摘要：文章提出了一種具有分類云計(jì)算的新型計(jì)算機(jī)機(jī)房交互式應(yīng)用？客戶端只是一個(gè)顯示屏加上一些人機(jī)界面設(shè)備，如鼠標(biāo)鍵盤組或帶有可選移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的觸摸屏客戶端通過(guò)低延遲連接到遠(yuǎn)程或附近的服務(wù)器鏈接主要轉(zhuǎn)移后分類云計(jì)算顯示屏幕和HID數(shù)據(jù)通過(guò)遵循完全相同的最高效CPU-分類云計(jì)算屏幕圖形渲染管道，從初始圖形基元到最終像素，就像在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形架構(gòu)中開發(fā)和優(yōu)化的那樣，該架構(gòu)具有比任何其他計(jì)算機(jī)機(jī)房交互式模式更高的圖形和多媒體性能，例如，VNC，遠(yuǎn)程桌面，VDI，Zeroclient和PCoIP不需要回讀幀緩沖區(qū)，因?yàn)樘摂M屏幕是必需的，所以沒有發(fā)生CPU/分類云計(jì)算開銷并最小化顯示延遲。

關(guān)鍵詞：大普遍的云移動(dòng)計(jì)算;客戶端服務(wù)器;屏幕內(nèi)容編碼;普適計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）08-0089-05

Interactive Application of Computer Room Considering Basedon Cloud Computing

WANG Bin

（Shangluo University ， Shangluo Shaanxi 726000 ， China）

Abstract ： This paper presents a new interactive application with classified cloud computing in computer room.Theclient is only a display screen plus some human- machine interface devices， such as mouse keyboard group ortouch screen with optional mobile storage devices.The client connects to a remote or nearby server （cloudlet） linkthrough low latency ， and mainly transfers the classified cloud computing display screen and HID data.Following ex-actly the same CPU-classified cloud computing screen graphics rendering pipeline ， from the initial graphics primi-tives to the final pixels ， as developed and optimized in traditional computer graphics architecture ， the architecturehas higher graphics and multimedia performance than any other computer room interactive mode ， such as VNC ， re-mote desktop， VDI， Zeroclient and CoIP ， without rereading frame buffer.Because virtual screens are necessary ，there is no CPU / classified cloud computing overhead and minimization of display latency.

Key words ： universal cloud mobile computing ; client server ; screen content coding ; pervasive computing

0引言

多核CPU/分類云計(jì)算和普及的云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)行業(yè)和社會(huì)成為計(jì)算歷史和未來(lái)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[1-2]。大多數(shù)計(jì)算機(jī)用戶，包括相當(dāng)一些用戶做精密科學(xué)或工程工作通常只需要多核CPU，分類云計(jì)算提供的一小部分計(jì)算能力。此外，大多數(shù)現(xiàn)有軟件和程序不是面向多核的[3-5]。因此，為大量計(jì)算機(jī)用戶提供了一種完全，輕松，自然地利用的終極方式多核CPU/分類云計(jì)算的并行計(jì)算能力是在用戶級(jí)實(shí)現(xiàn)并行性，即讓許多（包括移動(dòng)）用戶共享一個(gè)或多個(gè)多核CPU/分類云計(jì)算的主機(jī)平臺(tái)[6-8]。文章分析了完整的CPU-分類云計(jì)算屏幕流程及其瓶頸，從最初的2D/3D圖形基元生成和傳輸?shù)降湫秃屯ㄓ糜?jì)算機(jī)系統(tǒng)中的最終實(shí)際屏幕像素顯示[9-10]。提出了1個(gè)分類云計(jì)算計(jì)算機(jī)機(jī)房交互式的性能和瓶頸分析，并將所有計(jì)算機(jī)機(jī)房交互式分為3種方法。在將用戶與主機(jī)分離時(shí)，我們表明最低總體帶寬要求的方法是后交互式方法，適當(dāng)命名云計(jì)算屏幕計(jì)算架構(gòu)。

1分類云計(jì)算

就圖形和多媒體處理流程而言，主流計(jì)算機(jī)，無(wú)論大小，都具有相似的架構(gòu)。在不同的地方將用戶（客戶端）設(shè)備與主機(jī)（服務(wù)器）分離的可能方法[11-12]。首先是外圍總線（例如PCIe）和分類云計(jì)算之間的分類云計(jì)算前接口。第2是FB（幀緩沖）接口，它基本上將分類云計(jì)算分為2個(gè)部分：

1）前FB部分主要執(zhí)行任務(wù)2D/3D圖形和多媒體處理，例如視頻解碼，并將結(jié)果寫入多幀緩沖區(qū)，通常這是分類云計(jì)算的“渲染”部分;

2）后FB部分從多幀緩沖區(qū)讀取，然后主要執(zhí)行諸如視頻疊加，F(xiàn)IW光標(biāo)，圖形與視頻的alpha混合以實(shí)現(xiàn)半透明效果，空間/時(shí)間抖動(dòng)以提供高深度（例如30位）顏色的任務(wù)較低深度（例如24位或18位）顯示器的質(zhì)量，CSC（色彩空間轉(zhuǎn)換），伽馬校正，旋轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)，鏡像等。通常，這是分類云計(jì)算的“顯示屏刷新”部分。

