虚拟化技术专利整体情况分析＊

［谢红 陈金业］

虚拟化技术专利整体情况分析＊

［谢红 陈金业］

虚拟化技术是云计算关键技术之一，对国内外虚拟化技术专利整体情况进行了分析, 分析了国内外虚拟化技术专利主要申请人、技术主题、技术发展路线，有针对性提出了促进国内虚拟化技术发展的建议，以期为国内云计算企业提供一些参考。

虚拟化 专利 分析

谢红

东莞中国科学院云计算产业技术创新与育成中心。

陈金业

国云科技股份有限公司。

1 概述

虚拟化技术是云计算的核心支撑技术将各种计算及存储资源充分整合和高效利用的关键技术[1,2]。虚拟化的概念在 20 世纪 60 年代首次出现，通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行，将一个计算机资源从另一个计算机资源中分离出来的一种技术，利用它可以对属于稀有而昂贵资源的大型机硬件进行分区。

虚拟化技术的最大优势就是可以帮助使用者实现对相关源的优化管理，通过对现有资源进行有效的规划来提高对源的使用效率，如高弹性、高可靠、高可用等。总的说来，概念的角度讲，虚拟化技术属于云计算的范畴[3]。

从当前的技术发展趋势上来看，虚拟化和数据中心自动化是私有云的两大技术基础。一个云计算的应用必定是基于虚拟化的，将硬件变成服务要看产品在虚拟化方面的能力，只有在虚拟化的环境下，云才是可能的。

根据我国行业发展需求和专利文献的特点，将虚拟化专利划分为客户端虚拟化、服务器虚拟化、网络虚拟化以及存储虚拟化四部分，其中，对客户端虚拟化作了进一步细分：

（1）客户端虚拟化，是用户体验最为明显的一个环节，使得用户可以通过任何设备、在任何地点、任何时间访问可用的虚拟环境。其中：

① 桌面虚拟化是将计算机的桌面进行虚拟化，利用客户机虚拟化软件来支持多个操作系统或传统应用环境，使多用户虚拟操作环境相互将计算机的桌面进行虚拟化。

② 应用虚拟化是在一台计算机上显示和操作桌面，在另一台计算机上执行程序和存储信息。

（2）网络虚拟化，是指通过将物理网络节点虚拟成多个节点以及将多台交换机整合成一台虚拟的交换机来增加连接数量并降低网络复杂度，实现网络的容量优化。

（3）服务器虚拟化，将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器。

（4）存储虚拟化，通过虚拟化技术，对存储硬件资源进行抽象化表现，即将存储资源集中到一个大容量的资源池并实行单点统一管理。

本文检索工作基于Incopat科技创新情报平台中的多个数据库展开，检索日期截至2016年8月30日，采用关键词及国际分类号（IPC）对虚拟化技术专利申请数据进行统计分析，由于专利申请公开时间或进入中国国家阶段的时间滞后，2015～2016年的专利大部分还处于未公开状态，因此虚拟化技术专利数量上没有得到完全体现。

2 虚拟化技术专利主要申请人分析

2.1 全球主要申请人

由图1可以看出，在虚拟化技术领域内，申请量分布大致分为3个层次，申请量最多的公司为华为和IBM公司，远远超出了其它公司，其中华为的申请量是1200件，超过了IBM的1995件成为了第一。日立、思科和EMC处于第二层次，申请量在400项以上。微软、中兴、NEC、富士通处于第三层次，申请量都在300项以上，其中日本电气株式会社的排名仅在第八位，这与其业界地位稍有不符，也说明日本企业近年来发展状况欠佳。

