华为鸿蒙操作系统全景解构

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行研君说

导语

从技术、生态两角度看,操作系统对于ICT厂商而言具有重要意义,鸿蒙操作系统的推出,对华为、对我国自主可控进程的意义不言而喻。

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操作系统在ICT产业扮演重要角色,操作系统厂商将成为相应产业生态的主导者。

借助鸿蒙操作系统,华为将在生态、硬件、先发+持续创新三方面体现竞争优势,成为5G+IoT产业领军。

华为发布鸿蒙操作系统,同时将开源方舟编译器,主要体现发力物联网领域,预计将对华为各业务板块产生积极作用,并推动IoT产业进程,预计华为产业链众多公司将受益。

原因及逻辑

从技术、生态两角度看,操作系统对于ICT厂商而言具有重要意义,鸿蒙操作系统的推出,对华为、对我国自主可控进程的意义不言而喻。

微内核、方舟编译器是鸿蒙生态的两大核心要素。微内核更适应复杂的程序功能,且能够更灵活地移植至不同硬件平台;方舟编译器通过将编译过程提前至开发者环节提升应用执行效率,这一点对于多终端尤其是物联网边缘计算而言尤为重要。结合以上两大要素看,鸿蒙生而为IoT设计。

车联网、智慧城市、工业是华为IoT的三大应用方向,目前三大应用成熟度各有不同,鸿蒙操作系统预计将在三大领域起催化作用。

有别于大众的认识

市场认为华为鸿蒙操作系统的发布受外部环境影响,更多体现“谈判筹码”作用,但我们认为华为七年前就已开始布局操作系统领域,且鸿蒙已初步具备商用能力,长远看也与华为多终端战略相协同。

市场认为鸿蒙主要应用于手机操作系统并替代谷歌安卓,但我们认为从微内核、方舟编译器两要素看鸿蒙主要发力物联网,开源生态、ICT硬件基因、5G技术等优势下鸿蒙的发布与成熟将催化物联网产业进程。

▌华为七年沉淀,发力物联网操作系统“鸿蒙”

ICT领域之“大脑”,得系统者得天下

操作系统(OS,OperatingSystem)是管理计算机软硬件资源的“大脑”。常见ICT系统包括硬件和软件两部分,软件又可分为操作系统软件和应用软件。其中操作系统是介于硬件和应用软件之间的一层重要部分,是管理分配硬件资源、实现应用软件功能的重要载体。

操作系统在ICT领域扮演重要角色,其作用可从技术、生态两方面佐证:

技术角度看,操作系统在程序运行的过程中起重要作用。

一般而言,软件程序的运行需要四大要素:

a. 程序设计语言、编译系统、操作系统、指令集。粗略理解:1程序设计语言是编程的工具基础,包括常见的C、C++、Java、C#等;

b. 编译系统的作用是将编写好的程序语言“翻译”成机器能够识别的二进制码;

c.操作系统是调度资源、执行程序的“大脑”;

d.指令集则决定了程序以何种方式来执行。

可作以下类比:硬件相当于高速公路、铁路等基础设施资源,软件相当于驾驶员/旅客,而操作系统则相当于各种类型的交通工具。

汽车、火车等交通工具借助公路、铁路等基础设施得以行驶,驾驶员/旅客在交通工具上方能到达不同目的地。

操作系统则是向下对接硬件,使硬件资源的存在有实际意义,同时向上承载各类应用程序,得以实现各种应用功能;编译系统在程序运行的过程中,起到方向盘或导航仪的作用,将驾驶员(软件)的操作(程序指令)转化为车辆的位移(机器语言)。

