一、基本介绍
X Window即X Window图形用户接口，是一种以位图方式显示的软件窗口系统，最初是1984年麻省理工学院的研究成果，之后变成UNIX、类UNIX、以及OpenVMS等操作系统所一致适用的标准化软件工具包及显示架构的运作协议。
X Window通过软件工具及架构协议来建立操作系统所用的图形用户界面，此后则逐渐扩展适用到各形各色的其他操作系统上，几乎所有的操作系统都能支持与使用X Window，GNOME和KDE也都是以X Window为基础建构成的。
由于X只是工具包及架构规范，本身并无实际参与运作的实体，所以必须有人依据此标准进行开发撰写。如此才有真正可用、可执行的实体，始可称为实现体。当前依据X的规范架构所开发撰写成的实现体中，以X.Org最为普遍且最受欢迎。X.Org所用的协议版本，X11，是在1987年9月所发布。
二、X Window的组成
X Window基于 Server/Clinet 架构，由三个部分组成：X Server、X Client和二者之间的通信通道。
1、X Server
X Server是控制显示器和输入设备（键盘和鼠标）的程序。它接收输入设备的信息（鼠标点击、键盘输入等），将其传给X Client；将X Client传来的信息输出到屏幕上。X Server是一个管理显示的进程，必须运行在一个有图形显示能力的主机上。
X Server只负责建立窗口，在其中写入文字或者画图，控制输入设备等，没有规范应用程序在用户界面上的具体细节设计，这些包括按钮、菜单和窗口的标题栏等等，这些都由窗口管理器（window manager）、GUI构件工具包、桌面环境（desktop environment）或者应用程序指定的GUI（如POS）等等的用户软件来提供。基于这种特性，在X的基础上，用户可以使用不同的窗口管理器和配套的应用软件、桌面环境，来体验不同风格的窗口外形、桌面设置与菜单。
每一套显示设备只对应唯一的X Server，而X Server一般由系统供应商提供，通常无法被用户修改。对操作系统而言，X Server只是一个普通的用户程序而已，因此很容易更换新版本，甚至更换成第三方提供的原始程序，比如Linux下常用的Xorg、XFree86。并且，X Server并不局限于Linux系统，在Windows和Mac OS上也都有支持X Server的软件供下载使用，比如Windows下的MobaXterm、Xming、Xmanager，Mac Os下的XQuartz。
2、X Client
X Client是应用程序的核心部分，它与硬件无关，每个应用程序就是一个X Client。X Client可以是终端仿真器（Xterm）或图形界面程序，它不直接对显示器绘制或者操作图形，而是与X Server通信，由X Server控制显示。多个X Client可以同时连接同一个X Server。
Client无法直接影响视窗行为或显示效果，它们只能送一个请求（request）给Server，由Server来完成这些的请求。典型的请求通常是“在某个视窗中写‘Hello World’的字符串”，或者从A到B划一条直线。
3、通信通道
X Client与X Server之间传输信息的媒介，X通信通道的主体是xlib（X函数库），通过xlib库，可以让X Client和X Server进行通信。Server和Client通信的方式大致有两类，对应于X系统的两种基本操作模式：
- 第一类，Server和Client在同一台机器上执行，它们可以共同使用机器上任何可用的通信方式做互动式信息处理。在这种模式下，X可以同其他传统的视窗系统一样高效工作。
- 第二类，Client在一台机器上运行，而显示器和Server则在另一台机器上运行。因此两者的信息交换就必须通过彼此都遵守的网络协议进行，最常用的协议为TCP/IP。这种通信方式一般被称为网络透明性，这也几乎是X独一的特性。
交互示例：
三、X Window的使用
1、DISPLAY环境变量
在Linux/Unix类操作系统上, DISPLAY用来设置将图形显示到何处。当直接登陆图形界面，或者登陆命令行界面后使用startx启动图形界面时，DISPLAY环境变量将自动设置为:0:0, 可以使用 echo $DISPLAY 或者 printenv DISPLAY 命令输出DISPLAY环境变量的值。使用 xdpyinfo 命令可以查看到当前显示的更具体的信息。
DISPLAY环境变量格式为 hostname:display_number.screen_number 。hostname 指X Server所在的主机主机名或者ip地址, 图形将显示在这一机器上。假如 hostname 为空, 则表示X Server运行于本机，并且X Client使用unix socket方式连接到X server, 而不是TCP方式。使用TCP方式连接时, display_number 为连接的端口减去6000的值, 假如display_number为0, 则表示连接到6000端口；使用unix socket方式连接时则表示连接的unix socket的路径, 假如为0, 则表示连接到/tmp/.X11-unix/X0 。 screen_number则几乎总是0。
