JP2013522788A - コンピュータシステムにおけるオペレーティングシステムの通信ネットワーク経由でのロードおよびブートを最適化するための方法、コンピュータプログラム、および装置 - Google Patents

コンピュータシステムにおけるオペレーティングシステムの通信ネットワーク経由でのロードおよびブートを最適化するための方法、コンピュータプログラム、および装置 Download PDF

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Abstract

本発明の主題は、特に、少なくとも1つのサーバが接続された通信ネットワークを介してのコンピュータシステムのオペレーティングシステムのロードおおよびブートの最適化である。前記サーバが、最小限のオペレーティングシステムのカーネルの少なくとも1つのイメージおよび関連のファイルシステムのイメージを含んでいる。本方法は、前記カーネルの前記イメージをロードするステップ(330)および前記ファイルシステムの前記イメージをロードするステップ(325)を含んでいる。前記カーネルの前記イメージをロードする前記ステップ(330)および前記ファイルシステムの前記イメージをロードする前記ステップ(325)のうちの一方が、前記カーネルの前記イメージをロードする前記ステップおよび前記ファイルシステムの前記イメージをロードする前記ステップのうちの他方の実行(335、340)の終了よりも前に開始される。

Description

本発明は、オペレーティングシステムのブートに関し、さらに詳しくは、コンピュータシステムにおけるオペレーティングシステムの通信ネットワーク経由でのロードおよびブートを最適化するための方法、コンピュータプログラム、および装置に関する。
コンピュータシステムにおけるブートの手順は、常設または取り出し可能なストレージ周辺機器を介してアクセスすることができ、後のソフトウェアアプリケーションのロードおよび実行を可能にするオペレーティングシステムを取得することを目的としている。オペレーティングシステムは、通常はコンピュータシステムのマザーボードの読み出し専用メモリに収容されるBIOS(Basic Input Output Systemの頭文字である)によって実行されるより単純なプログラム(ブートローダと呼ばれる)によって取得される。
このブートの段階において、コンピュータシステムの動作にとって重要かつ必要なすべてのソフトウェア構成要素が、ランダムアクセスメモリへとロードされる。
一般に、例えばブートセクタを検出するためにチェックすべき周辺機器の順序を定義するために、BIOSのパラメータを設定することが可能である。したがって、ネットワーク内の遠方のストレージシステムにおいて入手することができるオペレーティングシステムのイメージを取得することによって、コンピュータシステムをネットワーク経由で起動させることが可能である。そのようなブートの手順は、特にPXE(Pre−boot eXecution Environmentの略語)またはgPXE(InfiniBand(商標)またはEthernet(登録商標)型のネットワークにおいて使用することができるPXEのオープンソース版)という名称で知られている。
この手順において、オペレーティングシステムの実行のための特定の構成要素および指令が、種々のファイルをロードすることによって取得される。より詳しくは、ネットワークからロードされるLinux(登録商標)オペレーティングシステムの関連においては、最小限のオペレーティングシステムが、典型的には、少なくともカーネルおよびinitrd(initial RAM diskの頭文字)と一般的には呼ばれるファイルシステムで構成される。
次いで、実装の構成に応じて、このinitrdファイルシステムを、ソフトウェアアプリケーションを直接ロードするために使用することができ、あるいはオペレーティングシステムによって使用されるより完全なファイルシステムへのアクセスをもたらすために使用することができる。最小限のオペレーティングシステムをブートするために、これらの構成要素(カーネルおよびinitrd)の両方を有することが必要である。
これらの構成要素がイメージの形態でロードされた後で、オペレーティングシステムを、カーネルイメージに含まれるプログラムを実行することによってブートすることができる。