(2) 生态角度看,总结Win-tel与我国自主可控历程,操作系统厂商处于ICT产业链的核心环节。Win-tel联盟下,微软股价随Win95、WinXP等版本的发布屡创新高。1980s微软与英特尔组成Win-tel联盟,使得Windows系统搭配x86的Intel处理器成为PC领域的绝对主流,二者结合后,在软硬件版本迭代、生产、销售等环节协同,一时形成“双寡头垄断”的格局。1995年Win95的发布首创了“桌面”的概念,使人机交互界面更加友好;WindowsXP的发布进一步稳固了微软在操作系统领域的领先地位。尽管芯片是ICT生态的底层核心,但Windows背后庞大的应用生态决定了微软对芯片商有较高话语权。微软于2018年公布Win10操作系统已拥有3500万个应用、超1.75亿个软件版本,支持1600万个硬件/驱动组合。微软三十余年积累海量开发者,拥有庞大的应用基础,因此对芯片架构的选择拥有一定话语权。在x86以外微软已针对ARM架构推出新一代操作系统,英特尔以外的芯片商将受益Win生态的拓展。另外,ICT领域自主可控不仅体现在以芯片为代表的硬件层,更需要操作系统带动生态可持续。“基础软件的短板主要在操作系统,芯片的短板主要在EDA(电子设计自动化)设计工具等领域”。芯片层的创新与投入一直是产业与资本的关注重点,但持续研发需要商用以及操作系统带动应用软件同步推进,如果没有商用阶段的现金流再投资,则芯片层的创新难以持续迭代。早期鸿蒙雏形LiteOS就已体现华为发力IoT华为“鸿蒙”概念的公开时点虽受到外部环境影响,但实际已积淀大量商用经验。鸿蒙操作系统的发布时点体现重大意义,但并非是“从无到有”的过程,2012年华为就已开发物联网操作系统LiteOS,并在可穿戴设备、智能家居、车联网、LPWA等领域应用,是鸿蒙操作系统的雏形。LiteOS解决物联网应用成本、连接、安全三大痛点,体现华为早期就已探索布局IoT领域。(1) 低成本、低功耗。物联网需要海量终端接入,且大多数边缘设备为小型化、可移动,因此对续航能力与单位成本提出较高要求。LiteOS内核小于10k,同时通过MCU和通信模组二合一的OpenCPU架构,能够显着降低终端体积和终端成本。且超低功耗,甚至1节5号电池可工作5年。(2) 连接多样。物联网终端在不同场景下需要不同形式的网络连接,尤其进入到5G时代后,对系统的连接性能和兼容性要求严格。连接拓展性能强,支持6LoWPAN、WiFi、BTE、Zigbee等多种协议,且设备间可以自组网、自发现、互操作,能够满足物联网应用的不同连接需求。(3)安全。物联网边缘计算需要“云”+“端”协同,互联互通后数据泄露成为物联网系统的重大隐患。LiteOS以极小体积的内核实现了双向认证、差分升级、DTLS/DTLS+等机制。未来成熟商用的LiteOS将逐步融入鸿蒙操作系统,逐步增强鸿蒙生态的多终端开发能力。在鸿蒙之前,华为已形成HiLink(连接标准)+LiteOS(操作系统)+芯片(算力)的IoT“三件套”体系。在这一体系下,华为2C的智能家居、智能手机、手表手环等设备出货量已累计超过2亿件,2B的水电表、摄像头、单车等设备出货量已累计超过1亿件,拥有成熟稳定的商用方案。进一步LiteOS与鸿蒙结合,将在IoT领域形成强大合力。微内核、方舟编译器是鸿蒙生态的两大核心要素鸿蒙从设计之初就为多终端(如边缘计算IoT、服务器等)而生,微内核、方舟编译器作为鸿蒙操作系统生态的两大核心要素。微内核乃操作系统的一种结构形式,将系统实现各功能的模块化,更灵活,易于拓展、易于维护与更新迭代;编译器可视为人与机器的“翻译”,将人的程序语言翻译给计算机可理解并执行,是人与计算机之间实现沟通的桥梁。华为10年来在编译器与系统内核的布局演进,已经为鸿蒙操作系统和进军物联网做好了充足的铺垫。鸿蒙微内核从底层即为物联网设计微内核与宏内核相对应,是操作系统的一种结构形式。操作系统的核心功能包括文件系统、内存和I/O设备管理、CPU调度等,宏内核即指操作系统将上述功能全部“打包集成”在内核里,不同的功能模块之间耦合度高,所以具有高效率的优点,代表系统包括Linux、Unix等)。微内核则将系统分为各个小的功能模块,仅将最核心的调度、内存管理功能保留在内核中,驱动、文件系统等以“外部模块”的形式与内核连接,相应的优势是易于拓展、易于维护与更新、稳定性高,代表系统包括Windows、MacOSX等。

