CN108989845A - 一种基于spice协议的视频传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SPICE协议的视频传输方法，在SPICE协议中加入对H.264视频压缩算法的支持，从而保证SPICE协议在较低带宽环境下的适用性。根据在高交互场景和播放视频时存在交互场景下SPICE协议处理用户操作存在延时的问题，增加了对用户操作频率和数据传输类型监控程序，实现SPICE协议对当前场景能够做出动态调整，包括对SPICE Server端对每秒发送视频帧数作出动态调整，保证用户操作的及时性。最后对比试验结果表明，相对于原生的SPICE协议，利用本发明的方法优化后的SPICE协议对网络带宽占用明显减少，在播放视频时存在交互场景用户操作延时得到改善。

Description

一种基于SPICE协议的视频传输方法
技术领域
本发明属于虚拟桌面传输技术领域，具体涉及一种基于SPICE协议的视频传输方法。
背景技术
近几年中，桌面虚拟化随着云计算的发展借助云终端或云桌面的概念得到了迅速发展。桌面虚拟化依赖于服务器虚拟化，生成大量独立的桌面操作系统，利用专有的桌面传输协议推送到用户终端。在桌面虚拟化系统方面，各大公司分别提出了自己的解决方案，其中，红帽公司(RedHat)的开源桌面虚拟化解决方案基于KVM(Kernel-based VirtualMachin，基于内核的虚拟机)虚拟化技术和SPICE(Simple Protocol for IndependentComputing Environments，独立计算环境简单协议)协议，能够提供较高的虚拟机密度，且能带来物理桌面般的使用体验，在业界得到了较广泛的应用。SPICE协议是一项高性能、动态的自适应远程呈现技术，成为目前桌面传输协议研究领域中主要研究对象。
SPICE是由SPICE协议、SPICE服务器(Server)和SPICE客户端(Client)组成。跟其他的桌面传输协议(例如PCoIP、RDP和ICA)不同，SPICE是一个三层架构的协议，包括QXL驱动、SPICE客户端和QXL设备。QXL驱动位于服务器端提供桌面服务的虚拟机中，主要作用是将接收操作系统和应用程序的图形命令转化为KVM的QXL图形设备命令。SPICE客户端部署在用户终端，主要负责显示虚拟机桌面和接收用户输入信息。QXL设备部署在服务器端的Hypervisor中，用来处理从虚拟机接收到的图形操作命令。
图1展示了SPICE基础架构以及桌面虚拟机到SPICE客户端图像命令数据流，在使用SPICE协议时，KVM虚拟机运行环境的QEMU中需要有libspice库。图像命令流开始于桌面虚拟机上应用程序请求系统的图像引擎执行渲染操作。图像引擎(GDI/X Engine)把绘图命令发给QXL驱动，QXL驱动把系统命令转化为QXL命令并且把它们加入到图形命令循环队列中，该队列具有动态扩张功能。libspice库从队列中获取QXL命令，之后添加到图像命令树上。图像命令树将会被执行的图像命令集主要作用是对QXL命令进行组织优化，即去除冗余命令，也用来视频流侦测。图像命令树优化过的QXL命令推送到由libspice库维护的发送队列中，并发送到SPICE客户端用于更新显示内容。绘图命令发送到客户端是通过SPICE协议来传输，绘图命令被封装成SPICE协议消息，同时命令从命令树和发送队列中移除。对于不需的命令，libspice库将它转移到释放队列中，并进行命令资源释放。SPICE客户端收到图像命令，并使用该命令来更新显示。
SPICE协议定义了一组协议消息，通过网络访问和控制远程计算机设备(包括键盘、音响和鼠标等)，接收这些设备的输入并将输出传输到远程设备上。此外，该协议还定义了一组调用函数，用来支持将远程服务器从一个网络迁移到另一个网络。在数据传输过程中协议不指定加密方法，这样在选择加密算法具有很大的灵活性。SPICE协议使用简单的消息传递，不依赖任何RPC标准或者特定的传输层。SPICE通信会话被分成多个通信通道(例如，每个通道是远程设备)，以便能够根据通道类型(例如，QoS加密)来控制消息的通信和执行，以及添加和移除通信通道在运行时间内(由SPICE协议定义支持)。SPICE定义了多种类型的通道来处理不同的事件请求，例如：主通道作为主要的SPICE会话连接、用于接收远程显示更新的显示通道、处理键盘和鼠标事件的通道和用于接收音频流的播放通道等。
