106.2 Lektion 1

In Linux und anderen Unix-ähnlichen Betriebssystemen, in denen es eingesetzt wird, stellt das X Window System (auch bekannt als X11 oder einfach nur X) die Low-Level-Ressourcen bereit, die mit der Darstellung der grafischen Oberfläche und der Interaktion des Benutzers mit dieser zusammenhängen, z.B.:

Obwohl das X Window System für die Steuerung der grafischen Anzeige zuständig ist (der Videotreiber selbst ist Teil von X), ist es nicht dazu gedacht, komplexe visuelle Elemente selbst zu zeichnen. Formen, Farben, Schattierungen und alle anderen visuellen Effekte werden von der Anwendung generiert, die auf X aufsetzt. Dieser Ansatz gibt Anwendungen viel Spielraum für die Erstellung angepasster Oberflächen, kann aber auch zu einem Entwicklungsaufwand führen, der den Rahmen der Anwendung sprengt, sowie zu Inkonsistenzen in Aussehen und Verhalten im Vergleich zu anderen Programmoberflächen.

Aus Entwicklersicht erleichtert die Einführung der Desktopumgebung die an die zugrundeliegende Anwendungsentwicklung gebundene GUI-Programmierung, während sie dem Benutzer eine konsistente Erfahrung zwischen verschiedenen Anwendungen bietet. Desktopumgebungen bringen Programmierschnittstellen, Bibliotheken und unterstützende Programme zusammen, um traditionelle, aber auch sich noch entwickelnde Designkonzepte zu liefern.

Die traditionelle Desktopcomputer-GUI besteht aus verschiedenen Fenstern – der Begriff Fenster (Window) wird hier für jeden autonomen Bildschirmbereich verwendet –, die mit laufenden Prozessen verbunden sind. Da das X Window System allein nur grundlegende interaktive Funktionen bietet, hängt das volle Benutzererlebnis von den Komponenten ab, die die Desktopumgebung bereitstellt.

Der Windowmanager ist die wohl wichtigste Komponente einer Desktopumgebung und steuert die Fensterplatzierung und -dekoration. Es ist der Windowmanager, der dem Fenster die Titelleiste hinzufügt, die Steuerschaltflächen — in der Regel verbunden mit den Aktionen Minimieren, Maximieren und Schließen — und der das Umschalten zwischen geöffneten Fenstern verwaltet.

Alle Desktopumgebungen stellen einen Fenstermanager zur Verfügung, der das Aussehen und die Bedienung seines Widget Toolkits anpasst. Widgets sind informative oder interaktive visuelle Elemente, wie Schaltflächen oder Texteingabefelder, die im Anwendungsfenster verteilt sind. Die Standarddesktopkomponenten — wie der Anwendungsstarter, die Taskleiste etc. — und der Fenstermanager selbst stützen sich auf solche Widget Toolkits, um ihre Oberflächen zusammenzustellen.

Softwarebibliotheken wie GTK+ und Qt stellen Widgets zur Verfügung, mit denen Programmierer aufwendige grafische Oberflächen für ihre Anwendungen erstellen können. In der Vergangenheit sahen Anwendungen, die mit GTK+ entwickelt wurden, nicht so aus wie mit Qt erstellte Anwendungen (und umgekehrt), aber die bessere Theme-Unterstützung der heutigen Desktopumgebungen macht die Unterschiede weniger offensichtlich.

Insgesamt bieten GTK+ und Qt die gleichen Funktionen in Bezug auf Widgets. Einfache interaktive Elemente können ununterscheidbar sein, während zusammengesetzte Widgets — wie z.B. das Dialogfenster, das von Anwendungen zum Öffnen oder Speichern von Dateien verwendet wird — recht unterschiedlich aussehen können. Dennoch können Anwendungen, die mit unterschiedlichen Toolkits erstellt wurden, gleichzeitig ausgeführt werden, unabhängig davon, welches Widget Toolkit die anderen Desktopkomponenten nutzen.

Neben den grundlegenden Desktopkomponenten, die als eigenständige Programme betrachtet werden könnten, folgen Desktopumgebungen der Schreibtischmetapher, indem sie einen minimalen Satz von Hilfsanwendungen nach denselben Designrichtlinien bereitstellen. Varianten der folgenden Anwendungen werden in der Regel von allen größeren Desktopumgebungen bereitgestellt:

Desktopumgebungen können viele andere Dienste und Anwendungen umfassen: den Anmeldebildschirm, den Sitzungsmanager, die Interprozesskommunikation, den Schlüsselbundagenten usw. Sie enthalten auch Funktionen, die die Systemdienste von Drittanbietern bereitstellen, wie z.B. PulseAudio für die Tonausgabe und CUPS zum Drucken. Diese Funktionen benötigen die grafische Umgebung nicht, um zu laufen, aber die Desktopumgebung bietet grafische Frontends, um die Konfiguration und den Betrieb solcher Ressourcen zu erleichtern.