図1が、通信ネットワークを介してアクセスすることができるイメージにもとづいてコンピュータシステム上にLinuxオペレーティングシステムを用意するためのサーバとクライアントとの間のgPXEプロトコルによるブート手順の図を示している。
図示のとおり、クライアント100が、ここでは通信ネットワーク110を介してサーバ105へと接続されている。第1のステップ(参照番号115)は、DHCP(Dynamic Host Configuration Protocolの略語)サーバ上のIP(Internet Protocolの略語)設定の検索からなる。DHCPサーバの応答120は、IP設定情報に加えて、gPXE指令のファイルの場所を知らせる。この指令ファイルの場所は、使用すべき転送プロトコルの定義も可能にする。
IP設定および指令ファイルの場所をDHCPサーバから取得した後で、クライアントは、その場所の指令ファイルの転送を実行するようにサーバに要求125を送信する。応答(参照番号130)において、指令ファイルがサーバから受信される。典型的には、受信される指令ファイルは、カーネルファイル(カーネルのイメージ)の場所、initrdファイル(関連のファイルシステムのイメージ)の場所、およびカーネルへと宛てるべきパラメータを定めている。
次いで、クライアントが、カーネルファイルを取得するための要求135を送信し、この要求に応答して、カーネルファイルがサーバから受信される(参照番号140)。次に、同様の方法で、クライアントがinitrdファイルを取得するための要求145を送信し、この要求に応答して、initrdファイルがサーバから受信される(参照番号150)。
ここで、gPXEプロトコルの使用の関連において、ファイルの要求および転送に通常はTFTP(Trivial File Transfer Protocolの略語)またはHTTP(Hyper Text Transfer Protocolの略語)の各プロトコルが使用されることに、留意すべきである。PXEプロトコルが使用される場合には、TFTP転送プロトコルだけが使用される。さらに、PXEプロトコルが使用される場合、指令ファイルは別の構文を使用し、クライアントとサーバとの間のさらなる交換が、指令ファイルをロードする前に実行される。
カーネルおよびinitrdファイルをメモリへとロードした後で、ブートローダは、カーネルのエントリポイントの実行へと進むことによって終了し、initrdファイルによってもたらされるファイルシステムが使用される。このオペレーティングシステムのブートが、通常は、ネットワークを介してより完全なファイルシステムへとアクセスし、そのファイルシステムを使用してinitrdファイルシステムを置き換えることによって続けられる。
同様に、PXEプロトコルによれば、最小限のオペレーティングシステムの実行について不可欠な段階は、ネットワーク設定の取得後に、例えばpxelinuxファイルなどのPXEコード拡張をロードし、次いで後続のロード指令をロードし、その後にカーネルのイメージ(カーネルファイル)をロードし、次いでファイルシステムのイメージ(initrdファイル)をロードすることである。したがって、gPXEプロトコルは、PXEコード拡張をロードする工程が不要である点を除き、PXEプロトコルと同様である。
ここで、ロード指令は、カーネルファイルの場所(プロトコルおよびそのプロトコルによるそのファイルへの経路)、initrdファイルの場所(プロトコルおよびそのプロトコルによるそのファイルへの経路)、ならびにカーネルによって使用されるパラメータ(例えば、ユーザのインタラクションを処理するためのシリアルポートの使用のための特性など)に関する。
上記の種々の段階の結果として、PXEまたはgPXEプロトコルが使用される場合、コンピュータシステムに電力を供給してからオペレーティングシステムが利用できるようになるまでに要する時間が、無視できなくなり、きわめて不利となる可能性があり、これが、とりわけ、最適化がきわめて重要な柔軟な環境のコンピュータシステムに当てはまる。
本発明は、上述した問題のうちの少なくとも1つを解決可能にする。
したがって、本発明は、通信ネットワークへと接続されたコンピュータシステムのためのロードおよびブートの方法に関し、前記通信ネットワークには、少なくとも1つのサーバが接続され、前記少なくとも1つのサーバが、最小限のオペレーティングシステムのカーネルの少なくとも1つのイメージおよび関連のファイルシステムのイメージを含んでいる。本方法は、前記カーネルの前記イメージをロードするステップおよび前記ファイルシステムの前記イメージをロードするステップを含んでおり、前記カーネルの前記イメージをロードする前記ステップおよび前記ファイルシステムの前記イメージをロードする前記ステップのうちの一方が、前記カーネルの前記イメージをロードする前記ステップおよび前記ファイルシステムの前記イメージをロードする前記ステップのうちの他方の実行の終了よりも前に開始される。
