CN102387123B - 一种优化x协议的远程桌面系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种优化X协议的远程桌面系统和方法，系统包括：X客户端、X客户端代理模块、X服务端代理模块、X服务端和X桌面显示；X客户端代理模块和X服务端代理模块都包括连接模块、预处理模块、缓存管理模块、压缩管理模块和编解码模块。在X窗口系统中添加了X服务端代理模块和X客户端代理模块，并由这两个模块对现有的X协议进行压缩和优化，优化后的X系统不需要修改原有的X窗口系统的程序和代码，所添加的X服务端代理模块模拟X客户端，X客户端代理模块模拟X服务端，同时由这两个模块对X协议进行优化，因此本发明优化后的系统对现有的X窗口系统是透明的，并且去除了很多X的弊端，避免了对大数据的重复发送，消除了X协议中的消息轮询等。

Description

一种优化X协议的远程桌面系统和方法

技术领域

本发明涉及一种远程桌面系统和方法，尤其是一种对X协议进行优化的远程桌面系统和方法。

背景技术

随着虚拟化和云计算的发展，用户对高效远程桌面的需求日益增加。但是，传统的VNC、XDMCP等远程桌面方法有很多不足之处，它们没有采用数据压缩，速度慢，图像传输有明显的滞后感，并且一般没有加密，安全性差。而且，目前国内互联网的带宽较低，传统的VNC等方法根本无法满足用户的基本需求，如何在低带宽环境中提供流畅的桌面连接，已经成为云计算，特别是公有云，发展的一个瓶颈。

在网络带宽不足背景下，高效远程桌面技术再次得到人们的重视。高效远程桌面技术必须具备以下特点：对网络带宽要求低，对传输数据进行高效压缩，能利用缓存机制减少数据交互，对传输数据进行有效的加密，从而为终端用户提供快速、安全、稳定的桌面连接服务。这样用户使用性能较差的终端，在网络环境较差的环境下，也能随时随地连接到云平台中，充分发挥云计算的优势。

本发明在Linux下的X窗口系统的基础上设计了一种针对X协议的系统并根据该系统提出了相应的优化方法，该发明满足了高效远程桌面的基本要求。

X窗口系统(X Window System)是Linux下一个面向网络、硬件独立的图形窗口系统。附图1给出了现有的X窗口系统的基本结构，用户通过显示器获得应用程序的输出，用户的输入是通过键盘和鼠标。通常把显示器和输入设备称之为一个显示(display)。一个显示由一个X服务(X server)进行管理。X服务端从应用程序(X客户端)获得请求，并执行相应的操作。比如，一个典型的X客户端请求：在显示器上画一个屏幕。X服务端接收到该请求，把请求参数转换为像素，并输出到显示器上。对请求的回复，错误报告和事件(比如鼠标移动，键盘)都会从X服务端发送到X客户端。

在X11(X桌面的版本)中，客户和服务器之间的交互是通过协议而不是函数调用，这套协议被称之为X协议(X protocol)为了让开发人员从X协议中隔离出来，开发了Xlib。Xlib是用C实现，提供对X的接口。使用Xlib，程序开发人员无需了解X协议，如同开发一个没有基于网络的桌面窗口系统。X协议定义了X窗口系统，任何代码只要实现了X协议那么就是一个X窗口系统。

现有的X协议信息交互示意图如附图3所示，X协议定义了四种类型的消息：

请求(request)：通过请求，X客户端要求X服务端完成一些工作(比如画一条线)或者返回一些信息(比如某个属性的名字)；

回复(replies)：回复从X服务端发回给X客户端，作为对特定请求的回答；

事件(events)：当X服务端需要向X客户端报告一个状态的改变(比如鼠标的移动或之前请求的其他效果)，它就会向X客户端发送一个事件；

错误(errors)：如果X服务端按照X客户端的请求发生一个错误，就向X客户端发送一个错误消息。

虽然X协议是基于网络的，但是它在设计上考虑的并不充分，对带宽的需求较大，在机器内部和局域网内带宽大、网络延迟小，X协议的弊端不明显。但是，在广域网中，X协议就难以胜任。X协议本身并不是一个轻量级的远程桌面协议，不适合直接作为云计算环境下的桌面连接技术。

