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1、虚拟桌面显示协议研究综述摘要：随着云计算的不断发展，虚拟桌面解决方案VDI日益成熟，桌面虚拟化成为典型的云计算应用。虚拟桌面技术能够有效地解决传统个人计算机使用过程中存在的多种问题，降低企业的运维成本，受到业界的广泛关注。然而，虚拟桌面显示协议在当前的网络带宽环境下成为VDI的性能瓶颈，是各厂商竞争的焦点。不同的协议在应用效果、用户体验QoE方面各有特色。本文首先介绍了虚拟桌面的典型架构，然后从虚拟桌面显示协议方面总结了当前国内外桌面虚拟化技术的研究发展现状以及基本特征。基于此，分析了当前虚拟桌面显示协议的不足之处。最后，提出了桌面显示协议的发展趋势，对于当前桌面虚拟化技术的发展将起到一定的指
2、导作用。关键字：虚拟桌面，VDI，显示协议，QoE1 引言在当前的桌面云计算解决方案中，虚拟桌面基础架构VDI(Virtual Desktop Infrastructure)是主流的架构与部署方式。它基于底层的硬件资源和中间层的虚拟化软件，通过上层的桌面虚拟化应用软件，为终端用户提供虚拟桌面交付模式。VDI解决方案中所提供的桌面虚拟化不仅充分利用了服务器端的计算能力，而且提供了强大而灵活的用户PC管理能力，同时具有很强的可扩展性和显著的能源节约优势，消除了传统个人计算机管理模式中的很多缺点。VDI解决方案的主要设计思想是通过虚拟化技术，把传统意义上的个人物理PC转换为运行在虚拟化服务器上的一个
3、个虚拟桌面，即Virtual Desktop，通过提供对底层存储、网络等基础资源和上层虚拟桌面的集中管理和连接功能，为给终端用户提供灵活和良好的虚拟桌面使用体验。桌面虚拟化是一种基于中心服务器的计算模型，建立在服务器虚拟化的基础之上，沿用了瘦客户端模型，所有的桌面虚拟机在数据中心进行托管并统一管理，同时用户能够获得完整的PC使用体验，用户可以根据自己的需要使用虚拟桌面服务。系统管理员只需要维护部署在中心服务器上的系统即可，不需要更新升级客户机上的系统。桌面虚拟化与传统的远程桌面的关键不同之处在于，远程桌面技术是接入到一个真正安装在物理机上的操作系统，如果要大面积作为企业应用技术，不仅需要一个个
4、PC运行操作系统，还需要投入相应的很多终端，所以远程桌面仅作为远程控制和远程访问的一种方式。采用桌面虚拟化极大地降低了整体IT的采购成本和运维成本，提高系统的安全性和硬件系统的利用率。其中虚拟桌面显示协议是VDI解决方案的核心，其最终目的是为用户提供接近传统PC操作系统的桌面服务体验。当前主流的虚拟桌面技术厂商已经确定了各自主打的桌面显示协议，主要包括Microsoft的RDP、Citrix的ICA/HDX、Red Hat的SPICE、VMware的PCoIP等。不同的协议在应用效果、用户体验方面各有特色。虚拟化技术主要包括服务器虚拟化、应用虚拟化、桌面虚拟化。目前网络虚拟化，显卡虚拟化(GP
5、U虚拟化)等技术都在快速发展。桌面虚拟化技术是发展最快的，也是最有应用前景的技术。远程桌面技术可以说是桌面虚拟化技术的前身。内置在Windows中的远程桌面使用了RDP协议，用户可以从其他的电脑上远程登录、访问与使用目标桌面。在虚拟化技术日益成熟后，微软将Windows Server 2008上的Terminal Services重新定义为演示虚拟化技术。从技术演进发展的时间来看，2006年桌面虚拟化技术概念才开始形成，2007年出现了第一代VDI的方案，2008年开始出现比较完整的解决方案。目前桌面虚拟化对应的虚拟系统不直接与硬件打交道，而是通过一个中间管理层来进行资源的协调，使得虚拟系统不
