黃鴻, 李文杰, 劉東東

(廣東電網(wǎng)有限責任公司 云浮供電局， 廣東 云浮 527300)

0 引言

信息化的發(fā)展給IT管理領(lǐng)域帶來了更多的挑戰(zhàn)，如在需求用更少的資源做更多事情時，如何更好地保持和改建現(xiàn)有的桌面管理；面對不同種類的最終用戶需求，如何在降低成本的前提下更好地管理各種端點設(shè)備等，而借助虛擬桌面基礎(chǔ)設(shè)施可以讓管理員構(gòu)建與硬件無關(guān)的桌面環(huán)境，并且在同一個系統(tǒng)中，可以同時運行多臺虛擬機，同時系統(tǒng)中的虛擬機也是相互獨立和隔離開來的。完善的桌面虛擬化架構(gòu)也可以保證在很短的時間內(nèi)設(shè)立新的虛擬機，再加上內(nèi)核虛擬機的融合應用，會讓虛擬桌面比傳統(tǒng)的桌面更加完善，優(yōu)化桌面工作環(huán)境，提升啟動速度。

1 基于KVM的虛擬技術(shù)

KVM虛擬機是一種開源系統(tǒng)虛擬化模塊，這種內(nèi)核虛擬機主要使用Linux自帶的調(diào)度器進行系統(tǒng)管理，所以這種虛擬技術(shù)核心源碼更少，也是目前學術(shù)界主流的VMM之一，KVM虛擬化必須借助ADM V技術(shù)或者是Intel VT技術(shù)等硬件的支持，故而也是一種基于硬件設(shè)施的完全虛擬化。

基于KVM的虛擬化技術(shù)靈活性更強，這種技術(shù)可以將不同操作系統(tǒng)、特殊硬件設(shè)備進行充分利用，進而答復降低不同系統(tǒng)維護的難度，正是由于這種特性，所以這種虛擬技術(shù)可以支持基于X86架構(gòu)的Windows、Linux、Unix等操作系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運行。其具體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 基于KVM的虛擬架構(gòu)圖

由圖1可知，KVM在Linux系統(tǒng)中主要使用地層的硬件和設(shè)備虛擬化支撐，進而來為系統(tǒng)提供相對完成的原生虛擬化，當然只需要地層硬件虛擬化的支持，KVM就可以支持大量的客戶機操作系統(tǒng)。

這種內(nèi)核虛擬機技術(shù)的實現(xiàn)主要通過CPU虛擬化和內(nèi)存虛擬化兩方面實現(xiàn)。

(1) CPU虛擬化

第一，KVM首先需要執(zhí)行VMXON指令，然后方可進入到VMX系統(tǒng)操作模式，此時CPU則是處在VMX根操作模式中，故而KVM軟件開始執(zhí)行相關(guān)指令；

第二，當KVM在執(zhí)行VMLAUNCH指令或者是VMRESUME指令時，會產(chǎn)生相對應的虛擬機進入，此時虛擬機軟件開始執(zhí)行相關(guān)質(zhì)量，同時CPU會進入到非根模式中；

第三，如果虛擬機需要執(zhí)行特殊指令，或者是虛擬機在運行過程中出現(xiàn)系統(tǒng)異常、中斷等情況時，則虛擬機會由于自動退出而進入KVM，此時CPU也會自動切換到根模式，并且KVM會根據(jù)VM Exit的具體情況作出對應處理，之后重復“第二”的操作流程；

第四，KVM如果決定退出VM Exit，則會自動執(zhí)行VMXOFF，然后關(guān)閉VMX操作模式。

(2) 內(nèi)存虛擬化

所有的客戶操作系統(tǒng)都是借助/dev/kvm設(shè)備映射的，并且每一個系統(tǒng)都有對應的虛擬地址空間，各自的空間會重復的映射到宿主機內(nèi)核物力地址空間中。KVM內(nèi)存虛擬化的實現(xiàn)，首先EPT需要在原有的地址映射基礎(chǔ)之上，引入EPT頁表實現(xiàn)另一次映射，通過這種操作，客戶虛擬地質(zhì)、物理地址、宿主機物理地址中不同的地址轉(zhuǎn)換都借助CPU硬件來自動實現(xiàn)。KVM實際上也可看做一種瘦虛擬化架構(gòu),由于本身體積較小，所以其支持硬件需要由Linux系統(tǒng)自身對硬件的支持來決定。

2 桌面虛擬化架構(gòu)

2.1 桌面虛擬化架構(gòu)構(gòu)成

(1) 虛擬桌面服務器端

桌面虛擬化架構(gòu)中，桌面服務器端需使用中高端的服務器，然后在服務器中安裝虛擬化軟件，借助服務器的虛擬化在宿主機中創(chuàng)建多個虛擬分區(qū)，每一個分區(qū)對應各自的終端桌面用戶。

