CN107707656A - 操作系统的远程加载方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机通信技术领域，公开一种操作系统的远程加载方法及系统，以简化操作系统的更新。本发明方法包括：将引导程序部署于具有网络接入功能的终端设备，并将操作系统镜像存储在至少两个地理位置不同的节点以组成内容分发网络，以及将存储各该节点地理位置信息的节点表存储在各远程服务器上；在终端设备初始化网络配置后，引导程序向对应的远程服务器发送下载请求；对应的该远程服务器判断本节点是否为距终端设备最近的节点，如果是，则传输操作系统镜像；否则重定向至节点表上的最近节点；然后终端设备根据重定向信息重新发起下载操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求，直至将操作系统镜像下载至内存以加载及引导操作系统镜像。

Description

操作系统的远程加载方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机通信技术领域，尤其涉及一种操作系统的远程加载方法及系统。

背景技术

随着物联网和智能家居的发展，用户对各类物联网终端的功能要求越来越高，因此为物联网而设计的小型操作系统在相关设备上也越来越常见。就终端设备而言，传统的架构设计是将系统镜像保存在本地储存设备上，例如Nor Flash或Nand Flash芯片。然而，该类设计的系统更新过程较为复杂，例如需要通过有线更新或是TFTP更新，更新速度也受制于储存设备的写入速度，对于可能要频繁更新的设备，使用体验并不理想。

发明内容

本发明目的在于公开一种操作系统的远程加载方法及系统，以简化操作系统的更新。

为实现上述目的，本发明公开了一种操作系统的远程加载方法，包括：

将引导程序部署于具有网络接入功能的终端设备，所述引导程序指定有对应操作系统镜像下载的初始URI(Uniform Resource Identifier，统一资源标识符)，并将所述操作系统镜像存储在至少两个地理位置不同的节点以组成内容分发网络，以及将存储各该节点地理位置信息的节点表存储在各远程服务器上；

在所述终端设备初始化网络配置后，所述引导程序根据所述操作系统镜像下载的初始URI的域名解析获取对应的远程服务器IP地址(Internet Protocol，网络之间互连的协议)，建立与该远程服务器的TCP(Transmission Control Protocol传输控制协议)连接，并向该远程服务器发送下载所述操作系统镜像的HTTP(HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议)请求或HTTPS(Hyper Text Transfer Protocol over Secure SocketLayer，是以安全为目标的HTTP通道)请求；

所述初始URI所对应的该远程服务器根据所述请求中携带的终端设备的IP地址判断本节点是否为距所述终端设备最近的节点，如果是，则传输操作系统镜像；否则重定向至所述节点表上的最近节点，并在向所述终端设备传送重定向报文的同时，通过UDP通知重定向到的节点；

所述终端设备将所述引导程序中的初始URI替换为所述重定向报文重新指定的URI，重新发起下载所述操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求，直至将所述操作系统镜像下载至内存以加载及引导所述操作系统镜像。

为实现上述目的，本发明还公开一种操作系统的远程加载系统，包括：

终端设备，部署有引导程序，所述引导程序指定有对应操作系统镜像下载的初始URI；

内容分发网络，由存储有所述操作系统镜像且地理位置不同的至少两个节点联网组成，并将存储各该节点地理位置信息的节点表存储在各远程服务器上；

所述终端设备还用于：在初始化网络配置后，由所述引导程序根据所述操作系统镜像下载的初始URI的域名解析获取对应的远程服务器IP地址，建立与该远程服务器的TCP连接，并向该远程服务器发送下载所述操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求；以及将所述引导程序中的初始URI替换为重定向报文重新指定的URI，重新发起下载所述操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求，直至将所述操作系统镜像下载至内存以加载及引导所述操作系统镜像；

所述初始URI所对应的该远程服务器，用于根据所述请求中携带的终端设备的IP地址判断本节点是否为距所述终端设备最近的节点，如果是，则传输操作系统镜像；否则重定向至所述节点表上的最近节点，并在向所述终端设备传送所述重定向报文的同时，通过UDP通知重定向到的节点。

本发明具有以下有益效果：

设备每次启动时都会从服务器下载镜像，类似于无盘Windows。和传统的本地系统相比，本发明有以下优点：

(1)、更新终端系统较为简单，特别是需要批量更新设备时。

(2)、可通过互联网远程更新，而不局限于局域网。

(3)、操作系统镜像只有在设备启动时才下载至本地，不会长期保存，不易被截取或复制，无法通过读取本地储存设备以获取系统镜像。并且，本发明的引导程序支持HTTPS，通信过程难以被监听。

