虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算在應(yīng)用程序共享中的應(yīng)用研究

劉勝輝 ，舒友村

(1.哈爾濱理工大學(xué) 軟件學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，瘦客戶計(jì)算技術(shù)在遠(yuǎn)程共享等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的地位變得越來越重要。這種瘦客戶計(jì)算體系架構(gòu)將大量復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)保留在服務(wù)器端，客戶端則不進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，只是簡單維護(hù)客戶端和服務(wù)器端的狀態(tài)交互，例如鍵盤輸入、鼠標(biāo)點(diǎn)擊等，同時(shí)負(fù)責(zé)將服務(wù)器端的桌面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來。應(yīng)用程序共享使地理位置分散的用戶通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的連接共享某一應(yīng)用程序，在互聯(lián)網(wǎng)辦公、遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)、遠(yuǎn)程協(xié)助等方面有著不可替代的作用，具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前景。

虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算VNC[1](Virtual Network Computing)是由AT&T劍橋研發(fā)中心研發(fā)的一種瘦客戶計(jì)算[2]體系，是一個(gè)強(qiáng)大的遠(yuǎn)程桌面共享工具，能夠讓多個(gè)客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)查看服務(wù)器端實(shí)時(shí)桌面狀況并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。本文首先分析了低速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下VNC在遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)，并提出了一種在低速網(wǎng)絡(luò)下利用VNC實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序共享的解決方案。

1 VNC協(xié)議特點(diǎn)

VNC由VNC Server和VNC Client兩部分組成。VNC Server產(chǎn)生本地顯示，通過VNC協(xié)議實(shí)現(xiàn)VNC Server和VNC Client之間的通信。VNC協(xié)議中實(shí)現(xiàn)了一種遠(yuǎn)程圖形用戶界面訪問協(xié)議RFB[2](RemoteFrame Buffer)協(xié)議，RFB協(xié)議是基于幀緩存(Frame Buffer)層級，因此適用于所有操作系統(tǒng)平臺(tái)及應(yīng)用，例如X Windows、MS Windows和 Macintosh等。VNC在 TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上通過一個(gè)簡單的圖形界面?zhèn)鬏攨f(xié)議實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程客戶端上顯示服務(wù)器端的桌面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

協(xié)議的顯示方面是基于一個(gè)很簡單的原理，即將一個(gè)矩形區(qū)域的像素點(diǎn)放置在一個(gè)特定的位置上。通過采用不同的圖像編碼方法，可以在傳輸速度、圖像質(zhì)量、服務(wù)器處理速度、終端顯示速度和網(wǎng)絡(luò)帶寬之間達(dá)到平衡。通過每次的窗口更新，可以得到最新的窗口內(nèi)容。在某些方面，這看上去更像是一種視頻圖像流。每次窗口更新的消息是通過客戶端發(fā)送給服務(wù)器端的，每接收到一個(gè)消息，服務(wù)器端對其發(fā)生響應(yīng)，這樣就使得協(xié)議本身可以控制自己的刷新速度。如果客戶端或者由于網(wǎng)絡(luò)的原因比較慢，同樣地刷新率也會(huì)比較低，這樣可以完成速度的自適應(yīng)。

輸入?yún)f(xié)議是基于標(biāo)準(zhǔn)工作站的鍵盤響應(yīng)消息和鼠標(biāo)設(shè)備的。當(dāng)客戶端接收到這些輸入消息后，被簡單地以事件形式傳送給服務(wù)器端，并產(chǎn)生對應(yīng)的動(dòng)作。

2 VNC在低帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中應(yīng)用存在的問題

在大規(guī)模視頻會(huì)議中，當(dāng)需要對其中一個(gè)會(huì)議成員的桌面或者某個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)行共享時(shí)，此時(shí)VNC服務(wù)器的計(jì)算性能和網(wǎng)絡(luò)接入的條件都比較差，這樣就對共享機(jī)制提出了很高的要求，其必須具備高效、延時(shí)小，又要求架構(gòu)輕盈、占系統(tǒng)資源少、節(jié)省帶寬等性能。由于在國外網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠，采用VNC機(jī)制的多點(diǎn)應(yīng)用程序共享能夠流暢地運(yùn)行，但在國內(nèi)目前低帶寬的網(wǎng)絡(luò)條件下，VNC機(jī)制采用的是星型直連結(jié)構(gòu)，如果直接采用VNC默認(rèn)的星型直連機(jī)制，在多點(diǎn)遠(yuǎn)程視頻會(huì)議中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序共享會(huì)很困難，VNC Server與各 VNC Client以直連方式進(jìn)行通信，此種情況下由于VNC Server端的出口帶寬受到限制，VNC Server端的數(shù)據(jù)發(fā)送壓力會(huì)呈線性增長，在2 MHz的ADSL出口帶寬條件下，當(dāng)會(huì)議成員達(dá)到10個(gè)后，將導(dǎo)致嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞，致使應(yīng)用程序共享實(shí)時(shí)性大大降低，因而其不具備在遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)中的實(shí)際可用性。

