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1、,下一代物联网操作系统研究报告,技术创新，变革未来,目录 CONTENTS,物联网操作系统的时代背景 下一代物联网操作系统及案例 物联网操作系统发展展望,信息化发展已从计算机时代、互联网时代发展到物联网时代， 联网要求由“人人相连” 变为“人物交互”，物联网产业处于快速成长期,9,20世纪60年代，美国四所大学的超级计算机开始采用TCP/IP协议联机，正式拉开了互联网时代的序幕。经过60余年的发展，设备网络互连已 从大型计算机时代发展到个人计算机时代，我们现在正处于移动计算时代和万物互联时代的过渡阶段，软件及硬件设备发生了翻天覆地的变化， 联网的要求由之前的“人与人”相连转变为“人与人”及“人
2、与物”相连。近十年来，全球PC和智能手机的出货量为百万级别，而物联网的 设备连接量达到了百亿级别，物联网因其应用广泛性、用户友好性、生态完整性而具有巨大的发展潜力。,机器联网,人人相连,人物交互,代表公司 设备 连接量,大型计算机时代 时代有线互联，算力强大 特点用于科研、企事业单位,个人计算机时代 有线/无线互联 互联网开始普及,移动计算机时代 无线互联，实时连接 终端设备平民化,边缘计算机时代 万物互联，AI赋能 全场景式智能应用,IBM Apple 联想 惠普 戴尔 宏碁 2010年全球出货量峰值 3.5亿台,华为 Apple Samsung 小米 2016年全球出货量峰值 14.7亿台
3、,华为 阿里巴巴 小米 Microsoft Apple Amazon 2019年全球设备连接量 120亿台,IBM 雷明顿-兰德 数量级别为 千万台,数据来源：IDC,通讯技术实现了由1G向5G的跨越,物联网的终端设备数量呈现指数型上涨，物联网终端软件复杂度的提升势在必行。物联网开发平台也需要具备一套对软件开发者更友好 的、相对统一的操作系统，使软件开发过程从硬件开发中解耦出来。只需要基于操作系统，即可快速开发上层应用。,区别于传统操作系统，物联网在操作系统领域需要易拓展、跨平台、 低成本、强安全、稳连接的新要求,12,多终端 应具备弹性部署的能力， 可应用于不同的终端设备,低成本 应具备在微
4、小设备运行的能力，资源 耗用小，功耗小，降低硬件成本,强安全 在零碎终端上，同样拥有足够强的安 全机制，保障用户设备和数据的安全,云端能力 在底层架构设计上应该具有丰富的云 端接入功能，并且保持稳定连接,操作系统,物联网发展对操作系统提出的新需求 跨平台 应具备消弭硬件平台差异，使 软硬件开发解耦的能力 物联网,物联网产业如果按照功能进行分层，可以划分为感知层、网络层、平台层和应用层。感知层相当于物联网系统的五官和四肢，负责前端数据 的收集；网络层相当于神经纤维，用于高速传递数据和信息；平台层相当于小脑和大脑，连接管理平台确保物联网系统自主运行，而操作系 统则确保智能应用有运行的基底。广义的操
5、作系统是云端PaaS平台和端侧系统的统一和融合。从市场分额占比来看，平台层占有物联网大约 20%市场。综合技术因素和市场规模，操作系统是物联网发展的重要一环。,13,感知层,网络层,接入网、核心网、业务网,平台层,应用层,蜂窝网络,非蜂窝网络,ZigBee、LoRa、蓝牙,连接管理平台,设备管理平台,应用开发平台,操作系统及软件开发,物联网智能终端,可穿戴设备、智能家居、智能汽车,物联网系统集成,智慧楼宇、智慧城市、智能制造,物联网产业按功能进行分层,广义 操作系统,上承应用落地,系统集成商SI,应用开发商ISV,大量协议的封装和集成 简化了程序开发,API及数据服务赋能集 成商的应用落地,物
