張麗靜 孔玲 曾晨曦 馬霽陽

(1.中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室 北京 100191；2. 中國人民解放軍 93303 部隊(duì)，沈陽 110069)

0 引言

移動操作系統(tǒng)是移動智能終端設(shè)備的核心部件，是連接下層硬件與上層應(yīng)用生態(tài)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，在移動操作系統(tǒng)領(lǐng)域安卓和iOS占據(jù)絕對統(tǒng)治地位。

隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，移動終端操作系統(tǒng)的概念和應(yīng)用范疇逐步由手機(jī)、平板等開始向外進(jìn)行延展。5G“大帶寬、低時(shí)延、廣聯(lián)接”將全面賦能智能制造、自動駕駛、AR/VR應(yīng)用、4K/8K視頻等行業(yè)，移動生態(tài)中必將引入諸如多屏互動、跨終端使用、多終端協(xié)同等新業(yè)務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得移動智能終端產(chǎn)品形態(tài)從智能手機(jī)延伸到智能可穿戴、智能家居、智能車載、智能無人設(shè)備、醫(yī)療健康等領(lǐng)域。5G+AIoT的發(fā)展及終端產(chǎn)品形態(tài)的變化孕育著跨終端、全場景式操作系統(tǒng)崛起的機(jī)會。目前，科技巨頭紛紛投入新型移動操作系統(tǒng)研發(fā)中，華為于2021年開源面向128 KB～128 MB內(nèi)存終端設(shè)備的鴻蒙OS 2.0，鴻蒙OS 2.0是面向全場景生態(tài)的新一代智能終端操作系統(tǒng)。鴻蒙作為新一代智能終端操作系統(tǒng)當(dāng)前面臨的最核心問題是生態(tài)，建立有效的測試驗(yàn)證體系，是推動新型移動操作系統(tǒng)健康發(fā)展的基礎(chǔ)和保證。

1 新型移動操作系統(tǒng)特性

鴻蒙作為新一代智能終端操作系統(tǒng)，具有以下特性。

(1)首次將分布式架構(gòu)應(yīng)用于移動操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跨終端的無縫協(xié)同體驗(yàn)

鴻蒙獨(dú)創(chuàng)分布式軟總線技術(shù)使得硬件能力虛擬化，讓多終端能力共享，互為外設(shè)，終端設(shè)備打破硬件邊界；分布式數(shù)據(jù)管理讓跨設(shè)備數(shù)據(jù)處理如同本地一樣方便快捷，設(shè)備之間可以跨設(shè)備調(diào)度硬件能力，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、算力共享、AI共享，最終消費(fèi)者能夠享受到強(qiáng)大的跨終端業(yè)務(wù)協(xié)同能力為每個(gè)使用場景帶來的無縫體驗(yàn)。

(2)確定性延遲引擎和高性能IPC技術(shù)讓系統(tǒng)自然流暢

鴻蒙OS通過使用確定時(shí)延引擎和高性能IPC兩大技術(shù)解決現(xiàn)有系統(tǒng)性能不足的問題。確定時(shí)延引擎可在任務(wù)執(zhí)行前分配系統(tǒng)中任務(wù)執(zhí)行優(yōu)先級和時(shí)間限制，以進(jìn)行調(diào)度處理，優(yōu)先級高的任務(wù)資源將優(yōu)先保障調(diào)度，應(yīng)用響應(yīng)時(shí)延降低25.7%。鴻蒙微內(nèi)核結(jié)構(gòu)小巧的特性使IPC(進(jìn)程間通信)性能大大提高，進(jìn)程通信效率較現(xiàn)有系統(tǒng)提升5倍。

(3)基于微內(nèi)核架構(gòu)重塑終端設(shè)備可信安全

鴻蒙OS采用全新的微內(nèi)核設(shè)計(jì)，擁有更強(qiáng)的安全特性和低時(shí)延等特點(diǎn)。微內(nèi)核設(shè)計(jì)的基本思想是簡化內(nèi)核功能，在內(nèi)核之外的用戶態(tài)盡可能多地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)加入相互之間的安全保護(hù)。微內(nèi)核只提供最基礎(chǔ)的服務(wù)，比如多進(jìn)程調(diào)度和多進(jìn)程通信等。鴻蒙OS將微內(nèi)核技術(shù)應(yīng)用于可信執(zhí)行環(huán)境(TEE)，通過形式化方法，重塑可信安全。同時(shí)由于鴻蒙OS微內(nèi)核的代碼量只有Linux宏內(nèi)核的千分之一，其受攻擊概率也大幅降低。

