2019-2020年国产操作系统行业深度研究

2019-2020年国产操作系统行业深度研究导语截至2020年1月，华为全球注册开发者超过130万人，全球接入HMSCore应用数超过5.5万个。为鼓励全球开发者加入到HMSCore生态系统中，华为表示将拿出10亿美元投入其中。一.操作系统行业梳理1.1计算机操作系统是基础软件，分为闭源和开源两类广义的操作系统包括：计算机（PC、工作站、服务器）系统、移动端系统(例如鸿蒙)、嵌入式系统等。本篇报告只涉及计算机操作系统。计算机操作系统的功能角色：作为用户和计算机硬件资源之间的交互，管理调度硬件资源，为应用软件提供运行环境。操作系统属于基础软件，是系统级程序的汇集，为用户屏蔽底层硬件复杂度，并提供编程接口和操作入口。操作系统控制处理器(CPU)调度系统资源，控制应用程序执行的时机，决定各个程序分配的处理器时间(CPUtime)。操作系统需要兼容底层硬件和应用软件，才能实现计算机的功能。根据核心代码是否向开放，操作系统可划分为两类：开源系统、闭源系统。1.闭源操作系统：代码不开放，以微软Windows系统为代表微软公司内部的研发团队开发Windows操作系统，并开发配套的应用软件，比如Office。在生态建设方面，Intel和Windows长期合作形成Wintel体系，在PC端市占率全球领先Windows系统的访问分为Usermode(用户模式)和Kernelmode(内核模式)。用户级的应用程序在用户模式中运行，而系统级的程序在内核模式中运行。内核模式允许访问所有的系统内存和CPU指令。Windows系统从最早期的16位、32位到现在流行的64位，系统版本从最初的Windows1.0到Windows95、Windows98、Windows2000、Windows2003、WindowsXP、WindowsVista、Windows7、Windows8、Windows8.1、Windows10和WindowsServer服务器企业级操作系统，不断持续更新。Windows系统最大的优势在于图形界面，使得普通用户操作起来非常便利。相比大部分Linux系统，windows的常用软件安装和系统设置不需要以命令行的方式去输入系统指令，只需要点击“按钮”即可完成。如今，绝大多数常见软件、专用软件和底层硬件都支持Windows操作系统，形成了Window强大的生态整体。2.开源操作系统：代码免费开放，以Linux操作系统为代表Linuxkernel(内核)由LinusTorvalds在1991年发布，代码免费公开，由全球开发者共同贡献，已成为影响最广泛的开源软件项目。以Linux内核为基础，不同的开发团体(开源社区、企业、个人等)对内核代码进行一定的修改和补充，加入GUI(图形界面)、应用等部分，形成了相应的Linux操作系统发行版。Linux系统版本之间存在衍生关系，由此形成RedHat、Slackware、Debian等几大家族，各家族内部又衍生出一些著名版本，如Ubuntu、SUSE、CentOS、RedHatEnterpriseLinux、Fedora等。Linuxkernel是开源项目，由全球范围的开发者(企业、团体、独立开发者)共同贡献源代码。Linux的官方组织是Linux基金会，作为非盈利的联盟，协调和推动Linux系统的发展，以及宣传、保护和规范Linux。Linux基金会由开源码发展实验室（OpenSourceDevelopmentLabs，OSDL)与自由标准组织（FreeStandardsGroup,FSG)于2007年联合成立。开源社区是Linux系统的创新源泉和主要的开发场所。Linux操作系统发行版分为社区版本和商业版本。社区版本数量较多，其开发和维护的主体是开源社区。少数的商业版本(比如红帽企业版)则是在社区版本的基础上，进一步优化而来。整体来看，无论是否涉及商业活动，开源社区是Linux发行版的创新来源和主要的开发场所。而成熟的开源社区通常由相应的开源基金会(或者项目委员会)进行管理。