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無盤工作站的工作原理詳細解析

總的來說,無盤工作站的啟動機制如下。首先由網卡的啟動芯片 (BootROM,有些網卡的啟動程序已嵌入主板BIOS中,無需啟動芯片) 以不同的形式向服務器發出啟動請求號,服務器收到后,根據不同的機制,向工作站發送啟動數據,工作站下載完啟動數據后,系統控制權由BootROM轉到內存中的某些特定區域,并引導操作系統

無盤

根據不同的啟動機制,目前比較常用的無盤工作站可分為RPL、PXE和虛擬硬盤等啟動類型。而Windows 2000終端從其原理來說,并不屬于無盤工作站,但它也可以用終端卡或硬盤引導系統,進入工作站操作系統后,再連接Windows 2000服務器,而這個連接程序與一般的應用軟件并沒有什么本質區別。

我們把Windows 2000終端歸結到無盤網絡的原因是:目前大多數的終端都是先通過RPL或PXE啟動無盤網絡到DOS或Windows 3x,再從無盤站中連接成為終端。總之,本書所指無盤網絡,泛指工作站中沒有軟驅和硬盤的網絡,無論它是采取何種方式達到這一目的。目前臺灣順昱公司研發的基于Electronic Disk Communication電子硬盤 (eDisk) 系統,我們將它稱為偽無盤系統,但因它也具備無盤網絡的特點,所以也可以把它歸結到無盤網絡中來。

近年來,無盤技術發展十分迅速,產生了大量的分支。根據分類角度的不同,主要有以下幾種分類方式: 

(1)按啟動類型分,主要有:RPL、PXE和BOOTP。 

(2)按工作站的操作系統分有:(以前的Win2000等)XP 無盤系統、目前已經支持Windows 7。 

(3)按服務器操作系統分為:基于Windows server 2003的無盤系統、基于Windows NT 4.0的無盤系統、基于Windows XP的無盤系統、基于Novell NetWare的無盤系統及基于Linux的無盤系統,Windows server 2008等。 

(4)根據系統是否具有移植能力可以分為:PNP (即插即用) 系統、非PNP系統。 

(5)根據所使用工具的不同進行分類:使用Intel PDK+Litenet的無盤系統、使用國產相關第三方工具的無盤系統、使用Boot-NIC+3COM PXE的無盤系統。 

(6)按虛擬磁盤分類:3Com VLD、Boot-NIC、BXP和Edisk等。 

以上分類是可以組合的,例如:基于Windows 2000 Server+3Com Dabs+Litenet1.15的PXE無盤Windows 98系統。請注意,它們間的組合并不是任意的,例如:基于Windows NT的RPL 純無盤Windows 2000就是不存在的。 

1.1.1 RPL啟動工作原理 

RPL為Remote Initial Program Load的縮略語,啟動過程分析如下: 

客戶端開機后,初始化網卡,網卡BootROM上固化的軟件向網絡廣播一個FIND幀,即引導請求幀,該幀中包含有客戶機的網卡ID號。 

服務器端的遠程啟動服務接收到客戶機廣播的FIND 幀后,根據幀中所帶的網卡ID號在遠程啟動數據庫中查找相應的工作站記錄。如果不存在這樣一個記錄,引導過程不能繼續;如果此工作站記錄已經存在,遠程啟動服務則發送一個FOUND 幀給客戶機的RPLROM,FOUND幀中已包含了服務器的網卡ID。 

當網絡上有數臺服務器在運行遠程啟動服務時,RPLROM有可能會接收到多個FOUND幀,但RPLROM只對它收到的第一個FOUND幀有反應。它將根據第一個FOUND幀中所帶的服務器網卡ID號,返回一個SEND.FILE.REQUEST幀給對應的服務器。SEND.FILE.REQUEST幀是一個要求服務器發送文件的請求。 

