摘要

本文介紹了應(yīng)用分層實(shí)現(xiàn)的技術(shù)原理、實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用場景以及使用限制。

關(guān)鍵字

應(yīng)用分層、文件系統(tǒng)分層、注冊(cè)表分層、minifilter。

術(shù)語清單

 

縮略語/術(shù)語	說明
Minifilter	微軟過濾驅(qū)動(dòng)框架
Composite File System	聯(lián)合文件系統(tǒng)
File System Layering tech	文件系統(tǒng)分層技術(shù)
Register System Layering tech	注冊(cè)表系統(tǒng)分層技術(shù)
App Layer	應(yīng)用分層

1. 概述

隨著云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，作為云計(jì)算典型的應(yīng)用，云桌面以其數(shù)據(jù)安全、高效運(yùn)維、統(tǒng)一管理、綠色節(jié)能等特性深受用戶的青睞，在各行各業(yè)的場景中逐步取代部分傳統(tǒng)的PC。

傳統(tǒng)的廣義上的云桌面技術(shù)無論是VDI架構(gòu)，IDV架構(gòu)還是VOI架構(gòu)，都具備了桌面操作系統(tǒng)管理和分發(fā)的基本功能。但是仍然存在一些不足，當(dāng)前管理員通常只能將安裝好應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)的桌面系統(tǒng)整體分發(fā)給用戶。這種方案帶來的一個(gè)最大問題是：用戶的桌面系統(tǒng)使用一段時(shí)間后，桌面中已經(jīng)存在一些用戶自己安裝的應(yīng)用和數(shù)據(jù)。如果此時(shí)管理員要對(duì)原來已經(jīng)分發(fā)過的系統(tǒng)重新編輯更新再分發(fā)，就會(huì)導(dǎo)致用戶的應(yīng)用或數(shù)據(jù)丟失，大多數(shù)場景這是不能接受的。所以管理員應(yīng)對(duì)該情況通常還是需要到每個(gè)用戶那分別一一處理，帶來重復(fù)的運(yùn)維工作量。

下文要介紹的“應(yīng)用分層技術(shù)”就是用來解決這個(gè)問題的。它能將管理員管理的操作系統(tǒng)、程序和數(shù)據(jù)同用戶自己管理的程序和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分離。這樣管理員就可以隨時(shí)統(tǒng)一對(duì)桌面系統(tǒng)更新如系統(tǒng)設(shè)置、程序的安裝和更新等，并隨時(shí)將更新推送給用戶。

2. 技術(shù)介紹
   1. 應(yīng)用分層技術(shù)概述

從技術(shù)上講，應(yīng)用分層技術(shù)的“層”對(duì)于Windows而言其實(shí)是一堆文件和注冊(cè)表項(xiàng)的集合，這些文件和注冊(cè)表項(xiàng)在軟件安裝過程被捕獲并存儲(chǔ)為虛擬磁盤。當(dāng)一個(gè)“層”被分配給虛擬桌面時(shí)，該層所對(duì)應(yīng)的虛擬磁盤中的相關(guān)應(yīng)用和數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)加入到系統(tǒng)中，就像系統(tǒng)安裝了新應(yīng)用程序效果一樣。再通過該技術(shù)將所有這些層合并在一起，讓用戶看到的最終系統(tǒng)就是由多個(gè)這樣的層拼裝之后的完整桌面。這些層有的是只讀的，有的是可寫的。

如上圖所示，使用應(yīng)用分層技術(shù)后，用戶桌面的操作系統(tǒng)被邏輯分層多個(gè)層。其中“原生操作系統(tǒng)”和“管理員的應(yīng)用和配置”這兩個(gè)層是可以由管理員來統(tǒng)一編輯和管理的，能夠單獨(dú)下發(fā)更新給用戶。應(yīng)用分層技術(shù)會(huì)將更新后的這些層自動(dòng)和用戶自管理的層合并。

 

1. 2. 應(yīng)用分層技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

Windows應(yīng)用分層主要涉及兩個(gè)核心技術(shù)，文件系統(tǒng)分層技術(shù)和注冊(cè)表系統(tǒng)分層技術(shù)。

1. 1. 1. 文件系統(tǒng)分層技術(shù)實(shí)現(xiàn)（File System Layering tech）

文件系統(tǒng)分層是通過文件系統(tǒng)虛擬化實(shí)現(xiàn)的。無論是在PC還是虛擬機(jī)上運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，都存在一個(gè)安裝Windows的系統(tǒng)盤，通常是C盤。這個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)器包含了一些具有一定層次結(jié)構(gòu)的文件和文件夾，他們確保windows正常引導(dǎo)并使windows服務(wù)或應(yīng)用程序能夠正常運(yùn)行，同時(shí)用戶可以在該盤讀寫數(shù)據(jù)。