开源基金会为开发社区制定了规则，进行资源管理，负责可能的商务对接，以及保护社区的健康运转。社区的开源基金会(委员会)一般由开源贡献方进行赞助和决策支持。许多开源社区背后都有一个主导企业，为社区提供资金和研究支撑，甚至直接委派员工参与开源项目。例如，Fedora社区的核心开发者中1/3是红帽的正式雇员。通过资助和维护开源社区的方式，企业可以发挥研究力量的“杠杆”作用，通过向社区输入自有的研究资源，吸引更多的外部贡献者参与进来，扩大创意来源；另一方面，开源社区版本也成为企业扩大技术影响力的重要途径。Linux操作系统由4部分组成：kernel、shell、文件系统、应用程序。Kernel(内核)是操作系统的核心，不同于windows的内核，Linux的内核不仅实现了进程调度、内存管理、中断处理、异常陷阱处理，而且还实现了进程管理、进程通信机制、虚拟内存管理、文件系统驱动和USB、网络、声音等各类设备驱动子系统，决定了整个系统的性能和稳定性。而shell是系统的用户界面，提供用户与内核交互的接口，接收用户输入的命令并送入内核去执行。Linux操作系统主要的优势领域是服务器和嵌入式。据Linux基金会统计，全球90%的公有云平台采用了Linux系统，99%的超算和62%的嵌入式设备也都是基于Linux。亚马逊AWS、微软Azure、微软Azure、谷歌云平台和阿里云等主流云服务商，都提供了Linux系统方案。全球公有云平台运行的所有应用，超过54%是运行在Linux虚拟机上。甚至微软Azure的近30%的虚拟机也是基于Linux。根据IDC在2017年的统计数据，全球服务器操作系统使用份额(免费+付费)中，68%是Linux服务器操作系统。Linux操作系统在服务器领域的普及，主要由于3个方面：1）创新方面，集思广益。全球开发者对Linux内核保持了持续的更新，提供了充足的创新动力。据GitStats分析结果，截至2018年9月，已有超过19000名开发者为Linux内核贡献了代码，这些开发者遍布全球范围超过1500个组织/企业。广泛分布的开发者，从不同视角不同方面对Linux内核的补充，使得Linux系统得以快速适应服务器领域的变化。2）系统代码可以修改和自定义，用户可调用计算机资源的自由度极高。Linux操作系统的使用者可以轻松查看系统代码，可以自由修改代码来修补常见的问题，也可以开发自己的程序并添加入Linux操作系统中。相比Windows等闭源系统，Linux支持了使用者对于计算机资源极大的使用自由度，支持专业用户去构建和自定义服务器，由此获得了互联网公司、云计算公司的青睐。3）运行效率高，运维成本低。Linux系统在服务器上面的运行效率较高，相对比较轻量化，除非硬件资源分配出现问题，不易出现系统卡死状况。而且Linux系统天然地支持虚拟化。因此，在服务器集群上，Linux系统的运维成本较低。4）安全。Linux从发展根源上就是针对多用户系统设计的，系统管理员和root用户具有系统管理权限。Linux面向全球开发者开源，系统文件都是文档，在全球开发者多次的筛查和更新中，基本排除了“后门植入”的可能。实际应用中，普通不成熟的Linux操作系统确实可能存在安全问题，也是和系统的文档属性有关。例如，用户root权限和sudo指令可在有意或无意间修改Linux系统文档，可能会对其他用户或整个系统造成不利影响。因此，成熟的Linux操作系统解决方案，有必要对这类属性进行设计方面的防范，去进行适当的权限屏蔽。而这些安全属性的设计，本质上并不存在难以解决的障碍。1.2国产操作系统是新基建的重要基础数字经济成为我国经济发展的重要支撑。近年来，中国经济发展的环境发生重大变化，人口红利、城镇化等驱动因素对增长的边际贡献下降，传统调控手段负面效应增加，中国经济增长面临一定的下行压力。而数字经济的快速发展，以互联网、大数据、云计算、人工智能、区块链、物联网等为代表的新一代数字科技与实体经济的日趋融合，新市场与新业态的层出不穷，为中国经济增长注入了新的源泉。