CN105391652A - 基于usb重定向实现usb设备网络共享的系统及方法 - Google Patents

基于usb重定向实现usb设备网络共享的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统及方法，涉及虚拟化与云计算领域。该系统包括用户管理主机和虚拟化平台，虚拟化平台包括至少2个节点，一个节点作为控制节点，其余节点作为计算节点，每个计算节点设有至少一台虚拟机；虚拟化平台中所有节点均用于模拟虚拟的USB设备，用作提供USB设备的服务端或接受USB设备的客户端，某一节点下的USB设备能通过Passthough模型分配给该节点下的虚拟机使用，还能通过网络共享到其他节点下的虚拟机。本发明能与现有的Passthrough模型结合使用，实现整个资源池中USB设备的共享，解决了虚拟机迁移时USB设备不能迁移的问题，操作简单方便。

Description

基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统及方法
技术领域
本发明涉及虚拟化与云计算领域，具体是涉及一种基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统及方法。
背景技术
在云计算虚拟化场景中，虚拟机通常运行在物理服务器上，物理服务器放置在中心机房，用户通过浏览器或客户端登录管理界面对虚拟机进行管理。为了简化系统维护管理，提高系统负载均衡，增强系统错误容忍度和优化系统电源管理，或者当服务器的硬件资源不足时，需要将当前服务器上的虚拟机，迁移到环境相同的另一台服务器上，保证虚拟机能正常使用，更希望不需要重新分配USB(UniversalSerialBUS，通用串行总线)设备，虚拟机就能使用原来的USB设备。
目前的虚拟机只能使用其所在服务器上的USB设备，通过Passthrough模型将设备独占式地分配给指定的客户域，使该域具有最高的I/O(Input/Output，输入输出)访问性能。
Pass-through模型具有以下优点：
(1)不需要模拟设备进行请求转换，故访问速度高；
(2)客户机能根据最新硬件，加载对应驱动，可充分发挥新硬件功能；
(3)客户机可以直接操纵硬件设备，提高I/O性能。
当把虚拟机从源服务器迁移到目的服务器后，如果虚拟机要使用源服务器上的USB设备，必须到机房把USB设备从源服务器上拔下来，插到当前虚拟机所在的服务器，再重新分配。现有的USB设备无法随虚拟机的迁移一起迁移，使得用户操作变得繁琐。
目前，业界一般是采用USB/IP方式来实现USB设备网络共享。参见图1所示，在client端，VHCIDriver相当于USB主机控制器，主要用于USB虚拟的attachment(分配)和detachment(移除)，并能初始化远端的USB设备。在server端，StubDriver相当于USBper-devicedriver。Stubdriver可以将USB/IP请求解析为USB请求，并提交到真正的USB设备。
通常将插有USB设备的服务器当作server端，将目的虚拟机当成client端使用。这样，服务器就需要添加服务端的功能模块，虚拟机需要添加客户端的功能模块。而且服务端开启一个守护进程，等待客户端的连接，虚拟机的内核也要满足一定要求，这样就限制了USB设备网络共享的作用范围，而且增加了资源的损耗。
给每个节点添加支持USB/IP的所有功能模块，这样每个节点既能被当成服务端使用，也能被当成客户端使用。采用USB/IP方式实现USB设备网络共享，可以将USB设备从一个节点映射到另一个节点，然后通过USB本地共享(Passthrough)分配给节点下的虚拟机。
但是，发明人发现：通过USB/IP方式实现USB设备网络共享后，共享的USB设备不能再经过Passthrough分配给虚拟机使用，导致基于USB/IP实现USB设备网络共享的方法无法与Passthrough模型结合使用。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统及方法，能够与现有的Passthrough模型结合使用，实现整个资源池中USB设备的网络共享，服务器上的USB设备不仅能被分配到当前节点下的虚拟机使用，而且能够被其他节点下的虚拟机使用，迁移虚拟机时，无需重新拔插和分配USB设备，操作简单方便。
