國(guó)產(chǎn)桌面操作系統(tǒng)中虛擬化技術(shù)應(yīng)用研究

李笑瀾　詹秋芳

摘要：為解決應(yīng)用遷移過(guò)渡時(shí)期，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)替代微軟windows實(shí)施過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題，文章對(duì)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)展研究，重點(diǎn)對(duì)如何利用虛擬化技術(shù)運(yùn)行現(xiàn)有Windows應(yīng)用進(jìn)行歸納，提出了桌面虛擬化、本地虛擬機(jī)、虛擬工具等多種可行方案，并在中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)的應(yīng)用部署中得到驗(yàn)證；同時(shí)，通過(guò)分析每個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景，對(duì)用戶實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的選擇提供參考依據(jù)，這將有助于促進(jìn)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；桌面；虛擬化

2014年4月8日，微軟正式停止對(duì)Windows XP系統(tǒng)安全更新，不再修補(bǔ)xP系統(tǒng)的安全漏洞，而我國(guó)尚有約2億XP用戶，面臨系統(tǒng)被迫升級(jí)風(fēng)險(xiǎn)：一方面，既有機(jī)器已無(wú)法滿足Win7、Win8、Win10等系統(tǒng)的高配置要求，需購(gòu)買新設(shè)備，增加硬件成本；另一方面，Win8、Win10因采用其可信技術(shù)，安全性受到質(zhì)疑；同時(shí)，部分XP應(yīng)用并不完全兼容。

斯諾登事件后，政府對(duì)于信息安全日益重視，信息安全國(guó)產(chǎn)化再掀浪潮。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)桌面操作系統(tǒng)逐步成熟，已經(jīng)能夠滿足基本應(yīng)用需求，并且安全性更高。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)桌面操作系統(tǒng)對(duì)硬件要求不高，能夠有效利用現(xiàn)有設(shè)備。但操作系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化替代與包括應(yīng)用軟件、相關(guān)基礎(chǔ)軟件及硬件在內(nèi)的整體成熟度息息相關(guān)。目前國(guó)產(chǎn)IT產(chǎn)業(yè)鏈不成熟、生態(tài)環(huán)境不完善，操作系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化還需要一個(gè)較長(zhǎng)的培育過(guò)渡期。

相對(duì)個(gè)人市場(chǎng)，政府、企業(yè)等辦公應(yīng)用的需求相對(duì)有限，有利于桌面操作系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化替代，但由7：windows的長(zhǎng)期壟斷，用戶大量既有應(yīng)用均基于windows平臺(tái)開(kāi)發(fā)，給桌面操作系統(tǒng)替代帶來(lái)了很大困難。雖然目前基于國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和移植已有比較成熟的方案，但實(shí)際應(yīng)用移植面臨代碼重寫、開(kāi)發(fā)平臺(tái)和工具的熟悉以及開(kāi)發(fā)人員培訓(xùn)等問(wèn)題，甚至一些單位和部門，許多業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)商或組織經(jīng)過(guò)多年已不復(fù)存在。因此，整體應(yīng)用移植還需要一段較長(zhǎng)的時(shí)間，過(guò)渡時(shí)期可考慮采用虛擬化方式來(lái)并行。

1 桌面虛擬化

1.1 桌面虛擬化簡(jiǎn)介

桌面虛擬化是指將計(jì)算機(jī)的桌面進(jìn)行虛擬化，以達(dá)到桌面使用的安全性和靈活性。桌面虛擬化技術(shù)，即VDI（Virtual Desktop Infrastructure）是一種基于服務(wù)器的計(jì)算模型。區(qū)別于傳統(tǒng)的本地桌面應(yīng)用方式，它不是給每個(gè)用戶都配置一臺(tái)運(yùn)行桌面操作系統(tǒng)的PC，而是將所有桌面虛擬機(jī)在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行托管并統(tǒng)一管理。用戶通過(guò)來(lái)自客戶端設(shè)備的客戶計(jì)算協(xié)議與虛擬桌面進(jìn)行連接，使用戶能夠獲得完整PC的使用體驗(yàn)。

