CN110795157B - 一种使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法 - Google Patents

一种使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法，该方法通过预测顺网雲无盘工作站未来请求的开机数据，提前将数据预取到无盘工作站缓存，使数据运行和数据传输同步进行，减少数据请求后等待时间，以整体缩短无盘工作站开机过程的运行时间，且以一定设计方案占用较小有限缓存空间。同时本发明利用局域性原理，相同应用场景下各无盘工作站开机数据相似率很高，可以以已知无盘工作站开机数据此预测其他无盘工作站启动时所需的开机数据。

Description

一种使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法
技术领域
本发明属于无盘计算机及数据预取技术领域，具体涉及一种使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法。
背景技术
近年来，互联网流量逐渐增长，而互联网容量没有同步增加，这种增长的净效应使用户感知延迟显著增加，即客户端发出数据请求和响应到达时间之间的时间。潜在的延迟源是Web服务器的重负载、网络拥塞、低带宽、带宽利用不足和传播延迟。
同时随着处理器的发展，数据在网络传输上的响应速度和处理器速度差距越来越大；运行中所需的数据向云服务器请求，等待网络传输的时间，严重影响了应用整体运行速度和用户体验。为了缩短网络传输的时间，往常采用的解决办法是增加带宽和服务器就近以缩短距离，但这两点基于基础建设，达到能满足的最高条件后很难再提高。
减少延迟的另一个解决方案是在网络中的各个点(客户端/代理/服务器)缓存Web文件，缓存利用时间局部性，有效的客户端缓存减少了客户端感知延迟、服务器负载和行进数据包的数量，从而增加了可用带宽，这涉及到数据预取(prefetching)技术。
数据预取是指推断客户端对Web对象的未来请求，在客户端发出明确请求之前，在后台将这些对象提前放入缓存的过程，利用了客户端的空闲时间。采用预取的主要优点是它可以防止带宽利用不足并隐藏部分延迟；此外，如果没有精心设计的预取方案，客户端可能根本不会使用多个传输文档，从而浪费带宽；而一个有效的预取方案与传输速率控制机制相结合，可以塑造网络流量，显着降低其突发性，从而可以提高网络性能。
一种非无盘环境下的数据预读现有技术——即基于文件预测的分布式缓存模型(DLSDCM)，此模型以客户端文件预测模型为基础进行文件预测，从服务器角度对分布式网络中所有用户请求进行统筹调度，在提高客户端吞吐量和数据访问的同时又不会影响其它客户的数据访问，DLSDCM的实现分为客户端和服务器端实现两部分。每个客户端维护一份本机之上的DLS(double last successor)文件预测数据，每次读请求时，同时预读预测的读请求目标文件之后的两个文件，预测主要根据上前几次请求的文件和命中次数；服务器端维护两个队列：读请求队列和预读请求队列，负责客户端的读请求调度和预读请求调度。
DLSDCM客户端的实现是根据对DLSDCM模型所预测的文件数据进行预读，并将过大的数据存储于本地磁盘，一次读请求需要向客户端申请一定大小的内存(可手动修改大小)作为读请求缓存和预读请求缓存，在磁盘上创建缓存目录；当预读文件大于内存缓存大小时，将预读文件写入磁盘缓存目录。读请求缓存区和预读请求缓存区在一次读请求结束后会保留一段时间，若长时间无新读请求则回收读请求缓存区和预读请求缓存区；磁盘缓存目录中数据长时间保留，当缓存目录中数据将要达到规定值时采用先存放先回收的策略回收最早存放的数据。
但该现有技术不支持利用较小缓存连续存储较大文件，而是一次性将请求文件存入缓存，一次读请求结束后，保留一段时间，再清空缓存空间，将缓存目录里的文件队列再一次读入占满缓存；这样需要占用较大的内存空间作为缓存，且每次缓存中的数据读完，需要间断一段时间，从保留原有文件一段时间，再清空缓存，到从服务端读入新的文件。因此由于缓存空间的局限，现有技术利用缓存为客户端提供预测文件的这个过程不是连续的，是间断性的。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法，策略性地使本地运行与网络传输同步进行，缩减开机等待时间。
