Spice协议初探

序 言

SPICE，即Simple Protocol for Independent Computing Environment（独立计算环境简单协议）是红帽企业虚拟化桌面版的主要技术组件之一，具有自适应能力的远程提交协议，能够提供与物理桌面完全相同的最终用户体验。灵跃桌面云借助支持SPICE协议的客户端（如remote-viewer）或者通过浏览器，用户可以访问自己的虚拟桌面，如下图1所示

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1.特点

Spice虚拟桌面传输协议，最初是由Qumranet开发，后来被RedHat收购并开源。经过几年的社区开发，Spice协议已经能在实际应用中一展拳脚，和商业协议ICA 、PCoIP等相抗衡，与上述商业化的远程桌面协议相比，Spice协议具有如下优点：
（1）开源：易于扩展和功能定制；
（2）跨平台：Windows/Linux/Mac OS平台全兼容；
（3）支持外接设备：除常用USB设备外，打印机和扫描仪等设备也能在远程使用；
（4）丰富的媒体支持：包括视频、音频、图像；
（5）更小的带宽占用：Spice里内置图像压缩算法，有效减少数据传输时的带宽占用；
（6）更安全的数据传输：Spice可以使用OpenSSL加密传输数据。

2.架构

Spice 包含四个部分：协议、客户端侧、服务端侧和虚拟机侧。其中，
（1）协议：是客户端侧、服务端侧和虚拟机侧三个部分交互时所遵循的准则；
（2）客户端：负责接收并转换虚拟机数据，以及发送用户输入数据到虚拟机，从而使得用户能够与虚拟机进行交互；
（3）服务端：是集成在Hypervisor内部的一个用户层组件，使得Hypervisor（如QEMU）支持Spice协议；
（4）虚拟机侧：指所有部署在虚拟机内部的必需组件，如QXL驱动、Spice Agent等。

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（一）Spice 图形命令流
　图3展示了Spice的基本框架，以及图形命令流如何从虚拟机内部达到Spice终端（平台环境为QEMU+libSpice）。图形命令开始于虚拟机内部的图形应用程序向OS请求绘制操作（如GDI命令）。之后，Spice会利用安装在虚拟机内部的QXL驱动，捕获应用程序的绘制操作，进而转化为Spice QXL 命令，并传递到QEMU虚拟的QXL设备后端。接着，LibSpice会读取上述QXL 命令，进行重组和优化，并封装成Spice协议消息格式，发送到终端。最后，终端依据Spice协议解析对应的图形操作消息，进而完成画面更新操作。

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（二）Agent 命令流
如图4所示，为Spice Agent对应的命令交互流程，Spice Agent位于虚拟机内部。Spice Server 和 client 借助Agent在虚拟机内部执行一系列动作，如设置虚拟机显示配置等。Spice Agent通过位于虚拟机内部的VDIPort设备驱动与VDIPort设备（由QEMU 虚拟的设备）进行交互，VDIPort虚拟设备与Spice Server通过QEMU 的VDI Interface 进行交互，从而最终实现Spice Agent与Spice Server以及Spice Client三者之间的交互，其中消息格式均遵从Spice协议。

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3.实现

3.1 Spice客户端
如图5所示，Spice客户端通过建立不同的通道来处理不同的事件。客户端将每个Channel实现为一个单独的线程，具体通过定义一个以单独线程运转的RedChannel基类的方式来实现，之后从此基类中派生所需要的具体功能类。
客户端Channel类包括：RedClient、DisplayChannel、CursorChannel、InputsChannel、PlaybackChannel、RecordChannel等。RedClient 负责建立主通道，之后主通道通过channel_type创建下述通道：
（1）DisplayChannel：负责处理图形命令、图片以及视频流显示；
（2）InputsChannel：负责处理键盘和鼠标输入；
（3）CursorChannel：负责处理指针设备位置、可见性以及形状的显示；
（4）PlaybackChannel：负责接收服务端的声音数据，并在客户端播放；
（5）RecordChannel：负责客户端声音设备声音捕获，并将其传递到虚拟机内。

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3.2 Spice Server
如图6所示，Spice Server内部对应于client，也存在若干个通道。这些通道主要负责向虚拟机的虚拟设备（如键盘鼠标等）传递客户端侧用户的输入，以及接收并显示虚拟机虚拟显卡对应的画面（QXL）。为了使得Spice Server能够相对独立，其借助QEMU提供的各种虚拟设备后端接口来与虚拟机所见的虚拟设备进行交互，如Playback Interface等。

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3.3 Spice 协议
如图7所示，Spice协议是构建起整个虚拟桌面的核心。借助于Spice协议，虚拟桌面各个组件之间才能够顺利交互。

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3.4 QXL Device
Spice Server 支持 QXL VDI interface，负责为虚拟机提供虚拟显卡，包括初始化显卡的ROM与RAM等的地址映射、IO端口映射、显存区域更新、光标位置通知、设备IRQ请求、显卡模式设置及重置等显卡基本功能。同时，QXL设备后端，负责与Spice Server交互，从而实现在终端实时进行虚拟桌面的显示。
3.5 QXL Guest Drivers
QXL虚拟设备对应的驱动，使操作系统能够正确识别相应的设备。
3.6 Spice Agent
虚拟机内部的守护进程，接收来自客户端或者服务器的相关操作请求，比如设置虚拟机的分辨率等。
3.7 VDIPort Device and Driver
VDIPort设备由Spice Server为虚拟机所虚拟的串口通信设备，提供给虚拟机内部Agent通道以及usb重定向通道使用，其在QEMU侧均对应于一种名称为Spicevmc的字符设备后端。
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