本发明提供一种基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统，该系统包括用户管理主机和虚拟化平台，虚拟化平台包括至少2个结构相同的节点，其中的一个节点作为控制节点，其余节点作为计算节点，每个计算节点设置有至少一台虚拟机；用户管理主机通过互联网与控制节点相连，控制节点通过内部网络与所有计算节点相连；所述虚拟化平台中的所有节点均用于模拟虚拟的USB设备，用作提供USB设备的服务端或接受USB设备的客户端，不再作为单一的服务端或客户端使用；某一节点下的USB设备不仅能通过Passthough模型分配给该节点下的虚拟机使用，而且还能通过网络共享到其他节点下的虚拟机，实现整个资源池中USB设备的共享；但是，同一时刻，一个USB设备只能被一台虚拟机占用。
在上述技术方案的基础上，所述虚拟化平台中的每个节点都包括USB重定向单元、虚拟化管理单元、内部通讯单元、USB设备处理单元，其中：
所述USB重定向单元用于实现对物理USB设备的直接管理，将USB设备重定向到不同的虚拟机；
所述虚拟化管理单元用于模拟虚拟机的设备，为虚拟机提供运行环境；
所述内部通讯单元包括内部通讯发送模块、内部通讯接收模块，内部通讯发送模块用于将本节点上的数据包发送至目标节点；内部通讯接收模块用于接收其他节点发送的数据包；
所述USB设备处理单元用于将USB设备映射到虚拟机上，使得虚拟机使用远端的USB设备就像使用本地的USB设备一样。
在上述技术方案的基础上，所述USB重定向单元的核心模块用于数据的真实传输、对USB读写事件的处理。
在上述技术方案的基础上，所述虚拟化管理单元模拟虚拟机的光驱、CPU、内存、磁盘。
在上述技术方案的基础上，所述控制节点通过交换机与所有计算节点相连。
本发明还提供一种基于USB重定向实现USB设备网络共享的方法，包括以下步骤：
S1、用户通过用户管理主机访问虚拟化平台，在用户管理主机的管理界面上看见资源池中的所有USB设备，选择要分配给客户端节点A下的虚拟机的USB设备，并向A节点发送需要分配USB设备到A节点下的虚拟机的请求；
S2、A节点接收到用户的请求，将请求发送至物理USB设备所在服务端节点B；
S3、B节点收到A节点的请求，对USB设备进行直接管理：B节点采用固定的字符串做抬头，与当前时间生成的经过加密的字符串组合，作为虚拟USB设备在客户端的节点上的USB唯一标识；B节点准备好USB设备，将对USB设备的直接处理事件存放到队列中，准备用于信息传输的网络通信端口，等待A节点的连接，并将“USB设备已准备好”的消息返回到A节点；
S4、A节点接收到B节点返回的消息，A节点通过B节点的IP地址和指定的网络通信端口，找到B节点已经准备好的USB设备，向B节点发出连接请求；
S5、B节点收到A节点的连接请求后，将USB设备的实际信息传输到A节点上，A节点模拟出虚拟的USB设备，将虚拟的USB设备映射到A节点下的虚拟机，给A节点下的虚拟机使用，该虚拟机使用映射的USB设备就像在本地使用一样。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中，B节点的内部通讯接收模块收到A节点的请求，将请求传达到B节点的USB重定向单元，B节点的USB重定向单元对USB设备进行直接管理：B节点采用固定的字符串做抬头，与当前时间生成的经过加密的字符串组合，作为虚拟USB设备在客户端的节点上的USB唯一标识；B节点的USB重定向单元准备好USB设备，将对USB设备的直接处理事件存放到队列中，准备用于信息传输的网络通信端口，等待A节点的连接，并将“USB设备已准备好”的消息传递给B节点的内部通讯发送模块，B节点的内部通讯发送模块将“USB设备已准备好”的消息返回到A节点；