このようにして、本発明による方法は、オペレーティングシステムのブートにおいてカーネルのイメージおよびファイルシステムのイメージの転送に関係する遅延を減らすことを可能にする。
好都合には、前記カーネルの前記イメージをロードする前記ステップおよび前記ファイルシステムの前記イメージをロードする前記ステップが、実質的に同時に開始される。したがって、カーネルのイメージおよびファイルシステムのイメージの転送のための時間が、カーネルのイメージおよびファイルシステムのイメージのサイズにかかわらず最適化される。
特定の実施の形態によれば、本方法が、前記カーネルの前記イメージおよび/または前記ファイルシステムの前記イメージをロードするためのロード指令の準備ステップをさらに含む。ロード指令は、好ましくは、カーネルのイメージおよびファイルシステムのイメージの場所についての情報、それらのイメージへのアクセスに使用される通信プロトコルについての情報、および/またはカーネルによって使用されうるパラメータを含む。
さらに特定の実施の形態によれば、本方法が、ブートローダをロードする準備ステップをさらに含んでおり、前記ブートローダが、前記カーネルの前記イメージをロードする前記ステップおよび/または前記ファイルシステムの前記イメージをロードする前記ステップの実行のためのインストラクションを含んでいる。
さらに特定の実施の形態によれば、前記ブートローダへのアクセスのためのプロトコルが、PXEまたはgPXE方式の標準的なプロトコルである。
前記カーネルの前記イメージのロードおよび/または前記ファイルシステムの前記イメージのロードのためのプロトコルが、好ましくはTFTP方式またはHTTP方式のプロトコルである。
本発明による方法は、最適化がきわめて重要であるクラスタのノードにおける実行に特に合わせて構成されている。
さらに本発明は、コンピュータ上で実行されたときに上述の方法の各々のステップを実行するように構成されたインストラクションを含んでいるコンピュータプログラム、ならびに上述の方法の各々のステップを実行するように構成された手段を備える装置に関する。
そのようなコンピュータプログラムおよびそのような装置によって得られる利点は、上述した利点と同様である。
本発明の他の利点、目的、および特徴が、添付の図面に関連してあくまでも本発明を限定するものではない例として提示される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
通信ネットワークを介してアクセスすることができるイメージにもとづいてコンピュータシステム上にLinuxオペレーティングシステムを用意するためのサーバとクライアントとの間のgPXEプロトコルによるブート手順の図である。 本発明を実行することができるコンピューティング環境の例を示している。 本発明を実行することができるコンピューティング環境の例を示している。 本発明によるクラスタノードまたはクライアントステーションのブート手順の特定の段階を示している。 通信ネットワークからのブートを可能にするためにクラスタノードまたはクライアントステーションにおいて実行される典型的なアルゴリズムの図である。 本発明を実行するように構成されたクラスタノードまたはクライアントステーションのアーキテクチャの例を示している。
一般に、本発明は、通信ネットワーク経由でのコンピュータシステム(典型的には、クラスタノードまたはクライアントステーション)のブートに使用されるデータの並列ロードに関する。データの並列ロードは、特に、オペレーティングシステムのカーネルおよび関連のファイルシステムに関係するデータに関する。
図2aおよび図2bが、本発明を実行することができるコンピューティング環境の2つの例を示している。