(2) 終端用戶桌面端

終端用戶桌面端顧名思義主要是面向終端用戶，使用瘦客戶端或者是專用的云終端，并且需要為每一個桌面用戶配置對應的顯示器、鍵盤、鼠標和專用云終端設(shè)備。

(3) 連接管理中間件組件

這一層主要是用戶連接、調(diào)度的資源池，以VDI架構(gòu)為例，這種組件主要存在于數(shù)據(jù)中心的虛擬桌面服務器中，利用這種組件可以為用戶提供成百上千的虛擬桌面客戶端。

2.2 桌面顯示協(xié)議

桌面顯示協(xié)議是影響虛擬桌面用戶體驗的關(guān)鍵所在，例如VDI架構(gòu)中，必須借助虛擬桌面通訊協(xié)議來連通虛擬桌面和用戶云終端，然后打包、壓縮、加密用戶云終端錄入的信息數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)教摂M機進行進一步運算，而用戶最終看到的是經(jīng)過打包、加密、傳輸、解析之后的運算結(jié)果，不同的顯示協(xié)議所體現(xiàn)的特征有所不同，對當前主流的顯示協(xié)議做了重點比對，如表1所示。

表1 主流顯示協(xié)議特性對比

因為遠程服務訪問是否流暢是由傳統(tǒng)帶寬要求直接決定的，而ICA本身的處理性能、數(shù)據(jù)壓縮比相對較高，所以可以大幅度的降低系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。用戶圖像顯示一眼則體現(xiàn)的是虛擬桌面視圖的數(shù)據(jù)組織形式和傳輸順序。PCoIP模式使用的是分層漸進的凡是，進而在用戶端顯示桌面圖像，簡單講就是先給用戶傳輸一個完整但是相對模糊的圖像，然后在此基礎(chǔ)上進行逐步的精化處理，所以相較于其他3個廠商使用的分行掃描方式，視覺體驗更加明顯。

3 基于內(nèi)核虛擬機的桌面虛擬化架構(gòu)設(shè)計

3.1 桌面虛擬化架構(gòu)設(shè)計

桌面虛擬化架構(gòu)設(shè)計之前需要先決定使用哪一種桌面顯示協(xié)議，根據(jù)表1的對比數(shù)據(jù)顯示，同時基于內(nèi)核虛擬機系統(tǒng)環(huán)境需求，本文的虛擬化架構(gòu)設(shè)計中遠程桌面顯示協(xié)議使用SPICE協(xié)議，以SPICE協(xié)議為基礎(chǔ)來規(guī)劃桌面虛擬化架構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成分為3個部分，即云終端模塊、HOST模塊和Broker中間件模塊，如圖2所示。

圖2 桌面虛擬化架構(gòu)模塊構(gòu)成圖

之所以使用這種模塊主要由以下幾種原因。

第一，SPICE協(xié)議模塊和桌面虛擬化環(huán)境結(jié)合更為密切，并且可以從Hypervisor中將顯示、輸入、輸出等設(shè)備直接映射到SPICE協(xié)議中；

第二，SPICE能夠用于在服務器、桌面計算機虛擬桌面中；

第三，SPICE能夠支持多種系統(tǒng)的虛擬機應用，如Red Hat Enterprise Linux和Windows 7等；

第四，從表1可以看出，SPICE協(xié)議的視頻顯示效果相對較好，所以可以支持在虛擬機中播放高清、超清視頻顯示；

第五，SPICE借助雙語音技術(shù)可以支持軟件撥號、IP電話等功能，同時雙向視頻技術(shù)還可以提供可視電話功能，并且不需要借助特殊硬件設(shè)備。

確定使用SPICE協(xié)議之后則需要進行在桌面虛擬化架構(gòu)整體設(shè)計。

桌面虛擬化架構(gòu)設(shè)計主要由云終端模塊、HOST模塊、Broker中間件模塊三個模塊構(gòu)成，從圖2可以看出，云終端模塊的構(gòu)成包含3個端口，即Broker Agent、云終端(終端用戶桌面端)配置和SPICE客戶端；Host模塊構(gòu)成則對應云終端模塊和Broker模塊，包括SPICE服務端、QEMU-KVM、Host Agent和Guest Agent 4個；Broker中間件模塊服務器包含的有服務器管理、虛擬機管理、數(shù)據(jù)庫管理、用戶和數(shù)據(jù)庫接口等多個模塊。其中，Broker中間件模塊是云終端模塊和Host端模塊中間的一個橋梁模塊端口，借助Broker中間件可以將云終端以及Host端口的虛擬機連成一體，而云終端和Broker中間件模塊間的通訊連接需要借助云終端的Broker Agent模塊實現(xiàn)。Broker Agent模塊通過訪問Broker中間件模塊中的云終端接口來實現(xiàn)兩個模塊的連接，同時通過這個流程云終端模塊可以從Broker中間件中獲取用戶的虛擬桌面信息，之后調(diào)用自身模塊中的SPICE客戶端與Host中的SPICE服務器進行通訊連接。另外，Broker中間件模塊會為Host模塊中的Host Agent端口提供Host Agent，從而來管理Host端虛擬機以及相對應的信息數(shù)據(jù)資源。

