CN101794235B - 基于操作系统网络驱动的无盘计算机启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于操作系统网络驱动的无盘计算机启动方法，目的是解决现有无盘计算机启动方法需要依赖底层BIOS网络驱动和通信协议导致的问题。技术方案是先生成嵌入式操作系统内核，接着生成支持目标操作系统下载、存储和启动的文件系统映像，然后将嵌入式操作系统映像放入USB设备或固化到计算机主板的Flash中，再配置服务器，最后利用操作系统层的网络驱动和通信协议启动无盘计算机。在无盘计算机的启动过程中，先启动嵌入式操作系统，然后由嵌入式操作系统负责目标操作系统的下载、存储和启动。采用本发明解决了BIOS不能及时有效支持NIC驱动和通信协议的技术限制，避免了在BIOS中开发NIC驱动和通信协议的开销，启动开销小。

Description

基于操作系统网络驱动的无盘计算机启动方法

技术领域

本发明涉及在无盘计算机上加载和运行操作系统的方法。 

背景技术

通常情况下，计算机的操作系统加载和启动都采用基于磁盘的启动方式，也就是常说的“有盘启动”方式。在有盘启动方式中，计算机带有本地磁盘，启动时主板上的固件程序Firmware或基本输入输出系统BIOS(Basic Input Output System)直接从本地硬盘的引导区加载启动引导程序Bootloader，再由Bootloader加载和启动操作系统。然而，在许多应用领域计算机不带本地磁盘，这些无本地磁盘的计算机需要采用从远程服务器加载和运行操作系统的“无盘启动”方式。 

采用无盘启动方式具有维护简单、安全性高等特点，主要的应用领域包括：(1)证券、教育、网吧、酒店、KTV等领域：为了管理和维护方便，或是出于安全性的考虑，这些应用领域多采用无盘工作站的运行模式，无盘工作站需要采用无盘启动方式进行管理和运行；(2)高性能计算领域：在构建大规模高性能并行计算机系统时，由于无盘计算结点I/O接口少、结点机耗电量低、占用的空间小，这使得高性能计算机的结点机设计相对简单，系统组装密度高，管理和维护简单，因此高性能并行计算机系统的计算结点多为无盘结构，需要采用无盘启动方式。单个无盘工作站或无盘高性能计算结点机称为无盘计算机，在无盘计算机上最终启动的操作系统称为目标操作系统。 

在无盘启动方式中，由于计算机没有本地硬盘，因此其目标操作系统需要从远程服务器加载，即从远程服务器下载目标操作系统的映像，然后启动目标操作系统。为了实现无盘启动，无盘计算机必须提供可支持远程加载操作系统映像的网络设备驱动和通信协议。传统的基于PXE(Preboot eXecution Environment，远程预启动执行环境)标准的无盘计算机启动方法包括以下步骤： 

第一步、编写BIOS层的网络驱动和通信协议。针对无盘计算机的体系结构特点，编写BIOS层的网络驱动和通信协议，以支持远程操作系统加载。 

第二步、固化BIOS层的网络驱动和通信协议。将BIOS层的网络驱动和通信协议代 码通过硬件烧录器写入固化部件中。目前有两种实现方式，一是在网络通信控制卡NIC(Network Interface Controller)上设计远程启动固化部件，然后将BIOS层的网络驱动与通信协议写入远程启动固化部件；二是直接将BIOS层的网络驱动和通信协议写入BIOS固化部件中。 

第三步、配置服务器。在服务器上配置无盘启动所需的DHCP服务和文件传输服务，并放置目标操作系统映像： 

3.1准备无盘计算机启动所需的目标操作系统映像，具体内容由目标操作系统的类型及用户需求决定； 

3.2配置DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议)服务，用于向无盘计算机动态分配IP地址； 

3.3配置文件传输服务，并在该服务的工作目录下放置目标操作系统映像。 

第四步、利用BIOS层的网络驱动和通信协议启动无盘计算机。完成前面的三个步骤后，每次启动无盘计算机，需要完成如下流程： 

4.1无盘计算机加电； 

4.2无盘计算机的Firmware或BIOS固件初始化硬件系统，并扫描网络设备； 

4.3如果网络驱动和通信协议固化在BIOS中，则从BIOS固化部件中加载BIOS层的网络驱动与通信协议，转步骤4.5； 

4.4如果网络驱动和通信协议固化在NIC的远程启动部件中，则从远程启动部件加载BIOS层的网络驱动和通信协议，转步骤4.5；否则，由于没有网络驱动和通信协议的支持，无盘计算机的远程启动失败，启动过程终止； 

