物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展與展望

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展與展望

1操作系統(tǒng)不斷升級發(fā)展戰(zhàn)略行業(yè)，推進(jìn)規(guī)模化市場發(fā)展，推動動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)入新的發(fā)展趨勢。據(jù)gartner預(yù)測，到2020年，世界上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量將達(dá)到260億，物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模將達(dá)到1299億。面向物聯(lián)網(wǎng)新型終端大量組網(wǎng)的需求,傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)由于封閉式的特點無法直接套用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,移動端iOS和Android操作系統(tǒng)由于體積較大、功耗較高等原因也無法很好適配物聯(lián)網(wǎng)終端,因此操作系統(tǒng)需進(jìn)行新一輪發(fā)展創(chuàng)新。架構(gòu)上,為實現(xiàn)通用化,架構(gòu)逐漸趨于一致,并具備物聯(lián)網(wǎng)獨有特點;技術(shù)上,面向新型終端安全性、低功耗、互聯(lián)性的需求,操作系統(tǒng)不斷提升自身性能。近年來,新興操作系統(tǒng)ARM的Mbed,微軟的Win10IoT、谷歌的Fuchsia等皆在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有所發(fā)展與應(yīng)用,我國華為的liteOS、阿里的yunOS等也表現(xiàn)較好。2網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展特征2.1操作系統(tǒng)生態(tài)定位的改變在移動互聯(lián)網(wǎng)時代,產(chǎn)業(yè)和生態(tài)的基點是智能終端,大部分價值在眾多APP應(yīng)用,操作系統(tǒng)為應(yīng)用提供統(tǒng)一接口,作為應(yīng)用框架成為生態(tài)核心。而物聯(lián)網(wǎng)以連接和數(shù)據(jù)為主,匯聚和處理數(shù)據(jù)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展重心,操作系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)匯聚接入接口,生態(tài)定位發(fā)生改變。物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)價值的向上轉(zhuǎn)移和操作系統(tǒng)生態(tài)定位的改變,導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)核心從單核向雙核轉(zhuǎn)變。一方面,物聯(lián)網(wǎng)以大數(shù)據(jù)服務(wù)為主,注重海量數(shù)據(jù)的云端互聯(lián),物聯(lián)網(wǎng)平臺的生態(tài)價值提升,成為物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的核心環(huán)節(jié)。另一方面,物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)模式由移動互聯(lián)網(wǎng)衍生而來,物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)仍是屏蔽底層硬件差異、管理軟硬件的重要工具,其影響力依然存在。同時,數(shù)據(jù)的采集和互聯(lián),需要底層傳感器、上層應(yīng)用和云端的能力,操作系統(tǒng)提供接口,是數(shù)據(jù)接入?yún)R聚處理的重要支撐。2.2面向物聯(lián)網(wǎng),操作系統(tǒng)出現(xiàn)了新需求隨著新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的興起,服務(wù)對象逐步變?yōu)榇蟊娤M者,新興物聯(lián)網(wǎng)在運維模式、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)處理上都與傳統(tǒng)的專用模式有很大區(qū)別,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從獨立封閉走向開放互聯(lián)。同時,隨著通信、人工智能、自動駕駛等技術(shù)不斷成熟發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)終端智能化不斷加深,亟待提升能力的終端設(shè)備給物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)提出了新需求。一是面向不同廠家的設(shè)備,為實現(xiàn)互聯(lián)互通和互操作,操作系統(tǒng)必須實現(xiàn)互通性要求;二是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備資源受限,低功耗成為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的必備特性;三是聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷增加,網(wǎng)絡(luò)安全性亟待提升,從操作系統(tǒng)層面保障軟硬件安全成為必須;四是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備形態(tài)功能各異,需增加軟硬件的支撐能力;五是針對大量異構(gòu)終端,物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)需實現(xiàn)模塊化要求,實現(xiàn)可裁剪和迅速定制。2.3基于android、ios的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)由于現(xiàn)有操作系統(tǒng)很難完全匹配物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求,目前物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)領(lǐng)域涌現(xiàn)出3條技術(shù)路徑。