CN106713509A - 基于aoc光纤的arm云终端系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于AOC光纤的ARM云终端系统，包括服务器、传输层和ARM终端，ARM终端通过传输层与服务器通讯连接；ARM终端包括USB设备控制器层、RNDIS设备层、网络管理层和VDI客户端，RNDIS设备层设置于USB设备控制器层之上，用于支持TCP/IP协议，实现远程网络驱动程序接口规范；网络管理层用于将光纤网络直接模拟为以太网；服务器采用网桥或网络地址转换方式管理传输层和ARM终端的网络数据，至少包括VDI服务器端和RNDIS设备管理层。本发明利用USB AOC光纤线连接ARM云终端与服务器，传输VDI协议数据，以提高数据传输速度与稳定性，同时又不增加服务器的负担。

Description

基于AOC光纤的ARM云终端系统
技术领域
本发明涉及网络设备数据传输领域，具体涉及一种基于AOC光纤的ARM云终端系统。
背景技术
VDI(Virtual Desktop Infrastructure，即虚拟桌面基础架构)是通过在数据中心的服务器运行操作系统(如Windows7)，将用户的桌面进行虚拟化。用户通过来自客户端设备(客户机或是家用PC)的客户计算协议与虚拟桌面进行连接，用户访问他们的虚拟桌面就像是访问传统的本地安装桌面一样。
VDI在一台服务器内完成所有的处理任务，仅将终端设备用作一个I/O平台(如显示器、鼠标、键盘)，因此所有的桌面以及可视化渲染工作是在服务器的处理器内完成的，生成的图像通过局域网转发给终端设备。通过这种方式由服务器渲染基本的Windows桌面会话以及其它元素通常没有任何问题，但在执行高级图形任务(比如高清视频播放或者3D图形应用)时会遇到性能问题，影响性能的其中一个重要的因素就是局域网的带宽。例如要播放4Kb高清视频(分辨率为4096×2160b)，视频至少需要到达25帧每秒，这样一台终端每秒需要接收4096*2160*4(RGBA)*25＝400MB的数据量。对于目前常用的1000Mb网络，单台终端能达到的数据量为125MB/S，这样的数据接收能力显然不能满足高清视频的数据传输需求。为此VDI会在服务器端进行数据压缩，在终端进行解压缩。
数据压缩分为有无损压缩和有损压缩，如果采用无损压缩算法，算法会加重服务器的负担；当多台终端同时需要播放视频时，服务器资源消耗出现瓶颈，从而影响视频播放效果。如果采用有损压缩则会影响画面质量。为此要解决带宽问题需要提高网络传输速度，以解决数据传输的瓶颈。
光纤技术的出现为解决该问题提供了一种思路，目前云终端系统大多采用ARM(Acorn RISC Machine，英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器)芯片。现有技术中基于以太网的ARM云终端如附图1所示，该方案是现在的一种通用架构，其问题在于以太网传输的瓶颈，千兆网络理论最大传输速度仅为125MB/S，无法满足高清4K(2K)数据传输需求。同时当终端数目较多时，传输的稳定性也会受到一定影响。基于USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)AOC(Active Optical Cables，有源光缆)光纤的零终端如附图2所示，该方案虽然其传输速度较快，但其不足在于需要服务器端同时处理VDI客户端与服务器端的任务，从而造成服务器压力过大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于AOC光纤的ARM云终端系统，利用已有的USB AOC光纤线传输VDI协议数据，以提高数据传输速度与稳定性，同时又不增加服务器的负担。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
基于AOC光纤的ARM云终端系统，包括服务器、传输层和ARM终端，ARM终端通过传输层与服务器通讯连接；所述ARM终端包括USB设备控制器层、RNDIS设备层(含设备管理)、网络管理层和VDI客户端，RNDIS设备层设置于USB设备控制器层之上，实现远程网络驱动程序接口规范；网络管理层用于将光纤网络直接模拟为以太网，支持TCP/IP协议，并实现USB设备控制器层、RNDIS设备层与VDI客户端之间的IP网络地址设置；VDI客户端是一个运行于云终端的虚拟机客户端；所述服务器采用网桥或网络地址转换方式管理传输层和ARM终端的网络数据，至少包括VDI服务器端和RNDIS设备管理层。
