［謝紅 陳金業(yè)］

虛擬化技術專利整體情況分析＊

［謝紅 陳金業(yè)］

虛擬化技術是云計算關鍵技術之一，對國內外虛擬化技術專利整體情況進行了分析, 分析了國內外虛擬化技術專利主要申請人、技術主題、技術發(fā)展路線，有針對性提出了促進國內虛擬化技術發(fā)展的建議，以期為國內云計算企業(yè)提供一些參考。

虛擬化 專利 分析

謝紅

東莞中國科學院云計算產業(yè)技術創(chuàng)新與育成中心。

陳金業(yè)

國云科技股份有限公司。

1 概述

虛擬化技術是云計算的核心支撐技術將各種計算及存儲資源充分整合和高效利用的關鍵技術[1,2]。虛擬化的概念在 20 世紀 60 年代首次出現(xiàn)，通常是指計算元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行，將一個計算機資源從另一個計算機資源中分離出來的一種技術，利用它可以對屬于稀有而昂貴資源的大型機硬件進行分區(qū)。

虛擬化技術的最大優(yōu)勢就是可以幫助使用者實現(xiàn)對相關源的優(yōu)化管理，通過對現(xiàn)有資源進行有效的規(guī)劃來提高對源的使用效率，如高彈性、高可靠、高可用等?？偟恼f來，概念的角度講，虛擬化技術屬于云計算的范疇[3]。

從當前的技術發(fā)展趨勢上來看，虛擬化和數(shù)據(jù)中心自動化是私有云的兩大技術基礎。一個云計算的應用必定是基于虛擬化的，將硬件變成服務要看產品在虛擬化方面的能力，只有在虛擬化的環(huán)境下，云才是可能的。

根據(jù)我國行業(yè)發(fā)展需求和專利文獻的特點，將虛擬化專利劃分為客戶端虛擬化、服務器虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化以及存儲虛擬化四部分，其中，對客戶端虛擬化作了進一步細分：

（1）客戶端虛擬化，是用戶體驗最為明顯的一個環(huán)節(jié)，使得用戶可以通過任何設備、在任何地點、任何時間訪問可用的虛擬環(huán)境。其中：

① 桌面虛擬化是將計算機的桌面進行虛擬化，利用客戶機虛擬化軟件來支持多個操作系統(tǒng)或傳統(tǒng)應用環(huán)境，使多用戶虛擬操作環(huán)境相互將計算機的桌面進行虛擬化。

② 應用虛擬化是在一臺計算機上顯示和操作桌面，在另一臺計算機上執(zhí)行程序和存儲信息。

（2）網(wǎng)絡虛擬化，是指通過將物理網(wǎng)絡節(jié)點虛擬成多個節(jié)點以及將多臺交換機整合成一臺虛擬的交換機來增加連接數(shù)量并降低網(wǎng)絡復雜度，實現(xiàn)網(wǎng)絡的容量優(yōu)化。

（3）服務器虛擬化，將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器。

（4）存儲虛擬化，通過虛擬化技術，對存儲硬件資源進行抽象化表現(xiàn)，即將存儲資源集中到一個大容量的資源池并實行單點統(tǒng)一管理。

本文檢索工作基于Incopat科技創(chuàng)新情報平臺中的多個數(shù)據(jù)庫展開，檢索日期截至2016年8月30日，采用關鍵詞及國際分類號（IPC）對虛擬化技術專利申請數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，由于專利申請公開時間或進入中國國家階段的時間滯后，2015～2016年的專利大部分還處于未公開狀態(tài)，因此虛擬化技術專利數(shù)量上沒有得到完全體現(xiàn)。

