實時Linux：解鎖高效能和可靠性的關(guān)鍵

在一個日益數(shù)字化和互聯(lián)的世界中，實時Linux作為一個關(guān)鍵技術(shù)，正在推動行業(yè)的快速發(fā)展。這種特殊類型的操作系統(tǒng)能夠保證即時的計算反應(yīng)，對于那些對時間敏感的應(yīng)用來說至關(guān)重要。

行業(yè)趨勢

增長的市場需求：隨著工業(yè)自動化、智能交通系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的崛起，對實時操作系統(tǒng)的需求正在迅速增長。企業(yè)正尋求更可靠、響應(yīng)更快的系統(tǒng)來支持他們的關(guān)鍵業(yè)務(wù)操作。

開源的興起：開源實時Linux由于其成本效益、靈活性和強大的社區(qū)支持而變得越來越流行。這種趨勢鼓勵了創(chuàng)新和快速發(fā)展，同時降低了技術(shù)的門檻。

在近期的一個調(diào)研報告[1]指出：云計算和容器的日益普及正在為 Linux 操作系統(tǒng)市場帶來巨大的增長機會。Linux 是一種開源操作系統(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和服務(wù)器實例嚴重依賴 Linux，因為 Linux 的開源性質(zhì)與云平臺的可擴展性和定制化原則非常契合。

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

此外，汽車、電信等行業(yè)的市場參與者正在采取各種策略來增強市場服務(wù)并提高客戶滿意度。例如，2023 年 2 月，Elektrobit 和 Canonical 聯(lián)合開發(fā)了基于 Ubuntu 的 EB corbos Linux，這是業(yè)界首次將最大的開源 Linux 社區(qū)引入汽車軟件。這一新解決方案為 OEM 和一級供應(yīng)商提供了開源操作系統(tǒng)的優(yōu)勢和靈活性，用于開發(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，戴爾科技集團將于 2022 年 9 月推出與 Wind River 聯(lián)合設(shè)計的新電信云基礎(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。為了進一步支持這些解決方案，戴爾的電信合作伙伴認證計劃簡化了技術(shù)合作伙伴在快速發(fā)展的開放技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)中驗證和集成其產(chǎn)品的流程。

技術(shù)趨勢

隨著技術(shù)的不斷進步，Linux操作系統(tǒng)在實時領(lǐng)域的發(fā)展日益受到重視。特別是在高性能計算、工業(yè)自動化和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，對實時性能的需求日益增長。下面是關(guān)于實時Linux操作系統(tǒng)最新技術(shù)趨勢的分析，這些趨勢反映了Linux內(nèi)核在提高性能、增強功能和優(yōu)化資源管理方面的最新進展。

例如應(yīng)用以及功能的合入和加強：實時Linux的核心補丁正在逐步合并到主線Linux內(nèi)核中。這一進展意味著實時功能將更加普及，且易于訪問。為了提高靈活性和效率，實時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行多個隔離的實時應(yīng)用成為可能。實時Linux對AI和機器學(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)度類擴展: eBPF（Extended Berkeley Packet Filter）是一個強大的內(nèi)核功能，允許用戶在內(nèi)核中運行預(yù)定義的程序，而無需更改內(nèi)核代碼或重新啟動系統(tǒng)。通過eBPF擴展調(diào)度器（sched_ext），Linux內(nèi)核能夠提供更靈活的調(diào)度決策，優(yōu)化實時性能和響應(yīng)時間。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)時間和截止時間遵守，適用于高要求的實時環(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，提高實時任務(wù)的響應(yīng)性和可預(yù)測性。用代理執(zhí)行解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題: 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是實時系統(tǒng)中一個常見問題，其中低優(yōu)先級任務(wù)阻塞高優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行。使用代理執(zhí)行模式可以解決這一問題，確保高優(yōu)先級任務(wù)得到及時處理。

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。針對每個VMA實現(xiàn)鎖可以減少鎖的粒度，從而降低爭用并提高多線程應(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）系統(tǒng)上，復(fù)制內(nèi)核代碼段可以減少跨節(jié)點的內(nèi)存訪問，降低延遲，提高性能。這對于實時系統(tǒng)尤其重要，因為它們需要快速且一致的響應(yīng)時間。 Large folios/動態(tài)大頁: 大頁技術(shù)通過減少頁表項數(shù)量來減少TLB（Translation Lookaside Buffer）缺失，從而提高內(nèi)存訪問效率。動態(tài)大頁或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的效率，減少IO延遲，這對于需要高速數(shù)據(jù)處理的實時系統(tǒng)來說是一個重要優(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的一個功能，允許用戶以安全的方式訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有助于性能監(jiān)控和問題診斷，對于保持實時系統(tǒng)的高性能運行至關(guān)重要。

