基于桌面虚拟化的卫星网络高速上网技术研究

何　辞，曹建军，郝　放

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



基于桌面虚拟化的卫星网络高速上网技术研究

何辞，曹建军，郝放

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

常用的应用层协议优化方案通常存在技术手段单一、通用性不强等缺点，无法从根本上解决卫星网络中应用层协议应用效果差、效率低下等问题。提出了一种基于桌面虚拟化的上网技术，用于满足卫星网络中面向互联网服务的各类典型应用层协议的高效应用的需求。对改进方法进行了模拟卫星网络测试。结果表明，该方法可实现卫星网络上层应用的普适化加速，极大地缩短了Web访问的响应时间。

桌面虚拟化；独立运算架构协议(ICA)；应用发布

0　引言

由于面向各类互联网服务的协议种类繁多，每个协议都是针对地面网络中某个特定应用服务而设计，目前，国内外针对应用层协议优化技术的研究仅围绕一种或一类应用层协议特性而展开，比如：缓存技术作为一种典型的应用层协议优化方法，仅对某些协议在特定场景中的应用有一定的加速效果[1]。然而，为满足未来卫星网络对上层应用服务能力的要求，亟需研究一种通用的应用层优化方法[2]。针对上述问题及需求，本文提出了一种基于桌面虚拟化的通用卫星网络高速上网技术，主要采用桌面虚拟化技术将各客户端对应用程序的访问集中到服务器端，客户端仅处理服务器端返回的屏幕更新信息，并实时地在本地显示，这样在客户端与服务器端之间传输的内容不包括实际的应用数据，可极大地节省卫星链路带宽资源。

1　桌面虚拟化技术

桌面虚拟化是指将计算机的桌面进行虚拟化，用户可以通过任何终端设备，不受时间和地点的限制，访问属于个人的桌面系统[3]。其基本原理是将应用程序的计算逻辑和显示逻辑分离，在用户访问服务器发布的应用时，服务器会为用户开设独立的会话，并占用独立的内存空间，应用程序的计算逻辑指令在这个会话空间中运行，应用程序的界面会通过协议传送到用户计算机上。用户计算机只需要通过网络把对键盘、鼠标和其他外设设备的操作传送到服务器端，从服务器端接收变化的应用程序界面，并且在用户端显示出来。桌面虚拟化技术主要将应用作为一种服务交付给用户，对用户可提供集中化应用资源的多用户远程访问。这样不用在用户端安装任何软件也能达到同样的用户体验。桌面虚拟化主要包含2个层面：① 桌面或应用的虚拟化，主要用于实现对虚拟桌面或虚拟应用的创建、分配和交付；② 桌面会话的管理，主要安装在服务器上，用于实现接入控制与会话管理等功能[4]。

2　主流桌面虚拟化传输协议

2.1ICA协议

ICA(Independent Computing Architecture)是思杰公司开发的私有版权的桌面传输协议，是一种高效率的数据交换协议，定义了客户端和服务器之间的数据传输规范[5]。由于ICA协议设计时充分考虑了平台无关性，几乎能支持所有的桌面操作系统。ICA基于TCP协议，使用1494端口，或者由CGP(Common Gateway Protocol)协议封装，在服务器端使用TCP2598端口。ICA协议具有极高的效率，只允许键盘、鼠标和屏幕更新信息在网络上传输，同时又采用了数据压缩、加密和连接优化技术，因此通常对带宽的使用较小，每一个用户的连接只占用10～20 kbps的网络带宽。另外，在图形图像传输方面，ICA协议为有损压缩，在压缩传输前会对图像细节进行裁减；在音频传输方面，为较好地支持音频播放以及录音需求，ICA协议采用专用的协议通道。

2.2RDP协议

微软公司通过购买思杰公司的ICA协议，并基于国际电信联盟制定的T-120家族协议标准发展成自己的RDP(Remote Desktop Protocol)协议。目前，RDP已被开发成一种完全独立的协议，具有完全独立的协议栈，主要用于实现Windows操作系统的多用户模式，用于远程访问运行在Windows服务器上的应用程序。RDP协议是一个多通路通信协议，能够提供64 000个独立通道进行数据传送，支持虚拟通道来连续传送客户端和服务端之间的数据，从而实现多用户任务通信[6]。RDP协议在服务端建立虚拟图形驱动来获取和处理输出数据，并传输到客户端，同时建立虚拟鼠标和键盘驱动来处理客户端的数据。

