實(shí)時(shí)Linux：解鎖高效能和可靠性的關(guān)鍵

在一個(gè)日益數(shù)字化和互聯(lián)的世界中，實(shí)時(shí)Linux作為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，正在推動(dòng)行業(yè)的快速發(fā)展。這種特殊類型的操作系統(tǒng)能夠保證即時(shí)的計(jì)算反應(yīng)，對(duì)于那些對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

行業(yè)趨勢(shì)

增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求：隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能交通系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的崛起，對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的需求正在迅速增長(zhǎng)。企業(yè)正尋求更可靠、響應(yīng)更快的系統(tǒng)來(lái)支持他們的關(guān)鍵業(yè)務(wù)操作。

開(kāi)源的興起：開(kāi)源實(shí)時(shí)Linux由于其成本效益、靈活性和強(qiáng)大的社區(qū)支持而變得越來(lái)越流行。這種趨勢(shì)鼓勵(lì)了創(chuàng)新和快速發(fā)展，同時(shí)降低了技術(shù)的門檻。

在近期的一個(gè)調(diào)研報(bào)告[1]指出：云計(jì)算和容器的日益普及正在為 Linux 操作系統(tǒng)市場(chǎng)帶來(lái)巨大的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。Linux 是一種開(kāi)源操作系統(tǒng)，由于其靈活性、安全性和成本效益，已成為云基礎(chǔ)設(shè)施和容器化的首選。Amazon Web Services (AWS) 和 Google Cloud Platform (GCP) 等主要云提供商的虛擬機(jī)和服務(wù)器實(shí)例嚴(yán)重依賴 Linux，因?yàn)?Linux 的開(kāi)源性質(zhì)與云平臺(tái)的可擴(kuò)展性和定制化原則非常契合。

實(shí)時(shí)Linux結(jié)合容器技術(shù)，提供了高度靈活和可擴(kuò)展的解決方案，特別適合于需要快速響應(yīng)和高可靠性的應(yīng)用場(chǎng)景。實(shí)時(shí)Linux能夠保證關(guān)鍵任務(wù)及時(shí)執(zhí)行，而容器技術(shù)則為應(yīng)用提供了輕量級(jí)、隔離的運(yùn)行環(huán)境。這種組合使得部署和管理復(fù)雜的實(shí)時(shí)應(yīng)用變得更加高效，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的整體性能和安全性。因此，實(shí)時(shí)Linux和容器技術(shù)的結(jié)合在工業(yè)自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

此外，汽車、電信等行業(yè)的市場(chǎng)參與者正在采取各種策略來(lái)增強(qiáng)市場(chǎng)服務(wù)并提高客戶滿意度。例如，2023 年 2 月，Elektrobit 和 Canonical 聯(lián)合開(kāi)發(fā)了基于 Ubuntu 的 EB corbos Linux，這是業(yè)界首次將最大的開(kāi)源 Linux 社區(qū)引入汽車軟件。這一新解決方案為 OEM 和一級(jí)供應(yīng)商提供了開(kāi)源操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和靈活性，用于開(kāi)發(fā)軟件定義車輛中的電子控制單元 (ECU)。它將 Canonical 提供的 Ubuntu 集成到滿足汽車行業(yè)特定需求的解決方案中。此外，戴爾科技集團(tuán)將于 2022 年 9 月推出與 Wind River 聯(lián)合設(shè)計(jì)的新電信云基礎(chǔ)設(shè)施解決方案，以幫助通信服務(wù)提供商降低復(fù)雜性并加速其云原生網(wǎng)絡(luò)部署。為了進(jìn)一步支持這些解決方案，戴爾的電信合作伙伴認(rèn)證計(jì)劃簡(jiǎn)化了技術(shù)合作伙伴在快速發(fā)展的開(kāi)放技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)中驗(yàn)證和集成其產(chǎn)品的流程。