6、联网PaaS平台端侧操作系统 对不同类型处理器和模组的支持适配 下接海量终端,海量 终端设备,丰富 应用形态,广义操作系统起到承上启下的作用,广义物联网操作系统上承落地应用，下接海量终端,传感器 控制器 智能家居 消费电子,操作系统是硬件资源和软件应用之间的桥梁，对于复杂的底层硬件资源而言，软件开发者必须通过操作系统的指令和接口进行调用。 通过操作系统可实现以下几方面的功能。 尽量有效、合理地组织和管理计算机的各种软硬件资源； 合理地组织计算机的工作进程，控制程序的执行并在程序执行的过程中向程序提供各种各样的服务功能； 用各种各样的方式使得用户能够非常灵活、方便地使用计算机，采用各种各样的技术
7、使整个计算机系统能够高效率地运行。,狭义操作系统协同软硬件资源，提高终端效率,14,操作系统是软硬件资源的分配者,操作系统层,硬件资源：CPU、内存、I/O设备,软件资源：应用软件、磁盘中的信息,物理机层,虚拟机层,配置在计算硬件上的第一层软件， 对硬件系统的第一次扩充,为软件进程分配计算资源，决定 了软件及应用存在的形态,设备 管理,作业 管理,文件 管理,存储 管理,操作系统的五大管理功能 对硬件设备的管理，包括 输入输出设备的分配、启,动、完成和回收,对处理器进程的管 进程 理，将计算资源合 管理 理地分配给每个任 务,文件的逻辑组织和 物理组织、目录结 构和管理,负责人机交互、 图形界
8、面、语 音控制,对存储空间内数据 的结构和组织方式 进行管理,物联网操作系统是科技巨头的重要着力点，也是取得物联网时代 战略制高点的关键之一,17,物联网操作系统从服务连接，到服务应用，最终目的应该是服务于智能,物联网操作系统尚处于发展早期阶段，呈现出碎片化状态。目前市场中存在着不同来源的物联网操作系统：有从原有嵌入式操作系统改 进而来的，也有从通用系统裁剪而来的，还有面向物联网需要完全从零发展而来的。不同行业背景的厂商（操作系统大厂、硬件厂商、 云计算服务厂商等）从自身业务需求出发进行探索。我们判断尽管目前物联网市场中操作系统的市场占有率较为分散，但未来有可能出 现几个垄断具体业务场景或生态
9、的主导型物联网操作系统。 主流的物联网操作系统发展历史,来源：整理,四大类物联网操作系统，起源和发展方向各有不同,29,物联网操作系统尚处于发展早期阶段。整个物联网操作系统市场呈现出碎片化状态。目前市场中至少存在着四种发展来源的物联网操作 系统：嵌入式实时系统及升级版、原有通用系统裁剪定制后适应部分物联网需求，近几年来出现的专门为物联网设计的轻量级IoT OS， 以及完全从新开发的新型操作系统。不同背景的厂商从自身需求和实际业务能力出发进行探索。我们判断尽管目前物联网市场中操作系 统的市场占有率较为分散，但未来有可能出现几个垄断应用场景的物联网操作系统。 基于现有市场的四类物联网操作系统,3、
10、面向物联网的轻量级IoT OS 代表系统： RT-Thread、华为 LiteOS、 ARM mbedOS、AliOS Things、 Azure RTOS、Amazon FreeRTOS等 优点：专门为物联网开发设计，联网协议 完善，开发包齐全； 缺点：仍未解决物联网终端碎片化和割裂 的问题。,2、基于Linux、iOS、Windows等成熟操作 系统的裁剪 代表系统：uclinux、win10 IOT、 WatchOS、Android Things等 优点：软件开发工具完善，开发者基数大； 缺点：原版系统冗余严重、历史遗留问题较 多，普遍不适应低功耗场景、可扩展性低， 需要定制化。,4、下
