CN114064182B - 一种低成本桌面虚拟化系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低成本桌面虚拟化系统及运行方法，包括至少两个输入单元；计算节点，用于对信息指令进行计算处理；计算节点和输入单元为多对多映射关系；显示节点，显示节点用于对计算节点计算处理后的信息进行图像显示；每一个显示节点至少连接有一个显示器；显示节点和计算节点通过路由器和交换机进行网络信息交互或通过数据线进行本地信息传输；若虚拟机显示内容复杂且变化，且目前计算节点和显示节点通过网络信息交互，则将该虚拟机热迁移到显示节点适配的计算节点上，然后进行本地显示；当计算节点和显示节点进行网络信息交互时，使用GPU对图像进行纹理编码、解码以降低交互式场景下的图像延迟；还可设置一个计算节点对应多个本地显示节点。

Description

一种低成本桌面虚拟化系统及运行方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种低成本桌面虚拟化系统及运行方法。

背景技术

现有的电脑使用模式普遍为单电脑主机单用户模式，当有多人需要同时使用电脑情况下：该模式存在硬件购置成本高、硬件资源利用率低、管理维护成本高、电量消耗高、单主机横向扩展能力差等缺陷；

现在市面上出现了由云主机加瘦客户机终端的虚拟云桌面方式，主要采用VDI构架，其采用“集中存储、集中运算”构架，所有的桌面以虚拟机的方式运行在服务器硬件的虚拟化层上，桌面以图像传输的方式发送到客户端，用户使用的CPU、内存、存储、网络等资源可以按需分配，并且方便集中化管理，由于该模式下客户机终端显示图像需要经过主机压缩、网络传输、客户端解压缩、客户端显示步骤，所以该方式存在主机资源耗费高、用户使用体验较差、图像存在显示延迟、高清视频播放卡顿的缺陷。由于该模式还需要购买瘦客户机终端，所以该方式还存在前期硬件购置成本较高的缺陷。

进一步，还有一种IDV架构，这种架构是采用集中存储、分布运算的构架，与云桌面技术存在区别，IDV的数据存储集中在后端，镜像存储在本地在客户端安装Hypervisot，然后根据实际需求把服务器上的虚拟机镜像加载到客户端本地使用(本地客户端通常是x86架构的普通计算机)。由于该方案中的计算和显示在本地，所以使用体验上接近于单机单用户模式。但由于一个用户独占一个计算终端，所以硬件资源利用率的单机单用户模式相当，单终端横向扩展能力差。另外，市场上还有使用电脑拖机软件来达到单机多用户的使用目的，由于该方式中多个用户共用一个操作系统，所以存在多用户间系统冲突、数据保密的缺陷。

总的来说，现有技术中存在的缺陷有a.资源利用率低，主要指单用户独占模式；b.管理维护困难；c.成本高；d.数据安全性差；e.外设兼容性差；f.使用体验差(vdi模式)；g.前期成本投入高；因此，急需一种能够解决上述问题的低成本桌面虚拟化系统及运行方法。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种低成本桌面虚拟化系统及运行方法，通过将VDI和IDV架构进行整合，引入了本地显示节点和网络显示节点两种模式，克服了VDI架构中图像传输延迟、IDV架构资源利用率低的问题，当使用网络显示模式时：通过引入基于图像分块的纹理编码、解码降低了交互式场景下的图像显示延迟。当使用本地显示模式时：通过单个计算节点可以对应多个本地显示节点，相比于IDV模式提高了计算节点的资源利用率，由于图像直接显示到显示器，所以不存在像VDI模式那样的图像显示延迟。各个计算节点间的负载均衡调度策略为：若该虚拟机显示内容复杂且变化，则该虚拟机较其他虚拟机优先使用本地显示模式。以上方法带来的有利好处为：具有较低的图像显示延迟，相比较于VDI和IDV架构具有更低的硬件购置成本。