4.5利用BIOS层通信协议与服务器通信，访问服务器上的DHCP服务，为无盘计算机获取一个IP地址； 

4.6下载目标操作系统映像：利用BIOS层通信协议访问服务器上的文件传输服务，下载目标操作系统映像至无盘计算机的内存中； 

4.7利用引导程序加载并启动目标操作系统，完成无盘计算机的启动。 

这种无盘启动方法依赖BIOS固件或NIC远程启动部件中的网络驱动和通信协议支 持，可称为基于BIOS网络驱动的无盘计算机启动方法。这种无盘计算机启动方法的关键是在加载目标操作系统之前，需要在BIOS层提供对网络驱动和相关通信协议的支持。在实际使用中，这种无盘启动方式存在如下缺陷： 

1)无盘计算机的硬件配置严重受限于BIOS对NIC的支持程度。作为计算机系统必不可少的设备，NIC型号发展迅速，各种NIC层出不穷。这种无盘启动方式要求在BIOS层使用NIC和通信协议，而BIOS层的NIC驱动程序的开发和更新速度远远跟不上操作系统层驱动程序的开发速度，从而使得BIOS层可支持的NIC种类十分有限，导致构建无盘工作站或高性能计算机系统时，计算机主板和NIC的可选种类很少，甚至可能由于NIC无法满足要求而导致无法构建无盘工作站或高性能计算机系统； 

2)体系结构适配性差。采用厂家提供的BIOS层NIC驱动模块往往是针对X86微处理器设计的。如果无盘计算机采用非X86体系结构的处理器，例如SPARC、MIPS等，厂家提供的NIC驱动模块将无法运行。虽然采用中间语言来设计BIOS层的NIC驱动日趋增加，但是许多NIC驱动还是采用与体系结构相关的语言实现的，所以，传统基于BIOS网络驱动的无盘启动方式对体系结构的适配性很差。 

3)在BIOS层开发NIC驱动和通信协议的周期长，成本高。在某些计算机系统研制中，如果使用了标准BIOS不支持的新NIC，特别是在某些专用计算机系统研制中采用了自研的NIC，就必须在BIOS层和操作系统层同时开发NIC驱动，甚至包括通信协议。而这两个层面的驱动规范和实现方式完全不同，且与在操作系统层面开发NIC驱动程序相比，在BIOS层开发和调试NIC驱动编码量大、调试困难。 

所以，采用现有的基于BIOS网络驱动的无盘计算机启动方法存在设备选型受限、体系结构支持能力有限和软件开发周期长等缺陷。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前基于BIOS网络驱动的无盘计算机启动方法需要依赖底层BIOS网络驱动和通信协议导致的问题，提出基于高层操作系统网络驱动的无盘启动方法，解决设备选型受限、体系结构支持能力有限和软件开发周期长的问题。 

本发明的技术方案是： 

第一步、生成嵌入式操作系统内核： 

1.1在嵌入式操作系统内核中提供对NIC网络驱动和运行环境的支持：在配置嵌入式操作系统内核时，选择无盘计算机NIC驱动对应的选项。(例如，对于嵌入式Linux操作系统，NIC驱动代码放置在Linux源码目录下，配置选项CONFIG_E1000表示支持Intel的PRO/1000网卡系列。) 

1.2配置嵌入式操作系统内核：在配置过程中，除了配置操作系统内核必需的基本模块外，还需要配置体系结构支持模块(例如，CONFIG_X86_64、CONFIG_64BIT、CONFIG_X86等配置选项表示支持至强x86-64平台)、文件系统映像支持模块(例如，Linux内核配置选项CONFIG_BLK_DEV_RAM、CONFIG_BLK_DEV_INITRD、CONFIG_BLK_DEV_RAM_COUNT、CONFIG_BLK_DEV_RAM_SIZE、CONFIG_BLK_DEV_RAM_BLOCKSIZE表示支持内存盘RamDisk文件系统映像)、内存文件系统(RamFS)模块(例如，配置选项CONFIG_TMPFS)、下载目标操作系统映像所需的通信协议模块(例如，CONFIG_INET及其下面的子选项表示支持TCP/IP协议)和内核切换功能模块(例如，配置选项CONFIG_KEXEC)。 

第二步、生成支持目标操作系统下载、存储和启动的文件系统映像：为了支持目标操作系统的下载、存储与启动，文件系统映像除了包括构建用户运行环境的基本系统命令和配置文件外，还需要包括文件传输工具、内存文件系统信息、目标操作系统下载与启动脚本，以提供如下三个功能：支持文件传输；支持内存文件系统；支持内核切换，具体方法是： 

