| 出版日期：2004-07-05 总期号：1327 本年期号：48 |
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一种新的NC应用架构
余宏亮 沈美明 郑纬民 本文首先对计算模式的发展进行了研究，在回顾了以往NC运行模式和存在的问题后，提出了一种新的NC应用架构，使得在保持NC原有优势的前提下，缩小了NC和普通PC的差异，增加了其实用性。本文对该架构在具体实现中的一些问题进行了探讨。 随着计算机网络技术的发展，网络速率不断提高，覆盖范围不断扩大，网络相关应用和设备也得到迅速发展。网络计算机（NC）在这种大背景之下也应运而生，并在上世纪90年代末一度成为业界的热点。然而，随着Internet的退潮，NC也逐渐淡出了大多数人的视野。但在近年来，随着国内CPU和嵌入式系统方面研发工作的广泛深入开展，使得作为其重要应用产品之一的NC又一次走到了前台。 
图1 计算模式的变迁 本文将首先回顾计算机技术发展所带来的计算模式的变化，并在此基础上对以往的NC实现进行探讨，并随之提出一种新的NC应用架构，以及其实现中的一些问题。 计算模式的发展 要想对NC区别于普通PC的特点进行详细了解，我们就必须回顾整个计算模式的发展历程。 最早的计算机系统被称为主机系统（MainFrame），它实际上是一个带有众多终端的大型计算机。在这样的系统当中，系统资源和数据的控制都是集中式的，这样可以保证较高的控制效率，然而，以此对应的是，用户无法轻易对应用程序进行修改以适应其不断变动的需求。 随后，PC和工作站系统取代了主机系统，并得到广泛应用。这些系统都拥有自己独立的计算和存储资源，可独立工作，但系统的可伸缩性较差。 网络技术的发展为解决PC系统的可伸缩性问题提供了良好的平台，在它的支持下，网络计算系统逐渐成为了广泛得到应用的一种主流计算模式。通过众多以网络相联系的主机的配合，使得我们可以实现许多新的应用服务，比如E-mail、Ftp、Web、网络存储器、网络打印等。 NC技术的发展及问题 毫无疑问，NC是网络计算模式发展的产物。最早的NC是由Sun和Oracle这一类的公司所提出来的，它实际上是一套被设计成一个可以运行Java的硬件平台。这类的NC系统完全依靠网络来下载其所需要的Java应用程序，并在本地执行这些应用程序，而数据的存储则完全依靠网络上的其他服务器来进行。基于Java的NC具有价格便宜、易于管理等优点，但是，由于整个系统都完全依赖于Internet浏览器（进行数据和程序的下载）和Java虚拟机（进行应用程序的执行），使其实际上无法在应用层面上和一般用户所熟悉的传统Windows应用相兼容，从而大大降低了其实用性。 另一类NC实际上是伴随着浏览器技术的发展而产生的。随着Internet的发展，越来越多的应用程序被从传统的客户/服务器模式（Client/Server模式）移植到了浏览器/服务器(Browser/Server）模式上来。B/S模式的一大好处，就是用户不需要在客户端安装软件，而只需要单纯用浏览器就可以实现一些应用功能，也就是说，B/S模式的客户端是一种瘦客户端。 毫无疑问，在瘦客户端技术的发展中，基于Web的瘦客户端方案占有非常重要的地位。然而，随着网络计算的发展，基于Web的应用有时候往往难以满足人们的需求（比如在需要从服务器端传送大量数据到客户端的场合），而许多原有的应用程序都是基于传统的Client/Server模式构造的，很难改造成Browser/Server的模式。因此，就产生了新的计算模式：Server-based Computing（SBC模式）。它是将传统的Client程序运行在终端服务器上，并仅仅将其运行时产生的图像传送给远端的用户，以达到降低网络负载，以及客户端软件免安装的目的。由于SBC模式对客户端要求比较低（往往只需要能够显示服务器端的界面），而其所显示的用户界面可以完全兼容一般用户所熟悉的Windows系统，因此，它逐渐被NC的生产厂家所看重，并成为了一种主流NC产品。 SBC模式中，终端服务器负责实际的程序运行，而客户终端则仅仅负责显示结果。常见的SBC实现包括Citrix的ICA协议、微软的RDP协议以及VNC等。采用SBC模式的瘦客户机实现方案，其瘦客户端可广泛运行于从PC到手持PDA等设备上，具有很好的通用性。但其实质是对最早的MainFrame架构下的终端设备的延续和发展。特别是，随着CPU处理能力的增强，单个NC的处理能力也得到了很大的增强，因此，仍然单纯采用SBC的模式，对众多的NC资源是一个巨大的浪费。而另一方面，由于SBC模式中Server处理能力的局限，使得诸如多媒体播放等对CPU消耗很大的功能无法通过SBC模式实现，这也大大降低了SBC模式NC的适用范围。 