虛擬化技術在航空計算領域的應用

崔德龍，夏曼

（航空工業第一飛機設計研究院飛控系統設計研究所，西安710089）

0 引言

虛擬化技術是充分挖掘和利用計算機硬件計算能力的手段?，F代計算機硬件發展迅速，多核、異構融合計算等技術的商用化使得處理器的綜合計算能力持續快速發展，傳統的使用方式很難充分發揮硬件的綜合計算能力。而虛擬化技術可以將計算機硬件資源虛擬化為多個相互隔離的資源組，每個資源組可以作為一個獨立的計算資源支撐對應軟件的應用和運行，通過對虛擬資源組的合理劃分與部署，可以提升計算機硬件的利用率，達到對計算機硬件綜合計算能力充分利用的目的。

虛擬化技術為計算處理的分布形式和管理帶來了新的發展，采用虛擬化技術后，可以通過軟件靈活地對計算機資源進行分配和使用，對應用軟件進行便捷的部署和管理，由此支撐集中計算和云計算技術的實現，為計算機服務架構和軟件開發模式的發展帶來了巨大的推動作用。

虛擬機和容器等虛擬化技術允許軍事武器系統最大限度地利用機載計算能力，以滿足更為復雜的系統需求和軟件需求?？梢灶A見，在通過嚴格的航空機載領域驗證后，基于虛擬化技術的開發平臺和機載系統將在航空計算領域發揮巨大的作用。

本文描述虛擬化技術的基本原理，對比虛擬機和容器技術特點，介紹虛擬化技術國內外應用現狀，分析可虛擬化操作系統在多核處理器上的應用、混合容器計算架構和DevOps 軟件持續交付過程；結合理論研究和工程經驗，提出機載軟件DevOps 綜合開發環境、多核高性能計算單元。

1 虛擬化技術概述

將任何一種形式的資源抽象成另一種形式的技術就是虛擬化，虛擬化技術的實現形式是在系統中加入虛擬化層，將下層的資源抽象成另一形式的資源，提供給上層使用。通過空間分割、時間分時和模擬，將一份資源抽象成多份，或者將多份資源抽象成一份。虛擬化的抽象層次如圖1所示。

圖1 虛擬化抽象層次Fig.1 Abstraction layers of virtualization

虛擬化就是由位于下層的軟件模塊，向上一層軟件模塊提供一個與它原先運行環境完全一致的接口，從而抽象出一個虛擬的軟件或硬件接口，使得上層軟件可以直接運行在虛擬環境中。因此，虛擬化可以發生在現代計算機系統的各個層次上。在硬件與操作系統之間的是硬件抽象層，以一類虛擬機（Virtual Machine，簡稱VM）為代表，是重量級虛擬化技術的應用。在操作系統與應用程序之間的是操作系統抽象層，以容器（Container）為代表，是輕量級虛擬化技術的應用［10］。

1.1 虛擬機

虛擬機是對一個計算機系統的仿真，它將硬件進行虛擬化，架構如圖2 所示。虛擬機監控器運行在硬件之上，完成硬件虛擬化，連接硬件和虛擬機，創建并運行虛擬機。虛擬機中的操作系統和應用共享一臺或多臺主機的硬件資源。

圖2 虛擬機架構Fig.2 Virtual machine's framework

采用虛擬機架構需要在每個虛擬機中安裝完整的操作系統，為應用部署運行環境，再將服務部署在虛擬機系統中，應用部署耗時，且繁瑣。

1.2 容器

容器中不需要安裝操作系統，只需要將代碼和依賴關系打包在一起，其架構如圖3 所示。容器引擎運行在操作系統之上，為容器實例分配資源。

圖3 容器架構Fig.3 Container's framework

容器是一種輕量級、可移植、自包含的軟件打包技術，通過將應用程序本身和其依賴容器化，操作系統版本和其他基礎環境造成的差異，都被抽象掉，使應用程序可以在絕大多數地方以相同的方式運行。容器是一種基于操作系統能力的隔離技術，運行輕量，并且啟動時間短。