Viele proprietäre Betriebssysteme unterstützen nur eine einzige offizielle Desktopumgebung, die an ihre jeweilige Version gebunden ist und nicht geändert werden soll. Im Gegensatz dazu unterstützen Linux-basierte Betriebssysteme in Verbindung mit X verschiedene Desktopumgebungsoptionen. Jede Desktopumgebung hat ihre eigenen Funktionen, aber diese teilen in der Regel einige Designkonzepte:

Gnome ist eine der beliebtesten Desktopumgebungen und die erste Wahl in Distributionen wie Fedora, Debian, Ubuntu, SUSE Linux Enterprise, Red Hat Enterprise Linux, CentOS etc. In Version 3 brachte Gnome größere Änderungen in Aussehen und Struktur, entfernte sich von der Schreibtischmetapher und führte die Gnome Shell als neue Oberfläche ein.

Der allgemeine Fullscreen Launcher Gnome Shell Activities hat den traditionellen Anwendungsstarter und die Taskleiste ersetzt. Es ist jedoch weiterhin möglich, Gnome 3 mit dem alten Aussehen zu verwenden, indem Sie im Anmeldebildschirm die Option Gnome Classic auswählen.

KDE ist ein großes Ökosystem von Anwendungen und Entwicklungsplattform. Die neueste Version der Desktopumgebung, KDE Plasma, wird standardmäßig in openSUSE, Mageia, Kubuntu usw. verwendet. Der Einsatz der Qt-Bibliothek ist das hervorstechende Merkmal von KDE, das ihm sein unverwechselbares Aussehen und eine Fülle von Originalanwendungen beschert. KDE bietet sogar ein Konfigurationswerkzeug, um die visuelle Kohärenz mit GTK+-Anwendungen sicherzustellen.

Xfce ist eine Desktopumgebung, die ästhetisch ansprechend und zugleich ressourcenschonend sein soll. Die Struktur ist hochgradig modularisiert, so dass Benutzer Komponenten je nach Bedarf und Vorlieben aktivieren und deaktivieren können.

Es gibt viele andere Desktopumgebungen für Linux, die in der Regel von alternativen Distributionen zur Verfügung gestellt werden. Die Distribution Linux Mint bietet zum Beispiel zwei originale Desktopumgebungen: Cinnamon (ein Fork von Gnome 3) und MATE (ein Fork von Gnome 2). LXDE ist eine auf geringen Ressourcenverbrauch ausgerichtete Desktopumgebung, was sie zu einer guten Wahl für die Installation auf älteren Geräten oder Einplatinenrechnern macht. LXDE bietet zwar nicht alle Funktionen großer Desktopumgebungen, aber alle grundlegenden Funktionen, die man von einer modernen grafischen Benutzeroberfläche erwartet.

Die Vielfalt der Desktopumgebungen in Linux-basierten Betriebssystemen stellt eine Herausforderung dar: Wie erfolgt die Interaktion mit grafischen Anwendungen oder Systemdiensten von Drittanbietern, ohne für jede Umgebung eine spezielle Unterstützung zu implementieren? Gemeinsame Methoden und Spezifikationen für alle Desktopumgebungen verbessern die Benutzerfreundlichkeit erheblich und lösen viele Entwicklungsprobleme, da grafische Anwendungen mit der aktuellen Desktopumgebung interagieren müssen, unabhängig davon, für welche Desktopumgebung sie ursprünglich entwickelt wurden. Darüber hinaus ist es wichtig, allgemeine Desktopeinstellungen beizubehalten, wenn der Benutzer die Desktopumgebung ändert.

Zahlreiche Spezifikationen zur Desktop-Interoperabilität pflegt die Organisation freedesktop.org. Die Übernahme der vollständigen Spezifikation ist nicht obligatorisch, aber viele sind weit verbreitet:

Die Benutzerfreundlichkeit von Desktopumgebungen hat im Vergleich zu Textschnittstellen wie der Shell einen Nachteil: den Fernzugriff. Während Sie eine Kommandozeilenumgebung eines entfernten Rechners einfach mit Tools wie ssh zugreifen, erfordert der Fernzugriff auf grafische Umgebungen andere Methoden und erreicht bei langsameren Verbindungen möglicherweise keine zufriedenstellende Leistung.