一种使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法，即通过预测获知无盘工作站开机所需数据，无盘工作站在启动时向服务器请求所需数据，服务器陆续发送相应的数据至无盘工作站缓存；无盘工作站在等待服务器传输数据的同时运行使用缓存中已有的数据，每运行使用完一部分数据后随即将其从缓存中清除，并将接收到的数据存放至腾空的缓存空间中，直至所有数据均运行使用过后即完成开机。
进一步地，在具体实现过程中，由服务器按无盘工作站的请求顺序对其开机所需数据标记序号，在无盘工作站启动时，服务器发送第一批数据至无盘工作站缓存，无盘工作站随即运行使用该批数据；在无盘工作站运行使用数据的同时，服务器发送下一批数据至无盘工作站缓存，每次提前发送若干步开机数据，无盘工作站每使用完一部分数据，相应释放缓存空间，释放的空间用来存储新接收到的若干步开机数据。
进一步地，无盘工作站预取的数据始终保持比当前运行使用的数据提前若干步，且采用不固定的步数，即参照缓存剩余存储空间，预取相应量的数据。
进一步地，无盘工作站缓存可采用本地内存中固定大小的区域，或采用其他任何独立的存储器空间。
进一步地，基于局域性原理，即同一应用场景下各无盘工作站开机数据相似率较高，故根据已知无盘工作站开机数据以预测其他无盘工作站启动时所需的开机数据。
进一步地，无盘工作站在运行使用缓存数据的过程中采用分阶段预读策略并引入预读虚拟滑块，具体地：将整个开机数据按顺序分成多个阶段，每个阶段的预读隔离开；在当前预读时，若新的读写请求不在当前预读范围附近，则寻找该请求所匹配的预读范围，即生成一个新的预读虚拟滑块；当连续多次读写请求均对应在新预读虚拟滑块内时，则使预读范围跳至该预读虚拟滑块；当少数个别读写请求对应在新预读虚拟滑块内时，则认定是噪音，丢弃该预读虚拟滑块。该策略增加了一定的灵活性和跳跃性，***启动数据变动比较大时，也能提高命中率，防止数据穿插，特别是当引入预读虚拟滑块时，防止跳跃太严重，偏离预读，导致命中率下降。
进一步地，对于多台无盘工作站的预读数据管理策略，首先按软硬件做唯一标识，使不同软硬件的预读数据分开存储；同时由服务器按照一定策略来定期更新预读数据，并汇总多台终端的多次启动数据(如按照启动次数出现频率较多的启动数据，或者按照终端出现频率较多的启动数据，或者找与其他启动数据相似度最高的若干台终端启动数据)，形成一份完整预读数据。
本发明提前从服务端下载可预测的数据存储到本地缓存，比请求的时间早，省去了请求数据后的等待时间，有效缩短客户端/服务器模型的服务运行时间；同时利用局域性原理，相同应用场景下各无盘工作站开机数据相似率很高，可以以已知无盘工作站开机数据此预测其他无盘工作站启动时所需的开机数据。
除无盘开机情景外，本发明技术原理上有潜力且适合推广运用在更多服务或者应用中(例如云服务、网页、手机应用)，通过提前下载可预测的数据到本地缓存区，达到缩短响应时间的效果，同时支持缓存大小可以设置，不占用过多缓存，服务或者应用结束后可以释放空间。
附图说明
图1为无预取预读技术下无盘工作站的开机流程示意图。
图2为本发明基于预取预读技术下无盘工作站的开机流程示意图。
图3为无盘工作站缓存空间示意图。
图4为所有开机数据的步进示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
在本公司的顺网雲产品中，很多服务需要在开机过程中完成运行，运行过程本身需要更多时间，导致开机时间长，过长的开机时间影响用户体验；且在缓存空间有限，预测的开机数据远大于缓存空间的情况，满足缓存中始终提前存有预测的客户机所请求的数据，先于客户机运行使用这些数据，无需等待数据从服务端传输，是本发明技术的设计目的，其并不能缩短程序运行时间或者网络传输时间，而且策略性地使本地运行和网络传输同步进行，缩减等待时间。