步骤S5中，B节点收到A节点的连接请求后，B节点的USB重定向单元通过传输控制协议，将USB设备的实际信息传输到A节点上，A节点的USB设备处理单元模拟出虚拟的USB设备，将虚拟的USB设备映射到A节点下的虚拟机，给A节点下的虚拟机使用。
在上述技术方案的基础上，步骤S5中还包括以下步骤：每个节点都运行着一个实时检查、更新数据库中USB信息的服务，作为服务端的B节点在数据库中对USB唯一标识做记录，每次重定向时，B节点都进行相应的检查更新，删除不需要的记录，保证记录条数不达到上限，不影响后来的USB设备网络共享。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中所述经过加密的字符串为消息摘要算法第五版MD5值。
在上述技术方案的基础上，步骤S1中，用户通过用户管理主机上的Web浏览器或客户端访问虚拟化管理平台。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明中的用户管理主机通过互联网访问虚拟化平台，在用户管理主机的管理界面上可以很清晰地看见资源池中的所有USB设备，虚拟化平台中的每个节点都包括USB重定向单元，USB重定向单元实现了对物理USB设备的直接管理，根据需求，可以选择性的分配USB设备到目的虚拟机，使每个节点不再成为单一的服务端或客户端，某一节点下的USB设备不仅能分配给该节点下的虚拟机使用，而且还能通过网络共享到其他节点下的虚拟机，实现整个资源池中USB设备的共享，而不需要考虑虚拟机与USB设备是否在同一节点下，操作简单明了。本发明能够与现有的Passthrough模型结合使用，服务器上的USB设备不仅能被分配到当前节点下的虚拟机使用，而且能够被其他节点下的虚拟机使用。当服务器需要进行维护、升级，或考虑到服务器的硬件资源不足时，迁移带有USB设备的虚拟机时，不需要重新“拔、插、再分配”USB设备，USB设备还是能被原来的虚拟机占用。本发明省去了操作人员去机房对USB设备的“拔、插”操作，不需要人为的将USB设备从一台服务器上转到另一台服务器上，再人为的分配到指定虚拟机，在用户管理主机的管理界面上就能够实现对虚拟机和USB设备的直接管理，用户只需选择要添加的USB设备，而其他过程完全由底层自动完成，用户不需要安装任何第三方工具，操作简单方便。
(2)本发明的服务端节点采用固定的字符串做抬头，与当前时间生成的经过加密的字符串(例如：MD5值)组合，作为虚拟USB设备在客户端的节点上的USB唯一标识，这个USB唯一标识只会出现一次，保证分配到虚拟机的USB设备正确。USB网络共享可能由于网络中断和其他等问题出现断开的异常，而异常处理完后，USB设备会重新分配到虚拟机，而这时在客户端节点的qemu(模拟处理器)中USB唯一标识已经发生改变，但原来的USB唯一标识还存在客户端所在的qemu中。现有的qemu对标识的数量做了上限设置，记录条数达到上限后，不能再添加USB设备，这样就会影响后来的USB设备网络共享。本发明的服务端节点在数据库中对USB唯一标识做了记录，每次重定向时，都会做相应的检查更新，删除不需要的记录，使得重定向的USB设备的记录条数不会达到上限，即使突发异常(例如网络中断，服务器重启等)导致USB设备不能使用，异常消除后，不需重新人为分配，USB设备会重新重定向到虚拟机，这样就不会影响后来的USB设备网络共享。
附图说明
图1是现有技术中基于USB/IP实现USB设备网络共享的原理图。
图2是本发明实施例中基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统的结构框图。
图3是本发明实施例中虚拟化平台的节点的结构框图。