2.1准备文件传输工具：将ftp客户端、远程文件拷贝工具放入文件系统映像中(例如，将tftp，scp工具拷入文件系统映像中)； 

2.2提供对内存文件系统的支持：为了存放从服务器下载的目标操作系统映像，需要建立一个空间比较大的存储目录，本发明将下载的目标操作系统映像存放在无盘计算机的内存中，为此，嵌入式操作系统需要支持内存文件系统，具体方法是将内存文件系统的信息写入文件系统信息表fstab(File Systems Table)中。例如，对于嵌入式Linux操作系统，在Ramdisk文件系统映像的/etc/fstab文件中加入如下内存文件系统信息： 

tmpfs    /dev/shm   tmpfs defaults    00 

使得嵌入式操作系统启动后，提供一个具有较大空间的存储目录/dev/shm； 

2.3编写自动下载和启动目标操作系统的脚本文件，脚本文件中包括文件下载命令和内核切换命令： 

2.3.1编写文件下载命令，该命令负责从服务器下载目标操作系统映像，并将其保存到无盘计算机的内存文件系统中。如2.2的例子，无盘计算机的内存文件系统位于/dev/shm目录下，假设目标操作系统为Linux，服务器地址为192.168.1.100，文件传输服务为scp，则需下载的目标操作系统映像包括内核文件kernel.gz和Ramdisk映像文件initrd.gz，脚本命令如下： 

scp 192.168.1.100：/tftpboot/kernel.gz  /dev/shm 

scp 192.168.1.100：/tftpboot/initrd.gz  /dev/shm 

该脚本通过远程文件拷贝，将目标操作系统映像下载至本地/dev/shm目录中。 

2.3.2编写内核切换命令，该命令负责将正在执行的嵌入式操作系统切换为目标操作系统，从而启动目标操作系统。例如，对于2.3.1的例子，内核切换的脚本命令为： 

kexec-I/dev/shm//kernel.gz--initrd＝/dev/shm/initrd.gz--append＝″ro root＝/dev/ram0 

console＝ttyS0，115200″ 

该命令将原来的嵌入式操作系统切换为/dev/shm下的目标操作系统。 

第三步、将嵌入式操作系统映像(包括第一步生成的嵌入式操作系统内核和第二步生成的文件系统映像)放入USB设备或固化到计算机主板的Flash即闪存中： 

3.1如果将嵌入式操作系统映像放入主板的Flash中，则将嵌入式操作系统内核和文件系统映像直接固化到主板的Flash中； 

3.2如果将嵌入式操作系统映像放入USB设备，则先将USB设备制作为启动盘，然后将嵌入式操作系统内核和文件系统映像放置到USB设备的/boot目录下； 

第四步、配置服务器。在服务器上配置无盘启动所需的DHCP服务和文件传输服务，并放置目标操作系统映像(这一步骤与背景技术中基于BIOS网络驱动的无盘启动方法的第三步相同)： 

4.1准备无盘计算机启动所需的目标操作系统映像，具体内容由目标操作系统的类型及用户需求决定； 

4.2配置DHCP服务，该服务用于向无盘计算机动态分配IP地址； 

4.3配置文件传输服务，并在该服务的工作目录下放置目标操作系统映像。 

第五步、利用操作系统层的网络驱动和通信协议启动无盘计算机。完成前面的四个步骤后，每次启动无盘计算机，需要完成如下流程： 

5.1无盘计算机加电； 

5.2无盘计算机的Firmware固件或BIOS固件初始化硬件系统，并扫描网络设备； 

5.3如果嵌入式操作系统的引导程序位于主板的Flash中，则通过该引导程序加载Flash中的嵌入式操作系统，转步骤5.5； 

5.4如果嵌入式操作系统的引导程序位于USB设备中，则通过该引导程序加载USB设备中的嵌入式操作系统，转步骤5.5；否则，由于没有网络驱动和通信协议的支持，无盘计算机远程启动失败，启动过程终止； 

