发展迫在眉睫，中国自主可控物联网操作系统路在何方?

来源：博观科技日期：2022-12-01 10:58:56

数字化时代，操作系统国产化是软件国产化的根本保障，更是软件行业亟需攻克的阵地。尤其是在智能制造的大趋势下，面对日益复杂和不确定的外部环境，国产智能系统自主可控需求更加强劲，国产嵌入式操作系统的发展也驶入了快车道。

物联网操作系统是新一代信息技术的重要组成部分。其通过传感器、射频技术、激光扫描技术以及全球定位技术等技术的综合管理与应用，可以有效实现对于建筑、车辆以及相关物理设备的管理，从而实现了生活便捷性的提升与强化。

随着大数据、云计算、人工智能等技术在物联网场景中的深度应用，整个物联网领域也变得越来越数字化、智能化和精细化，真正实现“万物互联”在这样的时代背景下，需要怎样的物联网操作系统，如何才能开创物联网发展的新空间？

一、应用落地和产业生态建设对物联网操作系统的需求迫切

当前，随着物联网基础能力的日趋成熟，各领域物联网应用正加快探索和落地，同时也对各环节的物联网技术提出了更多和更高的要求。其中操作系统作为连接软硬件资源的核心中枢，各领域产业进步对其深化发展也提出了更多和更高的要求。

一是各领域需要能够对海量设备进行建模的统一平台。物联网下游设备种类众多、数量庞大，要实现高效协同的应用，就需要有能够对海量设备进行建模的统一平台。虽然在理论和技术层面，操作系统具备屏蔽终端差异化的能力，但具体实现仍面临诸多技术难题和行业差异，目前尚没有能够以通用模式满足大面积行业需求的物联网操作系统。目前在通用层面，我国华为的鸿蒙OS始终面向万物互联进行扩张，但在细分领域仍需不断适配具体行业标准和流程。而在一些简单或快速开发领域，目前的AliOS、TencentOS Tiny等轻量化系统则更加便于应用。

二是应用研发需要更加通用的集成开发环境和工具。在桌面计算机和手机时代，基于Windows和安卓操作系统的集成开发环境，各领域开发了大量的应用，并构建了丰富的应用生态。例如安卓基于Linux内核，构建起完善的系统框架，为应用研发提供了通用且高效的开发环境。物联网应用涉及的领域众多、场景多样，因此更需强大的操作系统提供便捷、高效的开发环境和工具。目前国外的Windows10 IOT、Android Things、谷歌Fuchsia OS等系统都已具备这样的开放能力，而我国仅有华为的鸿蒙OS具备这样的能力。

三是物联网产业生态的完善，需要通过发展操作系统来推动。操作系统从诞生到形成规模效应，需与其关联市场协同发展。例如，安卓与ARM架构互相协同，实现了对移动端设备的高度适配。Windows与英特尔x86架构相互适配、一同成长，实现了对桌面计算机市场垄断。在物联网领域，“操作系统﹢芯片架构”这一技术范式的本质理念同样适用，但目前我国对此类成套技术的研发较少，由中科院孵化的中科物栖公司正在基于这一范式，推动“RISC-V芯片﹢物联网操作系统”的应用模式落地。

二、构建属于我们自己的物联网时代操作系统

相比于电脑和智能手机，物联网设备的类型和适用场景大大增加，既可以用在对算力和实时性要求非常高的车联网场景，也能用于对功耗非常敏感的智能表计等领域。因此，物联网终端设备面临的问题也更加复杂，如：硬件碎片化、网络协议多样化、平台接入复杂化和安全攻击实体化等问题。传统的开源嵌入式操作系统虽然可以解决部分问题，但无法应对更多的挑战，也难以形成跨设备、跨芯片平台、云端一体的物联网应用生态。

倪院士指出，我国物联网操作系统仍面临顶层设计缺乏整体设计、关键核心能力积累不足、体系建立薄弱等发展瓶颈，并对国产物联网操作系统提出三大殷切期望：一是持续加大对OneOS等国产操作系统的研发投入力度，推动政府和企业共同制定物联网操作系统的顶层设计、技术标准与安全标准；二是重视原始创新；三是上下游能共同构建技术和生态体系，打通技术与应用之间的最后一公里。

在此背景之下，大型互联网公司都在投入资源来发展自研的物联网操作系统，如亚马逊FreeRTOS，ARM Mbed OS，华为LiteOS和阿里AliOS Things等，而在通信领域具有深度积累的运营商，自然也不例外。

就在本月，围绕着实时、安全、高效这三方面，OneOS3.0版本实现了全方位升级，打造了更快、更强、更安全的内核，提供了GUI、音视频、定位等多种服务组件，为个人穿戴、智能家居、工业控制领域提供了安全可靠、便捷高效的开发体验。

对于操作系统来说，内核是最核心、最重要的部分，到了3.0版本，OneOS的内核功能进一步丰富。首先，OneOS3.0支持对称多处理器平台，帮助高级应用提高运行效率；CPU亲和度模型提高了任务执行效率，避免CPU进行上下文切换，浪费不必要的性能；MPU隔离保护实现内核态访问空间和用户态访问空间的隔离，关键数据区禁止篡改，代码段保护，提高系统的安全性可靠性；增加了可维可测功能，比如IPC跟踪、中断检测、任务轨迹跟踪、伙伴监控等，帮助开发人员检测系统状态、快速分析问题。

