TWI592808B - High-speed automated cluster system deployment using virtual disks - Google Patents

Description

使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方法

本發明係屬於無盤叢集系統建置與部署之技術領域，特別是關於一種使用虛擬磁盤之高速自動化叢集(Cluster)系統部署方式，以利用隨機存取記憶體(Random Access Memory,RAM)形成虛擬磁盤而加速系統映像派送，提升叢集系統系統之建置與部署效率，同時降低整體叢集系統系統之維運與更新成本。

拜預啟動執行環境(Preboot eXecution Environment,PXE)技術所賜，利用一控制節點(Master)透過網路開啟無盤(Diskless)之伺服器或用戶電腦等計算機設備，並使其自動架設系統作業環境以加速建構資料中心、通訊機房、企業區網或電腦教室等叢集系統相關應用係已成為可行之事實。目前，無盤系統的設備架構多如圖1所示，其係為習知網路啟動無盤系統之架構示意圖，藉遠端之一PXE伺服器1通過動態主機設置協定(Dynamic Host Configuration Protocol,DHCP)及簡單文檔傳輸協議(Trivial File Transfer Protocol,TFTP)等電訊連接至少一電子裝置2之一網卡20，以啟動並引導該電子裝置2安裝一作業系統。該PXE伺服器1設有一資料庫10，用以儲存複數個作業系統檔、複數個引導裝入程式、使用者設定之複數個IP位址及複數個配置文檔。當該電子裝置2向該PXE伺服器1請求一IP位址時，該PXE伺服器1即利用DHCP協定分配該資料庫 10中所儲存之一IP位址予該電子裝置2。接著，該電子裝置2取得該IP位址，並向該PXE伺服器1請求對應之該引導裝入程式及該配置文檔，且該PXE伺服器1通過TFTP協議發送後，該電子裝置2自該配置文檔中選擇所需之一系統核心(Kernel)及其啟動參數，以下載該系統核心。最後，該電子裝置2啟動該系統核心，使該PXE伺服器1將對應啟動參數之一系統檔案掛載至該電子裝置2，完成網路啟動無盤裝置之作業程序。

然而，習知技藝係利用劃分於實體磁盤之檔案系統而進行上述程式下載及儲存動作，故受硬碟之磁性讀寫特性限制，將侷限程式下載及安裝速率，舉例而言，大型資料中心在大量建置規模約100~1000台伺服器需耗費長達7天的時間，造成高作業成本及執行效率低落等問題產生。又，據硬碟之磁盤材質特性而言，長期使用容易產生壞軌而導致叢集系統系統相關運作異常，使增加設備系統的維運成本及複雜度。對此，如何解決受限於硬碟特性而導致作業效率低及維運成本高的問題，即為本發明人亟欲改善之課題。

有鑑於習知技藝之問題，本發明之目的在於提供一種使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方法，以加速計算機設備架設作業系統之效率，使簡化整體叢集系統之建構因難度及複雜度。

根據本發明之目的，該使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方法係利用一控制節點透過網路操控一叢集系統中至少一工作節點(Worker)，以啟動並使該工作 節點自動安裝與組態一作業系統，其包含下列步驟：開啟該工作節點電源；使該工作節點傳送一位址請求至該控制節點，以取得一位址；執行一預啟動程序後，該工作節點反饋一檢核碼並傳送一系統安裝請求予該控制節點；當該檢核碼正確時，該控制節點透過網路傳送一系統核心及一系統映像檔予該工作節點，且該工作節點劃分一隨機存取記憶體形成一虛擬磁盤，供以暫儲該系統映像檔；執行該系統核心，該工作節點安裝該系統映像檔，並傳送一註冊訊號至該控制節點；及當該控制節點接收該註冊訊號時，傳送對應之一組態檔予該工作節點，且該工作節點利用該組態檔進行自動化設定，完成該作業環境安裝。