2.3SPICE协议

SPICE(Simple Protocol for Independent Computing Environments)是开源虚拟桌面协议，最初由Qumranet公司开发，后被RedHat公司收购并开源。不同于ICA和RDP协议，SPICE协议采用了3层体系架构模式：SPICE Driver、SPICE Device和SPICE Client。每一层都有独立的功能相对应，其中，SPICE Driver内置于每个虚拟桌面之中，SPICE Device则是安装于服务器虚拟化层的软件，SPICE Client安装在瘦客户机或PC中用于链接位于服务器中的虚拟桌面。SPICE协议采用多虚拟通道技术，为不同的通道设定不同的优先级[7]。在SPICE协议运行时，可以动态地增加和减少这些虚拟通道，同时通过这些虚拟通道使得虚拟桌面与远程设备进行交互。即当新增一个远程设备时，就需要增加一个虚拟通道；当网络情况不理想时，这些通道可以根据QoS情况动态关闭或者释放，以保证基本的用户体验。

2.4PCoIP协议

PCoIP(PC over IP)协议是加拿大Teradici公司开发的桌面传输协议，2008年VMware公司的云桌面产品VMware Horizon中采用该协议作为其传输方式，促进了PCoIP协议的商用化。PCOIP可实现本地瘦客户机与虚拟服务器上运行的多个虚拟机连接，得到远端的桌面环境[8]。PCoIP采用基于位图的方式在服务器端对桌面图像数据进行渲染，且具有自适应网络环境的能力，在网络带宽较低时，采用有损压缩编码技术，能大幅度提高图像的压缩比，从而降低对带宽的消耗，使得用户在较低的网络带宽下拥有良好的体验。PCoIP协议的主要原理是将服务器虚拟化环境下桌面显示的内容压缩和编码，然后在终端设备上进行解压缩和解码，从而恢复出桌面所显示的内容。PCoIP协议使用TCP协议的握手过程实现连接的建立，使用UDP协议进行数据的传输。主要由于TCP传输需要大量的ACK确认报文，会导致比较大的开销，因此在具有较高延时以及丢包的广域网环境下，使用UDP的传输效率和效果会更好。由于UDP协议简单、效率高，可以最大程度地利用网络带宽，但也正因为使用了UDP协议，在通过WAN或者VPN方式远程登陆服务器系统时，会遇到防火墙对UDP包的过滤问题，这时就需要对防火墙进行相应的端口配置来解决。

3　基于桌面虚拟化的通用应用协议优化解决方案

3.1架构设计

基于桌面虚拟化的通用应用层协议优化架构主要包括应用发布网关和应用发布服务器两大实体设备，如图1所示，其中，应用发布网关可实现对应用发布服务器的远程管理，具体针对用户权限实现各类应用的按需发布、对用户身份进行认证和鉴权；应用发布服务器是一个包含上网应用、数据库访问和多媒体应用等在内的综合应用虚拟化平台，主要用于虚拟化任意应用程序，并对最终用户进行按需交付。即应用程序的安装、配置、管理、维护以及应用的执行均集中在应用发布服务器上，最终用户对各类互联网服务的使用主要通过用户和应用发布服务器之间交互的桌面虚拟化协议来实现。

图1　基于桌面虚拟化的通用应用协议优化技术应用示意

基于桌面虚拟化的通用应用协议优化技术主要具有以下优势：

① 由于卫星链路上传输的内容不包括实际的应用数据(比如Web请求或应答等)，基于桌面虚拟化协议所传输的数据量通常较小，可节省卫星链路带宽资源；

② 避免了协议在卫星链路上的高交互传输，能在很大程度上缩短用户的访问时间；

③ 由于应用程序主要安装和运行在服务器上，因此客户端不用满足安装该应用程序所需的特定环境，同时也不要求客户端拥有较高的硬件配置。

3.2实验验证

本实验主要选用思杰公司的开源ICA协议验证基于桌面虚拟化的卫星网络高速上网实现技术的有效性。由于该协议从窄带时代发展而来，已有20年的发展历史，相对于其他桌面虚拟化协议，它对带宽资源的占用最少。下面结合卫星网络用户上网应用需求，部署相应的实验环境，并在此基础上从网页的加载时间和链路的传输数据2个方面评估基于桌面虚拟化的通用应用协议在卫星网络中应用的有效性。

3.2.1实验环境部署

本文搭建了如图2所示的实验平台，通过网络损伤仪来模拟卫星网络特性(带宽：8 Mbps，往返时延：500 ms，误码率10-6)，其网络部署过程如下：

① 安装应用发布服务器：在应用发布服务器处安装XenServer，以实现硬件的虚拟化，即可以在一台服务器的基础上虚拟出多台虚拟服务器；

② 安装应用发布网关：在应用发布网关处安装XenCenter，以实现对XenServer的远程操作；

③ 安装AD域控制器：在XenServer中虚拟一台Windows Server 2008服务器(虚拟服务器1)，并在此基础上建立AD域控制服务器，用于接入所建立的所有服务器和客户端；

④ 安装DDC服务器：在XenServer中虚拟一台Windows Server 2008服务器(虚拟服务器2)，并在此基础上安装Desktop Delivery Controller虚拟桌面控制器，用于管理分配虚拟桌面和负责所有虚拟桌面代理的注册；