同时，OneOS3.0的内核性能也进一步提升。在Cortex-M4平台上，任务切换小于3us，中断响应最大时延小于6us，任务同步小于2.4us，任务通信小于6.3us；在多核Cortex-A9平台上，核间任务同步小于1.3us，核间任务通信小于2.0us；任务调度时间复杂度也在主流RTOS系统中名列前茅。

在工业控制方面，OneOS整合行业基础能力，并结合工业数字化的市场需求进行能力整合及能力优化。在PLC产品方向，OneOS与德国CODESYS合作开发的软PLC开发套件，遵循IEC61131-3标准，结合工业互联网远程调试、远程运维的需求痛点，采用5G技术打通上位机、PLC设备间的无线通信及云端通道，减少现场布线的同时，实现跨广域网灵活运维；在运动控制方向，遵循CNC数控加工编程规范，OneOS采用高效的CNC数控算法，实现高效的G代码解析与执行能力。得益于OneOS极低的资源占用和高效的实时响应，使多任务CNC技术在普通MCU平台运行成为可能；在通信能力方向，OneOS不仅提供包括Modbus、CANopen、EtherCAT、EtherNET等主流的现场总线协议栈，同时也深度支持5G、4G网络特性，向工业客户提供低时延、高可靠的工业通信能力。

三、安全可靠是实现万物互联的基石

面对千万级别的终端规模，操作系统的安全性和防护能力对所有客户来说都至关重要。作为新型的关键基础设施，物联网设备中的数据大多是具体应用场景中的实时感知数据，其中不乏重要行业的敏感数据，数据安全保障是物联网产业健康发展的重要基础。随着万物互联时代的到来，未来还会有越来越多的智能终端需要兼容性更强、更加安全可靠的操作系统。

对于轻量化的物联网操作系统来说，更需要对软硬件之间的协同和系统所占大小等方面进行综合考虑。在物联网环境中，一般数据将经历感知、传输、处理这一生命周期，OneOS提供的安全组件可为数据安全各个环节提供轻量化解决方案，为物联网数据保驾护航。而本次发布的OneOS3.0是LTS版本（长周期支持版），经历了广泛的和深入的测试，包含了大量安全积累和稳定性方面的改进。

在终端数据保护方面，OneOS安全团队自研出轻量级的国产商用密码SM系列算法套件，同时针对物联网终端小资源的特点进行了专门的优化设计，大大减少了套件本身对终端资源的占用，在同等硬件环境下，OneOS国密算法套件资源占用可减少34%，而加密效率可提升30%，大大降低了终端设备资源压力，可以为更广泛的设备提供数据保护。

在网络数据传输方面，为了给通信双方提供安全的通道，保证传输的数据安全可靠，OneOS针对物联网场景开发了轻量级的DTLS 1.3安全传输协议栈，在内存资源占用减少54%的同时，还可以使得握手效率提升43%，满足各类网络环境下数采终端及智能设备的敏感数据安全传输需求。

四、各行各业都亟待整体解决方案出现

对于物联网来说，最突出的一个特征当属“碎片化”现象严重，不同行业当中的硬件设备各异，软件也是“百花齐放”，这不仅导致了很多无谓的重复开发，也造成设备之间彼此割裂，难以形成真正的万物互联体验。为了解决这个问题，很多企业都在提出物联网的行业解决方案，涵盖了物联网应用、操作系统、终端等各个层次。对于操作系统层面来说，上层的各类应用通过它屏蔽了底层硬件工作方式的不同，只需专注于功能的实现即可，打破了设备之间的壁垒界限，从而促进应用的开发与部署更加快捷高效。

为加快推动物联网产业深化发展，打造适配产业需要的物联网操作系统，笔者提出以下三方面建议。

一是加强技术标准建设。加快建立和推广重点行业的技术标准，推动软硬件体系协同进步与规模化发展。在消费电子、智能交通、智能家居、物流跟踪等领域建立并推广设备参数、通信协议、接口参数等方面的国家标准，以标准建设带动操作系统与行业深度融合，逐步形成“以产业促标准，以标准促生态”的良性发展局面。

二是促进技术创新发展。鼓励物联网操作系统开源社区建设，针对目前主流的操作系统技术路线（嵌入式、裁剪式、轻量化、通用型），打造专项开源项目，推动开源技术资源的迭代与积累。完善物联网操作系统技术协同创新体系，打造政、产、学、研、用和投资协同发展的体制机制，为技术创新发展汇聚更多资源、探索更多路径。

三是推动产业生态发展。在市场端，要鼓励物联网操作系统向垂直行业应用纵深发展，鼓励领军企业带头，以操作系统为平台整合资源，在重点行业探索和建立行业上下游合作模式，形成大中小企业融通发展格局。在政策端，由主管部门牵头成立产业联盟，促进产业链上下游协作、加强产业间协同，合作探索操作系统与硬件体系协同发展创新路径。

展望未来，物联网操作系统的发展之路依然严峻，最大的困扰是没有一个可持续的商业模式，无论多大的企业都很难持久投入。传统嵌入式OS授权和服务模式在这个领域很难奏效，互联网企业不惜重金投入开发，开源建立其生态，目标就是引流，未来靠数据盈利，但周期一定是很长的。物联网操作系统在某些垂直市场有了一些商机，比如汽车通信与控制架构改变、车机显示升级和安全认证带来商业软件收费机会。对于国内厂商，如果没有成功的商业模式支撑， 物联网操作系统市场的挑战是十分严峻的。面对未来，夯实客户基础、巩固主力市场、与芯片公司和产业巨头合作、共建互利互惠的商业模式，是当务之急。

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