Повсюдні операційні системи

1. Програмно-конфігурується підхід
2. повсюдні ОС
3. перпективи UOS
4. прототип UOS
5. література

Наша взаимовыгодная связь https://banwar.org/

В роботі [1] був опублікований прогноз на десять років розвитку ОС для традиційних пристроїв: ПК, серверів і вбудованого обладнання. Однак інтерес представляє і більш широке коло програмно-конфігуруються віртуалізованних і невіртуалізованних пристроїв всіх розмірів - від носяться комп'ютерів до кластерів самих різних областей застосування, від розумного будинку до розумного міста. Всі ОС для таких пристроїв, хоча й можуть бути різними зовні, реалізують віртуалізацію ресурсів і программируемость функцій - загальні принципи, що лежать в основі програмно-конфігуруються мереж [2] , Систем зберігання та обробки даних. Так само, як традиційна ОС управляє апаратної системою за допомогою програмних абстракцій і забезпечує підтримку виконання додатків, ОС майбутнього забезпечать програмно-конфігуровані можливості для нових технологій. Таким чином, по суті програмно-конфігурована мережа - це операційна система для мережевого обладнання, а програмно-конфігурується хмара - це хмарна ОС. Назвемо такі операційні системи повсюдними (Ubiquitous OS, UOS).

Перші комп'ютери були позбавлені операційної системи - їх застосування виконувалися безпосередньо на обладнанні, але в міру ускладнення комп'ютерів управляти їх ресурсами безпосередньо з додатків ставало все важче, тому все більше стандартних функцій абстрагувалося в формі драйверів і бібліотек, які сформували шар системного ПО, який могли спільно використовувати різні додатки. Цей шар назвали «операційною системою», абстрагирующей операційні можливості машини і полегшує роботу операторів. Нинішні ОС більшою мірою відповідають вже не за операції, а за управління ресурсами, надання API додатків і їх підтримку в період виконання.

У таблиці перераховані основні традиційні ОС і їх характеристики. Сучасні ОС по архітектурі зазвичай відповідають Unix, а по функціональності адаптовані для конкретної платформи: Windows і macOS оптимізовані для зручності користувачів настільних комп'ютерів, Android і iOS мають програмний шар підтримки розробки і виконання мобільних додатків.

У 1980-х роках в період стрімкого зростання застосування мереж з'явилася потреба в реалізації відповідних функцій в операційних системах, що призвело до створення мережевого сполучного ПО і ряду мережевих ОС типу Novell Netware, які керують роботою комп'ютерів в локальних мережах. Коли з'єднання з мережею стало обов'язковим, випуск мережевих ОС припинився, а відповідна функціональність стала атрибутом стандартних ОС.

Ідея ОС для Інтернету виникла в середині 1990-х під час конкурентної боротьби між Microsoft і Netscape, яка призвела до появи перших інструментів і інтерфейсів програмування для веб-додатків. З тих пір пропонувалося чимало реалізацій ОС для Мережі: JavaOS, Chrome OS і ін. - які володіють вбудованими можливостями обробки онлайн-даних на географічно розподілених системах або віртуальних машинах і надають ті чи інші послуги через інтернет-з'єднання. Ці «операційні метасістеми» нерідко працюють поверх традиційних ОС, забезпечуючи підтримку веб-додатків і сервісів.

Програмно-конфігурується підхід

Термін «програмно-конфігурується» відноситься до сімейства технологій, включаючи програмно-конфігуровані мережі, системи зберігання та ЦОД, узагальнено позначених абревіатурою SDX (від software-defined everything). У програмно-конфігурується системі апаратні ресурси можуть бути віртуалізованних і контролюватися компонентами ОС або шаром управління, а користувачі можуть писати програми доступу і управління сервісами, наданими віртуалізованних ресурсами.

Ті ж можливості надаються та звичайними ОС. Зокрема, Linux і Windows забезпечують віртуалізацію апаратних ресурсів за допомогою драйверів, а підтримку розробки та виконання програм - за допомогою пакетів SDK і бібліотек. Мобільні ОС на кшталт Android надають додатковий програмно-конфігурується шар з абстракціями більш високого рівня для мобільних додатків, в тому числі кошти управління мобільними даними (контактами, відомостями геолокації), набори API для розробки і бібліотеки для підтримки виконання додатків. При цьому ОС, що працюють як на малих пристроях (наприклад, TinyOS), так і на величезних кластерах (хмарні ОС), забезпечують віртуалізацію ресурсів і программируемость функцій. Іншими словами, будь-яка «програмно-конфігурується система» - це просто ОС для відповідної технології. У програмно-конфігурується мережі, наприклад, керуючий рівень забезпечує можливість розробки високорівневих додатків для управління мережевими функціями, а рівень даних виртуализует мережеві ресурси.

