CN101425021A - 基于虚拟机技术的个人计算机可迁移应用模式 - Google Patents

Abstract

基于虚拟机技术的个人计算机可迁移应用模式属于计算机系统结构与应用技术领域；这种技术可以使得使用者在任意的普通PC机上随时恢复其个人的计算机系统操作环境、并访问其个人数据与文件。其特征在于：它是一种通过在个人计算机上预装或者通过便携式移动存储设备启动或光盘启动的方式用虚拟机监视器软件(Virtual Machine Monitor，VMM)启动计算机，然后通过访问远程网络服务器或者访问便携式移动存储以获得操作系统并在VMM之上启动之，接着访问便携式移动存储或者远程网络服务器以获取个人数据与运行状态并进行恢复的计算机应用模式。它在运行中的特征在于：通过虚拟机监视器软件在不同的个人计算机上虚拟出一个相兼容或相同的硬件层，在此之上运行操作系统，并可以保存当前运行状态并在其它运行同样虚拟机监视器软件的计算机上恢复。它的操作系统与应用程序的特征在于不是直接安装在个人计算机上，而是通过网络下载或者通过访问便携式移动存储获得且运行的。它的特征还在于个人数据与运行状态是通过网络下载，或者通过便携式存储设备获取的。

Description

基于虚拟机技术的个人计算机可迁移应用模式

技术领域

基于虚拟机技术的个人计算机可迁移应用模式(简称可迁移应用模式)属于计算机系统结构与应用领域。

背景技术

随着计算机软硬件技术的快速发展，个人计算机的硬件成本正在降低，网络基础环境也有了大幅改善，这一切使得人们在不远的未来更容易在各种场合使用到联网的个人计算机，但关键问题在于如何在这些不同的计算机上重现每个使用者所熟悉的其个人工作环境，包括个人数据文件、个人桌面、个人定制信息等。比如一个用户在家里有一个固定的windows工作环境以及个人数据文件，但当他出差、外出的时候，如何在任意地点、任意时间访问到其个人数据，包括仍旧使用其个人windows工作环境是个难点。目前存在的解决方案是基于服务器的瘦客户机计算模式：即用户所使用的机器是作为一个瘦客户机登录到服务器(可以是一台或多台专用的服务器，或者是用户的个人计算机)，客户机只作为图形终端使用，所有的应用与服务都运行在服务器上。但这种方式有两个问题：首先如果有多人登录的话，服务器的负载容易过重；再者，通过广域网的联接会引入很大的网络延迟，这个问题无法通过增加网络带宽来解决，因此用户体验可能很差。

发明内容

我们的发明专利的目的在于提供一种能够让使用者在任意的普通PC机上随时恢复其个人的计算机系统操作环境、并访问其个人数据与文件的计算机使用模式；而且不存在瘦客户机计算模式所引入的用户体验问题。

从根本上讲，我们认为个人计算机由计算机硬件、软件与个人数据/运行状态三部分组成。硬件部分的定义是显而易见的，软件指的是操作系统、应用软件等，其特点是相对稳定，不经常发生变化(但可能会有经常的升级)，且不同使用者之间的这些数据具有相当大的相似性。第三个指的是用户的个人数据文件、个人桌面、个人定制信息等，以及正在运行的计算机状态(举例而言，在笔记本电脑支持的休眠功能的实现中，其保存在硬盘上可用于恢复的那些状态就是一个典型的计算机状态数据)，这一类数据的特点是经常修改、且具有个性化特征。

设想一下，如果所有个人计算机的硬件、软件都是一样的(或相兼容的)，那么任何一个使用者的个人数据/运行状态就可能在任何计算机上得到恢复，也即个人工作环境可能随着用户进行迁移，在任何时间、任何地点都可以实现对相同的个人数据、个人定制、个人桌面设置的访问和使用，当然前提条件是个人数据/运行状态可以被访问到——这个可以通过网络下载或者随身携带的大容量便携式存储设备提供。

当然，这一设想(即所有计算机的硬件、软件都是一样的)是不可能在物理上真正实现的，因此我们的工作就是如何在现有的某些现实的技术手段上来实现这一设想。我们通过虚拟化技术、网络存储技术与便携式大容量存储设备实现了一个解决方案。

