1、 华为 FusionCloud 桌面云解决方案 5.2高清制图 技术白皮书 文档版本 ： V1.0 发布日期 ： 2014-09-30 华为技术有限公司 版权所有 华为技术有限公司 2014。 保留一切权利。 非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。 商标声明 和其他华为商标均为华为技术有限公司的商标。 本文档提及的其他所有商标或注册商标，由各自的所有人拥有。 注意 您购买的产品、服务或特性等应受华为公司商业合同和条款的约束，本文档中描述的全部或部分产品、服务或特性可能不在您的购买或使用范围之内。除非合同另有约定，华为公司对本文档内容不
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3、视台全媒体编辑主要应用场景 5 2 GPU 直通图形桌面云方案 . 7 2.1 技术原理 . 7 2.2 关键技术 . 8 2.3 应用配置建议 . 8 3 GPU 硬件虚拟化图形桌面云方案 9 3.1 技术原理 . 9 3.2 关键技术 . 10 3.3 应用配置建议 . 11 华为 FusionCloud 桌面云解决方案 5.2 高 清制图 技术白皮书 文档版本 (V1.0) 华为专有和保密信息 版权所有 华为技术有限公司 2 1 华为 高 清制图 桌面云 方案 概述 1.1 高 清制图 桌面 云 简介 高 清制图 指的是需要显卡辅助来支持的 高清视频编辑和 制图 3D 应用，通常是符合
4、DirectX 或者OpenGL 图形技术规范的应用 。 以前的 桌面云场景一般仅支持普通办公，没有高性能图形能力，主要原因是 之前 桌面云的部署还在初始阶段，企业 的一些高端专业软件未 部署 到桌面云 ，而且 高清制图 桌面云虚拟机成本也更高，导致桌面云 支持高端专业软件的 技术研发投入有限 。 目前 普通办公场景下的技术基本都成熟， 高 清制图 桌面方面的技术开始加速发展 ， 各厂商都加大了研发投入 并 推出了相应的解决方案 ，如 Microsoft 的 RemoteFx 、 VMWare 的 vSGA（ Virtual Shared Graphics Acceleration） 和 vD
5、GA（ Virtual Dedicated Graphics Adaptor） 、 Citrix 的 XenDesktop 和 XenApp。 华为高 清制图 桌面 云 ，即桌面云解决方案向终端用户提供的 3D 图形处理 和高清视频编辑 能力 。本特性支持多种高性能图形软件，包括主流 CAD（ Computer Aided Design）软件、常用 GIS（ Geographic Information System） 、 高清视频编辑、 3D 游戏 软件等，能满足多领域客户（如工程、制造、油气、汽车、医疗 、 媒资、 游戏 等行业）对高性能图形处理的需求。 图 1-1 华为 高 清制图 解决
6、方案 示意图 华为 FusionCloud 桌面云解决方案 5.2 高 清制图 技术白皮书 文档版本 (V1.0) 华为专有和保密信息 版权所有 华为技术有限公司 3 根据 应用 场景，高清制图 特性 又分为如下子 特性 ： GPU 直通： 服务器的 GPU 以直通方式分配给虚拟机 ，并通过远程协议使得用户可以从远程进行接入。 GPU 直通方式，将 承载虚拟机的 物理 节点上的 GPU 显卡 绑定 分配给 虚拟机 ，用户通过终端远程接入 虚拟机， 这样虚拟机就可以使用 GPU 获取 3D 加速能力。好处是： 支持多种类型的显卡， 兼容性好，支持符合最新DirectX、 OpenGL 规范的 3
