基于內(nèi)核虛擬機(jī)的桌面虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)

黃鴻, 李文杰, 劉東東

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 云浮供電局， 廣東 云浮 527300)

0 引言

信息化的發(fā)展給IT管理領(lǐng)域帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)，如在需求用更少的資源做更多事情時(shí)，如何更好地保持和改建現(xiàn)有的桌面管理；面對(duì)不同種類(lèi)的最終用戶需求，如何在降低成本的前提下更好地管理各種端點(diǎn)設(shè)備等，而借助虛擬桌面基礎(chǔ)設(shè)施可以讓管理員構(gòu)建與硬件無(wú)關(guān)的桌面環(huán)境，并且在同一個(gè)系統(tǒng)中，可以同時(shí)運(yùn)行多臺(tái)虛擬機(jī)，同時(shí)系統(tǒng)中的虛擬機(jī)也是相互獨(dú)立和隔離開(kāi)來(lái)的。完善的桌面虛擬化架構(gòu)也可以保證在很短的時(shí)間內(nèi)設(shè)立新的虛擬機(jī)，再加上內(nèi)核虛擬機(jī)的融合應(yīng)用，會(huì)讓虛擬桌面比傳統(tǒng)的桌面更加完善，優(yōu)化桌面工作環(huán)境，提升啟動(dòng)速度。

1 基于KVM的虛擬技術(shù)

KVM虛擬機(jī)是一種開(kāi)源系統(tǒng)虛擬化模塊，這種內(nèi)核虛擬機(jī)主要使用Linux自帶的調(diào)度器進(jìn)行系統(tǒng)管理，所以這種虛擬技術(shù)核心源碼更少，也是目前學(xué)術(shù)界主流的VMM之一，KVM虛擬化必須借助ADM V技術(shù)或者是Intel VT技術(shù)等硬件的支持，故而也是一種基于硬件設(shè)施的完全虛擬化。

基于KVM的虛擬化技術(shù)靈活性更強(qiáng)，這種技術(shù)可以將不同操作系統(tǒng)、特殊硬件設(shè)備進(jìn)行充分利用，進(jìn)而答復(fù)降低不同系統(tǒng)維護(hù)的難度，正是由于這種特性，所以這種虛擬技術(shù)可以支持基于X86架構(gòu)的Windows、Linux、Unix等操作系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運(yùn)行。其具體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 基于KVM的虛擬架構(gòu)圖

由圖1可知，KVM在Linux系統(tǒng)中主要使用地層的硬件和設(shè)備虛擬化支撐，進(jìn)而來(lái)為系統(tǒng)提供相對(duì)完成的原生虛擬化，當(dāng)然只需要地層硬件虛擬化的支持，KVM就可以支持大量的客戶機(jī)操作系統(tǒng)。

這種內(nèi)核虛擬機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)CPU虛擬化和內(nèi)存虛擬化兩方面實(shí)現(xiàn)。

(1) CPU虛擬化

第一，KVM首先需要執(zhí)行VMXON指令，然后方可進(jìn)入到VMX系統(tǒng)操作模式，此時(shí)CPU則是處在VMX根操作模式中，故而KVM軟件開(kāi)始執(zhí)行相關(guān)指令；

第二，當(dāng)KVM在執(zhí)行VMLAUNCH指令或者是VMRESUME指令時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)進(jìn)入，此時(shí)虛擬機(jī)軟件開(kāi)始執(zhí)行相關(guān)質(zhì)量，同時(shí)CPU會(huì)進(jìn)入到非根模式中；

第三，如果虛擬機(jī)需要執(zhí)行特殊指令，或者是虛擬機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)系統(tǒng)異常、中斷等情況時(shí)，則虛擬機(jī)會(huì)由于自動(dòng)退出而進(jìn)入KVM，此時(shí)CPU也會(huì)自動(dòng)切換到根模式，并且KVM會(huì)根據(jù)VM Exit的具體情況作出對(duì)應(yīng)處理，之后重復(fù)“第二”的操作流程；

