介绍

Spice 是一个开源的远程访问的解决方案,客户端可以通过它访问远程机器, 包括显示,键盘,鼠标,音频等等. 它将大部分 CPU 和 GPU 的工作分发到客户端,从而使得客户端能够像本地机器 那样操作远程机器.

架构

该系统主要包括以下几部分:

  • Spice protocol: 负责客户端与服务器端之间数据格式的定义.
  • Spice server: 是 Guest OS 与客户端数据交互的桥梁.
  • Spice client: 将本地的用户操作传递到服务器端,同时从服务器端接收命令,在本地系统实施.
  • QXL device 以及 driver: 虚拟的显示设备

这里,通过图像命令的传递流程来讲这几个部分串联起来.

graphic_cmd_flow

上图显示Spice的基本架构,以及guest到client之间传送的graphic命令数据流,当Guest OS上一个user应用请求OS图形引擎执行一个渲染操作.图形引擎传送命令给QXL驱动,QXL驱动会把OS命令转换为QXL命令然后推送到QXL设备的commands RIng缓冲中.commands Ring是QXL Device中的一个队列.Libspice会从这个commands Ring取得命令数据,然后加到graphics命令树上.显示树上包含一组操作命令,这些命令的执行会产生显示内容.这棵树可以优化掉那些会被覆盖掉的命令,命令树还用来检测video数据流.当命令从libspice的发送队列发送给客户端时,发送命令被转换为Spice协议消息,同时这个命令从发送队列和树上移除. 当libspice 不再需要一个命令时,它被推送到release ring.驱动使用这个队列来释放相应的命令资源当客户端从libspice接收到一个命令时,客户端使用这个命令来更新显示.

Spice Server

Spice server 主要有一下两部分任务:

  • 与客户端通过 Spice protocol 进行数据交互,这里根据不同的数据类型,抽象出不同类型的 channel , 它封装了底层的传输(TCP/UDP).
  • 与 guest os 通过 VDI 进行数据交互,获得从虚拟机传递过来的数据.

spice_server

Red server

Red server 主要负责图像显示子系统的工作,整体架构如下:

red_server

对于每个显示设备,都会开启一个线程( red worker )专门处理相关的命令处理, 命令可能来自 Spice server ,这类命令,都是通过 dispatcher 的 socket 传递过来, 另一部分则来自于 QXL 设备, 这里主要是通过 QXLInterface 从 QXL 设备中获得命令, 而 QXL 设备通过 QXLWorker 对 Red server 发送命令.

Red worker

red worker 主要完成以下功能:

  • 处理 client 端发送过来的 qxl 命令
  • 处理 dispatcher 分发过来的消息
  • 处理 display 和 cursor 通道的数据
  • 图像压缩
  • 视频流的创建和编码
  • 对 client 端的缓存的维护
  • 优化图像数据,删除那些被遮挡以及透明区域等
  • 维护cpu和gpu渲染
  • 通过 ring 来维护软件抽象的对象
Red dispatcher

red dispatcher 主要功能如下:

  • 对 qxl 抽象设备提供对 red worker 操作的接口
  • 创建 red worker 线程,以及相关的初始化
  • 通过 socketpair 与 worker 线程进行通信
  • 对 red server 提供对图像,视频流,鼠标,渲染器操作的接口

QXL device and driver

qemu 会虚拟出一个 qxl pci 设备负责将系统图像相关的操作 转化成 qxl 命令.

设备与驱动的通信主要有以下几种:

  • command&cursor ring: 负责将图像显示操作,传递给 spice server
  • 中断: 虚拟显示设备通知 guest os 显示相关的事件.
  • io port: guest os 通知虚拟显示设备.

Spice client

下面是 spice client 的类结构图:

spice_client

这里主要介绍下面两个主要模块: channel 和 window

channel

客户端与服务端的数据通信被抽象成 channel 的概念. 具体的底层实现,是通过 tcp 协议来完成的, 当然,该数据连接可以通过 ssl 来完成数据的加密, 从而提高安全性. 每个 channel 在客户端都会有独立 线程去操作,这样就可以通过设置线程的优先级来实现 channel 的 qos .

channel 主要有以下几种类型:

  • main: 负责对其他类型的 channel 的实例化,包括创建,连接,断开,配置等等
  • display: 处理图形图像,以及视频流的相关操作
  • input: 处理键盘以及鼠标的操作
  • cursor: 处理鼠标的位置,可见度相关的处理
  • playback: 处理从服务端传送过来的音频的播放
  • record: 记录客户端的相关音频信息

通过创建多个相互之间独立的 channel 就可以有效提高 效率以及用户体验,减少相互之间的影响.

window

在 window 中,主要有两个模块:

  • layer: 负责维护窗口的显示内容,包括更新,清除等操作, layer 之间通过 zorder 来维护层次关系.
  • drawable: 对平台相关的渲染操作操作的抽象,包括拷贝,叠加等等

Features

图像命令

Spice 传递和处理 2D/3D 的图像命令, 而不是像其他远程桌面解决方案那样,传递整个帧数据. 而且这些图像命令是与平台无关的.

硬件加速

默认情况下,客户端的渲染是使用 Cairo , 它是一个跨平台,设备无关的2维图像库, 当然,我们可以通过 opengl 使用客户端本地 的 gpu 来完成渲染的工作,从而加速了渲染的操作, 同时减轻了 cpu 的负担.

图像压缩

Spice 提供了 Quic , LZ 以及 GLZ 三种图像压缩方案. 我们可以在服务器端启动时,进行选择,同时在运行期间动态选择. 当然 Spice 也可以根据图像的属性选择合适的压缩方案. 例如,人工图片用 LZ/GLZ 压缩,而真实的图片用 Quic 压缩.

视频压缩

由于视频数据会消耗很多带宽,而且其内容大部分也不是关键的, 所以 Spice 使用了有损的压缩格式 M-JPEG 来传输视频数据.

缓存

为了避免重复的图像传输, Spice 实现了对图像的缓存, 不同的图像有不同的 id ,每个连接有自己的缓存, 它们是相互独立的. 缓存是存放在客户端,而对其的操作 则由服务端来维护,当 display channel 初始化时, 客户端创建缓存, 并将缓存的大小返回给服务端. 当缓存空间不足,服务端会删除那些最不常用的对象, 并通过独立的命令告知客户端,客户端将其从缓存中删除.

鼠标模式

Spice 支持以下两种模式:

  • Server mouse: 在 guest os 中用的是 QEMU 模拟的 ps/2 鼠标,当客户端在本地按下时,服务端会收到相对坐标信息,这里的参考点是屏幕中心,同时客户端的鼠标会立即返回到屏幕中心.
  • Client mouse: 服务端会收到绝对坐标信息,当服务端受到客户端传递过来的坐标信息,会通过 scale 操作映射到 guest os 的屏幕上,通过也会过滤掉那些非法的坐标信息.

多个显示器支持

Spice 支持多个显示器,同时, 客户端可以通过命令对屏的分辨率以及相关的配置进行设置.

2路音频和 Lip-sync

Spice 支持音频的播放的和记录,使用的是 CELT 压缩算法. 音频和视频之间用过 Lip-sync 进行同步.

硬件鼠标

QXL 设备支持鼠标的硬件加速,从而将鼠标从显示系统中分离出来, 这样会获得更好的相应速度,同时也可以减少网络传输.

热迁移

服务端之间的迁移对于客户端而言是无缝的, 所有的连接信息,都在源端备份,同时将其还原到目标端.

FIN.