1.3 虛擬機和容器技術對比

容器和虛擬機作為虛擬化技術的兩種典型應用，如何選擇應用方式需要結合使用場景并參考容器和虛擬機的技術特點。容器與虛擬機之間的主要技術區別如表1 所示。

表1 容器與虛擬機特點對比Table 1 Features comparison between VM and container

傳統的虛擬機技術，需要在每個虛擬機上安裝操作系統，增加系統的管理負擔。容器需要在宿主機操作系統安裝運行服務，并輔以容器引擎的支持，隔離出獨立的用戶空間，部署簡便，更加輕量化。

如何選擇虛擬機和容器取決于具體的使用需求，但有一些規則可以參考。虛擬機適合應用在運行時需要所有操作系統資源和功能的場景，容器適合在相同的硬件資源上運行更多的應用。針對航空計算領域而言，受限于嵌入式系統資源、體積和功耗的制約，輕量級的容器技術是一種更加高效的虛擬化方式，且在動態均衡負載方面的優勢更加明顯。

2 虛擬化技術應用

2.1 國內外應用現狀

在信息科技技術最為發達的美國，其軍方和主要的信息技術供應商由美國國防部組織，在2017 年就開始了對新一代的美軍計算機硬件和軟件運行、研發架構開展研究和應用，對應的軟件運行與研發架構被命名為DoD Enterprise DevSec?Ops。這是一個基于虛擬化技術構建的美軍軍用軟件運行、開發和運維的架構與平臺，面向美軍軍用軟件的所有領域，包括辦公、C4ISR（指揮、控制、通信、計算機、情報及監視與偵察）、武器裝備嵌入式軟件。其目的是基于最新的商業和開源信息技術構建一個高效的軍用軟件開發體系，能夠持續跟上信息技術的快速發展趨勢，并將之前傳統軟件開發周期從以年為單位縮短到以周甚至以天為單位，其研究成果選擇了對軟件要求最高的航空領域進行驗證。

2019 年美國空軍成功地完成了一個為期45 天的試驗，將容器和Kubernetes（容器管理）平臺運行在F-16 飛機上，并正常運作。2020 年9 月U-2 Dragon Lady 訓練任務中使用容器和Kubernetes 作為“用于自動化計算機應用程序的部署、擴展及管理的開源容器編排系統”。U-2 飛機經過飛行認證，在沒有增加硬件能力的情況下，利用容器和Kubernetes 運行先進機器學習算法，且對飛機的飛行或任務系統沒有任何負面影響。

在國內，李昌等提出了一種基于DevOps 思想的航空軟件測試工具鏈設計方案，并在某飛機的機電系統軟件測試中進行應用，達到了提高測試效率的效果；潘皓提出并實現了一種適用于機載應用的多核虛擬化分區應用方法，增強了系統集成度，降低了系統功耗，提高了航空電子系統的可靠性和安全性；殷振國提出了一種基于虛擬化技術的無人機系統可擴展可信軟件架構，并進行了性能測試與無人機飛行測試，證明這種軟件架構具有較強的擴展性，還能夠推廣到其他無人機系統或智能系統中。

2.2 虛擬化操作系統在多核處理器上的應用

2015 年8 月21 日，美國AEEC 機構 發布 的ARINC653 P1-4 標準增加了對多核處理器的支持，從國內外主流商用操作系統供應商提供的操作系統產品可以看出，嵌入式多核操作系統的應用和推廣已經是大勢所趨，同時也能促進航空電子系統的綜合化。在嵌入式多核處理器上實現虛擬化功能，需要操作系統提供更多的支持。

目前較為成熟且支持多核處理器虛擬化功能的嵌入式操作系統有，美國WindRiver 公司的Vx?Works7 和中國科銀京城技術有限公司的道系統7.0。VxWorks7 操作系統虛擬化架構如圖4 所示，基于非對稱多重應用模式（Asymmetric Multi-Pro?cessing，簡稱AMP）。該模式下，每個處理器都有自己的操作系統映像，不同內核上的操作系統可以是同一個操作系統的多個拷貝，也可以是不同實現機制的操作系統。