Das X Window System nutzt ein Design, das auf autonomen Displays basiert, wobei derselbe X-Displaymanager mehrere grafische Desktopsitzungen gleichzeitig steuern kann. Im Grunde funktioniert ein Display wie ein Textterminal: Beide beziehen sich auf eine Maschine oder eine Softwareanwendung, die als Einstiegspunkt zum Aufbau einer unabhängigen Betriebssystemsitzung verwendet wird. Obwohl die häufigste Konfiguration eine einzelne grafische Sitzung auf dem lokalen Rechner umfasst, sind auch andere, weniger konventionelle Konfigurationen möglich:

Remote-Desktopsitzungen werden nativ von X unterstützt, das dazu das X Display Manager Control Protocol (XDMCP) zur Kommunikation mit Remote-Anzeigen einsetzt. Aufgrund der hohen Bandbreitennutzung wird XDMCP nur selten über das Internet oder in LANs mit niedriger Geschwindigkeit verwendet. Auch Sicherheitsprobleme sind bei XDMCP ein Thema: Das lokale Display kommuniziert mit einem privilegierten, entfernten X Display Manager, um entfernte Prozeduren auszuführen, so dass eine eventuelle Sicherheitslücke die Ausführung beliebiger privilegierter Befehle auf dem entfernten Rechner ermöglichen könnte.

Außerdem erfordert XDMCP X-Instanzen, die auf beiden Seiten der Verbindung laufen, was es unpraktikabel macht, wenn das X Window System nicht auf allen beteiligten Rechnern verfügbar ist. In der Praxis kommen andere, effizientere und weniger invasive Methoden zum Einsatz, um grafische Remote-Desktopsitzungen aufzubauen.

Virtual Network Computing (VNC) ist ein plattformunabhängiges Werkzeug zum Anzeigen und Steuern von Remote-Desktopumgebungen unter Verwendung des Remote Frame Buffer-Protokolls (RFB). Dadurch werden Ereignisse, die von der lokalen Tastatur und Maus erzeugt werden, an den entfernten Desktop übertragen, der seinerseits alle Bildschirmaktualisierungen zurücksendet, die lokal angezeigt werden sollen. Es ist möglich, viele VNC-Server auf demselben Rechner zu betreiben, aber jeder VNC-Server benötigt einen exklusiven TCP-Port in der Netzwerkschnittstelle, der eingehende Sitzungsanfragen akzeptiert. Laut Konvention sollte der erste VNC-Server den TCP-Port 5900 verwenden, der zweite den Port 5901 und so weiter.

Der VNC-Server benötigt keine besonderen Berechtigungen, um zu laufen. Ein normaler Benutzer kann sich z.B. an seinem Remote-Account anmelden und von dort aus seinen eigenen VNC-Server starten. Auf dem lokalen Rechner kann dann eine beliebige VNC-Clientanwendung verwendet werden, um auf den entfernten Desktop zuzugreifen (vorausgesetzt, die entsprechenden Netzwerkports sind erreichbar). Die Datei ~/.vnc/xstartup ist ein Shellskript, das der VNC-Server beim Start ausführt und über das man festlegt, welche Desktopumgebung der VNC-Server dem VNC-Client zur Verfügung stellt. Es ist wichtig zu beachten, dass VNC von Haus aus keine modernen Verschlüsselungs- und Authentifizierungsmethoden bietet, daher sollte es in Verbindung mit einer Anwendung eines Drittanbieters verwendet werden, die solche Funktionen bietet. Bei der Absicherung von VNC-Verbindungen kommen häufig Methoden mit VPN- und SSH-Tunneln zum Einsatz.

Das Remote Desktop Protocol (RDP) wird meist für den Fernzugriff auf den Desktop eines Microsoft Windows-Betriebssystems über den Netzwerkport TCP 3389 genutzt. Obwohl es das proprietäre RDP-Protokoll von Microsoft nutzt, handelt es sich bei der in Linux-Systemen verwendeten Client-Implementierung um Open-Source-Programme, die unter der GNU General Public License (GPL) lizenziert sind und keine rechtlichen Einschränkungen bei der Verwendung aufweisen.

Das Simple Protocol for Independent Computing Environments (Spice) umfasst eine Reihe von Werkzeugen für den Zugriff auf die Desktopumgebung virtualisierter Systeme, entweder auf dem lokalen Rechner oder an einem entfernten Standort. Darüber hinaus bietet das Spice-Protokoll native Funktionen zur Integration des lokalen und des entfernten Systems, wie etwa die Möglichkeit des Zugriffs auf lokale Geräte (z.B. die Lautsprecher und die angeschlossenen USB-Geräte) vom entfernten Rechner aus und die gemeinsame Nutzung von Dateien zwischen den beiden Systemen.

Es gibt spezifische Clientbefehle, um sich mit jedem dieser Remote-Desktopprotokolle zu verbinden, aber der Remmina Remote-Desktopclient bietet eine integrierte grafische Oberfläche, die den Verbindungsprozess erleichtert und optional die Verbindungseinstellungen für eine spätere Verwendung speichert. Remmina hat Plugins für jedes einzelne Protokoll, und es gibt Plugins für XDMCP, VNC, RDP und Spice. Die Wahl des richtigen Tools hängt von den beteiligten Betriebssystemen, der Qualität der Netzwerkverbindung und davon ab, welche Funktionen der Remote-Desktopumgebung verfügbar sein sollen.