第四，KVM如果決定退出VM Exit，則會(huì)自動(dòng)執(zhí)行VMXOFF，然后關(guān)閉VMX操作模式。

(2) 內(nèi)存虛擬化

所有的客戶操作系統(tǒng)都是借助/dev/kvm設(shè)備映射的，并且每一個(gè)系統(tǒng)都有對(duì)應(yīng)的虛擬地址空間，各自的空間會(huì)重復(fù)的映射到宿主機(jī)內(nèi)核物力地址空間中。KVM內(nèi)存虛擬化的實(shí)現(xiàn)，首先EPT需要在原有的地址映射基礎(chǔ)之上，引入EPT頁(yè)表實(shí)現(xiàn)另一次映射，通過(guò)這種操作，客戶虛擬地質(zhì)、物理地址、宿主機(jī)物理地址中不同的地址轉(zhuǎn)換都借助CPU硬件來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。KVM實(shí)際上也可看做一種瘦虛擬化架構(gòu),由于本身體積較小，所以其支持硬件需要由Linux系統(tǒng)自身對(duì)硬件的支持來(lái)決定。

2 桌面虛擬化架構(gòu)

2.1 桌面虛擬化架構(gòu)構(gòu)成

(1) 虛擬桌面服務(wù)器端

桌面虛擬化架構(gòu)中，桌面服務(wù)器端需使用中高端的服務(wù)器，然后在服務(wù)器中安裝虛擬化軟件，借助服務(wù)器的虛擬化在宿主機(jī)中創(chuàng)建多個(gè)虛擬分區(qū)，每一個(gè)分區(qū)對(duì)應(yīng)各自的終端桌面用戶。

(2) 終端用戶桌面端

終端用戶桌面端顧名思義主要是面向終端用戶，使用瘦客戶端或者是專(zhuān)用的云終端，并且需要為每一個(gè)桌面用戶配置對(duì)應(yīng)的顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和專(zhuān)用云終端設(shè)備。

(3) 連接管理中間件組件

這一層主要是用戶連接、調(diào)度的資源池，以VDI架構(gòu)為例，這種組件主要存在于數(shù)據(jù)中心的虛擬桌面服務(wù)器中，利用這種組件可以為用戶提供成百上千的虛擬桌面客戶端。

2.2 桌面顯示協(xié)議

桌面顯示協(xié)議是影響虛擬桌面用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵所在，例如VDI架構(gòu)中，必須借助虛擬桌面通訊協(xié)議來(lái)連通虛擬桌面和用戶云終端，然后打包、壓縮、加密用戶云終端錄入的信息數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)教摂M機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步運(yùn)算，而用戶最終看到的是經(jīng)過(guò)打包、加密、傳輸、解析之后的運(yùn)算結(jié)果，不同的顯示協(xié)議所體現(xiàn)的特征有所不同，對(duì)當(dāng)前主流的顯示協(xié)議做了重點(diǎn)比對(duì)，如表1所示。

表1 主流顯示協(xié)議特性對(duì)比

因?yàn)檫h(yuǎn)程服務(wù)訪問(wèn)是否流暢是由傳統(tǒng)帶寬要求直接決定的，而ICA本身的處理性能、數(shù)據(jù)壓縮比相對(duì)較高，所以可以大幅度的降低系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。用戶圖像顯示一眼則體現(xiàn)的是虛擬桌面視圖的數(shù)據(jù)組織形式和傳輸順序。PCoIP模式使用的是分層漸進(jìn)的凡是，進(jìn)而在用戶端顯示桌面圖像，簡(jiǎn)單講就是先給用戶傳輸一個(gè)完整但是相對(duì)模糊的圖像，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行逐步的精化處理，所以相較于其他3個(gè)廠商使用的分行掃描方式，視覺(jué)體驗(yàn)更加明顯。

3 基于內(nèi)核虛擬機(jī)的桌面虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 桌面虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)

桌面虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)之前需要先決定使用哪一種桌面顯示協(xié)議，根據(jù)表1的對(duì)比數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)基于內(nèi)核虛擬機(jī)系統(tǒng)環(huán)境需求，本文的虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)中遠(yuǎn)程桌面顯示協(xié)議使用SPICE協(xié)議，以SPICE協(xié)議為基礎(chǔ)來(lái)規(guī)劃桌面虛擬化架構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成分為3個(gè)部分，即云終端模塊、HOST模塊和Broker中間件模塊，如圖2所示。