図2aに示されるとおり、ここでは、コンピューティング環境200が、例えばEthernetまたはInfinibandネットワークなどの通信ネットワーク220へと接続された3つのサーバ205、210、および215を含んでおり、さらに通信ネットワーク220には、クラスタノードまたはクライアントステーション(参照番号225−1〜225−i)も接続されている。ここでは、サーバ205が、例えばPXEまたはgPXEプロトコルを使用してクライアントシステムのブートの継続を可能にする場所を供給するように構成されたアドレスサーバ(例えば、DHCPサーバ)である。ここでは、サーバ210が、特定のPXEファイル(特に、pxelinuxファイルならびにPXEまたはgPXE指令ファイル)をロードできるサーバである。サーバ215が、カーネルのイメージ(すなわち、典型的にはカーネルファイル)およびファイルシステムのイメージ(すなわち、典型的にはinitrdファイル)をロードできるサーバである。サーバ210および215は、例えばTFTPまたはHTTPファイルサーバである。
ブートの際に、ノードまたはクライアントステーション225−1〜225−iの各々は、自身を特定するネットワークアドレス(好ましくは、IP方式のアドレス)をサーバ205から取得するとともに、サーバ210上のPXE拡張(例えば、pxelinux)またはgPXE指令の場所を取得する。次いで、クライアントステーションまたはノードは、サーバ210からPXEまたはgPXEブートインストラクションをロードすることができ、すなわち、特に、ロード指令をロードすることができ、該当するのであればPXEコード拡張をロードすることができる。次に、受信されたロード指令に応じて、使用すべきカーネルおよびファイルシステムのイメージ、すなわち例えばカーネルおよびinitrdファイルが、サーバ215から転送される。
図2bに示されているコンピューティング環境200’は、サーバ205、210、および215がただ1つのサーバ230にまとめられている点で、すでに述べた環境200から相違し、サーバ230が通信ネットワーク220へと接続され、さらにクライアントステーションまたはノード(参照番号225−1〜225−i)も通信ネットワーク220へと接続されている。したがって、サーバ230は、DHCPサーバなどのアドレスサーバ機能を有するサーバならびに使用すべきカーネルおよびファイルシステムのイメージをロードすることができるPXEまたはgPXEのためのファイルサーバである。
同様に、2つのサーバ(例えば、PXE拡張ならびにPXEまたはgPXE指令ファイルの転送も可能にするDHCPサーバなどのアドレスサーバと、使用すべきカーネルおよびファイルシステムのイメージをロードすることができるサーバ)を使用することも可能である。
図3が、本発明によるクライアントステーションまたはノードのブート手順の特定の段階を示している。これらの段階が、タイムライン300上に表わされている。
図示のとおり、第1の段階において、クライアントステーションまたはノードのためのネットワーク設定を取得(ステップ305)する必要があり、さらに必要であれば、ロード指令ならびに使用すべきカーネルおよびファイルシステムのイメージ(例えば、カーネルおよびinitrdファイル)をロードできるサーバのネットワーク設定を取得する必要がある。
クライアントステーションまたはノードのネットワーク設定(ステップ310)の後、すなわちネットワーク設定が既知となって直ぐ(gPXEプロトコルが使用される場合)、あるいはPXE拡張がロード(PXEプロトコルが使用される場合)されたとき、ロード指令のロードが開始される(ステップ315)。
ロード指令が受信されたとき(ステップ320)、指令に関するカーネルおよびファイルシステムのイメージ(例えば、カーネルおよびinitrdファイル)のロードを、開始することができる(それぞれステップ330および325)。カーネルのイメージのロードは、ファイルシステムのイメージのロードと同時に開始され、あるいはファイルシステムのイメージのロードの開始後かつファイルシステムのイメージのロードの完了前に開始される。一般に、ファイルシステムのイメージのロードが、カーネルのイメージのロードの完了(ステップ335)後も続くことに、留意すべきである。
カーネルのイメージのロードは、ファイルシステムのイメージのロードがカーネルのイメージのロードの完了よりも前に始まる限りにおいて、ファイルシステムのイメージのロードよりも先に開始されてもよい。
カーネルおよびファイルシステムのイメージのロードが完了(ステップ335および340)した後で、カーネル(すなわち、最小限のオペレーティングシステム)がブートされる(ステップ345)。
