Рабочая станция без дисковода

Введение

Рабочая станция компьютера, работающая без дисководов

Бесдисковый узел (или бесдисковая рабочая станция) — это рабочая станция или персональный компьютер, не оснащенный дисководами, который использует сетевую загрузку для загрузки операционной системы с сервера. (Компьютер также может рассматриваться как бесдисковый узел, если его диски не используются и применяется сетевая загрузка.) Бесдисковые узлы (или компьютеры, функционирующие как таковые) иногда называют сетевыми компьютерами или гибридными клиентами. Термин "гибридный клиент" может означать просто бесдисковый узел, либо использоваться в более узком смысле для обозначения бесдискового узла, который запускает лишь часть приложений удаленно, как в архитектуре тонких клиентов. Преимущества бесдисковых узлов включают снижение себестоимости производства, снижение эксплуатационных расходов, более тихую работу и удобство управления (например, централизованная установка программного обеспечения). Во многих университетах и крупных организациях персональные компьютеры используются в аналогичной конфигурации, когда часть или все приложения хранятся удаленно, но выполняются локально – опять же, для упрощения управления. Однако, это не бесдисковые узлы, если они по-прежнему загружаются с локального жесткого диска.

Принципы работы

Операционная система (ОС) для бездискового узла загружается с сервера посредством сетевой загрузки. В некоторых случаях для инициации процесса загрузки может использоваться съемное хранилище, такое как USB-накопитель или другой загрузочный носитель, например, дискета, CD или DVD. Однако, прошивка многих современных компьютеров может быть настроена для автоматического обнаружения сервера и начала процесса загрузки без необходимости вставлять загрузочный носитель. Для сетевой автоматической загрузки обычно используются сетевые протоколы Preboot Execution Environment (PXE) или Bootstrap Protocol (BOOTP) для поиска сервера с файлами, необходимыми для загрузки устройства. Стандартные настольные ПК могут быть загружены по сети с помощью дополнительной сетевой карты, оснащенной загрузовым ROM с Universal Network Device Interface. Сетевая загрузка без диска часто является встроенной функцией настольных и портативных компьютеров, предназначенных для коммерческого использования, поскольку ее можно использовать на обычно загружаемом с диска настольном компьютере для удаленной диагностики, установки программного обеспечения или применения образа диска к локальному жесткому диску. После запуска процесса загрузки, как описано выше, загрузка будет происходить одним из трех основных способов. В первом способе (используемом, например, проектом Linux Terminal Server Project) ядро загружается в память, а затем к остальной части операционной системы осуществляется доступ через сетевое файловое соединение с сервером. (Для хранения временных файлов может быть создан небольшой RAM-диск.) Этот подход иногда называют техникой "NFS root" при использовании с клиентскими операционными системами Linux или Unix. Во втором способе ядро ОС загружается, часть системной памяти конфигурируется как большой RAM-диск, а затем остальная часть образа ОС извлекается и загружается в RAM-диск. Microsoft выбрала эту реализацию для своей функции удаленной загрузки Windows XP Embedded. В третьем способе операции с диском виртуализируются и фактически преобразуются в сетевой протокол. Данные, которые обычно хранятся на дисковом накопителе, затем хранятся в файлах виртуальных дисков на сервере. Запросы на чтение/запись секторов диска преобразуются в соответствующие сетевые запросы и обрабатываются службой или демоном, работающим на стороне сервера. Эту реализацию используют Neoware Image Manager, Ardence, VHD Central Management System и различные продукты "boot over iSCSI". Этот третий подход отличается от первого тем, что удаленной является не файловая система, а фактически дисковое устройство (или необработанное устройство), и клиентская ОС не знает, что она работает не с жесткого диска. Поэтому этот подход иногда называют "виртуальным жестким диском" или "сетевым виртуальным диском". Этот третий подход упрощает использование клиентской ОС по сравнению с хранением полного образа диска в оперативной памяти или использованием файловой системы только для чтения. В этом подходе система использует некоторый "кэш записи", который хранит все данные, записанные бездисковым узлом. Этот кэш записи обычно представляет собой файл, хранящийся на сервере (или на клиентском хранилище, если оно есть). Он также может быть частью клиентской оперативной памяти. Кэш записи может быть постоянным или временным. В случае временного кэша все данные, записанные конкретным клиентом на виртуальный диск, удаляются при перезагрузке этого клиента, однако пользовательские данные могут оставаться постоянными, если они сохранены в профилях пользователей (роуминг) или домашних папках (которые хранятся на удаленных серверах). Два основных коммерческих продукта (от Hewlett Packard и Citrix Systems), позволяющие развертывать бездисковые узлы, загружающие клиентские ОС Microsoft Windows или Linux, используют такие кэши записи. Продукт Citrix не может использовать постоянный кэш записи, а продукты VHD и HP – могут.

