CN102045385B - 一种实现个人云计算系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种云计算的系统、方法及设备，特别涉及一种实现个人云计算的系统、方法及设备。一种实现个人云计算系统由一个或多个个人云计算机及其客户端组成。单个个人云计算机由不同用户拥有和管理，并放置在用户自己的局域网内，7×24在线。个人云计算系统由个人云计算系统和公共服务中心系统和\或第三方服务器组成。海量的个人云计算机组成一个完全分布式的大规模并行计算网络。个人云计算系统通过WEB服务的方式为客户端提供文件、数据库和设备等网络服务。本发明所述的个人云计算系统的实现包括分布式计算模块、多级缓存模块、存储交换模块、设备虚拟模块、邻居发现模块、对等访问模块、NAT穿越模块和专用客户端模块。
Description
技术领域
本发明涉及一种云计算的系统、方法及设备，特别涉及一种实现个人云计算的系统、方法及设备。
背景技术
云计算是一种基于互联网的计算新方式，通过互联网上异构、自治的服务为个人和企业用户提供按需即取的计算”，“云计算服务通常提供通用的通过浏览器访问的在线商业应用，软件和数据可存储在数据中心。”
云计算给用户带来如下好处，一是云计算对用户端的设备要求低。计算和存储能力都由数据中心提供，用户终端的成本大大降低，使用客户端、上网本就可以满足日常的商业、个人计算需求。二是云计算使用起来方便。用户通过通用的Web浏览器使用云计算服务、访问云端数据。用户界面友好，安装使用便捷，学习快速简单。三是云计算可以轻松实现不同设备间的数据与应用共享。由于应用和数据集中存储在数据中心，不同的设备可以获得一致的服务。四是云计算具有移动性。数据中心永远在线，用户可以在任何时间、任何地点通过任何设备进行访问。
但是，现有的公共个人云计算方案面临三个重大挑战：一是无法从根本上保证数据的安全和用户的隐私，由于数据的所有者(个人)和管理者(服务商)并不相同，技术上，无法保证管理者对数据进行各种方式的滥用。如对数据进行复制、散播、挖掘、篡改和毁坏。数据的所有者也无法确认管理者是否对其数据进行了滥用，如复制、散播和挖掘。当数据发生修改和丢失时，第三方(如法院)无法确认是由管理者还是所有者所为。管理者如不对数据进行搜索、挖掘，就无法过滤法律不允许的内容或从中牟利；而如果进行搜索、挖掘，就损害了用户的隐私。二是在公共云中存储和处理个人信息的成本高、能源消耗高公共云的成本来自两个部分，购买成本和使用成本。购买成本包括购买服务器、存储器、路由器、交换机、防火墙等的成本，这些设备是专业的、高可靠设计的、重载的，单位价格远远高于个人使用的计算机、存储器、路由器等。由于被多用户使用，其可靠性、可用性要求高，必须进行冗余备份，进一步提高了成本。由于重载使用，这些设备的寿命也远远短于个人使用的设备。使用成本包括运行设备所需的电力，机房空调所需的电力，租用机房的费用，租用带宽的费用等。据统计，使用成本与购买成本的比例至少为50∶50，并在不断扩大中，甚至可达到70∶30或更高。主要的原因是高性能处理器、存储器的耗电呈指数上升趋势，而为了便于管理和运营，这些机器放置在集中式的大型机房中，其热岛效应更进一步加剧了这一趋势。而个人使用的小型设备单位耗电少、散热好、无场地租用费、无额外的带宽租用费，单位使用成本低。综上，公共云提供服务的成本、能源消耗必然远远高于个人云提供服务的成本和能源消耗。另外，个人还需要负担服务商为提供公共云服务而发生的运营成本，进一步提高了公共云服务的价格。三是通过公共云访问个人信息要跨越Internet，速度缓慢、可靠性低、个人可能在本地或从Internet访问公共云。由于公共云的服务器位于Internet，无论在那种场景下，用户数据都必须跨越Internet进行传送，整个路径上有多个可能的瓶颈，如服务器、防火墙、路由器、跨国光缆、接入服务器等，这些资源被多个用户同时访问，平均访问速度随用户数增加而递减，严重时可能发生拥堵。这些设备的任意一个发生故障，都可能造成整个路径的失效。这些情况随时会发生，而用户对此不可预测、无能为力。
发明内容
本发明的一个目的在于公开一种实现个人云计算的系统；本发明的一个目的在于公开一种实现个人云计算的方法；本发明的另一个目的在于公开一种实现个人云计算的设备，即个人云计算机。
本发明所述个人云计算机是指软硬件一体的系统。软件系统包括操作系统、本地设备驱动、本地文件系统、本地数据库、Web服务模块、网络文件服务模块、网络数据库服务模块、网络设备服务模块、公共服务客户端模块、对等网络模块组成。其中公共服务客户端模块与公共服务器通信，实现动态域名、邻居查找等功能；对等网络模块与对等个人云计算机通信，实现资源共享、分布式计算调度、NAT穿越等功能；网络文件、数据库、设备服务模块分别负责为客户端提供网络文件、数据库、设备服务。硬件系统主要包括随机存储器(RAM)、Flash芯片、Ethernt MAC、USB HOST、网络接口、USB接口组成，可以选用PCI或PCIe接口。其中，网络接口是可扩展的，可根据需要采用Ethernt(以太网)、WLAN(无线局域网)、3G(第三代移动通信)等；USB接口用于连接存储器和其它外围设备。FLASH用于存储系统软件和数据、RAM用于存储运行时数据。PCI或PCIe接口用于系统进一步扩展。硬件系统可以采用已有的通用计算机，也可以采用由特殊芯片实现的专用的计算机；
上述个人云计算系统还包括客户端，它是PC、手机等通用计算设备。它上面安装了两种软件，一种是通用的web浏览器，另外一种是专用客户端系统，
