基于分類云計算的計算機機房交互式應(yīng)用

摘要：文章提出了一種具有分類云計算的新型計算機機房交互式應(yīng)用？客戶端只是一個顯示屏加上一些人機界面設(shè)備，如鼠標鍵盤組或帶有可選移動存儲設(shè)備的觸摸屏客戶端通過低延遲連接到遠程或附近的服務(wù)器鏈接主要轉(zhuǎn)移后分類云計算顯示屏幕和HID數(shù)據(jù)通過遵循完全相同的最高效CPU-分類云計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)計算機圖形架構(gòu)中開發(fā)和優(yōu)化的那樣，該架構(gòu)具有比任何其他計算機機房交互式模式更高的圖形和多媒體性能，例如，VNC，遠程桌面，VDI，Zeroclient和PCoIP不需要回讀幀緩沖區(qū)，因為虛擬屏幕是必需的，所以沒有發(fā)生CPU/分類云計算開銷并最小化顯示延遲。

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

中圖分類號：TP39

文獻標識碼：A

文章編號：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/分類云計算和普及的云計算技術(shù)的出現(xiàn)使計算機行業(yè)和社會成為計算歷史和未來的轉(zhuǎn)折點[1-2]。大多數(shù)計算機用戶，包括相當一些用戶做精密科學或工程工作通常只需要多核CPU，分類云計算提供的一小部分計算能力。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，為大量計算機用戶提供了一種完全，輕松，自然地利用的終極方式多核CPU/分類云計算的并行計算能力是在用戶級實現(xiàn)并行性，即讓許多（包括移動）用戶共享一個或多個多核CPU/分類云計算的主機平臺[6-8]。文章分析了完整的CPU-分類云計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糜嬎銠C系統(tǒng)中的最終實際屏幕像素顯示[9-10]。提出了1個分類云計算計算機機房交互式的性能和瓶頸分析，并將所有計算機機房交互式分為3種方法。在將用戶與主機分離時，我們表明最低總體帶寬要求的方法是后交互式方法，適當命名云計算屏幕計算架構(gòu)。

1分類云計算

就圖形和多媒體處理流程而言，主流計算機，無論大小，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（服務(wù)器）分離的可能方法[11-12]。首先是外圍總線（例如PCIe）和分類云計算之間的分類云計算前接口。第2是FB（幀緩沖）接口，它基本上將分類云計算分為2個部分：

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，圖形與視頻的alpha混合以實現(xiàn)半透明效果，空間/時間抖動以提供高深度（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，這是分類云計算的“顯示屏刷新”部分。

子幀，幀緩沖區(qū)比以前復雜得多，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)，硬件光標緩沖區(qū)，多個紋理貼圖緩沖區(qū)等。第3個位置是分類云計算和視頻輸出之間的分類云計算后接口（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/分類云計算具有足夠的計算和處理能力，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)和用戶體驗都受到帶寬瓶頸和主機-用戶鏈路延遲的限制。在交互式方法中，用戶設(shè)備主要是連接到遠程主機的LCD屏幕，主機對用戶是隱藏的。

今天的大多數(shù)計算機應(yīng)用程序都是基于GUI的交互式應(yīng)用程序。因此，任何計算平臺中最重要的性能指標之一就是每個用戶輸入事件的交互式GUI響應(yīng)時間。例如，當用戶按下鼠標按鈕時，他們期望彈出菜單立即顯示;在縮放窗口時，他們希望屏幕上的橡皮筋能夠順暢而精確地跟隨鼠標;在繪圖中，他們希望屏幕上的曲線能夠無滯后地跟蹤鼠標移動。因此，令人滿意的交互式GUI響應(yīng)時間是必須的，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)時間應(yīng)用程序取決于計算機系統(tǒng)配置，主要是CPU速度，分類云計算速度，內(nèi)存帶寬，硬盤帶寬以及操作系統(tǒng)。

2基于分類云計算的計算機機房交互式方法

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）和每個宏塊的大小如圖2（a）所示，將16x16像素同時饋入兩個編碼器。一個編碼器是不連續(xù)色調(diào)內(nèi)容導向的字典-熵編碼工具鏈，另一個編碼器是連續(xù)色調(diào)內(nèi)容導向的混合編碼工具鏈。2個編碼器對宏塊進行編碼同時將編碼結(jié)果發(fā)送到基于額定失真（R-D）成本函數(shù)的選擇器。選擇器計算2個編碼器的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。

對于混合編碼器，通過計算R-D成本函數(shù)：

（1）

其中Dhybrid和Rhybrid分別是使用混合編碼器對宏塊進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）。對于字典熵編碼器，沒有損失，所以R-D成本函數(shù)的計算方法是：

（2）

其中Rdict是使用字典一熵編碼器對宏塊進行編碼的總比特。成本比率Jhybrid/Jdict（<1或≥1）確定選擇哪個編碼器來編碼宏塊。對于給定的屏幕圖片，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圖來可視化編碼器選擇分布并且評估兩個程序員的效率。