2 測試驗(yàn)證體系分析

新一代移動操作系統(tǒng)具有全場景流暢體驗(yàn)、跨終端無縫協(xié)同等新特性，對操作系統(tǒng)適配兼容能力提出更高要求，開展適配兼容驗(yàn)證對新型移動操作系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。此外，移動操作系統(tǒng)測試驗(yàn)證還需兼顧上下游生態(tài)要素協(xié)同發(fā)展。如圖1所示，按生態(tài)要素及模塊間相互關(guān)系，移動操作系統(tǒng)測試驗(yàn)證可劃分為“適配兼容能力驗(yàn)證”和“生態(tài)要素測試驗(yàn)證”兩部分。適配兼容驗(yàn)證聚焦操作系統(tǒng)與其生態(tài)要素間聯(lián)動，驗(yàn)證移動操作系統(tǒng)軟件、硬件和服務(wù)生態(tài)的適配兼容性；生態(tài)要素測試驗(yàn)證重點(diǎn)從操作系統(tǒng)、終端整機(jī)/軟件、應(yīng)用軟件和安全性4個(gè)維度測試操作系統(tǒng)功能和性能。

圖1 新型移動操作系統(tǒng)測試驗(yàn)證體系

3 適配兼容能力測試驗(yàn)證方法研究

如圖2所示，新型移動操作系統(tǒng)存在硬件、軟件和服務(wù)生態(tài)三方面的適配兼容問題，適配兼容驗(yàn)證主要針對這幾方面的問題進(jìn)行研究驗(yàn)證。

圖2 新型移動操作系統(tǒng)適配兼容分析

硬件適配能力主要解決操作系統(tǒng)與底層硬件設(shè)備之間的適配兼容能力。硬件適配能力可以從外圍硬件適配能力、驅(qū)動適配能力、多終端/跨終端能力和跨場景適配驗(yàn)證四方面展開驗(yàn)證。操作系統(tǒng)必須和硬件配合才能調(diào)度管理硬件的各類資源。如圖3所示，硬件適配層位于操作系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動程序之上，是運(yùn)行在用戶空間中的服務(wù)程序。硬件適配層并不提供對硬件的實(shí)際操作，對硬件的實(shí)際操作仍然由具體的驅(qū)動程序來完成。操作系統(tǒng)硬件適配層需要根據(jù)不同類型的硬件分別進(jìn)行API標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的驅(qū)動程序接入到操作系統(tǒng)中，包括藍(lán)牙、USB、GPD、網(wǎng)卡、存儲、CPU、GPU、麥克風(fēng)等硬件接入。外圍硬件驅(qū)動程序一般是由硬件開發(fā)商完成的。操作系統(tǒng)通常會提供開發(fā)接口給硬件開發(fā)商，硬件開發(fā)商可以根據(jù)這個(gè)接口開發(fā)程序驅(qū)動他們的硬件。硬件適配層兼容需要驗(yàn)證操作系統(tǒng)硬件適配層API接口的兼容性；驅(qū)動適配能力需要驗(yàn)證所有硬件適配接口的正確性；多終端/跨終端適配能力驗(yàn)證主要驗(yàn)證操作系統(tǒng)在不同類型的終端(如手機(jī)、TV、車載、IoT等)設(shè)備上的人機(jī)交互、顯示、功能等的兼容性；跨場景適配驗(yàn)證需要驗(yàn)證新型移動操作系統(tǒng)在不同使用場景(如弱網(wǎng)絡(luò)情況、5G)下和不同業(yè)務(wù)(車載、IoT等)需求下的兼容性問題。