上述客户端可以采用Web浏览器操作个人云计算机，此时个人云计算机和客户端的通信采用B/S模型；个人云计算机通过WEB服务的方式为其客户提供网络文件、网络数据库和网络设备服务。个人云计算机也可采用专用客户端软件系统操作个人云计算机，此时它们之间的通信采用C/S模型。
本发明一种实现个人云计算的系统，该系统由一个或多个个人云计算机及其客户端组成。单个个人云计算机由不同用户拥有和管理，并放置在用户自己的局域网内，7×24在线，一个以上的个人云计算机组成一个完全分布式的并行计算网络，称为云团；其中个人云计算机之间的通信采用对等模型，相互交换计算、存储、设备、带宽等资源。
本发明个人云计算系统还可以由上述个人云计算系统和公共服务中心系统组成。公共服务中心主要由通用的计算机硬件系统、专用的计算机软件系统组成。软件系统以数据库为中心，包括个人云计算机数据库和缓存内容数据库。个人云计算机数据库用于保存了个人云计算机的地址、资源、使用情况、在线状态等信息，以支持动态域名解析、邻居查找、资源调度、NAT代理等功能。缓存内容数据库用于保存了个人云计算机缓存在公共服务中心的内容，用以加速客户端访问速度。
其中，个人云计算机和公共服务中心的通信采用C/S模型，个人云计算机作为客户端，公共服务中心作为服务器。
本发明一种实现个人云计算系统还可以由上述个人云计算系统、公共服务中心系统和第三方服务器组成。第三方服务器为用户提供增值服务，用于扩展整个系统的功能，与个人云计算机之间相互开放网络访问接口。个人云计算机和第三方服务器之间的通信采用C/S模型。
本发明所述的个人云计算系统包括如下一种或几种模块：
A：邻居查找模块，根据是否有公共服务中心参与，邻居查找模块分别由如下步骤实现：
当没有公共服务中心参与时，第一步：个人云计算机通过特定的组播地址周期性广播自己的存在；
第二步：网内的其它个人云计算机和/或客户端在这个组播地址上侦听，发现其存在；
第三步：若干时间内一直没有获得广播信息，其它个人云计算机和/或客户端判断其已经离开。
当有公共服务中心参与时，第一步：个人云计算机向公共服务中心注册，申明自己的IP地址，并定时更新；
第二步：个人云计算机从公共服务中心获取一个有限长度的邻居列表，保存了离自己最近或最重要的邻居；
第三步：其它个人云计算机和/或客户端查询公共服务中心，发现其存在；
第四步：个人云计算机如果发现自己的IP地址有变化，即刻向公共服务中心更新；
第五步：若干时间内一直没有获得更新，公共服务中心判断个人云计算机已经离开。
B：对等访问模块，根据是否有公共服务中心参与，对等访问模块由如下步骤实现：
当没有公共服务中心参与时，
第一步：个人云计算机设定要访问的目的地
第二步：在本地保存的邻居列表中查找，如果找到，即开始通信；
第三步：如果未找到，向所有邻居发送一个请求，请它们帮助寻找；
第四步：如果某个邻居在本地保存了目的地的地址，返回给请求者；如果没有保存，转发给除了请求者外的所有邻居；
第五步：以上步骤递归执行，直到找到目的地或者到达了跳数或时间限制；
第六步：个人云计算机选择对应的服务，和对等体之间进行互访。
当有公共服务中心参与时，第一步：个人云计算机向公共服务中心注册，申明自己的IP地址，并定时更新；
第二步：其它个人云计算机向公共服务中心请求目的地的地址；
第三步：公共中心返回地址给请求者；
第四步：个人云计算机选择对应的服务，和对等体之间进行互访；
C：NAT穿越模块，有两种实现方式。
第一种由个人云计算机与路由器动态协商，为每个个人云计算机需要监听的端口，在路由器上保留一个固定的端口号，在NAT时将这两个端口进行相互转换。这种方式不是系统特有的，现有技术即可完成；
第二种方式建立在第一种方式的基础上，称为转发代理方式。由如下步骤实现：
第一步：个人云计算系统中，有若干个人云计算机直接具备公网IP地址，或能够通过第一种方式实现NAT穿越；上述个人云计算机将自己的公开IP地址及带宽情况报告给服务中心和邻居的个人云计算机，成为候选的转发代理节点。
第二步：当一个新的个人云计算机发现自己无法与路由器动态协商，穿越NAT时，首先查找自己的邻居中是否有转发代理，如果没有，请求服务中心，服务中心返回一个转发代理列表
第三步：该个人云计算机选择一个合适的候选人作为代理，然后通过侦听端口发起一个连接到代理，代理进行确认，这样，个人云计算机与代理之间穿越NAT在侦听端口上建立了会话；
第四步：个人云计算机通知服务中心，服务中心生成一个动态DNS记录，将个人云计算机的域名与代理的IP地址绑定
第五步：当客户端要访问个人云计算机时，通过域名解析，得到代理的IP地址，发送HTTP(S)报文给代理，代理发现其URL是被代理的个人云计算机的，就将报文转发给被代理的个人云计算机；
第六步：被代理的个人云计算机的应答先发送到代理，代理再转发给客户端。
D：分布式计算模块，分布式计算模块由如下步骤实现：
第一步：个人云计算机接受一个计算任务，定义好最终的输出结果的格式。
第二步：个人云计算机将其进行分解，其中一部分由本地完成，而剩余部分则请求自己的所有已知的邻居。如果它们中的一部分同意，则将这部分任务平均地分解，定义中间输出格式，提交它们完成。
第三步：邻居同样对将任务分解给自己以及邻居，直到这个任务可以单独由某个节点自己独立完成。
第四步：任务被某个节点独立完成后，如果结果符合最终的输出格式，直接返回给起始节点。否则返回中间结果给进行任务分解的上一跳节点，并由它逐跳的返回给起始节点。