图1 全球主要申请人

2.2 国内主要申请人

图2 虚拟化技术专利在中国的主要申请人

图2 是虚拟化技术专利在中国的申请人排名，其中包括在华国内和国外申请人，按照申请量分为四个层次：目前在中国排名第一的是华为，其申请量在1000件以上，在国内属于虚拟化技术的龙头企业。中兴和IBM处于第二层次，申请量在200件以上，虽然这两个企业最近两年的申请量增长率较低，和华为之间的差距在进一步的增加，但是在国内整体申请人中仍属于技术领先企业。在第三层次中，是国外申请人微软和思科以及国内申请人浪潮，申请量在100件以上。第四层次中，包括国外申请人日立、英特尔和思杰外，还有京华科讯、中国电信等。总体上来看，前十名的中国主要申请人中，国内申请人与国外申请人各占5名，而前两名皆为国内申请人。这说明国内在虚拟化技术方面的实力较强，已能够与国外申请人抗衡。同时，国内也涌现出专注做虚拟化技术的申请人京华科讯，虽然其在业界的地位尚不靠前，但专利申请量反映了其实际的技术实力，后续应该具有的较好的发展潜力；国内的浪潮公司也闯入第三层次，其申请量和微软相比仅差18项。

3 技术主题分析

3.1 技术主题比例构成

从图3可以看出，全球关于虚拟化技术的专利申请多集中在网络虚拟化，其次是存储虚拟化，而服务器虚拟化和客户端虚拟化所占比例相对较少。其中，网络虚拟化是云计算的根本所在，直接关系到云的构建，因此申请量较大。存储虚拟化技术处于产业链上游，是数据中心的基础技术。服务器虚拟化与业务处理能力及响应速度有关，也是云计算的重要因素。客户端虚拟技术直接关系用户的体验。整体看来，目前全球虚拟化技术的研发热点集中在网络虚拟化领域。

可见，在虚拟化技术领域内，华为和IBM公司的技术实力明显优于其它申请人。值得注意的是，华为在最近的2014～2016年间，从第二层次强势进入第一层次，说明随着我国近年来科技高速发展，其虚拟化技术领域的发展速度非常之快，超过了国际化大公司IBM，从过去的崭露头角已成功转变为锋芒毕露。

图3 技术构成比例图

3.2 技术发展路线

图4对虚拟化技术自2001年来、在专利申请中所展现出的技术脉络进行了梳理。

图4 技术发展路线

在客户端虚拟化方面，从2003年微软申请的合成桌面模型，发展出了2005年微软申请的生成虚拟应用程序环境，以及在客户端虚拟应用程序的驱动器，使得服务器上的应用对客户端的访问无障碍。针对虚拟应用程序的环境，微软在2008年又进一步申请了在虚拟环境下可进行定制的应用程序，使得虚拟环境中应用程序的选择、执行更加灵活和顺畅。针对客户端与服务器间的连接问题，威睿公司在微软提出的虚拟驱动程序的基础上，进行一步提出了将服务器中桌面的磁盘备份拷贝至客户端，使得用户不必连网也可访问桌面，增强了用户体验。基于这一构思，威睿公司在2011年又申请了使客户端利用会话访问远程桌面的申请，在该申请中应用在远程桌面中运行，结果则利用本地浏览器显示。客户端虚拟化的技术发展一方面体现了可提供弹性计算环境的追求，另一方面体现出对客户端和服务器间的资源配置的合理性的关注。亚马逊公司在2013年又申请了用于访问可从程序执行服务的数据中心获得的应用程序的系统和方法，该申请中与用户计算装置相关联的元数据可以用来确定所述用户计算装置是否被授权借助虚拟桌面实例来访问所述应用程序。所述应用程序的至少一部分可以由所述虚拟桌面实例来执行并提供给用户。应用程序可以由用户购买、特许或租赁。

