泛在操作系统实践与展望研究报告

1、泛在操作系统研究实践与展望报告2022 年8月CONTENTS目录01 引言 01泛在操作系统的理论体系 04 HYPERLINK l _TOC_250013 操作系统的定义和特征 05 HYPERLINK l _TOC_250012 从操作系统到泛在操作系统 06 HYPERLINK l _TOC_250011 泛在操作系统的内涵与外延 08 HYPERLINK l _TOC_250010 泛在操作系统的发展驱动力及价值 09 HYPERLINK l _TOC_250009 泛在操作系统的研究思想及理论方法 10泛在操作系统的体系框架 15 HYPERLINK l _TOC_250008 泛

2、在操作系统的研究现状 16 HYPERLINK l _TOC_250007 泛在操作系统的体系结构 17 HYPERLINK l _TOC_250006 泛在操作系统的分类及关系 19国内外相关产品和实践 20 HYPERLINK l _TOC_250005 基础平台类 21 HYPERLINK l _TOC_250004 桌面操作系统 21 HYPERLINK l _TOC_250003 移动智能终端操作系统 23 HYPERLINK l _TOC_250002 服务器操作系统 24 HYPERLINK l _TOC_250001 嵌入式及物联网操作系统 28 HYPERLINK l _TO

3、C_250000 云操作系统 384.2应用场景类464.2.1智慧城市操作系统474.2.2智慧交通操作系统504.2.3智慧建筑操作系统5805 发展趋势与建议645.1发展挑战分析655.2技术发展趋势665.2若干思考与建议68参考文献 71引言01当前，信息技术发展正在进入人机物（人类社会、信息空间与物理世界）融合泛在计算的新时代，以“软件定义一切、万物均需互联、一切皆可编程”为目标，追求“万物数字化”，数字化、网络化和智能化融合发展成为信息化新阶段的新态势。人机物融合泛在计算，既是计算发展的一个新时代，也是计算呈现的一种新模式。为了实现人机物融合泛在计算，我们既要面临“云管边端物”

4、乃至“人”的海量异构资源尤其是各种泛在化的 “端”资源的有效高效管理需求，又要面临应用需求变化频繁、应用场景动态多变的复杂的计算环境。从软件的视角来看需要构建一个软件平台：向下屏蔽被管资源的异构性和复杂性，向上凝练沉淀应用共性；向下管理调度海量异构资源，向上提供支撑应用开发和运行的编程接口。本质上，这就是操作系统的求解问题思路，具体到面向人机物融合的泛在计算与应用，需要构建面向不同领域的多场景的多样性泛在操作系统。操作系统是计算机系统中最为关键的一层系统软件，是计算系统的核心，也是信息产业生态的核心。正是操作系统的出现，才使得计算机从早期的专用专属走向如今的通用大众，并带来计算机应用的繁荣发展

5、。随着互联网向人类社会和物理世界的全方位延伸，人类社会、信息空间、物理世界的深度融合的泛在计算时代正在开启，融合了人机物的各类资源，呈现海量、异质、异构、自主等特性新场景正在形成，所需管理的资源复杂度呈指数级增加，因此构建一个对下管理各类泛在设施（包括各类物理资源、数字资源等）、对上支撑各类场景的数字化与智能化应用的泛在操作系统已经成为了发展趋势。当前已有不少关于“泛在操作系统”的实践探索，但是，面临复杂多样的应用模式、领域需求、多变环境和海量资源，大多数探索都还仅仅是针对特定场景、部分需求进行泛在操作系统的实践，总体而言，泛在操作系统尚处于初期探索成型阶段。为此，本报告期望能够在梳理目前国内

6、外学术界、产业界对于泛在操作系统的认识、研究与实践基础上，厘清泛在操作系统的定义与内涵，并参考目前的业界实践以及国内外泛在操作系统的已有研究与实践，剖析泛在操作系统的内涵与外延、定义泛在操作系统的概念框架、梳理若干泛在操作系统实践案例、分析泛在操作系统未来发展趋势与面临挑战。本报告共分为5个章节，之后的章节安排如下，第二章介绍泛在操作系统的理论体系，阐述操作系统的定义和特征，并论述从操作系统到泛在操作系统的演进过程，泛在操作系统的研究现状，以及软件定义思想及其理论方法。第三章从泛在操作系统概念的提出和发展，介绍相关概念，并提出参考架构。第四章梳理目前面向不同应用场景的泛在操作系统的实践与应用。

7、第五章发展趋势与面临的挑战，介绍未来泛在操作系统发展呈现的趋势，以及面临的挑战，并从技术研究者、产品研发者、运维管理者、用户等多个视角对泛在操作系统的建设发展给出建议。泛在操作系统的理论体系04操作系统的定义和特征操作系统是计算机系统中最为关键的一层系统软件。按照中国计算机科学技术百科全书的定义，“操作系统是管理硬件资源、控制程序运行、改善人机界面和为应用软件提供支持的一种系统软件”。简言之，操作系统的主要功能是：向下管理资源（包括存储、外设和计算等资源），向上为用户和应用程序提供公共服务。结构上，操作系统大致可划分为三个层次，分别是人机接口、系统调用和资源管理。人机接口负责提供操作系统对外服

8、务、与人进行交互的功能，从最简单的命令行操作，到早期Unix系统上采用的传统shell，进而到Windows等现代操作系统中采用的GUI（图形用户界面）窗口系统，人机接口不断向易用性和用户友好发展。资源管理指的是对各种底层资源进行管理，存储、外设和计算单元等都是操作系统管理的对象，随着计算机系统的发展，新的软硬件资源不断出现，操作系统的资源管理功能也越来越庞大和复杂。系统调用是位于人机接口和资源管理之间的一个层次，提供从人机接口到资源管理功能的系统调用功能。自1956年第一个实际可用的操作系统GM-NAA I/O诞生以来，操作系统已经发展了近70年，从早期的面向单机的操作系统发展主线，到后来对