据中国信息通信研究院《中国数字经济发展与就业白皮书（2019）》显示，2018年中国数字经济规模占GDP比重达34.8%，对GDP增长的贡献率超过三分之二；2016—2018年，数字经济连续3年维持20%以上的名义增速，高于同期GDP名义增速十余个百分点，为中国经济提供了重要支撑。新一轮数字经济基础建设拉开序幕。2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会会议强调，加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。新一轮数字经济基础建设启动，各地纷纷出台相应政策推动新基建项目的实施。操作系统作为软件应用的基础和平台，直接关系到信息安全。棱镜门事件，使得信息安全正式成为国际关注的重要问题。而操作系统作为最重要最根本的基础软件，是所有应用软件和数据处理场景的基础和平台，直接关系到信息安全。在过去的国际贸易摩擦中，针对基础软硬件(芯片、操作系统等)的限制事件再一次提升了信创战略的重要性。操作系统的Wintel体系垄断，也对信息安全造成了不利影响。在WindowsXP停服三年后，全球迎来了史上最严重的一次病毒攻击—WannaCry借“永恒之蓝”漏洞发起攻击，袭击了安装Windows系统的设备，对全国多个国家造成了较为严重的经济损失。2020年1月14日，微软win7停服，使得现有已安装win7系统的设备再次暴露于漏洞风险中。因此，在关键领域推广国产操作系统，已经成为迫切需求。1.3国产操作系统的生态建设是关键，开源是重要途径操作系统的行业壁垒：开发成本高、生态建设难1.操作系统开发成本高计算机操作系统开发是一项庞大而复杂的工程。软件开发工作量可以用代码行数进行粗略表征。主流的操作系统代码量都比较庞大，而且随着版本升级呈增长趋势。据公开可查证资料显示，WindowsVista(2007)有5000万行代码，Windows7(2009)和WindowsXP(2001)各有4000万行，Windows2000有2900万行代码，相比1992年的版本增长了数十倍。对于Linux操作系统，仅Linux内核4.13就包含6万个系统文件，代码量近2500万行。成熟的Linux操作系统发行版需要在内核基础上加入GUI以及必要的应用文件，总的代码量会更高。如果采用闭源的开发方式，操作系统开发所需要的资金和人力资源较大。比如微软，一方面要进行Windows系列的开发、升级和维护，另一方面也要为Windows系统开发关键的应用软件，包括Office、MicrosoftVisualStudio(集成开发环境IDE)等，每年的研发费用达百亿美元。2019财年(18年6月-19年6月)微软的研发费用169亿美元，员工达14.4万人。如果假设Linux操作系统都是闭源开发的，相应的成本也比较高。据“Linux中国”官方账号报道，DavidA.Wheeler等研究了Linux发行版代码行数代表的复杂性，指出Linux2002年发行版对应的闭源开发成本为12亿美元。而如果闭源开发Fedora9发行版(2008年发布)，估计需要投入108亿美元。从开发者数量角度，据GitStats分析结果，截至2018年9月，已有超过19000名开发者为Linux内核贡献了代码，这些开发者遍布全球范围超过1500个组织/企业。2.操作系统生态建设难操作系统的生态建设，首先在于完善的软/硬件兼容适配。操作系统和底层硬件、应用软件的兼容，在技术上并不是轻易就能实现。在适配底层硬件层面，引用龙芯技术专家的观点“操作系统需要针对不同的主板和升级后的CPU进行磨合适配，而在Wintel体系中可以实现不同主板及CPU的操作系统二进制兼容，其背后是Wintel体系统一的系统架构，包括指令系统、地址空间布局、中断系统、多核互联架构、IO接口规范等，需要CPU、BIOS、桥片、操作系统配合完成。”在应用软件方面，需要软件开发商针对操作系统的版本进行相应的调试和调优，同