SPICE桌面協(xié)議的研究與優(yōu)化

楊聲遠(yuǎn)　吳朋朋　雍文龍

關(guān)鍵詞：云桌面；SPICE桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議；USB重定向；USBRedir 技術(shù)；丟幀算法

中圖分類號：TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8228（2023）11-108-04

0 引言

由于線上辦公成了常態(tài)，所以無論是企業(yè)還是個(gè)人，對云桌面的需求大大增加。云桌面可以在很大程度上解決一些企業(yè)和個(gè)人對于計(jì)算機(jī)性能的需求，云桌面可以節(jié)省企業(yè)運(yùn)行成本。隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展、硬件設(shè)備性能的增強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的升級，云桌面技術(shù)[1]也在企業(yè)中有了較強(qiáng)的認(rèn)可度。云桌面主要有如下幾個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)。

⑴ 計(jì)算和存儲(chǔ)的集約化：在云桌面的服務(wù)器端只需要較弱的計(jì)算性能和存儲(chǔ)性能即可，將本地處理的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。

⑵ 計(jì)算資源的共享化：根據(jù)所需性能進(jìn)行分配算力，可以錯(cuò)峰填谷，應(yīng)對不同時(shí)段的計(jì)算需求。

⑶ 云數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理調(diào)度：對算力和數(shù)據(jù)進(jìn)行同一調(diào)度來實(shí)現(xiàn)高效利用資源等。

同時(shí)，云桌面還具有接入便利，節(jié)能減排，安全性高的強(qiáng)大優(yōu)勢。

1 背景介紹

由于虛擬化桌面[2]的應(yīng)用場景多，各家廠商都相繼推出自家廠商的云桌面協(xié)議以提供完整化的云桌面解決方案，主要包括Citrix的ICA、VMware的PCoIP、Microsoft 的RDP（Window 自帶的遠(yuǎn)程桌面所使用的協(xié)議）、Red Hat 的SPICE 等。這幾種協(xié)議各有其優(yōu)缺點(diǎn)，而SPICE 協(xié)議相對其他協(xié)議有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

⑴ 傳輸時(shí)使用的TCP協(xié)議安全性較高且不易丟幀；

⑵ 對圖像傳輸有自適應(yīng)能力，圖像展示的體驗(yàn)較好；

⑶ 因?yàn)槠溟_源的特性使用成本相較于其他協(xié)議較低；

⑷ 因?yàn)橛?jì)算過程都放在的服務(wù)端上所以對CPU性能的要求較低。

當(dāng)然也有對視頻的支持較差、服務(wù)器響應(yīng)延遲等缺點(diǎn)。

綜上所述，對于企業(yè)來說使用SPICE 由于其開源的特性，使用成本相較于其他協(xié)議較低，在如今的線上辦公來說具有較高的性價(jià)比。但由于SPICE 的一些局限性包括不支持3D 顯示等，對于具體的應(yīng)用還應(yīng)該做具體分析。

2 SPICE 基礎(chǔ)框架

SPICE 虛擬化桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議基本可以劃分為四部分：SPICE protocol、SPICE Cliennt、SPICE Server 和SPICE Guest。SPICE protocol 主要充當(dāng)其他三部分之間交互的規(guī)范[3]；

SIPCE 協(xié)議的基礎(chǔ)框架示意圖如圖1 所示。下面詳細(xì)介紹一下SPICE 服務(wù)端與客戶端的基本架構(gòu)。

2.1 客戶端架構(gòu)

在SPICE Client 中Application 是程序的開始類，Application 類最先接收到SPICE Server 發(fā)送的命令，然后對不同的命令分別創(chuàng)建SPICE 連接的主要類RedClient、Red Screen 和Monior。在Application 類中還需要允許主消息循環(huán)來進(jìn)行連接、斷開、錯(cuò)誤以及I/O 等事件的處理。

客戶端架構(gòu)示意圖如圖2 所示。

在SPICE Client 中RedClient 是整個(gè)SPICE 協(xié)議在客戶端實(shí)現(xiàn)的主體，在協(xié)議中也被稱為Main Channel，它擁有所有其他的實(shí)例化通道，并且可以控制他們（創(chuàng)建，連接，斷開等），并且處理控制，配置和遷徙。所有的Channel 都是依次從RedPeer、RedChannelBase 和RedChannel 基礎(chǔ)而來，在這一過程中每一層都擔(dān)任著各不相同的作用。通道的網(wǎng)絡(luò)連接管理[4]主要依賴RedPeer，其通過將套接字操作進(jìn)行封裝來完成加密或不加密的網(wǎng)絡(luò)鏈路控制[5]，為所有的服務(wù)提供基礎(chǔ)保障；RedChannelBase 是在網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)上進(jìn)行服務(wù)端與客戶端的協(xié)議協(xié)商和驗(yàn)證以正式建立SPICE 功能連接[6]；RedChannel 是在SPICE 連接完全建立后處理所有通道的共同事件。RedScreen 是客戶端中屏幕內(nèi)容渲染、顯示和控制相關(guān)的類。RedScreen 通過ScreenLayer 將屏幕按照z 軸方向進(jìn)行分層，根據(jù)不同的顯示層來渲染對應(yīng)的畫面；通過RedWindow 類來負(fù)責(zé)各種窗體的渲染和狀態(tài)控制。RedWindow_p-平臺(tái)特定的窗口數(shù)據(jù)和方法。RedWidow-繼承RedDrawable和RedWindow_p?；敬翱跔顟B(tài)和功能的跨平臺(tái)實(shí)現(xiàn)（例如，顯示、隱藏、移動(dòng)、最小化、設(shè)置標(biāo)題、設(shè)置光標(biāo)等）。