11、一代操作系统 代表系统：谷歌Fuchsia、华为鸿蒙OS 优点：是对嵌入式系统和个人设备操作 系统的革命性进化，理念为统一型OS， 扩展性及移植性好； 缺点：开发面临的不确定性高，缺少开 发者基础和生态支持。,1、传统嵌入式系统+通信协议+其 他物联网功能模块 代表系统：SylixOS、C/OS-、 Vxworks等 优点：更偏向硬件层，硬件推广 成本低； 缺点：软件开发难度高，软硬件 耦合较严重，生态封闭。,来源：整理,各类物联网操作系统的应用场景有所差异,30,物联网操作系统按照应用场景来看，各类操作系统都有其对应的重点应用场景，而在部分场景中存在有多类操作系统可供选择的情况。 现有四类物
12、联网操作系统的应用场景（举例）,来源：整理,16,我们观察到，近年来世界范围内的科技巨头都开始在物联网领域进行重点布局，虽然各家打法各有差异，但总结来看巨头布局互联网主 要关注“云+端”模式，努力构建生态和竞争优势。在云侧，以云平台为支撑的中间件服务、数据服务和信息服务，以及在端侧，以底 层软硬件设备为基础的配套组件，将会是巨头控制物联网海量终端、丰富应用形态的两个最好切入点。 国际范围内领先的科技企业在物联网方向的布局,来源：，2020巨头企业物联网业务布局研究,全球科技巨头正在以“云+端”模式布局物联网,下一代操作系统,Next generation operating system,58
13、,完整的IoT网络需要多种类型的操作系统共同实现，物联网 终端碎片化的发展趋势催生了下一代物联网操作系统 物联网硬件的操作系统使用通常分为两类：终端设备和网关。 与网关相比，终端设备或节点的功能需求通常要小得多。因此应用于终端中 枢设备的系统和其他IoT终端设备有较大的差异，实现的功能目标也完全不同。是否有一种从设计结构上就符合物联网的多终端和碎片化需 求的IoT OS可以满足多方面需求？我们关注到谷歌Fuchsia和华为鸿蒙OS可能会实现。下面将重点介绍这两个系统。,59,一个完整的IoT网络需要多种类型的操作系统共同实现,以智能网关为代表 的终端中枢设备,movement 运动,传感器及其
14、他物联网终端设备,presence 存在,environment 环境,optical 感光,Flow 流动,voice 语音,以智能网关为代表 的终端中枢设备,以智能网关为代表 的终端中枢设备,私有云,混合云,公有云,小型IoT终端设备往往采用轻量级的IoT OS，甚至于不采用 OS而直接用裸机模式：,一般认为，在8位MCU上很少使用OS，消耗少于16KB 的RAM和Flash / ROM的系统不需要操作系统； 在资源稍高的设备上，采用OS和开发中间件将简化软硬 件开发过程，提升设备能力。,终端中枢设备往往承担起较重的任务，Linux、Win10 IoT和 Android Things大多服
15、务于此类需求： 由中枢设备进行端侧的数据整合、实时分析，并作出实时 决策，减少去往云端的数据量； 此外还要起到保护下游设备不被非法侵入的防火墙功能； 与基于云的物联网平台的可靠通信，在网络中断的情况下， 备份传输以及管理数据和设备；,谷歌：为解决Linux内核与物联网不适配的问题，Fuchsia应运 而生，分层模块化的架构更适合裁剪定制，更贴近终端需求 Android及Chrome OS带给谷歌在操作系统上的经验积累，同时也让谷歌认识到基于Linux内核的诸多局限。尽管Android为了弥补Linux 的缺陷打了厚重的中间层，但仍无法从根本上解决问题。谷歌Fuchsia项目在设计之初就瞄准了现有OS的诸多缺陷，旨在适用于从手机、PC 到智能设备的各种物联网设备。Fuchsia采用Zircon微内核，并使用Flutter作为开发框架，提供了上游硬件厂商、下游应用开发者、设备友 商、用户和安全等5方面的改进。在系统架构上，Fuchsia采用模块化和层级化的方式来化解Android的设计缺陷。,60,设想中Fuchsia如何解决现代OS痛点,厂商,黑客,用户,设备友商,安全问题 原生进程沙箱，解决 应用安全和分发问题,硬件维护问题,稳定的驱动接口，硬件厂商 上游硬件,可独立维护硬件