圖4 VxWorks7 多核虛擬化架構Fig.4 VxWorks7 multi-core virtualization architecture

VxWorks7 的主要特點如下：（1）VxWorks7 具有內建的虛擬化能力，設計人員可以通過任務、處理器或虛擬機實現設計邏輯；（2）虛擬化功能主要模塊由兩部分組成，即Hypervisor 和RootOS，兩者統一構建為一個鏡像文件，當該鏡像由bootloader啟動，RootOS 先啟動，然后啟動Hypervisor，之后RootOS 繼續在一個虛擬機里運行。

2.3 混合容器計算架構

容器的核心支持是Linux 內核提供的LXC（Linux Container）服務，要在嵌入式實時操作系統上實現容器服務需要對操作系統進行修改。

在定制的Linux 操作系統上運行三種容器如圖5 所示，包括非實時通用容器、實時通用容器和實時行業容器。利用混合容器技術，可以實現通用計算、實時計算和行業實時計算在通用硬件或專用片上系統平臺上的混合計算。對于掌握自主知識產權操作系統的廠商來說，可以通過修改自有操作系統，增加LXC 服務來對容器提供支持。

圖5 基于Linux 的混合容器架構Fig.5 Linux-based hybrid container architecture

2.4 DevOps 軟件持續交付過程

隨著軟件規模的不斷提升與人員分工的精細化，軟件開發模型從最初的瀑布式轉變為敏捷模型，到如今進化為DevOps，即將持續集成、持續交付、部署的概念引入軟件生命周期中。

DevOps 是Development（開發）和Operation（運維）兩個詞的組合，是一組過程與方法的統稱，貫穿了軟件全生命周期，用于促進開發、技術運營（運維）和質量保證等部門之間的溝通、協作與交流。DevOps 目的是讓開發人員、測試人員和運維人員更好地溝通合作，通過自動化流程使得軟件生命周期過程更加快捷和可靠。

虛擬化、容器和微服務等概念，為DevOps 落地提供了良好的前提條件。在微服務架構下，軟件被拆分為更小的應用模塊，方便不同分工的工程師對各自負責的模塊進行開發、測試、部署與維護。虛擬化從硬件上將系統細分并隔離，為微服務提供便利。容器技術則在操作系統層面上劃分不同的運行環境，占用資源更少，部署速度更快。因此，開發環境和部署環境都可以更好地進行隔離，減少了應用之間的影響。

3 在機載系統上的應用構想

3.1 機載軟件DevOps 綜合開發環境

虛擬化技術在機載系統的應用還處在初步研究階段，在各個方面需要進行實踐和評估。因此，前期研究可以選擇無人機機載軟件作為背景產品，驗證基于容器的虛擬化技術在機載軟件開發中的可行性，并評估其應用效果。

本文基于文獻［25］提出的基于虛擬技術的飛控系統試驗平臺，并結合Kubernetes 容器管理工具的架構提出機載軟件DevOps 開發環境架構方案，共由3 個部分組成（如圖6 所示）。

圖6 DevOps 開發環境Fig.6 DevOps development environment

第一部分，國產SOC 仿真飛控計算機硬件。采用國產4 核處理器，根據機載飛控計算機的需求定制多余度仿真飛控計算機，用于無人機飛控系統的軟件開發和地面仿真驗證。其中的機載飛控軟件容器，在供應商提供的容器基礎上進行定制調整，形成符合飛控系統軟件運行需要的機載實時容器；飛控應用基于分區技術，可以移植成熟的飛控應用軟件。

第二部分，國產通用服務器集群。采用國產處理器的小型服務器集群，作為容器集群管理中心，為飛控系統軟件的開發、配置管理、測試、持續集成/發布、全數字仿真提供服務支撐，具體的功能包括：