(4)、支持通过简单的内容分发网络或是点对点的方法进行下载加速。

进一步的，本发明方法及系统还可以提供了一套可以在远程服务器上保存数据的解决方案。具体包括：

所述终端设备将用户数据分成两类存储于所述内容分发网络中任一节点，一类为以JSON格式传输及储存的文本数据，一类为二进制数据；且该两类数据分别以文件名全网唯一的两个文件保存，一个为JSON文件，一个二进制数据文件；

当所述终端设备需要读写文本数据时，将数据封包并保存于HTTP或HTTPS报文内，二进制数据的操作范围由HTTP或HTTPS请求头的Range头域指定，当设备需要读写文本数据时，数据储存于报文正文处；以及

当所述用户数据包括启动所述操作系统的系统数据时，将所述系统数据的链接与所述引导程序关联。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的JSON(JavaScript Object Notation,JS对象标记)读写封包结构；

图2是本发明实施例的基于HTTP模式的操作系统的远程加载方法流程图；

图3是本发明实施例的基于HTTPS模式的操作系统的远程加载方法流程图；

图4是本发明实施例的实际网络结构示例图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例公开一种操作系统的远程加载方法，包括：

步骤S1、将引导程序部署于具有网络接入功能的终端设备，其中，该引导程序指定有对应操作系统镜像下载的初始URI，并将操作系统镜像存储在至少两个地理位置不同的节点以组成内容分发网络，以及将存储各该节点地理位置信息的节点表存储在各远程服务器上。

本实施例中，引导程序负责驱动终端设备，并与远程服务器以HTTP或HTTPS协议通信，以下载需要启动的系统镜像及数据。相关的操作系统包括但不限于为物联网而设计的小型操作系统。可选的，本实施例的内容分发网络中的节点分为两种，一种是作为主节点以提供地理位置解析及下载服务的远程服务器；一种是仅提供下载服务的次节点；优选地，所有申请均由主节点处理，申请报文里记录了申请者开放的端口号，受理服务器会尝试检验该端口的有效性，若有效，则记录其IP、端口、申请的节点类型及对应的地理位置，并将这些信息发送到每个其他的主节点；此外，新的主节点完成申请后会向之前受理申请的节点请求节点列表以提供解析服务。

步骤S2、在终端设备初始化网络配置后，引导程序根据操作系统镜像下载的初始URI的域名解析获取对应的远程服务器IP地址，建立与该远程服务器的TCP连接，并向该远程服务器发送下载操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求。

在本实施例中，可以具体通过DNS(Domain Name System，域名系统)服务解析对应的服务器IP地址。

步骤S3、初始URI所对应的该远程服务器根据请求中携带的终端设备的IP地址判断本节点是否为距终端设备最近的节点，如果是，则传输操作系统镜像；否则重定向至节点表上的最近节点，并在向终端设备传送重定向报文的同时，通过UDP通知重定向到的节点。

步骤S4、终端设备将引导程序中的初始URI替换为重定向报文重新指定的URI，重新发起下载操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求，直至将操作系统镜像下载至内存以加载及引导操作系统镜像。

本实施例中，优选地，还包括：

终端设备将用户数据分成两类存储于内容分发网络中任一节点，一类为以JSON格式传输及储存的文本数据，一类为二进制数据；且该两类数据分别以文件名全网唯一的两个文件保存，一个为JSON文件，一个二进制数据文件；其中，当终端设备需要读写文本数据时，将数据封包并保存于HTTP或HTTPS报文内，二进制数据的操作范围由HTTP或HTTPS请求头的Range头域指定；当设备需要读写文本数据时，数据储存于报文正文处；另一方面，当用户数据包括启动操作系统的系统数据时，将系统数据的链接与引导程序关联。藉此，本实施例可以将通用的适用于同类型终端设备的操作系统镜像单独进行存储并通过内容分发网络寻找最近节点来进行下载加速，与此同时，将各特定用户独有的一些用户数据进行单独存储以兼顾用户的独立性，优化了整个系统的存储结构，有效避免了将对应任一终端设备的所有操作系统镜像和用户数据进行集中统一存储所造成的数据量大等问题，并简化了系统运维的复杂度。

可选的，如图1所示，终端设备所发送的HTTP或HTTPS报文的封包结构的一级名称为“read”和“write”，“read”名称对应的值即是需要读取的数据JSON表，该表只需要名称，值会被服务器忽略；“write”名称对应的值为需要写入的数据JSON表，若值为空，服务器则会删除该名称/值对；当请求同时包含“read”和“write”时，对应的服务器则会先读取再写入。

