一種基于硬盤保護(hù)卡的網(wǎng)絡(luò)差異拷貝方法*

豐洪才 向云柱

(武漢工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程系 武漢 430023)

1 引言

計(jì)算機(jī)機(jī)房是學(xué)校計(jì)算機(jī)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所,它承擔(dān)著為學(xué)生上機(jī)與實(shí)驗(yàn)、機(jī)房開放、各種計(jì)算機(jī)培訓(xùn)和科研實(shí)驗(yàn)等任務(wù)。然而計(jì)算機(jī)機(jī)房的維護(hù)任務(wù)是一件非常煩瑣的事情,因?yàn)槿藛T流動(dòng)大,教學(xué)任務(wù)類型多,對(duì)計(jì)算機(jī)中的軟件的要求不斷變化,機(jī)房管理人員經(jīng)常要重新安裝系統(tǒng)、查殺病毒等,維護(hù)時(shí)不得不花費(fèi)大量時(shí)間和精力[1]。雖然計(jì)算機(jī)硬盤保護(hù)卡已在教育行業(yè)計(jì)算機(jī)機(jī)房、網(wǎng)吧等大型計(jì)算機(jī)機(jī)房得到了廣泛應(yīng)用,但隨著計(jì)算機(jī)的普及程度越來越高,對(duì)機(jī)房的維護(hù)要求也越來越高。特別是網(wǎng)絡(luò)拷貝,傳統(tǒng)的方法是進(jìn)行完全的磁盤拷貝,這種方案存在的問題是拷貝的數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載大、拷貝的速度低,需要花大量的時(shí)間完成一次拷貝,而且一旦中途出現(xiàn)問題,必須全部重新進(jìn)行,不夠靈活。

針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拷貝方案存在的問題,筆者與武漢噢易科技有限公司聯(lián)合開發(fā)并完成了噢易Free卡電腦教室自主維護(hù)系統(tǒng),突破了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拷貝與增量拷貝的種種限制,提出并實(shí)現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)差異拷貝的方法,有效降低了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載,不論各接收端有無操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)是否一致,差異拷貝均可智能將接收端與發(fā)射端數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)完美統(tǒng)一,支持大小硬盤互傳,提供全盤、單個(gè)操作系統(tǒng)、單個(gè)分區(qū)或自定義分區(qū)組合等多種拷貝模式,并僅僅拷貝各接收端與發(fā)射端有差異的數(shù)據(jù),拷貝速度高于每分鐘400M,最高能夠支持512臺(tái)電腦同時(shí)進(jìn)行差異拷貝,實(shí)現(xiàn)了斷點(diǎn)續(xù)傳。該系統(tǒng)已于2008年10月通過湖北省軟件測(cè)評(píng)中心的軟件測(cè)試,并獲得了2008年度湖北省優(yōu)秀軟件產(chǎn)品證書,2009年5月通過湖北省科技廳組織的鑒定。

2 網(wǎng)絡(luò)拷貝方法

在保護(hù)卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拷貝中,機(jī)房的計(jì)算機(jī)可以分為接收端計(jì)算機(jī)和發(fā)送端計(jì)算機(jī)兩個(gè)部分。在大規(guī)模計(jì)算機(jī)房的維護(hù)中,傳統(tǒng)的基于硬盤保護(hù)卡的網(wǎng)絡(luò)拷貝的方法是使用一臺(tái)發(fā)送端計(jì)算機(jī)向機(jī)房?jī)?nèi)其他接收端計(jì)算機(jī)全盤的數(shù)據(jù)拷貝,通過網(wǎng)絡(luò)中一臺(tái)計(jì)算機(jī)來安裝或更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。圖1給出了網(wǎng)絡(luò)拷貝的示意圖。根據(jù)圖中的網(wǎng)絡(luò)拷貝,可以分為如下兩個(gè)步驟進(jìn)行[2],第一步根據(jù)機(jī)房的實(shí)際使用需要安裝好“樣機(jī)”的各種操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件,為網(wǎng)絡(luò)拷貝做好準(zhǔn)備;第二步讓保護(hù)卡接管計(jì)算機(jī)并將發(fā)送端計(jì)算機(jī)調(diào)整為處于發(fā)送狀態(tài),接收端計(jì)算機(jī)調(diào)整為接收狀態(tài),在發(fā)送端收集完接收端計(jì)算機(jī)的信息或者接收端登錄到發(fā)送端之后,就可以按照保護(hù)卡的操作要求開始網(wǎng)絡(luò)拷貝,直到所有的接收端計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的接收為止,這樣就通過“樣機(jī)”來更新接收端計(jì)算機(jī),使得接收端計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)保持到最新狀態(tài)。這種方法顯然能方便機(jī)房的維護(hù),但不夠靈活,往往需要大量的時(shí)間將發(fā)送端的全盤數(shù)據(jù)復(fù)制到接收端去,這就要求所有計(jì)算機(jī)的硬盤大小、品牌等規(guī)格必須完全相同,實(shí)際中有一定的局限性。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拷貝示意圖

