服務(wù)器虛擬化技術(shù)專利態(tài)勢分析與解讀

沈　瀅　中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所知識產(chǎn)權(quán)中心高級咨詢師李文宇　中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所知識產(chǎn)權(quán)中心主任張俊霞　中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所知識產(chǎn)權(quán)中心副主任

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服務(wù)器虛擬化技術(shù)專利態(tài)勢分析與解讀

沈瀅中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所知識產(chǎn)權(quán)中心高級咨詢師
李文宇中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所知識產(chǎn)權(quán)中心主任
張俊霞中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所知識產(chǎn)權(quán)中心副主任

摘要服務(wù)器虛擬化是云計算的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一，全球?qū)＠麡?gòu)成占比分析表明，目前服務(wù)器虛擬化領(lǐng)域的技術(shù)積累以IT基礎(chǔ)設(shè)施類為主，雖然國內(nèi)外市場PaaS，SaaS已經(jīng)逐漸成熟并擴大盈利，但相關(guān)技術(shù)的專利尚未形成規(guī)模化布局。基于對服務(wù)器虛擬化領(lǐng)域的專利信息的檢索和統(tǒng)計分析，本文通過專利視角將該技術(shù)領(lǐng)域的專利態(tài)勢和技術(shù)發(fā)展主流動態(tài)進行研究和總結(jié)，最后結(jié)合產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展狀況，對該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新空間和壟斷程度進行解讀。

關(guān)鍵詞服務(wù)器虛擬化專利云計算隔離

1　引言

“云”的本質(zhì)在于系統(tǒng)本身的非實體化，因此可以認為云計算是為用戶量身定制一臺虛擬計算系統(tǒng)，虛擬化技術(shù)也因此成為云計算實現(xiàn)的底層基石。虛擬化是表示計算機資源的抽象方法，通過虛擬化可以用與訪問抽象前資源一致的方法訪問抽象后的資源，這種資源的抽象方法并不受實現(xiàn)、地理位置或底層資源的物理配置的限制。

虛擬化概念術(shù)最早于20世紀60年代由美國計算機學(xué)術(shù)界首次提出，自20世紀90年代以來，虛擬化技術(shù)進入復(fù)興階段，從純軟件的虛擬化（全虛擬化、半虛擬化）到硬件支撐的虛擬化，突破了X86平臺進行虛擬化的瓶頸。近年來，虛擬化技術(shù)引起了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的極大關(guān)注，為云計算的發(fā)展壯大奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

按照其針對的對象不同，虛擬化技術(shù)可分為：服務(wù)器的虛擬化、存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。服務(wù)器虛擬化允許具有不同操作系統(tǒng)的多個虛擬機在同一物理機上獨立并行運行。每個虛擬機都有自己的一套虛擬硬件（例如CPU、內(nèi)存、硬盤等），可以在這些虛擬硬件中加載操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序；服務(wù)器虛擬化使一個物理服務(wù)器虛擬成若干個服務(wù)器使用，并且這些虛擬服務(wù)器在用戶、應(yīng)用軟件甚至操作系統(tǒng)看來，幾乎與物理服務(wù)器沒有區(qū)別，用戶可以在虛擬服務(wù)器上靈活地安裝任何軟件。服務(wù)器虛擬化主要有CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化、I/O虛擬化等幾大分支。

專利文獻廣泛、真實、詳盡、可獲得性好，因此專利分析是戰(zhàn)略與競爭分析中一種實用的分析方法，是輔助分析產(chǎn)業(yè)進展情況、透視產(chǎn)業(yè)競爭格局、掌握技術(shù)發(fā)展走向的重要分析手段。本文使用國家知識產(chǎn)權(quán)局權(quán)威數(shù)據(jù)庫，對服務(wù)器虛擬化領(lǐng)域2006—2015年近十年的國內(nèi)外專利進行檢索，旨在對該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展狀況主流動態(tài)進行分析和總結(jié)，對該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新空間和壟斷程度進行解讀。