9、网络和基于网络的并行、分布计算提供更好支持的发展辅线，操作系统面向计算机硬件的迅速发展，以更好、更高效地管理硬件资源并充分发挥硬件资源所提供的计算能力；同时，面向新的应用需求和用户需求，沉淀应用领域共性，提供更便利、易用的人机交互和应用支撑。回顾操作系统发展的历史，从主机计算时代（20世纪6080年代）的IBM OS/360、DEC VMS和UNIX，个人计算时代（20世纪80年代2000年）的微软Windows和开源Linux，到移动计算时代（20002020年）的谷歌Android和苹果iOS，这些各自时代的代表性操作系统引领了各自领域的操作系统生态。回顾操作系统的发展历史，可以看到，从不

10、同的视角，操作系统呈现不同的功用：从计算机系统的视角来看，操作系统是一个资源管理器。通过管理和协调对各种底层软硬件资源的使用，发挥底层软硬件资源所提供的计算能力。同时通过硬件驱动程序来桥接异构硬件资源，提高系统的互操作性。从系统使用者的视角来看，操作系统是一台虚拟机。一方面提供对底层资源细节的抽象，另一方面为使用者提供更方便易用的用户界面。对于软件开发人员来说，操作系统虚拟机还决定了其面对的编程模型。从应用软件的视角来看，操作系统是软件的开发和运行平台。操作系统为应用软件的开发和运行提供各种必要的支撑，包括：应用软件的运行环境及其框架设施，应用软件运行所需资源及其调度和管理，以及应用软件开发和

11、维护的若干工具。从操作系统到泛在操作系统随着互联网的快速发展，操作系统面向的计算环境在从单机、局域网平台向互联网平台延伸，如图2.2-1所示，“网络就是计算机”（The Network is the Computer）、“互联网作为计算机”（Internet as a Computer）等概念应运而生，出现了“软件即服务”（Software as a Service）等新型应用模式；为了更好地对不同的互联网计算与应用模式提供支持，以及管理和利用互联网平台上庞大的计算资源和数据资源，出现了面向新型互联网应用、基于单机操作系统的网络化操作系统。操作系统的任务重心从解决如何提升计算资源的利用率，到如

12、何为不同的领域应用与用户需求提供交互界面与应用模式的定制与优化，进而到如何提供通用的网络相关功能以支撑网络应用软件的运行和开发。近年来，随着移动互联网和物联网的迅速发展，计算模式和软件应用都在逐步演化为更加复杂和动态的形式。在新的计算模式和应用场景中，除了传统的计算设备（“机”）和新兴的物联网设备、物理实体（“物”），还逐渐融入了一种新的重要元素，即“人”的参与，从而形成人机物三元融合（human-cyber-physical）的计算环境。举例来说，在新的人工智能应用场景中，例如自动驾驶，不仅要考虑到计算设备和汽车中各式各样的传感器，还一定要考虑到人的因素，其中包括驾驶员以及路上的行人等等。2

13、0世纪90年代，Mark Weiser提出了泛在计算（Ubiquitous Computing）的概念，认为计算是广泛存在的，计算机可以是任意尺寸大小、任意形状的，可以嵌入到每个物体中为人们提供服务。21世纪以来，物联网（Internet of Things）提倡将物品通过信息传感设备，按照约定的协议与互联网连接起来，以实现智能化识别和管理。例如，Android Things是Google在2015年宣布的基于Android的物联网操作系统平台，专为在小内存、低功耗设备上运行而设计，支持蓝牙和Wi-Fi，开发者可以通过网络统一收集设备数据进行设备管理。为此，所谓泛在计算，是指计算无缝多变、需求

14、多样、场景复杂，要求硬件资源、数据资源、软件平台、应用软件具有柔性灵活的软件定义能力、动态适配能力、泛在互联能力和自然交互能力。随着泛在计算概念的深化，计算机可管理资源的范围将进一步扩大，机器人和智能家居开始成为操作系统的可管理资源，出现了机器人操作系统（ROS）和家庭操作系统（HomeOS）等新的操作系统概念。随着人机物融合的应用模式的进一步演化，操作系统的概念还会不断延伸和泛化，梅宏院士在2018年IEEE Computer杂志发表了题为“走向泛在操作系统：一种软件定义的视角”的文章，提出“泛在操作系统（Ubiquitous Operating System）”的概念，来表示不限于 Win

15、dows/Linux这样的传统操作系统的未来新型操作系统。可以看到，泛在操作系统的命名来自于操作系统随着技术发展的不断延伸与扩展，即从主机操作系统、个人（桌面）操作系统、移动终端操作系统、物联终端操作系统的不断泛化, 未来网络化的泛在操作系统所管理的终端包括主机、PC端、移动终端、物联终端，不同发展阶段有各自的侧重点。随着“人机物”的融合发展，目前泛在操作系统发展重点是物联终端的接入与管控，以及用以支撑包括物联终端的各类网络应用开发运行支撑平台。主机PC+ 网络移动终端+网络物联终端+网络图2.2-1 操作系统的延伸与扩展泛在应用AppAppAppAppAppApp网络OS节点OS面向人的操作