通過(guò)這種方式，用戶可以在國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)服務(wù)器基礎(chǔ)上結(jié)合桌面虛擬化技術(shù)運(yùn)行window XP及其應(yīng)用，在用戶需要時(shí)，可以在國(guó)產(chǎn)桌面操作系統(tǒng)上登錄該Window XP鏡像并使用其應(yīng)用。

1.2 國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)上的桌面虛擬化方案

在國(guó)產(chǎn)化替代過(guò)程中，可以在桌面端采用國(guó)產(chǎn)桌面操作系統(tǒng)，如圖1所示服務(wù)端采用國(guó)產(chǎn)服務(wù)器操作系統(tǒng)，并在其上虛擬運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，來(lái)解決部分windows應(yīng)用的過(guò)渡性并行。

該桌面虛擬化方案融合了服務(wù)器虛擬化、瘦客戶端、遠(yuǎn)程連接協(xié)議等多項(xiàng)技術(shù)。在上圖中，國(guó)產(chǎn)虛擬化服務(wù)器，利用x86硬件虛擬化技術(shù)，提供基于KVM的虛擬機(jī)監(jiān)控器平臺(tái)，提供運(yùn)行狀態(tài)控制和管理、負(fù)載均衡等基本服務(wù)。國(guó)產(chǎn)桌面操作系統(tǒng)中的虛擬桌面套件為用戶交付虛擬應(yīng)用和桌面。

該方案中采用了KVM虛擬化方式。KVM～Linux內(nèi)核的一個(gè)虛擬化基礎(chǔ)模塊，它使Linux內(nèi)核變成了一個(gè)管理程序。通過(guò)將KVM作為一個(gè)內(nèi)核模塊實(shí)現(xiàn)，有利于簡(jiǎn)化管理和提升性能。

KVM通過(guò)QEMU硬件仿真包提供完整的硬件虛擬化。KVM需要CPU硬件虛擬化擴(kuò)展支持，如Intel的VT-x與AMD的AMD-v，是基于硬件的完全虛擬化。它不需要對(duì)客戶操作系統(tǒng)進(jìn)行任何修改，因此，可以從Linux支持各種操作系統(tǒng)平臺(tái)，例如WindowsXP，Windows7，甚至MacOSX。

同時(shí)，方案采用了改進(jìn)的SPICE協(xié)議作為桌面?zhèn)鬏攨f(xié)議。SPICE協(xié)議（Simple Protocol for independent ComputingEnvironment，獨(dú)立計(jì)算環(huán)境簡(jiǎn)單協(xié)議），能夠提供與物理桌面完全相同的最終用戶體驗(yàn)。它包含3個(gè)組件：SPICE驅(qū)動(dòng)、SPICE設(shè)備和SPICE客戶端。3個(gè)組件協(xié)作運(yùn)行，判斷進(jìn)行圖像處理的最佳位置：如果客戶機(jī)足夠強(qiáng)大，就在客戶機(jī)進(jìn)行圖像處理，以減輕服務(wù)器的負(fù)荷；如果客戶機(jī)處理能力較弱，則在服務(wù)器端進(jìn)行處理，從而能夠最大程度地改善用戶體驗(yàn)并降低系統(tǒng)負(fù)荷。

在集中式服務(wù)器上運(yùn)行的虛擬桌面是完全獨(dú)立的，這有助于阻止對(duì)桌面映像進(jìn)行未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)，并同時(shí)提高可靠性。同時(shí)，使用虛擬機(jī)模板和自動(dòng)部署功能可以方便地進(jìn)行鏡像部署和軟件分發(fā)，并進(jìn)一步進(jìn)行終端數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和管控。

當(dāng)然，虛擬桌面也存在一些不足，它需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心支持。例如，在其運(yùn)行過(guò)程中，每個(gè)桌面鏡像僅能提供給一個(gè)客戶端使用，如果有N個(gè)客戶端需要使用，則要在數(shù)據(jù)中心建立N個(gè)這樣的鏡像，這對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)備要求較高。因此，虛擬桌面方案更適宜擁有廣大的數(shù)據(jù)中心或者磁盤陣列的大型企業(yè)；此外，這種方案還必須依賴于條件較好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對(duì)于單機(jī)隔離的單位則無(wú)法使用。