为实现上述目的，本发明提供一种低成本桌面虚拟化系统，包括至少两个输入单元，所述输入单元用于输入信息指令；计算节点，所述计算节点的数量至少为两个，所述计算节点用于对所述信息指令进行计算处理；所述计算节点和输入单元为多对多映射关系；显示节点，所述显示节点用于对计算节点计算处理后的信息进行图像显示；每一个显示节点至少连接有一个显示器；所述显示节点和计算节点通过路由器和交换机进行网络信息交互或通过数据线进行本地信息传输；若虚拟机显示内容复杂且变化，且目前计算节点和显示节点通过网络信息交互，则将该虚拟机热迁移到显示节点适配的计算节点上，然后进行本地显示；当计算节点和显示节点进行网络信息交互时，使用GPU对图像进行纹理编码、解码以降低交互式场景下的图像延迟。

优选的，所述输入单元包括鼠标和键盘。若为本地显示，单个计算节点外接多个显示器、键盘、鼠标等外设，各个外设间独立互不影响。分配为多个显示节点，供多个用户使用。节省了终端成本，并且图像直接显示，具有很高的用户体验(没有图像显示延迟)。

优选的，还包括存储单元，所述存储单元通过网络和计算节点连接，用于存储虚拟机和用户数据。

优选的，还包括虚拟化管理模块，所述虚拟化管理模块将对应的输入单元和显示器进行配套分组。虚拟化管理模块为虚拟化管理软件，主要负责管理用户的虚拟机、usb外设、用户参数、虚拟机热迁移、负载均衡等。

优选的，还包括瘦终端，所述瘦终端通过网络与计算节点连接，所述瘦终端还与至少一个显示器连接，所述瘦终端和多个显示器组成多个显示节点。

优选的，当显示节点和计算节点通过网络信息交互时，通过GPU对图像进行基于图像分块的纹理编码、网络传输、解码显示，进而降低交互式场景下的图像延迟。

还提供一种低成本桌面虚拟化运行方法，应用在上述的单机多用户桌面系统上，还包括以下步骤：

S1：输入单元接收到外界输入的信息指令，并传输给对应的计算节点；

S2：若虚拟机显示内容复杂且变化，且目前计算节点和显示节点通过网络信息交互，则将该虚拟机热迁移到显示节点适配的计算节点上，然后进行本地显示；当计算节点和显示节点进行网络信息交互时，使用GPU对图像进行纹理编码、解码以降低交互式场景下的图像延迟。

优选的，多个显示器和单个计算节点或者瘦终端通过显示器线直接连接时，将显示器和计算节点或者瘦终端共享为多个显示节点，采用以下步骤：显示器管理服务打开计算节点或瘦终端的显卡对应的drm(直接渲染管理器)设备获得文件描述符，并开启linux本地socket(套接字)服务端；然后各个显示器客户端进程向本地socket服务端请求drmmaster文件描述符，并利用该文件描述符配置对应的显示器及单独控制各个显示器的显示内容。计算节点中没有窗口管理系统(如wayland，x11)，虚拟机显示的内容通过linux系统的drm(直接渲染管理器)显示接口直接显示到显示器，从而每个显示器可以独立工作，各显示器间显示内容互不影响。并且直接显示到显示器不会存在显示延迟，如果经过显示窗口管理系统会增加额外的延迟。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过将VDI和IDV架构进行整合，引入了本地显示节点和网络显示节点两种模式，克服了VDI架构中图像传输延迟、IDV架构资源利用率低的问题，当使用网络显示模式时：通过引入基于图像分块的纹理编码、解码降低了交互式场景下的图像显示延迟。当使用本地显示模式时：通过单个计算节点可以对应多个本地显示节点，相比于IDV模式提高了计算节点的资源利用率，由于图像直接显示到显示器，所以不存在像VDI模式那样的图像显示延迟。各个计算节点间的负载均衡调度策略为：若该虚拟机显示内容复杂且变化，则该虚拟机较其他虚拟机优先使用本地显示模式。以上方法带来的有利好处为：具有较低的图像显示延迟，相比较于VDI和IDV架构具有更低的硬件购置成本。

附图说明

图1为本发明的整体结构框架图；

图2为本发明的本地显示步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1：请参阅图1，本发明公开了一种低成本桌面虚拟化系统，包括存储单元(可选)、路由器和交换机、PC1和PC2为计算节点(普遍场景为普通计算机PC)、虚拟化管理软件；图1中的u1、u2...u8组成部分为：鼠标、键盘、显示器、usb外设(usb声卡、usb打印机等)，终端用户界面软件(负责管理本用户对应的虚拟机、usb外设，用户参数等)；thin1、thin2为瘦终端(不作为计算节点)，接收计算节点发送过来的图像数据进行显示。根据配置不同可接1个或多个显示器。