技術(shù)趨勢(shì)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，Linux操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)領(lǐng)域的發(fā)展日益受到重視。特別是在高性能計(jì)算、工業(yè)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，對(duì)實(shí)時(shí)性能的需求日益增長(zhǎng)。下面是關(guān)于實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)最新技術(shù)趨勢(shì)的分析，這些趨勢(shì)反映了Linux內(nèi)核在提高性能、增強(qiáng)功能和優(yōu)化資源管理方面的最新進(jìn)展。

例如應(yīng)用以及功能的合入和加強(qiáng)：實(shí)時(shí)Linux的核心補(bǔ)丁正在逐步合并到主線Linux內(nèi)核中。這一進(jìn)展意味著實(shí)時(shí)功能將更加普及，且易于訪問(wèn)。為了提高靈活性和效率，實(shí)時(shí)Linux正在集成更多的虛擬化和容器技術(shù)。這使得在同一硬件上運(yùn)行多個(gè)隔離的實(shí)時(shí)應(yīng)用成為可能。實(shí)時(shí)Linux對(duì)AI和機(jī)器學(xué)習(xí)的支持，以提供更智能、自適應(yīng)的系統(tǒng)性能。

又如操作系統(tǒng)調(diào)度策略的引入：引入基于eBPF的sched_ext調(diào)度類擴(kuò)展: eBPF（Extended Berkeley Packet Filter）是一個(gè)強(qiáng)大的內(nèi)核功能，允許用戶在內(nèi)核中運(yùn)行預(yù)定義的程序，而無(wú)需更改內(nèi)核代碼或重新啟動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)eBPF擴(kuò)展調(diào)度器（sched_ext），Linux內(nèi)核能夠提供更靈活的調(diào)度決策，優(yōu)化實(shí)時(shí)性能和響應(yīng)時(shí)間。引入EEVDF調(diào)度，EEVDF（Earliest Eligible Virtual Deadline First）是一種調(diào)度算法，它可以優(yōu)化任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間和截止時(shí)間遵守，適用于高要求的實(shí)時(shí)環(huán)境。引入延后用戶空間臨界區(qū)內(nèi)的搶占: 在用戶空間代碼的關(guān)鍵部分延遲或防止搶占可以減少上下文切換，提高實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)性和可預(yù)測(cè)性。用代理執(zhí)行解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題: 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)中一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，其中低優(yōu)先級(jí)任務(wù)阻塞高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行。使用代理執(zhí)行模式可以解決這一問(wèn)題，確保高優(yōu)先級(jí)任務(wù)得到及時(shí)處理。

再如創(chuàng)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：per-VMA lock: VMA（Virtual Memory Area）鎖是內(nèi)存管理的一部分。針對(duì)每個(gè)VMA實(shí)現(xiàn)鎖可以減少鎖的粒度，從而降低爭(zhēng)用并提高多線程應(yīng)用的性能。NUMA系統(tǒng)上kernel代碼段復(fù)制: 在NUMA（非統(tǒng)一內(nèi)存訪問(wèn)）系統(tǒng)上，復(fù)制內(nèi)核代碼段可以減少跨節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存訪問(wèn)，降低延遲，提高性能。這對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)尤其重要，因?yàn)樗鼈冃枰焖偾乙恢碌捻憫?yīng)時(shí)間。 Large folios/動(dòng)態(tài)大頁(yè): 大頁(yè)技術(shù)通過(guò)減少頁(yè)表項(xiàng)數(shù)量來(lái)減少TLB（Translation Lookaside Buffer）缺失，從而提高內(nèi)存訪問(wèn)效率。動(dòng)態(tài)大頁(yè)或large folios能夠更好地適應(yīng)應(yīng)用程序的內(nèi)存使用模式，進(jìn)一步優(yōu)化性能。文件系統(tǒng)large block支持: 支持大塊的文件系統(tǒng)可以提高處理大文件時(shí)的效率，減少IO延遲，這對(duì)于需要高速數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要優(yōu)化。