E：多级缓存模块，其中所述的多级缓存模块，多级缓存包括两个级别：第一级是客户端本地缓存，它通过同步、下载等方式生成，保存在客户端本地，访问速度最快；第二级是网络缓存，保存在公共服务中心，通过最常最近算法生成，也可以由用户指定特定的内容，访问速度快于个人云计算机所在局域网的出口带宽。
由如下工作步骤实现：
第一步：如果用户采用专用客户端系统访问，首先在本地缓存中查找，如果命中则访问它。如果访问失败，在局域网内，直接访问个人云计算机，否则转而访问网络缓存。
第二步如果用户采用Web浏览器访问，在局域网内，直接访问个人云计算机，否则访问网络缓存。
第三步：当访问网络缓存不成功时，直接访问个人云计算机，并根据最近最常算法更新网络缓存，以便在下次访问时提高命中率。
F：存储交换模块，其中所述的存储交换的实现方式如下：
利用存储器存在的空闲空间，为其它存储器上的内容作备份。但为了保证公平性，当一个个人云计算机需要若干备份空间时，它需要保留同样数量的空闲空间给其它个人云计算机。两个存储器之间运行同步协议，当本地镜像发生变化时，自动更新用作备份的存储器。如果发现本地存储器失效，手动触发同步协议，恢复本地内容。
上述备份时可以对数据进行加密，或者分成若干碎片分别存储在不同的对等存储器上；
G：存储虚拟模块，其中所述存储虚拟模块由如下工作步骤实现：
第一步：个人云计算机通过Web空间技术，将位于不同位置的存储空间与本机的不同网络空间地址绑定，物理上连续的存储在网络空间中可以不连续，而物理上不连续的存储在网络空间可以连续，从而灵活的形成统一的存储资源池，进行统一管理，对用户屏蔽存储的物理位置。
第二步：个人云计算机作为代理，接受用户的存储需求，并根据某种算法决定这个内容应当存储的位置。
第三步：用户存取数据时，如果存储位置位于网络上时，个人云计算机进行重定向，将用户和真实的存储位置联系起来。用户发起的网络存储协议到达个人云计算机后，被重定向到真实的存储器执行并将结果返回。
H：设备虚拟模块，其中所述的设备虚拟模块由如下工作步骤实现：
第一步：个人云计算机共享某个本地设备供网络访问使用，在本地动态生成一个虚拟设备驱动程序，与此设备一一对应。
第二步：工作时，在客户端，虚拟总线驱动替代操作系统本身的USB总线驱动，截获应用程序通过USB设备驱动发起的USB请求数据块，并通过IP网络转发给个人云计算机。个人云计算机上的虚拟设备驱动接收请求后，翻译为本地设备支持的协议格式。
第三步：通过个人云计算机上操作系统的USB总线驱动发送给设备。在返回请求应答时做相反的工作。
第四步：客户端的虚拟USB总线支持即插即用，即当个人云计算机上插入、拔出设备时，通过IP网络发送消息给客户端，客户端将它模拟为本地的设备拔、插动作，通知给用户。
在上述转发过程中，为了提高响应速度，采用异步I/O技术，即有多个I/O请求时，并不等待上一个I/O请求应答完成，即开始传送下一个I/O请求。形成流水线操作。
本发明所述的个人云计算系统可以优选为：
A、B；A、B、C。上述两种组合中还可以分别加入D或H模块；上述两种组合中还可以加入由E、F和\或G模块。
本发明专用客户端系统安装在PC、手机等通用计算设备上，专用客户端系统由同步模块和网络USB模块组成，它们是两个独立的模块，共同依赖一个邻居发现模块；邻居发现模块负责在局域网内发现个人云计算机；同步模块与个人云计算机之间同步文件、数据库信息；网络USB模块驱动连接在个人云计算机上的设备；
其中，同步模块与系统的多级缓存模块配合工作，工作步骤如下：
第一步：在客户端中配置要访问的个人云计算机的域名或地址、访问账号、密码等；
第二步：在客户端中配置必要的参数，如要同步的内容、同步间隔、冲突解决办法等；
第三步：客户端启动定时器，定时器到达时进行同步；
第四步：客户端监控内容变化，变化时进行同步，当用户通过某种终端对内容进行了增删改等操作，这些变更会自动地在其它终端上发生。或者当某个用户对内容进行了增删改操作，其它用户自动的获得最新的更改。或者用户在本地对内容进行了增删改操作，个人云计算机上的内容发生相应的变化；
第五步：在同步时，比较本地和个人云计算机中的内容的版本，如有变化才进行同步；
第六步：在用户主动干预情况下，强制进行同步；
第七步：同步之后，个人云计算机上的内容在本地保存了一个镜像。当用户访问时，就可以将它作为读缓存。用户在本地对内容进行增删改操作，之后会自动上传，形成了写缓存。
网络USB模块与系统的设备虚拟模块配合工作，工作步骤如下：
第一步：在客户端中配置要访问的个人云计算机的域名或地址、访问账号、密码等；
第二步：根据用户选择，将USB设备与一个网络连接进行绑定，这个网络连接成为这个USB设备的总线；
第三步：应用程序发起USBI/O操作，USB请求数据块通过上述网络连接传送给USB设备并返回结果；
第四步：若干时间内没有I/O操作，个人云计算机主动断开网络连接，将USB设备释放出来，供下一次访问；
或者用户主动断开连接，将USB设备释放出来。
本发明个人云计算系统的功能包括文件服务、设备服务、数据库服务、设备服务、WEB服务、共享服务，并可以进一步扩展功能。个人云计算机是用户的专用个人服务器，也是大规模并行计算的单元。它管理用户的所有数字资产，包括用户自产生的数字内容和数字设备，为用户自己、亲友及提供多种个人信息服务。并与其它个人云计算机相互提供计算、存储和设备等资源，实现大规模并行计算任务。
个人云计算机提供网络文件服务，除了传统的增删改等本地文件操作外，还提供网络文件服务，如上传、下载、共享、同步等。为适应网络环境，它提供多用户并发访问冲突管理。