圖2 桌面虛擬化架構(gòu)模塊構(gòu)成圖

之所以使用這種模塊主要由以下幾種原因。

第一，SPICE協(xié)議模塊和桌面虛擬化環(huán)境結(jié)合更為密切，并且可以從Hypervisor中將顯示、輸入、輸出等設(shè)備直接映射到SPICE協(xié)議中；

第二，SPICE能夠用于在服務(wù)器、桌面計(jì)算機(jī)虛擬桌面中；

第三，SPICE能夠支持多種系統(tǒng)的虛擬機(jī)應(yīng)用，如Red Hat Enterprise Linux和Windows 7等；

第四，從表1可以看出，SPICE協(xié)議的視頻顯示效果相對(duì)較好，所以可以支持在虛擬機(jī)中播放高清、超清視頻顯示；

第五，SPICE借助雙語(yǔ)音技術(shù)可以支持軟件撥號(hào)、IP電話等功能，同時(shí)雙向視頻技術(shù)還可以提供可視電話功能，并且不需要借助特殊硬件設(shè)備。

確定使用SPICE協(xié)議之后則需要進(jìn)行在桌面虛擬化架構(gòu)整體設(shè)計(jì)。

桌面虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)主要由云終端模塊、HOST模塊、Broker中間件模塊三個(gè)模塊構(gòu)成，從圖2可以看出，云終端模塊的構(gòu)成包含3個(gè)端口，即Broker Agent、云終端(終端用戶桌面端)配置和SPICE客戶端；Host模塊構(gòu)成則對(duì)應(yīng)云終端模塊和Broker模塊，包括SPICE服務(wù)端、QEMU-KVM、Host Agent和Guest Agent 4個(gè)；Broker中間件模塊服務(wù)器包含的有服務(wù)器管理、虛擬機(jī)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、用戶和數(shù)據(jù)庫(kù)接口等多個(gè)模塊。其中，Broker中間件模塊是云終端模塊和Host端模塊中間的一個(gè)橋梁模塊端口，借助Broker中間件可以將云終端以及Host端口的虛擬機(jī)連成一體，而云終端和Broker中間件模塊間的通訊連接需要借助云終端的Broker Agent模塊實(shí)現(xiàn)。Broker Agent模塊通過(guò)訪問(wèn)Broker中間件模塊中的云終端接口來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊的連接，同時(shí)通過(guò)這個(gè)流程云終端模塊可以從Broker中間件中獲取用戶的虛擬桌面信息，之后調(diào)用自身模塊中的SPICE客戶端與Host中的SPICE服務(wù)器進(jìn)行通訊連接。另外，Broker中間件模塊會(huì)為Host模塊中的Host Agent端口提供Host Agent，從而來(lái)管理Host端虛擬機(jī)以及相對(duì)應(yīng)的信息數(shù)據(jù)資源。

3.2 虛擬桌面服務(wù)器端功能

(1) QEMU-KVM虛擬機(jī)

KVM虛擬化管理模塊主要來(lái)自于Linux內(nèi)核，除此之外，Linux中還包括進(jìn)程管理模塊、內(nèi)存管理模塊、中斷與異常情況處理模塊、文件系統(tǒng)管理模塊和設(shè)備管理模塊等。KVM主要指的是內(nèi)核模塊、處理器模塊兩個(gè)部分。前者主要提供核心虛擬化支持，后者主要有兩個(gè)模塊，分別是kvm-intel.ko和kvm-amd.ko，這兩個(gè)模塊分別為Intel和AMD處理器提供虛擬化技術(shù)支持。

KVM需要借助加在kvm.ko內(nèi)核模塊才能將Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的Hypervisor，進(jìn)而更易控制虛擬化進(jìn)程，另外KVM還可以隨著Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的不斷升級(jí)獲取性能提升，例如調(diào)度程序的對(duì)應(yīng)升級(jí)、內(nèi)存點(diǎn)持的對(duì)應(yīng)升級(jí)等。同時(shí)虛擬機(jī)對(duì)應(yīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的Linux進(jìn)程，所以也可以使用標(biāo)準(zhǔn)的Linux進(jìn)程管理機(jī)制來(lái)進(jìn)行管理。由于才做系統(tǒng)可以直接和KVM進(jìn)行交互，故而在不同的場(chǎng)景模式下，都可以直接與硬件實(shí)現(xiàn)交互，并且不需要改變虛擬機(jī)操作系統(tǒng)。

