基于VPU加速的虛擬桌面客戶端設(shè)計?

余啟家 熊庭剛 張 宇

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

如今，隨著云計算需求和云上資源的日益增長，以設(shè)備為中心的傳統(tǒng)計算服務正慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩魹橹行牡姆眨?］。以用戶中心的服務是沒有深入專業(yè)知識的用戶也可以隨時隨地使用基于云計算資源的服務。由于不受設(shè)備和地點的局限，云資源可以讓大量用戶共享資源同時分擔成本，這樣一來，云資源提供商可以將基礎(chǔ)設(shè)施集中在低成本（如房地產(chǎn)，電力等）地區(qū)，用戶可以以較低成本獲得更高的極限負載能力。云資源還具有極大的靈活性，可以根據(jù)用戶需求自由地重新配置、添加或擴展基礎(chǔ)設(shè)施資源。

基于桌面虛擬化的VDI（Virtual Desktop Infra?structure，虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)）是云計算領(lǐng)域的領(lǐng)先服務，也是以桌面為中心的服務，托管通過網(wǎng)絡訪問的遠程服務器上的用戶桌面環(huán)境［2］。VDI是客戶端/服務器計算模型的變體，有時也稱為基于服務器的計算。眾所周知，VDI將虛擬桌面作為云環(huán)境中的服務提供給用戶，并使用戶能夠隨時隨地通過各種終端訪問其虛擬桌面［3］。VDI的通用組件是VDI客戶端，VDI服務器和VDI管理器，并且這些組件連接起來形成網(wǎng)絡服務［4］。

一般來說，為在VDI中使用虛擬桌面服務的客戶端提供豐富的用戶體驗非常重要。因此，許多提供像 Citrix［5］，VMware［6］，MS［7］這樣的 VDI解決方案的供應商都擁有自己的專有顯示協(xié)議。他們的協(xié)議一直在變得越來越好，所以每年都有很大的用戶體驗飛躍。近年來，顯示協(xié)議處理的不僅僅是顯示，所以用戶可以將音頻和視頻發(fā)送到遠程主機中的自己的虛擬桌面，并且?guī)缀蹩梢允褂萌魏位赨SB的外圍設(shè)備［8］。

在傳統(tǒng)虛擬桌面應用的場合中，往往更注重經(jīng)濟節(jié)能和對虛擬桌面的高效的管理，這種情況下往往會應用到瘦客戶機。然而，在一些特殊的場合中，信息安全卻被擺在首位，這正是由于虛擬桌面在安全和便利方面較傳統(tǒng)PC有著較大的優(yōu)勢。在這種情況下，往往還需要有更高的服務質(zhì)量（QoS）——加入GPU以改善虛擬桌面客戶機的顯示性能。

在本文中，我們在虛擬桌面客戶機中加入了VPU的支持，它為客戶機提供了更好的顯示畫面。此外，我們還對虛擬桌面顯示協(xié)議進行了針對性的改進，以提高虛擬桌面服務的質(zhì)量。

2 相關(guān)研究

桌面虛擬化將桌面計算機虛擬化，并將這些虛擬桌面環(huán)境提供給網(wǎng)絡上的用戶。桌面虛擬化基于服務器虛擬化，即將物理服務器劃分為更小的虛擬服務器，以幫助最大限度地提高服務器資源利用率，包括服務器中各個物理服務器，處理器和操作系統(tǒng)［9］。

VDI是桌面虛擬化的流行方法。VDI托管在集中或遠程服務器上運行的虛擬機（VM）中作為桌面環(huán)境的虛擬桌面。而且，用戶可以通過各種終端訪問分配給用戶的虛擬桌面。一般來說，VDI有三個組件：一個是用戶連接和用戶終端的VDI客戶端，一個存在用戶虛擬桌面的VDI服務器和一個管理虛擬桌面系統(tǒng)的VDI管理器。VDI服務器中的虛擬桌面通過網(wǎng)絡上的顯示協(xié)議傳輸?shù)接脩艚K端。這些組件連接起來形成網(wǎng)絡上的虛擬桌面服務。

像Citrix，VMware，MS這樣的VDI提供商擁有自己的專有顯示協(xié)議。例如，Citrix的XenDesktop采用了HDX（高清體驗）顯示協(xié)議，通過支持WAN（廣域網(wǎng)）上的VoIP，網(wǎng)絡攝像頭和基于3D的應用等高質(zhì)量音頻和視頻來改善用戶體驗［10］。VM?ware View通過采用Teradici的PCoIP（PC-over-IP）協(xié)議，其性能大大提高。此外，MS通過RemoteFX協(xié)議向用戶遠程交付虛擬桌面或遠程應用程序，該協(xié)議是MS的RDP（遠程桌面協(xié)議）［11］的一組協(xié)議。

