クラウドデスクトップの技術アーキテクチャの分析

著者: Chi Wei、所属: 中国移動スマートホームオペレーションセンターセキュリティ製品部

ラボガイド

従来の企業ネットワーク構築では、PC が基盤と中核の両方となります。しかし、ネットワーク構築プロセスでは、PC は、複雑な構成と展開、ソフトウェアとハ​​ードウェアのアップグレード コストの高さ、機密データの分散、データ セキュリティ メカニズムの不完全さなど、一連の問題に悩まされやすく、集中的なデータ管理とメンテナンスが不便になります。その結果、クラウド デスクトップは徐々に人々の目に留まり、ますます注目を集めるようになりました。

1 背景

クラウドデスクトップとは、主にクラウド上で動作する PC (Windows など) のデスクトップ システムを指します。ユーザーは、ローカルではソフト端末や薄型端末を入り口として、外部モニターを使用し、リモートデスクトップシステムに接続します。使用感はローカル コンピューターとまったく同じです。使用プロセス全体を通じて、すべてのコンピューティング作業はクラウド内で完了します。

IDCは2022年6月13日に「仮想クライアントコンピューティングソフトウェア市場半期追跡レポート」（下図参照）を発表し、それによると、2021年の仮想クライアントコンピューティングソフトウェア市場の市場規模は3億2,000万米ドル（21.6億人民元）に達し、前年比25.2%増加した。

IDC が定義する仮想クライアント コンピューティング ソフトウェア市場とは、主に仮想デスクトップ、アプリケーション仮想化、その他の種類のデスクトップ クラウド/デスクトップ仮想化テクノロジを含む、デスクトップ クラウド/デスクトップ仮想化テクノロジに関連するソフトウェア市場を指します。これは新興市場ではありませんが、近年の流行病によってもたらされた企業の働き方の変革と、クラウドベースのDaaS（Desktop as a Service）モデルの急速な発展により、市場全体が新たな活力に満ち溢れています。

2 開発の歴史

クラウド デスクトップの技術的進化を、Citrix と VMware という 2 大企業の開発履歴から見ると (下図参照)、両社がそれぞれ 1 つの技術的焦点に焦点を当てていることがわかります。Citrix はストリーミング プロトコルから始まり、30 年以上にわたってデスクトップ仮想化の重要なコア技術の研究開発を行ってきました。ストリーミング プロトコルのパフォーマンスは業界最高です。 VMware は仮想化技術から始まり、30 年以上にわたってサーバー仮想化の研究開発を行ってきました。仮想化ソリューションの全体的な市場シェアは 90% を超えています。

国内のクラウドデスクトップ企業は、主にエンタープライズプライベートクラウドのシナリオから始めて、2010年から取り組んできました。しかし、近年では国内メーカーも多数パブリッククラウド市場に参入しています。主流のクラウド デスクトップ メーカーには、Alibaba Cloud、ZTE、Ruijie、Sangfor、Huawei などがあります。これらのクラウド デスクトップ製品に関係する主要技術には、自己研究、協力、オープン ソース ベースの変革などがありますが、中核となる主要技術には、クラウド コンピューティング リソース (仮想化)、エンドツーエンドのストリーミング (リモート ディスプレイ プロトコル)、ネットワーク伝送 (ジッター防止、低遅延)、周辺機器の適応 (USB デバイスのリモート アクセス) などがあります。

3 技術アーキテクチャ

長年の技術進化を経て、主要メーカーのクラウド デスクトップ ソリューション全体が次の図に示されています。

• ユーザー層: ユーザーはソフトウェア端末またはハードウェア端末を介してリモートデスクトップシステムに接続します。
• ネットワーク層: パブリッククラウドまたはプライベートクラウドネットワーク環境でデータを送信
• アクセス層: ユーザー情報の検証、デスクトップ割り当て制御、接続、セキュリティ制御などを担当します。
• 仮想デスクトッププール: 仮想デスクトップシステムをユーザーに割り当て、仮想リソースを関連付けます。
• リソースプール: 仮想化プール内のハードウェア層リソースを管理する

上記の機能アーキテクチャに基づいて、技術的な観点から次のように要約できます。

エンドツーエンドのプロセス全体はストリーミング プロセスとして要約でき、主にクラウド、エンド、ネットワークの 3 つの部分に分かれています。以下では、これら3つの部分を個別に説明します。

1. クラウド: 仮想化、スクリーンキャプチャ、エンコード (クラウドコンピューティングリソース、エンドツーエンドのストリーミング)