图4是本发明实施例中基于USB重定向实现USB设备网络共享的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图2所示，本发明实施例提供一种基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统，该系统包括用户管理主机和虚拟化平台，虚拟化平台包括至少2个结构相同的节点，其中的一个节点作为控制节点，其余节点作为计算节点，每个计算节点设置有至少一台虚拟机；用户管理主机通过互联网与控制节点相连，控制节点通过内部网络(优选交换机)与所有计算节点相连。
虚拟化平台中的所有节点均用于模拟虚拟的USB设备，用作提供USB设备的服务端或接受USB设备的客户端，不再作为单一的服务端或客户端使用。某一节点下的USB设备不仅能通过Passthough模型分配给该节点下的虚拟机使用，而且还能通过网络共享到其他节点下的虚拟机，实现整个资源池中USB设备的共享。但是，同一时刻，一个USB设备只能被一台虚拟机占用。
参见图3所示，虚拟化平台中的每个节点都包括USB重定向单元、虚拟化管理单元、内部通讯单元、USB设备处理单元，其中：
USB重定向单元用于实现对物理USB设备的直接管理，将USB设备重定向到不同的虚拟机；USB重定向单元的核心模块用于数据的真实传输、对USB读写事件的处理；
虚拟化管理单元用于模拟虚拟机的各种设备，例如：模拟虚拟机的光驱、CPU、内存、磁盘等设备，为虚拟机提供运行环境；
内部通讯单元包括内部通讯发送模块、内部通讯接收模块，内部通讯发送模块用于将本节点上的数据包发送至目标节点，内部通讯接收模块用于接收其他节点发送的数据包；
USB设备处理单元用于将USB设备映射到虚拟机上，使得虚拟机使用远端的USB设备就像使用本地的USB设备一样，根据虚拟机的操作系统的差别，虚拟机要安装不同的驱动。
参见图4所示，本发明实施例还提供一种应用于上述系统的基于USB重定向实现USB设备网络共享的方法，包括以下步骤：
S1、用户通过用户管理主机访问虚拟化平台，在用户管理主机的管理界面上可以很清晰地看见资源池中的所有USB设备，选择要分配给客户端节点(下文简称A节点)下的虚拟机的USB设备，并向A节点发送需要分配USB设备到A节点下的虚拟机的请求；在实际应用中，用户可以通过用户管理主机上的Web浏览器或客户端访问虚拟化管理平台；
S2、A节点的内部通讯接收模块接收到用户的请求，通过内部通讯发送模块将请求发送至物理USB设备所在服务端节点(下文简称B节点)；
S3、B节点的内部通讯接收模块收到A节点的请求，将请求传达到B节点的USB重定向单元，B节点的USB重定向单元对USB设备进行直接管理：B节点采用固定的字符串做抬头，与当前时间生成的经过加密的字符串组合，作为虚拟USB设备在客户端的节点上的USB唯一标识，这个USB唯一标识只会出现一次；经过加密的字符串可以为MD5(MessageDigestAlgorithm5，消息摘要算法第五版)值。B节点的USB重定向单元准备好USB设备，将对USB设备的直接处理事件存放到队列中，准备用于信息传输的网络通信端口，等待A节点的连接，并将“USB设备已准备好”的消息传递给B节点的内部通讯发送模块，B节点的内部通讯发送模块将“USB设备已准备好”的消息返回到A节点；
S4、A节点的内部通讯接收模块接收到B节点返回的消息，A节点通过B节点的IP地址和指定的网络通信端口，找到B节点已经准备好的USB设备，向B节点发出连接请求；
S5、B节点收到A节点的连接请求后，B节点的USB重定向单元通过TCP(TransmissionControlProtocol，传输控制协议)传输协议，将USB设备的实际信息传输到A节点上，A节点的USB设备处理单元模拟出虚拟的USB设备，将虚拟的USB设备映射到A节点下的虚拟机，给A节点下的虚拟机使用，该虚拟机使用映射的USB设备就像在本地使用一样。每个节点都运行着一个实时检查、更新数据库中USB信息的服务，作为服务端的B节点在数据库中对USB唯一标识做了记录，每次重定向时，B节点都会做相应的检查更新，会删除不需要的记录，保证了记录条数不会达到上限，这样就不会影响后来的USB设备网络共享。
本发明实施例的原理详细阐述如下：