一條是基于Android、iOS等操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪和定制,來適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備的需求;另一條技術(shù)路線是以傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過增加設(shè)備聯(lián)網(wǎng)等功能,滿足物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備互聯(lián)需求,形成新的嵌入式操作系統(tǒng);第三條技術(shù)路線是面向物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的新型操作系統(tǒng)。3國內(nèi)外新模式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的快速研究3.1針對新的物聯(lián)網(wǎng)需求，操作系統(tǒng)技術(shù)不斷更新和優(yōu)化(1)硬件平臺的協(xié)同控制功能物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)由內(nèi)核、外圍功能組件、物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架、通用智能引擎、集成開發(fā)環(huán)境等子模塊組成。這些子模塊之間相互配合,又互相形成層次依賴關(guān)系,共同組成一個完整的面向各種各樣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的軟件基礎(chǔ)平臺。內(nèi)核層面上實現(xiàn)伸縮性、安全性、低功耗。伸縮性方面,內(nèi)核通過重新編譯和二進(jìn)制模塊選擇加載的方式適應(yīng)不同配置的硬件平臺,實現(xiàn)尺寸在K到M級范圍內(nèi)的伸縮。安全性上,支持內(nèi)存保護(hù)(VMM等機(jī)制)、異常管理等機(jī)制,以在必要時隔離錯誤的代碼,提供內(nèi)核統(tǒng)計與監(jiān)控功能,為維護(hù)或開發(fā)人員提供故障定位的工具。低功耗上,常用兩種技術(shù)手段實現(xiàn)節(jié)能,一是在CPU空閑時,降低CPU運行頻率或關(guān)閉CPU;二是最大程度地降低中斷發(fā)生頻率。增加外圍模塊,支持連接、圖形等基本功能。為實現(xiàn)輕量級,物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)功能模塊采取按需提供的方式。因此,物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)把文件系統(tǒng)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、數(shù)據(jù)庫等功能組件從內(nèi)核中獨立出來,組成外圍功能組件。在很多情況下,功能組件用到一到兩個就可以滿足需求,其它的功能組件必須裁剪掉。通過協(xié)同框架,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備協(xié)同交互。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間需相互交互和協(xié)同,以達(dá)到單一物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無法完成的功能。而物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同框架,就是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的協(xié)同提供了技術(shù)基礎(chǔ),包括如下功能:物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)機(jī)制、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的初始化與配置管理、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的協(xié)同交互、云端服務(wù)等。(2)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)兼容物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議接口,完善協(xié)同框架功能。由于物聯(lián)網(wǎng)是萬物互聯(lián)的場景,設(shè)備之間互聯(lián)互通需求很大;同時,物聯(lián)網(wǎng)連接場景較多,如智能家居場景下,短距離高速率通信將各家居設(shè)備和手機(jī)、PC等終端相連,而智能物流場景下,需要覆蓋范圍廣且功率低的通信協(xié)議以支持長距離的傳輸。因此,物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)需支持更多新型的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議,以便互聯(lián)互通。融合操作系統(tǒng)初現(xiàn),前景仍有待觀望。微軟Win10IoT通過設(shè)備系列實現(xiàn)API共用,開發(fā)工具獲取通用API,下載安裝時自動識別設(shè)備環(huán)境并編譯出專用API,保證在代碼統(tǒng)一編寫的同時,保持自身特有屬性。但目前用戶習(xí)慣多停留在Win32系統(tǒng)上,同時微軟的物聯(lián)網(wǎng)終端占有率較低,因此廠商不愿意投入人力物力發(fā)展跨終端系統(tǒng)。谷歌推出Fuchsia,采用全新Magenta內(nèi)核、Escher渲染器以及Dart語言,支持32位和64位的ARM處理器和64位PC處理器,打造全新融合操作系統(tǒng)。目前,該系統(tǒng)尚在開發(fā)之中,并且Android建立的用戶習(xí)慣和生態(tài)習(xí)慣短期內(nèi)較難改變,該系統(tǒng)發(fā)展前景仍有待觀測。(3)基于物聯(lián)網(wǎng)的性能技術(shù)由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大多數(shù)為無線設(shè)備,因此需要維持低功耗以實現(xiàn)長時間使用。目前,各操作系統(tǒng)企業(yè)紛紛在低功耗上發(fā)力,欲實現(xiàn)操作系統(tǒng)層面的低功耗。