基于Java+SBC的NC 在网络计算模式下，多数人对计算机的要求已不再是速度和强大的功能，整个系统的可靠性、可管理性、可维护性、执行效率、安全性、可扩展性以及总体拥有成本TCO等，才是人们追求的目标，这也正是NC的发展初衷。然而，正如我们上面所论述的那样，无论是基于Java的NC还是基于SBC模式的NC，都存在着自身的缺陷，从而大大限制了它们的发展。具体来说需要解决两大问题：一是如何给用户提供一个和他们在PC上使用的Windows平台相兼容的用户界面，二是如何充分发挥NC本身的资源，使得其应用范围得到扩大，尤其是在多媒体处理方面的能力得到增强。 为此，我们充分结合了基于Java和基于SBC模式NC的优缺点，提出了一种新的NC计算模式，如图4、图5所示。 具体来看，我们的NC仍然采用与SBC相类似的模式与服务器进行连接。也就是说，在这种模式下，服务器仍然是一个Windows的服务器，NC在需要利用该服务器资源的时候，仍然采用RDP、ICA等协议与该服务器进行通讯，并作为该服务器的一个图形终端存在。然而，我们的NC却不仅仅只被作为图形终端来使用，与基于Java的NC类似，它还可以从服务器下载应用程序，并将其在本地执行。 正如图4中所显示的那样，在用户需要运行Word等Windows应用的时候，由于用户对Windows平台的Word一般都比较熟悉和偏爱，因此，此时的NC将通过RDP等协议与服务器通讯，并作为服务器的一个图形终端存在，用户使用运行于服务器上的Word进行工作，比较前面SBC模式的工作图，可以看到，此时我们的NC与之是完全一样的。 然而，当用户需要通过NC进行一些多媒体应用的时候（如图4中⑥⑦⑧所示），我们的NC将从服务器把媒体播放器下载到本地，并同时从服务器读取媒体数据，并在本地进行播放。此时的工作模式与基于Java的NC类似，但不同的是，在本NC上运行的不是Java程序，而是编译好的机器码。 具体实现 新的NC架构的实现有赖于众多具体的应用，因为它的出发点是，在保持系统负载较低的情况下，让用户得到与用普通PC相同的感受。目前，我们在实现的时候从4个方面来考虑这个问题： 1. NC的开机 我们在NC上运行的是Linux操作系统，以降低整个系统的成本。但我们对Linux系统进行了一定修改，使得其：一方面，开机速度较快；另一方面，开机后直接通过RDP协议连接到Windows服务器，这样使得用户所看到的是Windows界面。 
图2 基于Java的NC 
图3 基于SBC模式的NC 2. 在NC上运行Office应用 NC上的Office应用是NC的基本应用之一，我们在处理该类应用的时候，充分考虑了用户对Windows平台下Office的认可程度。因此，Office应用实际上是通过SBC模式来运行的，NC仅仅充当一个Office应用的图形终端。 3. 在NC上运行浏览器应用 NC上进行网络浏览，也是NC的重要而基本的应用之一。我们在实现之初，考虑了两种方案：一是在NC的Linux上运行Mozilla，二是通过RDP协议在Server端运行IE，NC端只做图形终端。两种方法各有优缺点。 最终我们选定的方法借鉴了Chia-Chen Kuo的思想，具体做法是：当NC向一个Web服务器发送一个HTTP请求的时候，Web服务器所返回的结果由NC上的Mozilla所处理，然而，当Mozilla对其中的某些内容无法识别的时候（通常是类似ActiveX控件的东西），Mozilla将把该无法识别内容的URL发送到一个专门的Windows服务器，并由其对该内容进行解释，并显示结果，然后，所显示的结果又反过来被送回NC，并在NC上的Mozilla界面的合适位置进行显示。 这里需要指出的是，NC上的Mozilla界面，是完全无缝运行在原有的通过RDP协议产生的Windows界面当中的，对于用户来说，他完全感觉不到这个浏览器是运行于NC之上，而Windows界面实际上是运行于Server端这一回事。 4. 在NC上进行媒体播放 NC上进行媒体播放，是以往基于Java的NC或者基于SBC模式的NC都无法解决的一个问题。而在新的NC应用架构下，我们可以把传统的视频点播技术引入到NC当中来，以流式媒体播放的形式取代了传统的媒体文件播放的形式，达到了较好的效果。 流式媒体的传输特点是在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入内存，流媒体的数据流随时传送随时播放，只是在开始时有些许延迟。而其关键技术就是流式传输，而流式传输主要指通过网络传送媒体（如视频、音频）的技术总称。在我们的NC上所涉及的流式传输主要是实时流式传输， 需要专用的流式媒体服务器与传输协议支持，并可以支持随机访问，用户可快进或后退以观看前面或后面的内容。 