國產桌面操作系統中虛擬化技術應用研究

李笑瀾　詹秋芳

摘要：為解決應用遷移過渡時期，國產操作系統替代微軟windows實施過程中遇到的實際問題，文章對虛擬化技術的應用開展研究，重點對如何利用虛擬化技術運行現有Windows應用進行歸納，提出了桌面虛擬化、本地虛擬機、虛擬工具等多種可行方案，并在中標麒麟操作系統的應用部署中得到驗證；同時，通過分析每個方案的優缺點和適用場景，對用戶實際應用過程中的選擇提供參考依據，這將有助于促進國產操作系統的推廣應用。

關鍵詞：操作系統；桌面；虛擬化

2014年4月8日，微軟正式停止對Windows XP系統安全更新，不再修補xP系統的安全漏洞，而我國尚有約2億XP用戶，面臨系統被迫升級風險：一方面，既有機器已無法滿足Win7、Win8、Win10等系統的高配置要求，需購買新設備，增加硬件成本；另一方面，Win8、Win10因采用其可信技術，安全性受到質疑；同時，部分XP應用并不完全兼容。

斯諾登事件后，政府對于信息安全日益重視，信息安全國產化再掀浪潮。經過多年的發展，國產桌面操作系統逐步成熟，已經能夠滿足基本應用需求，并且安全性更高。同時，國產桌面操作系統對硬件要求不高，能夠有效利用現有設備。但操作系統的國產化替代與包括應用軟件、相關基礎軟件及硬件在內的整體成熟度息息相關。目前國產IT產業鏈不成熟、生態環境不完善，操作系統國產化還需要一個較長的培育過渡期。

相對個人市場，政府、企業等辦公應用的需求相對有限，有利于桌面操作系統的國產化替代，但由7：windows的長期壟斷，用戶大量既有應用均基于windows平臺開發，給桌面操作系統替代帶來了很大困難。雖然目前基于國產操作系統的應用開發和移植已有比較成熟的方案，但實際應用移植面臨代碼重寫、開發平臺和工具的熟悉以及開發人員培訓等問題，甚至一些單位和部門，許多業務應用開發商或組織經過多年已不復存在。因此，整體應用移植還需要一段較長的時間，過渡時期可考慮采用虛擬化方式來并行。

1 桌面虛擬化

1.1 桌面虛擬化簡介

桌面虛擬化是指將計算機的桌面進行虛擬化，以達到桌面使用的安全性和靈活性。桌面虛擬化技術，即VDI（Virtual Desktop Infrastructure）是一種基于服務器的計算模型。區別于傳統的本地桌面應用方式，它不是給每個用戶都配置一臺運行桌面操作系統的PC，而是將所有桌面虛擬機在數據中心進行托管并統一管理。用戶通過來自客戶端設備的客戶計算協議與虛擬桌面進行連接，使用戶能夠獲得完整PC的使用體驗。

通過這種方式，用戶可以在國產操作系統服務器基礎上結合桌面虛擬化技術運行window XP及其應用，在用戶需要時，可以在國產桌面操作系統上登錄該Window XP鏡像并使用其應用。

1.2 國產操作系統上的桌面虛擬化方案

在國產化替代過程中，可以在桌面端采用國產桌面操作系統，如圖1所示服務端采用國產服務器操作系統，并在其上虛擬運行Windows操作系統，來解決部分windows應用的過渡性并行。

該桌面虛擬化方案融合了服務器虛擬化、瘦客戶端、遠程連接協議等多項技術。在上圖中，國產虛擬化服務器，利用x86硬件虛擬化技術，提供基于KVM的虛擬機監控器平臺，提供運行狀態控制和管理、負載均衡等基本服務。國產桌面操作系統中的虛擬桌面套件為用戶交付虛擬應用和桌面。

該方案中采用了KVM虛擬化方式。KVM～Linux內核的一個虛擬化基礎模塊，它使Linux內核變成了一個管理程序。通過將KVM作為一個內核模塊實現，有利于簡化管理和提升性能。