按上述方案，所述传输层使用USB AOC光纤线，USB AOC光纤线作为ARM终端与服务器的硬件数据通道，包括标准的VDI传输协议，VDI传输协议的数据内容按如下格式进行传输：
按上述方案，所述服务器还包括网络重定向模块，网络重定向模块用于通过TCP/IP重定向机制使ARM终端访问internet。
按上述方案，所述ARM终端的USB设备控制器层由ARM芯片开发厂商提供，分为USB2.0和USB3.0两种不同的实现：i)USB3.0设备控制器(在使用了USB3.0的ARM芯片上，直接将USB AOC光纤线接入到USB3.0设备控制器)；ii)USB2.0设备控制器，在ARM芯片板上外接一个USB3TT芯片，该USB3TT芯片用于将从USB 2.0 Device Controller出来的USB信号转换为USB3.0信号。
按上述方案，所述ARM终端的RNDIS设备层包括如下USB控制传输命令：
按上述方案，所述ARM终端的网络管理层分为3个组成部分：
i)TCP/IP网络协议层，用于设置IP、子网掩码、DNS服务器，完成网络设置；
ii)网络抽象层，用于将网络行为定义为如下抽象行为：
a.网络连接事件，NET_LINKUP，当该事件发生时表示物理网络已经处于连接状态；
b.网络断开事件，NET_LINKDONW，当该事件发生时表示物理网络已经处于连接断开状态；
c.网络数据发送，SendData，将网络发送到当前网络接口；
d.网络数据接收，RecevieData，从当前网络接口读取数据；
f.网络配置事件(IP，子网掩码，网络接口禁用于启用)，NetConfig；
g.网络当前工作接口选择，SeleteNetInterface；
iii)USB热插拔处理层，用于当USB AOC光纤线插入时，USB热插拔处理层向网络抽象层发送网络连接事件，当USB AOC光纤线拔出时向网络管理层发送网络断开事件。
按上述方案，所述服务器的RNDIS设备管理层的驱动模块由标准Linux kernel提供，增加控制命令UsbReqGetIp和UsbReqSetIP的发送端。
按上述方案，所述服务器的RNDIS设备管理层实现RNDIS设备的热插拔管理与IP地址管理具体如下：
1)热插拔管理：采用udev脚本实现，在/etc/udev/rule.d中增加一条规则，当发现光纤插入云终端时，自动调用shell脚本完成RNDIS接口与网桥的绑定；
2)IP地址管理：基于网桥的实现方案，在服务器端维护一个“(终端序列号，IP地址)”的表格(以下简称为TableIp)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、采用USB AOC光纤线连接ARM云终端与服务器，以提高VDI协议的传输效率与稳定性，USB AOC光纤线能达到的速度为5Gb/S＝640MB/S，该速度能满足4K高清视频的传输需求；
2、在物理连接上云终端采用USB设备控制器(包含加入USB3.0光电转换芯片)来连接USB AOC光纤线与(中间可增加USB3.0Hub)服务器，通用性强；
3、在协议层，服务器与云终端采用RNDIS设备支持USB AOC光纤线实现TCP/IP网络连接，RNDIS设备层实现了Mac地址，简化了上层模块设计；
4、服务器采用网桥或网络地址转换方式管理USB AOC Rndis设备网络数据，VDI客户端与服务器端的传输采用点对点的方式，大幅提高了传输的稳定性；
5、该系统不仅适用于ARM云终端，对X86、MIPS等类别的其它终端系统同样适用。
附图说明
图1为现有技术基于以太网的ARM云终端的结构示意图；
图2为现有技术基于USB AOC光纤的零终端的结构示意图；
图3为本发明基于AOC光纤的ARM云终端系统的总体方案设计示意图；
图4为本发明ARM终端工作原理图；
图5为ARM终端引入网络抽象层的网络架构图；
图6为本发明服务器端原理图；
图7为本发明实施例服务器端设置客户端IP流程图；