這些技術(shù)的共同目標是提高Linux系統(tǒng)的性能、可靠性和實時響應(yīng)能力，特別是在對延遲敏感的應(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Linux系統(tǒng)在實時領(lǐng)域的表現(xiàn)將不斷提升。

行業(yè)應(yīng)用
工業(yè)自動化

實時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間控制的應(yīng)用中，如機器人控制和生產(chǎn)線管理。另外，Linux的開源開放以及高的模板化實現(xiàn)也是工業(yè)中越來越多地采用實時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)自動化實施中使用的嵌入式設(shè)備通常沒有能力存儲其操作不需要的大量操作系統(tǒng)組件。通過縮減 Linux 發(fā)行版以僅存儲必要的內(nèi)容，可以減少使用該操作系統(tǒng)的設(shè)備的大小和費用。”

汽車行業(yè)

自動駕駛車輛和先進的駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）依賴于實時Linux來確?？焖佟蚀_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)過驗證的軟件打包方法，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行所需的一切：文件系統(tǒng)、系統(tǒng)庫、運行時環(huán)境。因此容器中的軟件有自己的配置和環(huán)境。最初聽起來像是很大的開銷，但實際上比虛擬機要少得多，而且速度要快很多倍，每個虛擬機都包含自己的整個操作系統(tǒng)。Linux 作為操作系統(tǒng)提供了運行軟件容器的可能性。例如，這可以通過程序podman來完成，它是一個用于在 Linux 上運行容器的容器引擎”。“通過使用Linux，我們有一個統(tǒng)一的 Linux 操作系統(tǒng)，能夠在其上運行軟件容器。我們在車輛本身、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。我們可以在后端開發(fā)和測試軟件，然后相對容易地在車輛中使用該軟件。對于車輛到基礎(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（移動邊緣計算）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

電信行業(yè)

實時Linux（Real-Time Linux）在電信行業(yè)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在其對高性能、高可靠性和實時響應(yīng)的需求。電信行業(yè)包括了移動通信、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。以下是實時Linux在電信行業(yè)的幾個主要應(yīng)用場景：

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、基站控制器等設(shè)備中，實時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)。這對于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托手陵P(guān)重要。另外因為Linux的開源開放，研究和生產(chǎn)機構(gòu)可以很方便地在其上實現(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)進步。

信號處理：在移動通信中，信號的實時處理對于維護網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和提供高質(zhì)量服務(wù)是必不可少的。實時Linux系統(tǒng)能夠快速處理信號，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)的安全性變得越來越重要。得益于構(gòu)建在Linux至少的開源網(wǎng)絡(luò)安全生態(tài)，實時Linux可以實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量，及時檢測和響應(yīng)各種安全威脅，保護網(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，實時Linux可以用于處理來自大量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對外設(shè)的支持是所有操作系統(tǒng)中最全面的，所以實時Linux在這方面表現(xiàn)出色。

根據(jù) IDC 的預(yù)測[4]，到 2025 年，全球近 30% 的數(shù)據(jù)將需要實時處理。雖然企業(yè)需要不同級別的實時性能，并且期望的周期時間因特定工作負載和系統(tǒng)配置而異，但實時數(shù)據(jù)的快速增長預(yù)計未來幾年時間的使用將繼續(xù)并加速。[3]指出實時計算是行業(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)到靈活動態(tài)的控制環(huán)境，實時Linux在向工業(yè)4.0的過渡中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。實時 Linux 為時間敏感的應(yīng)用程序提供確定性響應(yīng)。新的實時 Linux 內(nèi)核將通過保證時間可預(yù)測的任務(wù)執(zhí)行以滿足嚴格的低延遲要求，為下一代工業(yè)機器人、物聯(lián)網(wǎng)和電信創(chuàng)新提供動力。通過[4]，我們還可以了解到幾個值得關(guān)注的技術(shù)點：如何為時間敏感的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)確定性性能？實時的目標垂直領(lǐng)域和應(yīng)用是什么？實時 Linux 如何在工廠車間實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)？

結(jié)論

實時Linux作為一種關(guān)鍵技術(shù)，正在推動各行各業(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)域的擴展，我們可以預(yù)期實時Linux將繼續(xù)在全球范圍內(nèi)發(fā)揮其重要作用。

參考文獻

[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