圖3 操作系統(tǒng)層次關(guān)系圖

軟件兼容性主要解決操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件之間的使用兼容性問題，以及操作系統(tǒng)自身的版本兼容性問題。下面從操作系統(tǒng)兼容性和應(yīng)用軟件兼容性兩個(gè)方面進(jìn)行研究。操作系統(tǒng)兼容性體現(xiàn)在應(yīng)用程序在不同的操作系統(tǒng)版本和終端平臺上進(jìn)行安裝、運(yùn)行、卸載等操作的成功率。操作系統(tǒng)兼容性保證開發(fā)者和用戶在不同版本的操作系統(tǒng)上使用體驗(yàn)一致。由于新型移動操作系統(tǒng)區(qū)域別于安卓操作系統(tǒng)，采用全新微內(nèi)核架構(gòu)體系，兼容性問題涉及新型移動操作系統(tǒng)的架構(gòu)、拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)通信模型、進(jìn)程間通信、內(nèi)存分配、任務(wù)調(diào)度、文件存儲、系統(tǒng)容錯(cuò)、冗余以及數(shù)據(jù)一致性等模塊的兼容性需求。應(yīng)用軟件兼容性是指新型移動操作系統(tǒng)與其上層應(yīng)用軟件之間的兼容情況，即在可能出現(xiàn)的操作系統(tǒng)碎片化情況下，應(yīng)用軟件是否能在新型移動操作系統(tǒng)上正常的運(yùn)行和使用。新型移動操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件形態(tài)主要包括原生應(yīng)用、當(dāng)前生態(tài)主流應(yīng)用和即時(shí)應(yīng)用三大類。新型移動操作系統(tǒng)的軟件兼容性驗(yàn)證是指對原生應(yīng)用、當(dāng)前生態(tài)主流應(yīng)用以及即時(shí)應(yīng)用三大類應(yīng)用軟件在跨終端、跨使用場景、跨業(yè)務(wù)場景下的兼容性測試驗(yàn)證。測試應(yīng)涵蓋對不同設(shè)備的硬件兼容、界面顯示兼容、分辨率兼容、安全軟件兼容、版本兼容、網(wǎng)絡(luò)兼容等內(nèi)容；測試軟件運(yùn)行穩(wěn)定性，檢測軟件是否出現(xiàn)卡頓、閃退、程序意外終止等情況；測試軟件之間的兼容性，在已安裝其他軟件的前提下安裝/卸載待測軟件、在已運(yùn)行其他軟件的前提下運(yùn)行待測軟件、在已安裝待測軟件的前提下安裝/卸載其他軟件、在已運(yùn)行待測軟件的前提下運(yùn)行其他軟件，檢查待測軟件和其他軟件的響應(yīng)情況。

服務(wù)生態(tài)兼容性主要研究新型移動操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)移動服務(wù)和IoT接入兼容適配問題。操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)服務(wù)包括地圖服務(wù)、推送服務(wù)、應(yīng)用商店、云端賬號系統(tǒng)、云端存儲、云端計(jì)算等?；A(chǔ)移動服務(wù)兼容性驗(yàn)證類似于谷歌的GMS要求，對包括核心應(yīng)用服務(wù)UI要求、應(yīng)用存儲要求、用戶數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)格式要求、應(yīng)用預(yù)加載要求、主屏幕布局要求等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測試，實(shí)現(xiàn)對新型移動操作系統(tǒng)生態(tài)的把控；IoT接入兼容適配是對第三方智能硬件接入的API標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議進(jìn)行兼容性驗(yàn)證。不同的智能化硬件需要適配API標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議對應(yīng)的版本，形成向上可連接業(yè)務(wù)場景，提供豐富的技術(shù)框架和能力，向下可適配主流硬件、發(fā)揮最大性能、抽象能力接口、簡化開發(fā)難度等能力，打造完整的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入方案。

4 生態(tài)要素測試驗(yàn)證研究

依照操作系統(tǒng)生態(tài)要素，新型移動操作系統(tǒng)測試驗(yàn)證體系可以分為操作系統(tǒng)測試驗(yàn)證、終端整機(jī)/軟件測試驗(yàn)證、應(yīng)用性能測試驗(yàn)證和安全性測試驗(yàn)證4個(gè)維度(見圖4)。