图8为本发明实施例服务器端在普通教学场景下的架构图；
图9为本发明实施例服务器端在中端4K视频支持方案下的架构图；
图10为本发明实施例服务器端在高端图形工作站支持方案下的架构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进一步的描述，所举实例只用于解释说明本发明，并非限定本发明的应用范围。
如图3所示，本发明实施例所述的基于AOC光纤的ARM云终端系统，包括服务器、传输层和ARM终端，ARM终端通过传输层与服务器通讯连接；ARM终端包括USB设备控制器层、RNDIS设备层(含设备管理)、网络管理层和VDI客户端；RNDIS设备层设置于USB设备控制器层之上，实现远程网络驱动程序接口规范；网络管理层用于将光纤网络直接模拟为以太网，支持TCP/IP协议，并实现USB设备控制器层、RNDIS设备层与VDI客户端之间的IP网络地址设置；VDI客户端是一个运行于云终端的虚拟机的客户端；服务器采用网桥或网络地址转换方式管理传输层和ARM终端的网络数据，至少包括VDI服务器端和RNDIS设备管理层，RNDIS设备管理层用于接收USB数据，并转换成TCP/IP数据，实现RNDIS设备的热插拔管理与IP地址管理。
传输层使用USB AOC光纤线，包括标准的VDI传输协议，VDI传输协议的数据内容按如下格式进行传输：
服务器还包括网络重定向模块，网络重定向模块用于通过TCP/IP重定向机制使ARM终端访问internet。
如图4所示，ARM终端包括USB设备控制器层、RNDIS设备层、网络管理层和VDI客户端：
(1)USB设备控制器层由ARM芯片开发厂商提供，由于USB分为USB3.0和USB2.0，目前USB AOC需要工作在USB3.0模式下，因此USB设备控制器层分为USB2.0和USB3.0两种不同的实现：i)USB3.0 Device Controller，在使用了USB3.0的ARM芯片上，可以直接将USB AOC光纤线接入到USB3.0 Device Controller；ii)USB2.0 Device Controller，由于USB AOC仅支持USB3.0，但目前大量的ARM芯片仅能支持USB2.0；为了解决这一矛盾，可以在Arm芯片板上外接一个USB3TT芯片，该USB3TT芯片能将从USB 2.0 Device Controller出来的USB信号转换为USB3.0信号；
(2)RNDIS设备层设置于USB设备控制器层之上，用于支持TCP/IP协议，实现远程网络驱动程序接口规范(Remote Network Driver Interface Specification，即RNDIS)，基于USB设备控制器层实现RNDIS实际上就是TCP/IP over USB，就是在USB设备控制器层上支持TCP/IP协议，因此采用远程网络驱动程序接口规范(RNDIS)后，ARM终端的应用软件觉察不到采用的是光纤网络还是传统网络；同时在RNDIS的驱动中实现了网卡的MAC地址。
为了能让服务器方便设置RNDIS设备层的IP，RNDIS设备层需要修改驱动代码，增加如下USB控制传输命令：
(3)由于RNDIS设备层实现了网卡的Mac地址，所以为了尽可能的简化上层的软件设计，增加一个网络管理层，网络管理层用于将光纤网络直接模拟为以太网，这样对于网络管理层以上的软件系统而言，就不需要判断是光纤还是以太网了；网络管理层分为3个组成部分：
i)TCP/IP网络协议层，用于设置IP、子网掩码、DNS服务器，完成网络设置；对于使用Linux操作系统的云终端，采用ifconfig完成这一功能，无论是rndis还是以太网都可以采用该命令完成网络设置；
ii)网络抽象层，用于将网络行为定义为如下抽象行为：
a.网络连接事件，NET_LINKUP，当该事件发生时表示物理网络已经处于连接状态；
b.网络断开事件，NET_LINKDONW，当该事件发生时表示物理网络已经处于连接断开状态；
c.网络数据发送，SendData，将网络发送到当前网络接口；
d.网络数据接收，RecevieData，从当前网络接口读取数据；
f.网络配置事件(IP，子网掩码，网络接口禁用于启用)，NetConfig；
g.网络当前工作接口选择，SeleteNetInterface；