个人云计算机提供网络数据库服务，用以存储、组织和共享联系人、日历、任务、博客、财务等个人信息。
个人云计算机支持网络设备服务，有两种方式。其一是网络USB(Universal SerialBus，通用串行总线)服务。网络被模拟为USB总线，用户终端不通过USB电缆，而是通过有线或无线网络访问连接在个人云计算机上的USB外围设备，如DVD刻录机、打印机、摄像头、麦克风、USB key等。用户终端能够完全控制USB设备。其二是设备服务器，设备由个人云计算机直接控制，用户通过个人云计算机提供的网络访问接口对设备进行操作。
Web服务是以上各种服务的基础，也是它们的用户界面。用户通过Web访问个人云计算机提供的计算、存储和设备资源，获得其提供的各种服务。
共享服务是以上各种服务不仅可以提供给个人云计算机的主人，也可以提供给他的亲友以及公众。主人可以配置每个服务的共享范围和权限；在此基础上也可以共享更为基本的计算和存储资源，从而形成一个大规模的对等网络，每个个人云计算机都可能调用整个网络提供的计算和存储能力，实现超级计算。
个人云计算机是开放的，通过扩展，它可以提供更多种类的网络服务，有三种方式：
1.将新功能模块安装在个人云计算机上，为用户提供新的服务；
2.新的功能模块安装在其它服务器上，如公共服务中心或第三方服务器，个人云计算机可以通过网络调用它们提供的资源和能力，实现自己无法或难以实现的功能，如照片打印等；
3.新的功能模块安装在多个个人云计算机上，它们之间开放远程访问接口。由此，多个个人云计算机实现并行计算，实现单个个人云计算机无法承担的复杂计算。
这些模块允许由用户和第三方自行添加。
本发明有益效果为：
(一)根本上保证了数据的安全和用户的隐私
由于个人云计算机放置在用户自己的局域网内，由用户自行管理，数据的所有者和管理者相同，用户可以对数据进行完全的控制，如修改、删除和共享，可以完全知晓它发生了什么变化、被什么人访问。这样就堵住了由于管理员本身带来的系统性的安全和隐私漏洞，结合公共云采用的常用数据安全技术，如加密、分片存储等，整个系统的安全性必然高于公共云。
个人云计算机主要在局域网内使用，一些功能和内容可以配置为仅在局域网内使用，避免了来自Internet的威胁，进一步提高了安全。
当两个个人云计算机之间需要通信时，它们之间直接建立对等连接，而不需要通过第三方的服务器转发，这样就避免了存储转发过程中的安全漏洞。
公共云计算的服务中心中一般使用高性能的硬件防火墙，它们为了保证强大的性能，一般采用专用的软硬件系统。这样，其软件功能升级就比较复杂、版本更新周期长。而网络病毒等威胁则时时在发生变化，造成这些防火墙总是滞后于威胁的。而个人云计算机采用通用的软硬件体系，软件升级迅速，可以快速应对新的病毒等威胁。
(二)大幅度降低了存储和处理个人信息的成本和能源消耗
从个人的角度看。个人购买个人云计算机和存储器，是供个人使用的、轻载的，单位价格低于专业设备，使用寿命高于专业设备。在使用过程中，只需要支付电费，不需要缴纳服务费。而如果购买公共云提供的服务，不仅要间接地为提供商购买的单位价格更为昂贵的、寿命更短、更为耗电的专业服务器、存储器等设备付费，更要直接地为提供商所付出的运营成本，包括设备、空调的电力成本、机房租用成本、带宽租用成本、管理人员的工资等付费。因此，从成本结构上，个人购买和使用个人云计算机的成本必然小于个人租用公共云的成本。
从社会角度看。通过对等网共享和虚拟化技术，个人云计算机之间可以共享空闲的计算、存储、带宽和外设等资源，为整个社会使用，提高了资源利用率。另外，个人云计算机由于放置在使用者的局域网中，距离用户近，大幅度降低了跨越互联网访问自己的数据带来的网络流量；散热好，避免了将大量服务器和存储器集中放置后带来的热岛效应。进一步避免了由此产生的成本和能源消耗。
(三)提高了访问个人信息的速度和可靠性
个人主要在局域网内访问自己的个人云，局域网的速度必然高于广域网的速度。另外，系统为加速个人在广域网的访问，设计了本地和网络两级缓存，保证其访问速度不低于访问公共云的速度。由于访问路径缩短，中间环节少，系统可靠性必然高于访问路径更长的公共云访问。
当两个个人云计算机之间需要通信时，它们之间直接建立对等连接，相比通过第三方的服务器转发的方式，路径更短，访问速度更快，可靠性更高。
(四)扩大了共享内容的数量和范围
原来，个人内容被封闭在个人自己的数码设备中，相互交换很不方便，能够交换的数量也受到很大的限制。比如，通过电子邮件只能发送有限数量的内容给有限数量的用户，通过公共云服务共享，上传缓慢并且有数量、类型等限制。而本发明通过动态域名、NAT穿越等技术，使得所有个人内容都有可能共享给任何用户，大幅度增加了社会化共享的内容，使原本封闭的信息通过交换产生出社会价值，促进了人际交流，使个人信息不仅为自己所用，也为他人所用。
附图说明
图1：一个完整的个人云系统
图2：云团
图3：个人云计算机、公共服务中心和用户终端通信模型图
图4：分布式计算示意图
图5：多级缓存示意图
图6：存储交换示意图
图7：存储虚拟模块示意图
图8：设备虚拟模块示意图
图9：个人云计算机软件系统实现模型图
图10：个人云计算系统硬件系统模型图
图11：公共服务中心软件实现模型图
图12：NAT穿越示意图
图13：文件服务示意图
图14：查找联系人示意图
图15：个人影片制作示意图
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明
具体实施方式
实施例1：一种个人云计算系统