對(duì)C盤的文件系統(tǒng)分層是按照一系列的層創(chuàng)建一個(gè)虛擬的邏輯C盤視圖。這些層或者是一系列的虛擬磁盤或則是一系列的虛擬文件系統(tǒng)文件，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)這一系列的虛擬磁盤或虛擬文件系統(tǒng)文件通過文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)（也被稱為聯(lián)合文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)）被附加合并到C盤內(nèi)，組成一個(gè)虛擬合并的盤邏輯視圖，在任何情況下通過C盤看到的是一個(gè)真正的由所有這些虛擬磁盤（或則說文件系統(tǒng)層）的合并視圖。

 

如上圖示例，每個(gè)層包含一個(gè)應(yīng)用程序，它們分別有兩個(gè)文件：一個(gè)exe和dll，每個(gè)層在一個(gè)單獨(dú)的虛擬磁盤中，把這些虛擬磁盤掛載到虛擬機(jī)上后通過文件系統(tǒng)虛擬化驅(qū)動(dòng)工具，將各個(gè)層次的文件在邏輯上合并到系統(tǒng)的C盤中，使系統(tǒng)看上去就好像這三個(gè)層中的文件系統(tǒng)本來就是C盤的文件一樣。這時(shí)C盤的文件系統(tǒng)如下：

 

它是C盤原有文件和三個(gè)層文件的虛擬合并。打開Windows的資源管理器瀏覽C盤，你可以看到類似于上圖的結(jié)構(gòu)，看到來自不同層文件和目錄被并在一起，有AppA、AppB和來自許多層的公共文件夾以及公共文件夾中來之不同層的文件DLL。

聯(lián)合文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)是通過文件系統(tǒng)MiniFilter過濾驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的。在邏輯上所有的文件都存在于文件系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)層本身在虛擬磁盤中是NTFS，通過虛擬化文件系統(tǒng)的名稱空間，以攔截IO請(qǐng)求文件，并將它們重定向到對(duì)應(yīng)的層。 比如，如果雙擊App.exe的快捷方式，對(duì)文件系統(tǒng)的調(diào)用實(shí)際上進(jìn)入了MiniFilter文件系統(tǒng)微過濾驅(qū)動(dòng)，它將請(qǐng)求傳遞到對(duì)應(yīng)的虛擬磁盤上。

1. 1. 2. 文件系統(tǒng)分層呈現(xiàn)給用戶的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多個(gè)文件系統(tǒng)分層文件系統(tǒng)呈現(xiàn)給用戶Windows環(huán)境的文件系統(tǒng)邏輯如下圖示例：

 

Operating System：基礎(chǔ)的Windows操作系統(tǒng)層；

App Layer(office)：安裝了Office應(yīng)用的層；

App Layer(fireFox)：安裝了firefox瀏覽器應(yīng)用的層；

WriteLayer：可寫層，包括windows運(yùn)行過程產(chǎn)生的一些臨時(shí)文件、用戶寫入的數(shù)據(jù)文件以及對(duì)應(yīng)用層的已有文件修改通過寫時(shí)拷貝機(jī)制寫入的數(shù)據(jù)。

1. 1. 3. 文件系統(tǒng)沖突的優(yōu)先級(jí)機(jī)制

每個(gè)虛擬層安裝的應(yīng)用程序都有自己的目錄文件列表結(jié)構(gòu)，如果兩個(gè)層的同一個(gè)路徑下存在相同的文件名就產(chǎn)生了沖突。一般情況每個(gè)應(yīng)用程序安裝都有自己的目錄結(jié)構(gòu)，極少會(huì)出現(xiàn)沖突。應(yīng)用分層技術(shù)解決這種文件沖突的主要機(jī)制是通過設(shè)置層優(yōu)先級(jí)來解決的，層優(yōu)先級(jí)高的文件呈現(xiàn)給windows系統(tǒng)。當(dāng)通過Windows查看這些層文件時(shí)，它遵循一個(gè)自上而下的模型，越上層優(yōu)先級(jí)越高。因此，如果同一個(gè)文件存在于兩個(gè)層的同一路徑中，根據(jù)優(yōu)先級(jí)原則只有一個(gè)文件會(huì)被呈現(xiàn)給一個(gè)執(zhí)行的Windows環(huán)境。用戶看到也是這個(gè)優(yōu)先級(jí)高的文件。如下圖示例：

 

 