2　服務(wù)器虛擬化專利申請態(tài)勢總況

（1）全球和在華專利申請已進入高峰期

服務(wù)器虛擬化技術(shù)專利在2006—2015年期間共計11097件專利申請，其中歐美共計7594件，中國3503件。歐美專利于2012年進入申請高峰，在華專利于2013年進入申請高峰（見圖1、2）。

（2）IBM、微軟等企業(yè)優(yōu)勢明顯

服務(wù)器虛擬化的全球主要申請人TOP10構(gòu)成主要為老牌IT巨頭如IBM、Microsoft、Intel，專門從事虛擬化技術(shù)的科技企業(yè)如VMware、RedHat以及具有通信背景的企業(yè)等。國內(nèi)的主要申請人有國內(nèi)主流通信設(shè)備供應(yīng)商、主流IT企業(yè)以及大學(xué)等科研機構(gòu)。

IBM作為開放虛擬化聯(lián)盟OVA的早期成員、開源KVM項目的重要推進者，為推動基于內(nèi)核的虛擬化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做出了重要貢獻：檢索發(fā)現(xiàn)，IBM在美國本土申請服務(wù)器虛擬化類專利1518件，在華申請128件，掌握多級虛擬化等關(guān)鍵技術(shù)（見圖3）。

圖1　歐美專利年度申請態(tài)勢

圖2　在華專利年度申請態(tài)勢

圖3　IBM服務(wù)器虛擬化專利年度申請量

微軟2010年把虛擬化作為戰(zhàn)略重點，并伴隨2011年專利申請高峰，而IBM則在該領(lǐng)域持續(xù)申請大量專利（見圖4）。

3　服務(wù)器虛擬化領(lǐng)域現(xiàn)有專利申請技術(shù)分布與布局

（1）專利申請以基本功能類為主，面向上層業(yè)務(wù)高性能需求方面擁有廣闊創(chuàng)新空間

全球?qū)＠麡?gòu)成占比分析表明，目前服務(wù)器虛擬化領(lǐng)域的技術(shù)積累以IT基礎(chǔ)設(shè)施類為主，雖然國內(nèi)外市場PaaS，SaaS已經(jīng)逐漸成熟并擴大盈利，但相關(guān)技術(shù)的專利尚未形成規(guī)模化布局（見圖5）。

（2）滿足高負載、高靈活性、高可用性等商用需求類專利已經(jīng)引起重視，申請量占比逐年上升

如圖6所示，“配置與部署”、“資源管理與調(diào)度”等基本功能類仍占據(jù)主要。與滿足上層業(yè)務(wù)多類別、高負載、高靈活性、高可用性等需求相關(guān)的軟件設(shè)計與調(diào)測、動態(tài)遷移、靈活擴展等的布局尚未形成格局，客觀上新興企業(yè)和初創(chuàng)公司擁有較廣闊的創(chuàng)新發(fā)展空間。進一步，2008、2012和2014年專利統(tǒng)計顯示，滿足上層業(yè)務(wù)高負載、高靈活性、高可用性等商用指標相關(guān)的動態(tài)遷移、靈活擴展等各類專利的總占比呈現(xiàn)逐年上升態(tài)勢。

圖5　全球服務(wù)器虛擬化技術(shù)領(lǐng)域分布情況

圖6　商用需求類專利各分支申請量占比

圖7　動態(tài)遷移年度申請

4　服務(wù)器虛擬化關(guān)鍵技術(shù)專利分析

（1）動態(tài)遷移技術(shù)呈高增長態(tài)勢，主要圍繞業(yè)務(wù)不中斷等熱點，Microsoft、IBM和國內(nèi)主流通信設(shè)備商是重要貢獻者

公有云、云計算2.0對虛擬機平臺的高可用性、互操作性提出了新需求。在線遷移是保證系統(tǒng)高可用和靈活互操作的重要手段，專利檢索發(fā)現(xiàn)，IBM、Microsoft、Redhat、VMware和中國主流通信設(shè)備供應(yīng)商等服務(wù)器重要申請人紛紛在該領(lǐng)域進行技術(shù)研究和專利部署（見圖7）。