原本无盘工作站启动运行时，需要向***服务器请求所需的开机数据，服务器接收到请求后发送数据，无盘工作站需要等待直至接收到数据后继续运行。为了减少甚至消除对开机数据传输的等待时间来缩短开机时间，本发明将从***服务端请求的数据提前存在无盘工作站有限的缓存里，运行时可以直接从缓存取，不需要等待网络传输，使运行和传输数据同步进行，该缓存是无盘工作站内存中的一部分专用的存储空间，空间大小可以设置。
该技术包含两个要点：
①预测无盘工作站开机所需数据后，开机时提前发送数据包至无盘工作站缓存。
②缓存空间小于开机数据，不能一次性发送完整的开机数据；服务端每次发送一部分数据，在无盘工作站开机运行时使用过一部分数据后，服务端再向相应缓存空间发送并写入若干步后续数据，写入的数据总提前于运行中的数据若干步。
如果没有使用类似技术，数据在客户机请求后从云服务端发送，客户机每次请求数据后需要等待传输时间，开机时间大大延长；往常为了缩减数据传输时间，会采取增加带宽，使服务器就近的办法。本发明技术进一步通过预测并提前传输数据包，有效利用空闲带宽，从更底层有效缩减时间。
如果将开机数据在开机前提前存放在无盘工作站缓存，一是在顺网雲环境，无盘工作站每次启动内存清空，包括存放开机数据的缓存；二是开机数据是动态的，依赖于云端服务的统一管理。使用本发明技术方案，无盘工作站将之前的所有预测信息从服务端取出来，然后根据无盘工作站当前的进度，来***下载数据。
如图1所示，没有使用类似技术的普通情况下，在开机事件后，客户端需要多次向服务端请求数据，每次需要等待服务端返回数据后继续运行这一步，如此反复直至开机完成；顺网雲所提供的多种服务都在开机过程中运行，客户端需要从服务器下载很大的开机数据。
如图2所示，在使用本发明技术方案时，在开机事件后，服务端将预测的前一部分开机数据发送至无盘工作站缓存，无盘工作站多次请求数据，皆从本地缓存中取，速度很快，同时释放的缓存接收下一部分数据。
如顺网雲应用场景为网吧，同一个网吧的开机数据对应着该网吧对各个终端的***和软件配置，网吧场景的这些终端即作为无盘工作站，所以同一网吧内的各无盘工作站开机数据相似率很高。在网管配置后，第一个无盘工作站开机请求数据时，服务端获取了其开机数据，使得很方便预测其余每台无盘工作站需要同样的开机数据，类似局域性原理预测。
但由于无盘工作站缓存有限，不够存放完整的开机数据，本发明技术方案包含以下步骤：
(1)开机数据按请求步骤标记序号(步)。
(2)之后在无盘工作站开机时，服务端发送第一批数据存在无盘工作站缓存中，无盘工作站处理这批数据的同时，服务端发送下一批无盘工作站即将请求的数据至缓存，每次提前发送若干步开机数据。
(3)无盘工作站每使用一部分数据，相应缓存空间释放，释放的空间来存储新接收的若干步数据。
最终，开机过程中数据传输在请求数据之前已经到达无盘工作站缓存，请求的数据从缓存中取，省去了等待网络传输的时间，使得运行和数据传输同时进行。
由于缓存空间有限，数据需有序的写入缓存和释放，为了实现步骤(2)，以若干步为粒度(如200步)对开机数据进行收发和读写，步数可以设置。服务端每次发送一部分数据，同时无盘工作站使用缓存中的数据时，每次释放相应空间；服务端随着客户端的数据使用和缓存释放，持续向客户端写入未来请求数据，使写入步数始终提前于正在运行的数据固定若干步数(固定步数可提前设置)，始终提前若干步是考虑到客户端有时可能运行很快，使缓存保持提前存放预测数据。设步数为200步，其具体实现步骤如下：
2.1无盘客户端第一次开机，记录操作***读取的磁盘索引(操作***读取的扇区数位置和读取内容的长度)，将数据上报至服务器。
2.2无盘客户端第二次开机，从服务器获取开机的索引数据，并根据索引数据向服务发送200个读取请求。
2.3那么当操作***发送第一个读取请求后，数据其实已经在内存当中，不需要再从服务器上获取。
2.4后续每收到一个操作***的读取请求，根据磁盘索引数据的顺序向服务器发送2个读取请求，保持驱动程序的读取内容就一直领先于操作***的读取请求。
2.5操作***需要读取的内容就可以直接从内存中取得，不需要再向服务器上获取，从而大大减少磁盘读取的相应时间，加快开机速度。