5.5嵌入式操作系统加载操作系统层的网络驱动和通信协议； 

5.6根据文件系统信息表中的内存文件系统信息，创建内存文件系统，该文件系统即为目标操作系统映像的存储环境； 

5.7利用操作系统层通信协议与服务器通信，访问服务器上的DHCP服务，为无盘计算机获取一个IP地址； 

5.8执行步骤2.3.1所准备的文件下载命令，利用操作系统层通信协议访问服务器上的文件传输服务，下载目标操作系统映像至无盘计算机的内存文件系统中； 

5.9执行步骤2.3.2所准备的内核切换命令，通过内核切换工具启动目标操作系统，完成无盘计算机的启动。 

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果： 

1)摆脱了BIOS不能及时有效支持NIC驱动和通信协议的技术限制。采用本发明进行无盘计算机启动时只需要在操作系统层使用网络驱动和通信协议，操作系统对NIC的支持远远强于BIOS，可以很方便地获得源码或二进制码形式的NIC设备驱动。此外，操作系统层具有丰富的、成熟稳定的通信协议，可以灵活地选择最适合的通信方式下载操作系统映像。所以，采用本发明可以有效支持目前绝大多数的通信设备，从而扩大了无盘计算机系统可采用的通信设备的选择范围。 

2)避免了在BIOS中开发NIC驱动和通信协议的开销。操作系统对于驱动程序的开发已经有着一套成熟完整、易于理解的驱动开发框架，对于操作系统没有支持的通信设备(如自研NIC设备、新的NIC设备等)，在操作系统层开发与调试其驱动程序和通信协议，其开发难度、调试环境都大大优于BIOS层网络驱动和通信协议的开发与调试。由于在操作系统中开发NIC驱动和通信协议是必须的工作，采用本发明可以避免再在BIOS中开发NIC驱动和通信协议，大幅度降低开发周期，节约人力物力开销。 

3)启动开销小。由于本发明中嵌入式操作系统的功能是支持目标操作系统映像的下载、存储和启动，嵌入式操作系统映像可以针对上述功能进行定制，所以具有功能简单、体积小的特点。实现中，USB设备或Flash中所加入的嵌入式操作系统内核和文件系统映像的尺寸在8MB以下。无盘计算机的启动时间虽然增加了嵌入式操作系统启动的时间开销，由于嵌入式操作系统功能简单，增加的启动开销一般在30秒以下，相对于目标操作系统的启动时间，嵌入式操作系统的启动时间开销可以忽略不计。 

附图说明

图1是背景技术基于BIOS网络驱动的无盘计算机启动方法的总体流程图； 

图2是图1所示方法中第四步的详细流程图； 

图3是本发明基于操作系统网络驱动的无盘计算机启动方法的总体流程图； 

图4是图3所示方法中第五步的详细流程图。 

具体实施方式

图1是背景技术基于BIOS网络驱动的无盘计算机启动方法的总体流程图。具体实施如下： 

第一步、编写BIOS层的网络驱动与通信协议； 

第二步、固化BIOS层的网络驱动与通信协议； 

第三步、配置服务器：包括配置DHCP服务，文件传输服务，并将目标操作系统映像放置在文件传输服务的工作目录下； 

第四步、利用BIOS层的网络驱动和通信协议启动无盘计算机。 

图2是图1所示方法的步骤4利用BIOS层网络驱动和通信协议启动无盘计算机的流程图，具体步骤如下： 

步骤4.1)、无盘计算机加电； 

步骤4.2)、初始化硬件系统，并扫描网络设备； 

步骤4.3)、如果网络驱动和通信协议固化在BIOS中，则从BIOS固化部件中加载BIOS层的网络设备驱动与通信协议，转步骤4.5； 

步骤4.4)、如果网络驱动和通信协议固化在NIC的远程启动部件中，则从远程启动部件加载BIOS层网络设备驱动和通信协议，转步骤4.5；否则，由于没有网络驱动和通信协议的支持，无盘计算机的远程启动失败，启动过程终止； 

步骤4.5)、利用BIOS层通信协议与服务器通信，访问服务器上的DHCP服务，为无盘计算机获取一个IP地址； 

步骤4.6)、利用BIOS层通信协议访问服务器上的文件传输服务，下载目标操作系统映像至无盘计算机的内存中； 

步骤4.7)、利用引导程序加载并启动目标操作系统，完成无盘计算机的启动。 

图3是本发明基于操作系统网络驱动的无盘计算机启动方法的总体流程图。具体实施如下： 

第一步、生成嵌入式操作系统内核； 

第二步、生成文件系统映像； 

第三步、构建嵌入式操作系统的USB启动盘，或将嵌入式操作系统映像固化到主板的Flash中； 

第四步、配置服务器，包括配置DHCP服务，文件传输服务，并将目标操作系统映像放置在文件传输服务的工作目录下； 

第五步、利用操作系统层的网络驱动与通信协议启动无盘计算机。 

图4是本发明方法第五步利用操作系统层的网络驱动和通信协议启动无盘计算机的流程图，具体步骤如下： 

步骤5.1)、无盘计算机加电； 

步骤5.2)、初始化硬件系统，并扫描网络设备； 

步骤5.3)、如果嵌入式操作系统的引导程序位于主板的Flash中，则启动Flash中的嵌入式操作系统，转步骤5.5； 

步骤5.4)、如果嵌入式操作系统的引导程序位于USB设备中，则启动USB设备中的嵌入式操作系统，转步骤5.5；否则，由于没有网络驱动和通信协议的支持，无盘计算机启动失败，启动过程终止； 

