明的是虚拟区块设备18并不是实际存在的，它只是相对于其它具体的设备来说，在虚拟驱动系统10响应上层操作请求时，虚拟存在一个区块设备，以进行请求数据的读取或搬移。

因此当上层用户应用程序20发出一区块数据请求时，通过虚拟驱动系统10中的操作模块12指定一请求外部数据源。外部数据源可以是本地或者远程的镜像档案，或者远程的区块设备。在图2显示的实施例中，外部数据源指位于用户空间内的媒体源。这时，需要根据具体应用的虚拟数据源的属性来设定具体的区块设备类型，以进行虚拟区块设备的起始化。在实施过程中可通过注册模块11在虚拟设备驱动中同时注册多个不同的设备，例如只读光盘，磁带(Tape)，软磁盘(floppy)等。然后，通过数据传输模块15建立虚拟驱动程序与应用层伺服程序的数据传送信道。

如图2所示，建立的数据传送信道是介于虚拟驱动系统10和用户空间的媒体伺服程序30之间，因此要选择一种从核心空间向用户空间传送数据的方式，这里选择了系统IP协议栈24中的用户数据报协议(User DatagramProtocol，简称UDP)，在虚拟区块设备驱动模块10中创建用户数据报协议套接口(UDP socket)的一端，在用户伺服程序30上创建用户数据报协议套接口(UDP socket)的另一端。具体的传送的数据格式则根据指令和区块数据分为两个集合，在媒体伺服程序30中制订的协议也主要根据这两类信息进行不同的封装和处理。当然本发明并仅不局限于上述关于用户数据报协议UDP的数据传输方式，任何可实现数据传输的方式均可以替换。

在接收到请求之后，媒体数据转换模块14首先确认此请求来源的设备是否为当前的虚拟区块设备18，若是，则依据虚拟区块设备18的外部数据源的档案属性，转换数据请求信息为外部数据源的对应数据请求信息。然后通过数据传输模块15所建立的数据传输信道获取用户空间的外部数据源至虚拟区块设备18中，将获取的媒体数据虚拟成真实设备上的数据。最后映像模块16映像此外部数据源的区块形式数据至一数据请求空间内，以响应上层的数据请求。这样就完成了一个数据请求到应答的过程，即虚拟了真实区块设备的数据获得过程。

图2显示了本发明的设备层的虚拟驱动系统由核心空间向用户空间传输数据的方式，下面结合图3说明虚拟区块设备18的外部数据源在本地端与远程端的传输方式。

图3为本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统的远程数据传输示意图，如图所示，在此实施例中，为了将远程端2下的数据虚拟至本地端1的虚拟区块设备18中，这里虚拟驱动系统10的数据传输模块15所建立的数据传送信道，并通过网络接口19在通讯的两端建立起通讯端点和伺服程序。如图所示，本地端1提供本地的数据传输以及协议处理，在远程端2也有一个媒体采集模块31来负责远程端数据源的采集和协议解析工作。因此，在数据源一端运行媒体采集模块31，可以执行对本地主机的区块设备虚拟操作，并根据本地端1发送过来的数据请求信息获取各种数据源，例如包含镜像档案32、CDROM设备33及软磁盘设备34在内的各种区块形式数据或可以转换为区块形式数据的媒体源。最后根据制订的相应网络数据协议封装发送，以响应本地的数据请求。

现在请参考图4，图4显示为本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统的硬件实现示意图。

由于本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统在设备驱动层模糊具体的驱动行为，只是将设备的属性建立起来，从上层系统及应用用户来看，与真实的设备驱动程序所做的事情没有什么区别。因此可以把功能抽象出来，并独立于上层系统和具体的设备形态。因此利用此独立性特点，可以将虚拟区块设备的功能移植到没有操作系统的硬件环境中。如图所示，在无操作系统的情况下，通过将虚拟驱动系统10、定制协议51、定制IP协议栈52及网络适配卡驱动53等整合至芯片集(chipset)50上，并提供主板设备数据总线40及芯片集50等硬件资源，进而依据具体的硬件条件来定制虚拟应用的具体协议实现在本地的设备虚拟。通过基本输入输出系统固件(BIOS F/W)连接功能芯片集50与主板设备数据总线40，并可实现BIOS检测等功能，这样虚拟出来的区块设备具备了本地真实的实体设备的功能。此外，通过局部局域网络接口54联系芯片集50与网络55，可以应用本发明的虚拟驱动系统于远程修复系统，远程获取实体资源，以及远程引导激活等基本功能。

此外，由于设备驱动所要求的速度往往不能得到网络速度足够的支持，因此整体实现方案在速度上可能存在很大的缺陷，因此在虚拟驱动中还需要一个优化性能模块，来提供只能查询并映像数据的功能。经过试验并分析数据，可以容易得到网络传输数据的速度同本地虚拟驱动程序数据传输的速度的比例。因此，本发明的虚拟驱动系统10还包含有一优化模块，其依据外部数据源的区块形式数据的传输速度与映像速度的比例加入一个缓冲池，并在每次上层数据请求到来时，判别所需数据是否存在于当前的缓冲池，如果存在则直接根据位移量来进行读写或搬移，如果不存在于当前缓冲池，则向驱动外部接口发出数据请求的信息，通过网络从远程获取缓冲池大小的数据块，以更新本地虚拟驱动中的缓冲池数据。从而优化外部数据源的区块形式数据的映像速度，使虚拟区块设备的驱动所要求的速度得到网络速度的支持。

