实时Linux：解锁高效能和可靠性的关键

    在一个日益数字化和互联的世界中，实时Linux作为一个关键技术，正在推动行业的快速发展。这种特殊类型的操作系统能够保证即时的计算反应，对于那些对时间敏感的应用来说至关重要。

行业趋势

     增长的市场需求：随着工业自动化、智能交通系统和物联网（IoT）的崛起，对实时操作系统的需求正在迅速增长。企业正寻求更可靠、响应更快的系统来支持他们的关键业务操作。

     开源的兴起：开源实时Linux由于其成本效益、灵活性和强大的社区支持而变得越来越流行。这种趋势鼓励了创新和快速发展，同时降低了技术的门槛。

     在近期的一个调研报告[1]指出：云计算和容器的日益普及正在为 Linux 操作系统市场带来巨大的增长机会。Linux 是一种开源操作系统，由于其灵活性、安全性和成本效益，已成为云基础设施和容器化的首选。Amazon Web Services (AWS) 和 Google Cloud Platform (GCP) 等主要云提供商的虚拟机和服务器实例严重依赖 Linux，因为 Linux 的开源性质与云平台的可扩展性和定制化原则非常契合。

     实时Linux结合容器技术，提供了高度灵活和可扩展的解决方案，特别适合于需要快速响应和高可靠性的应用场景。实时Linux能够保证关键任务及时执行，而容器技术则为应用提供了轻量级、隔离的运行环境。这种组合使得部署和管理复杂的实时应用变得更加高效，同时也提高了系统的整体性能和安全性。因此，实时Linux和容器技术的结合在工业自动化、物联网、云计算等领域的应用越来越广泛。

     此外，汽车、电信等行业的市场参与者正在采取各种策略来增强市场服务并提高客户满意度。例如，2023 年 2 月，Elektrobit 和 Canonical 联合开发了基于 Ubuntu 的 EB corbos Linux，这是业界首次将最大的开源 Linux 社区引入汽车软件。这一新解决方案为 OEM 和一级供应商提供了开源操作系统的优势和灵活性，用于开发软件定义车辆中的电子控制单元 (ECU)。它将 Canonical 提供的 Ubuntu 集成到满足汽车行业特定需求的解决方案中。此外，戴尔科技集团将于 2022 年 9 月推出与 Wind River 联合设计的新电信云基础设施解决方案，以帮助通信服务提供商降低复杂性并加速其云原生网络部署。为了进一步支持这些解决方案，戴尔的电信合作伙伴认证计划简化了技术合作伙伴在快速发展的开放技术生态系统中验证和集成其产品的流程。

技术趋势

     随着技术的不断进步，Linux操作系统在实时领域的发展日益受到重视。特别是在高性能计算、工业自动化和网络基础设施等领域，对实时性能的需求日益增长。下面是关于实时Linux操作系统最新技术趋势的分析，这些趋势反映了Linux内核在提高性能、增强功能和优化资源管理方面的最新进展。

     例如应用以及功能的合入和加强：实时Linux的核心补丁正在逐步合并到主线Linux内核中。这一进展意味着实时功能将更加普及，且易于访问。为了提高灵活性和效率，实时Linux正在集成更多的虚拟化和容器技术。这使得在同一硬件上运行多个隔离的实时应用成为可能。实时Linux对AI和机器学习的支持，以提供更智能、自适应的系统性能。

     又如操作系统调度策略的引入：引入基于eBPF的sched_ext调度类扩展: eBPF（Extended Berkeley Packet Filter）是一个强大的内核功能，允许用户在内核中运行预定义的程序，而无需更改内核代码或重新启动系统。通过eBPF扩展调度器（sched_ext），Linux内核能够提供更灵活的调度决策，优化实时性能和响应时间。引入EEVDF调度，EEVDF（Earliest Eligible Virtual Deadline First）是一种调度算法，它可以优化任务的响应时间和截止时间遵守，适用于高要求的实时环境。引入延后用户空间临界区内的抢占: 在用户空间代码的关键部分延迟或防止抢占可以减少上下文切换，提高实时任务的响应性和可预测性。用代理执行解决优先级反转问题: 优先级反转是实时系统中一个常见问题，其中低优先级任务阻塞高优先级任务的执行。使用代理执行模式可以解决这一问题，确保高优先级任务得到及时处理。

     再如创新的数据结构：per-VMA lock: VMA（Virtual Memory Area）锁是内存管理的一部分。针对每个VMA实现锁可以减少锁的粒度，从而降低争用并提高多线程应用的性能。NUMA系统上kernel代码段复制: 在NUMA（非统一内存访问）系统上，复制内核代码段可以减少跨节点的内存访问，降低延迟，提高性能。这对于实时系统尤其重要，因为它们需要快速且一致的响应时间。 Large folios/动态大页: 大页技术通过减少页表项数量来减少TLB（Translation Lookaside Buffer）缺失，从而提高内存访问效率。动态大页或large folios能够更好地适应应用程序的内存使用模式，进一步优化性能。文件系统large block支持: 支持大块的文件系统可以提高处理大文件时的效率，减少IO延迟，这对于需要高速数据处理的实时系统来说是一个重要优化。