7、D 应用 。 GPU 硬件虚拟化： 通过虚拟化技术将 GPU 物理显卡的显存静态分配给多个虚拟机，虚拟机安装 NVIDIA 显卡驱动，共享使用物理显卡的执行计算资源。 好处是： 支持最多 32 个用户共享 GPU 卡， 兼容性好， 支持符合最新DirectX、 OpenGL 规范的 3D 应用。 1.2 业务场景 分析 1.2.1 制图 主要应用 场景 1.2.1.1 业务场景一、 Designer： 3D 图形 总装设计师 （计算、渲染密集型 ） 采用专业图形工作站方式进行桌面业务处理 ， 常用于 CAD/CAE/CAM 领域专业设计人员，此类场景具有如下特点： 1. 使用专业的 3D 应用
8、软件进行总装设计 、仿真设计、产品概念设计 等工作 。 此类制图软件通常对于 3D 接口（ OpenGL/DirectX）有一定的接口兼容性要求 。 2. 专业制图场景设计图形编辑内容复杂 ， 计算、渲染计算需求量较大，硬件方面需要具有高处理能力 CPU、高吞吐总线，并配置中高端系列 GPU 卡。 3. 具有较高显示分辨率要求，通常使用宽屏高分辨率显示器如 1680*1050 以上 ， 此类应用场景对于计算、渲染能力要求较强。 此类场景通常采用 GPU 直通 或 GPU 硬件虚拟化 高端 vGPU 类型配置 方案 。 用户 使用 的 专业 2D/3D应用软件 主要有 ， AutoCAD、 Pr
9、oE、 Catia、 NX UG、 Creo Elements/Pro、 Rhinoceros 3D、 Solid Edge、SolidWorks、 TurboCAD、 VariCAD、 Autodesk Inventor、 T-FLEX CAD、 Vectorworks 等 。 1.2.1.2 业务场景二、 Power user： 3D 图形 部件设计人员 （计算、渲染中载） 本场景具有如下特点，用户同样适用上述图形软件进行业务处理，如 部件级别编辑 或 图纸查看 ，除基本的 2D 功能外，用户具有 3D 硬件加速要求，对于计算、渲染有一定性能要求，目前的品牌 PC 机 +独华为 Fusio
10、nCloud 桌面云解决方案 5.2 高 清制图 技术白皮书 文档版本 (V1.0) 华为专有和保密信息 版权所有 华为技术有限公司 4 立 GPU 可以满足其工作要求，应用软件的运行要求具有一定的图形加速能力 ， 其桌面主要应用仍然为图形应用，此类用户对成本较敏感。 此类场景可以通过 GPU 硬件虚拟化中端 vGPU 类型 配置方案 满足其计算、渲染要求 ，用 户 使用 的 专业 2D/3D 应用软件 和上面基本相同， 但 编辑的模型级别不同。 1.2.1.3 业务场景三、 Knowledge worker： 轻量级 3D 图形 用户 （无特殊性能要求） 本场景具有如下特点，用户 主要 为
11、生产加工人员 、 轻量级 3D 用户 和 非专业制图类用户 ， 工作重点领域包括 查阅图纸，轻量编辑， 办公应用，丰富的 Web 的体验， 及 流畅的视频播放功能 。 对 用户体验有着特殊的需求，切换至虚拟桌面后仍然希望可以运行原有 PC上程序 。 此类场景通常采用 GPU 硬件虚拟化低端 vGPU 类型配置 方案 ， 用户使用 3D 制图软件的 view版本，PPT， Web 插件等。 1.2.1.4 制图业务场景解决方案 图 1-2 GPU直通和 GPU硬件虚拟化适用的 制图 场景 根据不同业务场景用户对使用环境的要求，匹配对应的解决方案和对应能力的 GPU 卡，来满足用户需求。 GPU
12、直通解决方案 通常 面向 复杂图纸编辑、图纸总装 以及体验要求苛刻 的用户 ， 但成本较高 。华为 FusionCloud 桌面云解决方案 5.2 高 清制图 技术白皮书 文档版本 (V1.0) 华为专有和保密信息 版权所有 华为技术有限公司 5 GPU 硬件虚拟化解决方案面向 中等复杂程度图纸编辑及图纸查阅的用户，可以根据用户实际 需求配置成不同类型的 vGPU。 1.2.2 电视台 全 媒体 编辑主要应用 场景 电视台全媒体编辑 场景用户使用的专业编辑软件 ，国内 主要有索贝的 Nova、 NewStar，以及捷成、 大洋 、新奥特等 ISV 相关软件。 1.2.2.1 业务场景一、 视频