3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

3.1 IPX協(xié)議的結(jié)構(gòu)

IPX數(shù)據(jù)包由包頭和數(shù)據(jù)兩部分組成[3],包頭包括控制、目的地址和源地址三個(gè)域,每個(gè)包長(zhǎng)=包頭長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,故最小包長(zhǎng)為30字節(jié)。如表1,包頭為30字節(jié),數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0～546字節(jié)(沒有數(shù)據(jù)的分組主要用于應(yīng)答)。

表1 IPX數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

IPX數(shù)據(jù)包各部分意義如下:

1)控制部分

檢驗(yàn)和(2bytes):始終為0FFFFH;

包長(zhǎng)度(2bytes):由系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置;

傳輸控制(1byte):當(dāng)數(shù)據(jù)傳過一個(gè)網(wǎng)時(shí),就加一,到16時(shí)廢棄該包,防止數(shù)據(jù)在網(wǎng)間無休止地傳輸;

分組類型(1byte):對(duì)于IPX包,始終設(shè)為4。

市政府于2010年年底出臺(tái)《關(guān)于加快推進(jìn)郊區(qū)集約化供水的實(shí)施意見》，將郊區(qū)集約化供水列入市政府實(shí)事項(xiàng)目和重大工程重點(diǎn)推進(jìn)。截至2013年11月底，上海市陸域部分的集約化供水工作已完成，共關(guān)閉郊區(qū)中小型水廠150座,取消內(nèi)河取水口94個(gè)，注銷深井取水許可證161個(gè)，達(dá)到了集中保護(hù)水源、優(yōu)化水廠布局、壓縮地下水開采量、提高供水水質(zhì)和管理服務(wù)水平、改善郊區(qū)發(fā)展環(huán)境等預(yù)期效應(yīng)，受到廣大郊區(qū)市民的歡迎。

2)目的網(wǎng)絡(luò)地址:地址是網(wǎng)絡(luò)層地址,包括網(wǎng)絡(luò)地址、節(jié)點(diǎn)地址和套接口號(hào)。

目的網(wǎng)絡(luò)號(hào)(Dest_Network_Number,4bytes):將要接收本IPX數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)所在網(wǎng)絡(luò)的地址。如果目的網(wǎng)絡(luò)地址的數(shù)值為0,則認(rèn)為目的網(wǎng)絡(luò)與源網(wǎng)絡(luò)是同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

目的節(jié)點(diǎn)地址(Dest_Network_Node,6bytes):通常節(jié)點(diǎn)地址由節(jié)點(diǎn)工作站上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配,從網(wǎng)卡中讀出。由于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)的協(xié)議不同,節(jié)點(diǎn)地址的長(zhǎng)度也可能不同,應(yīng)該注意的是,節(jié)點(diǎn)地址從最低有效位開始存放,高位不足六個(gè)字節(jié)的部分填0。如果欲發(fā)送的數(shù)據(jù)包是采用廣播發(fā)送方式發(fā)往目的網(wǎng)絡(luò)上所有工作站,則目的地址填 0XFFFFFFFFFFFF(六個(gè)字節(jié)全為FFH)。

目的套接口號(hào)(Dest_NETWORK_Socket,2bytes):指接收本IPX數(shù)據(jù)包所打開的端口。由于在NetWare中保留了一定的套接口值,因此對(duì)于用戶的應(yīng)用程序,建議打開的套節(jié)口號(hào)在0X4000～0XS000之間。

另一個(gè)值得注意的是:在NetWare中,數(shù)據(jù)是高位在前,低位在后的,這和Intel系列CPU存放數(shù)據(jù)的方式是相反的。

3)源網(wǎng)絡(luò)地址:用于說明IPX數(shù)據(jù)包從何處發(fā),與上目的地址類似。

源網(wǎng)絡(luò)地址(Source_Network_Number,4bytes):用于存放發(fā)送IPX數(shù)據(jù)包的源節(jié)點(diǎn)工作站所在的網(wǎng)絡(luò)號(hào)。為0時(shí)表示一個(gè)未知源網(wǎng)絡(luò)。

源節(jié)點(diǎn)地址(Souse_Network_Node,6bytes):發(fā)送IPX數(shù)據(jù)包的工作站地址,其形成同目的節(jié)點(diǎn)地址。