发明内容

基于上述原因，本发明旨在对X协议进行压缩和优化的方式解决该问题，而同时不需要修改X窗口系统的源代码。

本发明通过对X协议中传输的数据进行压缩、缓存、重编码等方法减少对带宽的需求，从而对现有的远程桌面协议进行改进和优化。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于X窗口系统的压缩优化系统，包括：

X客户端，包括X运行库和应用程序或桌面会话；

X客户端代理，和X客户端相连，用于模拟X服务端，同时对X协议进行优化，并把优化后的数据发送给X服务端代理模块；

X服务端代理，和X服务端相连，用于模拟X客户端，同时对X协议进行优化，并把优化后的数据发送给X客户端代理模块；

X服务端。

其中所述的X客户端代理模块和服务代理模块均包括：连接模块：使X客户端和/或服务端和X服务端和/或客户端代理模块进行连接；对X协议进行分析的预处理模块；缓存X协议消息中固定的大数据块的缓存管理模块；对消息中的数据进行压缩或解压的压缩管理模块；及编解码模块：负责对优化后的X协议消息编码，封装成用于网络传输的消息，同时能够对网络传输中接收到的被封装消息解码，还原成原有的X协议消息。

所述压缩管理模块使用基于哈希预测的压缩方法或基本压缩方法。

另外，该X服务端接设有X桌面显示，该X桌面显示包括鼠标、键盘和显示器。X服务端对X桌面显示中涉及的硬件进行了封装，具有统一的硬件独立层接口，这使得X服务端非常容易移植到新的硬件平台上。本发明是在X窗口系统的基础上对X协议进行压缩和优化，有关硬件的操作均由X窗口系统本身进行处理的，如此本发明可以复用X窗口系统原有的功能和架构。

应用如上所述的优化X协议的远程桌面系统的方法，其中，

X客户端向X服务器端发送请求的步骤包括：

(一)，X客户端发送请求消息，

(二)，X客户端代理模块对消息进行压缩，

(三)，X客户端代理模块通过网络向X服务端代理模块发送经过优化、压缩后的消息数据，X服务端代理模块接收该消息数据，

(四)，X服务端代理模块对压缩后的数据进行解压缩，

(五)，X服务端代理模块把还原后的X协议格式的消息发送给X服务端，

(六)，X服务端接收到请求消息后，执行相应的操作；

而X服务端向X客户端发送回复消息、错误消息的步骤也与上述步骤相同，只是消息流的方向为：从X服务端到X服务端代理模块，再到X客户端代理模块，最后X客户端。

另外，当对X协议的请求消息进行优化时，该消息由上至下依次经过X客户端代理模块中的6个层次，即：与X协议交互层、预处理层、缓存管理层、基本压缩层、哈希预测压缩层和传输层；当优化后的消息传递到X服务端代理模块时，该消息又由下至上经过X服务端代理模块的6个层次，即：传输层、哈希预测压缩层、基本压缩层、缓存管理层、预处理层和与X协议交互层，最终还原成原始的X协议请求消息，并把该消息发送给X服务端；而X协议的回复、事件、错误信息的流向是从X服务端代理到X客户端代理，和X协议请求消息的流向相反。

本发明详细实施步骤为：

步骤一，当X客户端发送请求消息时，X客户端代理模块中的与X协议交互层接收到该消息，并对该消息进行分析，开始交由其他各层进行消息的压缩和编码；

步骤二，X客户端代理模块中的预处理层根据不同的消息类型分类进行分析、编码预处理；

步骤三，X客户端代理模块中的缓存管理层将X消息中包含的较大的固定数据块，存储到缓存池中，这样，该数据块只需发送一次，以后可以从缓存池中取得该数据块；

步骤四，X客户端代理模块中的基本压缩层和哈希预测压缩层对消息中的数据进行压缩，以步骤二、三的结果作为输入，基本压缩层对图形、图像进行压缩；哈希预测压缩层采用一种基于哈希预测模型的压缩方式；