为了与现有的Passthrough模型相结合，考虑到兼容性和资源消耗的问题，本发明实施例采用USB重定向方式来实现USB设备网络共享。基于USB重定向的USB设备网络共享，需要使用USB设备的目的虚拟机安装正确的USB驱动。资源池中的每个节点，都添加USB重定向单元，qemu(模拟处理器)也要达到版本要求，并将usb-redir(重定向功能)、libusb(支持usb重定向的库)、spice(一种协议)等功能都编译到qemu中(实现中使用的是2.3.0版本)，这样才能实现USB设备重定向。
通常将带有USB设备的节点作为服务端，将目的虚拟机所在的节点作为客户端。服务端接收来自客户端的请求时，要获取未被占用的网络通信端口(port)和USB在服务器上的唯一标识作为启动服务的命令。唯一标识由bus(总线标识)和dev(设备标识)组合构成，如果端口已经被使用，以此端口的服务不能启动。如果获取的bus和dev是错误的，虽然服务能启动，但此USB设备根本不存在。只有保证port未被使用，bus和dev标识的USB设备真的存在，作为客户端的节点通过端口才能与服务端相连接，服务端的USB重定向单元将USB设备的信息封装成URB(USBRequestBlock，USB数据请求块)数据包发送到客户端，USB信息在客户端经过qemu处理，映射到虚拟机上，在虚拟机上就能看到远端的USB设备。
USB网络共享不会在虚拟机的XML(ExtensibleMarkupLanguage，可扩展标记语言)文件中形成关于分配的USB设备的记录，而在客户端qemu中会记录重定向之后的USB设备，为了保证分配到虚拟机的USB设备正确，客户端也要对每个虚拟的USB设备有唯一标识，并和服务端的物理的USB设备建立联系。虚拟USB设备在客户端的节点上的唯一标识的设置就成了一个难题。为了解决这个难题，本发明实施例中，服务端的节点采用固定的字符串做抬头，与当前时间生成的经过加密的字符串(例如MD5值)组合，作为虚拟USB设备在客户端的节点上的USB唯一标识，保证这个USB唯一标识只会出现一次。
USB网络共享可能由于网络中断和其他等问题出现断开的异常，而异常处理完后，USB设备会重新分配到虚拟机，而这时在客户端节点的qemu中USB唯一标识已经发生改变，但原来的标识还存在客户端所在的qemu中，而在qemu中对USB唯一标识的数量做了上限设置，记录条数达到上限后，不能再添加USB设备，这样会影响后来的共享。为了解决这个问题，本发明实施例中，服务端的节点在数据库中对USB唯一标识做了记录，每次重定向时，服务端的节点都会做相应的检查更新，会删除不需要的记录，保证了记录条数不会达到上限，这样就不会影响后来的USB设备网络共享。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统，其特征在于：该系统包括用户管理主机和虚拟化平台，虚拟化平台包括至少2个结构相同的节点，其中的一个节点作为控制节点，其余节点作为计算节点，每个计算节点设置有至少一台虚拟机；用户管理主机通过互联网与控制节点相连，控制节点通过内部网络与所有计算节点相连；所述虚拟化平台中的所有节点均用于模拟虚拟的USB设备，用作提供USB设备的服务端或接受USB设备的客户端，不再作为单一的服务端或客户端使用；某一节点下的USB设备不仅能通过Passthough模型分配给该节点下的虚拟机使用，而且还能通过网络共享到其他节点下的虚拟机，实现整个资源池中USB设备的共享；但是，同一时刻，一个USB设备只能被一台虚拟机占用。
2.如权利要求1所述的基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统，其特征在于：所述虚拟化平台中的每个节点都包括USB重定向单元、虚拟化管理单元、内部通讯单元、USB设备处理单元；
所述USB重定向单元用于实现对物理USB设备的直接管理，将USB设备重定向到不同的虚拟机；
所述虚拟化管理单元用于模拟虚拟机的设备，为虚拟机提供运行环境；
所述内部通讯单元包括内部通讯发送模块、内部通讯接收模块，内部通讯发送模块用于将本节点上的数据包发送至目标节点，内部通讯接收模块用于接收其他节点发送的数据包；