子幀，幀緩沖區(qū)比以前復(fù)雜得多，通常包括雙或三主像素緩沖區(qū)，視頻覆蓋緩沖區(qū)，alpha緩沖區(qū)，硬件光標(biāo)緩沖區(qū)，多個(gè)紋理貼圖緩沖區(qū)等。第3個(gè)位置是分類云計(jì)算和視頻輸出之間的分類云計(jì)算后接口（例如模擬VGA或YPbPr端口或數(shù)字DVI或HDMI或DisplayPort端口）。

這3種方法稱為分類云計(jì)算前方法如圖1所示，F(xiàn)B方法和后交互式方法。由于在這3種方法中，多核CPU/分類云計(jì)算具有足夠的計(jì)算和處理能力，整體圖形和多媒體性能以及交互性這3種方法的系統(tǒng)響應(yīng)和用戶體驗(yàn)都受到帶寬瓶頸和主機(jī)-用戶鏈路延遲的限制。在交互式方法中，用戶設(shè)備主要是連接到遠(yuǎn)程主機(jī)的LCD屏幕，主機(jī)對(duì)用戶是隱藏的。

今天的大多數(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序都是基于GUI的交互式應(yīng)用程序。因此，任何計(jì)算平臺(tái)中最重要的性能指標(biāo)之一就是每個(gè)用戶輸入事件的交互式GUI響應(yīng)時(shí)間。例如，當(dāng)用戶按下鼠標(biāo)按鈕時(shí)，他們期望彈出菜單立即顯示;在縮放窗口時(shí)，他們希望屏幕上的橡皮筋能夠順暢而精確地跟隨鼠標(biāo);在繪圖中，他們希望屏幕上的曲線能夠無(wú)滯后地跟蹤鼠標(biāo)移動(dòng)。因此，令人滿意的交互式GUI響應(yīng)時(shí)間是必須的，用戶不愿意因任何原因而妥協(xié)。顯然，基于GUI的交互式響應(yīng)時(shí)間應(yīng)用程序取決于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置，主要是CPU速度，分類云計(jì)算速度，內(nèi)存帶寬，硬盤帶寬以及操作系統(tǒng)。

2基于分類云計(jì)算的計(jì)算機(jī)機(jī)房交互式方法

為了最有效地壓縮這樣的圖像，Macroblock自適應(yīng)雙編碼器混合應(yīng)該使用色度采樣率（MDMC）技術(shù)。在MDMC技術(shù)中，a全色度圖像被分成許多宏塊（MB）和每個(gè)宏塊的大小如圖2（a）所示，將16x16像素同時(shí)饋入兩個(gè)編碼器。一個(gè)編碼器是不連續(xù)色調(diào)內(nèi)容導(dǎo)向的字典-熵編碼工具鏈，另一個(gè)編碼器是連續(xù)色調(diào)內(nèi)容導(dǎo)向的混合編碼工具鏈。2個(gè)編碼器對(duì)宏塊進(jìn)行編碼同時(shí)將編碼結(jié)果發(fā)送到基于額定失真（R-D）成本函數(shù)的選擇器。選擇器計(jì)算2個(gè)編碼器的R-D成本函數(shù)，并選擇具有最小R-D成本函數(shù)值的編碼器作為宏塊的最終編碼器。相應(yīng)的比特流然后將最終編碼器的數(shù)據(jù)放入輸出比特流中。比特流可以由圖2（b）所示的MDMC解碼器解碼和重建。

對(duì)于混合編碼器，通過(guò)計(jì)算R-D成本函數(shù)：

（1）

其中Dhybrid和Rhybrid分別是使用混合編碼器對(duì)宏塊進(jìn)行編碼的失真和總比特，λ是控制bitcost權(quán)重的滯后范圍乘數(shù)，通常取決于混合編碼器的量化參數(shù)（QP）。對(duì)于字典熵編碼器，沒有損失，所以R-D成本函數(shù)的計(jì)算方法是：

（2）

其中Rdict是使用字典一熵編碼器對(duì)宏塊進(jìn)行編碼的總比特。成本比率Jhybrid/Jdict（<1或≥1）確定選擇哪個(gè)編碼器來(lái)編碼宏塊。對(duì)于給定的屏幕圖片，查看并了解所有的整體編碼器選擇分布圖中的宏塊，可以繪制比例Jhybrid/Jdict圖來(lái)可視化編碼器選擇分布并且評(píng)估兩個(gè)程序員的效率。

