HarmonyOS概述详解

一、HarmonyOS概述

1.1系统定义
1.1.1 系统定位
HarmonyOS是一款“面向未来”、面向全场景（移动办公、运动健康、社交通信、媒体娱乐等）的分布式操作系统。在传统的单设备系统能力的基础上，HarmonyOS提出了基于同一套系统能力、适配多种终端形态的分布式理念，能够支持手机、平板、智能穿戴、智慧屏、车机等多种终端设备。

对消费者而言，HarmonyOS能够将生活场景中的各类终端进行能力整合，可以实现不同的终端设备之间的快速连接、能力互助、资源共享，匹配合适的设备、提供流畅的全场景体验。
对应用开发者而言，HarmonyOS采用了多种分布式技术，使得应用程序的开发实现与不同终端设备的形态差异无关。这能够让开发者聚焦上层业务逻辑，更加便捷、高效地开发应用。
对设备开发者而言，HarmonyOS采用了组件化的设计方案，可以根据设备的资源能力和业务特征进行灵活裁剪，满足不同形态的终端设备对于操作系统的要求。
HarmonyOS提供了支持多种开发语言的API，供开发者进行应用开发。支持的开发语言包括Java、XML（Extensible Markup Language）、C/C++ 、 JS（JavaScript）、CSS（Cascading Style Sheets）和HML（HarmonyOS Markup Language）。

1.1.2 技术架构
HarmonyOS整体遵从分层设计，从下向上依次为：内核层、系统服务层、框架层和应用层。系统功能按照“系统 > 子系统 > 功能/模块”逐级展开，在多设备部署场景下，支持根据实际需求裁剪某些非必要的子系统或功能/模块。HarmonyOS技术架构如下所示。
内核层
内核子系统：HarmonyOS采用多内核设计，支持针对不同资源受限设备选用适合的OS内核。内核抽象层（KAL，Kernel Abstract Layer）通过屏蔽多内核差异，对上层提供基础的内核能力，包括进程/线程管理、内存管理、文件系统、网络管理和外设管理等。
驱动子系统：硬件驱动框架（HDF）是HarmonyOS硬件生态开放的基础，提供统一外设访问能力和驱动开发、管理框架。
系统服务层
系统服务层是HarmonyOS的核心能力集合，通过框架层对应用程序提供服务。该层包含以下几个部分：

系统基本能力子系统集：为分布式应用在HarmonyOS多设备上的运行、调度、迁移等操作提供了基础能力，由分布式软总线、分布式数据管理、分布式任务调度、方舟多语言运行时、公共基础库、多模输入、图形、安全、AI等子系统组成。其中，方舟运行时提供了C/C++/JS多语言运行时和基础的系统类库，也为使用方舟编译器静态化的Java程序（即应用程序或框架层中使用Java语言开发的部分）提供运行时。
基础软件服务子系统集：为HarmonyOS提供公共的、通用的软件服务，由事件通知、电话、多媒体、DFX（Design For X） 、MSDP&DV等子系统组成。
增强软件服务子系统集：为HarmonyOS提供针对不同设备的、差异化的能力增强型软件服务，由智慧屏专有业务、穿戴专有业务、IoT专有业务等子系统组成。
硬件服务子系统集：为HarmonyOS提供硬件服务，由位置服务、生物特征识别、穿戴专有硬件服务、IoT专有硬件服务等子系统组成。
根据不同设备形态的部署环境，基础软件服务子系统集、增强软件服务子系统集、硬件服务子系统集内部可以按子系统粒度裁剪，每个子系统内部又可以按功能粒度裁剪。

框架层
框架层为HarmonyOS应用开发提供了Java/C/C++/JS等多语言的用户程序框架和Ability框架，两种UI框架（包括适用于Java语言的Java UI框架、适用于JS语言的JS UI框架），以及各种软硬件服务对外开放的多语言框架API。根据系统的组件化裁剪程度，HarmonyOS设备支持的API也会有所不同。