1. 3. 注冊(cè)表系統(tǒng)分層技術(shù)（Register System Layering tech）

注冊(cè)表系統(tǒng)分層技術(shù)和文件系統(tǒng)分層技術(shù)原理上類似，是通過虛擬注冊(cè)表系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)注冊(cè)表系統(tǒng)的分層就是創(chuàng)建一系列虛擬注冊(cè)表或者說是一系列虛擬的注冊(cè)表蜂巢文件，通過注冊(cè)表過濾驅(qū)動(dòng)（聯(lián)合注冊(cè)表驅(qū)動(dòng)）將這些個(gè)獨(dú)立的注冊(cè)表的視圖虛擬的合并起來，以一個(gè)統(tǒng)一的完整注冊(cè)表視圖提供給操作系統(tǒng)使用。

注冊(cè)表系統(tǒng)分層技術(shù)實(shí)現(xiàn)和呈現(xiàn)給用戶的注冊(cè)表視圖結(jié)構(gòu)以及沖突的優(yōu)先級(jí)機(jī)制和文件系統(tǒng)基本一致。

3. 應(yīng)用分層典型應(yīng)用
   1. 系統(tǒng)批量分發(fā)應(yīng)用場景

場景一：安全補(bǔ)丁升級(jí)批量分發(fā)

在很多的用戶工作的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，出于安全等各方面的考慮往往都是內(nèi)網(wǎng)工作環(huán)境，其工作環(huán)境是和Internet隔離的，這就導(dǎo)致用戶的工作環(huán)境中的云桌面無法通過internet進(jìn)行在線升級(jí)；

場景二：軟件、系統(tǒng)設(shè)置批量下發(fā)

云桌面運(yùn)維過程中，可能會(huì)需要對(duì)一些辦公軟件進(jìn)行升級(jí)、增加或者刪除；或者是對(duì)操作系統(tǒng)做一些設(shè)置，比如IE瀏覽器的一些設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)的一些設(shè)置等。。

在云桌面中開啟應(yīng)用分層通過對(duì)每個(gè)云桌面創(chuàng)建一個(gè)個(gè)性化層來保存每個(gè)桌面的個(gè)性化設(shè)置、安裝的軟件以及用戶的私有數(shù)據(jù)。管理員在管理端可以直接打開系統(tǒng)鏡像進(jìn)行編輯，對(duì)系統(tǒng)設(shè)置調(diào)整、安裝相應(yīng)的補(bǔ)丁、軟件更新等。然后將編輯好的鏡像重新批量分發(fā)給用戶，無論是使用還原桌面的用戶還是需要個(gè)性持久化存儲(chǔ)的用戶都能被集中更新，無需再分別到每個(gè)桌面上去操作。

 

1. 2. 還原桌面應(yīng)用場景

一些云桌面使用場景希望每次關(guān)機(jī)后能自動(dòng)還原系統(tǒng)到管理員下發(fā)的初始狀態(tài)，比如出于安全考慮避免上次桌面使用者的數(shù)據(jù)殘留，比如為了避免長期運(yùn)行后系統(tǒng)臃腫變慢，每次還原可以讓系統(tǒng)更干凈、穩(wěn)定和流暢等等。會(huì)議室、多媒體教室、醫(yī)生門診室等這些公用的云桌面通常都有這類需求。但是這些場景下不同的桌面因?yàn)橥瓿傻娜蝿?wù)和工作環(huán)境不同，往往不同桌面有自己一些特殊的配置并不一樣，即無法由管理員統(tǒng)一配置。比如醫(yī)生門診室的桌面、收費(fèi)窗口桌面他們連接了不同的打印機(jī)和其它外設(shè)，各用戶打印材料的格式不同（有打發(fā)票的，有打清單，有打文檔的）需要對(duì)打印機(jī)做一些個(gè)性的設(shè)置。再比如多媒體教室中云桌面連接的觸控顯示屏，每塊觸控顯示屏的校準(zhǔn)信息也各不相同。象這類信息都無法由管理員通過基礎(chǔ)系統(tǒng)鏡像統(tǒng)一設(shè)置和下發(fā)，需要每個(gè)桌面分別配置。而這些桌面又希望使用還原的桌面，但是使用還原桌面這些個(gè)性化的設(shè)置通常就不能被保存下來。通過應(yīng)用分層技術(shù)的靈活應(yīng)用，就能夠很好解決這個(gè)矛盾。

通過在還原桌面模式下開啟應(yīng)用分層，對(duì)桌面按照用戶需求進(jìn)行還原模式下的個(gè)性化設(shè)置，比如在一臺(tái)還原桌面中配置打印機(jī)設(shè)置的各種參數(shù)，配置默認(rèn)打印機(jī)等等，另外還可以在還原模式下對(duì)某些特定軟件配置自動(dòng)登錄、記錄用戶名和密碼等。這樣就可以解決在還原桌面中保留用戶需要的個(gè)性化配置數(shù)據(jù)，其非個(gè)性化配置仍然保持還原桌面的關(guān)機(jī)還原特性。