所谓虚拟机技术就是在计算机的硬件平台上运行一个用于资源管理的虚拟机监视器软件(VMM：Virtual Machine Monitor)，其通过虚拟化技术对计算机硬件资源进行划分，使它能够支持多个操作系统的并发执行(每个操作系统实例运行在一个虚拟机上)。现代计算机具有足够强大的能力来利用虚拟化技术支持多个虚拟机，并且在每个虚拟机上各自运行单独的操作系统实例。虚拟机技术使得个人计算机硬件成为相同或相兼容成为可能——因为虚拟机监视器软件向其上层的OS模拟了一个系统硬件层，这样不论物理硬件如何，模拟出的硬件可以一致；其次使得运行状态的保存与恢复成为可能——因为硬件层是软件模拟的，这就使得虚拟机监视器软件可以简单地获得系统状态并保存之。

另一方面，高速网络、包括无线网络建设日新月异，国内的主干网已经多次升级，新的居民小区、公共场所、酒店等都预设了高速接入端口，可以想象在不远的将来高速上网将是一个简单的、廉价的、无处不在的基础服务。同时，大容量的便携式存储设备(如移动硬盘、大容量的U盘等)的容量越来越大，而价格在相对降低。这样，就可以通过高速网络与/或大容量便携式存储设备来获得系统应用软件与/或个人数据与运行状态。

我们的根本思路是通过在个人计算机上预装或者通过USB启动或光盘启动的方式用虚拟机监视器软件启动计算机，然后通过网络服务器下载或者访问便携式存储设备来获得操作系统与应用软件并运行在该虚拟机监视器软件上，接着访问便携式存储设备或者远程网络服务器以获取个人数据与运行状态，就可以实现随时随地恢复个人的操作环境，包括对其个人数据、个人定制、个人桌面设置的访问和使用；且为普通用户免除现有的操作系统安转、升级等系统维护的经济及技术负担。

在一般用户看来，我们这个发明所带来的PC机应用模式是这样的：首先用户只需要随身携带一个启动型的USB便携存储设备(如优盘、USB移动硬盘等)，将其插入到可以使用USB启动的任意一台联网PC机上后，启动机器；然后输入用于身份认证的用户名与密码(这一步不是必须的)，就可以自动的在这台PC上恢复其最近一次使用该应用模式后(可能是在任意一台别的PC上)所保存的个人操作环境、并访问个人数据；当其结束操作并关机后，用户的最新个人操作环境以及此次操作涉及到的个人数据会被自动保存，以便下次使用时恢复。上述过程所涉及到的恢复/保存都是自动地由VMM通过存取远程网络存储服务器或者存取本地的便携存储设备进行的。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：

通过在个人计算机上预装或者USB/光盘启动的方式用虚拟机监视器软件启动计算机(从而可以虚拟出一个相兼容的计算机硬件)，然后通过高速网络或者访问便携式存储设备来在虚拟机监视器软件上启动用户所需的操作系统(这个过程可以采用p2p技术与本地缓存技术进行优化)。接着访问本地的大容量便携式存储设备或者远程网络以获取个人数据/运行状态并恢复，就可以现对相同的个人数据、个人定制、个人桌面设置的访问和使用；且为普通用户免除现有的操作系统安转、升级等系统维护的经济及技术负担。当用户结束本次使用时，可以选择通过网络或者在本地便携式存储设备上保存当前运行状态以备下次恢复时使用。同时其修改过的个人数据也会得以保存并在下次使用时被访问。

其主要的创新点如下：

1.使用虚拟机监视器软件在个人计算机上虚拟出硬件层，并通过虚拟机监视器软件支持个人运行状态数据的保存与恢复。

2.通过网络下载或者访问便携式存储设备获得操作系统与应用软件，并在虚拟机监视器软件上运行；而不是直接在机器上安装相应的操作系统与应用软件。

3.通过网络或者便携式存储设备访问个人的运行状态数据或个人数据。

本发明所述的应用模式，其特征在于：

它利用虚拟机监视器软件(Virtual Machine Monitor，VMM)启动个人计算机，并利用VMM在不同的个人计算机上虚拟出一个相兼容的或相同的硬件层，在此之上运行通用操作系统与应用软件，并可以保存/恢复个人计算机运行状态数据与个人数据。

本发明所述的虚拟机监视器软件，其特征在于：

它可以将一台计算机的硬件资源虚拟分割成一个或多个虚拟的硬件层，并提供多用户对计算机的同时访问。它是预装于个人计算机之上，或者是预装于可移动存储设备(包括U盘、移动硬盘)及光盘上；通过本地启动，或者USB/光盘等方式启动。它可以保存其上运行的当前操作系统的运行状态，并可以在其它运行同样虚拟机监视器软件的计算机上恢复。