16、系统面向物的操作系统服务器PC平板面向机的操作系统手机其他泛在“人机物 ”异构资源抽象泛在应用开发编程接口（ APIs）泛在应用开发框架与运行时管理泛在操作系统的概念指的就是在人机物融合的泛在计算模式下支持泛在应用开发和运行的操作系统平台。如上图2.2-1所示，UOS提供了管理硬件（物理设备+物体+计算设备）和软件的抽象与资源虚拟化机制，以及应用的编程和运行时支撑环境，一种典型架构是在现有节点OS上构造网络层OS，提供泛在应用的开发和运行支撑。LinuxWindowsiOSAndroid图2.2-2 一种UOS概念架构的典型实现泛在操作系统是传统操作系统概念的进一步扩展与泛化，不再把操作系统的

17、概念局限于像 Linux和Windows这样的单机操作系统。因此，泛在操作系统的形式更加灵活、多样，更多的强调操作系统的“操作”和管理的功能本质，支持灵活多样的资源虚拟化机制与异构资源管理功能，侧重于新型应用模式下的应用开发与管理支撑。另一方面，泛在操作系统也秉承泛在计算（Ubiqui- tous Computing）的基本思想，提倡多样化的操作系统实现机制与形态，为操作系统相关技术的研究提供了一条新的思路。泛在操作系统的内涵与外延随着移动互联网和物联网的迅速发展，计算模式和软件应用都在逐步演化为更加复杂和动态的形式。人机物融合泛在计算模式的新特征对新型操作系统带来的挑战是全方位的：既需要面临

18、 “云-管-边-端-物”乃至“人”的海量异构资源尤其是各种泛在化的“端”资源的有效管理，也需要进行各种多样化的新型应用的共性凝练，还需要支持和适应场景动态多变的复杂泛在计算环境，应对开放环境带来的安全可信挑战。因此，有必要对面向泛在计算场景的新型操作系统进行整体性和系统性的认识，尝试为其建立新的理论、技术和应用体系，推动计算模型、体系结构、应用构造、可信保障等方面的创新发展。从操作系统发展的主线来看，即单机操作系统发展视角，泛在操作系统向下需管理泛在化计算资源，向上需支持泛在应用开发运行，具有泛在感知、泛在互联、轻量计算、轻量认知、反馈控制、自然交互等新特征的新形态操作系统；其发展重点将是支持

19、低功耗CPU的轻量、实时、可靠内核，以及“感、联、知、控”的共性框架凝练。从操作系统发展的辅线来看，即操作系统网络化发展视角，泛在操作系统也可被“广义”地用于指代基于单机操作系统（节点操作系统）、支撑网络环境与场景的应用开发和运行的新型系统软件；其遵循的是操作系统的“操作”和“管理”功能本质，支持灵活多样的资源虚拟化与异构性桥接能力，支持新型计算模式下的应用开发与运行支撑。泛在操作系统支持新型泛在计算资源的管理和调度，以及泛在应用的开发运行。由于泛在计算场景的领域行业特定性、泛在计算资源的广谱多样性和极端特异性，泛在操作系统的领域性和专用性将会比较突出，不会有“大一统”的通用、普适的泛在操作系

20、统，有必要面向不同的应用模式和场景，“case by case”地构建面向不同领域不同需求的泛在操作系统。泛在操作系统的发展驱动力及价值操作系统的主要发展驱动力首先是适应计算机硬件的迅速发展的趋势，高效地管理硬件资源并充分发挥硬件资源所提供的计算能力；其次是面向新的应用需求和用户需求，凝练应用领域共性，提供便利、易用的人机交互和应用支撑。为此，操作系统不断演化与更替。分析操作系统操作系统发展的重要事件及其时间节点，可以发现其中存在“20年周期律”的重大变迁规律，即每20年出现一次跨越式发展机遇，诞生新一代操作系统。即，20 世纪 6080 年代的主机计算时代，如 IBM OS/360、DEC

21、VMS和UNIX；20世纪80年代2000年的个人计算时代，如微软Windows和开源Linux；20002020年移动计算时代，如谷歌Android和苹果iOS。这些在各个阶段出现的具有代表性操作系统，构建了各自领域的操作系统生态。可以看到，“20年周期律”是源于计算机产业发展的“贝尔定律”，虽然操作系统的新、旧生态并存，但是新生态的操作系统相比旧生态的在装机数量和用户规模上是12个数量级的扩张。目前，随着人机物融合泛在计算的新模式和新场景的涌现，对操作系统带来了新的挑战，即面向“物”，海量的、更为轻量级的各类计算、传感设备带来系列管理调度新挑战；面向“人”，“人在回路”导致不确定的复杂交互

22、和动态按需定制；面向“网”，物联场景带来低延迟更可靠的刚需；面向“应用”，动态多样性带来新的共性凝练需求等，这些均是现有操作系统尚不具备的能力。软件定义一切、万物均需互联、一切皆可编程、人机物自然交互将是其基本特征。从“20年周期律”的视角，千亿规模的各类泛在物联终端和新型的泛在计算模式的出现，意味着操作系统进入新的20年发展周期的条件已然具备，新的蓝海已然出现。新型计算模式及激增的新型计算设备共同催生了新型应用，带来新的蓝海和巨大创新空间，间次推动操作系统的升级换代和新型操作系统的诞生，进而形成新的操作系统生态。我国发展泛在操作系统拥有良好的条件和机遇。当前，我国正在大力发展数字经济，推动数

23、字技术和实体经济深度融合，以智能制造、智慧农业、智慧城市、数字社会等代表的重要领域带来了众多新的泛在计算应用场景，为泛在操作系统依托相应的产业和场景快速发展、验证、推广创造了极好的机会。与此同时，泛在操作系统的发展对于我国数字产业发展和各行各业数字化转型也具有重要价值。泛在操作系统是重要的技术创新领域“十四五”软件和信息技术服务业发展规划中提出，“大力支持开展软件定义及泛在操作系统平台相关理论和技术研究，加强政产学研用对接，构建软件定义核心技术体系”，因此，积极开展泛在操作系统的研发创新和应用实践，对于我国在此领域建立先发优势具有重要意义。泛在操作系统有利于促进信息化系统的重构和升级国家“十四

