物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统

沉舟侧畔千帆过，病树前头万木春

继计算机操作系统、嵌入式操作系统、手机操作系统之后，物联网操作系统进入了起步发展阶段。就目前的现状，物联网操作可以描述为：厂商山头林立、市场虚假繁荣、技术概念老旧、产品良莠不齐。

物联网操作系统产生的背景

应用需求催生了物联网操作系统的诞生。边缘计算的兴起，不仅解决了海量数据上云引起的网络阻塞、存储冗余、响应迟缓等问题，也为物联网操作系统的发展提供了机遇。边缘计算（将在丛书的第6卷中展开讲解）是物联网操作系统的重要应用领域之一。

高档微处理器奠定了物联网操作系统的硬件搭载基础。微处理器技术发展快速，32位MCU技术已经成熟，既可以在嵌入式设备终端和网关设备上使用，又可以在传感单元和执行单元上普遍使用。32位微处理器的硬件资源丰富，为物联网操作系统载体奠定了良好的硬件基础。例如，在MCU市场里，ARM完善的生态环境大大推动了物联网操作系统在内的嵌入式软件的发展。其他内嵌网络接口、A/D 转换、通信模块的微处理器芯片也不断出现，物联网操作系统的搭载基础越来越好。

此外，设备端的小型化、低功耗、安全性的趋势，以及通信协议之间的灵活转换、应用层对边缘计算能力的要求、复杂的设备测控软件，这些市场需求成了物联网操作系统产生的必要条件。

物联网操作系统的组成框架

物联网操作系统沿用了嵌入式操作系统中的技术，可以将该技术分为两种，一种是实时的，另一种是通用型的。物联网操作系统由内核、通信支持（Wi-Fi/蓝牙、2G、3G、4G、5G、NFC、RS232、PLC等）、外围组件（文件系统、GUI、Java虚拟机、XML文件解析器等）,以及集成开发环境等组成。

物联网操作系统的能力

设备管理能力：内核应该有一个基于总线或树结构的设备管理机制，可以动态加载存储在外部介质上的设备驱动程序或其他核心模块。只需要开发新的应用程序，就可以满足设备管理需求。

可扩展、可裁剪、可伸缩的架构：因为物联网应用环境具备广谱特性，要求操作系统必须能够扩展，以适应新的应用环境。将物联网操作系统的内核设计成框架结构，定义接口和规范就可以在操作系统内核上增加新的功能和硬件支持。对于资源（内存和CPU）受限的设备，内核软件的大小必须维持在10KB以内，具备基本的任务调度和通信功能即可。高配置的设备（具有边缘计算能力的服务器、具有路由功能的网关），其内核必须具备完善的线程调度、内存管理、本地存储、复杂的网络协议、图形用户界面等功能。这时内核软件的大小可以达到几百KB，甚至MB。内核软件大小的伸缩性通过两个措施来实现，即重新编译和二进制模块选择加载。重新编译需要根据不同的应用目标，选择所需要的功能模块，然后对内核进行重新编译；二进制模块选择加载，需要操作系统配置文件，在内核初始化完成后，会根据配置文件，选择加载所需要的二进制模块。

文件系统、外部存储能力：支持常用的文件系统和外部存储，支持FAT32、NTFS、DCFS等文件系统，支持硬盘、USB Stick、Flash和ROM等常用存储设备。

应用程序动态加载能力：物联网操作系统应提供一组API，供不同应用程序调用，而且这一组API应该根据操作系统所加载的外围模块实时变化。操作系统能够动态地从外部存储介质上按需加载应用程序，其内核和外围模块（GUI、网络等）提供基础支持，而各种各样的行业应用则通过应用程序来实现。

兼容的通信接入能力：支持物联网常用的无线和有线通信功能。比如，支持GPRS、3G、HSPA、4G等公共网络的无线通信功能，同时要支持 ZigBee、NFC、RFID、Wi-Fi、Bluetooth 等近场通信功能，还要支持 Ethernet、CAN、USB 有线网络功能，以及窄带通信技术NB-IoT 和LoRa。

完善的网络协议兼容和转换能力：物联网操作系统必须支持完善的TCP/IP协议栈，包括对IPv4和IPv6的同时支持。同时也支持丰富的IP协议族，比如Telnet、FTP、IPSec、SCTP等协议，以适用智能终端和高安全、高可靠的应用场合；不同的物理和链路层接口之上的协议之间要能够相互转换，把从一种协议获取到的数据报文转换成另一种协议报文发送出去。

设备的安全保护能力：支持内存保护（VMM等机制）和异常管理等机制，在必要时隔离错误代码。另外一个安全策略就是不开放源代码，或者不开放关键部分的内核源代码。物联网设备中很大一部分小型设备使用 MCU 和资源有限的微处理器，不开放它们的源代码能保护这些小型设备使其不受网络攻击和非法控制，以确保设备安全。