圖4 移動操作系統(tǒng)測試驗(yàn)證體系

操作系統(tǒng)測試驗(yàn)證根據(jù)其技術(shù)架構(gòu)可以分為內(nèi)核和核心組件兩部分。其中內(nèi)核層測試主要測試硬件性能、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理和文件系統(tǒng)管理等基本內(nèi)核功能元素的性能。硬件性能主要是從硬盤讀寫性能、網(wǎng)絡(luò)性能以及浮點(diǎn)計(jì)算能力三方面進(jìn)行測試；內(nèi)存管理測試包含內(nèi)存性能和內(nèi)存壓力測試；進(jìn)程管理測試包含進(jìn)程或線程的壓力測試，以及進(jìn)程之間通信的性能情況；文件系統(tǒng)測試主要針對文件系統(tǒng)進(jìn)行壓力測試，以驗(yàn)證其能力瓶頸。核心組件測試主要針對通信能力、圖形渲染能力、多媒體性能和數(shù)學(xué)運(yùn)算性能進(jìn)行測試。通信能力聚焦于駐網(wǎng)時(shí)間；圖形渲染能力主要關(guān)注2D和3D圖形的渲染能力；多媒體性能方面包含圖像顯示、視頻顯示和音頻播放3類測試對象；數(shù)學(xué)運(yùn)算采用斐波那契數(shù)列、AES/RSA/SHA256加解密等運(yùn)算模型來衡量操作系統(tǒng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。

非安全類的應(yīng)用軟件測試主要針對其用戶體驗(yàn)性能，包括應(yīng)用軟件系統(tǒng)資源占用和網(wǎng)絡(luò)使用效率。系統(tǒng)資源占用包括其對計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、電量等不同系統(tǒng)資源使用的有效性；網(wǎng)絡(luò)資源使用效率是指應(yīng)用軟件是否有合理地使用終端有限的網(wǎng)絡(luò)資源，如帶寬、流量等。根據(jù)不同終端使用場景，為應(yīng)用軟件定義不同的使用標(biāo)準(zhǔn)，以滿足不同使用場景的需求，如車機(jī)場景需加入安全性需求、多屏顯示場景和多屏適配等特殊場景需求。

整機(jī)性能綜合了操作系統(tǒng)、終端硬件、終端軟件等多方面因素，從整機(jī)的角度對終端整體進(jìn)行質(zhì)量方面的性能測試評估，具體包括硬件基準(zhǔn)性能、空間資源使用、可靠性、時(shí)間性能，終端發(fā)熱和功耗6個(gè)維度?；鶞?zhǔn)性能測試用來評測移動智能終端操作系統(tǒng)驅(qū)動相關(guān)硬件的各項(xiàng)性能指標(biāo)，反映終端性能、功耗和用戶體驗(yàn)水平；空間資源使用主要包含系統(tǒng)使用存儲空間大小和系統(tǒng)內(nèi)存占用空間大小兩項(xiàng)測試指標(biāo)；可靠性是檢測終端在容量極限逼近的情況(如多并發(fā)、復(fù)雜場景或長時(shí)間運(yùn)行等壓力情況)下的穩(wěn)定性、開關(guān)機(jī)穩(wěn)定性以及是否有異常掉電情況等；時(shí)間性能包括其在運(yùn)行過程中的響應(yīng)時(shí)間、交互流暢度、切換流暢度等時(shí)間效率類指標(biāo)；終端發(fā)熱指終端在不同的運(yùn)行場景下，其整機(jī)設(shè)備的發(fā)熱情況；終端功耗指在不同場景下，其待機(jī)時(shí)長和整機(jī)耗電情況。

安全性涉及操作系統(tǒng)各生態(tài)要素，是移動操作系統(tǒng)測試驗(yàn)證中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。安全性測試針對智能終端操作系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行安全評測，通過硬件安全測試、操作系統(tǒng)安全測試來評估移動智能終端操作系統(tǒng)抵御外部攻擊的能力，確保對操作系統(tǒng)整體安全性的可知可控；通過對智能終端應(yīng)用軟件進(jìn)行安全檢測，助力于構(gòu)建安全可靠的智能終端移動應(yīng)用生態(tài)環(huán)境。