24、五”规划纲要指出，“要推动政务信息化共建共用”，并具体提出了“集约”、“快速迭代”、“快速部署”、“弹性扩展”等要求。除了政务信息化，在企业信息化多年的发展中，也存在信息孤岛、重复投资、集成复杂等共性问题。泛在操作系统可改变传统烟囱式建设、运维和管理模式，对设备、数据、应用、算法等进行解耦，面向人机物融合的新环境，提供标准化、一体化的泛在资源接入和构件化、场景化的泛在应用构建支持，帮助各行各业开展更低成本、更高效率、更易互通的数字化转型。泛在操作系统有利于加快开放共荣的生态建设不同应用场景的泛在操作系统可将相应领域的通用业务功能沉淀成一系列可复用构件，并提供低代码或无代码的开发环境，使得行业内

25、相关企业、政府、个人、科研院所、高校等多类主体均有机会参与新应用场景开发，共同打造可复用的构件生态，推动构建开放的开发技术联盟，形成共建共荣的产业生态。可以实现云原生应用的个性化快敏捷搭建和迭代。泛在操作系统的研究思想及理论方法面向人机物融合泛在计算的新模式、新场景与新需求，软件定义的思想及其理论方法是泛在操作系统研发的主导思想及重要理论。“软件定义（Software-Dened）”已成为当今计算机领域最热门的术语之一，从“软件定义的网络”、“软件定义的存储”、“软件定义的数据中心”，到“软件定义的基础设施”、“软件定义的环境”、以及“软件定义的安全”，以至于人们使用“软件定义的一切（SDX）

26、”来指代各种“软件定义”。图2.5-1：各种不同的软件定义模式软件定义的网络（Software Dened Network，SDN）大致可算是“软件定义”热潮的肇始，对其可追溯到2008年美国斯坦福大学承担的美国自然基金重大项目“可编程开放移动互联网（Programmable Open Mobile Internet）”，目的是为移动互联网提供一种新型的网络架构。该项目的最重要产出是一套原型系统OpenFlow，其基本思想是将网络设备（如路由器、交换机等）的管理控制功能从硬件中分离出来，形成单独的一个完全由软件形成的控制层，该软件层抽象了底层网络设备的具体细节，为上层应用提供了统一的管理视图和

27、编程接口，从而支持用户通过软件来定义逻辑上的网络拓扑，满足上层应用对网络资源的不同需求，而无需关心底层网络的物理拓扑结构，实现灵活的网络控制。SDN和OpenFlow尽管在下一代互联网的研究中影响较大，但直到2012年前后，以IaaS（Infrastructure as a Service）为代表的云计算采用SDN实现数据中心网络的灵活管理后，SDN才开始大规模应用，成为学术界和产业界的关注热点。“软件定义”的概念也开始在云计算的大背景下迅速向存储、数据中心、运行环境等延伸。分析探究目前各种“软件定义”的技术方案，核心思想都是将传统的“一体式（monolithic）”硬件设施分解为“基础硬件及

28、其虚拟化管控软件”两部分：基础硬件提供标准化的基本功能，进而在其上新增一个软件层替换“一体式”硬件中实现管控的“硬”逻辑，为用户提供更开放、灵活、智能的系统管控服务。采用这种技术思路的直接动因，主要源自互联网环境下新型应用迫切需要共享各种硬件资源：以云计算为代表的新型互联网应用要求硬件基础设施能够以服务的方式灵活提供计算资源，而目前的主机管理、存储管理、网络管理在很大程度上是与应用业务脱离的，几乎都是手工管理、静态配置、甚少变动、分割运行，难以满足上层应用对计算资源个性定制、灵活调度、开放共享的需求；而要满足上述需求，就必须改变目前应用软件开发和网络化资源管理各自分离的情况，使得各种硬件资源能

29、够根据应用需求自动管理、动态配置，因此，“软件定义”就成为一种自然、也是必然的选择，这也符合计算系统发展的历史规律。计算系统由硬件和系统软件组成，二者互相协作为用户提供计算服务，支持应用软件的运行。硬件提供基本的计算资源，传统上指计算机的主要部件，包括中央处理器、存储器、外部设备等；随着网络的出现和快速发展，硬件资源开始不局限于单台计算机，可以是一台或多台通过网络连接的、规模更大的分布式计算系统。在硬件之上，系统软件（包括操作系统和编译器、中间件等）负责管理协调硬件资源，并将硬件资源抽象为一个软件实现的“虚拟机”，为用户提供编程接口和访问界面，支持应用软件正确、高效的运行。回顾计算系统的发展历

30、程，从单机计算系统、网络计算系统到今天的互联网计算系统，可以发现，伴随着硬件能力的不断提升和应用需求的复杂多变，硬件的管理配置功能越来越多转而由软件、尤其是系统软件来提供，只有通过软件进行管理调度，硬件的功能和性能才能在具体应用中得以充分发挥。软件实现的“虚拟机”在功能上和硬件机器等价，不仅能够提供更为方便易用的用户界面和开发支撑，同时还具有硬件机器所缺乏的灵活性，可满足不同应用程序对资源的不同需求，这本质上正是“软件定义”的体现。将硬件资源抽象为虚拟资源，然后由系统软件对虚拟资源进行管理和调度其他资源网络资源存储资源计算资源基础资源虚拟化在硬件资源虚拟化的基础上，用户可编写应用程序，访问资源

