基于Android的高性能云终端系统的设计与实现

基于Android的高性能云终端系统的设计与实现

作者：杨雄

来源：《贵州大学学报（自然科学版）》2018年第03期

摘 要：针对主流虚拟化协议对Android系统支持不足和ARM平台厂商对Linux系统的显示驱动支持有限的问题，提出一种将Android系统与Linux系统相整合的解决方案，以Android系统的驱动为基础构建Linux系统应用，通过中间层技术将Android系统的Bionic显示驱动接口转换成Linux系统下Glibc应用能够用的功能接口，具体阐述2D图形显示和高清视频播放的实现。该方案利用了Android系统与Linux系统的优势，扬长避短，使Android平台的设备作为高性能云终端成为可能，扩展云终端的选型范围，降低云终端的成本。 关键词：Android； 云终端； Linux 中图分类号：TP316 文献标识码： B

云桌面构建于企业级虚拟化平台之上，共享服务器CPU、内存、网络连接和存储器等底层物理硬件资源，让多个用户桌面以虚拟机的形式独立运行，为每个用户提供一套独立的桌面环境[1-2]。现有云桌面的前端设备云终端主要以X86+Windows和ARM+Linux两种平台为主，长期以来X86+Windows占据着云终端的主导地位。但是近年来，随着多核ARM平台的迅速发展，通过对系统软件的深度优化，ARM+Linux平台的云终端已经可以提供完美的远程桌面体验，支持高清的视频重定向，而且ARM+Linux平台的云终端成本远低于X86+Windows平台。

2014年，Android设备的销售量占到全球份额81%的绝对优势[3]，但目前主流的虚拟化协议如Citrix的ICA[4]、VMware的PCOIP[5]和Red Hat的SPICE[6]，对Android系统的支持还停留在基础办公上，对于协议的扩展如MMR或者USB设备重定向的支持几乎没有，同时Android系统主要针对触屏操作，对鼠标操作的支持较弱，导致其虚拟化应用体验较差。但这些虚拟化协议在ARM+Linux上的实现以及用户体验都达到一个较好的水平。

由于受限于云终端的市场规模，ARM厂商对Linux系统的驱动支持有限，只提供Android系统下的驱动，且都是闭源的二进制动态库，说服厂商针对Linux系统重新编译提供一套动态库几乎是不现实的，如国内主流的ARM厂商海思和瑞芯微都已不再提供针对Linux的显示驱动，这导致云终端的ARM+Linux硬件平台选型受到极大的限制。

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综上，在ARM+Linux上虚拟化体验较好，但缺乏原生厂商的支持，而在ARM+Android上虚拟化体验较差，但其驱动较为完整。由于多数厂商不提供Linux系统驱动导致

ARM+Linux云终端平台选型非常困难，若能够基于Android驱动构建Linux系统及其应用，那就能够将Android设备纳入云终端的选型范围。 1 Android系统与Linux系统

Android系统与Linux系统的系统架构如图1所示。从系统架构看，Android本质上就是一个Linux变种，二者使用了相同的内核，但在基础库上有较大区别，Linux是基于Glibc，而Android则重写了Glibc，衍生出了Bionic[7]。但由于Bionic与Glibc不完全兼容，加上链接器的不同，导致在Android上编译的动态库是无法直接在Linux系统中使用。

ARM厂商提供的Android的驱动位于HAL（硬件抽象层）[8]，而HAL依赖于基础库Bionic，若希望Linux系统的应用能够调用Android系统的HAL驱动，则需要解决基础库（Bionic与Glibc）的兼容性问题。因此在系统融合方案中在Bionic与Glibc之间构建中间层LibBridge，让Linux系统的Glibc环境下的应用通过LibBridge中间层能够调用Android系统的基于Bionic库的驱动。在具体实现中，该方案基于瑞芯微RK3188平台，实现了2D图形显示和视频硬解码功能。

2 云终端系统的设计与实现 整合系统的框架如图2所示。

系统尽可能地保留了Android原始的HAL及相关的服务，在进入Android系统后，通过chroot的方式进入Linux系统并启动相关的服务和应用程序主界面。系统启动流程如图3所示。