应用层
应用层包括系统应用和第三方非系统应用。HarmonyOS的应用由一个或多个FA（Feature Ability）或PA（Particle Ability）组成。其中，FA有UI界面，提供与用户交互的能力；而PA无UI界面，提供后台运行任务的能力以及统一的数据访问抽象。FA在进行用户交互时所需的后台数据访问也需要由对应的PA提供支撑。基于FA/PA开发的应用，能够实现特定的业务功能，支持跨设备调度与分发，为用户提供一致、高效的应用体验。

1.2 技术特性
Harmony的技术特性主要是多种设备之间能够实现硬件互助，资源共享。 依赖的技术主要包括分布式软总线、分布式设备虚拟化、分布式数据管理、分布式任务调度等。本报告将主要调研分布式软总线技术。

1.2.1 分布式软总线
分布式软总线是手机、平板、智能穿戴、智慧屏、车机等分布式设备的通信基座，为设备之间的互联互通提供了统一的分布式通信能力，为设备之间的无感发现和零等待传输创造了条件。开发者只需聚焦于业务逻辑的实现，无需关注组网方式与底层协议。分布式软总线示意图如下
典型应用场景举例：

智能家居场景：在制作粉蒸肉时，手机可以通过碰一碰和烤箱连接，并将自动设置粉蒸肉的制作参数，控制烤箱来制作菜肴。与此类似，料理机、油烟机、空气净化器、空调、灯、窗帘等都可以在手机端显示并通过手机控制。设备之间即连即用，无需繁琐的配置。
多屏联动课堂：老师通过智慧屏授课，与学生开展互动，营造课堂氛围；学生通过手机完成课程学习和随堂问答。统一、全连接的逻辑网络确保了传输通道的高带宽、低时延、高可靠。
1.2.2 分布式设备虚拟化
分布式设备虚拟化平台可以实现不同设备的资源融合、设备管理、数据处理，多种设备共同形成一个超级虚拟终端。针对不同类型的任务，为用户匹配并选择能力合适的执行硬件，让业务连续地在不同设备间流转，充分发挥不同设备的能力优势，如显示能力、摄像能力、音频能力、交互能力以及传感器能力等。分布式设备虚拟化示意图如下：

1.2.3 分布式数据管理
分布式数据管理基于分布式软总线的能力，实现应用程序数据和用户数据的分布式管理。用户数据不再与单一物理设备绑定，业务逻辑与数据存储分离，跨设备的数据处理如同本地数据处理一样方便快捷，让开发者能够轻松实现全场景、多设备下的数据存储、共享和访问，为打造一致、流畅的用户体验创造了基础条件。分布式数据管理示意图如下：

1.2.4 分布式任务调度
分布式任务调度基于分布式软总线、分布式数据管理、分布式Profile等技术特性，构建统一的分布式服务管理（发现、同步、注册、调用）机制，支持对跨设备的应用进行远程启动、远程调用、远程连接以及迁移等操作，能够根据不同设备的能力、位置、业务运行状态、资源使用情况，以及用户的习惯和意图，选择合适的设备运行分布式任务。

下图以应用迁移为例，简要地展示了分布式任务调度能力。
除了硬件互助，资源共享外，HarmonyOS还支持一次开发、多端部署，统一OS、弹性部署，HarmonyOS提供了用户程序框架、Ability框架以及UI框架，支持应用开发过程中多终端的业务逻辑和界面逻辑进行复用，能够实现应用的一次开发、多端部署，提升了跨设备应用的开发效率。一次开发、多端部署示意图如下：

HarmonyOS通过组件化和小型化等设计方法，支持多种终端设备按需弹性部署，能够适配不同类别的硬件资源和功能需求。支撑通过编译链关系去自动生成组件化的依赖关系，形成组件树依赖图，支撑产品系统的便捷开发，降低硬件设备的开发门槛。