2 虛擬化技術專利主要申請人分析

2.1 全球主要申請人

由圖1可以看出，在虛擬化技術領域內，申請量分布大致分為3個層次，申請量最多的公司為華為和IBM公司，遠遠超出了其它公司，其中華為的申請量是1200件，超過了IBM的1995件成為了第一。日立、思科和EMC處于第二層次，申請量在400項以上。微軟、中興、NEC、富士通處于第三層次，申請量都在300項以上，其中日本電氣株式會社的排名僅在第八位，這與其業(yè)界地位稍有不符，也說明日本企業(yè)近年來發(fā)展狀況欠佳。

圖1 全球主要申請人

2.2 國內主要申請人

圖2 虛擬化技術專利在中國的主要申請人

圖2 是虛擬化技術專利在中國的申請人排名，其中包括在華國內和國外申請人，按照申請量分為四個層次：目前在中國排名第一的是華為，其申請量在1000件以上，在國內屬于虛擬化技術的龍頭企業(yè)。中興和IBM處于第二層次，申請量在200件以上，雖然這兩個企業(yè)最近兩年的申請量增長率較低，和華為之間的差距在進一步的增加，但是在國內整體申請人中仍屬于技術領先企業(yè)。在第三層次中，是國外申請人微軟和思科以及國內申請人浪潮，申請量在100件以上。第四層次中，包括國外申請人日立、英特爾和思杰外，還有京華科訊、中國電信等?？傮w上來看，前十名的中國主要申請人中，國內申請人與國外申請人各占5名，而前兩名皆為國內申請人。這說明國內在虛擬化技術方面的實力較強，已能夠與國外申請人抗衡。同時，國內也涌現(xiàn)出專注做虛擬化技術的申請人京華科訊，雖然其在業(yè)界的地位尚不靠前，但專利申請量反映了其實際的技術實力，后續(xù)應該具有的較好的發(fā)展?jié)摿?；國內的浪潮公司也闖入第三層次，其申請量和微軟相比僅差18項。

3 技術主題分析

3.1 技術主題比例構成

從圖3可以看出，全球關于虛擬化技術的專利申請多集中在網(wǎng)絡虛擬化，其次是存儲虛擬化，而服務器虛擬化和客戶端虛擬化所占比例相對較少。其中，網(wǎng)絡虛擬化是云計算的根本所在，直接關系到云的構建，因此申請量較大。存儲虛擬化技術處于產業(yè)鏈上游，是數(shù)據(jù)中心的基礎技術。服務器虛擬化與業(yè)務處理能力及響應速度有關，也是云計算的重要因素?？蛻舳颂摂M技術直接關系用戶的體驗。整體看來，目前全球虛擬化技術的研發(fā)熱點集中在網(wǎng)絡虛擬化領域。

可見，在虛擬化技術領域內，華為和IBM公司的技術實力明顯優(yōu)于其它申請人。值得注意的是，華為在最近的2014～2016年間，從第二層次強勢進入第一層次，說明隨著我國近年來科技高速發(fā)展，其虛擬化技術領域的發(fā)展速度非常之快，超過了國際化大公司IBM，從過去的嶄露頭角已成功轉變?yōu)殇h芒畢露。