3計(jì)算機(jī)機(jī)房交互式應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)機(jī)房交互式模式可以支持的用戶總數(shù)取決于網(wǎng)絡(luò)帶寬主機(jī)用戶鏈接和用戶屏幕分辨率。表1顯示了一些流行的用戶設(shè)備屏幕分辨率的主機(jī)-用戶鏈路帶寬要求（原始比特率/100）在后交互式方法中使用100：1壓縮。應(yīng)該注意的是，由于計(jì)算機(jī)屏幕作為圖像序列的顯著冗余，SCC可以非常即使采用當(dāng)今可用的技術(shù)（Lu等人2011），也可以輕松實(shí)現(xiàn)100：1的壓縮比，而對(duì)于攝影圖片和視頻，典型的壓縮比通常為50：1。我們可以看到家庭或小型辦公室中的千兆網(wǎng)絡(luò)可以支持多達(dá)30個(gè)用戶，要求屏幕分辨率為1920x1200的分類云計(jì)算。企業(yè)中的100Kbps網(wǎng)絡(luò)最多可支持3000個(gè)此類用戶。WiFi環(huán)境（480Mbps）可以支持10個(gè)這樣的用戶加上20個(gè)上網(wǎng)本/平板電腦或40位高端智能手機(jī)屏幕解析用戶。即使是典型的真實(shí)3G鏈路（IMbps）也有足夠的帶寬來(lái)支持低端智能手機(jī)用戶的繪制精致的3D圖形。

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)間（rtt）在很大程度上取決于數(shù)據(jù)包在其路徑上經(jīng)過(guò)的跳數(shù)和每跳延遲。我們?cè)?種常見和實(shí)際情況下進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量rtt;①在公共FTTH/FTTP（光纖到家庭/場(chǎng)所）內(nèi)地理距離最遠(yuǎn)300km的網(wǎng)絡(luò);②城域多站點(diǎn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò);③通過(guò)AD-SL線路與VPN連接距離企業(yè)網(wǎng)絡(luò)約40km的地理距離。使用'ping'命令測(cè)量所有rtt值。

圖3是通過(guò)公眾間隔80km的兩個(gè)城市之間的主機(jī)-用戶鏈路的rtt測(cè)量圖中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)的FTTH/FTTP網(wǎng)絡(luò)。該圖的水平x軸是采樣時(shí)間，格式為天：h：min，例如01：16：20=第1天下午4：20的采樣時(shí)間.Y軸是rtt，以ms為單位。測(cè)量時(shí)間為2周（14d）每5min采樣一次，因此實(shí)驗(yàn)總共需要14x24x12=4032rtt樣本。

表2是圖6.4026（99.85%）樣品的rtt在0-10范圍內(nèi)的直方圖ms，5（0.124%）個(gè)樣本的rtt在11-20ms的范圍內(nèi)?？傮w而言，99.974%的樣品具有20ms或更短的rtt。

圖4是通過(guò)中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)的公共FTTH/FTTP網(wǎng)絡(luò)，相隔300km的兩個(gè)城市之間的主機(jī)-用戶鏈路的rtt測(cè)量圖。測(cè)量是在每5min取樣2周（14d）期間進(jìn)行的，因此實(shí)驗(yàn)總共需要14x24x12=4032rtt樣品。表6是圖7中繪制的樣品的直方圖.3711（92.039%）樣品的rtt在0-15ms的范圍內(nèi)，182（4.514%）樣品的rtt在16-20ms的范圍內(nèi)?？傮w而言，96.553%的樣品具有20ms或更短的rtt。

這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，即使在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，也實(shí)施了分類云在城域多站點(diǎn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，具有清晰的交互式系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和分類云計(jì)算的計(jì)算架構(gòu)是可行的包括基于VPN的異地辦公室。rtt數(shù)字在為純網(wǎng)絡(luò)延遲分配的20ms限制內(nèi)，并表明云計(jì)算屏幕計(jì)算是可行的即使主機(jī)和用戶相距300km。隨著提高交互式QoS的需求驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)和路由技術(shù)的進(jìn)步，云計(jì)算屏幕計(jì)算架構(gòu)將在更廣泛的領(lǐng)域（如多洲大陸企業(yè)網(wǎng)絡(luò)）中變得可行。

4結(jié)語(yǔ)

文章使用分類云計(jì)算分析了計(jì)算機(jī)機(jī)房交互式的圖形和多媒體性能以及瓶頸，并提出了普適計(jì)算的最佳云屏架構(gòu)。分類云可以像PC一樣小，也可以像數(shù)據(jù)中心一樣大。用戶連接到分類云簡(jiǎn)單設(shè)備主要由監(jiān)視器和帶有可選移動(dòng)存儲(chǔ)的HID組成。屏幕不是虛擬屏幕，而是真實(shí)屏幕，就像本地連接到計(jì)算機(jī)的屏幕一樣。關(guān)于云計(jì)算屏幕計(jì)算的未來(lái)工作包括在主機(jī)一用戶鏈接的SCC中實(shí)現(xiàn)冪等，以進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量，增加更多本地HID和I/O支持。

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收稿日期：2020-03-10

作者簡(jiǎn)介：王斌（1975-），男，陜西商州人，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事實(shí)驗(yàn)室信息建設(shè)與管理。