KVM通過QEMU硬件仿真包提供完整的硬件虛擬化。KVM需要CPU硬件虛擬化擴展支持，如Intel的VT-x與AMD的AMD-v，是基于硬件的完全虛擬化。它不需要對客戶操作系統進行任何修改，因此，可以從Linux支持各種操作系統平臺，例如WindowsXP，Windows7，甚至MacOSX。

同時，方案采用了改進的SPICE協議作為桌面傳輸協議。SPICE協議（Simple Protocol for independent ComputingEnvironment，獨立計算環境簡單協議），能夠提供與物理桌面完全相同的最終用戶體驗。它包含3個組件：SPICE驅動、SPICE設備和SPICE客戶端。3個組件協作運行，判斷進行圖像處理的最佳位置：如果客戶機足夠強大，就在客戶機進行圖像處理，以減輕服務器的負荷；如果客戶機處理能力較弱，則在服務器端進行處理，從而能夠最大程度地改善用戶體驗并降低系統負荷。

在集中式服務器上運行的虛擬桌面是完全獨立的，這有助于阻止對桌面映像進行未經授權的訪問，并同時提高可靠性。同時，使用虛擬機模板和自動部署功能可以方便地進行鏡像部署和軟件分發，并進一步進行終端數據的集中存儲和管控。

當然，虛擬桌面也存在一些不足，它需要強大的數據中心支持。例如，在其運行過程中，每個桌面鏡像僅能提供給一個客戶端使用，如果有N個客戶端需要使用，則要在數據中心建立N個這樣的鏡像，這對數據設備要求較高。因此，虛擬桌面方案更適宜擁有廣大的數據中心或者磁盤陣列的大型企業；此外，這種方案還必須依賴于條件較好的網絡環境，對于單機隔離的單位則無法使用。

2 本地虛擬機

2.1 虛擬機簡介

虛擬機（Virtual Machine）指通過軟件模擬的具有完整硬件系統功能的、運行在一個隔離環境中的完整計算機系統。

虛擬機在宿主計算機的真實硬件上為虛擬機提供虛擬硬件仿真，這個環境和真實的計算機一樣，都有芯片組、CPU、內存、顯卡、聲卡、網卡、軟驅、硬盤、光驅、串口、并口、USB控制器、SCSI控制器等設備，提供這個應用程序的窗口就是虛擬機的顯示器。

用戶可以在單臺物理機上運行多個虛擬機，每個虛擬機共享同一臺物理機的資源，運行不同的操作系統以及多個應用程序。

2.2 國產操作系統上的虛擬機方案

目前，流行的虛擬機軟件有VMware，Virtual PC和VirtualBox等。其中，VMware為企業級虛擬化方案中較為成熟的商業產品，功能強大；Virtual PC為微軟針對windows系統的虛擬化方案；VirtualBox是一款優秀的開源虛擬機軟件，由Oracle公司按GPL協議發布。用戶可以在VirtualBox上安裝并執行Solaris、Windows，DOS，Linux，OS/2 Warp，OpenBSD及FreeBSD等客戶端操作系統。

在國產桌面操作系統的虛擬應用中，通常采用VirtualBOX虛擬機方案：在國產桌面操作系統上安裝VirtualBox，并在VirtualBox上安裝Windows，用戶可以在虛擬機的Windows系統中使用暫不支持Linux平臺的部分Windows應用，或是用戶原有Windows平臺的業務系統。

通過Virtual Box提供的“無縫模式”，還可以隱藏虛擬機系統窗口，而僅在宿主機桌面上顯示虛擬應用，實現了多系統應用的無縫平滑調用，很大程度上提升了用戶體驗，用戶仿佛在一個平臺上同時使用Linux應用和Windows應用。