13、渲染合成编辑 （计算、渲染密集型 ） 采用专业图形工作站方式进行 后台 业务处理 ， 常用于 电视台编辑等 多媒体 领域专业设计人员，此类场景具有如下特点： 1. 使用 集 剪辑、特效、合成于一 体 的集成化后期制作平台 ，对 多轨 100Mbps200Mbps 高清视频 码流、音频、文本、特技等 进行渲染合成 生成成片 工作 。 此类 高清编辑 软件通常对于 3D 接口（ OpenGL/DirectX）有一定的接口兼容性要求 。 2. 高清 渲染合成 编辑 场景 的视频文件 编辑内容复杂 ，合成 、渲染计算需求量较大，硬件方面需要具有高处理能力 CPU、高吞吐总线，并配置中高端系列 GPU
14、卡。 此类场景通常采用 GPU 直通配置方案 ， GPU 的 资源被虚拟机独占使用 。 1.2.2.2 业务场景 二 、 120Mbps 高清编辑 （ 计算、渲染中载 ） 采用专业图形工作站方式进行桌面业务处理 ， 常用于 多媒体 领域专业设计人员，此类场景具有如下特点： 1. 高清编辑 场景 的视频文件 编辑内容复杂 ， 需要同时处理多轨高清视频 、多轨音频、多轨字幕、画中画特性等 ， 渲染计算需求量较大，需要高处理能力 CPU，配置中高端系列 GPU 卡。 2. 具有较高显示分辨率要求，通常使用高分辨率显示器如 1920*1080 及 以上 ， 此类应用场景对于计算、渲染能力要求较强。 此
15、类场景通常采用 GPU 直通 或高端 vGPU 类型 配置方案 ： 实现 6 层 120M 高清视频流畅编辑制作 ，构建统一计算资源池，支撑合成渲染等服务器资源的池化以及灵活调配，资源利用率提升 90%。 1.2.2.3 业务场景 三 、 25Mbps 标清编辑 （计算、渲染 轻 载） 本场景具有如下特点，用户 使用 编辑 软件进行业务处理，如 标清视频的 编辑 及视频审查 ，除基本的2D 功能外，用户具有 3D 硬件加速要求，对 视频进行 于计算、渲染有一定性能要求 。 目前的 GPU 硬件虚拟化的虚拟机 可以满足其工作要求，应用软件的运行要求具有一定的图形加速能力 ， 其桌面主要应用为视频
16、编辑 应用，此类用户对成本较敏感。 华为 FusionCloud 桌面云解决方案 5.2 高 清制图 技术白皮书 文档版本 (V1.0) 华为专有和保密信息 版权所有 华为技术有限公司 6 当前国内大部分省市电视台都是以标清为主， 此类场景可以通过 GPU 硬件虚拟化中 低 端 vGPU 类型配置方案 满足其计算、渲染要求 。 1.2.2.4 全媒体编辑 业务场景解决方案 图 1-3 GPU直通和 GPU硬件虚拟化适用的 全媒体编辑 场景 全媒体编辑的应用场景 根据不同业务场景用户 的特点，为用户分配 对应能力的 GPU 卡来满足用户需求。 GPU 直通解决方案 通常 面向 高清视频后期渲染合
17、成处理， 以及 多轨 100M 高清视频编辑 的用户 ， 但成本较高 。 GPU 硬件虚拟化解决方案面向 120M 高清、 25M 标清视频的编辑 的用户， 具体 可以根据用户的需求配置成不同类型的 vGPU。 华为 FusionCloud 桌面云解决方案 5.2 高 清制图 技术白皮书 文档版本 (V1.0) 华为专有和保密信息 版权所有 华为技术有限公司 7 2 GPU 直通 图形 桌面 云 方案 2.1 技术原理 GPU 直通 图形 桌面 具有独立显卡能力 每个图形加速虚拟机绑定一个 GPU 满足 3D 应用的图形渲染需求 服务器的剩余 CPU 资源可以创建不带 GPU 的普通虚拟机 图