圖1 VDI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于這些商用VDI提供商都用的是閉源協(xié)議，在使用及研究中有著諸多技術(shù)上的限制和交流上的不便，也無法自由地定制一些客制化的功能或優(yōu)化其性能，最關(guān)鍵的是存在未知的潛在安全隱患，我們最終選擇了開源的SPICE（Simple Protocol for Independent Computing Environment，獨立計算環(huán)境簡單協(xié)議）協(xié)議。它具有開源和可客制化改進的優(yōu)點，另外在信息安全越來越重要的今天，它也滿足了我們對于自主可控的要求。圖1顯示了基于SPICE協(xié)議的VDI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在本文中，我們設(shè)計并實現(xiàn)了基于VPU的虛擬桌面客戶機系統(tǒng)，為客戶機提供硬件解碼以獲得更好的顯示畫質(zhì)。并且針對性地對VPU的驅(qū)動進行了優(yōu)化，并分析了系統(tǒng)性能和實驗結(jié)果。

3 虛擬桌面客戶端設(shè)計

由于沒有VPU加速時客戶機解碼能力限制，只能在較低分辨率下有較好的幀數(shù)表現(xiàn)。為了減少帶寬消耗，我們又使用MJPEG壓縮算法將視頻流數(shù)據(jù)進行了壓縮，這會增加客戶機端的圖像渲染任務，這對客戶機的運算速度有了更高的要求。于是，我們給客戶機搭載了高解碼性能的VPU來接管圖像渲染任務，提高了客戶機的服務質(zhì)量。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

虛擬桌面客戶機的硬件總體設(shè)計采用異構(gòu)多核處理構(gòu)架，組成主要包括控制單元和圖形處理單元（Graphic Processing Unit，GPU）。其中圖形處理單元又包括視頻處理單元（Video Processing Unit，VPU）、外視頻模塊和后處理模塊這三個主要模塊。對外接口主要包括網(wǎng)絡接口、顯示輸出接口和控制輸入接口。虛擬桌面客戶機組成原理框圖如圖2所示。

圖2 虛擬桌面客戶機組成框圖

控制單元以低功耗嵌入式CPU為處理核心，完成設(shè)備系統(tǒng)管理及配置、任務分配、狀態(tài)監(jiān)控、后臺服務器控制命令接收與處理、雙冗余千兆網(wǎng)絡協(xié)議解析、虛擬桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議解析和鍵盤鼠標輸入處理等功能。

圖形處理單元包括視頻處理單元、外視頻模塊和后處理模塊，其中后處理模塊由色彩轉(zhuǎn)換模塊（CSC），2D模塊，硬件圖層模塊組成。視頻處理單元完成視頻流數(shù)據(jù)的接收和解碼處理，然后將YUV格式的視頻數(shù)據(jù)放入顯存，由后處理模塊完成接下來的色彩轉(zhuǎn)換、2D處理和硬件圖層渲染。

網(wǎng)絡接口提供了服務器和客戶機之間的信息交互通道，顯示輸出接口（如DVI接口、VGA接口和HDMI接口等）將解碼后的視頻數(shù)據(jù)輸出給顯示器，控制輸入接口一般是USB接口，接收鍵盤和鼠標等設(shè)備的輸入。

由于客戶機有了VPU的加速，從服務端發(fā)送過來的視頻流數(shù)據(jù)經(jīng)過硬件解碼，顯示效果有了很大的改善。VPU的加速過程同時也受到虛擬化協(xié)議中控制通道的控制，為了得到更好的顯示質(zhì)量，在本設(shè)計中還對VPU驅(qū)動進行了針對性的優(yōu)化。

3.2 虛擬化協(xié)議構(gòu)架

通常，虛擬桌面顯示協(xié)議是用于接收諸如顯示器，鍵盤和鼠標之類的遠程計算設(shè)備的輸入和控制以及通過網(wǎng)絡傳輸輸出的一組消息。該協(xié)議有多個通道，根據(jù)類型和角色進行分類［12］。