所述USB设备处理单元用于将USB设备映射到虚拟机上，使得虚拟机使用远端的USB设备就像使用本地的USB设备一样。
3.如权利要求2所述的基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统，其特征在于：所述USB重定向单元的核心模块用于数据的真实传输、对USB读写事件的处理。
4.如权利要求2所述的基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统，其特征在于：所述虚拟化管理单元模拟虚拟机的光驱、CPU、内存、磁盘。
5.如权利要求1至4中任一项所述的基于USB重定向实现USB设备网络共享的系统，其特征在于：所述控制节点通过交换机与所有计算节点相连。
6.一种应用于权利要求1所述系统的基于USB重定向实现USB设备网络共享的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、用户通过用户管理主机访问虚拟化平台，在用户管理主机的管理界面上看见资源池中的所有USB设备，选择要分配给客户端节点A下的虚拟机的USB设备，并向A节点发送需要分配USB设备到A节点下的虚拟机的请求；
S2、A节点接收到用户的请求，将请求发送至物理USB设备所在服务端节点B；
S3、B节点收到A节点的请求，对USB设备进行直接管理：B节点采用固定的字符串做抬头，与当前时间生成的经过加密的字符串组合，作为虚拟USB设备在客户端的节点上的USB唯一标识；B节点准备好USB设备，将对USB设备的直接处理事件存放到队列中，准备用于信息传输的网络通信端口，等待A节点的连接，并将“USB设备已准备好”的消息返回到A节点；
S4、A节点接收到B节点返回的消息，A节点通过B节点的IP地址和指定的网络通信端口，找到B节点已经准备好的USB设备，向B节点发出连接请求；
S5、B节点收到A节点的连接请求后，将USB设备的实际信息传输到A节点上，A节点模拟出虚拟的USB设备，将虚拟的USB设备映射到A节点下的虚拟机，给A节点下的虚拟机使用，该虚拟机使用映射的USB设备就像在本地使用一样。
7.如权利要求6所述的基于USB重定向实现USB设备网络共享的方法，其特征在于：步骤S3中，B节点的内部通讯接收模块收到A节点的请求，将请求传达到B节点的USB重定向单元，B节点的USB重定向单元对USB设备进行直接管理：B节点采用固定的字符串做抬头，与当前时间生成的经过加密的字符串组合，作为虚拟USB设备在客户端的节点上的USB唯一标识；B节点的USB重定向单元准备好USB设备，将对USB设备的直接处理事件存放到队列中，准备用于信息传输的网络通信端口，等待A节点的连接，并将“USB设备已准备好”的消息传递给B节点的内部通讯发送模块，B节点的内部通讯发送模块将“USB设备已准备好”的消息返回到A节点；
步骤S5中，B节点收到A节点的连接请求后，B节点的USB重定向单元通过传输控制协议，将USB设备的实际信息传输到A节点上，A节点的USB设备处理单元模拟出虚拟的USB设备，将虚拟的USB设备映射到A节点下的虚拟机，给A节点下的虚拟机使用。
8.如权利要求6所述的基于USB重定向实现USB设备网络共享的方法，其特征在于：步骤S5中还包括以下步骤：每个节点都运行着一个实时检查、更新数据库中USB信息的服务，作为服务端的B节点在数据库中对USB唯一标识做记录，每次重定向时，B节点都进行相应的检查更新，删除不需要的记录，保证记录条数不达到上限，不影响后来的USB设备网络共享。
9.如权利要求6所述的基于USB重定向实现USB设备网络共享的方法，其特征在于：步骤S3中所述经过加密的字符串为消息摘要算法第五版MD5值。
10.如权利要求6至9中任一项所述的基于USB重定向实现USB设备网络共享的方法，其特征在于：步骤S1中，用户通过用户管理主机上的Web浏览器或客户端访问虚拟化管理平台。
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