具体在实现的时候，我们将NC服务器同时作为一个流式媒体服务器，而NC服务器上的媒体文件就是视频源，当NC端用户通过RDP协议登录进入NC服务器后，他就可以和使用普通PC一样，在Windows的资源管理器当中选择打开播放一个多媒体文件。而NC服务器收到这个播放命令后，将做两件事：一是立即通知NC端启动其流媒体播放程序，并等待接收流媒体数据；二是启动服务器上的流式媒体传输进程，将该多媒体文件的内容逐帧发送给NC客户端。这样，在NC端，我们就可以和使用PC一样播放多媒体文件了。和以往一样，流媒体播放的界面也是完全无缝运行在原有的通过RDP协议产生的Windows界面当中的，用户的感受完全和使用普通PC一样。 
图4 一种新的NC计算模型 
图5 实际运行模式 
图6 浏览器运行模式示例图 结束语 网络计算机NC是网络计算体系结构演变的必然结果。NC经过多年的发展演变，在许多方面发生了变化，也存在很多问题。我们所设计的新的NC应用架构，可以在保持NC原有优势的前提下，充分利用NC自身资源，将NC与PC的差别大大拉近，具有较好的应用前景。而在将来的研究工作中，我们还将对NC组及其配套的服务器所构成的NC机群进行研究，充分发掘NC潜力，扩大其应用范围，为NC真正由概念走向实用尽自己的一份力。(E1) 相关链接 清华网络计算机 清华网络计算机采用中心服务器集中数据与应用，通过网络连接为用户提供图形终端及一定的本地处理应用，能够适应现代高速网络环境下对客户端计算机的要求；而且集中式的数据管理降低了系统的维护与管理成本，提高了整体安全性。 每台清华网络计算机都有硬件、操作系统、资源/应用程序统一管理层以及无缝连接的操作界面组成。其主要特点在于，上两层——“资源/应用程序统一管理层“将网络计算机本地的应用程序和资源（如打印机、u盘等）与服务器端的应用程序统一管理，并通过“无缝连接的操作界面”将这些资源/应用程序以统一的界面、启动操作方式呈现给最终用户，尽量使得用户感觉不到本地资源和应用程序与服务器端的差别。 清华网络计算机采用MIPS兼容处理器与Linux OS，其体系结构与软件系统都是开放的，有利于以较低的成本进行灵活配置，以取得所需要的整体性能与功能。 
清华网络计算机内部结构图 硬件构成 清华网络计算机采用的是PMC-Sierra的RM5231A/7035C 处理器、PM8172系统控制芯片和清华自行研制的主板。处理器采用32位MIPS IV指令集,支持SuperScalar结构。板上集成了多种接口： ● SDRAM/Flash/ROM 控制器 ● PCI 总线控制器 ● DMA 控制器 ● 智能卡接口 ● ATA 33 IDE总线控制器 ● Consumer IR ● 声卡 ● UART ● IEEE 1284并口 ● GPIO ● LPC控制器 ● USB 1.1 controller ● ATI Rage XL显示芯片 ● RTL-8139 10/100Mb自适应网卡 同时支持USB接口的存储器、无线网卡和摄像头，并支持外挂打印机。 软件支持 系统软件包括： ● 引导程序 ● 操作系统: Linux kernel 2.4.18 ● 硬件显示加速 ● 完整的设备驱动支持 ● 图形化界面 ● Remote Desktop Protocol 5.1 ● 网络浏览器 ● 多媒体播放软件；支持MPEG1 MPEG2 MPEG4/Divx/Xvid等多媒体压缩格式；支持VOD ● 字处理软件 ● 摄像头实时视频播放 ● 游戏 ● USB存储盘、USB无线网卡支持 ● 打印机支持 ● 支持基于智能卡的用户身份认证 技术特点 ● 主板集成了所有的主要设备，并且无本地存储，使得本机的可靠性大大增强。 ● 网络启动，自动进行网络配置。 ● 显示分辨率最高为1024x768，24位色。 ● 强大的多媒体处理功能 支持MPEG1、MPEG2、MPEG4/Divx/Xvid等多媒体压缩格式的全屏流畅播放；支持视频点播（包括http/ftp/rtp/多播/广播等方式）。 ● 易于升级 软件的升级可以集中在服务器端进行，无需对于多台NC进行繁琐的本地升级。 ● 操作界面的无缝连接 将Window服务器应用与TNP的本地应用无缝连接起来；用户开机后即见到的是MS Window界面，此界面上有相应的图标和控件，可以轻松地调用TNP的本地程序，在外表上与Windows端应用没有区别。 ● 网络计算机端资源与服务器的无缝集成 网络计算机的本地资源，如USB存储、打印机等可以映射到MS Windows服务器上，可供用户以Windows本地资源的形式进行使用，提高了操作的便捷性。 
清华网络计算机体系结构图 |
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