由于网络抽象层的引入，整个网络架构看起来如图5所示；
iii)USB热插拔处理层，用于当USB AOC光纤线插入时，USB热插拔处理层向网络管理层发送网络连接事件，当USB AOC光纤线拔出时向网络管理层发送网络断开事件；
(4)VDI客户端由于ARM终端兼容TCP/IP协议，所以VDI客户端(无论是采用RDP协议还是Spice协议)不需要任何修改；这一点正好能体现该方案的优势。
如图6所示，服务器的VDI服务器端由于兼容TCP/IP协议，所以不需要任何修改；
网络重定向模块用于通过TCP/IP重定向机制使ARM终端访问internet，解决Rndis设备访问公网(internet或企业局域网)，其主要实现机制分为两种：
1)基于iptables与NAT(网络地址转换)的重定向机制：当检测到从RNDIS设备出来 的数据时，将数据转发到服务器的工作网卡，从而将数据发送到外网，当检测到发向工作网 卡的某个特定端口的数据时，将数据包重定向到RNDIS接口；
2)基于网桥的管理机制：在服务器上建立一个网桥，并将该网桥与服务器上的物理外网网口绑定；将RNDIS接口加入到该网桥，并将RNDIS设备层的IP与网桥设为统一网段；当数据传输时，网桥自动完成数据的转发；
RNDIS设备管理层的驱动模块由标准Linux kernel提供，但需要增加控制命令UsbReqGetIp和UsbReqSetIP的发送端。
RNDIS设备管理层，由于服务器会连接多个RNDIS设备，因而RNDIS设备管理层用于实现RNDIS设备的热插拔管理与IP地址管理：
1)热插拔管理：一种实现RNDIS设备的热插拔管理的方法是采用udev脚本实现，在/etc/udev/rule.d中增加一条规则，当发现光纤插入云终端时，自动调用shell脚本完成RNDIS接口与网桥的绑定；
2)IP地址管理：在基于网桥的实现方案中，由于网桥的网段需要和RNDIS设备在同一个网段中，因而在服务器需要为记录ARM终端的IP地址，每个ARM终端都有其唯一的序列号，因此在服务器端需要维护一个(终端序列号，IP地址)的表格(以下简称为TableIp)；当一个新的RNDIS设备加入到网络中时工作流程如下：
a.udev发现rndis，RNDIS设备加入到网络，调用脚本激活该RNDIS接口，并加入到网桥；同时读取RNDIS设备序列号，这里记为sid；
b.向ARM终端发送usb control命令，UsbReqGetIp，由于ARM终端为初始化IP，所以该命令返回为空；
c.服务器查看sid在TableIP中的IP，如果为空则分配一个未使用的IP地址，并加入到TableIP中；
d.服务器发送UsbReqSetIp(IpAddr,NetMask,DNS)控制传输命令，设置IP。
服务器采用网桥或网络地址转换方式管理USB AOC光纤线和Rndis设备层的网络数据，本发明实际案例中采用了基于网桥的管理方法。
服务器启动流程
a.服务器(采用中标麒麟操作系统)开机启动后配置网桥，网桥接口名为br100，同时与物理网卡eno0进行绑定。
b.对网桥br100设置IP地址、子网掩码和DNS等，例如将IP设为192.168.1.10，子网掩码设为255.255.255.0；
c.服务器加载udev规则用于动态监测USB Rndis设备插入；当Rndis设备插入时首先用ifconfig激活其网络接口与设定接口IP信息；其次将该Rndis设备接口加入到br100(使用brctl工具)。
终端的实现前提：ARM云终端通过实现一个composite USB device，分为一个Rndis接口和一个acm(串口)接口；Rndis接口用于网络通讯，acm接口用于接受服务器的配置命令；
服务器设置VDI客户端的IP流程如下图7所示。
普通教学场景仅要求1080P视频支持，所以可以采用较低成本的方案，使用rockhcip3229芯片。该芯片仅提供USB2.0 device controller；而USB AOC需要工作在USB3.0模式；所以需要在ARM芯片上在增加一颗USB光电转换芯片(简称为U3TT)，同时可采用一根光纤带4个终端(中间采用基于VIA芯片的USB3.0Hub)，以分摊光纤成本。其架构如图8所示，该方案了每个终端的理论网络传输速度为800Mb/s＝100MB/S。