服務器端的遠程啟動服務在收到SEND.FILE.REQUEST幀后,將根據遠程啟動數據庫中的工作站記錄查找對應的啟動塊 (BootBlock) ——在實際配置時我們知道,它位于NETBEUI目錄,名為DOSBB.CNF和W95BB.CNF——用FILE.DAT.RESPONSE幀將啟動塊送回客戶機端的RPLROM。 

RPLROM在收齊所有的FILE.DAT.RESPONSE幀后,將執行點轉向啟動塊的入口,啟動工作站。工作站以Windows 95實模式啟動后,將創建一個RAM盤,并將Windows 95實模式文件從遠程啟動服務器復制到RAM盤,加載Windows 95實模式網絡設備啟動并建立一個到SBS服務器的連接。最后,連接到該客戶機的計算機目錄 (Machine Directory) 所在的服務器上,并根據計算機目錄中的有關設置及數據完成Windows 95啟動過程。 

1.1.2 PXE啟動原理 

PXE遠程無盤引導技術是由Intel推出的,配合Qualystem公司的LiteNet,最初選用臺灣DTK公司的E-Terminal,成功地實現了Windows 98的遠程啟動和運行,并使可靠性和穩定性都大大提高。Windows 98的各種應用軟件只需通過簡單的幾個步驟即可加到無盤工作站上,并可隨時升級和擴充,其簡便的安裝方式和構架,很快得到了業內人士的認可,并廣泛流行起來。 

PXE是RPL的升級品,它是Preboot Execution Environment的縮寫,意思為預置啟動環境。它們的不同之處在于RPL是靜態路由,而PXE是動態路由。其通信協議采用TCP/IP,與Internet連接高效而可靠,PXE無盤工作站的啟動過程分析如下: 

(1)客戶端個人電腦開機后,在TCP/IP BootROM獲得控制權之前先做自我測試。 

(2)BootPROM送出BOOTP/DHCP 要求以取得IP。 

(3)如果服務器收到個人電腦所送出的要求,就會送回BOOTP/DHCP回應,內容包括:客戶端的IP地址、預設網關及開機影像文件。否則,服務器會忽略這個要求。 

(4)BootPROM由TFTP通信協議從服務器下載開機影像文件。TFTP協議為Trivial File Transfer Protocol縮寫,意為:簡單文件傳輸協議。TFTP可以看成一個簡化了的FTP,主要的區別是沒有用戶權限管理的功能。也就是說,TFTP不需要認證客戶端的權限,這樣遠程啟動的客戶機在啟動一個完整的操作系統之前就可以通過TFTP下載啟動映像文件,而不需要證明自己是合法的用戶。 

(5)客戶機通過這個開機影像文件開機,這個開機文件可以只是單純的開機程序也可以是操作系統。 

(6)開機影像文件將包含kernel loader及壓縮過的kernel,此kernel將支持NTFS root系統。 

(7)開機影像文件在工作站內存模擬成磁盤,從這個模擬磁盤啟動。 

(8)在實模式下連接服務器,將無盤啟動預置好各種環境,例如操作系統所在路徑,相關注冊表的調整等。 

(9)實模式向保護模式下切換 ( (8)、(9) 兩項只有無盤Windows 98時才存在) 。 

PXE有以下優點: 

因為其能支持Windows 98遠程啟動,所以現有的各種應用軟件都能得到非常好的應用。由于系統本機內存為64MB,虛擬內存大小可在服務器自由設定,另具有3D圖形視覺增強和AC97 CODEC軟件音頻功能,因此,相對終端或RPL Windows 95來說增強了多媒體功能。 

PXE還有一個最大的優點就是有較強的安全性。不管多少臺工作站,系統和應用軟件只需安裝一套,對用戶的權限是在服務器上設定的,用戶可以在自己的目錄下隨便操作,若有了誤操作,重新啟動便可以完全恢復。 

操作維護簡便。升級軟件只需向服務器重新傳一遍系統,所有工作站便已全部升級了。工作站的IP地址由服務器自動給予,不用逐臺設置。 

多種操作系統及網絡產品都支持PXE。作為新一代遠程啟動技術的代表,各大公司的軟硬產品都支持PXE系統。例如:Intel公司的PXE PDK、3Com Dabs和Linux。很多內置網卡的主板都預置PXE啟動代碼,這給PXE技術的發展奠定了良好的基礎。 