5 測試驗(yàn)證場景研究

新型移動操作系統(tǒng)是伴隨著5G+AIoT的萬物互聯(lián)新時(shí)代產(chǎn)生的，能夠同時(shí)滿足全場景流暢體驗(yàn)，對其進(jìn)行跨場景適配驗(yàn)證應(yīng)在5G和物聯(lián)網(wǎng)場景下進(jìn)行。

新型移動操作系統(tǒng)具備5G的大連接、低時(shí)延、高速率等特性，以及云化、切片化的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，應(yīng)支持5G的eMBB、mMTC和uRLLC三大核心場景：

(1)eMBB 典型應(yīng)用包括超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等。這類場景首先對帶寬要求極高，關(guān)鍵的性能指標(biāo)包括100 Mbit/s用戶體驗(yàn)速率(熱點(diǎn)場景可達(dá)1 Gbit/s)、數(shù)十Gbit/s峰值速率、每平方公里數(shù)十Tbit/s的流量密度、每小時(shí) 500 km以上的移動性等。其次，涉及到交互類操作的應(yīng)用還對時(shí)延敏感，例如虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸體驗(yàn)對時(shí)延要求在10 ms量級。

(2)uRLLC典型應(yīng)用包括工業(yè)控制、無人機(jī)控制、智能駕駛控制等。這類場景聚焦對時(shí)延極其敏感的業(yè)務(wù)，高可靠性也是其基本要求。自動駕駛、實(shí)時(shí)監(jiān)測等要求毫秒級的時(shí)延，汽車生產(chǎn)、工業(yè)機(jī)器設(shè)備加工制造時(shí)延要求為10 ms級，可用性要求接近100%。

(3)mMTC 典型應(yīng)用包括智能家居、智能健康等。這類應(yīng)用對連接密度要求較高，同時(shí)呈現(xiàn)行業(yè)多樣性和差異化。智慧城市中的抄表應(yīng)用要求終端成本低功耗，網(wǎng)絡(luò)支持海量連接的小數(shù)據(jù)包；視頻監(jiān)控不僅部署密度高，還要求終端和網(wǎng)絡(luò)支持高速率；智能家居業(yè)務(wù)對時(shí)延要求相對不敏感。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及帶動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品逐漸融入用戶日常工作和生活的方方面面。目前，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品覆蓋智能家庭、智慧社區(qū)、智慧辦公、智能座艙、智慧健康等多種不同場景。物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)帶來的新需求推動操作系統(tǒng)向跨終端泛終端等多種新場景轉(zhuǎn)變，新型移動操作系統(tǒng)的測試場景也隨之向泛終端的智慧新場景轉(zhuǎn)變。為適應(yīng)新型移動操作系統(tǒng)多終端/跨終端等適配性檢測需求，應(yīng)引入新型物聯(lián)網(wǎng)全場景。為保證最大程度的覆蓋操作系統(tǒng)的使用場景，可以將圍繞智能家居與社區(qū)、車內(nèi)智能化和智慧辦公3類與新型移動操作系統(tǒng)最為密切的使用場景作為測試場景。

6 結(jié)束語

對新型移動操作系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證能夠促進(jìn)我國移動操作系統(tǒng)健康、協(xié)同發(fā)展，為我國移動操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)提供質(zhì)量保障。本文通過研究新型移動操作系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)新型移動操作系統(tǒng)存在的跨終端協(xié)同、跨平臺運(yùn)行的兼容適配問題，對新型移動操作系統(tǒng)的適配兼容能力驗(yàn)證方法和生態(tài)各要素以及測試場景進(jìn)行研究。本文探討了由底層硬件到上層軟件多層次、多部件、多模塊的適配兼容性驗(yàn)證，研究了操作系統(tǒng)、終端整機(jī)/軟件、應(yīng)用性能和安全性的測試驗(yàn)證方法，從5G和物聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)方面提出了應(yīng)當(dāng)構(gòu)建的測試場景。新型移動操作系統(tǒng)測試驗(yàn)證體系研究提供了完備的具有實(shí)操性的移動操作系統(tǒng)測試驗(yàn)證方法，為今后建設(shè)面向泛終端設(shè)備的新型移動操作系統(tǒng)適配驗(yàn)證能力平臺打下基礎(chǔ)。