经检索，现有技术中存在对SPICE协议进行改进的相关文献如下。
Celesti等在“Improving desktop as a Service in OpenStack”(Computersand Communication.IEEE,2016)针对OpenStack自带的桌面传输协议noVNC和SPICE对于视频重定向性能较差和不支持音频重定向提出了增加音频重定向的方法，并且将Guacamole与VNC、standard RDP、RDP over VRDE协议整合到OpenStack中，通过实验表明Guacamole/RDP对于视频和音频传输效率更好。该文献中主要是考虑桌面云中视频和音频的传输效率，并没考虑到用户操作请求的及时反应，不能保证QoS。
Lan等在“Research on technology of desktop virtualization based onSPICE protocol and its improvement solutions”(Springer-Verlag New York,Inc.2014)将SPICE server端的Quic、LZ和Glz三种图片压缩算法替换为JPEG2000图片压缩算法。JPEG2000是基于小波变换的图像压缩标准，通常被认为是未来取代JPEG的下一代图像压缩标准。JPEG2000同时支持有损压缩和无损压缩，该研究通过对当前网络状况进行监听，由此来控制JPEG2000算法的压缩比，这样SPICE协议在带宽低的环境下也不影响用户体验。但是该方案没有考虑SPICE协议对视频处理的不足这点，改进后的SPICE协议在视频处理能力上稍显不足。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于SPICE协议的视频传输方法，能够在低带宽环境下利用H.264视频压缩算法处理视频帧数据并利用动态调整算法保证用户在视频场景下操作的及时性。
技术方案：一种基于SPICE协议的视频传输方法，包括以下步骤：
步骤1、SPICE协议部署环境准备；
步骤2、在SPICE服务器端安装支持H.264视频压缩算法所需要的依赖包；
步骤3、增加SPICE服务器对H.264的支持，并提供SPICE服务器动态切换视频压缩算法的能力，使SPICE服务器能够根据网络状况在MJPEG和H.264之间动态切换视频压缩算法；
步骤4、增加SPICE客户端对H.264编码数据的解码能力；
步骤5、增加SPICE服务器对发送视频数据量的动态调控能力，使SPICE服务器在视频播放场景下存在交互操作时根据网络状况动态调整视频发送速率。
其中，所述步骤3中SPICE服务器利用QEMU-KVM 2.12及以上版本作为Hypervisor，支持H.264视频编码；所述步骤4中，SPICE客户端安装gstreamer1.0及以上版本的依赖包，支持H.264视频解码。
进一步地，所述步骤3中，SPICE服务器动态切换视频压缩算法的过程如下：
步骤31、SPICE服务器中启动一个进程P，该进程每隔固定的时间发送一个ICMP报文给SPICE客户端，通过SPICE客户端返回的ICMP应答报文获得当前网络延时，记为第一网络延时t1；
步骤32、SPICE服务器将获得的第一网络延时t1与预先设置的第一延时阈值tnet1进行比较，当t1≥tnet1时，SPICE服务器选择MJPEG为视频编码算法，当t1＜tnet1时，选取H.264为视频编码算法。
进一步地，所述步骤5中，SPICE服务器对发送视频数据量的动态调控过程如下：
步骤51、SPICE服务器初始以默认视频发送帧数fpsdefault发送数据，并在进程P代码中加入监听固定端口的代码，用于接收客户端发送的监听数据；