再如創(chuàng)新的用戶態(tài)/內(nèi)核態(tài)交互方式：引入 BPF通用迭代器。 通用迭代器是eBPF的一個(gè)功能，允許用戶以安全的方式訪問(wèn)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有助于性能監(jiān)控和問(wèn)題診斷，對(duì)于保持實(shí)時(shí)系統(tǒng)的高性能運(yùn)行至關(guān)重要。

這些技術(shù)的共同目標(biāo)是提高Linux系統(tǒng)的性能、可靠性和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，特別是在對(duì)延遲敏感的應(yīng)用領(lǐng)域，如嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制、高頻交易等。隨著這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，我們可以預(yù)見(jiàn)Linux系統(tǒng)在實(shí)時(shí)領(lǐng)域的表現(xiàn)將不斷提升。

行業(yè)應(yīng)用
工業(yè)自動(dòng)化

實(shí)時(shí)Linux在制造業(yè)中扮演著核心角色，特別是在那些要求精確時(shí)間控制的應(yīng)用中，如機(jī)器人控制和生產(chǎn)線管理。另外，Linux的開(kāi)源開(kāi)放以及高的模板化實(shí)現(xiàn)也是工業(yè)中越來(lái)越多地采用實(shí)時(shí)Linux的重要原因。正如《為什么在工業(yè)應(yīng)用中使用基于Linux的嵌入式設(shè)備？》[2]指出的：“物聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)自動(dòng)化實(shí)施中使用的嵌入式設(shè)備通常沒(méi)有能力存儲(chǔ)其操作不需要的大量操作系統(tǒng)組件。通過(guò)縮減 Linux 發(fā)行版以僅存儲(chǔ)必要的內(nèi)容，可以減少使用該操作系統(tǒng)的設(shè)備的大小和費(fèi)用?！?/p>

汽車行業(yè)

自動(dòng)駕駛車輛和先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）依賴于實(shí)時(shí)Linux來(lái)確?？焖佟?zhǔn)確的響應(yīng)。正如《車輛中的 Linux 和軟件容器》[3]一文指出：“軟件容器是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的軟件打包方法，可以使其在任何環(huán)境下都可執(zhí)行。這意味著打包在容器中的軟件擁有在容器中運(yùn)行所需的一切：文件系統(tǒng)、系統(tǒng)庫(kù)、運(yùn)行時(shí)環(huán)境。因此容器中的軟件有自己的配置和環(huán)境。最初聽(tīng)起來(lái)像是很大的開(kāi)銷，但實(shí)際上比虛擬機(jī)要少得多，而且速度要快很多倍，每個(gè)虛擬機(jī)都包含自己的整個(gè)操作系統(tǒng)。Linux 作為操作系統(tǒng)提供了運(yùn)行軟件容器的可能性。例如，這可以通過(guò)程序podman來(lái)完成，它是一個(gè)用于在 Linux 上運(yùn)行容器的容器引擎”?！巴ㄟ^(guò)使用Linux，我們有一個(gè)統(tǒng)一的 Linux 操作系統(tǒng)，能夠在其上運(yùn)行軟件容器。我們?cè)谲囕v本身、車輛周圍的基礎(chǔ)設(shè)施以及后端系統(tǒng)中都擁有這種能力。這意味著我們可以以軟件容器的形式靈活地分發(fā)軟件。這符合“構(gòu)建一次，隨處部署”的原則。我們可以在后端開(kāi)發(fā)和測(cè)試軟件，然后相對(duì)容易地在車輛中使用該軟件。對(duì)于車輛到基礎(chǔ)設(shè)施的通信，我們可以將軟件從后端移動(dòng)到基礎(chǔ)設(shè)施中，例如智能交通燈系統(tǒng)、所謂的路邊單元或MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）單元等電信設(shè)備”。

圖：在汽車行業(yè)使用Linux和容器的優(yōu)勢(shì)

電信行業(yè)

實(shí)時(shí)Linux（Real-Time Linux）在電信行業(yè)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在其對(duì)高性能、高可靠性和實(shí)時(shí)響應(yīng)的需求。電信行業(yè)包括了移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)設(shè)備的穩(wěn)定性和處理速度有極高的要求。以下是實(shí)時(shí)Linux在電信行業(yè)的幾個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景：