在服务器虚拟化方面，在2001年网络装置公司申请了高可用性集群虚拟服务器系统，通过将虚拟服务器从故障节点分配到多个不同节点来提供负载平衡，提高了总的系统性能，以及能可选地不从故障节点迁移不重要的服务。在此基础上，在2006年微软从备份的角度提出了以一致的方式使用备份请求器和写入器来备份主机服务器和对应的虚拟机，而不会导致对虚拟机的操作中断的能力。EMC公司从监控的角度在2004年申请了一种配置、监视和/或管理资源组中虚拟机的方法和装置，对在再定位资源时提供更大的灵活性。对于监控，日立公司进一步在2007年申请了虚拟机监视器以及多处理器系统，其方案能遵从在生成请求中所指定的资源的分配方针，优化对虚拟服务器的资源的分配，进而在虚拟服务器上实现与物理服务器上同样的控制。到了2009年，微软提出了对应用程序的性能和容量的统计，威睿公司在2012年进行一步提出对应用程序执行性能进行度量，并以此分配资源。可见，在服务器虚拟化方面，节点的负载平衡是关注的重点，并且从虚拟机级别的监视与资源控制向应用程序级别的监视与资源控制发展，监控的粒度越发地细致。在2013年，比特梵德知识产权管理有限公司提出了一种允许保护计算机系统免受例如病毒及根程序病毒包等恶意软件影响的系统及方法。在一些实施例中，虚拟机监控程序配置托管一组操作系统OS的硬件虚拟化平台。以所述虚拟机监控程序的处理器特权级别执行的存储器自省引擎动态地识别每一OS，且使用保护启动模块来改变通过在所述相应OS本机的存储器分配功能将存储器分配给目标软件对象的方式。在一些实施例中，所述改变仅影响需要恶意软件保护的目标对象，且包括强制执行专门为所述相应对象预留含有所述目标对象的数据的存储器页。所述存储器自省引擎接着对所述相应存储器页写保护。

在网络虚拟化方面，从安全性的角度，2001年微软申请了个人虚拟桥接局域网的专利申请，其将理论上的局域网段划分成多个虚拟桥接局域网，以解决多个站STA易受攻击的问题。在此基础上，2007年华为提出了移动虚拟专用网络通信的方法，通过使用网关虚接口，来提高网络维护的效率。从组网的角度，2002年华为申请了基于多协议标签交换虚拟私有网络网关的组网方法，在ISP原有网络的基础上，设置MPLS VPN网关构建了MPLS VPN的业务平面，旨在提高网络的业务能力。随后，华为又提出了三层虚拟私有网络的专利申请，其解决了PE(骨干网边缘路由器)设备的瓶径问题，可节约有限的接口和IP地址资源，减小协议开销、配置工作量，可扩展性强。到了2011年，华为进一步提出虚拟第二层及其可扩展的机制，可为二层或三层网络的现代数据网络连接到可能需要跨过多个位置或站点的云服务和虚拟机(VM)。在2011年华为提出了对虚拟网络的迁移的专利申请，其基于物理节点中各虚拟网络对应的虚拟元素、虚拟区域物理网格的状态信息，执行虚拟网络迁移，以提高虚拟网络迁移的成功率、物理网络的利用率。可以看出，在网络虚拟化方面，一方面是对涉及虚拟网络安全、维护的技术研究，另一方面是对高效的虚拟网络的组网结构的研究。在2013年，杭州华三通信技术有限公司申请了一种基于OpenFlow协议实现PVLAN的方法，该方法引入OpenFlow协议实现PVLAN，在OpenFlow控制器中控制是否对报文的转发，不需要将子VLAN内的MAC表拷贝到主VLAN中。基于同样的发明构思，在该申请中还提出一种装置，在实现PVLAN时，不会造成主VLAN的表项占用大的内存，也不会降低报文的转发速率。亚马逊技术股份有限公司在2013年还提出了一种可以收集关于网络的配置的数据方法，所述网络如由操作服务提供者网络的服务提供者的客户操作的客户网络。