31、所提供的服务，进而改变资源的行为，满足应用对资源的多样需求API管理功能可编程图2.5-2：软件定义的技术本质“软件定义”的核心技术途径是硬件资源虚拟化和管理功能可编程，如图2.3-2所示。所谓硬件资源虚拟化，是将硬件资源抽象为虚拟资源，然后由系统软件对虚拟资源进行管理和调度。常见的如操作系统中虚拟内存对物理内存的虚拟、伪终端对终端的虚拟、Socket对网络接口的虚拟、逻辑卷对物理存储设备的虚拟等等。硬件资源虚拟化带来了如下好处：支持物理资源的共享，提高了资源利用率；屏蔽了不同硬件的复杂细节，简化了对资源的管理和调度；通过系统调用接口对上层应用提供统一的服务，方便进行程序设计；应用软件和物理资

32、源在逻辑上分离，各自可分别进行独立的演化和扩展并保持整个系统的稳定。管理功能可编程，则是应用对通用计算系统的核心需求。主要表现在访问资源所提供的服务、以及改变资源的配置和行为两个方面。在硬件资源虚拟化的基础上，用户可编写应用程序，通过系统调用接口，访问资源所提供的服务，更重要的是能够灵活管理和调度资源，改变资源的行为，以满足应用对资源的多样需求。所有的硬件资源在功能上都应该是可以编程的，如此，软件系统才可以对其实施管控，一方面发挥硬件资源的最佳性能，另一方面满足不同应用程序对硬件的不同需求。从程序设计的角度，管理功能可编程意味着计算系统的行为可以通过软件进行定义，成为所谓的“软件定义的系统”。

33、作为计算系统中最为重要的系统软件，操作系统一方面直接管理各种计算资源，另一方面作为 “虚拟机”为应用程序提供运行环境，在此意义上，操作系统体现了“软件定义的系统”技术的集大成。当前出现的所谓软件定义的网络、软件定义的存储等技术，如同设备互联技术、磁盘存储技术之于单机操作系统一样，本质上正反映了“网络化操作系统”对网络化、分布式设备的管理技术诉求，也将成为“网络化操作系统”核心的底层支撑技术，并在操作系统的整体协调下，发挥最佳的功效。同样，未来互联网范围的操作系统，也仍然会通过各种“软件定义”途径，有效管理互联网范围的计算资源。因此，回顾操作系统的发展，有助于从软件的视角更深入地理解“软件定义”

34、的本质。近年来随着网络的迅速发展和不断延伸，以互联网为主干，融合其他多种异构网络（包括电信网、广电网、传感网）的复杂网络计算环境正在形成。相较于传统单机计算环境下的操作系统而言，运行于复杂网络计算环境下的互联网操作系统的主要功能面临若干挑战，需要在现有单机系统和中间件的基础上，实现若干新的特点，包括结构化（不再一次加载软件的全部功能，而是按需使用部分功能）、服务化（ 用户在不拥有软件代码的前提下，随时随地访问和使用软件所提供的功能，“只求使用，不求拥有”）、可伸缩（统一管理虚拟化的计算和存储资源，根据用户需求弹性、透明地调度和分配）和可定制（支持对共性资源的个性化定制，以更加灵活地构建面向公众

35、、部门、行业、家庭或个人的网络操作系统），为了支持上述特点，需要通过软件手段对互联网操作系统的能力进行扩展、提升甚至重新定义。泛在操作系统的理念既涵盖了当前人机物融合操作系统发展的雏形和趋势，比如，物联网节点和边缘的操作系统（例如Tencent OS Tiny、Tencent OS Edge、Contiki、Google Brillo等），智能手机操作系统（Android和iOS）等，也涵盖了新应用模式下典型的面向领域的操作系统，比如，云操作系统（腾讯Orca、Amazon AWS、Google Cloud、Microsoft Azure、OpenStack、 AliCloud等）、机器人操作

36、系统（ROS）、基于浏览器的Web操作系统（Google Chromium、 Facebook OS等）等。这些都是面向人机物融合的泛在操作系统将走向主流的标志。另一方面，泛在操作系统建立在“软件定义”的理念上，也通过软件定义这种特有的技术手段，达到管理泛在资源并支撑人机物融合应用的目的。目前，以软件定义网络为代表的“软件定义”，在很多领域都得到蓬勃发展，例如软件定义网络、软件定义存储、软件定义卫星、软件定义雷达、软件定义的自动驾驶等等。这些软件定义技术的背后，蕴藏了人机物融合操作系统发展的重大机遇。泛在操作系统的体系框架15泛在操作系统的研究现状虽然泛在操作系统的概念是在2018年才正式提出

37、的，但是与泛在操作系统相关的研究工作已经有多年的发展历史。建立在传统操作系统之上，面向新型泛在计算应用模式的操作系统可以体现为多种不同的形式，典型的例子包括：家庭操作系统：Microsoft公司曾经提出家庭操作系统HomeOS的概念，为家庭智能应用的用户和开发者提供了类似于PC的技术抽象，包括网络设备抽象接口、跨设备的任务接口，以及专为家庭环境设计的管理界面。HomeOS提供了与特定设备及其功能无关的家庭操作系统内核，用户和应用程序可以通过集中式操作系统查找、访问和管理智能设备。HomeOS为应用程序开发者提供独立于设备底层信息的高级API，将设备抽象化并提供统一的管理原语和接口，方便家庭智能