边缘计算能力：物联网设备连续不断地产生海量数据，如何管理和处理这些数据是摆在物联网企业面前的一个难题。边缘计算无疑是解决这个难题的有效技术手段之一。边缘计算是提高响应速度，改善网络阻塞的关键技术。

物联网操作系统的实时性：物联网设备的测量控制，很多关键性动作必须在有限的时间内完成，否则将失去意义。首先是中断响应的实时性，一旦外部中断发生，操作系统必须在足够短的时间内响应中断并做出处理；其次是线程或任务调度的实时性，一旦任务或线程所需的资源或进一步运行的条件准备就绪，必须马上得到调度执行。

物联网操作系统的可靠性：物联网应用环境具备自动化程度高、人为干预少的特点，这要求物联网操作系统必须足够可靠，以支撑长时间地独立运行和无故障运行。

功耗控制能力：操作系统内核应该在CPU空闲的时候降低CPU的运行频率，或干脆关闭CPU。对于周边设备，也应该实时判断其运行状态，一旦进入空闲状态，则切换到省电模式。例如，网络上发送和接收信息的一个个嵌入式计算小型设备（比如智能传感器），它们的测控方法和管理模式是快速执行、立即睡眠模式。

远程诊断、维护、升级能力：可大大降低运营成本。远程升级完成后，原有的设备配置和数据能够得以继续使用。在升级失败的情况下，操作系统也应该能够恢复原有的运行状态。远程升级和维护是物联网操作系统大规模部署、低成本运营的主要措施之一。

远程配置、管理能力：常见的远程操作项目有远程修改设备参数、远程查看运行信息、远程查看操作系统内核状态、远程调试线程或任务、远程转储（dump）内核状态等功能。

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关于《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》

《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》是“物联网工程实战丛书”的第3卷——《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》。《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》第1~2章由孙昊编写；第3章由杜秀芳编写，第4~7章由曾凡太编写；第8~9章由赵帅编写；第10章由王洋编写。曾凡太统筹全稿。《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》的出版首先感谢各位青年作者按时完成了写作计划！感谢欧振旭编辑的鼎力支持和出版社其他编辑的辛苦工作！《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》编写过程中参考了海量的技术文献，限于篇幅不能一一列出，深表歉意，在此对参考文献的原作者表示衷心的感谢！

《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》为“物联网工程实战丛书”的第3卷。书中从物联网工程的实际需求出发，阐述了物联网协议的相关知识及物联网操作系统的设计和开发理念，从源头告诉读者需要开发什么样的物联网操作系统。

《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》共10章。第1章阐述了与物联网联系比较紧密的几种网络通信协议；第2章阐述了路由器交换机原理及其设计与开发的要点；第3章对移动互联网Wi-Fi做了详细解析；第4章给出了操作系统的一般概念；第5章介绍了几种应用于资源受限设备的物联网操作系统；第6章介绍了几种嵌入式实时操作系统；第7章剖析了一种轻量级实时物联网操作系统Zephyr，给出了较为详细的应用开发指导；第8章阐述了比较流行的Ubunto操作系统；第9章详尽地讲解了路由器操作系统的开发流程，为物联网网关、智能路由器、边缘计算服务器的研发打下基础；第10章给出了嵌入式系统的底层驱动软件开发指导。

《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》适合作为高等院校物联网工程、通信工程、网络工程、电子信息工程、微电子和集成电路等相关专业的教材，也适合物联网协议的研究者和物联网操作系统的研发人员阅读。另外，《物联网之魂：物联网协议与物联网操作系统》还适合作为智慧城市建设等政府管理部门相关人员的参考读物。

孙昊，毕业于山东大学控制工程学院，获工学硕士学位。网络设备资深研发工程师。曾就职于华为技术公司，负责操作系统软件的架构设计，并担任C语言和Lua语言讲师。申请多项ISSU技术专利。现就职于浪潮电子信息产业股份有限公司，负责软件架构设计工作。

王洋，毕业于辽宁工程技术大学，获硕士学位。现就职于浪潮集团，任软件工程师。曾经发表多篇智能控制和设备驱动方面的论文。 

赵帅，毕业于沈阳航空航天大学。资深网络设备研发工程师，从事Android平板电脑系统嵌入式驱动层和应用层的开发工作。曾经在语音网关研发中改进了DSP中的语音编解码及回声抵消算法。现就职于浪潮电子信息产业股份有限公司。 

杜秀芳，毕业于山东大学控制科学与工程学院，获工学硕士学位。曾就职于群硕软件开发（北京）有限公司，任高级软件工程师，从事资源配置、软件测试和QA等工作。现为山东劳动职业技术学院机械工程系教师。 

曾凡太，山东大学信息科学与工程学院高级工程师。已经出版“EDA工程丛书”（共5卷，清华大学出版社出版）、《现代电子设计教程》（高等教育出版社出版）、《PCI总线与多媒体计算机》（电子工业出版社出版）等书，发表论文数十篇，申请发明专利4项。