在線遷移技術(shù)的專利申請量在2010年前后呈現(xiàn)高增長態(tài)勢。該領(lǐng)域的專利申請主要圍繞縮短遷移過程停機時間避免上層服務(wù)中斷、SR-IOV等技術(shù)的動態(tài)遷移實現(xiàn)、遷移步驟的簡化等（見圖8）。

（2）安全與隔離技術(shù)分支申請活躍，技術(shù)走向清晰

在公有云解決方案的需求拉動下，虛擬機安全性與隔離技術(shù)創(chuàng)新成為該領(lǐng)域的創(chuàng)新熱點。服務(wù)器虛擬化安全類專利國內(nèi)檢索專利82件，全球265件。專利申請主要集中在數(shù)據(jù)安全、軟件安全認證、虛擬機部署的安全策略和軟件安全4個方向上。在數(shù)據(jù)安全管理方面的專利布局熱點主要有：數(shù)據(jù)通信安全、虛擬機數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)加密、實時安全性；在安全認證方面的專利布局熱點主要有：介質(zhì)安全認證、虛擬化啟動安全認證等；在部署安全策略方面的布局熱點主要有：安全監(jiān)控、環(huán)境安全策略、虛擬機鏡像安全機制、虛擬機安全組配置；在軟件安全方面的專利布局熱點主要有：軟件加固、非本機代碼安全控制、安全載體VSE。

圖8　在線遷移技術(shù)的專利申請

隔離性是評價虛擬化性能的重要指標，能否把虛擬機合理隔開并公平且充分地利用物理資源具有重要意義。該領(lǐng)域的主流申請方向有：改善輕量虛擬化技術(shù)的隔離性、強隔離操作系統(tǒng)的設(shè)備共享技術(shù)、與安全密切相關(guān)的隔離技術(shù)等。

5　CPU、內(nèi)存和I/O虛擬化申請占比、技術(shù)成熟度和申請熱點

（1）CPU虛擬化技術(shù)成熟度高壟斷優(yōu)勢明顯

CPU虛擬化技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)成熟度高，專利申請主流方向涉及多核系統(tǒng)虛擬化、虛擬化實時性、相關(guān)配置和仿真算法等。服務(wù)器虛擬化專利技術(shù)分布情況如圖9所示。

圖9　服務(wù)器虛擬化專利技術(shù)分布

CPU虛擬化技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)延續(xù)性強，傳統(tǒng)IT巨頭IBM、Microsoft、Intel、HP等專利申請量占總數(shù)的47%，擁有絕對的技術(shù)優(yōu)勢，短時難以撼動；通信設(shè)備商和芯片商等企業(yè)在嵌入式系統(tǒng)CPU虛擬化技術(shù)分支上呈現(xiàn)出較好的技術(shù)積累。該分支全球?qū)＠?0余件，約占CPU虛擬化專利總數(shù)的6.7%（見圖10）

（2）內(nèi)存虛擬化參與熱度高，各類企業(yè)紛紛參與布局

I/O虛擬化技術(shù)的創(chuàng)新熱點是I/O的高效數(shù)據(jù)交換方法和外部中斷優(yōu)化等，主要涉及外中斷處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理、接口數(shù)據(jù)鏡像、輸入/輸出設(shè)備與物理存儲器之間的訪問等。

I/O虛擬化技術(shù)專利申請參與熱度高，布局分散，傳統(tǒng)IT企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、航天、通信企業(yè)等從各自行業(yè)的需求出發(fā)，紛紛進行專利布局（見圖11）。