⑤ 安装XenApp服务器：在XenServer中虚拟一台Windows Server 2008服务器(虚拟服务器3)，并在此基础上安装应用程序服务器和终端服务，同时安装客户端所需运行的所有应用程序，并按需对这些应用程序进行发布。

图2　网络部署示意

基于桌面虚拟化的卫星网络高速上网架构的网络规划如表1所示。

表1　基于桌面虚拟化的卫星网络上网架构的网络规划

本实验选取了3个含有不同数量图片和文字的网站，按表2分类。主要对比了2种网页访问场景，场景1：客户端直接通过卫星网络访问网页；场景2：客户端经过应用发布网关和应用发布服务器去访问网页。

表2　测试网站分类

3.2.2实验结果

本实验主要从用户访问体验和卫星网络代价两方面来对该技术进行评估。其中，用户访问体验侧重于统计客户端所访问网页的加载时间；卫星网络代价则侧重于统计网络中所传输的数据量。

(1)网页加载时间

主要对比2种场景下客户端访问3类网页的时间。测试结果如表3所示。

表3　访问时延测试结果

实验结果表明：相对于直接访问，使用桌面虚拟化技术对3类网站进行访问时均能达到2～3倍的加速效果。由于网页访问主要基于HTTP协议，此类协议属于多交互式协议，在卫星网络中运行时效率通常不高，然而基于桌面虚拟化的上网技术主要通过应用发布服务器对网页进行访问并实时发送屏幕截图给客户端，可极大地减少协议跨卫星网络的交互次数，能在很大程度上节省用户访问Web网页的等待时间，最终可达到良好的用户体验。

(2)传输数据量

数据量测试结果如表4所示。

表4　数据量测试结果

由于加载网页所产生的数据量和网页加载的程度有关，实验基于上述3个网页均加载完成的基础上，测试卫星链路上传输的数据量。

实验结果表明，使用桌面虚拟化技术并没有增大传输的数据量，其传输的数据总量比客户端直接通过浏览器访问的数据总量少，对带宽的需求更小。

4　结束语

卫星网络长时延、带宽受限等特性导致了应用层协议传输性能低下，本文将桌面虚拟化技术引入卫星网络应用层协议优化领域，提出一种基于桌面虚拟化的卫星网络上网实现技术框架，可实现卫星网络中上层应用的普适化加速，最终通过实验从多个角度验证此项技术能充分节约卫星带宽资源，极大地缩短卫星网络中Web访问的响应时间。此项研究对未来提升卫星网络数据存储、管理和应用服务能力具有非常重大的意义。未来，需要在此基础上结合卫星特性，研究更适合卫星网络特性的桌面虚拟化协议。

[1]何辞，张亚生，彭华.一种适用于卫星网络的HTTP加速技术[J].无线电通信技术,2013,39(5)：15-17.

[2]刘洁,王哲.通过虚拟化优化的智能型网络架构[J].移动通信,2015,39(18):22-27.

[3]张旭.企业桌面虚拟化系统的设计与实现[J].数字技术与应用，2012(9)：140-141.

[4]潘松柏，张云勇，陈清金，等.桌面虚拟化研究及应用[J].电信网技术，2011(5)：5-8.

[5]李承东.云桌面远程传输协议综述[J].现代电信科技，2014，44(8)：23-26，32.

[6]杨子超.基于Android的RDP客户端的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2010.

[7]李博.基于SPICE协议的桌面虚拟化客户端的设计与实现[D].广州：华南理工大学，2011.

[8]徐快.桌面虚拟化模式在桌面计算中的应用[J].宁德师范学院学报(自然科学版)，2013，25(3)：313-316.

何辞女，(1983—)，硕士，工程师。主要研究方向：卫星通信。

曹建军男，(1986—)，工程师。主要研究方向：计算机网络。

Research of High-speed Network over Satellite Network Based on Desktop Virtualization

HE Ci,CAO Jian-jun,HAO Fang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

As commonly used application-layer protocol optimization methods usually have such disadvantages as single technique or poor commonality,they cannot solve the problem of application-layer protocol’s bad performance or inefficiency over Satellite Network from the root.This paper puts forward an Internet technology based on Desktop Virtualization,meeting the demand that various application layer protocols for Satellite Network based on Internet Services should be efficiently applied.Network testing of the improved method shows that it can speed up upper application over Satellite Network and shorten the delay of Web access.

desktop virtualization;independent computing architecture(ICA);application publish

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.08

2016-05-25

TP927

A

1003-3106(2016)09-0033-04

引用格式：何辞,曹建军,郝放.基于桌面虚拟化的卫星网络高速上网技术研究[J].无线电工程,2016,46(9):33-36.