源套接口號(hào)(Souse_Network_Socket,2bytes):指發(fā)送IPX數(shù)據(jù)包的進(jìn)程地址。

3.2 IPX的功能調(diào)用及程序?qū)崿F(xiàn)。

IPX功能調(diào)用是通過Netware Shell的特定的軟件中斷調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)調(diào)用了IPX協(xié)議后,由IPX提供的軟件中斷即駐留于內(nèi)存當(dāng)中,其調(diào)用方式與DOS功能調(diào)用相類似,通過中斷INT 7AH來實(shí)現(xiàn)。

在調(diào)用功能時(shí),入口參數(shù)與返回參數(shù)的設(shè)置有以下規(guī)則:

入口參數(shù):BX=功能號(hào);

DX=欲操作的套接口號(hào);

ES:SI=源數(shù)據(jù)單元指針;

ES:DI=目標(biāo)數(shù)據(jù)單元指針。

返回參數(shù):AL=返回碼,為了防止在調(diào)用IPX功能前沒有裝載IPX協(xié)議。因此調(diào)用前必須檢查INT 7AH是否指向NULL,這通常是通過調(diào)用OX2F多路中斷來測(cè)試的。測(cè)試時(shí),將0X7A00放人AX寄存器后調(diào)用INT 2FH,若IPX已安裝,則在AL寄存器中返回0XFF。

4 差異拷貝算法

4.1 算法描述

差異拷貝算法的主要實(shí)現(xiàn)思想是先對(duì)兩個(gè)分別處于發(fā)送端和接收端的磁盤塊進(jìn)行比較,比較后認(rèn)為相同的磁盤塊就不進(jìn)行磁盤塊數(shù)據(jù)的拷貝;比較后認(rèn)為不同的磁盤塊則進(jìn)行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)拷貝,即只傳輸兩個(gè)磁盤不同的部分,這樣可以在很大程度上減少恢復(fù)數(shù)據(jù)的時(shí)間和降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載[4]。如圖2所示,磁盤a為接收端的磁盤,磁盤b為磁盤a在發(fā)送端相應(yīng)的磁盤,在圖中對(duì)磁盤a,b進(jìn)行劃分得到ei集和集,其中 ei和的大小相同且邏輯地址相同。

圖2 鏡像磁盤的劃分

下面假設(shè)磁盤a的數(shù)據(jù)需要根據(jù)磁盤b的數(shù)據(jù),通過差異拷貝算法對(duì)磁盤a的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拷貝,步驟如下:

算法中,每個(gè)磁盤區(qū)域ei的大小是可變的,可根據(jù)計(jì)算機(jī)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的速度適當(dāng)調(diào)整這個(gè)值,可使算法達(dá)到最佳的效果。

4.2 算法分析

與完全數(shù)據(jù)拷貝的方法相比,在磁盤a和磁盤b有較多相似性的情況下,差異拷貝算法能大大降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并在很大程度上提高計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)拷貝的速度。采用差異拷貝算法后,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載是采用完全數(shù)據(jù)拷貝方法的(1+size(Q)/size(e)-η),其中,size(Q)是每個(gè) e的摘要值的大小,一般為16Bytes,size(e)是磁盤區(qū)域的大小,這個(gè)值可以調(diào)動(dòng),一般取值在1～20MB之間,η是磁盤a與磁盤b的相似率?？梢钥闯?size(Q)/size(e)的值很小,可以忽略不計(jì),而η的值比較重要,當(dāng)η比較大時(shí),網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載有很大程度的降低。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸和算法實(shí)現(xiàn)

在網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議中,具有廣播式發(fā)送的除了IPX外,還有NETBIOS協(xié)議[5]。相比較而言,IPX具有傳輸速度快、支持面廣等優(yōu)點(diǎn),因此,本算法最終選擇了IPX協(xié)議。采用Server/Client模型,即在發(fā)送端計(jì)算機(jī)運(yùn)行Server程序,而接收端計(jì)算機(jī)運(yùn)行Client程序,基本原理如圖3、4所示。

5 結(jié)語

基于噢易Free卡的電腦教室自主維護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)100余所高等學(xué)校和許多網(wǎng)吧等大型計(jì)算機(jī)場(chǎng)所。網(wǎng)絡(luò)差異拷貝的方法,有效降低了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載,不論各接收端有無操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)是否一致,差異拷貝均可將接收端與發(fā)射端數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)完美統(tǒng)一。該系統(tǒng)在教育行業(yè)、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用必將減輕機(jī)房維護(hù)和管理人員的工作量,從而提高機(jī)房的維護(hù)效率。

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