3 VNC共享機(jī)制改進(jìn)方案

3.1 VNC共享通信機(jī)制

VNC機(jī)制默認(rèn)采用直連的方式同VNC Client通信，本文將提出一種新的實(shí)現(xiàn)方案，通過在遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)[4]中采用中轉(zhuǎn)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)模式實(shí)現(xiàn)共享，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。此時(shí)VNC Server端只需上傳數(shù)據(jù)給中轉(zhuǎn)服務(wù)器，VNC Client只與中轉(zhuǎn)服務(wù)器建立連接，由中轉(zhuǎn)服務(wù)器向每個(gè)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，通常中轉(zhuǎn)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)出口帶寬都比較大，因此網(wǎng)絡(luò)帶寬不會(huì)成為性能瓶頸。這樣就大大減輕了VNC Server端的網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，在應(yīng)用程序共享時(shí)系統(tǒng)的反應(yīng)速度也將得到提升。

3.2 屏幕變化檢測算法

屏幕變化檢測算法性能的好壞將直接影響到VNC Server端發(fā)送的數(shù)據(jù)量，一種高效的屏幕檢測算法將大大降低傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)效果。VNC默認(rèn)的屏幕變化檢測機(jī)制是通過消息鉤子機(jī)制獲取區(qū)域的坐標(biāo)信息后，再將坐標(biāo)區(qū)域的屏幕像素?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給各VNC Client。此檢測方法使得大量沒有發(fā)生改變的屏幕數(shù)據(jù)也被發(fā)送，增加了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)量，在低速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，影響系統(tǒng)的性能。因此，本文在此基礎(chǔ)上提出了一種新的屏幕變化區(qū)域檢測算法。

VNC機(jī)制通過采用消息鉤子機(jī)制截獲系統(tǒng)屏幕重繪區(qū)域信息，將得到的區(qū)域拆分成一個(gè)矩形鏈表(遍歷鏈表)來存儲(chǔ)區(qū)域坐標(biāo)信息，記為array_list，定義一個(gè)變化區(qū)域記為vnc_rgn，專門保存需要重新發(fā)送的區(qū)域位置信息，對array_list每個(gè)成員矩形調(diào)用此檢測算法進(jìn)行變化區(qū)域檢測。具體的算法流程圖如圖2所示。

圖2 檢測算法流程圖

(1)假設(shè)其中一個(gè)成員矩形為 arri，如果 arri的長寬都小于32×32，則直接作為需重新發(fā)送的變化區(qū)域，保存到vnc_rgn中，否則對arri進(jìn)行分析檢測。

(2)首 先 定 義 一 個(gè) 新 的 矩 形 arrj(arri.left，0，arri.right，0)，在arr中找到發(fā)生變化的行，記錄該行的 y坐標(biāo)，記arrj.top=y，同時(shí)y+=16遞增找到未發(fā)生變化行，暫時(shí)記arrj.bottom=y；然后從arrj底部 y-=1進(jìn)行比較，尋找內(nèi)容發(fā)生變化的行，找到后將此行的y坐標(biāo)設(shè)置成arrj.bottom=y。至此確定了變化矩形arrj的最終的top、bottom坐標(biāo)。同時(shí)將 arri的值設(shè)為 arri(arri.left，arrj.bottom，arri.right，arri.bottom)。在對arrj分析完畢后接著對arri遍歷分析直至結(jié)束。

(3)確定矩形 arrj后，對矩形 arrj進(jìn)行分析。首先定義一個(gè)矩形 arrn(0，0，0，0)，在 arrj中尋找最先發(fā)生改變的列，找到后記錄發(fā)生變化的區(qū)域的 left、top 坐標(biāo)，arrn.left=x，arrn.top=y， 分別對x、y軸方向循環(huán)遍歷進(jìn)行分析(記為 x+=32，y+=32)，如果此列屏幕像素?cái)?shù)據(jù)改變，則x+=32繼續(xù)比較；否則將記錄arrn.right=x，對 y軸方向進(jìn)行同樣的比較，y+=32，并記錄arrn.bottom=y，最終得到需要發(fā)送的變化區(qū)域矩形坐標(biāo)，并將此矩形保存到最終發(fā)送的矩形鏈表中，同時(shí)記錄下arrk(arrn.right，arrn.top，arrj.right，arrn.bottom)、arrm(arrn.left，arrn.bottom，arrj.right，arrj.bottom)，分別將 arrk、arrm賦值給 arrj進(jìn)行類似分析檢測，依次循環(huán)遍歷整個(gè)arrj，直到結(jié)束。