1.1.3 BOOTP協議原理 

BOOTP是BOOT strap Protocol的縮略語,是一種較早出現的遠程啟動的協議,BOOTP最早出在UNIX系統中,負責UNIX終端的遠程啟動,直到目前仍是UNIX及之后的Linux系統中最常用的方式。它在基于Windows的無盤網絡運用較少,但隨著Windows 2000不支持RPL遠程啟動,并且以TCP/IP作為默認安裝網絡協議,逐步表明今后的Windows也將以TCP/IP協議作為主要的發展方向,純TCP/IP的網絡將是今后發展的方向。 

我們經常用到的DHCP服務就是從BOOTP服務擴展而來的。BOOTP協議使用TCP/IP網絡協議中的UDP 67/68兩個通信端口。BOOTP主要是用于無磁盤的客戶機從服務器得到自己的IP地址、服務器的IP地址、啟動映像文件名、網關IP等。它的簡單啟動過程為: 

由BootROM芯片中的BOOTP啟動代碼啟動客戶機。此時客戶機還沒有IP地址,它就用廣播形式以IP地址0.0.0.0向網絡中發出IP地址查詢的請求,這個請求幀中包含了客戶機的網卡MAC地址。 

網絡中的運行BOOTP服務的服務器接收到這個請求幀后,根據這幀中的MAC地址在BOOTPTAB啟動數據庫中查找這個MAC的記錄,如果沒有此MAC的記錄則不響應這個請求,如果有就將FOUND幀發送回客戶機。FOUND幀中包含的主要信息有客戶機的IP地址、服務器的IP地址、硬件類型、網關IP地址、客戶機MAC地址和啟動映像文件名。 

客戶機就根據ROUND幀中的信息通過TFTP服務器下載啟動映像文件,并將此文件在工作站內存模擬成磁盤,從這個模擬磁盤啟動。 

在PXE啟動中可以采用動態分配IP的DHCP方式,也可以采用固定IP方式的BOOTP方式,但它的應用場合不同,若為單一的無盤網絡,則可采用DHCP方式簡化管理;若為多個網絡互連的結構,則使用指定IP的BOOTP方式更為合理一些。 

1.1.4 Windows 2000終端 (WBT) 的特點及純軟件終端啟動原理 

WBT (Windows Based Terminal) 是Windows 2000 Server/Advanced Server具備的一項標準服務,它允許用戶以Windows界面的客戶端訪問服務器,運行服務器中的應用程序,使用戶就像用自己的計算機一樣。在WBT的網絡中,所有應用軟件的安裝、配置、運行和存儲等均在服務器上進行,客戶機 (終端) 只作為輸入輸出設備。當終端用戶登錄到服務器后,就可以像使用本地資源一樣使用服務器上的資源,運行服務器上Windows應用程序。多個終端用戶可以同時登錄到服務器上,互不影響地工作。這樣的網絡十分容易進行集中管理,很適合學校和中小企業的局域網構建。WBT的這一特點跟早期的UNIX的字符終端類似,但WBT的優勢在于它是基于Windows的,具有友好的圖形界面和Windows的易用性。另外,在WBT的網絡環境下,網絡傳輸的數據主要是鍵盤鼠標的輸入信息與顯示器的輸出信息,數據的處理都在服務器上進行,這就大大減少了網絡的傳輸量。 

此方案中將原本要淘汰的386、486計算機作為終端使用,有利于資源的再利用;同時,安裝軟件及運算等都在服務器上進行,一般情況只需維護一臺服務器就行,對于軟件及防病毒的管理也降低了。所以,利用該方案大大降低了總體擁有成本,節省了大量的資金。它有以下一些特點: 