（1）Linux 操作系統和容器服務：為上層應用提供操作系統服務、容器運行和管理服務；

（2）機載飛控軟件容器：在供應商提供的ARINC653 容器基礎上進行適應性修改，形成符合無人機飛控系統軟件需求的機載容器；

（3）配置管理、持續集成/發布服務：在Kuber?netes 框架基礎上，定制對應的持續集成/發布服務，實現軟件倉庫和版本管理功能；

（4）機載軟件測試服務：根據機載軟件測試的特點實現自動測試的管理和執行；

（5）全數字仿真服務：實現仿真構型配置與部署、仿真節點監控與管理、仿真模型加載與運行控制、機載軟件部署與運行、仿真數據監控與記錄等功能。

第三部分，PC 工作站。采用通用臺式計算機，提供配套機載軟件圖形化集成開發與測試工具，用于無人機飛控系統軟件的源代碼編輯、構建編譯、測試和仿真等工作。

綜合開發環境的優勢如下：

（1）通過設計、仿真與測試之間的持續交互反饋來提高軟件產品的質量與安全性；

（2）使用持續集成與自動化工具提高軟件機載的開發效率。

3.2 機載高性能計算單元

根據未來戰爭對無人機的任務需求，考慮人工智能技術的發展水平，結合有人機、無人機的作戰特點，有人機與無人機及其他無人支援飛機的聯合編隊作戰將成為一種全新且主要的作戰模式。這種作戰方式將實現有人機、無人機之間以及整個作戰體系之間信息和資源的共享及作戰任務的協同，實施更加靈活的作戰戰術，提高整個系統的作戰效能。

考慮將多核處理器和虛擬化技術應用于有人機、無人機協同作戰的場景。此場景下，協同中的無人機平臺、傳感器信息、武器等作戰資源均需要有人機控制或處理。此外，智能決策、AI 空戰和態勢感知等技術也對機載系統的計算能力和集成化程度提出了更高的要求。

本文依據2.3 節描述的基于Linux 的混合容器架構提出一種機載高性能計算單元方案，該方案作為某智能座艙的處理單元正在進行原理驗證。通過在現有的安全關鍵操作系統上增加LXC 服務以實現非Linux 操作系統對容器的支持，計算單元的架構如圖7 所示。

圖7 多核高性能計算單元Fig.7 Multi-core high performance computing unit

高性能計算單元共4 層，自底向上分別是硬件層、操作系統內核層、容器層和應用層。其中，硬件選用國產四核處理器或片上系統，操作系統將底層物理資源進行隔離，操作系統內核與容器層協同工作，實現對實時與非實時容器進行統一調度。安全關鍵操作系統運行在處理器核心1 上，Linux 操作系統運行于核心2 到核心4 上。實時容器引擎容器運行在安全關鍵操作系統上，實現創建和管理實時容器。Linux 容器引擎和容器管理工具運行于Linux 操作系統上，前者實現創建和管理非實時容器，后者對實時容器和非實時容器進行統一編排部署。

此種計算架構具有如下優點：

（1）可以為安全/關鍵實時應用提供強隔離性，保證其不受到非實時應用的干擾，還可以根據計算負載為其他非關鍵應用按需動態分配計算資源。

（2）該架構支持在一個硬件平臺上混合運行實時的飛控、機電應用和非實時的人工智能應用。不僅方便成熟應用的移植，還提高了機載系統的綜合化和智能化水平，充分利用寶貴的機載計算資源。

4 結論

（1）虛擬化技術將成為航空計算領域的發展趨勢，結合多核計算平臺能夠提高電子系統的模塊化和綜合化水平，減輕機載設備重量。

（2）根據虛擬化技術構建的機載軟件DevOps綜合開發環境，以無人機飛控軟件為研制目標，可以為軟件的開發、配置管理、測試、持續集成/持續發布、全數字仿真提供服務支撐，為后續機載系統軟件產品的工程研制厘清技術路線、明確技術可行性、建立基礎技術架構。

（3）基于混合容器技術的高性能機載計算架構可以充分發揮虛擬化技術計算能力強、資源動態分配方便且移植先進及成熟應用的特點，并能兼顧安全關鍵軟件應用、非實時應用及人工智能等應用。

虛擬化技術在航空計算領域的應用還處于研究階段，離應用還有一段的距離，需要加大力度和加快速度，讓虛擬化技術在航空領域的應用盡快達到國外的發展水平。