可以这样理解：一台计算机可以有多个 display，一个 display 可以有多个屏幕。所以，display 相当于是计算机配备的一套输入输出设备，一般情况下，一台电脑只配一套键盘鼠标和一个显示器，特殊情况下，可以配多个显示器。
2、在本地X Server中显示GUI程序
（1）查看当前正在运行的X Server
可以使用 ps -e | grep X 命令查看当前系统正在运行的X Server。
从上图可以看到，目前系统的X Server使用的是Xorg，运行在tty1上。
（2）启动新的X Server
Linux 支持虚拟控制台，只需要同时按下 Ctrl+Alt+F1、Ctrl+Alt+F2、…、Ctrl+Alt+F7，就可以在不同的虚拟控制台中进行切换。从上图可以看到，当前系统的图形界面是在虚拟控制台1中运行的，所以我们要切换回当前系统图形界面时，需要同时按下 Ctrl+Alt+F1。
我们可以使用X Server程序来启动 X Server。启动 X Server 的时候可以指定 display 参数，因为可以省略掉 hostname 和 screen_number，所以可以用 :0，:1 这样的格式来指定 display，由于:0已经被占用，所以可以使用:1。命令如下：
sudo X :1 -retro
启动效果如下，-retro选项是为了让 X Server 的背景显示为斜纹，便于区分，此时可以按下 Ctrl+Alt+F1切换回原来的控制台。
使用 ps -e | grep X 命令，可以看到此时在虚拟控制台7上也启动了Xorg，按下Ctrl+Alt+F7即可切换到tty7。
（3）在指定display中显示程序
我们可以在执行程序时添加–display参数来指定程序显示在哪个X Server上，以下使用gedit程序举例，将gedit界面显示在新建的X Server界面上，命令如下：
gedit --display :1
注：测试时发现，对于部分程序，如xarclock、xclock、xterm等，需要使用-display来指定，而不是–display。
（4）在指定display中显示程序的另一种方式
我们还可以采用设置DISPLAY环境变量的方式来指定显示程序的display。在系统启动进入图形界面后，会将DISPLAY默认设置为:0，表示默认都使用:0的display来进行显示。我们可以将DISPLAY值改为其他值，这样在终端中启动程序时将使用指定display来进行显示。
//临时设置DISPLAY环境变量，重启恢复
export DISPLAY=:1
3、在远程X Server中显示GUI程序
基于X Window的网络透明性，可以通过TCP/IP协议，让X Client与远程X Server进行通信。我们可以使用两台Linux终端作为服务端和客户端，客户端通过ssh连接到服务端，将服务端上的程序显示在客户端的图形界面上。在以上流程中，客户端是作为X Server，而服务端作为X Client，这是因为客户端需要将服务端的程序显示在自身的界面上，需要负责远程服务端启动程序的绘制操作，所以作为X Server，而服务端则是需要把显示数据发送到客户端显示，所以作为X Client。
注1：使用ssh主要是为了方便操作，也可以直接在服务终端上进行操作，而不通过ssh来远程访问。
注2：服务端IP为192.168.12.60，对应X-Client；客户端IP为192.168.12.66，对应X-Server。
（1）启动X Server监听tcp
LightDM，即：Light Display Manager，是一个全新的、轻量的Linux桌面的桌面显示管理器，LightDM 负责启动 X Server 和其它的 X 程序。而LightDM在启动X Server时，默认给X Server添加了-nolisten tcp 参数，这会导致无法通过tcp方式访问到远程X Server。
这时候需要使用vim去修改/etc/lightdm/lightdm.conf 文件，将 xserver-allow-tcp=false 一行前面的注释去掉，并且改为 xserver-allow-tcp=true。
修改完成后，保存退出，然后重启系统，或者使用 service lightdm restart 命令重启lightdm服务，使配置生效，然后再使用ps命令查看Xorg的执行选项，就发现这时候执行选项变成了 -listen tcp 选项。
（2）X Server添加指定X Client的安全认证
远程访问X Server时，会需要进行安全认证，避免未认证的X Client可以随意访问远程X Server。X-Server端可配置基于IP级别的验证和基于共享key的验证，即使用xhost和xauth两种方式来实现安全认证。
xhost（基于IP验证）
一个Displayer(X-Server)会对应一个xhost列表，在X-Client请求接入时, X-Server验证X-Client的IP是否在xhost列表中，若不在，则拒绝接入。需要使用xhost命令，在X-Server端将对应IP添加到xhost列表。
xhost命令 是X服务器的访问控制工具，用来控制哪些X客户端能够在X服务器上显示。该命令必须从有显示连接的机器上运行。使用xhost命令可以添加和删除主机名或用户名，以允许连接到X服务器。
xhost [[+-]hostname ...]