6、会独占硬件资源。桌面虚拟化技术进一步发展，会实现虚拟桌面的网络化和集中化，虚拟桌面操作系统将被存储在网络上，进行集中化的管理。这样，用户的访问环境和运行环境分离开，用户将可以通过任何设备对网络上的桌面进行操作与访问。桌面通过服务的形式提供给最终用户，也就是桌面即服务DaaS(Desktop as a Service)。VDI的广泛使用尤其受限于网络环境。在VDI模式下，数千个桌面环境从用户终端迁移到数据中心，数据中心需要实时地将桌面图像返回到用户终端，同时还要处理用户的输入信息，这些对网络性能提出了很高的要求。在目前的带宽条件下，用户想获得与使用本地桌面相同的体验还是有一定困难的，尤其是视频、
7、3D图像以及多媒体应用等。因此，目前各大厂商围绕虚拟桌面显示协议展开竞争，使用各种技术对显示协议进行优化，减少需要传输的数量，提升用户使用体验。随着人们对虚拟桌面性能要求的不断提高，虚拟操作系统基础架构VOI(Virtual OS Infrastructure)成为一个新的桌面虚拟化发展方向。VOI的概念由IBM的SteveMills最早提出，VOI可以看作桌面虚拟化发展的第三个阶段。VOI桌面虚拟化技术不仅可实现基于服务端的虚拟操作系统、虚拟应用、用户配置的按需交付，也可基于客户端实现，这样就可利用终端资源处理图形密集型应用，比如音视频、3D图形应用等，也可支持各种计算机外设以适应复杂的应用
8、环境以及未来的应用扩展。VOI对网络和服务器的依赖性将大大降低，在网络中断或服务器故障后终端也可继续离线使用，数据可在云端集中存储，也可在本地加密存储，且终端应用数据不会因网络或服务端故障而丢失。从实际应用方面考虑，VOI具有更强和更符合用户环境的适应性。2 虚拟桌面显示协议概要目前各个厂商都推出了自己的虚拟桌面显示协议，每种协议都有不同的特性。2.1主流虚拟桌面显示协议2.1.1 RDP协议RDP协议是微软虚拟桌面产品中采用的显示协议。在应用过程中，在服务器侧用于生成远程桌面屏幕显示内容的图像设备接口GDI指令被RDP驱动截获，在服务器侧进行渲染，然后以光栅图像的形式传送到用户终端上输出。同
9、时，用户终端上安装RDP协议的客户端把用户通过鼠标、键盘等设备输入的信息通过RDP重定向到服务器侧， 进而在服务器侧使用相应的驱动进行处理。RDP协议是在国际电信联盟ITU T.120协议族的基础上进行的扩展，通过建立多个独立的虚拟通道，承载不同的数据传输和设备通信，其总体架构如图所示：传输层：用于处理数据传输，管理连接过程，基于传输层，RDP协议能够提供多播服务，支持点到点和点到多点的连接。安全层：由加密和签名算法以及服务组成，防止未经认证的用户对RDP连接进行监控。RDP协议采用RC4算法进行加密，同时采用MD5和SHA-1组合算法进行签名。虚拟通道复用层：多个虚拟通道可以复用同一个RDP
10、连接，虚拟通道具有可扩展性，每个虚拟通道内部可以增加新的内部属性，也可以开放给第三方使用。压缩层：利用压缩算法(微软的点对点压缩协议)针对各个虚拟通道的数据进行压缩。用户对虚拟桌面体验的要求不断提高，微软在windows server 2008 R2的远程桌面服务Remote Desktop Service(RDS)产品中提出了RemoteFX技术，对RDP协议进行增强。RemoteFX技术通过提供虚拟3D显示适配器、智能编/解码和USB重定向等技术为用户提供良好的桌面体验，已经应用在微软的VDI和SBC虚拟桌面解决方案中。VDI解决方案对RemoteFX的应用能全面体现RemoteFX的技术
11、特征，RemoteFX的技术架构如图所示：RemoteFX是与RDP7.1以及之后版本的RDP协议整合使用的，其中RDP协议为RemoteFX提供加密、认证、管理和设备支持等功能。RemoteFX需要与微软的服务器虚拟化技术Hyper-V集成，其图像处理组件分别运行在Hyper-V的父分区和子分区。父分区包括RemoteFX的管理组件，用于管理图像的处理过程。在子分区中运行的主要有虚拟GPU。GPU虚拟化是RemoteFX增强技术的核心，当虚拟机中的应用通过DirectX或GDI调用图像处理操作时，相关命令将传递给虚拟GPU，然后由虚拟GPU将命令从子分区传递给Hyper-V的父分区并在物理G