カーネルファイルなどのカーネルのイメージのサイズが、典型的には2〜5MBの間である一方で、initrdファイルなどのファイルシステムのイメージのサイズが、通常は2〜20MBの間であり、100MBに達する可能性もあることに、留意すべきである。したがって、カーネルのイメージおよびファイルシステムのイメージを同時にロードすることで、ロード時間を、サイズが小さい方の画像について節約することができる。
図4が、通信ネットワークからのブートを可能にするためにクラスタノードまたはクライアントステーションにおいて実行される典型的なアルゴリズムの図である。
すでに述べたように、第1の段階(ステップ400)は、このノードまたはこのクライアントステーションのためのネットワーク設定を取得し、さらに必要であればロード指令ならびに使用すべきカーネルおよびファイルシステムのイメージをロードできる1つ以上のサーバのネットワーク設定を取得するための要求で構成される。例として、ノードまたはクライアントステーションのBIOSが、DHCPプロトコルに従って自身のIPアドレスならびにPXEまたはgPXEサーバのIPアドレスを要求する。
続く段階(ステップ405)において、ノードまたはクライアントステーションは、先に取得したアドレスのPXEまたはgPXEサーバからロード指令をロードする。やはり、ノードまたはクライアントステーションのBIOSが、この要求を行なうことができる。使用されるプロトコルがPXEプロトコルである場合、この段階は、PXEコード拡張(例えば、pxelinux)をロードする準備段階を含む。ノードまたはクライアントステーションのブートプログラムまたはブートローダ(gPXEプロトコルが使用される場合)、あるいはPXEサーバから受信されるブートプログラムまたはブートローダ(PXEプロトコルが使用される場合)が、ロード指令との組み合わせにおいて、カーネルのイメージおよびファイルシステムのイメージのロードの開始を可能にする。
ここで、カーネルおよびファイルシステムのイメージのロードを可能にする1つ以上のサーバのアドレスが、通常はロード指令にて与えられることに、留意すべきであろう。あるいは、ノードまたはクライアントステーションからアドレスサーバへの別途の要求によって取得されてもよい。
次いで、ノードまたはクライアントステーションは、最小限のオペレーティングシステムのカーネルのイメージのロード(ステップ410)およびそのファイルシステムのイメージのロード(ステップ415)を開始させる。これらの目的のため、カーネルおよび対応するファイルシステムのイメージの同時のロードを開始させるために、ブートストラッププロトコル(pxelinuxまたはgPXE)が、ロード要求が順次に処理されることがないように変更される。
特定の実施の形態によれば、ロード指令の通知が、そのような機能の始動または阻止を可能にする。
すでに示したとおり、カーネルおよび対応するファイルシステムのイメージを、同じサーバから得ることも、別々のサーバから得ることも可能である。別々のサーバから得られる場合、ファイルへのアクセスおよびロードの要求の処理に関して、コンフリクトは存在しない。そうでない場合、ロードの作業は、ファイルサーバによって並列に処理される。
その場合、好都合には、カーネルおよびファイルシステムのイメージが、オペレーティングシステムのブートを続ける前にメモリへと完全にロードされることを保証するために、待機の機構が実装される。
カーネルのエントリポイントの実行(ステップ420)によって、カーネルおよびファイルシステムのイメージのロードの処理が終わり、オペレーティングシステムのブートが始まる。
図4に関して説明したアルゴリズムを実行するように構成されたクラスタノードまたはクライアントステーションのアーキテクチャの例が、図5に示されている。
ここで、装置500が、装置500の外部の要素とのデータの交換を可能にする通信バス502(入力/出力バス)と、メモリとのデータの交換に専用の通信バス504とを備えている。
システムのBIOSプログラムを含んでいるROM(Read Only Memoryの頭文字である)506と、上述のプログラムの実行時に生成および変更される変数およびパラメータならびにカーネルおよびファイルシステムを記録するように構成されたレジスタを含んでいるRAM(Random Access Memoryの頭文字である)508とが、バス504へと接続されている。