本設(shè)計中，SPICE協(xié)議根據(jù)桌面?zhèn)鬏攦?nèi)容來進行數(shù)據(jù)傳輸，如圖像、視頻、音頻播放和用戶輸入等數(shù)據(jù)，通過不同的抽象的“通道”對這些數(shù)據(jù)進行傳輸，使得SPICE協(xié)議能夠根據(jù)網(wǎng)絡的條件很容易地對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行控制，提供QoS（服務質(zhì)量）控制。

SPICE協(xié)議通過VDI（虛擬設(shè)備接口）直接與服務端虛擬設(shè)備進行交互，這使得SPICE可以直接、高效地使用服務器的硬件資源，同時也使得SPICE的實現(xiàn)獨立于虛擬機Guest OS（客戶操作系統(tǒng)）。圖3為SPICE協(xié)議結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 SPICE協(xié)議框圖

由于虛擬桌面上的視頻播放消耗的網(wǎng)絡帶寬比任何其他操作都要高，減少虛擬桌面中顯示通道的數(shù)據(jù)量是減小網(wǎng)絡帶寬消耗最有效的方法。

而有VPU加速支持的客戶機解碼能力有所提高，為了減小顯示通道數(shù)據(jù)的大小，我們將視頻數(shù)據(jù)進行了壓縮。在眾多視頻壓縮算法中，我們選擇了MJPEG算法，它有著幀內(nèi)壓縮和壓縮速度快的特點，可以顯著縮短服務端和客戶端的交互時間，很好的滿足了虛擬桌面服務的需求。

另外，為了根據(jù)用戶接入的網(wǎng)絡和計算環(huán)境提供適應性虛擬桌面服務，需要監(jiān)視服務器與用戶終端之間的網(wǎng)絡性能以及終端的計算能力。為了監(jiān)視這些，服務器和客戶端使用虛擬桌面代理來交換關(guān)于計算環(huán)境和資源的信息。代理的任務是負責傳輸終端資源的相關(guān)信息和虛擬桌面顯示的具體配置。

圖4 虛擬桌面系統(tǒng)與虛擬化協(xié)議的整合

如圖4所示，我們改變了虛擬化顯示協(xié)議的虛擬桌面系統(tǒng)架構(gòu)，并增加了三個控制模塊來改進該系統(tǒng)。這三個模塊如下：一個是客戶端查看器中的網(wǎng)絡狀態(tài)檢測，用于監(jiān)視網(wǎng)絡帶寬并將其傳輸?shù)娇刂仆ǖ?，另一個是客戶端中的編碼設(shè)置，用于設(shè)置視頻流的參數(shù)。另一種是在服務器中進行控制編碼，即選擇視頻編碼算法和基于網(wǎng)絡帶寬的視頻壓縮比。

4 測試

實驗是側(cè)重于客戶機的圍繞顯示性能的測試，客戶機使用的是由中船709研究所微電子中心所研制的第一代顯卡，表1給出了用于顯示性能分析的測試服務器和客戶機的硬件參數(shù)。

表1 測試中服務器與客戶機的硬件參數(shù)

由于桌面屏幕信號的數(shù)據(jù)大小大于任何其他接口信號，因此顯示通道使用的網(wǎng)絡帶寬要比為用戶提供虛擬桌面所需的其他通道多，同時客戶機主要的運算量也在于視頻解碼。

為了提高顯示質(zhì)量，通過VPU將軟解碼轉(zhuǎn)化為硬解碼，以加快解碼速度。另外，由于解碼性能的提高，可以將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行壓縮，將更多的渲染任務在客戶端完成，于是網(wǎng)絡帶寬和服務端負載得以降低。為了使研究更有針對性，接下來我們對硬解碼加速前后的虛擬桌面構(gòu)架進行了對比測試。

在這個實驗中，虛擬桌面服務器與客戶端之間的最大網(wǎng)絡帶寬約為923Mbps，我們根據(jù)虛擬桌面窗口分辨率，視頻播放器分辨率和視頻資源分辨率的變化對客戶端顯示幀數(shù)和消耗的網(wǎng)絡帶寬進行了分析。

表2顯示了將虛擬桌面提供給遠程客戶端時的幀數(shù)和網(wǎng)絡帶寬測量結(jié)果。視頻在虛擬桌面中播放，其大小為6Mbytes，分辨率為320×180。播放器分辨率為320×180。

表2 虛擬桌面分辨率對于幀數(shù)和網(wǎng)絡帶寬的影響

從表中可以看出，虛擬桌面操作系統(tǒng)的分辨率大小完全不會影響客戶端幀數(shù)和網(wǎng)絡帶寬。

表3顯示了虛擬桌面上視頻播放器分辨率變化帶來的顯示質(zhì)量和網(wǎng)絡帶寬變化的實驗結(jié)果。實驗中虛擬桌面分辨率是1920×1080，視頻資源的分辨率為640×360。