18、 2-1 华为 GPU直通 图形 桌面示意图 虚拟机 具备了 GPU 图形加速能力 ，图形软件可以使用 GPU 进行 硬件 渲染， GPU 将渲染后的位图放入显卡视 频缓冲区 ， 将缓冲区内容实时 地投送到 客户端 侧。 华为虚拟机内置显示虚拟桌面 技术 核心 ，获取到显示信息后，进行压缩、合并等一系列的处理后，通过 华为桌面协议 HDP 发给客户端，由客户端显示绘图信息。 通过虚拟化平台的直通技术可以将显卡直接给虚拟机使用，和物理机接入显卡的效果基本一致，在虚拟机上只要安装了对应显卡的显示驱动，显卡可以为这个虚拟机提供高性能图形的能力。桌面云服务器端程序将捕获桌面图像数据， 发送给 远程客户
19、端显示。 华为 FusionCloud 桌面云解决方案 5.2 高 清制图 技术白皮书 文档版本 (V1.0) 华为专有和保密信息 版权所有 华为技术有限公司 8 2.2 关键技术 1. 智能视频识别算法 智能 识别视频区域，针对视频采用专门的压缩算法，支持视频流畅播放，降低带宽占用 。 2. 智能图像识别算法 对文字等体验要求高的区域采用无损压缩算法，针对自然图像采用有损压缩算法，这种 方式能够在不降低用户体验的情况下，降低带宽，减轻网络压力。 3. 硬件编解码 VM 端 采用了基于 NVIDIA 的 Grid SDK 提供的硬件抓图、压缩接口，减轻了 CPU 的压力，提升了 VM 的性能
20、；客户端采 用了 软 硬件 混合 的解码 方式，使显示更加流畅 。 4. 100M 高清图形编辑能力 华为 专门推出了针对 100M 媒资行业高清编辑的 GPU 直通解决方案， 采用 应用感知智能算法选择，即能够智能的识别视频类型而选择不同压缩算法，配合 GPU 直通，提供 100M 高清图形编辑能 力，优于其他厂家。 2.3 应用 配置 建议 由于 GPU 直通技术 是虚拟机独占式的使用显卡 ， 一台服务器能够支持多少虚拟机使用 GPU，受限于单台服务器能够插多少显卡。服务器能够支持显卡的数量受制于 PCI-E 总线带宽、空间、散热和供电的制约因素。因此，单台服务器能够支持的 GPU 不会太
21、多，这样导致 GPU 直通的技术比较适合于高性能图形需求比例较低的场景。 从 PCI-E 设备直通技术来说，虚拟机使用 GPU 和物理 PC 使用 GPU 不存在区别。在实际测试过程中，物理 PC能够运行的 Pro/E、 AutoCAD、 UG等软件，在 GPU 直通虚拟机上也能够运行。 这些图形软件在虚拟机里运行体验效果 与相同配置的物理 PC体验相当 ， 虚拟机支持 GPU 处理能力 与绑定的 GPU 显卡 性能 一致。 华为 FusionCloud 桌面云解决方案 5.2 高 清制图 技术白皮书 文档版本 (V1.0) 华为专有和保密信息 版权所有 华为技术有限公司 9 3 GPU 硬件
22、虚拟化图形桌面 云 方案 3.1 技术原理 GPU 硬件虚拟化 使用单个显卡为 多个 虚拟 桌面 提供 显卡能力 一块 支持 GPU 硬件虚拟化的显卡 （ Nvidia GRID K1/K2） 可 虚拟 成 不同类型的 多个 vGPU 每个图形加速虚拟机绑定一个 vGPU 满足 3D 应用的图形渲染需求 服务器的剩余 CPU 资源可以创建无 vGPU 的普通虚拟机 图 3-1 华为 GPU硬件虚拟化 图形 桌面示意图 GPU 硬件虚拟化图形桌面 虚拟机 具备 GPU 图形加速能力 ，图形软件可以使用 GPU 进行硬件 渲染，GPU 将渲染后的位图放入显卡视频缓冲区 ， 缓冲区内容实时地投送到
23、客户 端 。华为虚拟机内置显示虚拟桌面 技术 核心， 每个 vGPU 虚拟机通过独立的输入通道发送渲染指令和控制命令到物理 GPU，渲染完成后，驱动返回 桌面 帧数据到虚拟机，然后经过 华为桌面协议 HDP 传送到客户端解码并显示。 华为 FusionCloud 桌面云解决方案 5.2 高 清制图 技术白皮书 文档版本 (V1.0) 华为专有和保密信息 版权所有 华为技术有限公司 10 GPU 硬件虚拟化 实现方式为：通过虚拟化平台的技术可以将 一块 显卡 虚拟化为多个 给虚拟机使用，和物理机接入显卡的效果基本一致，在虚拟机上只要安装了 显卡 驱动，显卡可以为这个虚拟机提供高性能图形 处理 能