圖3 技術構成比例圖

3.2 技術發(fā)展路線

圖4對虛擬化技術自2001年來、在專利申請中所展現(xiàn)出的技術脈絡進行了梳理。

圖4 技術發(fā)展路線

在客戶端虛擬化方面，從2003年微軟申請的合成桌面模型，發(fā)展出了2005年微軟申請的生成虛擬應用程序環(huán)境，以及在客戶端虛擬應用程序的驅動器，使得服務器上的應用對客戶端的訪問無障礙。針對虛擬應用程序的環(huán)境，微軟在2008年又進一步申請了在虛擬環(huán)境下可進行定制的應用程序，使得虛擬環(huán)境中應用程序的選擇、執(zhí)行更加靈活和順暢。針對客戶端與服務器間的連接問題，威睿公司在微軟提出的虛擬驅動程序的基礎上，進行一步提出了將服務器中桌面的磁盤備份拷貝至客戶端，使得用戶不必連網(wǎng)也可訪問桌面，增強了用戶體驗。基于這一構思，威睿公司在2011年又申請了使客戶端利用會話訪問遠程桌面的申請，在該申請中應用在遠程桌面中運行，結果則利用本地瀏覽器顯示?？蛻舳颂摂M化的技術發(fā)展一方面體現(xiàn)了可提供彈性計算環(huán)境的追求，另一方面體現(xiàn)出對客戶端和服務器間的資源配置的合理性的關注。亞馬遜公司在2013年又申請了用于訪問可從程序執(zhí)行服務的數(shù)據(jù)中心獲得的應用程序的系統(tǒng)和方法，該申請中與用戶計算裝置相關聯(lián)的元數(shù)據(jù)可以用來確定所述用戶計算裝置是否被授權借助虛擬桌面實例來訪問所述應用程序。所述應用程序的至少一部分可以由所述虛擬桌面實例來執(zhí)行并提供給用戶。應用程序可以由用戶購買、特許或租賃。

在服務器虛擬化方面，在2001年網(wǎng)絡裝置公司申請了高可用性集群虛擬服務器系統(tǒng)，通過將虛擬服務器從故障節(jié)點分配到多個不同節(jié)點來提供負載平衡，提高了總的系統(tǒng)性能，以及能可選地不從故障節(jié)點遷移不重要的服務。在此基礎上，在2006年微軟從備份的角度提出了以一致的方式使用備份請求器和寫入器來備份主機服務器和對應的虛擬機，而不會導致對虛擬機的操作中斷的能力。EMC公司從監(jiān)控的角度在2004年申請了一種配置、監(jiān)視和/或管理資源組中虛擬機的方法和裝置，對在再定位資源時提供更大的靈活性。對于監(jiān)控，日立公司進一步在2007年申請了虛擬機監(jiān)視器以及多處理器系統(tǒng)，其方案能遵從在生成請求中所指定的資源的分配方針，優(yōu)化對虛擬服務器的資源的分配，進而在虛擬服務器上實現(xiàn)與物理服務器上同樣的控制。到了2009年，微軟提出了對應用程序的性能和容量的統(tǒng)計，威睿公司在2012年進行一步提出對應用程序執(zhí)行性能進行度量，并以此分配資源?？梢?，在服務器虛擬化方面，節(jié)點的負載平衡是關注的重點，并且從虛擬機級別的監(jiān)視與資源控制向應用程序級別的監(jiān)視與資源控制發(fā)展，監(jiān)控的粒度越發(fā)地細致。在2013年，比特梵德知識產權管理有限公司提出了一種允許保護計算機系統(tǒng)免受例如病毒及根程序病毒包等惡意軟件影響的系統(tǒng)及方法。在一些實施例中，虛擬機監(jiān)控程序配置托管一組操作系統(tǒng)OS的硬件虛擬化平臺。以所述虛擬機監(jiān)控程序的處理器特權級別執(zhí)行的存儲器自省引擎動態(tài)地識別每一OS，且使用保護啟動模塊來改變通過在所述相應OS本機的存儲器分配功能將存儲器分配給目標軟件對象的方式。在一些實施例中，所述改變僅影響需要惡意軟件保護的目標對象，且包括強制執(zhí)行專門為所述相應對象預留含有所述目標對象的數(shù)據(jù)的存儲器頁。所述存儲器自省引擎接著對所述相應存儲器頁寫保護。