簡言之，根據本發明之目的，該使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方式係利用一控制節點透過網路操控一叢集系統中至少一工作節點，以啟動並使該工作節點自動安裝與組態一作業系統，其特徵在於：該工作節點係以其內部之一隨機存取記憶體劃分形成一虛擬磁盤，供以接收傳送自該控制節點之一系統核心、一系統映像檔及對應之一組態檔，且該工作節點執行該系統核心而安裝該系統映像檔後，依該組態檔進行自動化設定，以完成該作業系統安裝。

其中，於開啟該工作節點電源前，若欲新增至少一該工作節點至該叢集系統中，更包含下列步驟：設定該工作節點之一硬體架構資訊及一應用程式資訊於該控制節點之一資料庫中，以形成該工作節點之該組態檔。接著，使該控制節點執行一配置組態(Provision Configuration)，以透過網路開啟該工作節點電源，且當該工作節點執行該預啟動程序卻反饋錯誤之該檢核碼(Checksum)時，該控制節點透過網路重新開啟該工作節點電源，以重新分配該位址予該工作節點，並使該工作節點重新執行該預啟動程序。

為允許使用者彈性調整該叢集系統之設備架構，當該工作節點完成該作業系統安裝後，更包含下列步驟：刪除該資料庫中該工作節點之該組態檔，且該控制節點透過網路關閉該工作節點電源，使該隨機存取記憶體抹除該系統核心、該系統映像及該組態檔，以自該叢集系統中移除該工作節點。又，當該工作節點完成該作業系統安裝後，使用者可即時更新該系統核心、該系統映像及於該資料庫中該工作節點之該組態檔，且該控制節點透過網路關閉並重新開啟該工作節點電源，使該工作節點重新請求該系統核心、該系統映像檔及該組態檔，以重新架設該作業系統而完成該作業系統更新。如此，當該叢集系統設有數量龐大之工作節點時，使用者仍可透過該控制節點一次性更新完畢，使簡化系統維護之因難度及複雜度。再者，系統版本之即時更新可降低因程式問題而引發之工作異常。

另一方面，當該工作節點安裝一應用程式時，該工作節點反饋一更新訊息至該控制節點，以更新該資料庫中對應之該組態檔，且該工作節點係設有一硬碟，供以儲存該應用程式及一應用資料。如此，關閉該工作節點電源後，使用者仍可保留部份之該應用程式及該應用資料。

綜上所述，本發明之使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方法係利用隨機存取記憶體劃分形成虛擬磁盤而加速儲存該系統映像檔及該組態檔等資料，如此，當該叢集系統設有數量龐大之工作節點時，即可大幅縮減該作業系統之安裝時間並加速該叢集系統建構效率。再者，因該隨機存取記憶體具有較長使用壽命之特性，故可提升該工作節點之系統穩定性且降低叢集系統與設備維護成本。

為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。

請參閱第2、3圖，其係分別為本發明較佳實施例之架構示意圖及一流程圖。如圖所示，該使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方法係適用於提升架設電腦或伺服器等計算機設備之效率，以降低通訊機房、企業區網或電腦教室等叢集系統之建構時間及成本。該使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方法主要係以一控制節點3，例如終端伺服器透過網路操控一叢集系統中複數個工作節點4的系統架構實現，且其流程步驟如下所述：首先，步驟S2，於該控制節點3執行一配置組態，即開機並執行操控軟體後，使用者可手動開啟該等工作節點4電源，或者，藉該控制節點3透過網路開啟該等工作節點4電源。

步驟S3，開啟電源後，該等工作節點4即向該控制節點3傳送一位址請求，以取得一位址並執行一預啟動 程序。

步驟S4，該等工作節點4執行預啟動時，檢核其硬體架構及需求之檔案數，以反饋一檢核碼予該控制節點3，同時向該控制節點3傳送一系統安裝請求，順帶一提的是，該檢核碼及該系統安裝請求係包含有各該工作節點4之該位址，以使各該工作節點4正確請求所需檔案。