24、力。桌面云服务器端程序将捕获桌面图像数据，来支持远程客户端显示。 3.2 关键技术 1. GPU 硬件虚拟化 使用虚拟化技术将一个物理 GPU 虚拟成多个供虚拟机使用， 与 GPU 共享的软件虚拟化相比， GPU 硬件虚拟化是在硬件显卡上实现的虚拟化， 性能 更高。 GPU 硬件虚拟化采用的GRID K1/K2 是 针对 数据中心级的功率效率 的要求来设计 ， 采用了全新高性能的 SMX 流处理器。 2. 高密度并发 使用 GRID 显卡优化的多 GPU 设计，最大限度 的 高用户密度。一块 K1 显卡 有 4 个 GPU 和16GB 显存，最多可 以支持 32中低端用户；一块 K2 显卡 有
25、 2 个 GPU 和 16GB 显存，最多可以支持 16 高端用户。 3. 高速图形指令处理 GPU 硬件虚拟化虚拟机和 GPU 直通虚拟机一样， 都可以 通过 NVIDIA 的显卡驱动 可以 直接访问 GPU 硬件资源，具有 与 PC一样的性能和兼容性。 4. 低时延显示 （ HDP：华为桌面协议 ） HDP 使用专用的低延迟的远程显示技术 使用显卡硬件抓取虚拟桌面图像 减少延迟， 并且使用图像识别技术对桌面图像进行识别后采用不同的压缩算法，将 桌面 图像 高效压缩编码后发送 到 TC，使 用户 与 虚拟机进行交互时，大大提高 用户体验 。 5. VNC 通道显示 使用虚拟化技术从物理 GP
26、U 显存获取渲染的桌面图像数据，在控制台使用 VNC 登录可以对虚拟机进行维护等操作 ，解决了 GPU 直通因没有 VNC 功能导致用户在网络故障情况束手无策的重大痛点。 华为 FusionCloud 桌面云解决方案 5.2 高 清制图 技术白皮书 文档版本 (V1.0) 华为专有和保密信息 版权所有 华为技术有限公司 11 3.3 应用配置建议 由于 GPU 硬件虚拟化 技术， 多个 虚拟机 的显存是 独立 分配 的， 物理 显卡的 运 算执行单元是共享 使用的 。 配置 vGPU 类型不同，虚拟机分配显存大小就不同，共享使用显卡的虚拟机数量就不同。 一台服务器能够支持多少虚拟机使用 GPU
27、，受限于 虚拟机应用程序对显卡资源的占用 。 每个 pGPU 可以支持不同类型的 vGPU，不同类型的 vGPU 具有确定 的帧缓存、显示器数和最大分辨率，针对不同类别的工作需求 ，不同类型的 vGPU 参数如下表所示 。 表 3-1 vGPU类型参数 Card pGPUs Virtual GPU Use Case Frame Buffer (MB) Max Resolution Maximum vGPUs Per GPU Per Board GRID K1 4 K100 Knowledge Worker 256 1920x1200 8 32 K120Q Power User 512 2560
28、x1600 8 32 K140Q Power User 1024 2560x1600 4 16 GRID K2 2 K200 Knowledge Worker 256 1920x1200 8 16 K220Q Power User, Designer 512 2560x1600 8 16 K240Q Power User, Designer 1024 2560x1600 4 8 K260Q Power User, Designer 2048 2560x1600 2 4 GPU 硬件虚拟化图形 虚拟机使用 的是 Nvidia 提供的显卡驱动，与 物理 PC使用 GPU 不存在区别。在实际测试过程中，物理 PC能够运行的 Pro/E、 AutoCAD、 UG等软件，在 GPU 硬件虚拟化图形 虚拟机上也能够运行。 这些图形软件在虚拟机里运行体验效果与相同配置的物理 PC 体验相当， 虚拟机支持 GPU处理能力 与绑定的 GPU 显卡 性能 一致。