使用示例：
//允许任何x client连接
xhost +
//只允许IP在xhost列表中的x client连接
xhost -
//将192.168.12.12添加到可访问列表
xhost [+] 192.168.12.12
//从可访问列表中删除该IP
xhost - 192.168.12.12
注：通过以上方式设置，重启失效。
xauth（基于预共享密钥验证）
一个X-Server关联一个.Xauthority文件，一个.Xauthority文件可包含多个Displayer的预共享密钥。X-Server只使用他所关联的.Xauthority文件里自身Displayer的密钥记录。X-Client接入时会带上目标Displayer的密钥，X-Server验证该密钥是否与本地.Xauthority文件里配置的一致，若不一致则拒绝。所以需要在X-Server端和X-Client端配置一致的密钥，可以使用xauth命令，能够编辑和显示连接到X服务器的授权信息。
常用命令：
//列举出当前授权文件保存的授权信息条目，条目信息格式为 displayname protocolname hexkey
//其中 displayname 为DISPLAY名称，protocolname 为使用的授权协议，hexkey为对应的KEY值。
xauth list
//显示授权文件.Xauthority相关信息
xauth info
//添加指定条目到授权文件
xauth add displayname protocolname hexkey
//使用X服务器生成指定条目，此命令类似于add命令。 主要区别在于它不要求用户提供密钥数据，而是连接到 displayname 中指定的X服务器并使用 SECURITY 扩展来获取密钥数据以存储在授权文件中。
//如果无法联系到服务器或者它不支持 SECURITY 扩展，则命令失败。 否则，使用给定协议的指定显示器的授权条目将添加到授权文件中。
//仅由一个句点组成的协议名称被视为 MIT-MAGIC-COOKIE-1 的缩写。
/* 包含以下几个常用选项：
* [trusted|untrusted]：客户端是否可信。使用此授权连接的客户端将像往常一样完全运行显示。
* 如果使用 untrusted，则使用此授权连接的客户端将被视为不受信任，并防止窃取或篡改属于受信任客户端的数据。
* [timeout seconds]：指定此授权的有效时间（以秒为单位）。 如果授权未使用（没有客户端与其连接）的时间超过此时间段，服务器将清除授权，并且以后使用它进行连接的尝试将失败。若将时间设置为0，表示永不过期。
* 请注意，服务器完成的清除不会从授权文件中删除授权条目。 默认超时为 60 秒。
* [group group-id]：指定使用此授权连接的客户端应属于的应用程序组。
* [data hexdata]：指定服务器应该用来生成授权的数据。 请注意，这与写入授权文件的数据不同。 此数据的解释取决于授权协议。
*/
xauth generate displayname protocolname [trusted|untrusted] [timeout seconds] [group group-id] [data hexdata]
//以下命令表示，连接到:2对应的X Server来获取密钥数据，生成的授权条目使用MIT-MAGIC-COOKIE-1协议，永久有效且是受信任的。
xauth generate :2 . trusted timeout 0
（3）采用xauth认证方式来访问远程X Server
使用以下命令，在客户端（对应X Server）生成对应的授权条目信息，其中192.168.12.66是本地IP，若提示No protocol specified，则表示无权限访问，使用 xhost + 192.168.12.66 命令赋予权限即可。
xauth generate 192.168.12.66:0 . timeout 0 trusted
使用以下命令通过ssh连接到远程服务器终端上，其中192.168.12.60是服务器IP地址，server是要登录的服务器用户名。
ssh [email protected]