12、PU上高效处理。最新的RDP协议是8.0版本，其新特性包括1：通过 RemoteFX for WAN 功能，WAN 网络上的用户可以使用智能与自适应 UDP 传输、网络丢包率和恢复等高级技术获取快速流畅的体验。RemoteFX 网络自动检测功能会自动检测网络特征并相应地优化用户体验。RemoteFX 自适应图形功能可以提供丰富的图形体验，能够动态适应服务器负载、客户端访问设备负载和网络特征。对于所有媒体内容格式，RemoteFX 媒体流功能都能够让用户在 WAN 网络上获得流畅的媒体体验。通过 RemoteFX USB 重定向功能，即使远程桌面计算机未安装 RemoteFX vGPU，用户也能
13、够使用带有RemoteApp应用程序和远程桌面的USB设备。特定场景下，RDP 8.0支持在远程桌面连接会话中运行其他远程桌面连接会话。通过性能计数器(RemoteFX 图形和 RemoteFX 网络计数器组)，管理员可以监视和解决用户体验问题。2.1.2 ICA/HDX协议ICA协议为桌面内容和外设数据在服务器和用户终端之间的传输提供了多种独立的虚拟通道，每个通道可以采用不同的交互时序、压缩算法、安全设置等。ICA虚拟通道是在服务器和用户终端之间建立双向连接，可用于传输声音、图像、打印数据、外设驱动等信息，其虚拟通道实现原理如图所示：在ICA的基础上，Citrix在2009年发布了HDX(H
14、igh Definition eXperience)技术对ICA协议进行了改进和增强，其目标是在桌面领域的多媒体、语音、视频和3D图形等内容为虚拟桌面提供更好的高清使用体验。HDX技术的核心内容如下2：HDX Plug-n-Play：本地虚拟桌面支持多种外设，并简化了设备的连接，包括USB设备、打印机、扫描仪、智能卡等外设。HDX RichGraphics：充分利用服务器的处理能力，提供高分辨率图像的处理，优化图形密集型及富媒体应用的性能。HDX MediaStream：将经过压缩处理的音频和视频发送到用户终端并在本地进行播放，提升多媒体的播放效果。HDX RealTime：主要用于改善用户访
15、问的实时性，支持双向音频，支持基于虚拟桌面的视频会议。HDX Broadcast：针对不同的网络环境，利用压缩、缓存等技术提高访问远程桌面和应用的效果。HDX WAN Optimization：优化广域网的访问性能和带宽消耗，提供自适应的加速能和QoS保证。HDX Smart Access：支持用户在任何地点、任何设备上安全地访问虚拟桌面，支持SSO。HDX Adaptive Orchestration：自适应调整HDX的配置，全面优化用户体验。通过灵活地部署和应用各项HDX技术，能够全面、有效地优化虚拟桌面服务的交付效果，在各种网络条件下为用户提供更好的体验。2.1.3 SPICE协议SPI
16、CE(Simple Protocol for Independent Computing Environment )协议最早由Qumranet开发，同时Qumranet还创建了KVM虚拟化技术。Red Hat收购Qumranet之后，继续在KVM虚拟化的基础上采用SPICE作为桌面交付协议为用户提供VDI解决方案。SPICE是一个具有三层架构的协议。QXL驱动：部署在服务器侧提供虚拟桌面服务的虚拟机中，用于接收操作系统和应用程序的图形命令，并将其转换为KVM的QXL图形设备命令。SPICE客户端：部署在用户终端上的软件，负责显示虚拟桌面，同时接收终端外设的输入。QXL设备：部署在KVM服务器虚拟化的Hypervisor中，用于处理各虚拟机发来的图形图像操作。SPICE协议最大的特点是其架构中增加的位于Hypervisor中的QXL设备，本质上是KVM虚拟化平台中通