4. 限制信息

應(yīng)用分層實(shí)現(xiàn)的模塊本身是以一個(gè)底層驅(qū)動(dòng)的方式駐留在Windows系統(tǒng)中，為了保證各個(gè)層中的文件或注冊(cè)表信息對(duì)于操作系統(tǒng)是可見的，該驅(qū)動(dòng)必須保證各個(gè)層中的應(yīng)用啟動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)晚于應(yīng)用分層驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)，否則操作系統(tǒng)找不到這些層的文件就會(huì)導(dǎo)致相關(guān)應(yīng)用啟動(dòng)失敗。基于該原因應(yīng)用分層存在一定的限制，對(duì)一些應(yīng)用場景不支持或有條件支持。具體限制包括如下幾類：

1. 非usb類設(shè)備驅(qū)動(dòng)：

由于應(yīng)用分層驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆谖募到y(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)范疇，其在操作系統(tǒng)初始化啟動(dòng)過程中初始化順序在系統(tǒng)硬件設(shè)備初始化之后，因此非USB類的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（如虛擬磁盤或虛擬顯卡類驅(qū)動(dòng)等）在用戶桌面中用戶自己安裝，桌面重啟時(shí)由于設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化時(shí)應(yīng)用分層驅(qū)動(dòng)還沒有啟動(dòng)，將無法找到應(yīng)用分層磁盤中的驅(qū)動(dòng)相關(guān)文件或注冊(cè)表信息，導(dǎo)致重啟后驅(qū)動(dòng)不生效。

2. 殺毒軟件：

由于殺毒軟件這類應(yīng)用一般都涉及到很多底層的驅(qū)動(dòng)程序，其中一些底層驅(qū)動(dòng)程序啟 動(dòng)時(shí)間較早，早于應(yīng)用分層的文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)重啟時(shí)殺毒軟件無法讀取應(yīng)用分層磁盤中的程序相關(guān)文件，出現(xiàn)錯(cuò)誤或殺毒軟件功能不能用。

3. 服務(wù)啟動(dòng)類型是boot的服務(wù)：

由于Windows服務(wù)啟動(dòng)類型有如下幾種啟動(dòng)類型：boot、system、auto、demand、disabled五種。其在系統(tǒng)中初始化順序是由前到后的順序依次初始化，由于應(yīng)用分層驅(qū)動(dòng)的服務(wù)啟動(dòng)類型是system類型，晚于boot類型。因此對(duì)于是boot類型的服務(wù)，應(yīng)用分層將無法支持。使用boot類型的服務(wù)程序一般主要也是非usb類設(shè)備驅(qū)動(dòng)、殺毒軟件之類的程序。

4. 系統(tǒng)安全補(bǔ)丁：

Windows系統(tǒng)安全補(bǔ)丁升級(jí)，如果涉及到內(nèi)核的安全補(bǔ)丁，用戶升級(jí)過程中會(huì)將內(nèi)核文件寫入到應(yīng)用分層的個(gè)性化磁盤。對(duì)于這類內(nèi)核補(bǔ)丁，系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)應(yīng)用分層驅(qū)動(dòng)還沒有啟動(dòng)，因此重啟系統(tǒng)后升級(jí)程序無法找到應(yīng)用分層磁盤中的引導(dǎo)文件，導(dǎo)致升級(jí)無效或失敗。

 

對(duì)于以上幾類場景，規(guī)避的方式是這類應(yīng)用或者windows的補(bǔ)丁升級(jí)不要由用戶在自己的桌面中操作，可以由管理員在編輯鏡像時(shí)統(tǒng)一安裝好再分發(fā)給用戶即可支持。

 

另外，應(yīng)用分層驅(qū)動(dòng)是基于minifilter框架開發(fā)的，由于在Windows7 sp1之前版本對(duì)于minifilter框架中部分功能不支持，所以應(yīng)用分層技術(shù)只能在windows 7 sp1以及以上的版本才支持，包括Windows10。

5. 結(jié)束語

云桌面結(jié)合應(yīng)用分層技術(shù)，可以進(jìn)一步大幅提升管理員對(duì)操作系統(tǒng)集中統(tǒng)一運(yùn)維的效率。該技術(shù)目前在Windows上實(shí)現(xiàn)。未來在Linux以及國內(nèi)操作系統(tǒng)上也會(huì)推出相應(yīng)的應(yīng)用分層技術(shù)。

 

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