图3所示了无盘工作站缓存，图中序号代表无盘工作站运行时从缓存取数据的顺序，示意按步骤顺序释放缓存和服务端写入数据。由于运行和传输节奏不同，用时不稳定，所以提前若干步给运行和传输预留了节奏不一致的空间，不会运行速度很快时数据传输不到位。
图4参照所有开机数据，示意服务端提前发送的数据是随着无盘工作站运行数据“向前推动”的，因为先设定好提前发送的步数，步数不变，每当无盘工作站运行使用了一部分数据，请求接下来的数据，服务端发送[请求的步+若干步]的数据，使提前发送的数据一直提前于运行使用的数据固定步数。
在我们已投放企业的产品使用中，缩短开机时间是观察到的主要效果。通过测试得到以下数据：Windows7***上，不使用本发明技术开机速度是100.5s，使用后的开机速度是41.1s，启动速度提升了59％；Windows10***上，不使用该技术的开机速度是135s，使用后的开机速度是82s，启动速度提升了41.3％；因此，本发明技术的运用有效地一次性缩短各个下载节点的时间，节省了不得不在其他程序上优化、提高代码运行效率上来缩短运行时间的工作量，相较之下，后者的效果杯水车薪，成本大。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法，其特征在于：通过预测获知无盘工作站开机所需数据，无盘工作站在启动时向服务器请求所需数据，服务器陆续发送相应的数据至无盘工作站缓存；无盘工作站在等待服务器传输数据的同时运行使用缓存中已有的数据，每运行使用完一部分数据后随即将其从缓存中清除，并将接收到的数据存放至腾空的缓存空间中，直至所有数据均运行使用过后即完成开机；
无盘工作站在运行使用缓存数据的过程中采用分阶段预读策略并引入预读虚拟滑块，具体地：将整个开机数据按顺序分成多个阶段，每个阶段的预读隔离开；在当前预读时，若新的读写请求不在当前预读范围附近，则寻找该请求所匹配的预读范围，即生成一个新的预读虚拟滑块；当连续多次读写请求均对应在新预读虚拟滑块内时，则使预读范围跳至该预读虚拟滑块；当少数个别读写请求对应在新预读虚拟滑块内时，则认定是噪音，丢弃该预读虚拟滑块。
2.根据权利要求1所述使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法，其特征在于：在具体实现过程中，由服务器按无盘工作站的请求顺序对其开机所需数据标记序号，在无盘工作站启动时，服务器发送第一批数据至无盘工作站缓存，无盘工作站随即运行使用该批数据；在无盘工作站运行使用数据的同时，服务器发送下一批数据至无盘工作站缓存，每次提前发送若干步开机数据，无盘工作站每使用完一部分数据，相应释放缓存空间，释放的空间用来存储新接收到的若干步开机数据。
3.根据权利要求1所述使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法，其特征在于：无盘工作站预取的数据始终保持比当前运行使用的数据提前若干步，且采用不固定的步数，即参照缓存剩余存储空间，预取相应量的数据。
4.根据权利要求1所述使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法，其特征在于：无盘工作站缓存可采用本地内存中固定大小的区域，或采用其他任何独立的存储器空间。
5.根据权利要求1所述使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法，其特征在于：基于局域性原理，即同一应用场景下各无盘工作站开机数据相似率较高，故根据已知无盘工作站开机数据以预测其他无盘工作站启动时所需的开机数据。
6.根据权利要求1所述使用有限缓存提升无盘工作站开机速度的方法，其特征在于：对于多台无盘工作站的预读数据管理策略，首先按软硬件做唯一标识，使不同软硬件的预读数据分开存储；同时由服务器按照一定策略来定期更新预读数据，并汇总多台终端的多次启动数据，形成一份完整预读数据。
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