The operating system (OS) for a diskless node is loaded from a server, using network booting. In some cases, removable storage may be used to initiate the bootstrap process, such as a USB flash drive, or other bootable media such as a floppy disk, CD or DVD. However, the firmware in many modern computers can be configured to locate a server and begin the bootup process automatically, without the need to insert bootable media. For network auto booting, the Preboot Execution Environment (PXE) or Bootstrap Protocol (BOOTP) network protocols are commonly used to find a server with files for booting the device. Standard full size desktop PCs are able to be network booted in this manner with an add on network card that includes a Universal Network Device Interface boot ROM. Diskless network booting is commonly a built in feature of desktop and laptop PCs intended for business use, since it can be used on an otherwise disk booted standard desktop computer to remotely run diagnostics, to install software, or to apply a disk image to the local hard drive. After the bootstrapping process has been initiated, as described above, bootstrapping will take place according to one of three main approaches. In the first approach (used, for example, by the Linux Terminal Server Project), the kernel is loaded into memory and then the rest of the operating system is accessed via a network filesystem connection to the server. (A small RAM disk may be created to store temporary files locally.) This approach is sometimes called the "NFS root" technique when used with Linux or Unix client operating systems. In the second approach, the kernel of the OS is loaded, and part of the system's memory is configured as a large RAM disk, and then the remainder of the OS image is fetched and loaded into the RAM disk. This is the implementation that Microsoft has chosen for its Windows XP Embedded remote boot feature. In the third approach, disk operations are virtualized and are actually translated into a network protocol. The data that is usually stored in a disk drive are then stored in virtual disks files homed on a server. The disk operations such as requests to read/write disk sectors are translated into corresponding network requests and processed by a service or daemon running on the server side. This is the implementation that is used by Neoware Image Manager, Ardence, VHD Central Management System and various "boot over iSCSI" products. This third approach differs from the first approach because what is remote is not a file system but actually a disk device (or raw device) and that the client OS is not aware that it is not running off a hard disk. This is why this approach is sometimes named "Virtual Hard Disk" or "Network Virtual Disk". This third approach makes it easier to use client OS than having a complete disk image in RAM or using a read only file system. In this approach, the system uses some "write cache" that stores every data that a diskless node has written. This write cache is usually a file, stored on a server (or on the client storage if any). It can also be a portion of the client RAM. This write cache can be persistent or volatile. When volatile, all the data that has been written by a specific client to the virtual disk are dismissed when said client is rebooted, and yet, user data can remain persistent if recorded in user (roaming) profiles or home folders (that are stored on remote servers). The two major commercial products (the one from Hewlett Packard, and the other one from Citrix Systems) that allow the deployment of Diskless Nodes that can boot Microsoft Windows or Linux client OS use such write caches. The Citrix product cannot use persistent write cache, but VHD and HP product can.

Централизованное хранение

Использование централизованного дискового хранилища также повышает эффективность использования дискового пространства. Это позволяет снизить затраты на хранение данных, высвободив капитал для инвестиций в более надежные и современные технологии, такие как RAID-массивы с поддержкой резервирования и сети хранения данных (SAN), позволяющие добавлять дисковое пространство "на лету" без прерывания работы. Более того, это означает, что выход из строя дисковых накопителей вследствие механических или электрических неисправностей – события, статистически весьма вероятные в течение нескольких лет при большом количестве дисков – часто менее вероятен (поскольку обычно выходит из строя меньше дисков) и реже приводит к сбоям в работе (поскольку они, скорее всего, будут частью RAID-массивов). Это также означает, что сами узлы менее подвержены аппаратным сбоям, чем толстые клиенты. Бесдисковые узлы обладают теми же преимуществами, что и тонкие клиенты.