步骤52、在SPICE客户端启动监控程序，当数据传输量过大时，对当前系统I/O操作进行监控，若存在I/O操作则发送数据到服务器进程P，不存在则无操作；
步骤53、SPICE服务器判断进程P是否接收到客户端传输的数据，若存在则继续进行步骤54，否则结束操作；
步骤54、SPICE服务器获取当前网络延时，记为第二网络延时t2，并设置第二延时阈值tnet2，当t2≥tnet2时，SPICE服务器降低当前视频发送帧数；当t2＜tnet2时，SPICE服务器根据当前视频发送帧数fpsold与默认视频发送帧数fpsdefault来增加视频发送帧数。
更进一步地，所述步骤54中，当t2≥tnet2时，SPICE服务器将视频发送帧数降低到预先设置的最小发送帧数fpsmin；当t2＜tnet2时，若当前视频发送帧数fpsold小于fpsdefault一半，则视频发送帧数成倍增长，即调整后视频发送帧数fpsnew＝2*fpsold；若fpsold处于[fpsdefault/2,fpsdefault)之间，则视频发送帧数采用加法增大，即调整后视频发送帧数fpsnew＝fpsold+N，N取值范围为1-3。
有益效果：
1、本发明在基于SPICE协议的视频传输中加入H.264视频压缩算法的支持，使得视频编码具有低码率的优势，而且能在保持低码率情况下也能提供高质量的视频图像，这样SPICE协议可以在带宽低的网络环境下为用户提供高质量的服务。
2、本发明提供了切换视频压缩算法的功能，可以针对不同网络环境选择合适算法，达到计算资源和网络带宽的合理分配。
3、本发明提供了SPICE服务端动态调整发送视频数据的功能，解决了SPICE协议在视频播放场景下用户操作存在延时的问题，在尽量保证视频传输效率的同时，有效减少传输视频通道的数据，保证用户操作数据处理的及时性。
附图说明
图1是基于SPICE的图像命令流图；
图2是根据本发明实施例的方法流程图；
图3是根据本发明实施例的SPICE协议优化前后占用带宽对比示意图；
图4是根据本发明实施例的视频场景下交互操作延时情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参照图2，本发明提出的基于SPICE协议的视频传输方法，主要针对SPICE协议视频处理能力不足和视频场景下用户操作存在延时等问题，利用H.264视频压缩算法解决SPICE协议在低带宽环境下视频传输效率问题，并且通过切换视频压缩算法使得SPICE协议能够根据带宽环境合理选择合适的视频压缩算法；然后利用监控程序对网络延时实施监控，使得SPICE服务器在视频数据传输过程中根据监控程序的反馈数据合理调整视频发送帧数，对于播放视频场景下存在交互操作，能够合理调整发送视频数据量，保证用户操作的及时性。
在一个实施例中，基于SPICE协议的视频传输方法，包括以下步骤：
步骤1、SPICE协议部署环境准备，主要包括相关软件包(spice-server、spice-protocol、spice-html5、QEMU等)安装以及系统环境变量配置；
步骤2、在SPICE服务器端安装支持H.264视频压缩算法所需要的依赖包；
步骤3、增加SPICE服务器对H.264的支持，并提供SPICE服务器动态切换视频压缩算法的能力，使SPICE服务器能够根据网络状况在MJPEG和H.264之间动态切换视频压缩算法；
步骤4、增加SPICE客户端对H.264编码数据的解码能力；
步骤5、增加SPICE服务器对发送视频数据量的动态调控能力，使SPICE服务器在视频播放场景下存在交互操作时根据网络状况动态调整视频发送速率。
上述步骤3中SPICE服务器在软件层面修改源码，并在底层利用QEMU-KVM 2.12及以上版本作为Hypervisor，以支持H.264视频编码；所述步骤4中，SPICE客户端安装gstreamer1.0及以上版本的依赖包，以支持H.264视频解码。
进一步地，所述步骤3中，SPICE服务器动态切换视频压缩算法的过程如下：
步骤31、在SPICE Server v0.14.0版本源码中创建一个进程P的源码，该进程每隔固定的时间，发送一个ICMP报文给客户端，并通过客户端返回的应答ICMP报文获得当前网络延时，记为第一网络延时t1；