38、设备应用的开发和用户管理使用。家庭操作系统扩大了传统操作系统设备的范畴，并提供了面向智能设备的抽象和管理方法。HomeOS还提供了面向家庭的应用程序商店，拥有数十个家庭管理应用，并在多个真实家庭环境中进行了长时间试用。机器人操作系统：斯坦福大学最早研发的Robot Operating System（ROS）是一个面向机器人编程的操作系统。虽然ROS出现较早，但是在近年来逐渐成为了面向机器人系统的一个主流操作系统，也出现了针对ROS的很多研究工作。ROS实际上是一个元级操作系统，它与传统操作系统提供的服务类似，会提供硬件抽象、低级别的设备控制、执行常用的功能函数、消息传递、包管理等服务。但是，R

39、OS运行在传统操作系统上，而非传统底层硬件上，同时它所提供的硬件抽象、设备控制和服务的主要对象是机器人而不是传统硬件设备。有别于传统操作系统基于硬件一致性缓存的通信，ROS的通信方式主要基于网络实现的，例如基于服务的同步远程过程调用（RPC）通信，基于Topic的异步数据流通信，还有参数服务器上的数据存储。同时ROS提供了跨平台编写代码的工具和库，能够简化不同平台下机器人的开发过程。智慧城市操作系统：英国公司Living Plan IT最早提出一种“智慧城市”操作系统Urban OS。该操作系统提供把包括水、电、交通等服务连接在一起的统一城市平台。与传统操作系统相比，这种城市操作系统更注重系统

40、的鲁棒性，因为在该系统上会运行许多生死攸关的服务。该公司同时计划通过嵌入成千上万的传感器作为监控设备，为一个新建设的办公街区建立智能照明和供热系统。维也纳理工大学的研究人员也提出智慧城市操作系统（Smart City Operating System），用来构建基于云计算的智慧城市应用生态系统，无缝连接所涉及到的不同利益相关者，支持智慧城市应用的高效构建、部署和运行。传感器网络操作系统：TinyOS是加州伯克利大学提出的面向无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）的操作系统，由于它结构简单、所需内存非常小，可以运行在能力受限的无线传感器网络节点之上，在早期得到

41、了较为广泛的应用。随着传感网络的广泛部署，分布式计算平台推动了对于适用于传感网络的编程范型的研究。在加州伯克利大学领导的TerraSwarm项目的支持下，研究了拥有海量的智能传感器网络环境下的计算问题。Swarm是一个基于对象的适用于传感网络的分布式系统，主要创新在于无缝的将现实时空中的物体集成到应用程序的计算环境中。在这个项目中提出了面向大规模传感网络的操作系统SwarmOS，可以为上千个传感器提供编程抽象以及系统层面的支持。同时还提出了面向ManyCore的Tessellation操作系统，用来支持实时、响应式和高吞吐量的大规模并行应用。除此而外，近几年出现的面向云计算管理的云操作系统也是

42、一种泛在操作系统，云操作系统就是用以对云所管理的计算、存储、网络资源等进行统一的管理、监控和调度，并向上提供统一的操作接口和界面，从而实现资源的最大化利用，Eucalyptus、OpenSack、CloudStack、Open-Nebula、腾讯遨驰Orca、阿里飞天云OS、国云OS等均是面向云计算的操作系统。纵观上述面向新型泛在计算应用模式的操作系统，可以发现这些操作系统均遵循一个共性的原则，即向下管理丰富资源，向上支撑各类应用，为此，我们可以凝练泛在操作系统的共性体系结构，扩展与泛化传统操作系统的概念与边界，抽象与提炼人机物融合泛在计算的共性需求与框架，进而支持具有泛在感知、广泛互联、动态

43、适配、自然交互等新特征的泛在应用开发。泛在操作系统的体系结构泛在操作系统提供了管理硬件（物理设备+物体+计算设备）和软件的抽象与资源虚拟化机制，以及应用的编程和运行时支撑环境，泛在操作系统的概念框架如图所示，主要由泛在资源抽象管理层、泛在应用开发与运行层构成。面向特定场景的应用管理功能可编程泛在操作系统泛在资源虚拟化向下管理各类泛在资源人+物异构资源泛在资源抽象存储/数据库 通信/关联计算/进程数据/信息泛在资源管理泛在资源抽象管理层开发工具集库函数编程模型APIs软件开发工具（SDKs）APPAPPAPPAPP泛在应用运行与维护泛在应用开发与运行层图3.2-1 泛在操作系统体系框架泛在资源抽

44、象管理层：泛在操作系统不仅对传统的计算、存储资源进行抽象，还对各类传感器、数据等泛在资源进行抽象，这一层的实现机制与传统操作系统的硬件抽象层或驱动层很类似，只不过可以抽象与管理更加丰富多样的资源。为了能够让用户和应用访问这些虚拟资源，该层还需提供访问这些资源的APIs。如，一个为社交开发的泛在操作系统，需要管理用户信息与用户之间的交互信息，并且还需为用户提供用户行为追踪与用户通信的功能。泛在资源经过虚拟化与抽象后，需要被有效管理，因此，抽象资源管理将提供诸如传统操作系统资源管理的功能，有效进行资源调度。泛在应用开发与运行层：泛在操作系统与传统操作系统类似，即向上提供一组APIs、编程模型、库函

45、数以及开发工具，用以支撑应用开发和运行。然而，与传统操作系统相比，泛在操作系统中的应用支撑层需要更加灵活，这是因为泛在应用不仅包括传统运行在节点上的应用程序，也包括运行在像云计算平台这样的网络层上的应用，同时也可以包括面向智慧城市这样的更高层场景的应用。因此，在泛在应用开发与运行支撑方面，还需要考虑应用本身的结构设计、面向场景的统一应用开发接口、应用快速开发支持（例如低代码或零代码开发等）、泛在应用高效运行等关键技术。软件定义是泛在操作系统构造的方法学，“软件定义”的核心技术途径是硬件资源虚拟化和管理功能可编程。泛在操作系统向下对各类泛在资源进行虚拟化，管理与协调各类资源，向上则是提供泛在应用