2 本地虛擬機(jī)

2.1 虛擬機(jī)簡(jiǎn)介

虛擬機(jī)（Virtual Machine）指通過(guò)軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運(yùn)行在一個(gè)隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

虛擬機(jī)在宿主計(jì)算機(jī)的真實(shí)硬件上為虛擬機(jī)提供虛擬硬件仿真，這個(gè)環(huán)境和真實(shí)的計(jì)算機(jī)一樣，都有芯片組、CPU、內(nèi)存、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū)、串口、并口、USB控制器、SCSI控制器等設(shè)備，提供這個(gè)應(yīng)用程序的窗口就是虛擬機(jī)的顯示器。

用戶可以在單臺(tái)物理機(jī)上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)共享同一臺(tái)物理機(jī)的資源，運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)以及多個(gè)應(yīng)用程序。

2.2 國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)上的虛擬機(jī)方案

目前，流行的虛擬機(jī)軟件有VMware，Virtual PC和VirtualBox等。其中，VMware為企業(yè)級(jí)虛擬化方案中較為成熟的商業(yè)產(chǎn)品，功能強(qiáng)大；Virtual PC為微軟針對(duì)windows系統(tǒng)的虛擬化方案；VirtualBox是一款優(yōu)秀的開(kāi)源虛擬機(jī)軟件，由Oracle公司按GPL協(xié)議發(fā)布。用戶可以在VirtualBox上安裝并執(zhí)行Solaris、Windows，DOS，Linux，OS/2 Warp，OpenBSD及FreeBSD等客戶端操作系統(tǒng)。

在國(guó)產(chǎn)桌面操作系統(tǒng)的虛擬應(yīng)用中，通常采用VirtualBOX虛擬機(jī)方案：在國(guó)產(chǎn)桌面操作系統(tǒng)上安裝VirtualBox，并在VirtualBox上安裝Windows，用戶可以在虛擬機(jī)的Windows系統(tǒng)中使用暫不支持Linux平臺(tái)的部分Windows應(yīng)用，或是用戶原有Windows平臺(tái)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

通過(guò)Virtual Box提供的“無(wú)縫模式”，還可以隱藏虛擬機(jī)系統(tǒng)窗口，而僅在宿主機(jī)桌面上顯示虛擬應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)應(yīng)用的無(wú)縫平滑調(diào)用，很大程度上提升了用戶體驗(yàn)，用戶仿佛在一個(gè)平臺(tái)上同時(shí)使用Linux應(yīng)用和Windows應(yīng)用。

相比桌面虛擬化方案，本地虛擬機(jī)方式不需要依賴網(wǎng)絡(luò)，方便單機(jī)環(huán)境。

通過(guò)本地虛擬機(jī)，用戶不需要重啟系統(tǒng)就能在同一臺(tái)PC上使用兩種以上的操作系統(tǒng)；而且不同的操作系統(tǒng)之間還能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)、文件共享以及復(fù)制粘貼等互動(dòng)操作。

同時(shí)，雖然多個(gè)虛擬機(jī)可以共享一臺(tái)計(jì)算機(jī)的物理資源，但它們彼此之間保持完全隔離，并且保護(hù)不同操作系統(tǒng)的環(huán)境以及所有安裝在該操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件和資料。即使其中一個(gè)虛擬機(jī)崩潰了，其他虛擬機(jī)或宿主機(jī)仍可正常使用，互不干擾，可用性和安全性較高。

虛擬機(jī)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)軟件容器，它將一整套虛擬硬件資源與操作系統(tǒng)及其所有應(yīng)用程序“封裝”在一個(gè)軟件包內(nèi)。獨(dú)立于硬件和封裝使虛擬機(jī)具備良好的可移動(dòng)性并且易于管理。用戶可以將虛擬機(jī)從一個(gè)位置或設(shè)備自由地移動(dòng)和復(fù)制到另一位置或設(shè)備上，而無(wú)需對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序進(jìn)行任何更改，熱遷移性較高。