2.2 服務(wù)端架構(gòu)

SPICE Server 沒有圖形化界面，通過GObject 面向?qū)ο缶帉?，與客戶端最大的不同在于，其是作為一個(gè)為libspice 庫提供使用而非一個(gè)可以獨(dú)自運(yùn)行的程序。libspice 在服務(wù)端非常依賴于虛擬化軟件[7]，常用的是QEMU。Server 自身用來監(jiān)聽客戶端的連接請求，接受連接并使用它們通信。其中，SPICE 服務(wù)器基于libspice（一個(gè)虛擬設(shè)備接口可插拔庫）。VDI 提供了一個(gè)通過軟件組件來發(fā)布虛擬設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)方式，使得軟件組件能夠與虛擬設(shè)備（QEMU）交互。

服務(wù)端架構(gòu)示意圖如圖3 所示。

QEMU 是底層虛擬化軟件的一種，在QEMU 提供了虛擬的QXL 接口與I/O 接口。在QEMU 上運(yùn)行虛擬機(jī)操作系統(tǒng)時(shí)，分別通過代理接口、輸入接口和音頻接口（放音與收音）完成MainChannel、InputsChannel、RecordChannel 通道和PlaybackChannel 通道的建立。圖形設(shè)備接口的封裝調(diào)用通過使用QXL 驅(qū)動(dòng)，便于顯示通道與游標(biāo)通道進(jìn)行相關(guān)操作。Red Dispatcher負(fù)責(zé)與QXL 驅(qū)動(dòng)接口。

3 SPICE 優(yōu)化分析與實(shí)現(xiàn)

針對SPICE 存在問題的分析提出以下幾種優(yōu)化方案：

3.1 USB 重定向方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

USB 重定向設(shè)備是在位于Server 端的虛擬USB設(shè)備與位于用戶終端的物理設(shè)備之間建立連接，是在應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)，通過在虛擬機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)虛擬的USB外設(shè)驅(qū)動(dòng)[8]，來使應(yīng)用程序獲得數(shù)據(jù)，并重定向USB 設(shè)備的URB 請求及應(yīng)答重。

USB 重定向主要基于SPICE 桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議和USBRedir 技術(shù)。USB 重定向基于SPICE Server 和Client spice-gtk 實(shí)現(xiàn)。Guest 端、SPICE Client 和Server。對由Guest 端發(fā)出USB 設(shè)備的控制請求和讀寫請求，并將請求協(xié)議分組。

USB 重定向的處理流程及實(shí)現(xiàn)過程如圖4 所示。

下面以USB 設(shè)備的讀請求為例解釋USB 重定向過程。以讀請求為例的USB 重定向處理時(shí)序過程如圖5 所示。

3.2 視頻性能優(yōu)化與改進(jìn)

視頻傳輸?shù)牧鲿扯燃扒逦纫彩且彩怯绊懹脩趔w驗(yàn)感的重要元素之一，SPICE 協(xié)議采取傳統(tǒng)的直接對靜態(tài)圖像進(jìn)行壓縮，而沒有考慮視頻在一定幀數(shù)區(qū)間是沒有發(fā)生任何變化的，從而大大加大了SPICE 服務(wù)端的壓力。所以，在用戶使用過程中，在帶寬不是較好的情況下，視頻傳輸效果較差，極易出現(xiàn)延遲或嚴(yán)重丟幀的現(xiàn)象。本文大致采用改善丟幀算法的方法來減少服務(wù)端的CPU 壓力，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)情況，采取不同的丟幀策略，從而達(dá)到較為流暢的視頻播放效果。視頻優(yōu)化原理如圖6 所示。

首先優(yōu)化丟幀算法[9]，然后在SPICE Server 端增加了RedStream_Bandwidth 函數(shù)，其表示當(dāng)前視頻流占用帶寬情況，丟幀算法根據(jù)當(dāng)前帶寬占比情況，選擇最為合適的丟幀策略。將優(yōu)化的丟幀算法與RedStream_Bandwidth 函數(shù)[10]進(jìn)行結(jié)合，顯著的提高了SPICE 協(xié)議視頻傳輸性能，大大地減少了虛擬桌面在視頻播放中的延遲和丟幀現(xiàn)象。視頻流占用帶寬比，其值的變化范圍是[0，1]。在SPICE 協(xié)議中，該比值是一個(gè)不變的值，不能根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)帶寬情況進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。當(dāng)視頻流沒有丟幀率，而其他板塊需要帶寬的情況下，就可以適當(dāng)?shù)脑黾觼G幀率[11]，從而達(dá)到整體的流暢度，使用戶獲得一個(gè)較好的體驗(yàn)感，也有利于網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用。