Производительность централизованного хранения

Однако такая эффективность хранения может потребовать определенных затрат. Как это часто бывает в вычислительной технике, повышение эффективности хранения иногда достигается за счет снижения производительности. Большое количество узлов, одновременно обращающихся к одному и тому же серверу, может замедлить работу всех пользователей. Однако эту проблему можно смягчить, установив на сервер большой объем оперативной памяти (что ускоряет операции чтения за счет повышения производительности кэширования), добавив больше серверов (что распределяет нагрузку ввода-вывода) или увеличив количество дисков в RAID-массиве (что распределяет физическую нагрузку ввода-вывода). В любом случае, эта проблема в определенной степени может затронуть любую клиент-серверную сеть, поскольку даже "толстые" клиенты используют серверы для хранения пользовательских данных. Более того, в некоторых средах объем пользовательских данных может быть значительно больше, а частота доступа к ним – выше, чем к операционным системам и программам, поэтому переход на бездисковую модель не обязательно приведет к заметному снижению производительности. В бездисковой модели также будет использоваться большая пропускная способность сети (то есть ее емкость) по сравнению с моделью "толстого" клиента. Это не обязательно означает необходимость установки сетевой инфраструктуры с большей пропускной способностью – возможно, потребуется использовать большую долю существующей сетевой мощности. Наконец, сочетание задержек передачи данных по сети (физического перемещения данных) и задержек, связанных с ожиданием обработки запросов других узлов сервером, может привести к неприемлемому снижению производительности по сравнению с использованием локальных дисков, в зависимости от характера приложения, а также емкости сетевой инфраструктуры и сервера.

Другие преимущества

Другой пример ситуации, когда бездисковый узел может быть полезен, – это потенциально опасная среда, где компьютеры подвержены риску повреждения или уничтожения, что делает выгодным использование недорогих узлов и минимального аппаратного обеспечения. В этом случае также можно использовать тонкие клиенты. Бездисковые машины потребляют мало энергии и практически не шумят, что обеспечивает экологические преимущества и делает их идеальными для некоторых приложений в компьютерных кластерах.

Сравнение с тонкими клиентами

И тонкие клиенты, и бездисковые узлы используют бездисковые клиенты, которые обладают преимуществами перед толстыми клиентами (см. выше), но различаются местом выполнения вычислений.

Преимущества бездисковых узлов перед тонкими клиентами

Распределенная нагрузка. Нагрузка на обработку данных распределена между бездисковыми узлами. Каждый пользователь получает собственную изолированную среду для обработки, практически не влияя на других пользователей в сети, если их рабочая нагрузка не связана с интенсивным использованием файловой системы. Тонкие клиенты полагаются на центральный сервер для обработки и, следовательно, требуют высокой производительности сервера. Когда центральный сервер перегружен и работает медленно, оба типа клиентов будут затронуты, но тонкие клиенты будут полностью замедлены, в то время как бездисковые узлы будут замедляться только при доступе к данным на сервере. Повышенная производительность в мультимедиа. Бездисковые узлы имеют преимущество перед тонкими клиентами в мультимедийных приложениях, требующих большой пропускной способности. Например, бездисковые узлы хорошо подходят для видеоигр, поскольку рендеринг выполняется локально, что снижает задержку. Поддержка периферийных устройств. Бездисковые узлы обычно представляют собой обычные персональные компьютеры или рабочие станции без жестких дисков, что позволяет подключать широкий спектр периферийных устройств. В отличие от них, тонкие клиенты обычно представляют собой небольшие, герметичные устройства без возможности внутреннего расширения и с ограниченными или отсутствующими возможностями внешнего расширения. Даже если, например, USB-устройство можно физически подключить к тонкому клиенту, программное обеспечение тонкого клиента может не поддерживать периферийные устройства, кроме основных устройств ввода-вывода, например, оно может быть несовместимо с графическими планшетами, цифровыми камерами или сканерами.