微内核更适应复杂的程序功能,且能够更灵活地移植至不同硬件平台。微内核仅在操作系统的内核中保留最基本功能,大大降低了内核的开发难度;分布式思维,将非核心的程序和模块隔离在内核之外,因此当单一程序出现错误时不会影响系统整体功能;同时,微内核相比宏内核更易于移植,开发、更新周期也得以缩短。仿照第一部分,同样可作以下类比:若操作系统类比为车辆等交通工具,则不同内核结构相当于车辆的不同定制方式。宏内核相当于商用整车,而微内核则类似支持深度定制车。在行驶过程中,商用整车虽整体运行效率高,但如果某一部件出现故障,则需要专人、同款备件才能维修;而定制车的很多模块可替代性本身就非常强,且能够通过简单改装在不同路况下行驶(不同硬件环境)。鸿蒙微内核从底层即为物联网设计。

上述可知,微内核的最大特性是仅在内核中保留最核心功能,因此对于鸿蒙而言:连接实时性更好(响应时延降低25.7%、时延波动率降低55.6%),同时结合5G低时延场景,尤其适用于工业控制、智能交通等物联网领域;可以做到故障隔离,最大程度保证系统的稳定性与安全性,在5G超多连接场景下更能满足万物互联的要求。鸿蒙微内核体现分布式的特点,解决IoT生态协同的痛点。目前已有操作系统基本只对应于某一种硬件,如Windows对应x86PC、iOS对应苹果手机等。

但IoT时代终端种类数量极大拓展,难以针对每种硬件分别开发操作系统或应用程序,不同硬件终端的生态无法共享协同,开发效率低。而鸿蒙实现了硬件解耦,即可针对应不同设备进行弹性部署(例如智慧屏、穿戴设备、车机、音箱、手机等)。同时创新的分布式软总线使得拥有不同功能的硬件可以彼此协同。例如:传统的相机、电视、音响等设备原本相互独立;但在鸿蒙的分布式软总线下,这些设备被“虚拟化”成摄像模组、显示模组、外放模组,并成为有机整体,用户无需另行设置即可按需调用各种功能,硬件终端之间形成相互协同。微内核是IoT操作系统演进方向,鸿蒙微内核之效率、安全性业内领先。一般微内核系统,由于驱动、文件系统等进程被外置,各模块之间的通信需要经过内核“搭桥”,因而效率往往比宏内核要低。但鸿蒙微内核对进程间通信进行了高度优化,使得鸿蒙相比QNX、Fuchisia效率提升3至5倍3。此外,由于微内核的代码数量远远少于宏内核,因此鸿蒙能够以对每行代码进行充分的“形式化”的安全验证,显着提升了内核安全性。方舟编译器是鸿蒙的取胜关键方舟编译器最早系华为于2019年4月在P30系列手机发布会上公布,但实际积淀十年,定位是多终端系统。华为早期表示方舟编译器将大幅提升手机端安卓系统的运行效率,而开发编译器其实是协助鸿蒙操作系统更深层次布局边缘计算、服务器等领域。对传统编译器而言,编译时点、跨语言编译是制约应用程序执行效率的瓶颈。应用程序的执行要经过字节码到机器码的转换,程序员在编程时使用上述C、C++、Java、C#等程序语言,但硬件的执行逻辑是基于0和1的二进制。因此要让硬件能够“读懂”指令,就需要编译器把“程序语言”转译成“机器语言”。(1)编译时点:根据编译器工作时点的不同,编译方式可分为两种,但执行效率仍有提升空间。一种是“边执行、边翻译”,程序调用了某一句指令,编译器就实时将其转译为二进制码(早期版本安卓使用该方案,程序执行效率低下);另一种是引进高性能虚拟机(在安卓系统中为ART,即AndroidRunTime),在程序安装时或系统空闲时就提前将代码转译完毕,进一步提升了程序执行效率,但新的问题在于程序安装时间长。(2)跨语言编译:程序往往使用不同语言编写,对编译效率产生较大影响。例如采用Java和C/C++等多种语言混合开发的应用程序,在运行时需要借助通用接口来协调不同代码(即JavaNativeInterface,JNI)。通用接口需要占用硬件资源,同时不同代码的协调本身就低效,所以传统编译器下跨语言应用的执行效率较低。方舟编译器对以上两大瓶颈的解决方案是:将编译过程提前至开发者环节。在安卓的体系下,一些复杂动态语义的编译仍需交由虚拟机完成。方舟编译器开发团队通过梳理Java的动态语义,进行了大规模的数据建模,尤其是在跨语言编译时,大大提高了动态语义分析的精度;另外,华为设计了一套具有核心专利的动态语义匹配机制,有效降低了运行时动态语义的开销。最终结果是,方舟编译器能够在应用程序执行之前,就将Java代码编译成机器语言,极大释放了硬件资源,这一点对于多终端尤其是物联网边缘计算而言尤为重要。方舟编译器对开发者友好,利于形成良好生态。过去安卓等系统避免在开发者环节涉及编译,一大原因是为了降低开发难度,开发者只需完成代码编写即可,而无需考虑如何跨语言编译。但方舟方案下将编译过程提前至开发环节,并不增加开发者负担,相反开发者还能通过方舟预置算法进行代码优化,还可自行开发代码优化算法,未来代码优化甚至有可能迁移至云端。开发环境友好是鸿蒙搭建良好生态的重要因素。对于方舟编译器,也可类比如下:过去ART虚拟机搭配安卓系统,相当于经验丰富的司机驾驶传统的手动挡汽车;而方舟编译器搭配鸿蒙操作系统,则相当于搭载了L4级别自动驾驶的车辆,车辆行驶可以随时根据车况、路况灵活调整,保证所有乘客的乘车体验均为最佳。兼容Java和C、C++等多种语言增强了鸿蒙即战力,并与自有麒麟、鲲鹏等硬件架构协同,形成类似Win-tel的软硬件格局。因此综合微内核、方舟编译器两大要素看,鸿蒙生而为物联网设计,并非单纯以手机操作系统为主要阵地。一方面,对于华为成熟的手机业务而言,做系统容易,但建生态难,当前安卓和苹果已构建了几乎不可打破的生态系统,在条件允许的情况下继续使用安卓对于华为是一种资源节约。进一步更通俗地解释:对于开发者编写的不同程序,只需经过方舟编译器的处理,鸿蒙操作系统即可顺利执行;且微内核下的鸿蒙可移植于不同平台。这样的系统特性天然适配于物联网时代的海量终端与海量应用。

