单内核与嵌入式软件开发的小计算资源专业组合

菏泽炫佑科技

单内核与嵌入式软件开发的小计算资源专业组合

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过去几年，很多工业自动化产品都引入了云计算和Linux容器技术。 此外，在云执行平台上兴起的一种被称为专业组合“单核”和小型计算资源进行嵌入式软件开发的云技术，也以其独特的云“实时性”和固有的信息安全特性而著称。引起了人们的注意。 目前许多研究领域对单核技术的讨论非常活跃，风险投资也对单核产品的开发投入了大量资金。 其应用主要集中在工业互联网和工业物联网市场以及企业应用市场。

单核技术的概念

内核是操作系统中的一个重要概念。 为了让各种应用软件能够运行而不需要直接操作硬件，使用内核来抽象应用软件和硬件之间的底层硬件。 比如进程管理被抽象成一个文件，那么就可以通过这个文件系统来管理进程。 传统的内核抽象了所有硬件（例如Linux操作系统）。 这种内核称为宏内核，它包括CPU调度、进程管理、内存管理、硬盘文件系统、网络I/O、I/O例程等所有模块。

将操作系统设计为模块化库，允许用户根据需要配置定制的操作系统，单内核（ ）的概念应运而生。 因此，有些人将单个内核称为库操作系统（OS）。 这是一个服务于单一目的（*小内核功能）、使用单一语言、单一地址空间并且在计算资源*少的环境中自启动的虚拟机。 图 1 给出了基本概念。 在硬件架构中，可以设置多个单核虚拟机。 每个虚拟机由一个单一用途的操作系统（即单核）和若干个APP组成。 单一用途操作系统由操作系统库组成。 选定具体的功能模块。 从图2可以看出，与传统架构相比，单核虚拟机的操作系统是模块化定制的，同一硬件中可以存在多个不同功能的操作系统。 在传统架构中，同一个硬件只有一个功能齐全的宏内核操作系统。

图1 单核虚拟机基本概念

图2 传统架构与单核虚拟架构对比

我们可以这样理解单核技术：它本质上是为特定的应用软件配备*必要的操作系统功能，将操作系统和应用软件集成在一起，用*少的代码实现分配的计算和计算任务。 服务功能。 众所周知，云计算已成为向大型数据中心的多个租赁用户出租计算资源的先驱。 基本的使能技术是操作系统的虚拟化，例如Xen或Xen，它允许客户在物理机的共享集群上实现多个虚拟机VM。 单核技术遵循相同的理念。 单核实现的微服务需要的计算资源很少，工作量很小，因此响应速度快，不易受到外部信息攻击。 它们特别适合嵌入式系统、信息安全要求较高的设备、轻量级应用、需要高度灵活且频繁移动设备的应用场景，例如工业自动化的边缘设备和现场设备等。

单核技术的优点是显而易见的：首先，占用尽可能少的内存资源。 例如实现的DNS仅占用184KB，实现的web仅占用674KB，大大减少了对磁盘空间的需求； 其次，减少了计算工作量。 它不占用CPU处理外部代码，并且尽可能少地调度中断自动化软件开发，因此具有更快的加载时间和更低的延迟，其启动和停止都是毫秒级的； 单核还可以显着降低程序容量，用尽可能多的时间用尽可能少的代码来完成所需的处理，并尽可能根据定制化需求来设计应用程序，例如在之间构建潜在强大的防火墙不相关的组件； *后，单个内核几乎不会受到常见攻击。 攻击面大大减少。

对于网络信息安全来说，使用防火墙固然好，但防火墙可能会被外部攻击绕过或攻破。 如何快速发现网络问题并快速响应？ 用单个内核很容易解决这些问题，因为它是轻量级技术并且响应速度快。 此外，对于单个核心，可以在项目中途以很少的成本进行更改，因为它们旨在解决单个特定问题，并且更改对其他节点的影响很小。

单一内核依靠专门的编译系统在编译期间合并应用软件和操作系统支持功能，取代了在运行时合并它们的传统做法。 结果是一个单一的应用程序映像，其中包含应用程序运行所需的环境以及应用程序本身。 操作系统支持的所有驱动程序、所有I/O例程和库函数都包含在可执行代码中。 不再有数百个实用程序和不必要的驱动程序，不再有不必​​要的 I/OO 例程或未使用的库函数。 这个单一的轻量级虚拟机映像除了单个内核外没有其他软件，因此应用程序可以轻松启动和运行。

单核技术的发展路径

从单核技术发展初期，一直有两条不同的路线，但都是为了重构虚拟机，包括所有内核和用户空间代码，让虚拟机由更多的模块化组件组成。 该结构灵活、安全、可重复使用。 这两条技术路线是： 1）使用新的设计方案（Clean-slate）单内核，通常使用专门的语言，如（OCaml）和HaLVM（）； 2) 基于现有技术使用更先进的单内核可以创建以诸如 Rump 等库的形式增强现有操作系统技术的内核解决方案。

不过单内核与嵌入式软件开发的小计算资源专业组合，*近也有人认为，过去单核技术采用的两种方式并没有带来单核技术的广泛采用。 根本原因在于，这两种单核技术都无法继承在云计算领域成功应用多年的Linux。 积累了大量的APP，需要对APP进行修改或者重写。 因此，提出了一种基于Linux内核和具有社区支持的glibc（GNU C）的单内核UKL。 虽然这条技术路线尚未形成，但其发展趋势值得关注。