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施：在電信網(wǎng)絡(luò)的核心部件，如路由器、交換機(jī)、基站控制器等設(shè)備中，實(shí)時(shí)Linux可以提供快速的數(shù)據(jù)處理能力和低延遲的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)。這對(duì)于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托手陵P(guān)重要。另外因?yàn)長(zhǎng)inux的開(kāi)源開(kāi)放，研究和生產(chǎn)機(jī)構(gòu)可以很方便地在其上實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議創(chuàng)新和網(wǎng)絡(luò)連接方式創(chuàng)新，能更好地引領(lǐng)技術(shù)進(jìn)步。

信號(hào)處理：在移動(dòng)通信中，信號(hào)的實(shí)時(shí)處理對(duì)于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和提供高質(zhì)量服務(wù)是必不可少的。實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)能夠快速處理信號(hào)，確保通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

網(wǎng)絡(luò)安全：隨著網(wǎng)絡(luò)攻擊的增多，電信網(wǎng)絡(luò)的安全性變得越來(lái)越重要。得益于構(gòu)建在Linux至少的開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)安全生態(tài)，實(shí)時(shí)Linux可以實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量，及時(shí)檢測(cè)和響應(yīng)各種安全威脅，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)免受攻擊。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用：在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)Linux可以用于處理來(lái)自大量IoT設(shè)備的數(shù)據(jù)。這些設(shè)備通常需要低功耗和高效的數(shù)據(jù)處理能力，加之Linux對(duì)外設(shè)的支持是所有操作系統(tǒng)中最全面的，所以實(shí)時(shí)Linux在這方面表現(xiàn)出色。

根據(jù) IDC 的預(yù)測(cè)[4]，到 2025 年，全球近 30% 的數(shù)據(jù)將需要實(shí)時(shí)處理。雖然企業(yè)需要不同級(jí)別的實(shí)時(shí)性能，并且期望的周期時(shí)間因特定工作負(fù)載和系統(tǒng)配置而異，但實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的快速增長(zhǎng)預(yù)計(jì)未來(lái)幾年時(shí)間的使用將繼續(xù)并加速。[3]指出實(shí)時(shí)計(jì)算是行業(yè)向軟件定義系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的決定性因素。從固定功能和專有架構(gòu)到靈活動(dòng)態(tài)的控制環(huán)境，實(shí)時(shí)Linux在向工業(yè)4.0的過(guò)渡中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。實(shí)時(shí) Linux 為時(shí)間敏感的應(yīng)用程序提供確定性響應(yīng)。新的實(shí)時(shí) Linux 內(nèi)核將通過(guò)保證時(shí)間可預(yù)測(cè)的任務(wù)執(zhí)行以滿足嚴(yán)格的低延遲要求，為下一代工業(yè)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)和電信創(chuàng)新提供動(dòng)力。通過(guò)[4]，我們還可以了解到幾個(gè)值得關(guān)注的技術(shù)點(diǎn)：如何為時(shí)間敏感的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)確定性性能？實(shí)時(shí)的目標(biāo)垂直領(lǐng)域和應(yīng)用是什么？實(shí)時(shí) Linux 如何在工廠車間實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)？

結(jié)論

實(shí)時(shí)Linux作為一種關(guān)鍵技術(shù)，正在推動(dòng)各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，我們可以預(yù)期實(shí)時(shí)Linux將繼續(xù)在全球范圍內(nèi)發(fā)揮其重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1] https://www.alliedmarketresearch.com/linux-operating-system-market-A14692

[2] https://www.plcnext-community.net/news/why-use-linux-based-embedded-devices-in-industrial-applications/
[3] https://www.eenewseurope.com/en/linux-and-software-containers-in-the-vehicle/

[4] https://ubuntu.com/engage/realtime-webinar-ga

審核編輯 黃宇