運算、存儲都在服務器內進行,安裝軟件只需安裝在服務器上一份,所有終端就都可以使用;所有終端用戶的文件都各自獨立地存放在服務器上,即使掉電,也不會造成資料丟失。 

機房維護由維護每一臺PC,轉變為維護一臺服務器,維護成本大大降低;總擁有成本 (TCO) 大大降低。 

Windows 2000服務器版本是最新的服務器操作系統,性能非常穩定,整個系統的穩定性得到可靠保障。 

Windows 2000終端的界面是標準的Windows風格界面。它使用最新的Windows 2000界面,用戶非常熟悉,無需特殊培訓。

能滿足對因特網的需求;應用當今流行軟件時單機反映速度快;使用Windows終端與使用PC完全相同,因而在Windows終端上的學習經驗,可以應用到PC上。 

管理和控制性強。終端服務器能夠對終端進行管理,設定終端機運行的軟件,同時能對終端機進行隨時監控。 

純軟件終端的啟動原理如下。它的啟動原理前一部分與RPL或PXE無盤啟動原理完全相同,這里就不再詳述了。后一部分的連接是基于Windows 2000多用戶、多任務的基礎上的終端服務,在工作站上安裝由微軟提供的32位的連接程序,或由第三方提供的16位或32位在DOS、Windows 3x或Windows 9x無盤站安裝連接程序,并設置好連接屬性,然后在啟動無盤站時將其連接命令加到DOS站的開機批處理,或加到無盤Windows 的啟動組,使其自動連接Windows 2000服務器。在終端安裝Windows CE,服務器端安裝Windows 2000專業版,終端啟動以后透過RDP協議運行服務器端的應用程序,服務器端進行應用程序運算后同樣透過RDP協議將結果在終端顯示。 

1.1.5 基于虛擬硬盤的無盤網絡 

所謂虛擬硬盤方式,指的是在工作站啟動時,用軟件將部分內存結合服務器的一塊硬盤空間,為工作站虛擬出一個或多個本地硬盤的方式。例如:早期的3Com VLD系統、較新的Boot-NIC系統和最新的BXP系統。也有一些基于硬件的虛擬硬盤的解決方案,例如:Edisk 系統。目前只有基于虛擬硬盤的無盤網絡能夠很好地解決系統文件共享沖突的問題,且很容易實現多種操作系統的無盤啟動,即工作站可以無盤啟動Windows 2000、Windows XP,甚至是Linux。 

基于虛擬硬盤的無盤網絡的工作原理如下: 

對于純軟件方式,一般是先在有盤工作站作好一個偽系統,再上傳至服務器為工作站準備的虛擬硬盤文件中。無盤啟動時,先以PXE的方式啟動到實模式下,連接服務器,并根據配置文件連接虛擬硬盤映像文件,再將控制權轉到虛擬硬盤中,從而完成保護模式下的切換。 

對于基于硬件的虛擬硬盤方式,它是通過最標準、最普及的以太網絡 (Ethernet) 來傳輸eHD與eDisk間的數據,它們是建立在eDC傳輸協議基礎之上的 (eDC全名是Electronic Disk Communication,是臺灣順昱公司研發出的一種傳輸協議) ,實現了Client SAN (即客戶端儲存局域網絡架構) 。它具有早期大型機體系的集中管理集中存儲的優點,又有NC的分布式計算的特性 (即完全利用了Client的硬件資源) 。此外,對個人用戶來說,它完全跟PC相同,不論軟硬件的使用,功能和兼容性 (即整個客戶端儲存局域網絡Client SAN的應用效果和使用方法) 相同真正PC聯網一樣,但又管理容易,因而大幅度降低了企業IT環境的服務可用性總成本 (total cost of service availability,TCSA),不過,一次性軟硬件投資較大。因此,在一些對多媒體性能要求較高的場合可以考慮使用。 

1.2 無盤網絡的發展及現狀 

最早使用的無盤網絡,應該是UNIX的字符終端。本書所指無盤網絡是廣義上的定義,也就是說只要客戶機上無軟硬盤,我們就稱為無盤網絡。 

從1994年至1996年,絕大多數無盤網絡基本構架都是采用Novell NetWare 3.11或Novell Netware 3.12作服務器的操作平臺,工作站以IPX方式登錄。當時,我們稱它為IPX無盤網絡,主要用于教學網絡,應用程序以DOS為主。 