个人云计算机是一个软硬件一体的系统。个人云计算机的软件系统实现模型如附图9所示，其中，操作系统、本地设备驱动、本地文件系统、本地数据库、Web服务等模块是原有的，而公共服务客户端、对等网络、网络文件服务、网络数据库服务、网络设备服务是系统特有的。公共服务客户端模块负责与公共服务器通信，实现动态域名、邻居查找等功能；对等网络模块负责与对等设备通信，实现资源共享、分布式计算调度、NAT穿越等功能；网络文件、数据库、设备服务模块负责为客户端提供网络文件、数据库、设备服务。
个人云计算机的硬件系统实现模型如附图10所示，其中，网络接口是可扩展的，可根据需要采用Ethernt(以太网)、WLAN(无线局域网)、3G(第三代移动通信)等。USB接口用于连接存储器和其它外围设备。FLASH用于存储系统软件和数据、SDRAM用于存储运行时数据。PCI接口用于系统进一步扩展。在具体实现中，可采用高集成度的SoC(System onChip)方案，以提高稳定性、降低成本、降低能耗、减小体积。
实现个人云计算的系统包括用户自己拥有的服务器(称为个人云计算机)、公共服务中心、第三方服务器，多种用户、多种终端、局域网和广域网。对于个人，它是一个完整的个人云，如图1所示。
对于社会，这个系统由海量的个人云组成一个大规模并行计算网络，称为云团。如图2所示。
其中，个人云计算机由用户拥有，并放置在用户自己的局域网内，永远在线。用户可以在局域网内通过多种终端(电脑、手机、电视等)访问，也可以远程通过Internet访问。通过授权，用户的亲友、公众也可以通过网络访问它。公共服务中心为个人云计算机提供必要的帮助，如动态域名解析、邻居查找等，并作为并行计算的调度服务器。第三方服务器为用户提供增值服务。
公共服务中心采用专用软件，运行在通用的服务器上。实现模型如图11所示。它以数据库为中心，有两个主要的数据库。个人云计算机数据库和缓存内容数据库。个人云计算机数据库保存了个人云计算机的地址、资源、使用情况、在线状态等信息，以支持动态域名解析、邻居查找、资源调度、NAT代理等功能。缓存内容数据库保存了个人云计算机缓存在公共服务中心的内容，用以加速客户端访问速度。
个人云计算机和用户终端的通信采用C/S(客户端/服务器)模型，个人云计算机作为服务器。特别的，如果用户终端运行Web浏览器，这个模型成为B/S(浏览器/服务器)模型。个人云计算机和公共服务中心的通信也采用C/S模型，但此时个人云计算机作为客户端，公共服务中心作为服务器。多个个人云计算机之间的通信采用P2P(Peer to Peer，对等)模型，用户如果使用P2P软件客户端，与个人云计算机之间的通信也采用对等模型。个人云计算机和第三方服务器之间的通信一般采用C/S模型，如附图3所示。
实施例2：分布式计算
系统由海量的个人云计算机组成一个完全的分布式计算系统。由于个人云计算机总是有空闲的计算、存储、网络和设备等资源，它们可以免费地为他人进行一些计算，这样就极大地提高了整个系统的资源利用率。每个用户都可以从一个个人云计算机开始，提交一个计算任务，由这个个人云计算机开始进行分解，由整个系统完成，每个人都好像拥有一个超级计算机一样，这称为计算虚拟化。
工作过程如附图4所示：
第一步：个人云计算机接受一个计算任务，定义好最终的输出结果的格式；
第二步：个人云计算机将其进行分解，其中一部分由本地完成，而剩余部分则请求自己的所有已知的邻居。如果它们中的一部分同意，则将这部分任务平均地分解，定义中间输出格式，提交它们完成；
第三步：邻居同样对将任务分解给自己以及邻居，直到这个任务可以单独由某个节点自己独立完成；
第四步：任务被某个节点独立完成后，如果结果符合最终的输出格式，直接返回给起始节点。否则返回中间结果给进行任务分解的上一跳节点，并由它逐跳的返回给起始节点；
实施例3：实现设备虚拟化模块的个人云计算系统
如附图8所示。首先，个人云计算机共享某个本地设备供网络访问使用，在本地动态生成一个虚拟设备驱动程序，与此设备一一对应。
工作时，在客户端，虚拟总线驱动替代操作系统本身的USB总线驱动，截获应用程序通过USB设备驱动发起的USB请求数据块，并通过IP网络转发给个人云计算机。个人云计算机上的虚拟设备驱动接收请求后，翻译为本地设备支持的协议格式，然后通过个人云计算机上操作系统的USB总线驱动发送给设备。在返回请求应答时做相反的工作。
客户端的虚拟USB总线支持即插即用，即当个人云计算机上插入、拔出设备时，通过IP网络发送消息给客户端，客户端将它模拟为本地的设备拔、插动作，通知给用户。上述转发过程中，为了提高响应速度，采用异步I/O技术，即有多个I/O请求时，并不等待上一个I/O请求应答完成，即开始传送下一个I/O请求。形成流水线操作。
实施例4：实现存储虚拟模块的个人云计算系统
如附图7所示，个人云计算机可以连接各种存储空间，包括本地存储器、位于本地的网络存储器、位于其它个人云计算机上的对等存储空间以及位于第三方服务器上由用户拥有的存储空间等。用户在使用时，不必关心其具体的存储位置，而是将它们视为同等的存储容器对待。这称为存储虚拟化。
当本地拥有多个存储器时，内容的存储与组织是分离的。即使内容分离地存储在多个物理的存储器上，从用户的视图观察，它们是连续存储的。
个人云计算机通过Web网络空间及代理技术实现存储虚拟化。
首先，个人云计算机通过Web空间技术，将位于不同位置的存储空间与本机的不同网络空间地址绑定，物理上连续的存储在网络空间中可以不连续，而物理上不连续的存储在网络空间可以连续，从而灵活的形成统一的存储资源池，进行统一管理，对用户屏蔽存储的物理位置。其次，它作为代理，接受用户的存储需求，并根据某种算法决定这个内容应当存储的恰当位置。最后，当用户存取数据时，如果存储位置位于网络上时，它进行重定向，将用户和真实的存储位置联系起来。用户发起的网络存储协议到达个人云计算机后，被重定向到真实的存储器执行并将结果返回。