实施例2：请参阅图1，本实施例的系统工作方式如下：

1.每一个终端用户需要至少对应一个虚拟机操作系统(由管理员分配或用户自己创建)和必要的硬件资源(鼠标、键盘、显示器)。如果这些硬件资源连接在计算节点上，这些硬件资源由管理员通过虚拟化管理软件进行管理和分配。

2.用户通过用户端界面软件向虚拟化管理系统请求操控用户对应的虚拟机(包括开机、关机、暂停、修改配置等操作)。单个用户只能使用自己对应的鼠标、键盘、显示器等外设。

3.虚拟化管理系统根据各个计算节点资源使用情况决定在哪个计算节点上运行用户的虚拟机：

计算节点选择方式如下：(计算资源包括cpu、内存、网络、存储、gpu等)

A.虚拟机开启机阶段：

判断用户当前使用的显示器是否物理连接在计算节点上并且该计算节点的计算资源是否充足？如果连接在计算节点上且计算节点资源充足则用户请求的虚拟机优先运行在该计算节点上(因为如果计算和显示不在同一个主机上进行图像传输将会消耗部分资源，计算和显示在同一个主机资源消耗最少)。如果没有连接在计算节点上或者计算节点的计算资源不充足则在其他所有计算节点中选择一个计算资源充足的节点运行该虚拟机。

B.虚拟机运行阶段：

主要判断标准为：如果某个虚拟机的显示图像复杂并且显示图像经常更新(如播放视频、运行游戏等)，则该虚拟机优先于其他虚拟机运行在该用户使用的显示器对应的计算节点上。

a.假设场景如下：u1对应的虚拟机和u2对应的虚拟机都运行在pc1节点上，u1对应的虚拟机正在运行大型游戏(占用了pc1的大部分计算资源)，u2对应的虚拟机正在使用word，这时候会把u2对应的虚拟机热迁移到其他空闲的计算节点上(如：pc2)，然后u2的显示模式由本地显示模式切换到网络显示模式，u2对应的虚拟机对应的显示还是在原来的显示器上，只是计算节点迁移，没有迁移显示节点。

b.假设场景如下：u1对应的虚拟机原来运行在pc2计算节点上，该虚拟机突然运行大型游戏(由于游戏对视频编码传输资源占用较高)。那么虚拟化管理软件会将u1对应的虚拟机在线热迁移到pc1计算节点，然后u1的显示模式由网络显示模式切换为本地显示模式。

实施例3：本实施例中，请参阅图2，将显示器和计算节点或者瘦终端共享为多个显示节点(非显卡透传模式)步骤如下：

a.硬件功能如下：假设该主机有两张独立显卡，每张显卡上有两个显示接口，那么该主机可以接四个显示器，可共享为四个显示节点，并且可以通过usb接口接四个鼠标、键盘。

b.虚拟化管理软件将每一个显示器、鼠标、键盘分配为一组。计算节点中没有窗口管理系统(如wayland，x11)，虚拟机显示的内容通过linux系统的drm显示接口直接显示到显示器，从而每个显示器可以独立工作，各显示器间互不影响。并且直接显示到显示器不会存在延迟，如果经过显示窗口管理系统会增加额外的延迟。

由于linux系统的drm api接口一张显卡只能有一个drm master，并且只有drmmaster才能控制显示器显示的内容。如下内容为如何利用linux本地socket可以在多个进程间共享文件描述符，并使用drm接口将各个显示器独立开来：

1.显示器管理服务打开显卡对应的drm设备(此时是drm master)获得文件描述符，并开启linux本地socket服务端

2.各个虚拟化进程向本地socket服务端请求drm master文件描述符，并利用该文件描述符配置对应的显示器。

实施例4：如果显示节点和计算节点不在同一个pc上时，显示图像经过gpu纹理编码、网络传输、纹理解码显示：

1.当前帧和上一帧图像比较获得当前帧变化的图像a1和图像位置

2.将图像a1进行分块，对每个分块计算dhash值

3.根据每个图像分块在各帧间出现的次数进行计数，每隔一段时间后保留出现次数较多的Dhash(差异值哈希)值，其余dhash值丢弃。根据dhash值生成Vp-tree(近邻搜索之制高点树)

4.将图像a1的各分块的dhash值在Vp-tree中查找，如果存在则将图像a1中对应位置图像设置为黑色，并记录分块dhash和位置为a2.