支持各组件的选择（组件可有可无）：根据硬件的形态和需求，可以选择所需的组件。
支持组件内功能集的配置（组件可大可小）：根据硬件的资源情况和功能需求，可以选择配置组件中的功能集。例如，选择配置图形框架组件中的部分控件。
支持组件间依赖的关联（平台可大可小）：根据编译链关系，可以自动生成组件化的依赖关系。例如，选择图形框架组件，将会自动选择依赖的图形引擎组件等。

二、分布式软总线介绍

2.1 总线
总线（Bus）是一个非常广泛的概念，在传统计算机硬件体系中应用的非常广泛。它是一种内部结构，是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。
2.2 分布式软总线定义
分布式软总线技术是基于华为多年的通信技术积累，参考计算机硬件总线，在1+8+N（1-手机、8-车机/音箱/耳机/手表/）设备间搭建一条“无形”的总线，具备自发现、自组网、高带宽低时延的特点。

全场景设备间可以基于软总线完成设备虚拟化、跨设备服务调用、多屏协同、文件分享等分布式业务。

分布式软总线的典型特征：

自动发现/即连即用

高带宽

低时延

高可靠

开放/标准

2.3 分布式软总线的功能和原理
2.3.1 分布式软总线的架构

通过协议货架和软硬协同层屏蔽各种设备的协议差别，总线中枢模块负责解析命令完成设备间发现和连接，通过任务和数据两条总线实现设备间文件传输、消息传输等功能。

分布式总线的总体目标是实现设备间无感发现，零等待传输。实现这个目标需要解决三个问题：

（1）设备间的发现和连接：从手动发现，进化成自发现
比如手机上有很多照片需要传到个人PC上，我们可以采用蓝牙传输，首先要打开手机和PC的蓝牙发现功能，手机或者PC点击搜索设备，然后互相配对授权即可连接上，成功连上后就可以发送照片了。

在分享照片这个场景中有很多人为的动作：开启蓝牙发现功能、搜索设备、配对授权，这确实有点麻烦，耗费了很多时间，可能会降低分享的意愿。

软总线提出了自动发现的概念，实现用户零等待的自发现体验，附近同账号的设备自动发现无需等待。
2）多设备互联后的组网技术：软总线组网-异构网络组网
上面的例子中手机传照片是通过蓝牙，假如PC没有蓝牙功能只有WIFI，在传统的场景中这种可能就不能实现分享传输了。因为不同的组网方式之间是隔离的，所以我们要解决很多异构网络之间的组网问题
软总线提出的异构网络组网可以很好解决设备间不同协议的交互问题，就解决了手机通过蓝牙传输，而PC通过WIFI接收照片。解决方案如下图所示。
设备上线后会向网络层注册，同时网络层会与设备建立通道连接，实时检测设备的变换。网络层负责管理设备的上线下线变换，设备间可以监听自己感兴趣的设备，设备上线后可以立即与其建立连接，实现零等待体验。软总线可以自动构建一个逻辑全连接网络，用户或者业务开发者无需关心组网方式与物理协议。对于软件开发者来说软总线异构组网可以大大降低其开发成本。

传统开发模式：在传统开发模式中开发者需要适配不同网络协议和标准规范。

分布式开发模式：在HarmonyOS分布式开发模式中开发不再需要关心网络协议差异，业务开发与设备组网解耦，业务仅需监听设备上下线，开发成本大大降低。

（3）多设备多协议间的传输技术
传统协议的传输速率差异非常大，时延也难以得到保证。所以软总线传输要实现的目标有：高带宽（High Speed）、低时延（Low Latency）、高可靠（High Reliability）

软总线要实现的这三大目标的尖刀武器是：极简协议。
极简协议将中间的四层协议栈精简为一层提升有效载荷，有效传输带宽提升20%，并且在传统网络协议的基础上进行增强：

流式传输：基于UDP实现数据的保序和可靠传输；

双轮驱动：颠覆传统TCP每包确认机制；

不惧网损：摒弃传统滑动窗口机制，丢包快速恢复，避免阻塞；

不惧抖动：智能感知网络变化，自适应流量控制和拥塞控制；