在Linux系统中调用Android的显示驱动及多媒体驱动，实现了支持1920×1080分辨率的2D图形显示和1080P高清视频的流畅播放，达到了高性能云终端的基准，在该系统中的Citrix虚拟化体验并能够达到Citrix的Ready认证水平[9]。下面具体阐述整合系统中中间层LibBridge、2D图形显示和高清视频硬解码的实现。 2.1 中间层LibBridge的设计与实现

中间层LibBridge的主要作用是把Android系统中基于Bionic编译的驱动库中的符号替换成与Linux系统中Glibc相兼容版本的符号。它封装了基于Bionic编译的库，当Linux的应用需要调用到Bionic库时，会首先加载LibBridge中间层，LibBridge中间层就会使用其内部实现的一个基于Android链接器去加载真正需要加载的库。

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它的具体原理为：首先封装所有Android驱动库的接口，然后使用链接器的机制动态加载Android驱动库，最后根据实现调用来重定向接口。其中链接器是一个基于Android系统中链接器修改而成的版本，但其中加入了对Glibc符号的特殊处理。其原理如图4所示。

可以看出，包含字符映射的LibBridge的hooks哈希表中包含兩部分内容：一部分是hooks数组定义的映射，其字符地址指向LibBridge中实现的封装函数，由封装函数来处理兼容性问题，然后调用Glibc对应版本。 另一部分是Bionic的字符到libc.so.6和 librt.so对应版本的直接映射。前者是静态定义的，后者则是运行时生成的。其中处理字符重定位的关键函数reloc_library实现为：

static int reloc_library（soinfo *si， Elf_Rel *rel， unsigned count） {

Elf_Sym *symtab = si->symtab； const char *strtab = si->strtab； …

for（idx = 0； idx < count； ++idx） { …

if （sym ！= 0） {

sym_name = （char *）（strtab + symtab[sym].st_name）；

INFO（\"HYBRIS： '%s' checking hooks for sym '%s'＼＼n\"， si->name，sym_name）； sym_addr = get_hooked_symbol（sym_name）； if （sym_addr ！= NULL） {

INFO（\"HYBRIS： '%s' hooked symbol%s to%x＼＼n\"， si->name，sym_name， sym_addr）；

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} else {

s = _do_lookup（si， sym_name， &base）； } … } } }

其中獲取hooks哈希表具体字符的get_hooked_symbol函数实现为： void *get_hooked_symbol（char *sym） {

struct _hook *ptr = &hooks[0]； static int counter = -1； while （ptr->name ！= NULL） {

if （strcmp（sym， ptr->name） == 0） {

return ptr->func； } ptr++； }

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… }

基于Linux系统的Glibc的应用调用LibBridge的工作流主要如下： （1）应用程序启动；

（2） 若是动态链接，且应用程序中调用了Android 库的接口，则使用LD加载LibBridge库；

（3）通过调用LibBridge库的接口来调用真正的Android库接口。

通过中间层LibBridge，Linux系统的基于Glibc编译的应用就能够间接调用Android系统的HAL驱动库了，基于此就能够在Linux系统中调用Android的GPU驱动来实现2D图形显示。

2.2 2D图形显示的实现

目前Linux采用的显示架构都是Xorg，虚拟化厂商提供的客户端也都是基于X的。Linux系统的显示架构如图5所示。

从上述架构可以看出，在Linux系统中使用了Android自带的显示服务，能够最大限度的利用Android原生驱动效率，同时也具备了高可移植性，可以屏蔽Linux系统对Android底层显示驱动的依赖。

在LibBridge中包含了2D图形显示的EGL平台接口，它是Android平台的libEGL库的封装实现，其内部会加载真正的libEGL库，在hook一些函数的同时也会增加一些扩展函数，它主要包含两种后端的实现：fbdev和wayland，其结构如图6所示。 2.3 高清视频硬解码的实现

目前Linux上采用较多的多媒体框架是Gstreamer，基于可插拔插件的Gstreamer多媒体应用框架应用灵活，扩展性强，能够快速装卸功能模块，极大地简化多媒体应用的开发过程[10]，Citrix的多媒体重定向也都是Gstreamer框架，如图7所示。