步骤五，经过上述步骤后，X客户端代理模块中的传输层通过网络向X服务端代理模块发送经过优化、压缩后的消息数据；X服务端代理模块中的传输层接收该消息数据；

步骤六，X服务端代理模块中的基本压缩层和哈希预测压缩层对接收到的消息数据进行解压缩；

步骤七，X服务端代理模块中的缓存管理层同步缓存池；

步骤八，X服务端代理模块中的预处理层把消息还原为X协议格式的消息；

步骤九，X服务端代理模块中的与X协议交互层把还原后的X协议格式的消息发送给X服务端；

步骤十，X服务端接收到请求消息后，执行相应的操作，根据请求消息的类型，X服务端发送回复消息、错误消息。

综上所述，本发明具有以下优点：

1)在现有X窗口系统中添加了X服务端代理模块和X客户端代理模块，并由这两个模块对现有的X协议进行压缩和优化，本发明优化后的X系统不需要修改原有的X窗口系统的程序和代码，所添加的X服务端代理模块模拟X客户端，X客户端代理模块模拟X服务端，同时由这两个模块对X协议进行优化，因此本发明优化后的系统对现有的X窗口系统是透明的；

2)本发明使用了多种压缩方法：消除了X协议中的冗余编码；对大数据使用了缓存池；使用基于哈希预测的压缩方法，大幅地提高了压缩率；对不同的消息采用不同的压缩算法，比如对图片采用ZLIP方法；

3)本发明去除了很多X的弊端，避免了对大数据的重复发送，消除了X协议中的消息轮询等。

附图说明

图1为现有的X窗口系统结构图；

图2为本发明优化后的X窗口系统结构图；

图3为现有的X协议信息交互示意图；

图4为本发明优化后的X协议信息交互示意图；

图5为本发明优化后的X协议层次图；

图6为本发明中哈希预测压缩算法使用的前端列表实例图；

图7为本发明中哈希预测压缩算法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明所采用的技术、手段及其优点，现举优选实施例并配合附图详述如后，此仅供说明之用，在专利申请上并不受此种结构的限制。

附图2为本发明优化后的X窗口系统的结构图。如图2所示，X客户端代理模块21和X服务端代理模块22都包含连接模块(211或221)、预处理模块(212或222)、缓存管理模块(213或223)、压缩管理模块(214或224)和编解码模块(215或225)。本发明是对X协议消息进行压缩优化，虽然X客户端代理模块和X服务端代理模块中的子模块是一样的，但是当X协议消息流的方向不同时，X客户代理模块和X服务端代理模块中对应各个子模块的功能是不同的。比如，当X客户端发送请求消息时，X客户端代理模块中的压缩管理模块的任务是对消息进行压缩，相反的，在X服务端代理模块中的压缩管理模块的任务是对压缩后的数据进行解压缩。下面先介绍一下各个子模块的功能。

连接模块(211或221)负责连接本发明系统和X窗口系统的连接。比如，X客户端代理模块中的连接模块一方面和X客户端相连，按照X协议标准进行消息传输；另一方面和X服务端代理模块相连，把经过压缩优化X协议后的消息进行传输。

预处理模块(212或222)负责对X协议进行一些简单的处理，比如，当X客户端发送请求消息时，X客户端代理模块中的预处理模块会根据X协议消息的内容进行相应的协议分析、重编码、确定要采取的压缩方式等。

缓存管理模块(213或223)用于缓存X协议消息中固定的大数据，比如图标、桌面等。并使用该数据的MD5值作为其标识，主要功能包括查找、添加、删除大数据。

压缩管理模块(214或224)负责对数据进行压缩和解压缩，该模块包括：使用ZLIB对图形、图像进行压缩和使用基于哈希预测对其它消息数据的压缩。

编解码模块(215或225)用于把优化后的X协议消息封装成用于网络传输的消息，同时可以把从网络传输中接受到的被封装后的消息进行解码。经过编码的消息中明确了消息的类型，消息是否存在于缓存中，消息在哈希预测压缩算法中的编码值等信息。