從1996年至1999年,以RPL方式登錄的無盤網絡占絕大多數,服務器端可以選擇Novell NetWare 4.1或Windows NT 4.0 Server。在此期間,由于微軟的大力支持,在它的Windows 95產品系列中,推出了網絡版的Windows 95即所謂的完全版,它包含了網絡安裝命令Netsetup。之后的幾年,RPL幾乎成為了無盤網絡的代名詞。1998年微軟公司推出Windows 98,沒過多久,又推出了Windows 98第二版,其內核較Windows 95有較大變化,與Internet聯系更加緊密,功能也有所增強。遺憾的是,Windows 98不再提供Netsetup命令,也就是說,Windows 98無法安裝在無盤站上,盡管眾多的愛好者不斷努力,無盤仍然不能運行Windows 98,當時,也有人聲稱成功安裝無盤Windows 98,其實,只是改頭換面的Windows 95,其內核仍然是Windows 95,我們把它稱之為偽Windows 98。 

從2000年至今,無盤網絡技術得到了前所未有的飛速發展。由于Inter、3COM和QUALSTEM等大公司的介入,無盤技術得到了飛速的發展,大量高質量的無盤支持軟件不斷出現,例如:Inter PXE PDK、3COM DABS、3COM虛擬硬盤和QUALSTEM的Litenet等。與之相對應的無盤方案也層出不窮,無盤站不能運行Windows 98已成為過去,新的無盤啟動機制反過來被用到了RPL中,使得RPL工作站上也可以運行Windows 98了。與此同時,微軟公司在其劃時代的產品Windows 2000中將終端技術納入標準組件,加上第三方軟件Mateframe對終端的支持,使其可以在無盤DOS或無盤Windows 3x下連接Windows 2000 Server而形成所謂的純軟件Windows 2000 終端。目前在無盤技術方面有三個主流,即:RPL無盤Windows 98、PXE 無盤Windows 98系統和純軟件的Windows 2000終端。可以看出,在無盤組網方面用戶有了更多的選擇,而且無盤技術的應用領域更廣,幾乎所有有盤站能運行的軟件在無盤站都能運行。 

隨著微軟升級的步伐,Windows家族已步入了XP時代。但在無盤領域,基于PXE的無盤Windows 98剛剛開始推廣,許多無盤網絡仍停留在Windows 95,甚至DOS操作平臺。無盤網絡似乎總是跟不上操作系統的發展。直到最近,Venturcom公司推出一系列嵌入式遠程引導軟件產品,這一狀況得到了很大的改變。在2002年初,Venturcom與Microsoft合作開發的Boot-NIC 1.0,專門用于遠程啟動Windows 2000;另一個BXP產品則專為無盤Windows XP而設計。這個消息雖不如當年無盤可以運行Windows 98那樣令人興奮,但也足以使人耳目一新,“98老矣、尚能飯否”的時代距離我們也不會太久。無盤Windows 2000的應用前景十分廣闊,它特別適合辦公網絡和教學培訓網絡,有著其他無盤系統無可比擬的可靠性和先進性。 

1.3 各種無盤解決方案及其對比 

面對各種無盤解決方案,讀者可能無所適從,本節將對PXE、RPL、Windows 2000自帶的終端 (下面稱為標準WBT) 與基于MetaFrame的終端 (下面稱為Meta WBT) 之間的區別作一詳細的介紹。我們把標準WBT和Meta WBT合稱為終端。另外,對初學者極易混淆的純無盤Windows 2000與Windows 2000終端單列出來進行比較。 

標準WBT名氣最大,由軟件巨人微軟推出,捆綁在Windows 2000里面。它也是微軟針對嵌入式產品推出的重量級產品,微軟希望籍此在嵌入式產品市場中搶得壟斷地位。

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