如何免费领取qq红包借助鸿蒙,华为将成“5G+IoT时代的苹果”苹果曾是3G、4G移动互联网时代成长的新兴巨头,回顾苹果的崛起路程,在生态、硬件、先发优势+持续创新三方面体现优势。(1) 生态在苹果之前,微软曾于1996年发布可运行于手机的WindowsCE操作系统;塞班于2001年发布symbianS60操作系统,一度获得诺基亚、三星、索尼爱立信、摩托罗拉、西门子等众多手机大厂支持,但由于symbian系统对开发者不友好、内核臃肿,在3G时代到来后苹果抓住移动互联网的机会推出iOS,并搭建拥有高质量应用的AppStore,强大的开发者生态不断增强苹果公司的生命力。(2) 硬件相较之前的手机品牌,苹果拥有体系完整的硬件产业链,且在上下游拥有极强的议价能力,并在手机之外推出Macbook、iPod、iPad等产品,不断拓宽硬件“能力圈”。在优质生态的基础上,紧密的硬件产业链一方面可以提升公司盈利能力,另一方面软硬协同也极大提升了方案本身的使用体验。(3)先发优势+持续创新通过良性循环的生态+软硬件协同形成护城河之后,苹果不断前瞻移动设备领域的新技术、新应用,且能够持续迭代,逐步把持了行业的发展方向,最终成为移动互联网时代的一大巨头。但随着C端移动互联网红利见顶,苹果在5G+IoT时代增长乏力。随着技术演进,苹果近年来也暴露出一些问题:生态不如安卓开源;核心硬件受制于外部(比如基带依赖高通、英特尔);后续创新乏力(新款iPhone难言成功)。在5G+IoT时代,其他ICT厂商开始面临新的机会。产业互联网新蓝海下,“华为之于物联网”可类比“苹果之于移动互联网”。(1) 生态鸿蒙与方舟编译器将开源,拥抱海量开发者。以手机端为例,方舟编译器与超过40个高质量App合作,明显优化Android操作系统的流畅度。在更广泛的IoT领域,方舟编译器支持多语言统一编译,也支持混合编程,实现“一次编程,多端使用”,极大降低了开发者负担(例如对于某款应用,只需要一次性完成代码,就可以适配于手机、电视、车机等多种终端)。因此借助方舟编译器,鸿蒙将搭建完善的IoT生态。(2) 硬件华为拥有强大ICT硬件基因,已推出从底层硬件到中间件、操作系统,再到到编译工具、应用软件的全栈软硬件方案。类比苹果产业链,华为内部已基本形成核心硬件环节的自研,例如新发布的前端昇腾310+后端鲲鹏920的安防软硬标准化解决方案,又如自研基于鲲鹏920的Taishan服务器等全栈软硬件系统在山东移动BSS实现国产替代等。因此鸿蒙相比谷歌Fushcia等纯软件体现出硬件优势(苹果于2019年7月收购英特尔5G基带部门也体现自研芯片对系统生态的重要性)。(3) 先发优势+持续创新鸿蒙前身LiteOS早已推出,拥有商用经验和先发优势。物联网基础是网络,华为在5G领域的深厚积淀。例如,其于2019年初发布首款商用5G多模终端芯片Balong5000和首款5G商用终端华为5GCPEPro。