丟幀率的計(jì)算是：統(tǒng)計(jì)服務(wù)端發(fā)送過來的幀數(shù)和客戶端的實(shí)際接收幀數(shù)，當(dāng)服務(wù)端幀數(shù)一定的情況下，只有增加客戶端的實(shí)際接收幀數(shù)，減少客戶端的丟幀數(shù)，才可以達(dá)到減少視頻丟幀率的目的。將丟幀率與視頻流占用帶寬的比例因子相互結(jié)合，設(shè)定兩個(gè)合理的丟幀率界限。如果當(dāng)前丟幀率大于設(shè)定值，就要在不影響其他應(yīng)用程序的情況下合理地傾斜網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用，從而達(dá)到視頻流暢的播放。如果當(dāng)前丟幀率小于設(shè)定值，需要降低視頻流的網(wǎng)絡(luò)帶寬使用，合理的增加丟幀率，將網(wǎng)絡(luò)帶寬分配給其他用戶從而達(dá)到整體的運(yùn)行流暢使得用戶獲得較好的使用體驗(yàn)。

3.3 建立客戶端性能評估機(jī)制

目前，SPICE 采用的瘦客戶機(jī)機(jī)制[12]可以有效降低使用門檻，對個(gè)人PC 的要求極低。然而，隨著時(shí)代的發(fā)展，個(gè)人PC 性能逐漸提高。如果考慮使用云桌面來辦公，那么個(gè)人PC 的性能就無法被充分利用了。隨著用戶對流暢度的要求越來越高，對傳輸性能的要求也越來越苛刻。為了解決這個(gè)問題，可以建立客戶端性能評估機(jī)制，以利用那些性能較高的客戶端的計(jì)算和存儲(chǔ)性能，提高傳輸性能。而對于性能不足的客戶端，仍然采用原方案，這樣可以有效地提升傳輸性能，同時(shí)提高用戶體驗(yàn)。這種方法既可以充分利用性能較高的計(jì)算機(jī)，又可以避免由于性能不足而導(dǎo)致的用戶體驗(yàn)下降。在未來，這種方法將變得越來越重要。

對于性能評估較高的客戶端，主要采取以下幾個(gè)措施以利用其優(yōu)勢。

⑴ 客戶端將服務(wù)端傳輸過的頁面進(jìn)行緩存。通過頁面緩存可以實(shí)現(xiàn)對頁面的拖動(dòng)占用較小的帶寬。

⑵ 圖像渲染由客戶端承擔(dān)部分。對于需要滾動(dòng)顯示的長界面，平移等渲染任務(wù)可以交由客戶端處理進(jìn)一步提升傳輸性能。

具體方案如圖7 所示：

由Monitor 檢查設(shè)備性能由Decider 決定是否啟用客戶端的緩存模塊并決定是由服務(wù)端單獨(dú)執(zhí)行渲染任務(wù)后傳給客戶端顯示還是，由服務(wù)端和客戶端分別執(zhí)行一部分渲染操作。并最終進(jìn)入Display Module來進(jìn)一步處理。

4 結(jié)束語

本文通過簡單介紹云桌面原理和主流桌面協(xié)議，重點(diǎn)分析了SPICE 協(xié)議框架的客戶端和服務(wù)端框架。同時(shí)，針對用戶在使用過程中可能遇到的播放視頻時(shí)的延遲、丟幀和USB 設(shè)備無法重定向等問題，提供了一些關(guān)鍵的原理技術(shù)，如USB 設(shè)備虛擬化框架、虛擬多通道技術(shù)和USBRedir 技術(shù)，并給出了相應(yīng)的解決方案。

值得注意的是，本文在解決視頻卡頓或嚴(yán)重丟幀問題時(shí)，優(yōu)化了SPICE 協(xié)議的丟幀算法，為提供更流暢的視頻播放體驗(yàn)做出了重要貢獻(xiàn)。通過本文的研究，我們可以更加深入地了解云桌面技術(shù)及其相關(guān)協(xié)議，并掌握一些關(guān)鍵的技術(shù)和解決方案，這對于企業(yè)的IT部門和云服務(wù)提供商都有著重要的指導(dǎo)意義。

總之，云桌面技術(shù)作為云計(jì)算的重要應(yīng)用之一，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場需求。通過本文的研究，我們可以更加深入地了解其相關(guān)協(xié)議和關(guān)鍵技術(shù)，為提供更好的用戶體驗(yàn)和解決實(shí)際問題提供了有力支持。我們期待在未來的研究中，能夠進(jìn)一步深化云桌面技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的云服務(wù)體驗(yàn)。