在網(wǎng)絡虛擬化方面，從安全性的角度，2001年微軟申請了個人虛擬橋接局域網(wǎng)的專利申請，其將理論上的局域網(wǎng)段劃分成多個虛擬橋接局域網(wǎng)，以解決多個站STA易受攻擊的問題。在此基礎上，2007年華為提出了移動虛擬專用網(wǎng)絡通信的方法，通過使用網(wǎng)關虛接口，來提高網(wǎng)絡維護的效率。從組網(wǎng)的角度，2002年華為申請了基于多協(xié)議標簽交換虛擬私有網(wǎng)絡網(wǎng)關的組網(wǎng)方法，在ISP原有網(wǎng)絡的基礎上，設置MPLS VPN網(wǎng)關構建了MPLS VPN的業(yè)務平面，旨在提高網(wǎng)絡的業(yè)務能力。隨后，華為又提出了三層虛擬私有網(wǎng)絡的專利申請，其解決了PE(骨干網(wǎng)邊緣路由器)設備的瓶徑問題，可節(jié)約有限的接口和IP地址資源，減小協(xié)議開銷、配置工作量，可擴展性強。到了2011年，華為進一步提出虛擬第二層及其可擴展的機制，可為二層或三層網(wǎng)絡的現(xiàn)代數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接到可能需要跨過多個位置或站點的云服務和虛擬機(VM)。在2011年華為提出了對虛擬網(wǎng)絡的遷移的專利申請，其基于物理節(jié)點中各虛擬網(wǎng)絡對應的虛擬元素、虛擬區(qū)域物理網(wǎng)格的狀態(tài)信息，執(zhí)行虛擬網(wǎng)絡遷移，以提高虛擬網(wǎng)絡遷移的成功率、物理網(wǎng)絡的利用率?？梢钥闯?，在網(wǎng)絡虛擬化方面，一方面是對涉及虛擬網(wǎng)絡安全、維護的技術研究，另一方面是對高效的虛擬網(wǎng)絡的組網(wǎng)結構的研究。在2013年，杭州華三通信技術有限公司申請了一種基于OpenFlow協(xié)議實現(xiàn)PVLAN的方法，該方法引入OpenFlow協(xié)議實現(xiàn)PVLAN，在OpenFlow控制器中控制是否對報文的轉發(fā)，不需要將子VLAN內的MAC表拷貝到主VLAN中。基于同樣的發(fā)明構思，在該申請中還提出一種裝置，在實現(xiàn)PVLAN時，不會造成主VLAN的表項占用大的內存，也不會降低報文的轉發(fā)速率。亞馬遜技術股份有限公司在2013年還提出了一種可以收集關于網(wǎng)絡的配置的數(shù)據(jù)方法，所述網(wǎng)絡如由操作服務提供者網(wǎng)絡的服務提供者的客戶操作的客戶網(wǎng)絡。

在存儲虛擬化方面，在2002年，思科公司提出了在存儲區(qū)域網(wǎng)絡的網(wǎng)絡設備上實現(xiàn)存儲虛擬化的專利申請，以解決現(xiàn)有存儲區(qū)域網(wǎng)絡存在性能低和瓶頸的問題。對于存儲資源的優(yōu)化：在2004年，IBM公司將存儲虛擬化系統(tǒng)中的存儲設備按服務級別分類后進行數(shù)據(jù)的存儲，實現(xiàn)對存儲資源的進一步優(yōu)化；在2005年日立申請了通過變更計算機進行訪問的虛擬卷和邏輯卷的分配、并變更虛擬卷的存儲區(qū)域，由此動態(tài)變更虛擬卷的存儲區(qū)域，提高了計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問的自由度，使虛擬卷超過存儲系統(tǒng)中裝備的物理設備的總存儲容量。到了2009年，微軟提出用團塊管理虛擬硬盤驅動器。在2010年，華為提出了采用部署于虛擬機中的存儲氣球代理模塊直接獲取虛擬存儲空閑塊信息，來對虛擬存儲空間管理的方法。在對存儲資源的管理方面，2005年日立提出了存儲裝置虛擬化裝置的設備控制交接方法，解決了虛擬存儲系統(tǒng)中由于結構變更、故障發(fā)生或負載變動等引起的多個控制裝置之間的負載不均衡的問題；進而，在2007年微軟提出了虛擬機遷移的系統(tǒng)和方法，其中虛擬機利用LUN屏蔽來從一個主計算機遷移到另一個主計算機；2010年，微軟進一步提出了在虛擬機分區(qū)中構建設備驅動器棧，實現(xiàn)I/O操作的重定向?？傮w來看，在存儲虛擬化方面，一方面的研究集中在存儲資源優(yōu)化方面，相繼提出了按服務級別分類、團塊存儲以及氣球代理等存儲或讀取方式；另一方面的研究集中在虛擬存儲的管理，包括負載均衡，虛擬集的遷移和I/O訪問重定性方面。WMWARE有限公司在2013年提出了一種創(chuàng)建虛擬磁盤的計算機實現(xiàn)方法，將第一和第二磁盤描述文件分別更改為和基本邏輯存儲卷以及快照邏輯存儲相關。在創(chuàng)建第一COW快照之后，包含虛擬存儲卷層次的虛擬磁盤包括至少一個基本邏輯存儲卷以及一快照邏輯存儲卷。將和快照邏輯卷相關的第一磁盤描述文件以及和基本邏輯存儲卷相關的第二磁盤描述文件更改為和基本邏輯存儲卷以及快照邏輯存儲卷相關。