表3 播放器分辨率對于幀數(shù)和網(wǎng)絡帶寬得到影響

從表3可以看出，虛擬桌面中視頻播放器分辨率的改變對網(wǎng)絡帶寬消耗有著直接的影響。加速后網(wǎng)絡帶寬的平均消耗比加速前約減少40%。當播放器分辨率小于視頻分辨率時，加速前后網(wǎng)絡帶寬都與窗口大小成正比；當視頻播放器的分辨率大于或等于視頻分辨率時，網(wǎng)絡帶寬不再增加。

加速前客戶端顯示幀數(shù)隨著播放器分辨率增大而減??；加速后播放器分辨率對客戶端顯示幀數(shù)幾乎沒有影響。

表4給出了虛擬桌面視頻資源的分辨率對于幀數(shù)和網(wǎng)絡帶寬影響的實驗結(jié)果。實驗中虛擬桌面分辨率是1920×1080，視頻播放器的分辨率為1920×1080。

表4 視頻分辨率對于幀數(shù)和網(wǎng)絡帶寬的影響

我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡帶寬消耗隨著視頻分辨率的提升而增多，并且加速后的網(wǎng)絡帶寬消耗約降低一半。而視頻分辨率對加速前的客戶端幀數(shù)有一定影響，加速后的客戶端幀數(shù)則穩(wěn)定在22左右，由于客戶機有了VPU的支持，解碼性能還沒有達到瓶頸。

實際應用中，往往會出現(xiàn)顯示圖像抖動、撕裂的情況，其原因是多樣的。對于本系統(tǒng)來說往往是由于客戶機渲染速度不夠，客戶機CPU經(jīng)常處于滿負荷計算狀態(tài)，導致部分幀的延遲或丟失。對于要求嚴苛的使用環(huán)境，虛擬桌面系統(tǒng)的幀數(shù)必須保持穩(wěn)定，于是我們對客戶機進行了持續(xù)1分鐘的實時幀數(shù)測試。測試中虛擬桌面系統(tǒng)分辨率為1920×1080，視頻播放器分辨率為1920×1080，視頻分辨率是1280×720，結(jié)果如圖5。

圖5 實時性測試

從圖5顯示的結(jié)果可以看出，有VPU加速的情況下，客戶機的幀數(shù)非常穩(wěn)定；沒有VPU加速的客戶機幀數(shù)抖動比較大，偶爾會出現(xiàn)極低的幀率。

根據(jù)本文的實驗，經(jīng)過改進的虛擬桌面客戶機比改進之前的客戶機減少高達44%的網(wǎng)絡帶寬消耗，這是因為視頻流數(shù)據(jù)被用于減少網(wǎng)絡帶寬的壓縮算法壓縮了。這也意味著更多的渲染任務被轉(zhuǎn)移到了客戶機端，由于有了VPU的支持，客戶機的解碼能力得以增強，客戶端顯示幀數(shù)相比沒有VPU的客戶機提高了高達400%。

5 結(jié)論

本文中，我們先改進了虛擬化協(xié)議，使用壓縮算法將視頻流數(shù)據(jù)進行壓縮，降低了單個客戶機的帶寬消耗，從而使每個服務器能給更多的客戶機提供虛擬桌面服務，同時也降低了客戶機對CPU的性能要求。然后使用高性能VPU提升客戶機的解碼能力，使客戶端的顯示畫面能夠穩(wěn)定在較高的幀數(shù)，從而提供更好的服務質(zhì)量。

試驗結(jié)果表明，與沒改進的協(xié)議相比帶寬減少了高達44%，客戶端顯示幀數(shù)提升了高達400%。

目前，我們正在研究如何合理的將虛擬桌面進行分割，使用更高效的算法，對每一幀畫面分塊壓縮和傳輸，并在客戶機端正確的“組裝”起來。這樣做帶來的好處是，可以有目的性的單獨控制每個塊的顯示質(zhì)量，比如提高文本區(qū)的顯示質(zhì)量、降低非關(guān)鍵區(qū)的刷新幀數(shù)或畫面細膩程度、使具有高刷新率的動態(tài)區(qū)域變得模糊等等，可以在提高服務質(zhì)量的同時，進一步降低網(wǎng)絡帶寬需求。