3計算機機房交互式應(yīng)用實驗

計算機機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-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，由于計算機屏幕作為圖像序列的顯著冗余，SCC可以非常即使采用當今可用的技術(shù)（Lu等人2011），也可以輕松實現(xiàn)100：1的壓縮比，而對于攝影圖片和視頻，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30個用戶，要求屏幕分辨率為1920x1200的分類云計算。企業(yè)中的100Kbps網(wǎng)絡(luò)最多可支持3000個此類用戶。WiFi環(huán)境（480Mbps）可以支持10個這樣的用戶加上20個上網(wǎng)本/平板電腦或40位高端智能手機屏幕解析用戶。即使是典型的真實3G鏈路（IMbps）也有足夠的帶寬來支持低端智能手機用戶的繪制精致的3D圖形。

實際網(wǎng)絡(luò)往返時間（rtt）在很大程度上取決于數(shù)據(jù)包在其路徑上經(jīng)過的跳數(shù)和每跳延遲。我們在3種常見和實際情況下進行了大量實驗來測量rtt;①在公共FTTH/FTTP（光纖到家庭/場所）內(nèi)地理距離最遠300km的網(wǎng)絡(luò);②城域多站點企業(yè)網(wǎng)絡(luò);③通過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'命令測量所有rtt值。

圖3是通過公眾間隔80km的兩個城市之間的主機-用戶鏈路的rtt測量圖中國電信運營的FTTH/FTTP網(wǎng)絡(luò)。該圖的水平x軸是采樣時間，格式為天：h：min，例如01：16：20=第1天下午4：20的采樣時間.Y軸是rtt，以ms為單位。測量時間為2周（14d）每5min采樣一次，因此實驗總共需要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%）個樣本的rtt在11-20ms的范圍內(nèi)。總體而言，99.974%的樣品具有20ms或更短的rtt。

圖4是通過中國電信運營的公共FTTH/FTTP網(wǎng)絡(luò)，相隔300km的兩個城市之間的主機-用戶鏈路的rtt測量圖。測量是在每5min取樣2周（14d）期間進行的，因此實驗總共需要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。

這些實驗數(shù)據(jù)表明，即使在當前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，也實施了分類云在城域多站點企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，具有清晰的交互式系統(tǒng)響應(yīng)時間和分類云計算的計算架構(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)，并表明云計算屏幕計算是可行的即使主機和用戶相距300km。隨著提高交互式QoS的需求驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)和路由技術(shù)的進步，云計算屏幕計算架構(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

文章使用分類云計算分析了計算機機房交互式的圖形和多媒體性能以及瓶頸，并提出了普適計算的最佳云屏架構(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單設(shè)備主要由監(jiān)視器和帶有可選移動存儲的HID組成。屏幕不是虛擬屏幕，而是真實屏幕，就像本地連接到計算機的屏幕一樣。關(guān)于云計算屏幕計算的未來工作包括在主機一用戶鏈接的SCC中實現(xiàn)冪等，以進一步提高圖像質(zhì)量，增加更多本地HID和I/O支持。

參考文獻

[1]沈興山.云計算在機房建設(shè)中的應(yīng)用[J].電腦編程技巧與維護，2015（15）：73-74.

[2]陳慧芬，盧慶武.云計算在高校機房管理中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2013，32（7）：213-216.

[3]陳勝凱，劉軍.基于云計算的計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬化實驗設(shè)計[J].計算機時代，2018，314（08）：89-91.

[4]姚燦輝.云計算技術(shù)在高校機房實驗室管理中的應(yīng)用[J].信息通信，2014（11）：171-171.

[5] Shneiderman， & Ben.Revisiting the astonishinggrowth of human-computer interaction research[J].Com-puter，2017，50（10）， 8-11.

[6]GJuler，M，&Irmak， E.Design， implementation， andverification of computer interactive parallel connectionsystem with load-sharing control for synchronous genera-tors[J].Electrical Engineering，2016，15（11）：1-23.

[7]張嶺松.高職院校機房維護技術(shù)及云計算應(yīng)用模式探析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（4）：209—210.

[8]Li，K.，Tiwari，A.，Alcock，J.，et al.Categorisation of vi-sualisation methods to support the design of human-computer lntemction systems[J].Applied Ergonomics，2016：55.85-107.

[9]Harder，A.M.D.，F(xiàn)rijlingh，M.，Cecile J.Raveslo（）t，et al.The importance of human-computer interaction in mdi-ology e-leaming[J].Journal of Digital Imaging，2016;29（2），195-205.

[10]于健，高潔，趙滿坤，等.云計算在高校計算機實驗室的研究與應(yīng)用[J].實驗室科學，2叭8，106（2）102—107.

[11]Velloso，E.，Schmidt，D.，Alexander，J.，et al.Thefeet in human--computer lnteraction[J].ACM CoⅡ1putingSurveys，2015，48（2），1—35.

[12]王佳慧，劉川意，王國峰，等.基于可驗證計算的可信云計算研究[J].計算機學報，2016，39（2）：286-304.

收稿日期：2020-03-10

作者簡介：王斌（1975-），男，陜西商州人，工學學士，工程師，主要從事實驗室信息建設(shè)與管理。