（3）內(nèi)存虛擬化申請參與度高，呈現(xiàn)出若干申請熱點

內(nèi)存虛擬化技術(shù)的申請熱點是內(nèi)存優(yōu)化分配和動態(tài)管理算法等，該技術(shù)分支本土企業(yè)創(chuàng)新活躍，國內(nèi)科研院所也有較好的參與度。本土申請人數(shù)量超過100個，除了ICT和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)外，大學(xué)和科研院所也大量參與其中。企業(yè)間以及企業(yè)與大學(xué)和科研機構(gòu)重視合作研究聯(lián)合申請專利，內(nèi)存虛擬化在華228件專利中有20件為本土申請人聯(lián)合申請。例如，華為技術(shù)與中科院計算所：圍繞虛擬機內(nèi)存的管理調(diào)控方法申請了多項專利；南方電網(wǎng)與清華大學(xué)：高并發(fā)數(shù)據(jù)快速寫入虛擬機內(nèi)存。

6　結(jié)束語

（1）服務(wù)器虛擬化領(lǐng)域基本功能類技術(shù)已經(jīng)進入成熟階段，滿足商用需求類專利占比逐年提升，關(guān)鍵技術(shù)擁有廣闊創(chuàng)新空間

雖然國內(nèi)外市場PaaS、SaaS已經(jīng)逐漸成熟并擴大盈利，但與之相關(guān)的滿足商用需求類專利布局尚未形成穩(wěn)定格局。滿足上層業(yè)務(wù)高負載、高靈活性、高可用性等商用指標相關(guān)的動態(tài)遷移、靈活擴展等各類專利的總占比呈現(xiàn)逐年上升態(tài)勢，其年度分布規(guī)律處于技術(shù)生命周期的上升段，客觀上新興企業(yè)和初創(chuàng)公司擁有較廣闊的創(chuàng)新空間。

圖10　CPU虛擬化專利申請量

（2）CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化和I/O虛擬化各分支呈現(xiàn)不同格局

CPU虛擬化技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)延續(xù)性強，傳統(tǒng)IT巨頭IBM、Microsoft、Intel、HP等專利技術(shù)優(yōu)勢明顯，短時難以撼動；通信設(shè)備商和芯片商等企業(yè)在嵌入式系統(tǒng)CPU虛擬化技術(shù)等新興分支有較好的技術(shù)和專利優(yōu)勢。

內(nèi)存虛擬化是本土企業(yè)創(chuàng)新活躍領(lǐng)域，國內(nèi)科研院所也有較好的參與度。

I/O虛擬化技術(shù)專利申請參與熱度高，專利持有分散，尚未在國內(nèi)形成壟斷格局。傳統(tǒng)IT、互聯(lián)網(wǎng)、航天、通信企業(yè)等從各自行業(yè)的需求出發(fā)，紛紛進行專利布局。

（3）服務(wù)器虛擬化關(guān)鍵技術(shù)點申請熱度高、技術(shù)走向清晰

動態(tài)遷移技術(shù)是滿足云計算2.0對虛擬機平臺的高可用性、互操作性的關(guān)鍵技術(shù)，IBM、Microsoft、華為技術(shù)、Redhat和VMware等國內(nèi)外重要申請人紛紛在該領(lǐng)域進行技術(shù)研究和專利部署。

在公有云解決方案的需求拉動下，虛擬機安全性與隔離技術(shù)創(chuàng)新成為該領(lǐng)域的創(chuàng)新熱點。

參考文獻

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圖11　I/O虛擬化技術(shù)專利申請布局

Analysis and Interpretation on Server Virtualization Technology Patent Trend

AbstractServer virtualization is one of the key underlying technologies of cloud computing，global patent accounting analysis shows that the current server virtualization technology patent application is mainly focused on IT infrastructure related scope，although the domestic market PaaS，SaaS has matured and expanded profit but patent has not yet formed large-scale layout. Based on retrieval of patent information in the field of virtualization and statistical analysis，this paper aims view moving through the patent research and summarize the patent landscapes and mainstream of technological development，and finally with industrial and technological developments，we interpret the innovation and monopolization of this field.

Key wordsserver virtualization，patent，cloud computing，isolation

收稿日期：（2015-12-22）