本发明所述的运行于虚拟机监视器软件之上的操作系统与应用软件，其特征在于：

操作系统与应用程序不是直接安装在个人计算机上，而是由虚拟机监视器软件通过网络服务器下载或者通过访问便携式存储设备获得且运行的。

本发明所述的个人计算机运行状态数据与个人数据，其特征在于：

这些运行状态数据与个人数据是通过网络服务器下载或者是通过使用者的便携式存储设备提供的。

附图说明

图1，本发明所述的系统的结构图。

说明：本发明涉及到的功能模块有三个：个人计算机、网络服务器与便携式存储设备。个人计算机即为普通的x86计算机，但需能够通过USB启动，或者通过光盘启动，或者本身装有虚拟机监视器软件并可以由该软件启动。

网络服务器用于存储操作系统与应用程序数据，个人计算机能够与其相连接并传输数据。便携式存储设备用于保存个人数据与计算机运行状态。

其中网络服务器与便携式存储设备不都是必须的，但两者至少必居其一：如果没有便携式存储设备，这些个人数据与运行状态则存储在网络服务器上并下载使用。反过来，如果没有网络存储，那么必须有便携式存储设备，除了保存个人数据与运行状态外，还保存操作系统与应用程序。

同时如果个人计算机本身没有安装虚拟机监视器软件，则必须有便携式存储设备，而且该设备安装有可启动的虚拟机监视器软件。

图2，本发明所述系统的运行流程框图。

具体实施方式

首先，我们将个人计算机的主要部分划分成硬件\软件\个人数据与状态三个部分，并采用不同的技术方式实现其迁移性。

●采用虚拟机技术实现个人计算机的硬件虚拟化，使个人应用计算环境具有可保存/恢复的特性，从而使得在任何时间、任何地点访问个性化数据成为可能。

●使用大规模分布式网络存储/或者便携式存储设备实现软件\个人数据与状态的可迁移性。

●使用高速网络下载操作系统与应用软件并运行。

以下详细叙述这几个方面的具体实现。

虚拟机技术实现硬件虚拟化

现代计算机具有足够强大的能力来利用虚拟化技术支持多个虚拟机(VM：virtualmachines)，并且在每个虚拟机上各自运行单独的操作系统实例。在此，我们以一个开放源代码的虚拟机软件，XEN，为例来介绍如何实现我们的发明。

Xen是在剑桥大学作为一个研究项目被开发出来的，它已经在开源社区中得到了极大的推动。Xen最初是一款半虚拟化(paravirtualizing)VMM(虚拟机监视器软件，Virtual MachineMonitor)，这表示，为了调用系统管理程序，要有选择地修改操作系统，然而却不需要修改操作系统上运行的应用程序。但最新的XEN 3.0版，可以在支持Intel或者AMD的支持VirtualTechnology技术的新CPU(如Intel的VT和AMD的Pacifica处理器)上运行不经修改的操作系统，包括Windows XP系统。Xen的开发者在2005年8月在Intel开发者论坛(IDF)上发表声明说，它已经利用Intel的VT-Enabled平台和Xen技术虚拟化了Linux和Windows XPSP 2。

首先，我们介绍如何利用Xen来启动个人计算机，并在此之上启动操作系统(以ttylinux为例)，并如何进行操作系统的状态保存与异地恢复。ttylinux是一个很小的(但完整的)的Linux版本，可以只用4M空间就把整个Linux安装完。在这个例子中我们共使用了三台联网的个人计算机，一台作为文件服务器提供运行在虚拟机上的操作系统与应用软件，已经安装有Linux；两台运行虚拟机，并用于演示操作系统的状态保存与异地恢复，已经安装有Linux。

在这两台要运行虚拟机的个人计算机上安装XEN，主要步骤如下：

1.1 准备所需软件：Xen二进制安装包：xen-2.0.7-install-x86_32.tgz和Xen源代码包：xen-2.0.7-src.tgz，以及Xen User’s manual文档中说明的必须软件。这些软件包可以从http://www.xensource.com/下载得到。

我们以从二进制包安装的为例——解压后执行install.sh安装(它会检测所需软件是否齐全，否则不会安装)。

1.2 修改启动配置/boot/grub/grub.conf(以下是针对2.4内核和我的128M内存的机器的，Xen大概占了12M左右，若是2.6内核和更大的内存则进行相应修改，推荐使用256或更多的内存)