图5为本发明的设备驱动层的虚拟驱动方法的方法流程图。

如图所示，首先依照设备驱动层的区块设备的数据请求指定一外部数据源(步骤101)；接着依照外部数据源的属性起始化一区块设备驱动的虚拟区块设备(步骤102)；然后依照外部数据源的档案属性，转换数据请求信息为外部数据源的对应数据请求信息(步骤103)。其中在转换数据请求信息时，提供有外部数据源的数据压缩排列方式及数据请求的数据映像的步骤。依照区块设备驱动层与外部数据源的通讯方式建立一数据传输信道，获取并传输外部数据源的区块形式数据至设备驱动层下(步骤104)；最后，映像获取的外部数据源至区块形式数据至数据请求空间中，以响应上层数据请求(步骤105)。此外，还包含依据外部数据源的区块形式数据传输速度及映像速度的比例优化外部数据源的区块形式数据的映像速度的步骤，以实现虚拟区块设备映像所要求的速度得到网络速度的支持。

本发明的设备驱动层的虚拟驱动系统及方法在一个虚拟的区块设备驱动程序中可实现对各种包括镜像档案的区块数据进行获取，通过诸如UDP协议的传输信道从用户空间获取区块形式的数据流，从而实现将镜像档案向一个区块设备驱动层的数据映像，同时也使得将一个镜像档案虚拟成一个实体块设备成为可能。本发明在传统技术的基础上，重点实现了在设备驱动层中令档案的形式透明化，模糊了用户空间的档案形式，使得用户空间的程序以更大的自由度，可以进行广泛的虚拟源媒体的开发；同时，档案个体与设备驱动完全分离，之间的数据形式完全是区块数据形式，使得用户空间的网络虚拟应用也成为了可能。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种设备驱动层的虚拟驱动系统，位于一设备驱动层，用以创建一虚拟区块设备，其特征在于，该虚拟驱动系统包含有：

一操作模块，用以依照该虚拟区块设备的一数据请求信息指定一外部数据源；

一媒体数据转换模块，用以依照该外部数据源的档案属性，转换该数据请求信息为该外部数据源的对应数据请求信息；

一数据传输模块，用以获取并传输该外部数据源的区块形式数据至该虚拟区块设备中；

一映像模块，用以映像该外部数据源的区块形式数据至一数据请求空间内，以响应该数据请求；

一注册模块，用以依照该外部数据源的档案属性起始化该虚拟区块设备；

一信息接口模块，用以执行对该虚拟区块设备的各种通用操作；以及

一命令协议模块，用以虚拟该虚拟区块设备的操作命令。

2、根据权利要求1所述的设备驱动层的虚拟驱动系统，其特征在于，还包含有一优化模块，其依据该外部数据源的区块形式数据的传输速度与映像速度的比例优化该外部数据源的区块形式数据的映像速度。

3、根据权利要求1所述的设备驱动层的虚拟驱动系统，其特征在于，该媒体数据转换模块提供该外部数据源的数据压缩排列方式及该数据请求的数据映像，以转换该数据请求信息。

4、根据权利要求1所述的设备驱动层的虚拟驱动系统，其特征在于，该虚拟驱动系统位于有操作系统的环境中。

5、根据权利要求1所述的设备驱动层的虚拟驱动系统，其特征在于，该虚拟驱动系统位于无操作系统的环境中。

6、根据权利要求1所述的设备驱动层的虚拟驱动系统，其特征在于，该数据传输模块依照与该外部数据源的通讯方式建立一数据传输信道，以传输该外部数据源的区块形式数据。

7、一种设备驱动层的虚拟驱动方法，该虚拟驱动方法包含下列步骤：

依照一设备驱动层的一区块数据请求的数据请求信息指定一外部数据源；

依照该外部数据源的档案属性起始化一虚拟区块设备；

依照该外部数据源的档案属性，转换该数据请求信息为该外部数据源的对应数据请求信息；

获取并传输该外部数据源的区块形式数据至该虚拟区块设备中；

映像该外部数据源的区块形式数据至一数据请求空间内，以响应该数据请求；

执行对该虚拟区块设备的各种通用操作；以及

进行虚拟该虚拟区块设备的操作命令。

8、根据权利要求7所述的设备驱动层的虚拟驱动方法，其特征在于，还包含提供该外部数据源的数据压缩排列方式及该数据请求的数据映像的步骤，以转换该数据请求信息。

9、根据权利要求7所述的设备驱动层的虚拟驱动方法，其特征在于，还包含依据该外部数据源的区块形式数据传输速度及映像速度的比例优化该外部数据源的区块形式数据的映像速度的步骤。

10、根据权利要求7所述的设备驱动层的虚拟驱动方法，其特征在于，还包含依照该区块设备驱动层与该外部数据源的通讯方式建立一数据传输信道的步骤，以传输该外部数据源的区块形式数据。

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