46、的开发与运行环境，提供各类泛在应用的开发运维一体化环境。泛在操作系统的分类及关系从使用环境角度，泛在操作系统分为基础平台类操作系统和应用场景类操作系统，其中，基础平台类从IT视角构建通用的资源抽象管理和应用开发运行支撑能力，应用于个人计算机、手机、服务器、物联网设备、云等电子类产品及IT基础设施；应用场景类操作系统在基础平台类操作系统的支持下，面向智慧城市、智慧交通、智慧建筑、机器人、智能家居等特定应用场景的“人机物”融合需求和复杂系统，提供具有相应场景特色的统一计算资源抽象管理和应用开发运行支撑能力。当前，“数实融合”正在系统化、多方位发展，新应用新需求将持续涌现，泛在操作系统作为核心支撑软

47、件也将持续进化和发展。未来更多数实融合场景应用场景类OS智慧城市OS机器人OS智慧交通OS智能家居OS智慧建筑OS基础平台类OS桌面OS 服务器OS移动智能终端OS 嵌入式及物联网OS云OS图3.3-1：泛在操作系统的分类不同泛在操作系统之间存在一定的交互与协同关系，例如在云计算的环境下，服务器操作系统既可以作为单独云服务器的中枢，又可以作为基于服务器集群的云操作系统的重要组成部分；在智慧城市或智慧交通场景中，移动终端操作系统、嵌入式及物联网操作系统可作为不同数据采集终端的核心系统软件，与智慧城市操作系统或智慧交通操作系统等应用场景类操作系统进行交互和协同，共同支撑智慧化应用的构建和运行。此外

48、，从操作系统网络化发展的角度，泛在操作系统也可被“广义”地用于指代基于单机操作系统（节点操作系统）、面向网络环境与场景的网络层操作系统，或者是“节点操作系统+网络操作系统”的组合形式。这与上述应用视角的泛在操作系统分类呈现正交关系，无论从哪个维度划分，面对人机物融合泛在计算新蓝海，泛在操作系统已进入蓬勃发展期。国内外相关产品和实践20本章介绍国内外学术界、产业界对于泛在操作系统的部分产品和实践，是对第3章泛在操作系统体系架构的实例化，主要分为基础平台类和应用场景类来进行介绍。基础平台类基础平台类操作系统包括桌面操作系统、移动智能终端操作系统、服务器操作系统、嵌入式及物联网操作系统、云操作系统等

49、。桌面操作系统与移动智能终端操作系统发展较为成熟，在人机物融合环境下其内核功能和应用模式未发生显著变化，本报告中仅做简要介绍；服务器操作系统、嵌入式及物联网操作系统、云操作系统则在云计算、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术发展驱动下，内核功能和应用模式得到快速发展，因此本报告中将提供较为详细的特性分析和产品案例。桌面操作系统桌面操作系统是配置于个人计算机硬件之上的第一层基础软件，对下管理个人计算机系统的全部硬件资源，对上为各类复杂应用提供运行环境。桌面操作系统的重要特征是根据人在键盘、鼠标、触摸屏等设备上发出的命令进行工作。面向特定场景的应用管理功能可编程桌面 操作系统泛在资源虚拟化向下

50、管理各类泛在资源硬盘鼠标CPU键盘显卡显示器硬件资源虚拟化的硬件资源控制与管理硬盘、鼠标、CPU等硬件资源抽象和虚拟化泛在资源抽象管理层图形用户界面运行与维护进程管理、线程调度等基础操作系统服务泛在应用开发与运行层工业软件娱乐软件办公软件应用软件图4.1-1 桌面操作系统定位桌面操作系统主要包括三类：DOS操作系统、Unix和类Unix操作系统，Windows操作系统。随着多年的发展，桌面操作系统已广泛应用于个人台式机、笔记本、一体机等终端产品，并拓展了对云计算支持的能力。样例产品：DOS操作系统、Windows、MacOS、统信UOS、中标麒麟常用的桌面操作系统包括：DOS操作系统、Wind

51、ows、MacOS、Ubuntu、统信UOS、中标麒麟等。 DOS操作系统DOS是英文Disk Operation System的简称，中文为磁盘操作系统，自1981年推出1.0版发展至今已升级到6.22版，DOS的界面用字符命令方式操作，只能运行单个任务。 Windows操作系统微软于1985年发布了Windows操作系统，提供了多任务的图形用户界面，之后增加了网络互联、数字媒体、娱乐构件、硬件即插即用、系统还原等方面功能，经过多年的发展完善，Windows操作系统相对比较成熟稳定，是当前应用广泛的桌面操作系统。 MacOS苹果公司于1984年发布了MacOS，是一款典型的基于Unix的类U

52、nix操作系统，也是Mac个人计算机等产品的主操作系统，其特征是采用“面向对象操作系统”的图形用户界面操作系统，支持用户之间共享数据。多年来，MacOS历经了多次更新升级，目前也是应用较为广泛的操作系统之一。 统信UOS统信UOS是由中国电子集团、深度科技公司、南京诚迈科技等发起的项目，全称为统一操作系统（Unity Operating System），是一款以Linux内核为基础的中文国产操作系统。分为家庭版、专业版、社区版，兼容中国国产主流处理器架构，适配办公、社交、影音娱乐、开发工具、图像处理等类别的主流应用。 中标麒麟中标麒麟桌面操作系统是一款面向桌面应用的图形化桌面操作系统，也是以L