相較于KVM而言，QEMU則是一種使用動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速指令的集層虛擬機(jī)，這種虛擬機(jī)可以支持整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬，而KVM則是一種借助硬件虛擬化技術(shù)來(lái)代替QEMU的動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)，兩者的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)Guest OS代碼直接使用硬件處理，大幅提升系統(tǒng)性能。

(2) SPICE服務(wù)端功能

SPICE主要是提供強(qiáng)化版的運(yùn)程桌面體驗(yàn)，作為一種桌面虛擬化框架主要的優(yōu)勢(shì)在于更多的以來(lái)KVM，兩者的密切結(jié)合使得這種服務(wù)端所提供內(nèi)容可以直接從模擬顯卡中獲取，并且性能會(huì)更優(yōu)于RDP類(lèi)型的遠(yuǎn)程桌面協(xié)議。

SPICE服務(wù)端的目的是提供質(zhì)量更高的遠(yuǎn)程虛擬桌面訪問(wèn)，所以用戶可以在單個(gè)服務(wù)器中借助QEMU運(yùn)行兩個(gè)以上的Linux或Windows客戶端，然后在遠(yuǎn)程電腦中顯示客戶端信息。另外為了支持基于SPICE協(xié)議的桌面虛擬化實(shí)現(xiàn)，SPICE還在QEMU中實(shí)現(xiàn)了QXL(即虛擬化顯示桌面設(shè)備驅(qū)動(dòng))，所以SPICE服務(wù)端所需要的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、USB等設(shè)備驅(qū)動(dòng)都可以直接使用QEMU設(shè)備驅(qū)動(dòng)，并且可以在單個(gè)服務(wù)中運(yùn)行多個(gè)客戶機(jī)操作系統(tǒng)，之后借助虛擬設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端信息顯示，同時(shí)每一個(gè)遠(yuǎn)程桌面都會(huì)在KVM上運(yùn)行。

實(shí)際上，SPICE協(xié)議主要是基于客戶端——服務(wù)器端的一種通訊協(xié)議，與遠(yuǎn)程設(shè)備、圖形指令、鍵盤(pán)事件、視頻與音頻流等交互過(guò)程中所發(fā)出的數(shù)據(jù)信息設(shè)計(jì)安全認(rèn)真、構(gòu)建連接、流量控制等多種控制。在服務(wù)器端口中，SPICE可以將應(yīng)用軟件的邏輯執(zhí)行與用戶界面分離，同時(shí)借助標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將用戶界面?zhèn)魉偷娇蛻舳私缑妫脩敉ㄟ^(guò)客戶端界面可以使用對(duì)應(yīng)的接口，通過(guò)這個(gè)流程保證該應(yīng)用邏輯執(zhí)行全部在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。

由于SPICE協(xié)議是借助標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來(lái)傳遞鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等指令，所以帶寬需求相對(duì)較低，平均只需要20k左右的帶寬，較低的帶寬使用率和較高的傳輸效率可以保證32位應(yīng)用在客戶端被高效率的訪問(wèn)應(yīng)用。

4 總結(jié)

總的來(lái)講，借助內(nèi)核虛擬機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)桌面虛擬化架構(gòu)能夠更好地繼承、部署相對(duì)應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)還可以按照不同用戶的不同需求做出對(duì)應(yīng)的修改，桌面虛擬化的應(yīng)用可以更好地解決桌面環(huán)境不夠靈活、資源無(wú)法充分使用、數(shù)據(jù)安全無(wú)法保全、PC硬件成本較高、系統(tǒng)難以管理等問(wèn)題，最大限度地將用戶桌面環(huán)境和使用的終端設(shè)備松耦合，用戶則可以使用不同的終端設(shè)備借助網(wǎng)絡(luò)來(lái)訪問(wèn)該桌面環(huán)境，為用戶提供更加個(gè)性化、干凈的全新桌面，提高用戶的使用體驗(yàn)。