二进制数据的操作范围由HTTP/HTTPS请求头的Range头域指定，其格式为：“n-m”，n及m均为自然数且m≥n。读取时，报文内容会被服务器忽略。写入时，若报文内容的长度小于Range头域指定的长度，则缺少的部分对应的范围会被服务器删除，若报文内容的长度小于Range头域指定的长度，多出的数据会被忽略。

针对本实施例的上述远程加载方法，当使用HTTP协议加载远程系统时其流程如图2所示，具体如下：

步骤1、设备启动，初始化网络配置，具体分如下几个步骤：

步骤1.1、检测设备本地是否存在预设IP配置，若有合法的配置，则使用该配置进行初始化，若不存在转至步骤2，然后，则转至步骤1.2。

步骤1.2、使用DHCP获取IP配置，然后转至步骤2。

步骤2、检查系统镜像下载URI的域名是否已解析，若未解析，则通过DNS服务解析对应的服务器IP。

步骤3、使用服务器IP与服务器建立TCP连接，并向远程服务器发送下载镜像的HTTP请求。

步骤4、远程服务器相应请求，根据请求源IP的地理位置判断本节点是否为最近节点，是则使用HTTP传输操作系统镜像，否则重定向至节点表上的最近节点，并通过UDP通知重定向到的节点，告知目标节点预先准备文件以响应即将到来的请求。

步骤5、引导程序接收响应报文，若为操作系统镜像，则保存镜像至内存，之后关闭TCP连接，并跳转至步骤6。若为重定向报文，则将当前统镜像下载URI替换为重定向的URI并跳转至步骤2。

步骤6、加载并引导操作系统镜像。

当使用HTTPS协议加载远程系统时其流程如图3所示，具体如下：

步骤1、设备启动，初始化网络配置，具体分如下几个步骤：

步骤1.1、检测设备本地是否存在预设IP配置，若有合法的配置，则使用该配置进行初始化，若不存在转至步骤2，然后，则转至步骤1.2。

步骤1.2、使用DHCP获取IP配置，然后转至步骤2。

步骤2、检查系统镜像下载URI的域名是否已解析，若未解析，则通过DNS服务解析对应的服务器IP。

步骤3、用服务器IP与服务器建立TCP连接，向远程服务器发送HTTPS请求。

步骤4、远程服务器响应并返回用于加密通信的安全证书。

步骤5、引导程序验证证书并尝试通过加密方式与远程服务器握手。

步骤6、引导程序发送包含设备序列号的下载镜像请求。

步骤7、远程服务器相应请求，根据请求源IP的地理位置判断本节点是否为最近节点，是则使用HTTPS传输操作系统镜像，否则重定向至节点表上的最近节点，并通过UDP通知重定向到的节点，告知目标节点预先准备文件以响应即将到来的请求。

步骤8、引导程序接收响应报文，若为操作系统镜像，则保存镜像至内存，之后关闭TCP连接，并跳转至步骤9。若为重定向报文，则将当前统镜像下载URI替换为重定向的URI并跳转至步骤2。

步骤9、加载并引导操作系统镜像。

实施例2

与上述方法实施例相对应的，本实施例公开一种操作系统的远程加载系统，包括：

终端设备，部署有引导程序，引导程序指定有对应操作系统镜像下载的初始URI；

内容分发网络，由存储有操作系统镜像且地理位置不同的至少两个节点联网组成，并将存储各该节点地理位置信息的节点表存储在各远程服务器上；

终端设备还用于：在初始化网络配置后，由引导程序根据操作系统镜像下载的初始URI的域名解析获取对应的远程服务器IP地址，建立与该远程服务器的TCP连接，并向该远程服务器发送下载操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求；以及将引导程序中的初始URI替换为重定向报文重新指定的URI，重新发起下载操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求，直至将操作系统镜像下载至内存以加载及引导操作系统镜像；

初始URI所对应的该远程服务器，用于根据请求中携带的终端设备的IP地址判断本节点是否为距终端设备最近的节点，如果是，则传输操作系统镜像；否则重定向至节点表上的最近节点，并在向终端设备传送重定向报文的同时，通过UDP通知重定向到的节点。

优选地，本实施例终端设备还用于：

将用户数据分成两类存储于内容分发网络中任一节点，一类为以JSON格式传输及储存的文本数据，一类为二进制数据；且该两类数据分别以文件名全网唯一的两个文件保存，一个为JSON文件，一个二进制数据文件；