3.2 虛擬桌面服務器端功能

(1) QEMU-KVM虛擬機

KVM虛擬化管理模塊主要來自于Linux內(nèi)核，除此之外，Linux中還包括進程管理模塊、內(nèi)存管理模塊、中斷與異常情況處理模塊、文件系統(tǒng)管理模塊和設(shè)備管理模塊等。KVM主要指的是內(nèi)核模塊、處理器模塊兩個部分。前者主要提供核心虛擬化支持，后者主要有兩個模塊，分別是kvm-intel.ko和kvm-amd.ko，這兩個模塊分別為Intel和AMD處理器提供虛擬化技術(shù)支持。

KVM需要借助加在kvm.ko內(nèi)核模塊才能將Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)換成對應的Hypervisor，進而更易控制虛擬化進程，另外KVM還可以隨著Linux標準內(nèi)核的不斷升級獲取性能提升，例如調(diào)度程序的對應升級、內(nèi)存點持的對應升級等。同時虛擬機對應成為標準的Linux進程，所以也可以使用標準的Linux進程管理機制來進行管理。由于才做系統(tǒng)可以直接和KVM進行交互，故而在不同的場景模式下，都可以直接與硬件實現(xiàn)交互，并且不需要改變虛擬機操作系統(tǒng)。

相較于KVM而言，QEMU則是一種使用動態(tài)翻譯技術(shù)來實現(xiàn)快速指令的集層虛擬機，這種虛擬機可以支持整個計算機系統(tǒng)模擬，而KVM則是一種借助硬件虛擬化技術(shù)來代替QEMU的動態(tài)翻譯技術(shù)，兩者的結(jié)合可以實現(xiàn)Guest OS代碼直接使用硬件處理，大幅提升系統(tǒng)性能。

(2) SPICE服務端功能

SPICE主要是提供強化版的運程桌面體驗，作為一種桌面虛擬化框架主要的優(yōu)勢在于更多的以來KVM，兩者的密切結(jié)合使得這種服務端所提供內(nèi)容可以直接從模擬顯卡中獲取，并且性能會更優(yōu)于RDP類型的遠程桌面協(xié)議。

SPICE服務端的目的是提供質(zhì)量更高的遠程虛擬桌面訪問，所以用戶可以在單個服務器中借助QEMU運行兩個以上的Linux或Windows客戶端，然后在遠程電腦中顯示客戶端信息。另外為了支持基于SPICE協(xié)議的桌面虛擬化實現(xiàn)，SPICE還在QEMU中實現(xiàn)了QXL(即虛擬化顯示桌面設(shè)備驅(qū)動)，所以SPICE服務端所需要的鍵盤、鼠標、USB等設(shè)備驅(qū)動都可以直接使用QEMU設(shè)備驅(qū)動，并且可以在單個服務中運行多個客戶機操作系統(tǒng)，之后借助虛擬設(shè)備接口實現(xiàn)遠程客戶端信息顯示，同時每一個遠程桌面都會在KVM上運行。

實際上，SPICE協(xié)議主要是基于客戶端——服務器端的一種通訊協(xié)議，與遠程設(shè)備、圖形指令、鍵盤事件、視頻與音頻流等交互過程中所發(fā)出的數(shù)據(jù)信息設(shè)計安全認真、構(gòu)建連接、流量控制等多種控制。在服務器端口中，SPICE可以將應用軟件的邏輯執(zhí)行與用戶界面分離，同時借助標準的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將用戶界面?zhèn)魉偷娇蛻舳私缑?，用戶通過客戶端界面可以使用對應的接口，通過這個流程保證該應用邏輯執(zhí)行全部在服務器端實現(xiàn)。

由于SPICE協(xié)議是借助標準協(xié)議來傳遞鍵盤、鼠標等指令，所以帶寬需求相對較低，平均只需要20k左右的帶寬，較低的帶寬使用率和較高的傳輸效率可以保證32位應用在客戶端被高效率的訪問應用。

4 總結(jié)

總的來講，借助內(nèi)核虛擬機技術(shù)設(shè)計桌面虛擬化架構(gòu)能夠更好地繼承、部署相對應的技術(shù)應用領(lǐng)域，同時還可以按照不同用戶的不同需求做出對應的修改，桌面虛擬化的應用可以更好地解決桌面環(huán)境不夠靈活、資源無法充分使用、數(shù)據(jù)安全無法保全、PC硬件成本較高、系統(tǒng)難以管理等問題，最大限度地將用戶桌面環(huán)境和使用的終端設(shè)備松耦合，用戶則可以使用不同的終端設(shè)備借助網(wǎng)絡(luò)來訪問該桌面環(huán)境，為用戶提供更加個性化、干凈的全新桌面，提高用戶的使用體驗。