3 虛擬工具

3.1 虛擬工具簡(jiǎn)介

用戶還可以通過(guò)第三方虛擬工具運(yùn)行Windows原生應(yīng)用，其中最為著名的就是wine。

Wine（“Wine Is Not an Emulator”的首字母縮寫）是一個(gè)能夠在多種POSIX-compliant操作系統(tǒng)（諸如Linux，Mac OSX及BSD等）上運(yùn)行Windows應(yīng)用的兼容層。

wine并不像虛擬機(jī)或者模擬器那樣虛擬運(yùn)行Windows，而是運(yùn)用API轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)Linux到Windows相應(yīng)函數(shù)的對(duì)應(yīng)，通過(guò)模擬windows程序調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)及Windows NT kernel進(jìn)程來(lái)運(yùn)行Windows程序。

3.2 國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)上的虛擬工具方案

Wine作為開(kāi)源項(xiàng)目吸引了很多愛(ài)好者，其中延伸項(xiàng)目主要有兩大商業(yè)產(chǎn)品：一個(gè)是CrossOver，另一個(gè)是Cedega，前者以提供應(yīng)用軟件支持為主，后者則更多關(guān)注游戲娛樂(lè)。

在本虛擬工具方案中采用的是CrossOver商業(yè)發(fā)行版。在本版本中已經(jīng)比較好地解決了顯示和字體問(wèn)題，使用戶在國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)上流暢地運(yùn)行MS Office成為可能。

為提供更好的用戶體驗(yàn)，中標(biāo)麒麟桌面操作系統(tǒng)為通過(guò)CrossOver虛擬運(yùn)行的Windows應(yīng)用在開(kāi)始菜單中提供了入口，這樣更加方便用戶的訪問(wèn)，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，他就像在訪問(wèn)一個(gè)本地原生應(yīng)用一樣方便，其中的虛擬部分對(duì)他來(lái)說(shuō)是透明的。

Wine通過(guò)將Windows API調(diào)用翻譯成為動(dòng)態(tài)的POSIX調(diào)用，從而能夠完全獨(dú)立于windows系統(tǒng)而運(yùn)行Windows應(yīng)用程序，避免了系統(tǒng)性能、內(nèi)存占用等一系列問(wèn)題。更重要的是，Wine是通過(guò)黑盒測(cè)試的逆向工程實(shí)現(xiàn)了對(duì)Windows的兼容，所以它有效避免了Windows的版權(quán)爭(zhēng)議（前面兩種方案是需要額外購(gòu)買Windows版權(quán)的）。但也正是由于這一原因，Wine并不能完全實(shí)現(xiàn)windows DLLs，因?yàn)閃indows的DLLs是封閉源代碼的，所以無(wú)法做到百分百兼容，故很多Windows應(yīng)用的運(yùn)行不可避免地會(huì)存在較多問(wèn)題。所幸，用戶可以借助一些Wine的商業(yè)發(fā)行版本來(lái)對(duì)某個(gè)應(yīng)用做針對(duì)性的優(yōu)化，從而提高可用性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)上的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，3種虛擬化方案均切實(shí)可行。桌面虛擬化方案整體性較好，但對(duì)硬件配置、服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力、網(wǎng)絡(luò)傳輸能力等有較高要求，比較適合后期也準(zhǔn)備部署桌面虛擬化的大中型企業(yè)和單位；本地虛擬機(jī)，是比較成熟的單機(jī)多操作系統(tǒng)并行方案，比較適合在一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)上有頻繁使用國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)和Windows需求的用戶。虛擬工具，可以完全獨(dú)立于Windows運(yùn)行Windows應(yīng)用程序，更適合只是對(duì)某幾個(gè)特定Windows應(yīng)用有需求的國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)用戶。各種方案都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自身應(yīng)用情況和投入規(guī)模來(lái)進(jìn)行選擇。在過(guò)渡時(shí)期并行使用原Windows應(yīng)用，同時(shí)應(yīng)加大投入，開(kāi)發(fā)基于國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的新應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)信息自主可控，最終擺脫受制于人的局面。