接著，於步驟S5中，該控制節點3接收該檢核碼並驗證是否正確？若是，執行步驟S50：該控制節點3透過網路傳送配對該位址之一系統核心及一系統映像檔予對應之該工作節點4；反之，步驟S51：該控制節點3透過網路重新開啟傳送錯誤檢核碼之該工作節點4，以重新分配該位址予該工作節點4後，使該工作節點4重新執行該預啟動程序、檢核並反饋一檢核碼，及再次傳送一系統安裝請求。

步驟S6，各該工作節點4劃分一隨機存取記憶體40形成一虛擬磁盤400，並於接收該系統核心及該系統映像檔時，將該系統核心及該系統映像檔寫入該隨機存取記憶體40而暫儲於該虛擬磁盤400中。隨之，各該工作節點4執行該系統核心以安裝匹配其硬體架構之該系統映像檔後，傳送一註冊訊號至該控制節點3。

於步驟S7中，當該控制節點3接收來各該工作節點4之該註冊訊號後，整合該等註冊訊號以分別指派一角色予該叢集系統中之各該等工作節點4，供以區分各該工作節點4之工作權限、負責之服務項目或頻寬使用量等。並且，依據該等註冊訊號，該控制節點3分別傳送對應之一組態檔300予各該工作節點4，且各該工作 節點4利用該組態檔自動進行自我設定以完成一作業系統架設。本實施例中，該組態檔300係儲存於該控制節點3之一資料庫30中，該系統核心及該系統映像檔亦可儲存於該資料庫30中，由此可知，該資料庫30主要係用以載存各該工作節點4之相關系統資料、服務資料與組態資料，簡言之即為系統服務與組態資料庫。

最後，步驟S8，各該工作節點4依據該組態檔300之一硬體架構資訊及一應用程式資訊檢核預設之應用服務後，向該控制節點3註冊檢核結果，以正常工作而提供即時服務。如此，本發明可一次啟動並自動架設完成該叢集系統中數量龐大之該等工作節點4，舉例而言，在資料中心大量建置規模約100台伺服器僅耗費約5分鐘時間，使大幅提升設備建構效率並有效降低建構成本。

進一步地，請再參閱第4圖，其係為本發明較佳實施例之次一流程圖。如圖所示，為方便使用者彈性調整設備數及便於維護該叢集系統架構，使用者可透過該控制節點3新增、更新或移除該叢集系統中任一工作節點4。換言之，於執行上述步驟S2前，該控制節點3可進行步驟S1，以判斷使用者操控該等工作節點4之實際作業動作，而當使用者欲新增一工作節點4至該叢集系統中時，需優先進行步驟S10：使用者可直接修改該資料庫30中資料，以新增一筆硬體架構資訊及應用程式資訊而形成新增之一筆組態檔300，接續著步驟S2以執行該作業系統安裝與組態設定，如此，即可使額外之一工作節點40增加至目標之該叢集系統中，及連結至該控制節點3中。

當該作業系統之版本更新時，進行步驟S11：利用該控制節點3製作更新之該系統核心及該系統映像檔，且修改該資料庫30中對應該工作節點4之該組態檔300後，該控制節點3透過網路關閉並重新開啟對應之該工作節點4電源，使該工作節點4重新請求該系統核心、該系統映像檔及該組態檔而重新組態該作業系統，如此，該工作節點4即可即時自動更新系統版本而降低工作異常的問題發生。

或者，當使用者欲自該叢集系統中移除某一工作節點4時，則進行步驟S12：刪除該資料庫30中對應該工作節點4之該組態檔300後，該控制節點3透過網路或使用者手動關閉該工作節點4電源，如此，該工作節點4之該隨機存取記憶體40隨即抹除內存之該系統核心、該系統映像及該組態檔，以自該叢集系統移除。