存储虚拟模块由如下工作步骤实现：
第一步：个人云计算机通过Web空间技术，将位于不同位置的存储空间与本机的不同网络空间地址绑定，物理上连续的存储在网络空间中可以不连续，而物理上不连续的存储在网络空间可以连续，从而灵活的形成统一的存储资源池，进行统一管理，对用户屏蔽存储的物理位置。
第二步：个人云计算机作为代理，接受用户的存储需求，并根据某种算法决定这个内容应当存储的位置。
第三步：用户存取数据时，如果存储位置位于网络上时，个人云计算机进行重定向，将用户和真实的存储位置联系起来。用户发起的网络存储协议到达个人云计算机后，被重定向到真实的存储器执行并将结果返回。
实施例5：实现存储交换模块的个人云计算系统
如附图6所示，公共云服务为了提高可靠性，一般将数据进行冗余存储，即为数据自动生成若干个镜像，当其中一个镜像损坏时，通过其它镜像进行恢复。在本系统中，为了达到这样的可靠性，提供两种备份方式。
第一种方式是本地镜像。即在本地为本地内容作自动化的镜像，两个镜像之间是自动同步的，内容总是保持一致，如果其中一个镜像失效，通过另外一个进行恢复。这种备份的一个缺点是不能容灾，当本地发生停电、失窃或整体损坏等灾难时，两个镜像会同时失效。
第二种方式，即存储交换可解决这个问题。它的原理是存储器总是存在空闲空间，通过网络，这些空闲空间可以为其它存储器上的内容作备份。但为了保证公平性，当一个个人云计算机需要若干备份空间时，它需要保留同样数量的空闲空间给其它个人云计算机。在这里，把用作备份的存储器称为对等存储器。由于对等存储器和本地存储器发生同样灾难的概率很小，这种备份是容灾的。
两个存储器之间运行同步协议，当本地镜像发生变化时，自动更新对等存储器。如果发现本地存储器失效，手动触发同步协议，恢复本地内容。
为了提高存储交换的安全性，在备份时对可以对数据进行加密，或者分成若干碎片分别存储在不同的对等存储器上。
实施例6：实现多级缓存模块的个人云计算系统
如附图5所示，用户要通过网络访问个人云计算机上的内容，相比访问本地内容，速度可能是缓慢的。尤其是，用户通过广域网访问时，局域网的出口带宽可能小于公共云服务器的平均访问速度。
第一级是客户端本地缓存，它通过同步、下载等方式生成，保存在客户端本地，访问速度最快；第二级是网络缓存，保存在公共服务中心，通过最常最近算法生成，也可以由用户指定特定的内容，访问速度快于个人云计算机所在局域网的出口带宽。
如果用户采用专用客户端系统访问，首先在本地缓存中查找，如果命中则访问它，否则根据网络环境，如果在局域网内，直接访问个人云计算机，否则转而访问网络缓存。
如果用户采用Web浏览器访问，根据网络环境，如果在局域网内，直接访问个人云计算机，否则访问网络缓存。
当访问网络缓存不成功时，直接访问个人云计算机，并根据最近最常算法更新网络缓存，以便在下次访问时提高命中率。
其中多级缓存模块由如下工作步骤实现：
第一步：如果用户采用专用客户端系统访问，首先在本地缓存中查找，如果命中则访问它。如果访问失败，在局域网内，直接访问个人云计算机，否则转而访问网络缓存。
第二步：如果用户采用Web浏览器访问，在局域网内，直接访问个人云计算机，否则访问网络缓存。
第三步：当访问网络缓存不成功时，直接访问个人云计算机，并根据最近最常算法更新网络缓存，以便在下次访问时提高命中率。
实施例7：实现含有NAT穿越模块的个人云计算系统
如附图12所示，个人云计算机位于NAT后的情况下，需要实现自动穿越。有两种实现方式。
第一种由个人云计算机与路由器动态协商，为每个个人云计算机需要监听的端口，在路由器上保留一个固定的端口号，在NAT时将这两个端口进行相互转换；
第二种方式建立在第一种方式的基础上，称为转发代理方式。由于系统中有多个个人云计算机，假设其中有若干个人云计算机直接具备公网IP地址，或能够通过第一种方式穿越NAT，它们将自己的公开IP地址及带宽情况报告给服务中心和邻居的个人云计算机，就成为候选的转发代理节点。当某个个人云计算机发现自己无法通过第一种方式穿越NAT时，首先查找自己的邻居中是否有转发代理，如果没有，请求服务中心，服务中心返回一个转发代理列表；这时个人云计算机就可以选择一个合适的候选人作为代理，然后通过侦听端口发起一个连接到代理，代理进行确认，之后，它们之间就可以穿越NAT在侦听端口上会话；接下来个人云计算机通知服务中心；服务中心生成一个动态DNS记录，将个人云计算机的域名与代理的IP地址绑定；当客户端要访问个人云计算机时，通过域名解析，得到代理的IP地址，发送HTTP(S)报文给代理，代理发现其URL是被代理的个人云计算机的，就将报文转发给后者；后者的应答先发送到代理，代理再转发给客户端。
实施例8：文件服务
如附图13所示，个人云计算机提供网络文件服务，在局域网内，个人云计算机首先报告IP，地址，计算机解析域名。个人云计算机和客户端实现文件同步。在广域网，文件服务由如图步骤实现。
实施例9：分布式计算案例——查找联系人
1.客户端发起查找请求；
2.个人云计算机在自己的数据库中查询，如果找到，直接返回给客户端；
3.上一步骤未找到，个人云计算机向所有邻居转发这个请求；
4.邻居个人云计算机递归执行2-3步骤，直到找到联系人。
个人云计算机具体查找联系人功能有如图所示完成。
具体如附图14所示。