53、inux内核为基础的中文国产操作系统。中标麒麟桌面操作系统针对X86及龙芯、申威、众志等国产CPU平台，完成了硬件适配、软件移植、功能定制和性能优化，可以运行在台式机、笔记本、一体机、车载机等不同产品形态之上，支撑着多个领域的应用。移动智能终端操作系统移动智能终端操作系统包括智能手机、手表等个人用户使用的电子产品类操作系统。以智能手机为例，智能手机操作系统是在嵌入式操作系统基础之上发展而来的专为手机设计的操作系统，除了具备嵌入式操作系统的功能（如进程管理、文件系统、网络协议栈等）外，还需有针对电池供电系统的电源管理部分、与用户交互的输入/输出部分、对上层应用提供调用接口的嵌入式图形用户界面服务

54、、针对多媒体应用提供底层编解码服务、Java运行环境、针对移动通信服务的无线通信核心功能及智能手机的上层应用等。泛在资源抽象管理层虚拟化的硬件资源控制与管理CPU、内存、GPU 等硬件资源抽象和虚拟化面向特定场景的应用管理功能可编程泛在应用开发与运行层系统库及基础操作系统服务移动智能终端操作系统泛在资源虚拟化向下管理各类泛在资源组件化的应用程序开发和运行支撑硬件资源CPU内存GPU屏幕摄像头电池 射频芯片 传感器金融类购物类办公类社交类出行类应用程序图4.1-2 移动智能终端操作系统定位按照源代码、内核和应用环境等的开放程度划分，智能手机操作系统可分为开放型平台（基于 Linux内核）和封闭型

55、平台（基于UNIX和Windows内核）两大类。样例产品：Symbian OS、Android OS、Windows Phone、iOS、鸿蒙OS智能手机操作系统有Symbian OS、Android OS、Windows Phone、iOS、鸿蒙OS等。 Symbian OSSymbianOS塞班系统是塞班公司为手机而设计的操作系统，由诺基亚公司拥有，广泛使用于诺基亚手机上，2013年后停止发展。它的前身是英国宝意昂公司的EPOC操作系统，2008年12月2日被诺基亚收购。 Android OSAndroid是由Google公司和开放手机联盟领导并开发的一种基于Linux的自由且开放源代码的

56、操作系统，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，主要使用于移动设备。 Windows PhoneWindows Phone(简称为WP)是微软于2010年10月21日正式发布的一款手机操作系统，初始版本命名为Windows Phone7.0。基于Windows CE内核，采用了一种称为Metro的用户界面(UI)，并将微软旗下的Xbox Live游戏、Xbox Music音乐与独特的视频体验集成至手机中。 iOSiOS（原名为iPhone OS）是苹果公司为其移动设备所开发的专有移动操作系统，为其公司的许多移动设备提供操作界面，支持设备包括iPhone、iPad和iPod touc

57、h。 鸿蒙OS华为鸿蒙系统（Huawei Harmony OS）是一款基于微内核的面向全场景的分布式操作系统，于 2019年8月9日正式发布。该系统实现模块化耦合，对应不同设备可弹性部署，可用于手机、平板等各种不同的设备，将人、设备、场景有机地联系在一起。服务器操作系统服务器操作系统一般指的是安装在大型计算机上的操作系统，比如Web服务器、应用服务器和数据库服务器等，是用于管理大型计算机各类硬件资源、控制程序运行和支持应用软件运行的系统软件。面向特定场景的应用管理功能可编程服务器 操作系统泛在资源虚拟化向下管理各类泛在资源风扇光驱CPU电源硬盘内存硬件资源虚拟化的硬件资源控制及管理硬盘、内存、

58、 CPU 等硬件资源抽象和虚拟化泛在资源抽象管理层 运行库、消息中间件、资源编排等应用运行支撑 虚拟机管理、容器引擎、图形库等应用开发支撑泛在应用开发与运行层工业软件文娱应用网站应用办公应用应用软件图4.1-3 服务器操作系统定位随着云计算迅猛发展和广泛应用，云服务器成为与物理服务器并存的两种形式。云服务器提供了简单高效、安全可靠、处理能力可弹性伸缩的计算服务，用户无需提前购买硬件，即可迅速创建或释放任意多台云服务器。服务器操作系统主要集中在三类： Unix系列：SUNSolaris，IBM-AIX，HP-UX，FreeBSD等； Linux系列：Red Hat Linux，CentOS，De

59、bian，Ubuntu等； Windows系列：Windows Server 2003，Windows Server 2008，Windows Server 2008 R2等。样例产品：腾讯云服务器操作系统TencentOS ServerTencentOS Server是腾讯自主研发的企业级Linux服务器操作系统发行版，经过全面的性能优化和近十年的功能迭代，为互联网产品和业务的应用程序提供了稳定、安全和高性能的运行环境。在支持容器和虚拟化上，TencentOS Server提供增强的资源隔离和数据安全特性支持；在整机资源分配上，提供高水平的弹性调度能力；并强力支撑各大容器/算力平台，满足业务

60、场景日益广泛的操作系统需求，在节能减排上 ，TencentOS Server提供精细能耗控制方案，在保持原有性基础上，有效降低整机电能消耗，减少碳排放。TencentOS Server自2010年启动研发，有力支撑了腾讯及上下游海量业务生态运行，如社交、游戏、金融支付、AI、安全和大数据等业务场景, 其稳定性、安全性、兼容性、性能等核心能力均已得到长时间充分验证。1、产品架构相比CentOS社区版本，TencentOS Server在稳定性、性能、容器基础设施等核心能力方面都进行了全面增强和优化，满足不同业务场景对服务器操作系统的企业级需求，是更佳的企业级操作系统解决方案。尤其针对云原生场景，