通過此屏幕變化區(qū)域檢測算法，對整個(gè)array_list鏈表的成員矩形進(jìn)行遍歷后得到需要重新發(fā)送的變化區(qū)域坐標(biāo)信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此改進(jìn)方案已經(jīng)應(yīng)用于VcomOffice遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：局域網(wǎng)內(nèi)，中轉(zhuǎn)服務(wù)器采用Linux操作系統(tǒng)，VNC Server和 VNC Client端均采用 Windows XP操作系統(tǒng)，具體的軟硬件配置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置

為了驗(yàn)證調(diào)用屏幕變化區(qū)域檢測算法前后，VNCServer端對同一操作生成的數(shù)據(jù)量的變化，實(shí)驗(yàn)在100 M的局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行，VNC Server采用的是VNC默認(rèn)的tight編碼[5]，編碼后經(jīng)過 zlib壓縮[5]后發(fā)送給中轉(zhuǎn)服務(wù)器，主要進(jìn)行以下場景的測試：

(1)打開一個(gè) Word文檔，剪切、復(fù)制、粘貼一段文字，圖片保存到Word，在Word中輸入一些內(nèi)容；

(2)打開IE瀏覽器登錄www.sina.com.cn主頁；

(3)打開一個(gè)PDF文檔后，拖動(dòng)滾動(dòng)條至底部；

(4)打開資源管理器，在屏幕上做拖動(dòng)操作，之后將其最大化。

調(diào)用檢測算法前后VNC Server發(fā)送數(shù)據(jù)量如圖3所示。通過對比可以看到，在調(diào)用屏幕區(qū)域變化檢測算法前后，VNC Server端發(fā)送的數(shù)據(jù)量都會(huì)有一定程度的下降。當(dāng)執(zhí)行相同的Word操作時(shí)，VNC Server端發(fā)送的數(shù)據(jù)量降低了12.21%，登錄新浪網(wǎng)主頁的過程中數(shù)據(jù)發(fā)送量只降低了4.82%，打開PDF文檔并拖動(dòng)滾動(dòng)條至最底端的過程中，發(fā)送的數(shù)據(jù)總量降低了14.63%，在資源管理器的縮放過程中，數(shù)據(jù)發(fā)送量下降了22.19%。

測試結(jié)果表時(shí)，當(dāng)VNC系統(tǒng)調(diào)用屏幕區(qū)域變化檢測算法后，VNC Server端的發(fā)送數(shù)據(jù)量平均會(huì)有10%左右的下降。這在遠(yuǎn)程多點(diǎn)應(yīng)用程序共享中，會(huì)大大減輕VNC Server端的發(fā)送壓力，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象出現(xiàn)的概率，從而提高了應(yīng)用程序共享時(shí)遠(yuǎn)程客戶端響應(yīng)速度。

本文介紹了在低速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)中通過VNC協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用程序共享時(shí)存在的問題，提出了一種新的改進(jìn)方案，并結(jié)合新方案提出了一種新的屏幕區(qū)域變化檢測算法。此外，對系統(tǒng)在調(diào)用新的屏幕區(qū)域變化檢測算法前后進(jìn)行了測試比較。該方案已經(jīng)應(yīng)用于大連浩視數(shù)字技術(shù)有限公司的VcomOffice遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)。通過多個(gè)實(shí)驗(yàn)場景的測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用新的屏幕變化區(qū)域檢測算法后，VNC Server端的發(fā)送數(shù)據(jù)量出現(xiàn)了較大程度的下降，為低速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高了應(yīng)用程序共享系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，從而實(shí)現(xiàn)了VNC在低速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用。

[1]梁飛碟，李錦濤，史紅周.虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算(VNC)協(xié)議中的編碼方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004，24(6).

[2]張躍冬，朱定局，宋振華，等.一個(gè)面向分布式桌面計(jì)算環(huán)境的超瘦客戶端[J].計(jì)算機(jī)工程，2007，33(7).

[3]Tae-Ho Lee，Hong-Chang Lee.Extending VNC for effective collaboration[A].3rd International Forum on Strategic Technology(IFOST 2008)[C].2008.

[4]SIMOENS P， Praet P，VANKEIRSBILCK B， et al.Design and implementation of a hybrid remote display protocol to optimize multimedia experience on thin client devices[A].Telecommunication Networksand ApplicationsConference(ATNAC)， 2008 Australasian； Adelaide， Australia[C].2008.

[5]ZHANG Xiao Zheng.Screen data compression for improved VNC[A].10th World Multi-Conference on Systems，Cybernetics and Informatics(WMSCI 2006)，jointly with the 12th InternationalConference on Information SystemsAnalysis and Synthesis(ISAS 2006)，vol.III[C].2006.