如華為推出的liteOS,功耗僅為10~3mW;Mbed與SiliconLabs合作,推出低功耗MbedOS。具體技術(shù)方面,物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)從調(diào)度機(jī)制、傳輸機(jī)制和電源管理三方面入手,實現(xiàn)低功耗。首先,調(diào)度機(jī)制一改原來Linux實時調(diào)度方式,采用“集中式任務(wù)調(diào)度”。其次,在傳輸方式上,通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、路由算法優(yōu)化等方法來降低系統(tǒng)功耗。最后在電池管理上,進(jìn)行深度休眠模式的自動選擇,顯著降低能耗。(4)環(huán)境切換設(shè)計以ARM-M系列TrustZone技術(shù)為基礎(chǔ),保證硬件安全。2015年底,ARM將Trustzone技術(shù)引到M系列芯片,從而給物聯(lián)網(wǎng)安全提供了硬件保障。TrustZone技術(shù)將SoC的硬件資源和軟件資源進(jìn)行了劃分,并將其隔離為兩個執(zhí)行環(huán)境,即安全環(huán)境和普通環(huán)境,安全環(huán)境執(zhí)行安全子系統(tǒng)中的任務(wù),如存儲密鑰、加密算法軟件庫等敏感事物,普通環(huán)境則處理剩下的其它所有事務(wù)。不同于A系列的TrustZone,M系列的環(huán)境切換是基于硬件安全狀態(tài)的切換,切換速度快,切合物聯(lián)網(wǎng)低功耗、實時性的需求。軟件層面采用隔離手段保證安全?；谲浖陌踩桨竸t是通過數(shù)據(jù)加密或在操作系統(tǒng)中植入安全特性等方法實現(xiàn)系統(tǒng)安全。如MbedOS利用uVisor將部分代碼分成不同的BOX,每個程序的BOX之間會有不同權(quán)限的控制,跨BOX之間的權(quán)限訪問在設(shè)備出廠之初固化操作系統(tǒng)之內(nèi)。(5)底層傳感技術(shù)增強(qiáng)車載操作系統(tǒng)面向車聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛,提高連接性,增加ADAS接口。聯(lián)網(wǎng)化方面,汽車的聯(lián)網(wǎng)化逐步成為發(fā)展趨勢,操作系統(tǒng)需從底層為車聯(lián)網(wǎng)提供通信支持,需支持V2X車載通信協(xié)議,從車內(nèi)網(wǎng),車際網(wǎng),移動車載網(wǎng)三方面增強(qiáng)底層數(shù)據(jù)接入、處理能力。智能化方面,隨著自動駕駛技術(shù)不斷進(jìn)步,車載操作系統(tǒng)也加強(qiáng)與ECU的耦合,傳感數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口與計算系統(tǒng)相連,操作系統(tǒng)管理調(diào)度計算資源,為自動駕駛提供軟件基礎(chǔ)。機(jī)器人操作系統(tǒng)面向人工智能,引入AI引擎。從底層硬件上看,機(jī)器人為增強(qiáng)自身運動控制等能力,不斷加強(qiáng)感知功能,對底層傳感提出了更多要求,操作系統(tǒng)不斷增強(qiáng)對底層硬件的支持。從上層軟件上看,機(jī)器人面向不同的應(yīng)用場景,推出多種原生應(yīng)用,打造機(jī)器人操作系統(tǒng)生態(tài),操作系統(tǒng)提供代碼庫等接口,以支持應(yīng)用。3.2物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的應(yīng)用目前,據(jù)中國信息通信研究院統(tǒng)計,從2013年起物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)專利申請量呈爆發(fā)式增長,由2012年的86個激增到2013年的189個,并且還在呈現(xiàn)逐步增長的趨勢。專利圍繞iOS、Andriod等移動操作系統(tǒng),以及Contiki、TinyOS、ARMMbed、華為LiteOS等物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng),其中部分為中國企業(yè)或個人申請的專利。然而相比于傳感器、有線通信技術(shù)和短距離通信技術(shù)等專利申請量較高的領(lǐng)域,在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中,關(guān)注于物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的技術(shù)專利仍然較少,技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新節(jié)奏仍然較慢。3.3系統(tǒng)性能分析一方面,從產(chǎn)業(yè)上看,我國物聯(lián)網(wǎng)目前尚處于發(fā)展期,需降低技術(shù)門檻加速普及,開源作為生態(tài)構(gòu)建手段,有利于加速我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。從技術(shù)上看,由于物聯(lián)網(wǎng)終端形態(tài)各異、連接互通性要求高、碎片化嚴(yán)重等特點,導(dǎo)致軟硬件開發(fā)兼容性要求較高,通過開源可以為兼容提供基礎(chǔ)。LiteOS、Brillo、Tizen等新興物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)采取開源策略,如Liteos代碼開源,構(gòu)建了包括芯片、模塊、開源硬件、創(chuàng)客以及軟件開發(fā)者等玩家的開源社區(qū)。但為了保證安全性和掌握控制權(quán),某些操作系統(tǒng)的開源模式會類似于手機(jī)安卓“AOSP開源,GMS閉源”的方式,大部分開源開放,關(guān)鍵部分閉源授權(quán),如Mbed免費且部分開源,固件當(dāng)中仍然存在二進(jìn)制機(jī)制,而且其中一部分以受到嚴(yán)密保護(hù)的閉源驅(qū)動程序形式提供給由芯片制造商推出的系統(tǒng)芯片產(chǎn)品。另一方面,某些特殊行業(yè)存在自身特殊需求,如航天、水電等領(lǐng)域安全性保密性要求較高,操作系統(tǒng)閉源策略仍需并存。