如附图5所示，本发明的X客户端代理模块21和X服务端代理模块22对X协议的优化过程可以抽象为6个层次，即当对X协议的请求消息进行优化时，该消息由上至下依次经过X客户端代理模块中的6个层次，即与X协议交互层101、预处理层102、缓存管理层103、基本压缩层104、哈希预测压缩层105和传输层106，当优化后的消息传递到X服务端代理模块时，该消息又由下至上经过X服务端代理模块的6个层次，即传输层206、哈希预测压缩层205、基本压缩层204、缓存管理层203、预处理层202和与X协议交互层201，最终还原成原始的X协议请求消息，并把该消息发送给X服务端。而X协议的回复、事件、错误信息的流向是从X服务端代理到X客户端代理，和X协议请求消息的流向相反。同时，在对某条消息的优化过程中，X客户端代理模块和X服务端代理模块中同层次的功能是相反的。比如，消息发送方的预处理层使用1bit替换Boolean类型的数据，Boolan类型需要8bit，而在消息接受方的预处理层会把该1bit的数据还原成Boolean类型的数据。下面按照消息的流向介绍各个层次的功能。

当X客户端11发送X协议请求消息时，X客户端代理模块21中的与X协议交互层101接收到该消息，并交由下面各层对该消息进行压缩优化处理：

预处理层102的任务包括：

1)只发送真实的数据字段。许多X消息，特别是由X服务端产生的事件消息为了使消息达到固定的长度，包含许多无用的填补数据。该层会把这些无用消息略去；

2)对那些只使用了少数几种值的字段，本层使用最小的比特数。比如，在一些消息中包含了Boolean值，而X协议的Boolean值使用一个字节的长度表示。本发明只使用一个比特，0为假，1为真。某些消息中包含枚举值，比如X_PutImage请求中的format字段有8比特，但是只有3个值0，1，2。本发明只使用两个比特表示这个字段；

3)有些字段的取值范围很大，但是通常只使用一些较小的值，本层采用一种偏向较小数值的编码方式。比如，X_QueryExtension请求，它包含一个名字长度的字节，有16比特长，最大能表示65535，但是在实际中，它从来没有使用过这么大的数值，只使用了LBX，MIT_SHM等短名字。这些名字的长度应该可以使用较少的比特进行编码。为此，本发明采用了一种“块编码”(block encoding)技术：它先向输出流中写入低n个比特位，如果所有剩余的比特和第n个比特相同，它就向输出流写入1，然后停止；如果不同，就向输出流写入0，然后后面n个比特重复上述过程，直到所有的比特都已经编码或者剩余的比特和最后的第n位比特相同；

4)对一些字段，比如，在回复、事件、错误消息中的序列号，这些数一直在增长，直到超过65536。但是，当前序列号与之前最后一个序列号的差值通常较小，在大部分的情况下都为1。因此，本层使用差值表示该类型的数值。

缓存管理层103的任务包括：某些消息包含一些较大的数据块，这些数据块的内容相同。比如，大部分的X客户端应用程序会向X服务端询问所有的X资源，X服务端随后发送一份所有X资源的数据。本层会把这些数据缓存下来，并使用MD5计算数据的checksum(数据的标识)并把它作为数据的标识。下次只需要发送数据标识，就可以直接从缓存池中获得该数据，而不用发送数据块本身。

基本压缩层104的任务包括：使用成熟的压缩算法如ZLIB对图形、图像进行压缩。在消息的接收方的基本压缩层204再进行解压缩。

哈希预测压缩层105的任务包括：对很多类型的消息而言，每个字段和之前同类型字段相同的可能性很高。比如，所有geometry请求包含一个图形上下文(Graphics Context，GC)作为其一个字段。GC是一个32为比特的数值，尽管X协议规定高3位的比特为0。因此GC的值最高位5亿，但是大多数的程序只使用了很少的一部分，因此，GC的值经常和之前请求中的GC字段的值相同。这种特性也适用于X消息的其它类型的数据，比如font，colors，Window IDs和坐标。

为此，本层使用一种基于哈希预测的压缩方法。附图6是哈希预测压缩方法中使用的哈希前端列表的示例图，附图7是哈希预测压缩算法的流程图，下面结合这两张附图描述本发明的哈希预测压缩算法。