实施例10：第三方服务器用途案例——个人影片制作
1客户端通过网络浏览器在个人云计算机上选择作为素材的影片文件；
2客户端驱使个人云计算机向第三方服务器发起制作服务的请求；
3第三方服务器通过个人云计算机提供的网络文件服务，获得影片文件；
4第三方服务器进行影片制作并返回结果给个人云计算机。
个人云计算系统完成个人影片制作具体步骤如附图15所示完成。
Claims (11)
1.一种实现个人云计算的系统，该系统由一个或多个个人云计算机及其客户端组成；单个个人云计算机由不同用户拥有和管理，并放置在用户自己的局域网内，7×24在线；一个以上的个人云计算机组成完全分布式的并行计算网络；其中个人云计算机之间的通信采用对等模型，相互交换计算、存储、设备、带宽资源；其特征在于：该系统由个人云计算系统和公共服务中心系统组成，个人云计算机和公共服务中心的通信采用C/S模型，个人云计算机作为客户端，公共服务中心作为服务器；公共服务中心主要由通用的计算机硬件系统、专用的计算机软件系统组成；其中软件系统以数据库为中心，包括个人云计算机数据库和缓存内容数据库；个人云计算机数据库用于保存个人云计算机的地址、资源、使用情况、在线状态信息，以支持动态域名解析、邻居查找、资源调度、NAT代理功能；缓存内容数据库用于保存个人云计算机缓存在公共服务中心的内容，用以加速客户端访问速度。
2.如权利要求1所述的个人云计算系统，其特征在于：该系统还有第三方服务器；它为用户提供增值服务，用于扩展整个系统的功能，与个人云计算机之间相互开放网络访问接口。
3.如权利要求1或2所述的个人云计算系统，其特征在于个人云计算系统包括邻居查找模块，根据是否有公共服务中心参与，邻居查找模块分别由如下步骤实现：
当没有公共服务中心参与时，
第一步：个人云计算机通过特定的组播地址周期性广播自己的存在；
第二步：网内的其它个人云计算机和/或客户端在这个组播地址上侦听，发现其存在；
第三步：若干时间内一直没有获得广播信息，其它个人云计算机和/或客户端判断其已经离开；
当有公共服务中心参与时，
第一步：个人云计算机向公共服务中心注册，申明自己的IP地址，并定时更新；
第二步：个人云计算机从公共服务中心获取一个有限长度的邻居列表，保存了离自己最近或最重要的邻居；
第三步：其它个人云计算机和/或客户端查询公共服务中心，发现其存在；
第四步：个人云计算机如果发现自己的IP地址有变化，即刻向公共服务中心更新；
第五步：若干时间内一直没有获得更新，公共服务中心判断个人云计算机已经离开。
4.如权利要求1或2所述的个人云计算系统，其特征在于个人云计算系统包括对等访问模块，根据是否有公共服务中心参与，对等访问模块由如下步骤实现：
当没有公共服务中心参与时，第一步：个人云计算机设定要访问的目的地；
第二步：个人云计算机在本地保存的邻居列表中查找，如果找到，即开始通信；
第三步：如果未找到，向所有邻居发送一个请求，请它们帮助寻找；
第四步：如果某个邻居在本地保存了目的地的地址，返回给请求者；如果没有保存，转发给除了请求者外的所有邻居；
第五步：以上步骤递归执行，直到找到目的地或者到达了跳数或时间限制；
第六步：个人云计算机选择对应的服务，和对等体之间进行互访；
当有公共服务中心参与时，第一步： 个人云计算机向公共服务中心注册，申明自己的IP地址，并定时更新；
第二步： 其它个人云计算机向公共服务中心请求目的地的地址；
第三步： 公共中心返回地址给请求者；
第四步： 个人云计算机选择对应的服务，和对等体之间进行互访。
5.如权利要求1或2所述的个人云计算系统，其特征在于个人云计算系统包括NAT穿越模块，个人云计算系统中的NAT穿越模块的一种专有的实现方式由如下步骤实现：
第一步：个人云计算系统中，有若干个人云计算机直接具备公网IP地址，或能够与路由器动态协商，为每个个人云计算机需要监听的端口，在路由器上保留一个固定的端口号，在NAT时将这两个端口进行相互转换；上述个人云计算机将自己的公开IP地址及带宽情况报告给服务中心和邻居的个人云计算机，成为候选的转发代理节点；
第二步：当一个新的个人云计算机发现自己无法与路由器动态协商，穿越NAT时，首先查找自己的邻居中是否有转发代理，如果没有，请求服务中心，服务中心返回一个转发代理列表；
第三步：该个人云计算机选择一个合适的候选人作为代理，然后通过侦听端口发起一个连接到代理，代理进行确认，这样，个人云计算机与代理之间穿越NAT在侦听端口上建立了会话；
第四步：个人云计算机通知服务中心，服务中心生成一个动态DNS记录，将个人云计算机的域名与代理的IP地址绑定；
第五步： 当客户端要访问个人云计算机时，通过域名解析，得到代理的IP地址，发送HTTP(S)报文给代理，代理发现其URL是被代理的个人云计算机的，就将报文转发给被代理的个人云计算机；
第六步：被代理的个人云计算机的应答先发送到代理，代理再转发给客户端。
6.如权利要求1或2所述的个人云计算系统，其特征在于个人云计算系统包括分布式计算模块，分布式计算模块由如下步骤实现：
第一步：个人云计算机接受一个计算任务，定义好最终的输出结果的格式；
第二步：个人云计算机将其进行分解，其中一部分由本地完成，而剩余部分则请求自己的所有已知的邻居，如果它们中的一部分同意，则将这部分任务平均地分解，定义中间输出格式，提交它们完成；
第三步：邻居同样对将任务分解给自己以及邻居，直到这个任务可以单独由某个节点自己独立完成；
第四步：任务被某个节点独立完成后，如果结果符合最终的输出格式，直接返回给起始节点，否则返回中间结果给进行任务分解的上一跳节点，并由它逐跳的返回给起始节点。