Gstreamer通过LibBridge调用Android原生的MediaCodec[11]，能够有效的利用Android的硬解码，屏蔽Linux系统对硬解底层驱动的依赖。在针对RK3188的Android版本中已提供OMX硬解的支持，因此只需要在Wayland中支持Gstreaner的xvimagesink视频输出，即需要在Wayland中支持X视频扩展[12]。X视频扩展是X Window系统的视频输出机制，它主要用于调整视频控制器硬件中的视频内容大小，以放大给定视频或以全屏模式观看。没有X视频

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扩展，X将不得不在主CPU上进行缩放，这需要大量的处理能力，会减慢或降低视频流，这对ARM几乎是不可接受的，因此需要在Wayland中针对RK3188平台的X视频扩展接口，利用其硬件缩放和YUV加速能力。X视频扩展的实现只需要在Wayland中增加RK3188的设备驱动，并实现XVideo接口即可。RK3188图像输出接口的设备驱动在其内核中已定义，不需要调用Android 下的相关库，因此根据SDK代码实现framebuffer相关操作即可。关键部分代码为：

//RK平台的XVideo初始化函数 int rk_init（ScreenPtr pScreen） { …

rk_xvideo * rkxv = rk_xvideo_init（RkFb_private）； if （rkxv） {

XVideo_private = XVideo_Init（pScreen， &rkxv->intf）； } return 0； }

在wayland的初始化函数中将xv_private修改为rk_init，关键代码为： void

xwl_xv_init_port（ScreenPtr screen， glamor_port_private *port_priv， int port_number） { …

port_priv->xv_private = rk_init_xv（）；

REGION_NULL（pScreen， &port_priv->clip）； }

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3 总结

本文构建的基于Android的高性能云终端，通过构建LibBridge中间层解决了Glibc与Bionic的兼容性问题，以Android系统的驱动为基础构建Linux系统应用，将Android的优势与Linux优势相整合，使得Linux系统的应用能够充分利用Android系统的硬件驱动，扩大云终端ARM+Linux平台的选型范围，使云终端从传统PC、专用的云终端设备扩展到Android移动设备上。 参考文献：

[1]徐浩， 兰雨晴. 基于SPICE协议的桌面虚拟化技术研究与改进方案[J]. 计算机工程与科学， 2013， 35（12）：20-25.

[2]KHAJEH-HOSSEINI A， GREENWOOD D， SOMMERVILLE I. Cloud Migration： A Case Study of Migrating an Enterprise IT System to IaaS[C]// International Conference on Cloud Computing. IEEE Computer Society， 2010：450-457.

[3]卿斯汉. Android安全研究进展[J]. 软件学报， 2016， 27（1）：45-71.

[4]LI J， JIA Y， LIU L， et al. CyberLiveApp： A secure sharing and migration approach for live virtual desktop applications in a cloud environment[J]. Future Generation Computer Systems， 2013， 29（1）：330-340.

[5]CALYAM P， PATALI R， BERRYMAN A， et al. Utility-directed resource allocation in virtual desktop clouds[J]. Computer Networks， 2011， 55（18）： 4112-4130.

[6]徐浩， 兰雨晴. 基于SPICE协议的桌面虚拟化技术研究与改进方案[J]. 计算机工程与科学， 2013， 35（12）：20-25.

[7]张超. 面向桌面Linux的Android运行环境构建[D]. 长沙：国防科学技術大学， 2012. [8]李宇成， 梁宗希. Linux摄像头驱动的设计优化及其对应的Android下HAL封装设计方法探究[J]. 计算机应用与软件， 2016， 33（9）：249-253.

[9]董慧， 方金云， 赵红超，等. 基于Citrix的异地软件共享系统的设计与实现[J]. 计算机工程， 2009， 35（1）：49-51.

[10]宫健. 基于Gstreamer的嵌入式流媒体传输系统的研究与实现[D]. 南京：南京邮电大学， 2016.

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[11]万海清. 基于Android的运动检测视频监控应用的设计与实现[D]. 武汉：华中科技大学， 2015.

[12]SYSTEM X W， SOFTWARE F， ORG F. Video Acceleration API[J]. Human Immunology， 2014， 75（2）：124-128. （责任编辑：周晓南）