使用xauth add命令，将前面客户端（对应X Server）生成的授权条目信息添加到服务端（对应X Client）的.Xauthority认证文件中。其中，要把displayname修改为IP地址，即192.168.12.66:0。
在远程服务器上设置display环境变量。
在远程服务器运行xarclock，能够正常显示GUI界面。
说明：
可以将X Client连接到远程IP的其他display上，例如192.168.12.66:2。具体步骤与上述操作类似，不过要注意以下几点：
- 若使用X命令启动新的X Server，需要确保能够正常监听tcp端口，命令应该使用 sudo X :2 -retro -listen tcp 。
- 启动新的X Server后，需要先在该X Server启动一个gui程序，例如使用 xterm -display :2 命令在该X Server界面启动xterm，否则后续拷贝生成的授权条目使用时会提示"Invalid MIT-MAGIC-COOKIE keyError:can’t open display"错误。
- 在X Server端使用 xauth generate 192.168.12.66:2 . timeout 0 trusted 命令生成对应的授权条目，拷贝并添加到X Client的认证文件中，其中displayname使用192.168.12.66:2。
- 在X Client端将DISPLAY环境变量设置为 192.168.12.66:2 后，运行的gui程序都能正常在192.168.12.66:2对应的屏幕中显示。
（4）采用xhost认证方式来访问远程X Server
在客户端（对应X Server）使用xhost命令添加服务器IP，以通过IP安全认证。
xhost + 192.168.12.60
使用ssh连接到服务端，并设置DISPLAY环境变量。
运行xarclock程序，能够正常显示。
说明：
通过xhost方式，远程在新启动的X Server中运行GUI程序方式如下：
- 通过sudo X :2 -retro -listen tcp 命令启动X Server，运行后可以使用ps命令查看。
- 使用xterm -display :2 命令在该X Server界面启动xterm，在该xterm中输入xhost + 192.168.12.60命令，将服务器IP添加到该X Server对应的xhost列表中。
- 通过ssh连接到远程服务器（对应X Client），设置DISPLAY环境变量。
- 运行xarclock程序，能够正常显示。
4、通过ssh的X11数据转发功能远程启动GUI程序
当我们使用ssh远程访问服务器时，可以通过启用X11数据转发的功能，来实现客户端远程访问并显示服务器端的GUI程序的功能，具体操作步骤如下：
（1）服务器端sshd启用X11转发
服务器端使用vim修改/etc/ssh/sshd_config的配置，确保 X11Forwarding yes，如果在配置文件里面没有找到，就直接添加到文件末尾即可，最后保存退出。
服务器端修改完成后需要执行命令重启sshd服务：
service sshd restart
（2）客户端ssh启用X11转发
客户端可以使用以下两种方式启用X11数据转发的功能：
- 方式一：使用vim修改/etc/ssh/ssh_config的配置，确保 ForwardX11 yes，如果在配置文件里面没有找到，就直接添加到文件末尾即可，最后保存退出。
客户端修改完成后需要执行命令重启ssh服务：
service ssh restart
- 方式二：使用ssh命令进行远程方式时，添加 -X 选项，就可以启用X11数据转发。
（3）客户端使用ssh访问服务器端GUI程序
使用以下命令远程访问服务器，若已经采用步骤（2）的方式一设置过，可以不用加-X选项。
ssh -X [email protected]
运行xarclock程序，能够正常显示。
此时输出DISPLAY环境变量和当前认证文件中的认证条目信息可以发现，此时DISPLAY环境变量已经被自动设置为localhost:10.0，并且本地授权文件中也自动添加了对应的授权信息。