5.判断图像大小，以及对图像a1进行梯度计算判断图像复杂度，

6.如果图像复杂度较低或者图像较小，直接使用cpu对图像a1进行lz4编码c1。

7.如果图像复杂度高，使用gpu对图像a1进行astc(自适应可伸缩纹理压缩)纹理快速编码获得图像d1，然后对d1使用cpu进行lz4编码获得图像c1

8.对c1和a2进行网络传输

9.终端接受到c1进行lz4解码获得图像a1或者纹理d1，如果为纹理d1，则解码纹理获得图像a1。将a1图像添加到本地图像缓存中。

10.终端接受到a2(分块的dhash和位置)，然后根据dhash在Vp-tree中查找图像缓存e1

11.将图像缓存e1及其位置、a1和上一帧图像合成后进行显示

12.客户端：遍历所有本地图像缓存中的图像，如果该图像不在Vp-tree中，则将该图像从本地图像缓存中删除。

bc1、bc7或astc纹理快速编码算法参考ISPC Texture Compressor.pdf。当使用网络显示模式时，计算节点利用gpu对图像进行纹理编码，终端利用gpu进行纹理解码，降低了交互式场景下的图像传输延迟。引入了使用gpu对图像进行纹理压缩。1920x1080分辨率下，纹理编码延迟普遍低于1毫秒，独立显卡或pc芯片上的集成显卡纹理解码延迟普遍低于1ms.arm芯片上的gpu解码纹理延迟普遍在2-6ms，所以使用纹理方式对交互式场景下的图像编码解码能够带来极低的延迟，从而提高用户使用流畅度，并且服务器编码端和终端都具有较低的成本。使用gpu编码而非cpu编码，降低了cpu负载，使用gpu对图像进行纹理编码、解码，相比较于h264类视频编码具有更低的延迟，更低的成本和更多的同时编码通道数量。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，专利所涉及的技术方法，均属于本专利的保护范围，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低成本桌面虚拟化系统，其特征在于，包括：

至少两个输入单元，所述输入单元用于输入信息指令，输入单元接收到外界输入的信息指令，并传输给对应的计算节点；

计算节点，所述计算节点的数量至少为两个，所述计算节点用于对所述信息指令进行计算处理；所述计算节点和输入单元为多对多映射关系；

显示节点，所述显示节点用于对计算节点计算处理后的信息进行图像显示；每一个显示节点至少连接有一个显示器；所述显示节点和计算节点通过路由器和交换机进行网络信息交互或通过数据线进行本地信息传输；

若虚拟机显示内容复杂且变化，且目前计算节点和显示节点通过网络信息交互，则将该虚拟机热迁移到显示节点适配的计算节点上，然后进行本地显示；当计算节点和显示节点进行网络信息交互时，使用GPU对图像进行纹理编码、解码以降低交互式场景下的图像延迟；

多个显示器和单个计算节点或者瘦终端通过显示器线直接连接时，将显示器和计算节点或者瘦终端共享为多个显示节点，具体包括显示器管理服务打开计算节点或瘦终端的显卡对应的drm设备获得文件描述符,并开启linux本地socket服务端；然后各个显示器客户端进程向本地socket服务端请求drm master文件描述符，并利用该文件描述符配置对应的显示器及单独控制各个显示器的显示内容。

2.根据权利要求1所述的一种低成本桌面虚拟化系统，其特征在于，所述输入单元包括鼠标和键盘的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种低成本桌面虚拟化系统，其特征在于，还包括存储单元，所述存储单元通过网络和计算节点连接，用于存储虚拟机和用户数据。

4.根据权利要求1所述的一种低成本桌面虚拟化系统，其特征在于，还包括虚拟化管理模块，所述虚拟化管理模块将对应的输入单元和显示器进行配套分组。

5.根据权利要求1所述的一种低成本桌面虚拟化系统，其特征在于，还包括瘦终端，所述瘦终端通过网络与计算节点连接，所述瘦终端还与至少一个显示器连接，所述瘦终端与多个显示器组成多个显示节点。