当终端设备需要读写文本数据时，将数据封包并保存于HTTP或HTTPS报文内，二进制数据的操作范围由HTTP或HTTPS请求头的Range头域指定，当设备需要读写文本数据时，数据储存于报文正文处；以及

当用户数据包括启动操作系统的系统数据时，将系统数据的链接与引导程序关联。

可选地，终端设备所发送的HTTP或HTTPS报文的封包结构的一级名称为“read”和“write”，“read”名称对应的值即是需要读取的数据JSON表，该表只需要名称，值会被服务器忽略；“write”名称对应的值为需要写入的数据JSON表，若值为空，服务器则会删除该名称/值对；当请求同时包含“read”和“write”时，对应的服务器则会先读取再写入。

可选地，本系统内容分发网络中的节点分为两种，一种是作为主节点以提供地理位置解析及下载服务的远程服务器；一种是仅提供下载服务的次节点；以此避免系统各节点都设置解析功能所造成的系统冗余，便于内容分发网络的扩展。

针对上述两实施例所提供的方法及系统，进一步提供下述两个具体应用实例。

【实例1】

使用Grub2通过HTTP远程启动Zephyr

Grub2是一种开源的Linux系统引导程序，支持通过HTTP启动系统。Zephyr是一种专门针对物联网开发的微型Linux系统。本实例的终端设备是Intel的Minnow Board Max开发板，远程服务器使用Apache提供HTTP下载服务。

本实例中，终端设备位于192.168.3/24网段，服务器位于192.168.1/24网段，IP地址为192.168.1.10，两个网段通过NAT路由器连接，具体的实际网络结构如图4所示。

编译Grub2时，需要修改编译配置以保证输出的引导程序支持HTTP及网络通信功能。编写Grub2的启动配置时，将本机IP指定为192.168.3.10，系统镜像的URI指定为192.168.1.10/zephyr。

当开发板启动之后，会自动运行引导程序Grub2，Grub2向服务器HTTP发送下载请求，服务器相应请求并发送系统镜像，Grub2接收并启动镜像，进入Zephyr系统。

【实例2】

使用Grub2通过HTTP远程启动位于CDN上的Zephyr镜像

该实例的设备与实例1完全一样，是由位于Minnow Board Max开发板上的Grub2引导系统启动，而服务器则有两台，一台位于长沙，另一台位于香港，两台服务器都部署了Minnow Board Max使用的Zephyr镜像。开发板也位于长沙，而其引导配置记录的文件地址指向香港的服务器，开发板启动后，向香港的服务器发送HTTP下载请求，服务器收到请求后，首先读取请求包的源IP地址，然后使用站长工具的IP地理位置查询服务获取设备的地理位置，并且将结果缓存到本机，再和节点列表里的节点位置对比，寻找离设备最近的节点，结果为位于长沙的服务器。之后香港服务器返回包含长沙服务器地址的301重定向。设备收到重定向的结果后，继续向长沙服务器发送请求。长沙服务器亦会查询并缓存请求包的源IP地址。把查询结果与节点列表对比发现，本机即为最近的节点。之后长沙服务器将Zephyr系统镜像传输给设备。Grub2接收并启动镜像，并引导进入Zephyr系统。

综上，本发明实施例所公开的操作系统的远程加载方法及系统，设备每次启动时都会从服务器下载镜像，类似于无盘Windows。和传统的本地系统相比，本发明有以下优点：

(1)、更新终端系统较为简单，特别是需要批量更新设备时。

(2)、可通过互联网远程更新，而不局限于局域网。

(3)、操作系统镜像只有在设备启动时才下载至本地，不会长期保存，不易被截取或复制，无法通过读取本地储存设备以获取系统镜像。并且，本发明的引导程序支持HTTPS，通信过程难以被监听。

(4)、支持通过简单的内容分发网络或是点对点的方法进行下载加速。

(5)、提供了一套可以在远程服务器上保存数据的解决方案。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种操作系统的远程加载方法，其特征在于，包括：

将引导程序部署于具有网络接入功能的终端设备，所述引导程序指定有对应操作系统镜像下载的初始URI，并将所述操作系统镜像存储在至少两个地理位置不同的节点以组成内容分发网络，以及将存储各该节点地理位置信息的节点表存储在各远程服务器上；

在所述终端设备初始化网络配置后，所述引导程序根据所述操作系统镜像下载的初始URI的域名解析获取对应的远程服务器IP地址，建立与该远程服务器的TCP连接，并向该远程服务器发送下载所述操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求；

