面向5G行业终端的实时计算技术研究2023

ResearchonRealti2022-01-C-0102022-01-C-010感场景中，关键是降低网络端到端时延。随着5G、新型短距等技术推动网络通有限公司、紫光展锐（上海）科技有限公司2022-01-C-0102022-01-C-010 12规范性引用文件 1 145G行业终端实时计算需求分析 24.15G应用场景性能需求 2 2 3 44.2典型场景的业务性能指标 44.35G典型场景的端到端时延构成分析 555G行业终端实时计算典型场景 7 7 8 9 10 10 1175G行业终端实时计算关键技术 11 12 13 142022-01-C-0102022-01-C-010 15 1685G行业终端实时计算解决方案 18 188.1.1虚拟化层实时性优化 18 20 20 208.3高清视频传输解决方案 21 218.3.2虚拟化层实时性优化 22 23 24 25 2612022-01-C-0102022-01-C-010面向5G行业终端的实时计算技术研究端的实时性、可靠性和安全性等关键指标的要求，通过端侧实时计算技术研究，视频传输、网络数据转发等场景分级解决方案，为相关业务研究人员提供参考。ApplicationProcessorAPIApplicationProgrammingInterfaceComputerNumericalCustomerPremiseEq2022-01-C-0102022-01-C-010HumanMachineInterfaceInter-ProcessCommuniMulti-AccessEdgeCompNPUNeural-networkProcessUnitsPeripheralComponentInterconnectExprePLCProgrammableLogicControSupervisoryControlAndSharedMemoryInter-ProcesVMM;2022-01-C-0102022-01-C-010定性分析时，可根据截止时间对系统性能的影响程度分为硬实时、软实时、时延是指数据(一个报文或分组)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需要的总动化场景中，执行器或传感器等现场设备和控制器以周期为单位进行数据交换、2022-01-C-0102022-01-C-010安全性是指将具有高安全要求的关键应用（或数据）与普通应用（或数据）/循环周期低控制周期x50%中52022-01-C-0102022-01-C-010信息<100ms----高<200ms控制周期x50%<200ms--信息<100ms-99.9%~99.4~100Mbps2022-01-C-0102022-01-C-01072022-01-C-0102022-01-C-010使得终端操作系统的处理时延占全部的比重上升到约），2022-01-C-0102022-01-C-010为了解决上述应用痛点，检测设备、工业相机、远程IO、伺服电机等通过5G网关接入网络，实现机房侧的边缘控制器与现场传感器、执行部件之间的互92022-01-C-0102022-01-C-0102022-01-C-0102022-01-C-010监控现场机器设备的运行，一方面将实时现场采集的多路视频回传到视频中心，控制器、传感器、仪表、RTU等低功耗设备则采用嵌入式实时操作系统，其中2022-01-C-0102022-01-C-010有通用操作系统的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源，同时可以实现us当前嵌入式实时操作系统碎片化严重，共有上百种系统，常见的包括2022-01-C-0102022-01-C-010通用计算任务通用计算任务硬件硬件2022-01-C-0102022-01-C-010（2）不经过操作系统，通过路由学习，将两个网络接口直接对应。也是本相较于方案（1）和方案（2方案（3）为纯硬件转发方式，采用GSO、2022-01-C-0102022-01-C-010完整的相互独立的虚拟化硬件资源，缺点是Hypervisor需要消耗大量资源，物（2）半虚拟化技术，是为了改善完全虚拟化的性能，通过定制的虚拟机操作系统使得其可以与Hypervisor通信，协同工作，并对其指令进行了优化，其典型代表为XEN。该技术的优点在于提高了虚拟化的性能和系统效率，缺点是物理硬件虚拟硬件件虚拟化方案相比，微内核Hypervisor更小、更稳定、扩展性更好，更适合用物理硬件2022-01-C-0102022-01-C-010是RT-patch(Real-timePre2022-01-C-0102022-01-C-010物理硬件物理硬件b.Linux双内核实时方案第四，调度层，主要包括调度器、调度管理器、调度控制器、计算分配器、2022-01-C-0102022-01-C-010度和普通任务调度器。硬实时调度器，会直接生成硬实时任务，进行计算分配，习生成合理的计算配置，会和监控层结合，通过监控层的数据来不断优化网络。2022-01-C-0102022-01-C-0105G行业终端侧实时计算解决方案架构可以细分为硬件层、实时虚拟化层、2022-01-C-0102022-01-C-010指令和输入输出地址区，并直接响应硬件中断，实现高实时虚拟化的运行环境。a.传统硬件虚拟化结构示意图b.高实时微内核虚拟化TTOSTTOSTTOSTTOSTTOSTTOS2022-01-C-0102022-01-C-010非实时系统及实时系统间任意两者的高速通信。实时系统实时系统非实时系统非实时系统虚拟网卡/共享虚拟网卡/SMIPC/共享内存/虚拟中断虚拟网卡/SMIPC/共享内存/虚拟中断8.2.1硬件层实时性优化2022-01-C-0102022-01-C-0108.3.1应用层实时性优化2022-01-C-0102022-01-C-010样就不存在上述所说的系统中断、上下文切换、系统调用、系统调度等等问题。图16高速网卡kernelbypass方案如中大型机械手臂抓取、控制汽车行业机械生产过程，本方案在原来通用Linux抢占，使中断线程化，这样中断处理程序也可以被调度，自旋锁转换为互斥锁，2022-01-C-0102022-01-C-0102022-01-C-0102022-01-C-010以充分利用CPU多核，提升性能。处于节能模式时，系统会将中断集中分配给表4不同方案场景需求和方案对比表无无型信2022-01-C-0102022-01-C-010a.虚拟化层北向接口。根据业务分配不同的资源，包括实时虚拟化层和5G行业终端将从一个独立的终端设备向多种资源共享的端侧算力网络发展，如2022-01-C-0102022-01-C-010中国工业操作系统发展白皮书[R].浙江蓝卓工业互联网信息技术有限公司,Real-TimeComputing:ANewDisciplineofComputerScien