3.4基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的企業(yè)集成由于物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)核心逐步向操作系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)平臺雙核心轉(zhuǎn)變,布局新型物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)企業(yè)紛紛配套物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè),并根據(jù)自身特點各有側(cè)重,以打造物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。側(cè)重以操作系統(tǒng)為核心。依托手機(jī)、PC端操作系統(tǒng)成熟生態(tài)的強(qiáng)大影響力,企業(yè)在布局物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)時,側(cè)重以操作系統(tǒng)為核心,將手機(jī)/PC端技術(shù)和生態(tài)優(yōu)勢轉(zhuǎn)移到物聯(lián)網(wǎng)。如蘋果采用完全封閉的發(fā)展策略,先后推出CarPlay、WatchOS、HealthKit等,將iOS系統(tǒng)及應(yīng)用生態(tài)深度整合到汽車、可穿戴設(shè)備當(dāng)中,并通過資金支持、技術(shù)支持等方式深度參與終端上游元器件的開發(fā)、生產(chǎn)和制造過程,打造從終端到應(yīng)用的極致用戶體驗,如圖1所示。側(cè)重以操作系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)平臺為核心。新型操作系統(tǒng)專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計,新產(chǎn)品需快速建立完整產(chǎn)業(yè)鏈以切入市場;同時,企業(yè)的主業(yè)大多數(shù)為互聯(lián)網(wǎng)或連接,在云端互聯(lián)上有自身優(yōu)勢,因此新型操作系統(tǒng)側(cè)重以雙核心構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。如ARM以Cortex側(cè)重以物聯(lián)網(wǎng)平臺為核心。一方面,嵌入式操作系統(tǒng)自身交互性、互通性等性能較弱;另一方面,此類操作系統(tǒng)多應(yīng)用于工業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域,智能化對行業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模組網(wǎng)需求提升。因此,傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)需借助物聯(lián)網(wǎng)平臺,增強(qiáng)連接、分析、處理能力。4中國物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的發(fā)展建議4.1物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)增強(qiáng)增量市場帶來大量新的機(jī)會。目前,并沒有一款成熟產(chǎn)品能夠完全適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,即使是微軟與風(fēng)河等傳統(tǒng)操作系統(tǒng)公司,也需要調(diào)整自己的產(chǎn)品線來適應(yīng)新市場。我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,成為全球最大的市場,因此物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)增量市場的很大一部分必將來自中國。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與云計算和移動互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合緊密。目前開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的中國廠商都有互聯(lián)網(wǎng)和云端的相關(guān)背景,依托此特點可進(jìn)行優(yōu)勢轉(zhuǎn)移。如阿里巴巴依托阿里云推出的yunOS,并配套Yoc開放平臺;華為依托華為云,推出liteOS和Oceanconnect物聯(lián)網(wǎng)平臺,并且依托本身連接優(yōu)勢,大力推行低功耗廣域網(wǎng),在連接上占據(jù)優(yōu)勢。4.2人工智能云平臺運營模式我國物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)目前在不同領(lǐng)域發(fā)展較不同步。在智能家居領(lǐng)域,慶科Mico與阿里yunOS發(fā)展較好,與底層硬件和家電廠商初步形成生態(tài)。阿里云以YunOS和云平臺為核心,在兼容所有主流移動芯片架構(gòu)、MCU平臺的基礎(chǔ)上,采用組建商業(yè)聯(lián)盟、開放運營模式、創(chuàng)新產(chǎn)品服務(wù)策略打通智能家居等多個終端領(lǐng)域,并通過應(yīng)用預(yù)裝、大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)營銷等手段形成良性的利益分成機(jī)制;目前,阿里云與超過40家硬件廠商建立合作關(guān)系,推出較多智能家居成型產(chǎn)品,且應(yīng)用較好。在機(jī)器人領(lǐng)域,出現(xiàn)應(yīng)用于機(jī)器人上人工智能級OS,但暫未形成生態(tài)。如人工智能創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊圖靈機(jī)器人對外發(fā)布了一款人工智能機(jī)器人操作系統(tǒng)TuringOS。車載系統(tǒng)中Wince、QNX和安卓占據(jù)大部分市場份額,國內(nèi)新型操作系統(tǒng)暫未有成型產(chǎn)品。4.3中國物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的發(fā)展建議(1)依托“專項基金”,大力推進(jìn)級別操作系統(tǒng)發(fā)展我國重量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)發(fā)展較緩,依托智能硬件、智慧城市等政策出臺,借助政策引導(dǎo),建立專項基金,大力加快重量級操作系統(tǒng)發(fā)展。輕量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)發(fā)展較好,隨著市場需求不斷刺激,推動操作系統(tǒng)面向應(yīng)用場景和細(xì)分市場,