相比桌面虛擬化方案，本地虛擬機方式不需要依賴網絡，方便單機環境。

通過本地虛擬機，用戶不需要重啟系統就能在同一臺PC上使用兩種以上的操作系統；而且不同的操作系統之間還能進行網絡、文件共享以及復制粘貼等互動操作。

同時，雖然多個虛擬機可以共享一臺計算機的物理資源，但它們彼此之間保持完全隔離，并且保護不同操作系統的環境以及所有安裝在該操作系統上的應用軟件和資料。即使其中一個虛擬機崩潰了，其他虛擬機或宿主機仍可正常使用，互不干擾，可用性和安全性較高。

虛擬機實質上是一個軟件容器，它將一整套虛擬硬件資源與操作系統及其所有應用程序“封裝”在一個軟件包內。獨立于硬件和封裝使虛擬機具備良好的可移動性并且易于管理。用戶可以將虛擬機從一個位置或設備自由地移動和復制到另一位置或設備上，而無需對設備驅動程序、操作系統或應用程序進行任何更改，熱遷移性較高。

3 虛擬工具

3.1 虛擬工具簡介

用戶還可以通過第三方虛擬工具運行Windows原生應用，其中最為著名的就是wine。

Wine（“Wine Is Not an Emulator”的首字母縮寫）是一個能夠在多種POSIX-compliant操作系統（諸如Linux，Mac OSX及BSD等）上運行Windows應用的兼容層。

wine并不像虛擬機或者模擬器那樣虛擬運行Windows，而是運用API轉換技術實現Linux到Windows相應函數的對應，通過模擬windows程序調用的動態鏈接庫及Windows NT kernel進程來運行Windows程序。

3.2 國產操作系統上的虛擬工具方案

Wine作為開源項目吸引了很多愛好者，其中延伸項目主要有兩大商業產品：一個是CrossOver，另一個是Cedega，前者以提供應用軟件支持為主，后者則更多關注游戲娛樂。

在本虛擬工具方案中采用的是CrossOver商業發行版。在本版本中已經比較好地解決了顯示和字體問題，使用戶在國產操作系統上流暢地運行MS Office成為可能。

為提供更好的用戶體驗，中標麒麟桌面操作系統為通過CrossOver虛擬運行的Windows應用在開始菜單中提供了入口，這樣更加方便用戶的訪問，對于用戶來說，他就像在訪問一個本地原生應用一樣方便，其中的虛擬部分對他來說是透明的。

Wine通過將Windows API調用翻譯成為動態的POSIX調用，從而能夠完全獨立于windows系統而運行Windows應用程序，避免了系統性能、內存占用等一系列問題。更重要的是，Wine是通過黑盒測試的逆向工程實現了對Windows的兼容，所以它有效避免了Windows的版權爭議（前面兩種方案是需要額外購買Windows版權的）。但也正是由于這一原因，Wine并不能完全實現windows DLLs，因為Windows的DLLs是封閉源代碼的，所以無法做到百分百兼容，故很多Windows應用的運行不可避免地會存在較多問題。所幸，用戶可以借助一些Wine的商業發行版本來對某個應用做針對性的優化，從而提高可用性。

4 結語

通過在中標麒麟操作系統上的實際應用驗證，3種虛擬化方案均切實可行。桌面虛擬化方案整體性較好，但對硬件配置、服務器數據存儲和處理能力、網絡傳輸能力等有較高要求，比較適合后期也準備部署桌面虛擬化的大中型企業和單位；本地虛擬機，是比較成熟的單機多操作系統并行方案，比較適合在一臺物理計算機上有頻繁使用國產操作系統和Windows需求的用戶。虛擬工具，可以完全獨立于Windows運行Windows應用程序，更適合只是對某幾個特定Windows應用有需求的國產操作系統用戶。各種方案都有其各自的優缺點，用戶可以根據自身應用情況和投入規模來進行選擇。在過渡時期并行使用原Windows應用，同時應加大投入，開發基于國產操作系統的新應用，逐步實現信息自主可控，最終擺脫受制于人的局面。