面向5G行業(yè)終端的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)研究

ResearchonRealti感場(chǎng)景中，關(guān)鍵是降低網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延。隨著5G、新型短距等技術(shù)推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通 1 1 1 2 2 2 3 4 4 5 7 7 8 9 10 10 11 11 12 13 14 15 16 18 18 18 20 20 20 21 21 22 23 24 25 261面向5G行業(yè)終端的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)研究端的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性等關(guān)鍵指標(biāo)的要求，通過(guò)端側(cè)實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)研究，尤其承載時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)的5G行業(yè)終端。本報(bào)告同時(shí)提供PLC工業(yè)控制、高清視頻傳輸、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等場(chǎng)景分級(jí)解決方案，為相關(guān)業(yè)務(wù)研究人員提供參考。ApplicationProcessorAPIApplicationProgrammingInterfaceComputerNumericalCustomerPremiseEqHumanMachineInterfaceInter-ProcessCommuniMulti-AccessEdgeCompNPUNeural-networkProcessUnitsPeripheralComponentInterconnectExprePLCProgrammableLogicControSupervisoryControlAndSharedMemoryInter-ProcesVMM3定性分析時(shí)，可根據(jù)截止時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度分為硬實(shí)時(shí)、軟實(shí)時(shí)、務(wù)質(zhì)量（QoS）下降，其后果可以容忍和補(bǔ)救，超時(shí)的響應(yīng)仍然具有一定意義。時(shí)延是指數(shù)據(jù)(一個(gè)報(bào)文或分組)從網(wǎng)絡(luò)(或鏈路)的一端傳送到另一端所需要的總動(dòng)化場(chǎng)景中，執(zhí)行器或傳感器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制器以周期為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、安全性是指將具有高安全要求的關(guān)鍵應(yīng)用（或數(shù)據(jù)）與普通應(yīng)用（或數(shù)據(jù)）進(jìn)行分離，并針對(duì)性地實(shí)施差異化的安全策/循環(huán)周期低控制周期x50%中5信息<100ms----高<200ms控制周期x50%<200ms--信息<100ms-4~100Mbps圖15G典型場(chǎng)景的端到端時(shí)延構(gòu)成延=傳輸距離x光纖時(shí)延+PE節(jié)點(diǎn)數(shù)x定。其計(jì)算公式為：儀表測(cè)試=報(bào)文接受時(shí)間-發(fā)出時(shí)間，時(shí)間戳=出口時(shí)間戳-入7使得終端操作系統(tǒng)的處理時(shí)延占全部的比重上升），據(jù)工業(yè)積累經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)雙向時(shí)延<周期*20%，抖動(dòng)<周期*10%，其中周期指一個(gè)動(dòng)無(wú)法滿足需要，從而導(dǎo)致PLC實(shí)時(shí)工控任務(wù)難以在網(wǎng)為了解決上述應(yīng)用痛點(diǎn)，檢測(cè)設(shè)備、工業(yè)相機(jī)、遠(yuǎn)程IO、伺服電機(jī)等通過(guò)5G網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)機(jī)房側(cè)的邊緣控制器與現(xiàn)場(chǎng)傳感器、執(zhí)行部件之間的互9監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行，一方面將實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采集的多路視頻回傳到視頻中心，控制器、傳感器、儀表、RTU等低功耗設(shè)備則采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其中有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，能夠有效管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)us當(dāng)前嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)碎片化嚴(yán)重，共有上百種系統(tǒng)，常見(jiàn)的包括由于異構(gòu)操作系統(tǒng)無(wú)法統(tǒng)一，會(huì)造成總體設(shè)備數(shù)量激增，系統(tǒng)復(fù)雜度大幅增加。通用計(jì)算任務(wù)通用計(jì)算任務(wù)硬件硬件（2）不經(jīng)過(guò)操作系統(tǒng)，通過(guò)路由學(xué)習(xí)，將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口直接對(duì)應(yīng)。也是本相較于方案（1）和方案（2方案（3）為純硬件轉(zhuǎn)發(fā)方式，采用GSO、完整的相互獨(dú)立的虛擬化硬件資源，缺點(diǎn)是Hypervisor需要消耗大量資源，物（2）半虛擬化技術(shù)，是為了改善完全虛擬化的性能，通過(guò)定制的虛擬機(jī)操作系統(tǒng)使得其可以與Hypervisor通信，協(xié)同工作，并對(duì)其指令進(jìn)行了優(yōu)化，其典型代表為XEN。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于提高了虛擬化的性能和系統(tǒng)效率，缺點(diǎn)是虛擬硬件物理硬件物理硬件件虛擬化方案相比，微內(nèi)核Hypervisor更小、更穩(wěn)定、擴(kuò)展性更好，更適合用物理硬件物理硬件是RT-patch(Real-timePreemptionPatch)。對(duì)物理硬件物理硬件物理硬件物理硬件b.Linux雙內(nèi)核實(shí)時(shí)方案5G行業(yè)終端的實(shí)時(shí)性，成為業(yè)界的研究重點(diǎn)。本小節(jié)簡(jiǎn)要提出了端側(cè)的算力調(diào)第四，調(diào)度層，主要包括調(diào)度器、調(diào)度管理器、調(diào)度控制器、計(jì)算分配器、度和普通任務(wù)調(diào)度器。硬實(shí)時(shí)調(diào)度器，會(huì)直接生成硬實(shí)時(shí)任務(wù)，進(jìn)行計(jì)算分配，習(xí)生成合理的計(jì)算配置，會(huì)和監(jiān)控層結(jié)合，通過(guò)監(jiān)控層的數(shù)據(jù)來(lái)不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。5G行業(yè)終端側(cè)實(shí)時(shí)計(jì)算解決方案架構(gòu)可以細(xì)分為硬件層、實(shí)時(shí)虛擬化層、指令和輸入輸出地址區(qū)，并直接響應(yīng)硬件中斷，實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)虛擬化的運(yùn)行環(huán)境。a.傳統(tǒng)硬件虛擬化結(jié)構(gòu)示意圖b.高實(shí)時(shí)微內(nèi)核虛擬化非實(shí)時(shí)系統(tǒng)及實(shí)時(shí)系統(tǒng)間任意兩者的高速通信。實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)TTOSTTOSTTOS非實(shí)時(shí)系統(tǒng)TTOSTTOSTTOS非實(shí)時(shí)系統(tǒng)虛擬網(wǎng)卡/享內(nèi)存/SMIPC/共虛擬網(wǎng)卡/享內(nèi)存/SMIPC/共虛擬中斷虛擬網(wǎng)卡/共享享內(nèi)存/虛擬中斷等的IO密集型負(fù)載消耗的時(shí)間。本方案使用kernelbypass（內(nèi)核旁路）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這是一種繞過(guò)操作系統(tǒng)內(nèi)核樣就不存在上述所說(shuō)的系統(tǒng)中斷、上下文切換、系統(tǒng)調(diào)用、系統(tǒng)調(diào)度等等問(wèn)題。圖16高速網(wǎng)卡kernelbypass方案如中大型機(jī)械手臂抓取、控制汽車行業(yè)機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程，本方案在原來(lái)通用Linux以充分利用CPU多核，提升性能。處于節(jié)能模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將中斷集中分配給表4不同方案場(chǎng)景需求和方案對(duì)比表無(wú)無(wú)型信