对具有这类属性的字段，本层使用一个前端列表保存该字段最近的值。当发送一个字段时，本发明首先尝试从其对应的前端列表中查找，如果没有找到就把该值插入到前端列表中，如果该值在前端列表中，记录该值匹配的索引值index。如果该值在前端列表中，其编码长度为n+1，其中n为该值在列表中距前端列表表头的距离，即索引值。如果该值在表头中，就使用一个比特进行编码，如果索引为1，编码长度为2个比特。随后把该值移动到index/2的位置，这样当下次要发送该数值时，就可以使用更少的比特位进行编码。这里核心思想是：如果某数值经常被发送，那么该数值在前端列表中的位置就越靠前，这样它需要的编码比特位也越少。如果该值没有在前端中，就把该值加入到前端列表中，随后发送该值的索引值和该值的编码。

下面结合附图7描述哈希预测压缩的流程，首先输入待压缩的数据(步骤S1)，根据该数据所属的消息类型及字段计算其哈希值(步骤S2)，并使用该哈希值获取该数据对应的前端列表(步骤S3)，然后再这个列表中查找待压缩的数据(步骤S4)。接着，判断是否找到该数据(步骤S5)，如果找到该数据，则记录其匹配的索引号(步骤S6)，随后更新前端列表(步骤S7)；如果没有找到该数据，就把该数据加入到前端列表的尾部(步骤S6’)，并记录索引值(步骤S7’)。哈希预测压缩的流程主要是对前端列表进行操作，并利用前端列表中数据的索引值进行编码，同时要保证X客户代理模块和X服务代理模块中的前端列表保持一致，这种小巧而紧凑的编码方式使本发明达到了很高的压缩率。

传输层106的任务包括：负责把优化压缩后的编码通过网络发送到对应的X服务端代理模块22中。

当经过压缩优化的X协议消息到达X服务端代理模块22中时，传输层206负责接收消息，哈希预测压缩层205进行该层的解压缩，如果该数据在前端列表中，就根据接收到的索引值从前端列表中取得该数据，并更新前端列表，把该值的索引值向前移动一半，保持和X客户端代理模块中的前端列表保持一致。如果数据使用了ZLIB进行压缩，那么基本压缩层204就会对该数据进行解压缩。如果传输的数据是固定值，并且接收到了该数据的标识，那么在缓存管理层203中就可以根据该标识获得该数据。在数据预处理层202，把之前进行的预处理反转过来。通过以上处理，就可以把压缩优化后的X协议消息还原为原有的X协议消息，然后与X协议交互层201把该消息发送给X服务端12。

这样就完成了对X请求消息的压缩和优化。X协议的回复、事件和错误消息的优化处理过程和上面的过程类似，只是消息流的方向相反，这里不再复述。

Claims (8)

