一种基于容器的可定制轻量化边缘操作系统

本发明属于工业互联网领域，特别是涉及一种基于容器的可定制轻量化边缘操作系统。

背景技术：

1、工业互联网是将传统工业系统与互联网技术相结合的概念，旨在实现工业生产和管理的数字化、网络化和智能化。核心目标是通过互联网、物联网、大数据、人工智能等技术手段，将工业设备、生产过程和管理决策进行连接和集成，实现信息的流动和共享，提高生产效率、降低成本，并创造新的商业价值。

2、工业大数据在智能制造中发挥着关键作用，特别是在实现系统内外因素交互的快速响应方面。一方面工业设备产生的大量加工数据给数据的云端传输和存储带来了巨大压力；另一方面人、机、物全要素互联趋势下，接入终端急剧增长，数据分散性、碎片化加剧，伴随着生产业务实时性、可靠性和协作性等需求的不断提高，现有云端模式处理能力捉襟见肘。

3、边缘计算是一种新兴的计算模式，其核心思想是将数据处理和存储等计算任务从传统的集中式云计算模式下移到离数据源更近的边缘设备上进行处理，以降低延迟、减少数据传输、提高隐私安全性，并支持更实时的应用场景。边缘计算工业互联网平台的重要组成部分，具有从设备连接到边缘智能的一系列重要功能，已广泛应用于物联网。但是边缘端由于资源限制，计算能力较弱；且传统的操作系统体量较大，功能较多，有许多并不需要在特定边缘端实现的功能，这就造成了资源浪费。

4、容器是一种虚拟化技术，用于将应用程序及其依赖项打包到一个可移植的环境之中，以便在不同的计算机上运行。

5、容器化技术使得应用程序能够以一种轻量、快速且可移植的方式在不同的环境中部署和运行。这一方面目前已经有比较广泛的应用。目前比较常用的容器是docker。docker作为一个使用go语言来实现的开源项目，是基于lxc（linux container）内核虚拟化技术发展而来的，它通过对容器的使用进行优化，包含引擎、镜像、容器和仓库四个核心组件。docker的工作方式是将用户所需的应用程序或服务以及其以来的系统环境创建为一个独立的镜像，然后将该镜像放在容器中运行。创建好的镜像可以存储在仓库中，方便用户在不同的设备上下载并直接运行，无须重复构建操作。

6、coreos是一个专为容器化应用和分布式系统设计的轻量级 linux 发行版。它采用了一系列创新的技术和工具，以提供高可用性、可靠性和安全性的基础设施支持。coreos的核心原理是基于容器化架构实现高可用性和自动化更新。它采用 docker 容器实现应用的隔离和部署，并使用 kubernetes 进行容器编排。在系统更新方面，coreos 使用分区双系统（a/b 分区）来保证更新时系统的高可用性，同时也可以回滚到之前的版本。此外，coreos 的根文件系统是只读的，减少了系统修改和潜在的安全风险。coreos 在云原生应用开发和部署、大规模容器化环境、分布式存储和数据处理、边缘计算和物联网、安全和隔离性应用这几个领域有广泛应用。coreos优点包括轻量化设计、容器化架构、自动化更新等。但是，coreos依赖于云服务，无法在单独在边缘端应用。此外，coreos不支持定制化构建操作系统，因此，在工业互联网中应用受到限制。

技术实现思路

1、针对现有技术的问题，本发明提出了一种基于容器的可定制轻量化边缘操作系统，为一种面向边缘端，为解决边缘端资源限制而提出的新的操作系统。

2、本发明要解决的技术问题是：

3、1、现有操作系统边缘端计算能力较弱的问题，

4、2、边缘端操作系统部署难度较高的问题。

5、针对边缘端计算能力较弱的问题，通过构建定制化的操作系统，仅在边缘端部署特定的应用组件，将有限的资源全部投放计算能力上，进而在一定程度上解决边缘端计算能力较弱的问题；针对边缘端操作系统部署难度较高的问题，将各个模块化后的组件封装在容器中，借助os web可视化管理界面进行快速部署，从而解决该问题。

6、本发明技术方案：

7、一种基于容器的可定制轻量化边缘操作系统，包括：linux系统内核、容器运行时、系统级容器、用户级容器和os web可视化管理界面；

8、其中，所述linux内核是操作系统的核心，负责管理系统的进程、内存、设备和网络系统，决定着系统的性能和稳定性；linux系统内核由内存管理、进程管理、设备驱动程序、文件系统和网络管理等组成；

9、所述容器运行时指的是一些容器组件，如docker、k8s等；

10、所述系统级容器为封装linux系统核心组件的容器；所述linux系统核心组件包括进程管理、内存管理、文件管理、设备控制和网络管理者五块linux系统实现的功能；

11、所述用户级容器是封装用户级应用程序的容器，包括：核心功能子系统集、基础应用子系统集、工业互联网子系统集和其他应用子系统集；其中，核心功能子系统集和基础应用子系统集是工业互联网子系统集安装的必备组件，工业互联网子系统集及其他应用子系统集的不同负责实现边缘操作系统的定制化；

12、所述os web可视化管理界面，用于管理容器中镜像的复制、下载、安装。

13、本发明提出的一种基于容器的可定制轻量化边缘操作系统有如下两大优点：

14、第一，本发明实现了边缘操作系统的轻量化：将linux内核单独摘出，将实现linux操作系统功能的各个组件按照功能和层次的不同并使用docker容器将其分别封装在各个容器中，同时构建一个os web可视化管理界面用于管理已经封装好的容器，包括容器中镜像的复制、下载 、安装等，即以精简的linux系统内核为基础，将该容器的可视化管理界面作为管理层，负责执行linux操作系统功能的各个组件封装在容器中进而进行后续的操作。在边缘端安装该操作系统时，可以通过容器组件快速部署，实现了边缘操作系统的轻量化。

15、第二，本发明实现了边缘操作系统的定制化：根据具体工业互联网功能的不同需求，可以通过os web可视化管理界面从云上的镜像库下载相应的工业互联网用户级容器组件，实现相应的功能。基于此，实现了边缘操作系统的定制化。

技术特征：

1.一种基于容器的可定制轻量化边缘操作系统，其特征在于，包括：linux系统内核、容器运行时、系统级容器、用户级容器和os web可视化管理界面；

2.如权利要求1所述一种基于容器的可定制轻量化边缘操作系统，其特征在于，所述用户级容器是封装用户级应用程序的容器，包括：核心功能子系统集、基础应用子系统集、工业互联网子系统集和其他应用子系统集；具体如下：

3.如权利要求1所述一种基于容器的可定制轻量化边缘操作系统，其特征在于，系统安装具体操作流程如下：

4.如权利要求1所述一种基于容器的可定制轻量化边缘操作系统，其特征在于，安装定制化工业互联网子系统集步骤如下：

技术总结
本发明属于工业互联网领域，具体涉及一种基于容器的可定制轻量化边缘操作系统。其特征在于，包括：Linux系统内核、容器运行时、系统级容器、用户级容器和OS web可视化管理界面；其中，所述Linux内核是操作系统的核心，负责管理系统的进程、内存、设备和网络系统；所述容器运行时指的是一些容器组件；所述系统级容器为封装Linux系统核心组件的容器；所述用户级容器是封装用户级应用程序的容器；所述OS web可视化管理界面，用于管理容器中镜像的复制、下载、安装。本发明实现了边缘操作系统的轻量化和定制化，解决了边缘端计算能力弱，边缘端操作系统部署难度高的问题。

技术研发人员：柳先辉,杨洋洋
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27