自主可控时代,物联网呼唤怎样的操作系统?
作者 | 物联网智库2022-11-29

物联网产业的竞争正在向着生态系统发展,包括互联网巨头和运营商在内的企业都在基于平台,积极布局上游关键技术和下游解决方案。

智次方

根据工信部发布的数据显示,截至今年8月末,三家基础电信运营企业发展蜂窝物联网终端用户达到16.98亿户,已经超过移动电话用户总数16.78亿户,标志着国内蜂窝物联网产业首次迎来“物超人”这一历史性时刻。不仅如此,随着以底层技术为主导的新型基础设施的不断完善,在未来5至10年的时间维度里,物联网产业将会继续保持高速增长,预计到2025年时,国内物联网的连接量将突破80亿,此后还将继续增长至百亿规模,市场规模也有望达到数万亿级别。

与过去几十年经历的互联网和移动互联网时代的发展轨迹类似,物联网时代也会经历设备数量大幅增加、用户需要更好的服务和体验等阶段,这些都在软硬件层面对物联网设备提出了更高的要求,需要整个产业的持续发展与创新来实现。

而对于物联网设备来说,操作系统同样必不可少。操作系统位于底层硬件与用户之间,是两者沟通的桥梁,用户可以通过操作系统的用户界面输入命令,操作系统则负责对命令进行解释并驱动硬件设备来实现用户要求。

在电脑上,有大家耳熟能详的Windows和Linux操作系统,安卓和iOS系统也几乎被装在了所有的智能手机上,物联网设备自然也应该有其独有的操作系统来应对各种碎片化场景下的不同需求。

构建物联网时代的操作系统

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。

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。

从2019年起,中国移动便开始投入研发一款面向物联网领域的轻量级实时操作系统,经过了一年多的时间,中国移动旗下的中移物联于2020年6月正式推出了面向5G的物联网操作系统——OneOS,该系统能够向上承接业务应用,向下屏蔽硬件差异,打通各种碎片化场景,更好地满足了万物互联时代应用的需求。

从整体来看,OneOS的架构采用了分层设计,主体由驱动、内核、组件、安全框架组成,通过一个轻量级内核加多个系统组件的模式,加上海量硬件的适配支持,使OneOS具备极高的可伸缩性与易用性。

自1.0版本开始,OneOS便使用了极简内核,具有可裁剪、跨平台、低功耗、高安全等特点,支持ARM Cortex-A/M、MIPS、RISC-V等主流芯片架构,兼容POSIX、CMSIS等标准接口,支持Javascript、MicroPython等高级语言开发模式,提供图形化开发工具,能够有效提升开发效率、降低开发成本,帮助智能穿戴、智能门锁、智慧充电、环境监测等领域的用户快速开发稳定可靠、安全易用的物联网应用。

One OS持续锻造物联网操作系统能力

更快更强!One OS3.0实现全方位升级

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。

更快更强!One OS3.0实现全方位升级

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。

内核全面突破

安全可靠是实现万物互联的基石

截止目前,OneOS已获得了92项发明专利和8项软件著作权,被广泛应用在消费电子、智慧城市、工业控制等领域,并服务于350余家合作伙伴,实现3000万应用装机。

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。

自主可控国密算法套件

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。

目前,中移物联OneOS已通过PSA、IEC 61508、CCRC EAL4+等多项安全认证,系统的内核性能也实现了攻关突破,任务切换、中断处理等关键指标达到国际先进水平,能够满足金融、支付等特种行业的高安全性要求。其中,IEC 61508自2000年正式发布至今,已被公认为全球范围内功能安全的权威标准。OneOS成功获得该认证,标志着在系统可靠性和整体技术实力方面,OneOS已跻身国际一流嵌入式操作系统行列,企业和开发者在使用OneOS开发软件产品时,不仅在基础系统的可靠性上有了强力保障,而且还可以更加快速地通过相关领域的安全认证,加速产品的行业准入和上市销售。

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。

在消费电子方面,OneOS通过与国外多家专业服务商战略合作,为开发者提供了一套覆盖全球的高可靠、低延时、低成本、高质量的实时音视频通信服务。具体来说,系统支持48kHz全频带采样,提供超高音质体验;支持1080P分辨率、码率可自由切换,融合多种视频编码处理算法,画质更好、码率更低;提供提供毫秒级延时服务,实时通话质量高于业内平均水平;同时,弱网条件及切换网络时仍能支持高质量通信,在70%丢包情况下仍可正常通信;此外,开发者通过集成RTC的SDK即可轻松实现智能硬件设备一对一语音、视频通话,极大降低了实时音视频应用的开发成本。

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。

开源协同是物联网操作系统的“源头活水”

对于国外发展较早的物联网操作系统来说,在开源和生态建设方面都已经较为成熟。与之相比,国内的物联网操作系统起步较晚,更加需要联合上游芯片厂商、下游能力开发商、应用开发商来多方共建产业生态。

自OneOS研发之初,就致力于为广大开发者提供更友好的研发体验,为合作伙伴提供更高的接入效率。在兼容性方面,在1.0版本时,OneOS仅支持100多款芯片,如今,OneOS3.0已支持ARM、RISC-V、MIPS、LoongArch、C-SKY、Xtensa这6类主流芯片架构,涵盖意法半导体、恩智浦、兆易创新、华大半导体、复旦微、龙芯、飞腾等主流厂商的MCU,累计适配芯片超1200款,支持80款以上模组,并可在超50款开发板上稳定运行。

OneOS芯片适配情况

此外,为了更大程度地支持跨平台、跨系统的联网通信,OneOS现已兼容和支持大部分云服务平台,包括亚马逊AWS、微软Azure、阿里云、腾讯云、中国移动的OneNET云平台等,将云平台上的各种服务能力通过OS下沉到终端和底层组件之中,为开发者提供更多选择。

不仅如此,在系统源码、开源社区、开发工具等方面,中移物联也在为开发者提供全面的技术支持服务,帮助合作伙伴打通中移物联产品库、IoT商城等多方渠道;同时,中移物联也在通过与高校紧密合作,以联合实验室、大学生专题赛、高校公开课等多种方式,为企业开发者和个人开发者提供全方面、多维度的服务。

合作伙伴

写在最后

当前,“自主可控”已经成为我国科技发展的主旋律之一,可以避免核心技术遭到“卡脖子”等问题。作为我国对国产自主物联网操作系统的探索和实践,OneOS对整个物联网产业来说也意义非凡。在此背景下,OneOS已经适配飞腾和龙芯等国产厂商的物联网芯片产品,并为各行业领域客户提供国产方案,帮助客户摆脱对国外技术的依赖,推动工业互联网行业国产化进程。

未来,中移物联OneOS将持续夯实系统基础能力,布局行业应用,同时深耕消费电子、智慧城市、智慧工业三大领域,联合上下游企业共同打造以操作系统为核心的自主可控产业链生态,以技术实力推动行业发展,加快产业数智化转型升级。

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