添加：

title Xen 2.0/XenLinux 2.4

kernel/boot/xen-2.0.gz dom0_mem＝53248

module/boot/vmlinuz-2.4-xen0 root＝/dev/hda2 ro console＝tty0

1.3 测试Xen，配置ttylinux

1)、下载并解压ttylinux(http://sf.net/projects/xen/)到文件服务器上。

#cd/tmp

#wget http://jaist.dl.sourceforge.net/sourceforge/xen/ttylinux-xen.bz2

#bzip2-d ttylinux-xen.bz2

#mount ttylinux-xen/mnt-o loop

在/etc/export文件中增添一行，

/mnt1.2.3.4/24(rw，sync，no_root_squash)

启动文件服务器上的NFS服务。

2)、在个人计算机上创建配置文件：/etc/xen/auto/ttylinux

内容：

kernel＝″/boot/vmlinuz-2.6-xenU″

memory＝64

name＝″ttylinux″

nics＝1

ip＝″1.2.3.4″

root＝“/dev/nfs”#指定使用远程的文件服务器

nfs_server＝“2.3.4.5”#文件服务器的IP

nfs_root＝’/mnt’

如果/boot里面没有vmlinuz-2.6-xenU或vmlinuz-2.4-xenU，可以从Xen的二进制安装包/boot目录中得到

3)、重新启动，进入XenLinux，执行命令，创建domain(就是启动一个虚拟的ttylinux)

#xend start

#xm create/etc/xen/auto/ttylinux -c

(查看xm的详细用法：

#xm help)

如果ttylinux顺利启动进入login界面，且能ping得到，证明安装成功了.

至此，我们在两台个人计算机上安装了XEN，以及XEN上要运行的linux操作系统，同时该操作系统启动后的数据、软件都通过NFS服务从远程的文件服务器上获得。

接下来要进行一定的配置工作使得上面安装在个人计算机上的XEN以及linux操作系统安装到U盘上，并用该U盘启动。

首先计算机的主板必须要支持USB硬盘的启动方式，并且所使用的优盘是启动型优盘。

再者要注意可能需要重新编译XEN修改过的Linux内核。由于要支持优盘启动，必须将SCSI设备、usbcore、usb-storage、Loopback device support、RAM disk support和initrd等编译到内核中。主要步骤如下：

1.建立initrd.img文件

# mkdir-p/mnt/initrd

# cd/tmp

# mkinitrd/tmp/initrd.gz2.4.20-usb

2.解压initrd.img文件，修改启动脚本linuxrc

# gunzip initrd.gz

# mount-o loop/tmp/initrd/mnt/initrd

# cp/sbin/busybox/mnt/initrd/bin

# cd/mnt/initrd/bin

# ln-s′busybox sleep

# vi/mnt/initrd/linuxrc

加入如下内容：

echo’wait 3 seconds.....’

/bin/sleep 3

3.测试编译的内核是否正常启动

测试编译的内核是否正常启动，以及在启动过程中是否可看见优盘的相关信息。

然后开始建立建立优盘启动盘：

1.将优盘分成两个分区

留给Linux分区容量大小完全取决于安装哪些系统维护工具与XEN虚拟机及其相关命令的大小，结果如下：

# modprobe usb-storage

# fdisk-l/dev/sda

Disk/dev/sda：16 heads，63 sectors，126 cylinders

Units＝cylinders of 1008*512 bytes

Device Boot Start End Blocks Id System

/dev/sda1   1   102    51376+    6   FAT16

/dev/sda2   103 126    12096     83 Linux

2.建立与生成ext2分区

# mke2fs-m 0/dev/sda2

# mkdir -p/mnt/sda2

# mount/dev/sda2/mnt/sda2

# cd/mnt/sda2

3.建立boot目录

将编译好的内核与initrd-2.4.20-usb.img文件拷贝到boot目录、编译好的模块拷贝到lib/modules目录，以及将/boot/grub的文件拷贝到boot目录，编辑boot/grub/menu.lst文件，内容如下：

    timeout 10

    color 0 x 17 0 x 70

    default 0

    title Windows 98

    rootnoverify(hd0，0)

    makeactive

    chainloader+1

    title GNU/Linux Redhat 8.0(2.4.20-usb)

root(hd0，1)

    kernel/boot/vmlinuz-2.4.20-usb ro root＝/dev/sda2

    initrd/boot/initrd-2.4.20-usb.img

安装grub，具体操作如下：

grub>root(hd1，1)

grub>setup(hd1)