服务器在中端4K视频支持方案下的架构如图9所示，ARM芯片采用Rockchip 3368，该芯片支持USB3.0 device controller，可以实现光纤与ARM终端的直连。该方案的最大理论传输速度为5Gb/s/4＝1.25Gb/s＝160MB/S.其性能大于千兆有线网络。
如果需要更高的图形传输要求，同时减轻服务器由于视频压缩带来的负担，可采用如图10所示的服务器在高端图形工作站支持方案下的架构图，该方案的最大理论传输速度为5Gb/s＝640MB/S。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于AOC光纤的ARM云终端系统，其特征在于，包括服务器、传输层和ARM终端，ARM终端通过传输层与服务器通讯连接；所述ARM终端包括USB设备控制器层、RNDIS设备层、网络管理层和VDI客户端，RNDIS设备层设置于USB设备控制器层之上，实现远程网络驱动程序接口规范；网络管理层用于将光纤网络直接模拟为以太网，支持TCP/IP协议，并实现USB设备控制器层、RNDIS设备层与VDI客户端之间的IP网络地址设置；VDI客户端是一个运行于云终端的虚拟机客户端；所述服务器采用网桥或网络地址转换方式管理传输层和ARM终端的网络数据，至少包括VDI服务器端和RNDIS设备管理层。
2.根据权利要求1所述的基于AOC光纤的ARM云终端系统，其特征在于，所述传输层使用USB AOC光纤线，USB AOC光纤线作为ARM终端与服务器的硬件数据通道，包括标准的VDI传输协议，VDI传输协议的数据内容按如下格式进行传输：
3.根据权利要求1所述的基于AOC光纤的ARM云终端系统，其特征在于，所述服务器还包括网络重定向模块，网络重定向模块用于通过TCP/IP重定向机制使ARM终端访问internet。
4.根据权利要求1所述的基于AOC光纤的ARM云终端系统，其特征在于，所述ARM终端的USB设备控制器层由ARM芯片开发厂商提供，分为USB2.0和USB3.0两种不同的实现：i)USB3.0设备控制器；ii)USB2.0设备控制器，在ARM芯片板上外接一个USB3TT芯片，该USB3TT芯片用于将从USB 2.0Device Controller出来的USB信号转换为USB3.0信号。
5.根据权利要求1所述的基于AOC光纤的ARM云终端系统，其特征在于，所述ARM终端的RNDIS设备层包括如下USB控制传输命令：
6.根据权利要求1所述的基于AOC光纤的ARM云终端系统，其特征在于，所述ARM终端的网络管理层分为3个组成部分：
i)TCP/IP网络协议层，用于设置IP、子网掩码、DNS服务器，完成网络设置；
ii)网络抽象层，用于将网络行为定义为如下抽象行为：
a.网络连接事件，NET_LINKUP，当该事件发生时表示物理网络已经处于连接状态；
b.网络断开事件，NET_LINKDONW，当该事件发生时表示物理网络已经处于连接断开状态；
c.网络数据发送，SendData，将网络发送到当前网络接口；
d.网络数据接收，RecevieData，从当前网络接口读取数据；
f.网络配置事件，NetConfig；
g.网络当前工作接口选择，SeleteNetInterface；
iii)USB热插拔处理层，用于当USB AOC光纤线插入时，USB热插拔处理层向网络抽象层发送网络连接事件，当USB AOC光纤线拔出时向网络管理层发送网络断开事件。
7.根据权利要求1所述的基于AOC光纤的ARM云终端系统，其特征在于，所述服务器的RNDIS设备管理层的驱动模块由标准Linux kernel提供，增加控制命令UsbReqGetIp和UsbReqSetIP的发送端。
8.根据权利要求1所述的基于AOC光纤的ARM云终端系统，其特征在于，所述服务器的RNDIS设备管理层实现RNDIS设备的热插拔管理与IP地址管理具体如下：
1)热插拔管理：采用udev脚本实现，在/etc/udev/rule.d中增加一条规则，当发现光纤插入云终端时，自动调用shell脚本完成RNDIS接口与网桥的绑定；
2)IP地址管理：基于网桥的实现方案，在服务器端维护一个“(终端序列号，IP地址)”的表格。
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