步骤32、SPICE服务器将获得的第一网络延时t1与预先设置的第一延时阈值tnet1进行比较，当t1≥tnet1时，SPICE服务器选择MJPEG为视频编码算法，修改SPICE Serverv0.14.0版本源码中的spice_server_set_video_codecs函数，将spice_server_set_video_codecs设为spice:mjpeg；当t1＜tnet1时，选取H.264为视频编码算法，将spice_server_set_video_codecs设为gstreammer:h264。
通常，SPICE服务器对视频进行压缩编码后，积累了一部分存于缓存中，然后进行发送。进一步地，所述步骤5中，SPICE服务器对发送视频数据量的动态调控过程如下：
步骤51、SPICE服务器初始以默认视频发送帧数fpsdefault发送数据，并在进程P代码中加入监听固定端口的代码，用于接收客户端发送的监听数据；
步骤52、在SPICE客户端运行interaction_detect脚本，它会在当前计算节点网卡每秒传输数据量过大时(本实施例中认为此时正在进行视频传输)，检测该计算节点是否存在鼠标键盘等I/O操作。当存在I/O操作时，执行interaction_detect脚本返回值为1，此时SPICE客户端对服务器端进程P发送消息，在服务器端运行的进程P会接收到该脚本返回的数据。该进程将发送一个ICMP报文给客户端，来检测当前网络的延时，通过get_network_latency函数获得当前网络延时，记为第二网络延时t2。服务器端同时设置一个第二延时阈值tnet2，当第二网络延时超过第二延时阈值tnet2时，网络状况就出现了拥塞情况，用户操作得不到及时响应，需要对发送视频帧的速率进行控制。
控制策略如下：当t2≥tnet2时，SPICE服务器将视频发送帧数降低到预先设置的最小发送帧数fpsmin；此时视频发送帧数达到最低，网络延时也会减小。当t2＜tnet2时，若当前视频发送帧数fpsold小于fpsdefault一半，则视频发送帧数成倍增长，在本实施例中，调整后视频发送帧数fpsnew＝2*fpsold；若fpsold处于[fpsdefault/2,fpsdefault)之间，则视频发送帧数采用加法增大，调整后视频发送帧数fpsnew＝fpsold+N，N取值范围为1-3，在本实施例中N取值为1。SPICE服务器通过get_source_fps函数根据上述控制策略动态设置当前视频发送速率。
为了验证本发明相对于优化前的SPICE协议的高效性，进行了对比实验。实验设备采用情况：SPICE Server端硬件设备有主机DELL OPTIPLEX 390，Intel Pentium G6302.7GHz，8G内存。SPICE Client端硬件设备为HP Compaq，Intel Pentium E5300 2.6GHz，4G内存，交换机为神州数码DCS-3950。用交换机连接Dell主机和HP主机，使它们在一个局域网中。Dell主机安装Centos7操作系统，HP主机安装Ubuntu 16.04.3 LTS操作系统。在Dell主机上启动win7桌面虚拟机，客户端通过virt-viewer连接服务器端桌面虚拟机。
接下来将SPICE协议与优化过后的SPICE协议来进行比较。打开win7桌面虚拟机中自带的720P视频，然后观测这段时间内优化前和优化后的SPICE协议占用网络带宽情况。
图3是在100M带宽下对SPICE协议优化前后占用带宽进行测量，根据该图显示的数据，可以看出优化后的SPICE协议占用带宽基本维持在1Mbps左右，而SPICE协议带宽占用在6Mbps-9Mbps之间。
分别测量在几种带宽下(5M，10M，100M)，SPICE协议优化前后传输数据量的大小，如表1所示：
表1 SPICE协议优化前后传输数据量
在100M带宽下，SPICE协议优化前后客户端播放视频的质量相差不多，SPICE协议质量略高。由表1可知，两者传输数据量相差6倍左右。当两者处于低带宽下时，SPICE协议传输数据量开始小于优化后SPICE协议，可以推测出低带宽下优化后的SPICE协议播放视频质量更高。由此可以得出，优化后的SPICE协议更能适合低带宽环境下使用。