步骤5.5)、嵌入式操作系统加载操作系统层的网络驱动和通信协议； 

步骤5.6)、根据文件系统信息表中的内存文件系统信息，创建本地内存文件系统； 

步骤5.7)、利用操作系统层通信协议访问服务器上的DHCP服务，为无盘计算机获取一个IP地址； 

步骤5.8)、利用操作系统层通信协议访问服务器上的文件传输服务，下载目标操作系统映像至本地内存文件系统中； 

步骤5.9)、执行内核切换命令，启动目标操作系统，完成无盘计算机的启动。 

Claims (1)

1.一种基于操作系统网络驱动的无盘计算机启动方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、生成嵌入式操作系统内核：

1.1在嵌入式操作系统内核中提供对网络通信卡NIC网络驱动和运行环境的支持：在配置嵌入式操作系统内核时，选择无盘计算机NIC驱动对应的选项；

1.2配置嵌入式操作系统内核：除了配置操作系统内核必需的基本模块外，还配置体系结构支持模块、文件系统映像支持模块、内存文件系统模块、下载目标操作系统映像所需的通信协议模块和内核切换功能模块；

第二步、生成支持目标操作系统下载、存储和启动的文件系统映像：

2.1准备文件传输工具：将ftp客户端、远程文件拷贝工具放入文件系统映像中；

2.2提供对内存文件系统的支持：将内存文件系统的信息写入文件系统信息表中；

2.3编写自动下载和启动目标操作系统的脚本文件，脚本文件中包括文件下载命令和内核切换命令：

2.3.1编写文件下载命令，该命令负责从服务器下载目标操作系统映像，并将其保存到无盘计算机的内存文件系统中；

2.3.2编写内核切换命令，该命令负责将正在执行的嵌入式操作系统切换为目标操作系统，从而启动目标操作系统；

第三步、将嵌入式操作系统映像即第一步生成的嵌入式操作系统内核和第二步生成的文件系统映像放入USB设备或固化到计算机主板的Flash即闪存中：

3.1如果将嵌入式操作系统映像放入主板的Flash中，则将嵌入式操作系统内核和文件系统映像直接固化到主板的Flash中；

3.2如果将嵌入式操作系统映像放入USB设备，则先将USB设备制作为启动盘，然后将嵌入式操作系统内核和文件系统映像放置到USB设备的/boot目录下；

第四步、配置服务器，在服务器上配置无盘启动所需的DHCP即动态主机配置协议服务和文件传输服务，并放置目标操作系统映像： 

4.1准备无盘计算机启动所需的目标操作系统映像，具体内容由目标操作系统的类型及用户需求决定；

4.2配置DHCP服务；

4.3配置文件传输服务，并在该服务的工作目录下放置目标操作系统映像；

第五步、利用操作系统层的网络驱动和通信协议启动无盘计算机：

5.1无盘计算机加电；

5.2无盘计算机的Firmware固件或BIOS固件初始化硬件系统，并扫描网络设备；

5.3如果嵌入式操作系统的引导程序位于主板的Flash中，则通过该引导程序加载Flash中的嵌入式操作系统，转步骤5.5；

5.4如果嵌入式操作系统的引导程序位于USB设备中，则通过该引导程序加载USB设备中的嵌入式操作系统，转步骤5.5；否则，由于没有网络驱动和通信协议的支持，无盘计算机远程启动失败，启动过程终止；

5.5嵌入式操作系统加载操作系统层的网络驱动和通信协议；

5.6根据文件系统信息表中的内存文件系统信息，创建内存文件系统，该文件系统即为目标操作系统映像的存储环境；

5.7利用操作系统层通信协议与服务器通信，访问服务器上的DHCP服务，为无盘计算机获取一个IP地址；

5.8执行文件下载命令，利用操作系统层通信协议访问服务器上的文件传输服务，下载目标操作系统映像至无盘计算机的内存文件系统中；

5.9执行内核切换命令，通过内核切换工具启动目标操作系统，完成无盘计算机的启动。 

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