单核技术与容器化的结合

整体内核是一项不断发展的技术，可通过紧凑的单一用途应用程序增强现有虚拟机和容器部署。 来自剑桥大学计算机实验室的 Anil 和该公司在将单个内核与现有部署集成方面取得了巨大进展，具体来说是使用两个不同的单个内核来部署软件堆栈 LAMP，两者都使用通用的工具链，即构建、运行和集线器受到管理。 结果是一个单一内核可用于增强和逐步推进现有的 Linux 容器部署和基于 VM 的部署，同时提供各种微服务。 这样我们就不再需要中断，只需采用这些已经在使用并不断发展的技术即可。

从图3可以看出，使用Linux容器时，硬件架构上只有一个、一个内核和多个容器； 一个虚拟机是由内核和若干个容器组成（见图中红色虚线）。 这称为 Linux 共享内核。 如果我们使用单核技术进行隔离和专业化，我们在一个硬件架构上使用一个来形成多个虚拟机，每个虚拟机都有一个专用的单核和一个容器。

图3 Linux容器共享内核与单核技术专用内核

单内核已经是一种快速发展的操作系统加应用（OS-plus-）技术。 这使得使用现成的容器技术轻松实现单核的收集和操作成为可能，这意味着单核革命已经开始。 该公司收购了剑桥大学计算机实验室，旨在利用工作流程构建一个*小的、按需构建的操作系统，该操作系统的功能足以运行专门的应用程序，并且可以运行来自中央处理器上微型物联网设备中任何软件的数据。服务器。

工业自动化软件的影响与前景

开放的通信和互操作标准将推动工业自动化系统成为敏捷、灵活的生态系统。 实现这一目标的途径是加速吸收多年来快速有效发展的IT技术，特别是各种云计算技术。 结果。 当今工业自动化仍在使用的系统架构是20多年前建立的，而DCS/PLC作为工业自动化设备的主力军，在开放性、信息安全性、互操作性等方面远远落后于市场要求。 过去几年，各种IT技术向工业自动化渗透的过程以及寻求工业自动化本身突破的努力已经开始（例如OPAF积极倡导的开放式过程自动化和工业自动化的各种软件容器化），并且某些取得了进展，特别是工业互联网向制造业渗透的努力以及智能制造与工业互联网的结合正在加速； 边缘计算和分析受到了前所未有的关注。 工业边缘计算设备通过高效收集数据并在需要时提供虚拟化而占据关键地位。图4直观地表达了边缘计算在物联网/智能设备和云数据中心之间的位置

图4 工业边缘计算的关键地位

单核技术非常适合开发边缘应用的数据收集、处理和分析设备，因为它是实现单个服务组件（单元）的轻量级机制。 硬件资源要求低，易于配置和快速更换。 具有APP服务的灵活性。 HMI等远程设备可以利用单核技术和相关APP快速形成专用的、有针对性的数据采集、分析和展示。 开发方便，工厂内的开发和测试活动无论主机在哪里都可以在虚拟机环境中进行，因此对现场部署的实际硬件设备要求不高。

上述特性对于OEM厂商和系统集成商来说具有重要意义。 使用单核技术可以加速集成进度，将开发配置转换为生产系统的瘦客户端方便快捷，特别是与多服务器和PC解决方案的配置相比； 单核大大简化了系统维护。 集中控制的虚拟机的维护远比分布式资产的维护容易，尤其是在升级软件和打信息安全补丁时； 基于单核形成瘦客户端架构，系统具有良好的可扩展性，受益于集中标准化和良好的复用性； 此外，通过构建和部署基于单核的设备，可以为实现一致性、可靠性和可重复性的*佳实践奠定坚实的基础。 图 5 是使用虚拟操作系统的瘦客户端架构方案，该操作系统可以通过特定于任务的虚拟化和移动软件轻松实现。

图 5 使用虚拟机和移动软件的瘦客户端架构

结论

单核对于云、边缘、LAN、底层信息安全服务和底层数据分析计算的设计者很有用。 可用于实现轻量级服务或对信息安全敏感的服务，实现信息安全或快速部署。 在那些开发成本相对于单核过高的情况下，单核的优势就很明显，因为它可以显着节省成本，显着提高开发效率，显着提高信息安全性。 单核应用到云计算除了敏捷、灵活、响应快之外，还有一大优势：规模可以很大，而且规模还可以根据需要量身定做。

由于工业自动化对可靠性、可用性、安全性和功能性有具体严格的要求，因此在引入单核技术时，尤其是工业应用，需要采取积极主动的态度，同时进行谨慎、严格的实验和测试。 现场检查和认证必不可少。

关于作者

彭宇：1960年毕业于清华大学动力工程系。上海工业自动化仪表研究所教授级高级工程师，PLC open China组织名誉主席，中国智能制造综合标准化工作组专家，中国智能制造综合标准化工作组专家。工业和信息化部智能制造标准化体系建设工作组、中国科技自动化联盟首席专家顾问。 长期从事工业过程控制系统的研究与开发。 自1996年起，研究领域集中于PC控制、现场总线、工业以太网、MES、现场设备无线通信等； 近年来主要研究智能制造相关自动化技术。 由于他对我国工程技术发展的特殊贡献，1993年获国务院特殊津贴。

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