4.建立bin目录

根据自工作的需要拷贝系统维护工具，如insmod、fsck和mkdosfs等实用程序，以及XEN所需的控制命令程序和vmlinuz-2.6-xenU或vmlinuz-2.4-xenU。一定要注意使用ldd命令检查那些共享库文件，这些文件需要按照原来的路径拷贝到lib目录。由于受到磁盘空间的限制，使用busybox命令代替一些常见的Linux命令，主要原因就是busybox文件非常小，并且是静态链接的，包括许多常见的Linux命令(如cat、init、ifconig、route)用ln-sbusybox建立这些文件的符号联接。可以根据个人需要重新编译busybox，包括vi等命令，也可以使用小巧的e3代替vi。

5.建立dev目录

使用cp-a命令拷贝常用的设备文件，包括console、tty1、tty2、tty3sda、sda1、sda2、hda、hdb和hda1等设备文件。

6.编辑etc/init.d/rcS

内容如下：

#！/bin/sh

PATH＝/sbin：/bin

export PATH

mount -n -t proc none/proc

umount/ini trd

mount -n -o remount，rw/

mount -n -o remount，rw -t proc none/proc

ifconfig lo 127.0.0.1

7.编辑etc/fstab文件

内容如下：

/dev/sda2/ext2 defaults1 1

none/proc proc defaults0 0

至此，可以用该U盘在个人计算机上启动XEN(即虚拟机监视器软件)来实现硬件虚拟化，并可以在此之上运行linux操作系统(如下一部分所述)。

操作系统的状态保存与异地恢复

用前述的U盘启动个人计算机后，便可以进入XenLinux，执行命令，创建domain(就是启动一个虚拟的ttylinux)

#xend start

#xmcreate/etc/xen/auto/ttylinux -c

此时ttylinux就是在虚拟机上运行的操作系统，其内核是放置在该U盘上的，而根目录(包括所用的应用软件与数据)都是从远程的网络文件服务器获得的。

然后挂载u盘文件系统：

# mount/dev/sda2/mnt/sda2

接着用如下命令保存正在运行的ttylinux的状态到u盘上。

#xm save ttylinux/mnt/sda2/state.dat

关闭该机器后，可以在另外一台个人计算机上用该u盘启动，然后挂载u盘文件系统：

# mount/dev/sda2/mnt/sda2

接着用如下命令恢复保存在u盘上的上次ttylinux的运行状态：

#xm restore/mnt/sda2/state.dat

使用大规模分布式网络存储/或者便携式存储设备实现软件\个人数据与状态的可迁移性。

前述内容中已经实现了这一点。个人数据是在远程文件服务器上的，而状态数据在u盘上，只要用户携带有该u盘且能够上网，就可以访问这些数据。当然也可以将个人数据全部放在u盘上；或者将状态数据放在远程服务器上。

操作系统与应用软件的可迁移性

前述内容中已经实现了这一点，操作系统内核是放置在便携式存储设备中的(U盘)，而应用软件是在远程文件服务器上的。只要用户携带有该u盘且能够上网，就可以访问这些数据。

Claims (5)

1.基于虚拟机技术的个人计算机可迁移应用模式，其特征在于：

它利用虚拟机监视器软件，Virtual Machine Monitor，简写为VMM，启动个人计算机，并利用VMM在不同的个人计算机上虚拟出一个相兼容或相同的硬件层，在此之上运行通用操作系统与应用软件，并可以保存/恢复个人计算机运行状态与个人数据。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟机技术的个人计算机可迁移应用模式中的虚拟机监

视器软件，其特征在于：

其可以将一台计算机的硬件资源虚拟分割成一个或多个虚拟的硬件层，并提供多用户对计算机的同时访问。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟机技术的个人计算机可迁移应用模式中的虚拟机监

视器软件，其特征还在于：

它是预装于个人计算机之上，或者是预装于便携式移动存储设备(包括U盘、移动硬盘)及光盘上，通过本地启动、或者USB启动、或者光盘启动等方式启动。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟机技术的个人计算机可迁移应用模式中的操作系统

与应用软件，其特征在于：

操作系统与应用程序不是直接安装在个人计算机上，而是由虚拟机监视器软件通过网络服务器下载或者访问便携式移动存储获得且运行于VMM之上的。

5根据权利要求1所述的基于虚拟机技术的个人计算机可迁移应用模式中的虚拟机监

视器软件，其特征还在于：

它可以保存其上运行的当前操作系统的运行状态，并可以在其它运行同样虚拟机监视器软件的计算机上恢复。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟机技术的个人计算机可迁移应用模式中的个人计算

机运行状态数据与个人数据，其特征在于：

这些运行状态数据与个人数据是通过网络服务器下载、或者是通过使用者的便携式移动存储设备提供的。

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