在存储虚拟化方面，在2002年，思科公司提出了在存储区域网络的网络设备上实现存储虚拟化的专利申请，以解决现有存储区域网络存在性能低和瓶颈的问题。对于存储资源的优化：在2004年，IBM公司将存储虚拟化系统中的存储设备按服务级别分类后进行数据的存储，实现对存储资源的进一步优化；在2005年日立申请了通过变更计算机进行访问的虚拟卷和逻辑卷的分配、并变更虚拟卷的存储区域，由此动态变更虚拟卷的存储区域，提高了计算机系统数据访问的自由度，使虚拟卷超过存储系统中装备的物理设备的总存储容量。到了2009年，微软提出用团块管理虚拟硬盘驱动器。在2010年，华为提出了采用部署于虚拟机中的存储气球代理模块直接获取虚拟存储空闲块信息，来对虚拟存储空间管理的方法。在对存储资源的管理方面，2005年日立提出了存储装置虚拟化装置的设备控制交接方法，解决了虚拟存储系统中由于结构变更、故障发生或负载变动等引起的多个控制装置之间的负载不均衡的问题；进而，在2007年微软提出了虚拟机迁移的系统和方法，其中虚拟机利用LUN屏蔽来从一个主计算机迁移到另一个主计算机；2010年，微软进一步提出了在虚拟机分区中构建设备驱动器栈，实现I/O操作的重定向。总体来看，在存储虚拟化方面，一方面的研究集中在存储资源优化方面，相继提出了按服务级别分类、团块存储以及气球代理等存储或读取方式；另一方面的研究集中在虚拟存储的管理，包括负载均衡，虚拟集的迁移和I/O访问重定性方面。WMWARE有限公司在2013年提出了一种创建虚拟磁盘的计算机实现方法，将第一和第二磁盘描述文件分别更改为和基本逻辑存储卷以及快照逻辑存储相关。在创建第一COW快照之后，包含虚拟存储卷层次的虚拟磁盘包括至少一个基本逻辑存储卷以及一快照逻辑存储卷。将和快照逻辑卷相关的第一磁盘描述文件以及和基本逻辑存储卷相关的第二磁盘描述文件更改为和基本逻辑存储卷以及快照逻辑存储卷相关。

3.3 主要申请人技术主题分布

图5 主要申请人技术布局图

图5 示出了各主要申请人的技术优势所在，其中气泡的大小代表了申请量的多少。可以看出，IBM和日立在存储虚拟化方面有很强的技术实力，这点正是许多国内申请人的弱项。国内申请人华为最近的两年在存储虚拟化方面的增长量非常大，总量甚至超过了IBM成为了该领域的“专家”，可见华为在2014～2016年意识到该领域的重要性，并投入了巨大的研发力量。另外，排在第一名的华为在网络虚拟化和存储虚拟化方面的专利申请量都排名第一，而在其他虚拟化技术方面都相对薄弱。IBM在服务器虚拟化、客户端虚拟化技术上的专利申请量都排名第一，仅在网络虚拟化上排名靠后。可见IBM的在虚拟化技术上的整体实力非常强，仍然属于该技术的领军企业。第三名的日立与IBM的布局较为相似，仅在客户端虚拟化方面申请量较少，整体实力相对均衡，也是国内申请人的最重要的竞争对手之一。排在第四、五名的思科、EMC技术重点分布在网络虚拟化和存储虚拟，其中思科的网络虚拟化技术排名第二，虽然与华为有较大差距，但仍属于该技术的龙头企业。第六名的微软以客户端虚拟化和存储虚拟化为发展重点。从图4中可以看出，在客户端虚拟化方面IBM和微软独大，在服务器虚拟化、存储虚拟化方面也都是国外申请人IBM、日立、NEC等实力较强，国内申请人在虚拟化技术领域的发展不均衡。国内申请人中兴最近两年在虚拟化技术领域的申请量有所下滑，已经滑出前五名。

4 总结

总的来讲，在云计算的浪潮中，国内通信领域的申请人跟上了时代的步伐，对云计算的关注已经提升，投入的研发力度也在增加，国内申请人华为在网络虚拟化等多个领域已超过了IBM这样的老牌大企业。

1 韩德志．云环境下的数据存储安全问题探析[J]．通信学报，2011，32（9A）：153-157

2 丘永萍．云存储是一种服务[N]．中国城乡金融报，2010-03-15（A03）

3 严琼．对云计算和虚拟化技术的探讨[J]．中国新通信，2016，18：65

2016-11-04）

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.12.016

广东省省级科技计划项目-云计算产业知识产权信息服务平台建设（项目编码：2015A040405001）