所述初始URI所对应的该远程服务器根据所述请求中携带的终端设备的IP地址判断本节点是否为距所述终端设备最近的节点，如果是，则传输操作系统镜像；否则重定向至所述节点表上的最近节点，并在向所述终端设备传送重定向报文的同时，通过UDP通知重定向到的节点；

所述终端设备将所述引导程序中的初始URI替换为所述重定向报文重新指定的URI，重新发起下载所述操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求，直至将所述操作系统镜像下载至内存以加载及引导所述操作系统镜像。

2.根据权利要求1所述的操作系统的远程加载方法，其特征在于，还包括：

所述终端设备将用户数据分成两类存储于所述内容分发网络中任一节点，一类为以JSON格式传输及储存的文本数据，一类为二进制数据；且该两类数据分别以文件名全网唯一的两个文件保存，一个为JSON文件，一个二进制数据文件；

当所述终端设备需要读写文本数据时，将数据封包并保存于HTTP或HTTPS报文内，二进制数据的操作范围由HTTP或HTTPS请求头的Range头域指定，当设备需要读写文本数据时，数据储存于报文正文处；以及

当所述用户数据包括启动所述操作系统的系统数据时，将所述系统数据的链接与所述引导程序关联。

3.根据权利要求2所述的操作系统的远程加载方法，其特征在于，所述终端设备所发送的HTTP或HTTPS报文的封包结构的一级名称为“read”和“write”，“read”名称对应的值即是需要读取的数据JSON表，该表只需要名称，值会被服务器忽略；“write”名称对应的值为需要写入的数据JSON表，若值为空，服务器则会删除该名称/值对；当请求同时包含“read”和“write”时，对应的服务器则会先读取再写入。

4.根据权利要求1、2或3所述的操作系统的远程加载方法，其特征在于，所述内容分发网络中的节点分为两种，一种是作为主节点以提供地理位置解析及下载服务的远程服务器；一种是仅提供下载服务的次节点。

5.一种操作系统的远程加载系统，其特征在于，包括：

终端设备，部署有引导程序，所述引导程序指定有对应操作系统镜像下载的初始URI；

内容分发网络，由存储有所述操作系统镜像且地理位置不同的至少两个节点联网组成，并将存储各该节点地理位置信息的节点表存储在各远程服务器上；

所述终端设备还用于：在初始化网络配置后，由所述引导程序根据所述操作系统镜像下载的初始URI的域名解析获取对应的远程服务器IP地址，建立与该远程服务器的TCP连接，并向该远程服务器发送下载所述操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求；以及将所述引导程序中的初始URI替换为重定向报文重新指定的URI，重新发起下载所述操作系统镜像的HTTP请求或HTTPS请求，直至将所述操作系统镜像下载至内存以加载及引导所述操作系统镜像；

所述初始URI所对应的该远程服务器，用于根据所述请求中携带的终端设备的IP地址判断本节点是否为距所述终端设备最近的节点，如果是，则传输操作系统镜像；否则重定向至所述节点表上的最近节点，并在向所述终端设备传送所述重定向报文的同时，通过UDP通知重定向到的节点。

6.根据权利要求5所述的操作系统的远程加载系统，其特征在于，所述终端设备还用于：

将用户数据分成两类存储于所述内容分发网络中任一节点，一类为以JSON格式传输及储存的文本数据，一类为二进制数据；且该两类数据分别以文件名全网唯一的两个文件保存，一个为JSON文件，一个二进制数据文件；

当所述终端设备需要读写文本数据时，将数据封包并保存于HTTP或HTTPS报文内，二进制数据的操作范围由HTTP或HTTPS请求头的Range头域指定，当设备需要读写文本数据时，数据储存于报文正文处；以及

当所述用户数据包括启动所述操作系统的系统数据时，将所述系统数据的链接与所述引导程序关联。

7.根据权利要求6所述的操作系统的远程加载系统，其特征在于，所述终端设备所发送的HTTP或HTTPS报文的封包结构的一级名称为“read”和“write”，“read”名称对应的值即是需要读取的数据JSON表，该表只需要名称，值会被服务器忽略；“write”名称对应的值为需要写入的数据JSON表，若值为空，服务器则会删除该名称/值对；当请求同时包含“read”和“write”时，对应的服务器则会先读取再写入。

8.根据权利要求5、6或7所述的操作系统的远程加载系统，其特征在于，所述内容分发网络中的节点分为两种，一种是作为主节点以提供地理位置解析及下载服务的远程服务器；一种是仅提供下载服务的次节点。