通过编写Python脚本实现播放720P视频，然后打开浏览器并在百度输入框中搜索python的操作，并比较SPICE协议和Optimized SPICE协议在该场景中的延时情况。图4说明桌面虚拟机在播放视频时，鼠标键盘操作会存在延时。优化后的SPICE协议操作延时比SPICE协议要低，并且带宽越低优化后的SPICE协议降低的延时越显著。

Claims (6)

1.一种基于SPICE协议的视频传输方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、SPICE协议部署环境准备；
步骤2、在SPICE服务器端安装支持H.264视频压缩算法所需要的依赖包；
步骤3、增加SPICE服务器对H.264的支持，并提供SPICE服务器动态切换视频压缩算法的能力，使SPICE服务器能够根据网络状况在MJPEG和H.264之间动态切换视频压缩算法；
步骤4、增加SPICE客户端对H.264编码数据的解码能力；
步骤5、增加SPICE服务器对发送视频数据量的动态调控能力，使SPICE服务器在视频播放场景下存在交互操作时根据网络状况动态调整视频发送速率。
2.根据权利要求1所述的基于SPICE协议的视频传输方法，其特征在于，所述步骤3中SPICE服务器利用QEMU-KVM 2.12及以上版本作为Hypervisor；所述步骤4中，SPICE客户端安装gstreamer1.0及以上版本的依赖包。
3.根据权利要求1所述的基于SPICE协议的视频传输方法，其特征在于，所述步骤3中，SPICE服务器动态切换视频压缩算法的过程如下：
步骤31、SPICE服务器中启动一个进程P，该进程每隔固定的时间发送一个ICMP报文给SPICE客户端，通过SPICE客户端返回的ICMP应答报文获得当前网络延时，记为第一网络延时t1；
步骤32、SPICE服务器将获得的第一网络延时t1与预先设置的第一延时阈值tnet1进行比较，当t1≥tnet1时，SPICE服务器选择MJPEG为视频编码算法，当t1＜tnet1时，选取H.264为视频编码算法。
4.根据权利要求3所述的基于SPICE协议的视频传输方法，其特征在于，所述步骤5中，SPICE服务器对发送视频数据量的动态调控过程如下：
步骤51、SPICE服务器初始以默认视频发送帧数fpsdefault发送数据，并在进程P代码中加入监听固定端口的代码，用于接收客户端发送的监听数据；
步骤52、在SPICE客户端启动监控程序，当数据传输量过大时，对当前系统I/O操作进行监控，若存在I/O操作则发送数据到服务器进程P，不存在则无操作；
步骤53、SPICE服务器判断进程P是否接收到客户端传输的数据，若存在则继续进行步骤54，否则结束操作；
步骤54、SPICE服务器获取当前网络延时，记为第二网络延时t2，并设置第二延时阈值tnet2，当t2≥tnet2时，SPICE服务器降低当前视频发送帧数；当t2＜tnet2时，SPICE服务器根据当前视频发送帧数fpsold与默认视频发送帧数fpsdefault来增加视频发送帧数。
5.根据权利要求4所述的基于SPICE协议的视频传输方法，其特征在于，所述步骤54中，当t2≥tnet2时，SPICE服务器将视频发送帧数降低到预先设置的最小发送帧数fpsmin；当t2＜tnet2时，若当前视频发送帧数fpsold小于fpsdefault一半，则视频发送帧数成倍增长；若fpsold处于[fpsdefault/2,fpsdefault)之间，则视频发送帧数采用加法增大。
6.根据权利要求5所述的基于SPICE协议的视频传输方法，其特征在于，所述视频发送帧数成倍增长依照下式进行：fpsnew＝2*fpsold，其中fpsnew为调整后视频发送帧数；
所述视频发送帧数采用加法增大依照下式进行：fpsnew＝fpsold+N，N取值范围为1-3。
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