Преимущества тонких клиентов по сравнению с бездисковыми узлами

Аппаратное обеспечение дешевле в случае тонких клиентов, поскольку вычислительные требования к клиенту минимальны, а 3D-ускорение и расширенная поддержка аудио обычно не предусмотрены. Бесдисковый узел также можно приобрести с недорогим процессором и минимальной поддержкой мультимедиа, если это целесообразно. Таким образом, экономия средств может оказаться меньше, чем кажется на первый взгляд, для некоторых организаций. Однако многие крупные организации привычно закупают оборудование с характеристиками, превышающими необходимые, чтобы удовлетворить потребности конкретных приложений и задач, или для обеспечения перспективности (см. следующий пункт). Существуют также менее рациональные причины для избыточных характеристик оборудования, которые часто влияют на выбор: отделы тратят бюджетные средства, чтобы сохранить текущий уровень финансирования на следующий год; а также неопределенность относительно будущего, недостаток технических знаний или внимания при выборе спецификаций ПК. Учитывая все эти факторы, тонкие клиенты могут обеспечить наиболее значительную экономию, поскольку в модели тонких клиентов, как правило, только серверы подвергаются существенной "улучшенной комплектации" и/или "обеспечению перспективности". Обеспечение перспективности не является серьезной проблемой для тонких клиентов, которые, вероятно, останутся полезными на протяжении всего срока службы – от одного до четырех лет и даже дольше – поскольку основная нагрузка ложится на серверы. В случае бездисковых узлов возникают проблемы, поскольку вычислительная нагрузка потенциально намного выше, что требует более тщательного подхода к закупкам. В будущем тонким клиентским сетям могут потребоваться значительно более мощные серверы, в то время как сети бездисковых узлов могут потребовать обновления сервера, обновления клиентского оборудования или и того, и другого. Тонкие клиентские сети потенциально потребляют меньше пропускной способности сети, поскольку большая часть данных просто считывается сервером и обрабатывается там, а клиенту передаются только небольшие фрагменты данных по мере необходимости для отображения. Кроме того, передача графических данных на дисплей обычно лучше подходит для эффективных технологий сжатия и оптимизации данных (например, технология NX), чем передача произвольных программ или пользовательских данных. Во многих типичных сценариях использования ожидается, что как общее потребление полосы пропускания, так и пиковое потребление будут меньше для эффективного тонкого клиента, чем для бездискового узла.

The hardware is cheaper on thin clients, since processing requirements on the client are minimal, and 3D acceleration and elaborate audio support are not usually provided. Of course, a diskless node can also be purchased with a cheap CPU and minimal multimedia support, if suitable. Thus, cost savings may be smaller than they first appear for some organizations. However, many large organizations habitually buy hardware with a higher than necessary specification to meet the needs of particular applications and uses, or to ensure future proofing (see next point). There are also less "rational" reasons for overspecifying hardware which quite often come into play: departments wastefully using up budgets in order to retain their current budget levels for next year; and uncertainty about the future, or lack of technical knowledge, or lack of care and attention, when choosing PC specifications. Taking all these factors into account, thin clients may bring the most substantial savings, as only the servers are likely to be substantially "gold plated" and/or "future proofed" in the thin client model. Future proofing is not much of an issue for thin clients, which are likely to remain useful for the entirety of their replacement cycle one to four years, or even longer as the burden is on the servers. There are issues when it comes to diskless nodes, as the processing load is potentially much higher, thus meaning more consideration is required when purchasing. Thin client networks may require significantly more powerful servers in the future, whereas a diskless nodes network may in future need a server upgrade, a client upgrade, or both. Thin client networks have less network bandwidth consumption potentially, since much data is simply read by the server and processed there, and only transferred to the client in small pieces, as and when needed for display. Also, transferring graphical data to the display is usually more suited for efficient data compression and optimisation technologies (see e. g. NX technology) than transferring arbitrary programs, or user data. In many typical application scenarios, both total bandwidth consumption and "burst" consumption would be expected to be less for an efficient thin client, than for a diskless node.