7.如权利要求1或2所述的个人云计算系统，其特征在于个人云计算系统包括多级缓存模块，多级缓存包括两个级别：第一级是客户端本地缓存，它通过同步、下载等方式生成，保存在客户端本地；第二级是网络缓存，保存在公共服务中心，通过最常最近算法生成，也可以由用户指定特定的内容；
其中所述的多级缓存模块由如下工作步骤实现：
第一步：如果用户采用专用客户端系统访问，首先在本地缓存中查找，如果命中则访问它；如果访问失败，在局域网内，直接访问个人云计算机，否则转而访问网络缓存；
第二步：如果用户采用Web浏览器访问，在局域网内，直接访问个人云计算机，否则访问网络缓存；
第三步：当访问网络缓存不成功时，直接访问个人云计算机，并根据最近最常算法更新网络缓存，以便在下次访问时提高命中率。
8.如权利要求1或2所述的个人云计算系统，其特征在于个人云计算系统包括存储交换模块，其中所述的存储交换的实现方式如下：
利用存储器存在的空闲空间，为其它存储器上的内容作备份，但为了保证公平性，当一个个人云计算机需要若干备份空间时，它需要保留同样数量的空闲空间给其它个人云计算机，两个存储器之间运行同步协议，当本地镜像发生变化时，自动更新用作备份的存储器，如果发现本地存储器失效，手动触发同步协议，恢复本地内容；
上述备份时可以对数据进行加密，或者分成若干碎片分别存储在不同的对等存储器上。
9.如权利要求1或2所述的个人云计算系统，其特征在于个人云计算系统包括存储虚拟模块，其中所述存储虚拟模块由如下工作步骤实现：
第一步：个人云计算机通过Web空间技术，将位于不同位置的存储空间与本机的不同网络空间地址绑定，物理上连续的存储在网络空间中可以不连续，而物理上不连续的存储在网络空间可以连续，从而灵活的形成统一的存储资源池，进行统一管理，对用户屏蔽存储的物理位置；
第二步：个人云计算机作为代理，接受用户的存储需求，并根据某种算法决定这个内容应当存储的位置；
第三步：用户存取数据时，如果存储位置位于网络上时，个人云计算机进行重定向，将用户和真实的存储位置联系起来，用户发起的网络存储协议到达个人云计算机后，被重定向到真实的存储器执行并将结果返回。
10.如权利要求1或2所述的个人云计算系统，其特征在于个人云计算系统包括设备虚拟模块，其中所述的设备虚拟模块由如下工作步骤实现：
第一步：个人云计算机共享某个本地设备供网络访问使用，在本地动态生成一个虚拟设备驱动程序，与此设备一一对应；
第二步：工作时，在客户端，虚拟总线驱动替代操作系统本身的USB总线驱动，截获应用程序通过USB设备驱动发起的USB请求数据块，并通过IP网络转发给个人云计算机，个人云计算机上的虚拟设备驱动接收请求后，翻译为本地设备支持的协议格式；
第三步：通过个人云计算机上操作系统的USB总线驱动发送给设备，在返回请求应答时做相反的工作；
第四步：客户端的虚拟USB总线支持即插即用，即当个人云计算机上插入、拔出设备时，通过IP网络发送消息给客户端，客户端将它模拟为本地的设备拔、插动作，通知给用户；
在上述转发过程中，为了提高响应速度，采用异步I/O技术，即有多个I/O请求时，并不等待上一个I/O请求应答完成，即开始传送下一个I/O请求，形成流水线操作。
11.一种应用于个人云计算的专用客户端软件系统， 其特征在于：专用客户端系统由同步模块和网络USB模块组成，它们是两个独立的模块，共同依赖一个邻居发现模块；邻居发现模块负责在局域网内发现个人云计算机；同步模块与个人云计算机之间同步文件、数据库信息；网络USB模块驱动连接在个人云计算机上的设备；
其中 ，同步模块与系统的多级缓存模块配合工作，工作步骤如下：
第一步 在客户端中配置要访问的个人云计算机的域名或地址、访问账号、密码等；
第二步 在客户端中配置必要的参数，如要同步的内容、同步间隔、冲突解决办法等；
第三步 客户端启动定时器，定时器到达时进行同步；
第四步 客户端监控内容变化，变化时进行同步，当用户通过某种终端对内容进行了增删改等操作，这些变更会自动地在其它终端上发生；或者当某个用户对内容进行了增删改操作，其它用户自动的获得最新的更改；或者用户在本地对内容进行了增删改操作，个人云计算机上的内容发生相应的变化；
第五步 在同步时，比较本地和个人云计算机中的内容的版本，如有变化才进行同步；
第六步 在用户主动干预情况下，强制进行同步；
第七步 同步之后，个人云计算机上的内容在本地保存了一个镜像，当用户访问时，就可以将它作为读缓存，用户在本地对内容进行增删改操作，之后会自动上传，形成了写缓存；
网络USB模块与系统的设备虚拟模块配合工作，工作步骤如下：
第一步 在客户端中配置要访问的个人云计算机的域名或地址、访问账号、密码等；
第二步 根据用户选择，将USB设备与一个网络连接进行绑定，这个网络连接成为这个USB设备的总线；
第三步 应用程序发起USB I/O操作，USB请求数据块通过上述网络连接传送给USB设备并返回结果；
第四步若干时间内没有I/O操作，个人云计算机主动断开网络连接，将USB设备释放出来，供下一次访问；或者用户主动断开连接，将USB设备释放出来。
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- 2010-10-21 CN CN 201010521886 patent/CN102045385B/zh not_active Expired - Fee Related
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