3.3 主要申請人技術主題分布

圖5 主要申請人技術布局圖

圖5 示出了各主要申請人的技術優(yōu)勢所在，其中氣泡的大小代表了申請量的多少。可以看出，IBM和日立在存儲虛擬化方面有很強的技術實力，這點正是許多國內申請人的弱項。國內申請人華為最近的兩年在存儲虛擬化方面的增長量非常大，總量甚至超過了IBM成為了該領域的“專家”，可見華為在2014～2016年意識到該領域的重要性，并投入了巨大的研發(fā)力量。另外，排在第一名的華為在網(wǎng)絡虛擬化和存儲虛擬化方面的專利申請量都排名第一，而在其他虛擬化技術方面都相對薄弱。IBM在服務器虛擬化、客戶端虛擬化技術上的專利申請量都排名第一，僅在網(wǎng)絡虛擬化上排名靠后?？梢奍BM的在虛擬化技術上的整體實力非常強，仍然屬于該技術的領軍企業(yè)。第三名的日立與IBM的布局較為相似，僅在客戶端虛擬化方面申請量較少，整體實力相對均衡，也是國內申請人的最重要的競爭對手之一。排在第四、五名的思科、EMC技術重點分布在網(wǎng)絡虛擬化和存儲虛擬，其中思科的網(wǎng)絡虛擬化技術排名第二，雖然與華為有較大差距，但仍屬于該技術的龍頭企業(yè)。第六名的微軟以客戶端虛擬化和存儲虛擬化為發(fā)展重點。從圖4中可以看出，在客戶端虛擬化方面IBM和微軟獨大，在服務器虛擬化、存儲虛擬化方面也都是國外申請人IBM、日立、NEC等實力較強，國內申請人在虛擬化技術領域的發(fā)展不均衡。國內申請人中興最近兩年在虛擬化技術領域的申請量有所下滑，已經(jīng)滑出前五名。

4 總結

總的來講，在云計算的浪潮中，國內通信領域的申請人跟上了時代的步伐，對云計算的關注已經(jīng)提升，投入的研發(fā)力度也在增加，國內申請人華為在網(wǎng)絡虛擬化等多個領域已超過了IBM這樣的老牌大企業(yè)。

1 韓德志．云環(huán)境下的數(shù)據(jù)存儲安全問題探析[J]．通信學報，2011，32（9A）：153-157

2 丘永萍．云存儲是一種服務[N]．中國城鄉(xiāng)金融報，2010-03-15（A03）

3 嚴瓊．對云計算和虛擬化技術的探討[J]．中國新通信，2016，18：65

2016-11-04）

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.12.016

廣東省省級科技計劃項目-云計算產業(yè)知識產權信息服務平臺建設（項目編碼：2015A040405001）