第二届大会回顾第10期 | 低时延分布式共享设备研究与探索

演讲嘉宾 | 杜   东

回顾整理 | 廖   涛

排版校对 | 李萍萍

 

嘉宾介绍

 OS内核及视窗分论坛 

杜东，上海交通大学助理研究员，OpenHarmony项目群技术指导委员会并发与协同TSG成员，中国计算机学会CCF会员，ACM会员。研究兴趣为操作系统与体系结构、服务器无感知（Serverless）计算、系统安全。在包括ASPLOS、ISCA、OSDI、SOSP、ACM SoCC、TOCS等国际著名会议和期刊发表/录用多篇学术论文。

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正文内容

随着设备智能化程度的提升，以及跨设备的通讯协同需求日益增长，我们将迎来万物智联的新时代。分布式设备共享与协同是万物智联场景下操作系统的重要能力，如何进一步打造更低时延分布式共享设备？上海交通大学助理研究员杜东在第二届OpenHarmony技术大会上进行了精彩分享。

基于分布式共享设备，OpenHarmony上的应用可以实现跨设备的无缝流转以及跨场景的无缝协同。例如，在笔记本电脑和Pad上绘画，或者手机和笔记本电脑上玩娱乐游戏，由于这些终端设备都在一个设备池中，用户的任意操作均可在相关设备上同步进行，实时显示。

相比传统分布式共享内存(DSM)等经典技术,分布式设备面临更多挑战：

关键技术挑战一：面向分布式设备场景的应用编程抽象。

在传统设计中，应用基于跨设备SDK适配，如Android Cross-Device SDK: session API、iOS: Continuity camera等。这类设计不涉及硬件和内核的修改，仅在框架层支持或提供新的应用API，但需要修改框架和应用。其中，框架提供系统服务，实现类似C-S模型或者代理的架构，应用通过框架的系统服务来使用其他节点上的设备。应用基于新的API适应远端设备，可以在框架层支持兼容。

OpenHarmony的分布式设备如何实现应用无感知？在OpenHarmony的分布式设备之间，可以基于软总线的信道交换数据，并基于Mgr控制和同步数据。此外，在内核层面会虚拟化一个设备，并将数据上报至该虚拟设备中，则用户可以基于该虚拟设备对远端设备直接进行访问和控制。

因此，基于系统甚至内核能力构建分布式共享设备体系，能够使应用甚至操作系统框架无感知，提供友好的软件栈生态，是后续OpenHarmony技术演进的方向之一。但如此一来，很可能带来更加复杂的系统或内核实现，且还需要进一步考虑在应用无感知的情况下如何实现性能提升。

关键技术挑战二：面向分布式设备场景的硬件设备管理。

在分布式设备场景中，如何高效管理各硬件设备？有3个技术路线：

（1）本地管理，多端应用（RPC）。这种路线的软件栈兼容性较好，容错高，易于共享，但软件栈复杂，性能开销较大；

（2）跨端管理，独占应用。这种路线的兼容性较好，性能较高，但由于驱动分离，可靠性等挑战大；

（3）设备“智能”化。这种路线较好地平衡了应用兼容和性能，但协同性能、可靠性等存在较大挑战。

因此，可靠性与安全，是分布式共享硬件下一阶段的重要挑战。例如，互联的设备池中，可能出现设备错误、网络断联等问题。驱动和设备分离后，我们的代码能有多可靠？“恶意”设备将会变成常态，而防护会带来显著开销。

关键技术挑战三：面向分布式设备场景的互联协同。

传统网络协议栈如TCP、UDP、HTTP等，对可靠性保障较为成熟，能够支持多种设备和场景，但延时挑战大。OpenHarmony的软总线设计更底层，支持定制化协议，提供了多底层的通信方式。为什么说低时延是分布式设备的重要需求呢？因为端侧场景的“强交互”属性，对分布式设备时延提出了极高要求。同时，低时延、可扩展以及安全也是互联协同场景的主要挑战与开放问题。

在万物智联场景中，软硬件将同时面临性能挑战，而低时延是提升软硬件性能的关键。在硬件角度，需要探索更快的互联方式（5G及后续通信能力），通过软硬件协同的体系结构扩展支撑分布式共享设备；在软件角度，需要通过垂直整合，打通应用框架、驱动以及内核。

低时延的分布式共享设备为当前万物智联场景下面临的安全、性能、互联协同等挑战提供了解决方案：

（1）针对当前并非所有的设备上都有TEE相关的硬件支持，无法基于TEE来运行一些安全敏感应用的问题，可以基于分布式设备，构建一个安全算力统一的分布式可信执行环境，从而实现安全应用的计算和数据的安全高效迁移、将分布式TEE的算力和安全内存进行有效整合、服务提供方的选择对应用无感知等能力；

（2）针对分布式异构算力的易用性（兼容性）和性能的权衡问题，通过引入一层异构算力设备上的分布式全局内核层，结合迁移和进程间通信，能够平衡易用性和性能，且同时提供了跨设备的OS机制；

（3）针对当前的硬件/架构设计并不一定适合分布式设备场景的问题，基于硬件扩展构建分布式共享设备是一种新型的互联方式。这种互联方式能够基于CXL等新型总线，使分布式设备支持更加细粒度、低时延的协同通信，但同时也需要考虑硬件依赖（兼容性）等问题。

如何基于OpenHarmony打造更低时延、更高性能、更安全的分布式共享设备，赋能万物智联场景，希望能跟各位同仁共同探讨。

「嘉宾材料暂不分享」

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审核编辑 黄宇