1. 仮想化

デスクトップ システムの仮想化は、x86 アーキテクチャに基づいて実装されます。 Android シナリオへの移行では、ARM 仮想化を考慮する必要があります。エンコード パフォーマンスの最適化を考慮すると、GPU 仮想化または GPU パススルーが必要になります (コストが高くなります)。

2. スクリーンキャプチャ

GuestOS (Linux を例に挙げます) のスクリーン キャプチャを実装するには、通常、アプリケーション (表示クライアント)、サーバー (表示サーバー)、OpenGL (Mesa 3D の実装)、libDRM、DRM (カーネル)、GPU などのプロセスが含まれます。デスクトップ システムによってグラフィック スタックが異なり、ターゲットを絞った最適化が必要です。

3. コーディング

スクリーンキャプチャによって収集されたデータは、エンコードして送信する必要があります。帯域幅の占有量を削減するには、ビットレート、フレームレート、解像度の 3 つの側面から総合的に最適化する必要があります。ネットワーク伝送とユーザーエクスペリエンスのバランスを取り、伝送の適応を実現するために、システムリソースの占有率、現在のユーザーネットワーク環境などに応じてパラメータを適応的に調整する必要があります。

（II）終了：デコード、コマンド収集とアップロード、USB周辺機器アクセス（エンドツーエンドストリーミング、周辺機器適応）

1. デコード

一般的なシナリオでは、H.264 ソフトウェア デコードを使用できます。ただし、ゲームなど、エクスペリエンス要件が非常に高いシナリオでは、H.265 ハードウェア デコードを検討する必要があります。対応するデバイスのハードウェアや端末側の適応作業にかかるコストが増加します。

2. 指示を収集してアップロードする

端末デバイスは、キーボードやマウスなどの外部デバイスからキー制御コマンドを収集し、対応するデータ プロトコル形式に組み立ててクラウドにアップロードします。クラウド システムは、イベントを解析して応答します。

3.USB周辺機器アクセス

デスクトップ シナリオでは、PC コンピューターのあらゆる使用シナリオに対するユーザーのニーズを満たすために、USB 周辺機器のアクセス適応が重要なタスクであり、一般的なものには、USB フラッシュ ドライブ、カメラ、マイクなどがあります。クラウド デスクトップのテクノロジ スタックはメーカーによって異なり、対応する USB 周辺機器の機能も不均一です。これはデスクトップ プロトコルと強く結びついており、クラウド デスクトップの全体的な機能交換コストが膨大になります。したがって、周辺機器は USB/IP プロトコルを使用して実装できます。 USB/IP は 2009 年に Linux カーネルに統合され、ソリューションは完全にクロスプラットフォーム (クラウド コンピュータ プラットフォーム) で、デスクトップ プロトコルから完全に分離され、柔軟性とプラグ可能性を備えています。

（III）ネットワーク：脆弱なネットワーク環境への耐性、低遅延伝送（ネットワーク）

1. 手ぶれ補正

QUIC UDP ソリューションを採用できます。 UDP 実装に基づいており、ハンドシェイク プロセスが単純で、輻輳制御が改善され、多重化が可能であり、FEC 前方誤り訂正機能も備えているため、ネットワーク ジッタやパケット損失が発生した場合でも、ある程度のデータ整合性を確保できます。

2. 低遅延

クラウド デスクトップ シナリオのリンク RTT 全体には、次の手順が含まれます。

時間のかかる主な手順は、画面キャプチャ、エンコード、ネットワーク転送、およびデコードです。そのため、全体的な RTT 遅延制御はネットワーク側だけでなく、遅延を減らすためにクラウドと端末のグラフィックスと画像のエンコードとデコードの詳細な最適化も必要になります。

上記では、クラウド、ネットワーク、端末の3つの側面から、中核となる重要な技術ポイントを詳しく説明しました。技術的なポイントが一つずつ実現された後、基本的な機能を下位に蓄積し、他のビジネス シナリオに拡張して、より大きな技術的価値を発揮することができます。

4. まとめと展望

上記の主要な技術的ポイントの分析に基づいて、クラウド デスクトップに関係する基本的な機能を整理できます。

リソースのクラウド化機能、ストリーミング機能、ネットワーク機能、周辺機器の適応機能を統合的に構築した後、クラウドコンピューティングの急速な発展と大帯域幅のトレンドの下で、機能の組み合わせを通じて複製され、より多くのクラウドシナリオに推進され、ユーザー側のデバイスが徐々にスリム化され、コンピューティング機能が徐々にクラウドに移行し、オペレーターのIDCコンピューティングと基本ネットワークの総合的な利点が十分に発揮されます。