     再如创新的用户态/内核态交互方式：引入 BPF通用迭代器。 通用迭代器是eBPF的一个功能，允许用户以安全的方式访问内核数据结构，有助于性能监控和问题诊断，对于保持实时系统的高性能运行至关重要。

     这些技术的共同目标是提高Linux系统的性能、可靠性和实时响应能力，特别是在对延迟敏感的应用领域，如嵌入式系统、工业控制、高频交易等。随着这些技术的发展和应用，我们可以预见Linux系统在实时领域的表现将不断提升。

行业应用
工业自动化

     实时Linux在制造业中扮演着核心角色，特别是在那些要求精确时间控制的应用中，如机器人控制和生产线管理。另外，Linux的开源开放以及高的模板化实现也是工业中越来越多地采用实时Linux的重要原因。正如《为什么在工业应用中使用基于Linux的嵌入式设备？》[2]指出的：“物联网或工业自动化实施中使用的嵌入式设备通常没有能力存储其操作不需要的大量操作系统组件。通过缩减 Linux 发行版以仅存储必要的内容，可以减少使用该操作系统的设备的大小和费用。”

汽车行业

     自动驾驶车辆和先进的驾驶辅助系统（ADAS）依赖于实时Linux来确保快速、准确的响应。正如《车辆中的 Linux 和软件容器》[3]一文指出：“软件容器是一种经过验证的软件打包方法，可以使其在任何环境下都可执行。这意味着打包在容器中的软件拥有在容器中运行所需的一切：文件系统、系统库、运行时环境。因此容器中的软件有自己的配置和环境。最初听起来像是很大的开销，但实际上比虚拟机要少得多，而且速度要快很多倍，每个虚拟机都包含自己的整个操作系统。Linux 作为操作系统提供了运行软件容器的可能性。例如，这可以通过程序podman来完成，它是一个用于在 Linux 上运行容器的容器引擎”。“通过使用Linux，我们有一个统一的 Linux 操作系统，能够在其上运行软件容器。我们在车辆本身、车辆周围的基础设施以及后端系统中都拥有这种能力。这意味着我们可以以软件容器的形式灵活地分发软件。这符合“构建一次，随处部署”的原则。我们可以在后端开发和测试软件，然后相对容易地在车辆中使用该软件。对于车辆到基础设施的通信，我们可以将软件从后端移动到基础设施中，例如智能交通灯系统、所谓的路边单元或MEC（移动边缘计算）单元等电信设备”。

                         图：在汽车行业使用Linux和容器的优势

电信行业

     实时Linux（Real-Time Linux）在电信行业的应用主要体现在其对高性能、高可靠性和实时响应的需求。电信行业包括了移动通信、互联网服务提供商、卫星通信等领域，这些领域对网络设备的稳定性和处理速度有极高的要求。以下是实时Linux在电信行业的几个主要应用场景：

     网络基础设施：在电信网络的核心部件，如路由器、交换机、基站控制器等设备中，实时Linux可以提供快速的数据处理能力和低延迟的网络响应。这对于保证数据传输的可靠性和效率至关重要。另外因为Linux的开源开放，研究和生产机构可以很方便地在其上实现通信协议创新和网络连接方式创新，能更好地引领技术进步。

     信号处理：在移动通信中，信号的实时处理对于维护网络质量和提供高质量服务是必不可少的。实时Linux系统能够快速处理信号，确保通信的连续性和稳定性。

     网络安全：随着网络攻击的增多，电信网络的安全性变得越来越重要。得益于构建在Linux至少的开源网络安全生态，实时Linux可以实时监控网络流量，及时检测和响应各种安全威胁，保护网络免受攻击。

     物联网（IoT）应用：在物联网领域，实时Linux可以用于处理来自大量IoT设备的数据。这些设备通常需要低功耗和高效的数据处理能力，加之Linux对外设的支持是所有操作系统中最全面的，所以实时Linux在这方面表现出色。

     根据 IDC 的预测[4]，到 2025 年，全球近 30% 的数据将需要实时处理。虽然企业需要不同级别的实时性能，并且期望的周期时间因特定工作负载和系统配置而异，但实时数据的快速增长预计未来几年时间的使用将继续并加速。[3]指出实时计算是行业向软件定义系统转型的决定性因素。从固定功能和专有架构到灵活动态的控制环境，实时Linux在向工业4.0的过渡中发挥着关键作用。实时 Linux 为时间敏感的应用程序提供确定性响应。新的实时 Linux 内核将通过保证时间可预测的任务执行以满足严格的低延迟要求，为下一代工业机器人、物联网和电信创新提供动力。通过[4]，我们还可以了解到几个值得关注的技术点：如何为时间敏感的应用程序实现确定性性能？实时的目标垂直领域和应用是什么？实时 Linux 如何在工厂车间实现物联网？

结论

     实时Linux作为一种关键技术，正在推动各行各业的数字化转型。随着技术的不断发展和应用领域的扩展，我们可以预期实时Linux将继续在全球范围内发挥其重要作用。

参考文献

[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

审核编辑 黄宇