特別的是，接續上述步驟S8使各該工作節點4提供服務後，為符合不同使用者之作業需求而滿足人性化操作功能，當使用者依個人需求安裝各式應用程式於該工作節點4時，該工作節點4處理步驟S9：反饋安裝程式之一更新訊息至該控制節點3，以更新該系統服務與組態資料庫30中對應之該組態檔300，且由於各該工作節點4係設有一硬碟，故可儲存安裝之該應用程式、一應用資料及其他使用者之操作資料等。如此，重新開機後，各該工作節點4仍可保留部份資料，以方便使用者接續作業。

以上所述僅為舉例性之較佳實施例，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等 效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

習知技藝

1‧‧‧PXE伺服器

10‧‧‧資料庫

2‧‧‧電子裝置

20‧‧‧網卡

本發明

3‧‧‧控制節點

30‧‧‧資料庫

300‧‧‧組態檔

4‧‧‧工作節點

40‧‧‧隨機存取記憶體

400‧‧‧虛擬磁盤

S1~S9‧‧‧步驟

第1圖 係為習知網路啟動無盤系統之架構示意圖。

第2圖 係為本發明較佳實施例之架構示意圖。

第3圖 係為本發明較佳實施例之一流程圖。

第4圖 係為本發明較佳實施例之次一流程圖。

S1~S9‧‧‧步驟

Claims (4)

1. 一種使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方法，係利用一控制節點透過網路操控一叢集系統中至少一工作節點，以啟動並使該工作節點自動安裝與組態一作業系統及一應用程式，該方法包含下列步驟：設定該工作節點之一硬體架構資訊及一應用程式資訊於該控制節點之一資料庫中，以形成該工作節點之該組態檔，其中該控制節點係執行一配置組態，以透過網路開啟該工作節點電源；使該工作節點傳送一位址請求至該控制節點，以取得一位址；該工作節點執行一預啟動程序後，該工作節點反饋一檢核碼並傳送一系統安裝請求予該控制節點；當該檢核碼正確時，該控制節點透過網路傳送一系統核心及一系統映像檔予該工作節點，且該工作節點劃分該工作節點之一隨機存取記憶體形成一虛擬磁盤，供以暫儲該系統映像檔；該工作節點執行該系統核心，該工作節點安裝該系統映像檔，並傳送一註冊訊號至該控制節點；當該控制節點接收該註冊訊號時，傳送該應用程式對應之一組態檔予該工作節點，且該工作節點利用該組態檔進行自動化設定，完成該作業系統及該應用程式安裝及組態；以及 依據該組態檔之一硬體架構資訊及一應用程式資訊檢核一預設之應用服務，向該控制節點註冊一檢核結果，以提供一即時服務；其中，當該工作節點完成該作業系統安裝後刪除該資料庫中該工作節點之該組態檔，且該控制節點透過網路關閉該工作節點電源，使該隨機存取記憶體抹除該系統核心、該系統映像檔及該組態檔，以自該叢集系統中移除該工作節點，且該工作節點係設有一硬碟，供以儲存該應用程式及一應用資料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方法，其中當該檢核碼錯誤時，更包含下列步驟：使該控制節點透過網路重新開啟該工作節點電源，以重新分配該位址予該工作節點後，使該工作節點重新執行該預啟動程序。
3. 如申請專利範圍第1項所述之使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方法，其中當該工作節點完成該作業系統安裝後，更包含下列步驟：更新該系統核心、該系統映像檔及於該資料庫中該工作節點之該組態檔，且該控制節點透過網路關閉並重新開啟該工作節點電源，使該工作節點重新請求該系統核心、該系統映像檔及該組態檔，以重新架設該作業系統而完成該作業系統更新。
4. 如申請專利範圍第1項所述之使用虛擬磁盤之高速自動化叢集系統部署方法，更包含下列步驟：當該工作節點安裝一應用程式時，該工作節點 反饋一更新訊息至該控制節點，以更新該資料庫中對應之該組態檔。