Таким чином, ОС і програмно-конфігуровані системи здебільшого засновані на загальних принципах.

повсюдні ОС

Більше чверті століття тому Марк Вейзер, науковий керівник Xerox PARC, запропонував концепцію повсюдних обчислень. У той час ідея здалася нереалістичною, але сьогодні з появою Інтернету речей вона втілюється в життя. Повсюдними стають і операційні системи - новий тип ОС для програмно-конфигурируемого світу, в якому ПО використовується для управління всіма сторонами життя людей.

ОС для WWW. Це Linux-подібні середовища на основі браузерних движків, що дозволяють виконувати додатки і управляти їх даними: Firefox OS, Chrome OS, eyeOS, YouOS і G.ho.st.

ОС для роботів. Це метасістеми підтримки розробки і виконання робототехнічних додатків, що пропонують широкий вибір відкритих інструментів, бібліотек, абстракцій і API, які використовуються на широке коло платформ.

HomeOS. Ініціатива Microsoft, спрямована на створення «розумних будинків для всіх». Призначення HomeOS - спростити управління технологіями домашньої автоматизації шляхом надання зручних для користувача засобів управління і високорівневих абстракцій для оркестровки пристроїв.

ОС для міста. Існує ряд ініціатив по створенню ОС для розумного міста, і один з таких проектів - Living PlanIT Urban Operating System. Ця ОС надає абстракції і інтерфейси для управління електро- та водопостачанням, вивезенням ТПВ, транспортом, зв'язком, а також інтерфейси програмування, що забезпечують інтероперабельність різних платформ.

Хмарні ОС. Концептуально хмарна ОС виконує ті ж функції, що і традиційна, - управляє програмами та обладнанням, але в масштабі хмари, замінюючи файлові системи на об'єктне сховище і забезпечуючи практично безмежну ємність зберігання і пропускну здатність. Замість управління процесами на фізичних машинах хмарна ОС управляє завданнями на віртуальних машинах, і, що більш важливо, вона пропонує різні API використання ресурсів хмари. Багато операторів хмарних сервісів створили власні хмарні ОС: Microsoft Azure, Amazon Web Services, Huawei Fusion Sphere і т. П. Існують хмарні ОС з відкритим кодом: OpenStack і Apache CloudStack.

ОС для Інтернету речей. У Google розробили Android Things (Brillo) - вбудовану ОС для малопотужних пристроїв Інтернету речей з обмеженою ємністю пам'яті, що використовує інтерфейси програмування Android і сервіси Google.

На рис. 1 показана загальна архітектура UOS, що реалізують основні концепції: віртуалізацію ресурсів і программируемость функцій з розрахунком на «повсюдні» сценарії:

• Абстракції для управління ресурсами. Такі абстракції в UOS подібні драйверам традиційних ОС, але вони забезпечують віртуалізацію більш широкого кола ресурсів. Крім того, користувачам і додаткам надаються API для доступу до віртуалізованних ресурсів. Наприклад, UOS для соціальної мережі управляє користувальницької інформацією і відносинами, а також стежить за діями і комунікаціями користувачів.
• Підтримка розробки та виконання повсюдних додатків. UOS надає API, моделі програмування, бібліотеки і засоби розробки додатків подібно традиційним ОС, але працює на більш високому рівні, так як повсюдні додатки виконуються поверх UOS, яка, в свою чергу, працює поверх традиційних ОС на кшталт Linux і Windows. Основна відмінність в тому, що UOS розрахована на підтримку програми третіх сторін, тоді як нинішній ПО зазвичай спирається на пропріетарний рівень в системі.

перпективи UOS

UOS можуть використовуватися для самих різних об'єктів, як реальних, так і віртуальних, включаючи традиційні ІТ-системи (рис. 2).

Концепція UOS базується на трьох принципах:

• UOS можуть масштабироваться для систем будь-якого масштабу, аж до розподілених по декількох континентах, і в перспективі зможуть підтримувати практично всі системи, як успадковані, так і майбутні. UOS також можуть створюватися для додатків нового типу - наприклад, для роботи з великими даними і заснованими на нейромережевих технологіях.
• UOS може бути створена для будь-якого об'єкта (системи об'єктів) фізичного світ. Сенс повсюдних обчислень - вивести можливості ІТ за рамки традиційних систем, щоб робити предмети «розумніші» і забезпечити підтримку їх програмування, для чого і потрібно UOS. Роботи вже мають власні ОС, а для всієї техніки розумного будинку буде потрібно операційна система, що забезпечує программируемость. Знадобиться ОС і для всіх рухомих об'єктів.
• UOS може бути створена для будь-якого об'єкта віртуального світу. ОС можна реалізувати для об'єктів в конкретній області застосування. Наприклад, організації різних типів і розмірів, включаючи сім'ї, підприємства і державні відомства, можна забезпечити програмно-конфігуруються можливостями управління персоналом, інформацією, розкладами та запасами.