1つ以上のCPU(中央演算処理装置(Central Processing Unit)の略語である)またはマイクロプロセッサ510と、ネットワークを介してデータの送信および受信を行なうように構成された通信インターフェイス512とが、バス502および504へと接続されている。ここで、通信インターフェイス512は、ネットワークを介して使用されるオペレーティングシステムのブートを可能にするプログラムを収容する拡張ROM514を備えている。
通信バス502および504が、装置500に含まれる種々の要素または装置500へと接続される種々の要素の間の通信および相互運用を可能にする。バスの表現は、本発明を限定するものではなく、特に中央演算処理装置が、装置500の任意の要素へと直接または装置500の任意の要素によって、インストラクションを通信することができる。
プログラマブルな装置によって本発明による方法を実行することを可能にする各々のプログラムの実行コードを、例えば拡張ROM514に保存することができる。gPXEプロトコルも、それらのソフトウェア構成要素をRAM508へとロードできるようにする。
より一般的には、1つ以上のプログラムを、実行の前に装置500のストレージ手段のうちの1つへとロードすることができる。
中央演算処理装置510が、本発明によるソフトウェアコードまたはプログラムのインストラクションまたは一部分の実行を制御および管理し、それらのインストラクションは、拡張ROM514、RAM506、または任意の他の上述のストレージ要素に保存される。
当然ながら、個々のニーズを満たすために、当業者であれば以上の説明に対して変更を加えることが可能であろう。

Claims (10)

  1. 最小限のオペレーティングシステムのカーネルの少なくとも1つのイメージと関連のファイルシステムのイメージとを含む少なくとも1つのサーバ(205、210、215、230)が接続された通信ネットワークへと接続されるコンピュータシステム(225−1、225−i)について、前記カーネルの前記イメージをロードするステップ(330、410)および前記ファイルシステムの前記イメージをロードするステップ(325、415)を含んでいるロードおよびブートの方法であって、
    前記カーネルの前記イメージをロードする前記ステップおよび前記ファイルシステムの前記イメージをロードする前記ステップのうちの一方が、前記カーネルの前記イメージをロードする前記ステップ(335、340)および前記ファイルシステムの前記イメージをロードする前記ステップのうちの他方の実行の終了よりも前に開始されることを特徴とする、方法。
  2. 前記カーネルの前記イメージをロードする前記ステップおよび前記ファイルシステムの前記イメージをロードする前記ステップが、実質的に同時に開始される、請求項1に記載の方法。
  3. 前記カーネルの前記イメージおよび/または前記ファイルシステムの前記イメージをロードするためのロード指令の準備ステップ(405)をさらに含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. ブートローダをロードする準備ステップをさらに含んでおり、
    前記ブートローダが、前記カーネルの前記イメージをロードする前記ステップおよび/または前記ファイルシステムの前記イメージをロードする前記ステップの実行のためのインストラクションを含んでいる、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記ブートローダへのアクセスのためのプロトコルが、PXE方式のプロトコルである、請求項4に記載の方法。
  6. 前記ブートローダへのアクセスのためのプロトコルが、gPXE方式のプロトコルである、請求項3に記載の方法。
  7. 前記カーネルの前記イメージのロードおよび/または前記ファイルシステムの前記イメージのロードのためのプロトコルが、TFTP方式またはHTTP方式のプロトコルである、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. クラスタのノードにおいて実行される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. コンピュータ上で実行されたときに請求項1から8のいずれか一項に記載の方法の各々のステップを実行するように構成されたインストラクションを含んでいるコンピュータプログラム。
  10. 請求項1から8のいずれか一項に記載の方法の各々のステップを実行するように構成された手段を備える装置。
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