1.一种优化X协议的远程桌面系统，其特征在于，所述系统包括：

X客户端，包括X运行库和应用程序或桌面会话；

X客户端代理模块，和X客户端相连，用于模拟X服务端，同时对X协议进行优化，并把优化后的数据发送给X服务端代理模块；

X服务端代理模块，和X服务端相连，用于模拟X客户端，同时对X协议进行优化，并把优化后的数据发送给X客户端代理模块；以及

X服务端；

所述X客户端代理模块和服务端代理模块均包括：

连接模块：使X客户端和/或服务端和X服务端和/或客户端代理模块进行连接；

对X协议进行分析的预处理模块；

缓存X协议消息中固定的大数据块的缓存管理模块；

对消息中的数据进行压缩或解压的压缩管理模块；

编解码模块：负责对优化后的X协议消息编码，封装成用于网络传输的消息，同时能够对网络传输中接收到的被封装消息解码，还原成原有的X协议消息。

2.如权利要求1所述的优化X协议的远程桌面系统，其特征在于：所述压缩管理模块使用基于哈希预测的压缩方法或基本压缩方法。

3.如权利要求1或2 所述的优化X协议的远程桌面系统，其特征在于：该X服务端接设有X桌面显示，该X桌面显示包括鼠标、键盘和显示器。

4.应用如权利要求1-3任一项所述的优化X协议的远程桌面系统的方法，其特征在于，

X客户端向X服务端发送请求的步骤包括：

（一），X客户端发送请求消息，

（二），X客户端代理模块对消息进行压缩，

（三），X客户端代理模块通过网络向X服务端代理模块发送经过优化、压缩后的消息数据，X服务端代理模块接收该消息数据，

（四），X服务端代理模块对压缩后的数据进行解压缩，

（五），X服务端代理模块把还原后的X协议格式的消息发送给X服务端，

（六），X服务端接收到请求消息后，执行相应的操作；

而X服务端向X客户端发送回复消息、错误消息的步骤也与上述步骤相同，只是消息流的方向为：从X服务端到X服务端代理模块，再到X客户端代理模块，最后到X客户端。

5.如权利要求4所述的优化X协议的远程桌面的方法，其特征在于，当对X协议的请求消息进行优化时，该消息由上至下依次经过X客户端代理模块中的6个层次，即：依次经过与X协议交互层、预处理层、缓存管理层、基本压缩层、哈希预测压缩层和传输层；当优化后的消息传递到X服务端代理模块时，该消息又由下至上经过X服务端代理模块的6个层次，即：依次经过传输层、哈希预测压缩层、基本压缩层、缓存管理层、预处理层和与X协议交互层，最终还原成原始的X协议请求消息，并把该消息发送给X服务端；

而X协议的回复、事件、错误信息的流向是从X服务端代理模块到X客户端代理模块，和X协议请求消息的流向相反。

6.如权利要求4所述的优化X协议的远程桌面的方法，其特征在于，所述X客户端代理模块和服务端代理模块中包括：

连接模块，一方面和X客户端或X服务端相连，按照X协议标准进行消息传输；另一方面和X服务端代理模块或X客户端代理模块中连接模块相连，按照经过压缩优化X协议后的消息进行传输；

预处理模块，根据X协议消息的内容进行相应的协议分析、重编码、确定要采取的压缩方式；

缓存管理模块，用于缓存X协议消息中固定的大数据，使用该数据的MD5值作为其标识，主要功能包括查找、添加、删除大数据；

压缩管理模块，使用ZLIB对图形、图像进行压缩和使用基于哈希预测对其它消息数据的压缩；

编解码模块，用于把优化后的X协议消息封装成用于网络传输的消息，同时能够把从网络传输中接收到的被封装后的消息进行解码，经过编码的消息中明确了消息的类型，并可明确消息是否存在于缓存中，以及消息在哈希预测压缩算法中的编码值信息。

7.如权利要求4、5或6所述的优化X协议的远程桌面的方法，其特征在于，压缩操作中，使用ZLIB对图形及/或图像进行压缩，使用哈希预测的压缩方法对其它消息数据压缩。

8.如权利要求7所述的优化X协议的远程桌面的方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一，当X客户端发送请求消息时，X客户端代理模块中的与X协议交互层接收到该消息，并对该消息进行分析，开始交由其他各层进行消息的压缩和编码；

步骤二，X客户端代理模块中的预处理层根据不同的消息类型分类进行分析、编码预处理；

步骤三，X客户端代理模块中的缓存管理层将X消息中包含的较大的固定数据块，存储到缓存池中，这样，该数据块只需发送一次，以后能够从缓存池中取得该数据块；

步骤四，X客户端代理模块中的基本压缩层和哈希预测压缩层对消息中的数据进行压缩，以步骤二、三的结果作为输入，基本压缩层对图形、图像进行压缩；哈希预测压缩层采用一种基于哈希预测模型的压缩方式；

步骤五，经过上述步骤后，X客户端代理模块中的传输层通过网络向X服务端代理模块发送经过优化、压缩后的消息数据；X服务端代理模块中的传输层接收该消息数据；

步骤六，X服务端代理模块中的基本压缩层和哈希预测压缩层对接收到的消息数据进行解压缩；

步骤七，X服务端代理模块中的缓存管理层同步缓存池；

步骤八，X服务端代理模块中的预处理层把消息还原为X协议格式的消息；

步骤九，X服务端代理模块中的与X协议交互层把还原后的X协议格式的消息发送给X服务端；

步骤十，X服务端接收到请求消息后，执行相应的操作，根据请求消息的类型，X服务端发送回复消息及/或错误消息。

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