Можлива поява цілої низки категорій UOS: ОС для великих даних; ОС рівня підприємства; промислові та виробничі ОС; ОС для людини і кіберфізіческіх систем; ОС для штучного інтелекту, що надає інфраструктуру для розвитку «розумних» додатків. Однак для втілення ідеї UOS в життя потрібно вирішити ряд технічних завдань.

Навряд чи можливо запропонувати універсальну модель і архітектуру UOS, але найважливіший фактор - гранулярность абстракцій і API. При зростанні гранулярності збільшується гнучкість, але знижується швидкість виконання програми, тому при проектуванні архітектури UOS необхідно вибрати оптимальний компроміс.

Віртуалізація - ключова технологія в основі всіх ОС і SDX, але з появою UOS обчислення мігрують з центрального хмари на периферію, в тому числі на смартфони і пристрої Інтернету речей, тому потрібні малоресурсоемкіе технології віртуалізації, що забезпечують економічні абстракції і підтримку програмно-конфігуруються граничних обчислень.

У UOS для малих комп'ютерних систем і об'єктів необхідно забезпечити швидкодію додатків, що особливо важливо для сценаріїв, що вимагають високої пропускної здатності і масового паралелізму.

Не варто забувати і про приватність, адже ПО більш вразливе, ніж обладнання, а при наявності UOS програмне забезпечення стає центром системи або середовища, що робить його головною мішенню для атак.

Існуючі мови високого рівня, такі як Сі, C ++ і Java, розраховані на традиційні комп'ютери, а щоб можна було розробляти ефективні програми для UOS (скажімо, для ОС підприємства), будуть потрібні нові домен-специфічні мови.

прототип UOS

Інтернет-додатки нового типу, які характеризуються автономністю, взаємодією, ситуаційним виконанням, можливістю розвиватися і надійністю, отримали назву Internetware. Такі додатки складаються з набору програмних об'єктів, розподілених по Мережі, і набору конекторів, що забезпечують різні види взаємодії. Реагуючи на динамічну зміну середовища виконання, програмні об'єкти адаптуються до них, змінюючи свої структури і поведінку. В рамках дослідницького проекту сьогодні розробляються ОС для Internetware, що включають ряд програмно-конфігуруються технологій. Ядро ОС надає абстракції для управління хмарними і граничними ресурсами, а шар фреймворка додатків підтримує програми для різних областей застосування, в тому числі корпоративних середовищ, мобільних пристроїв і даних у вигляді сервісу (Device as a Service, DaaS). У таких ОС додаток працює поверх існуючих апаратних систем, в тому числі хмарних і граничних пристроїв.

- YanCloud. ОС для приватних хмар, що підтримує всі існуючі Гіпервізор (Xen, VMware і KVM) і надає програмно-конфігуровані можливості для систем управління хмарою. Використовується такими компаніями, як Lenovo і Founder.

- CampusOS. Прототип ОС для підтримки інтернет-додатків університетських кампусів, що дозволяє управляти ресурсами, а також даними студентів і викладачів, курсовими розкладами і заходами.

- YanDaaS. ОС для управління даними і обміну між успадкованими програмними системами, що об'єднує ізольовані успадковані системи і додатки шляхом автоматизованого створення API і розробки нових додатків без успадкованого вихідного коду. YanDaaS розгорнута в сотнях промислових систем в рамках китайської державної програми розумного міста.

***

У міру розвитку Інтернету речей з'являться UOS, що підтримують ефективне розгортання і управління повсюдними додатками нових видів. Але сьогодні ще не вирішено ряд важливих проблем, пов'язаних з архітектурою, продуктивністю, безпекою та конфіденційністю таких ОС. Проте працюючі прототипи UOS вже є, а сфера їх застосування буде поширюватися на безпілотні системи, управління виробничими процесами і комп'ютери, що імітують роботу головного мозку.

література

1. D. Milojicic, T. Roscoe. Outlook on Operating Systems // Computer. - 2016. Vol. 49, N. 1. - P. 43-51.
2. N. McKeown et al. OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks // ACM SIGCOMM Computer Communication Rev.- 2008. Vol. 38, N. 2. - P. 69-74.

Хун Мей ( [email protected] ) - професор, Яо Го ( [email protected] ) - професор, лабораторія високонадійних програмних технологій Пекінського університету.

Toward Ubiquitous Operating Systems: A Software-Defined Perspective, Hong Mei and Yao Guo, IEEE Computer, January 2018, IEEE Computer Society. All rights reserved. Reprinted with permission.