Balong5000在Sub-6GHz频段实现4.6Gbps、在毫米波频段达6.5Gbps的峰值下载速率,并支持SA和NSA组网,已经完全满足未来5G产业不同阶段的商业需求,相比行业标杆的高通X50已取得领先。华为5G技术的先发优势与持续创新是鸿蒙作为IoT多终端操作系统取得成功的保障。操作系统意味着应用平台与流量入口。上述从生态、硬件、先发优势+持续创新三方面看,拥有操作系统将帮助华为在物联网领域拥有更强话语权,将沿苹果在移动互联网时代的路径,成长为5G+IoT的巨头。鸿蒙将完善华为IoT生态,催化产业进程IoT是华为在产业物联网时代的重要布局,华为主要聚焦于基础设施领域。海量低成本终端设备连接需要保证联接可管可控,且全网连续覆盖,以及端侧(终端)、传输、云端安全。华为多年深耕ICT基础设施,全栈软硬件保证IoT方案稳定性。据华为2018年全联接大会,华为物联网联接数超过2亿,每月增长600万联接,日均API调用超过1.3亿,方案成熟度高。鸿蒙操作系统与华为“云+端”芯片形成强大合力,形成杀手锏应用。华为优质网络设备是IoT的连接基础,连接获得了大量数据,但只有通过智能分析才能够形成杀手锏应用。华为已在云侧和端测拥有昇腾、鲲鹏、麒麟等芯片,具备强大算力,叠加鸿蒙操作系统高效、灵活的执行能力,将培育大量高价值应用。车联网、智慧城市、工业是华为IoT的三大应用方向,目前三大应用成熟度各有不同,鸿蒙操作系统预计将在三大领域起催化作用。(1) 车联网:快速兴起的IoT场景。当前车联网更多是实现车与路的主动协同沟通,逐步实现从辅助驾驶到自动驾驶,并做到大大降低成本。基于C-V2X,华为已拥有完整的车联网硬件体系,具体包括芯片、OBU盒子、RSU实现路边感知设备、云端搜集数据和数据处理的V2X服务器等。我们预计未来终端的前装和后装市场、定位与地图(华为已获得甲级测绘资质,未来鸿蒙+巴龙5000芯片+高精地图具有想象空间)、后端数据处理(鸿蒙+Taishan服务器+鲲鹏芯片的强大算力组合)将是重要的产业方向。(2) 智慧城市:较为成熟,从互联网向物联网过渡。智慧城市是城市级网络接入、NB-IoT广覆盖、低成本低功耗特点的体现,我们预计未来拓展方向包括智慧园区(鸿蒙+安防领域基于鲲鹏/昇腾的HuaweiHoloSens)、智慧家居(鸿蒙+基于鸿鹄818芯片的荣耀智慧屏)等。(3) 工业:5G提供新机会。工业互联网痛点之一在于网络连接,痛点之二在于行业Knowhow。网络连接的难题将在5G商用与网络切片推广后迎刃而解,华为将是网络基础设施的核心供应商;对于行业Knowhow,鸿蒙强调搭建生态圈,且具备开发者友好的特性,利于培育不同垂直行业客户并积累经验。此外华为已面向各行业推出“华为云EI智能体”,华为云已拥有超过100万开发者和企业用户,初步形成良性生态。综上,鸿蒙操作系统的推出将对华为各业务板块产生积极作用,并推动IoT产业进程,预计华为产业链众多公司将受益。

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