物联网开发

发展迫在眉睫,中国自主可控物联网操作系统路在何方?

    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。


物联网操作系统


    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。


    郑州博观电子科技有限公司是一家提供科技类物联网开发软硬件定制化方案服务商、也是中原地区领先的物联网终端设备解决方案提供商。致力共享换电柜、智能充电桩、共享洗车机、物联网软硬件等服务平台的方案开发与运维。总部位于河南省郑州市高新区,已取得国家高新技术企业认证证书。经过10多年的业务开拓,公司已经形成了以中原地区为中心、业务遍布全国的经营格局。


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