云操作系统研究报告-中国电子技术标准化研究院.202309.pdf
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云云操操作作系系统统研研究究报报告告中国电子技术标准化研究院2023年9月目目录录一、概述.1
（一）编写背景.1
（二）编写思路.2二、云操作系统基本情况.3
（一）云操作系统相关概念介绍.3
（二）发展历程.4（三）技术框架.5三、发展现状.8
（一）云操作系统是信息基础设施建设的基础软件.8
（二）云原生已成为云操作系统重要特征.9（三）云操作系统承担异构算力调度和管理功能.9（四）云操作系统是实现多云协同的关键软件.11（五）云操作系统和开源技术互补共赢发展.12四、存在问题.13
（一）云操作系统架构不统一，互联互通存在困难.13
（二）部分组件依赖开源，存在安全风险.14（三）云操作系统云原生化，业务系统面临重构挑战.14（四）“一云多芯”成为趋势，云操作系统稳定性亟需增强.15五、发展建议.18
（一）依托统一标准，规范云平台技术架构和兼容性.18
（二）提升安全意识，降低云操作系统安全风险.18（三）持续优化云操作系统性能和稳定性，为产业应用提供保障.191一、概述（一一）编编写写背背景景在我国“十四五”规划中，云计算被列为发展数字经济的重点产业。
发展云操作系统，有利于推动云计算产业发展，打造云生态体系，推动数字经济发展。
在相关政策方面，国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要指出，要加快云操作系统迭代升级，推动超大规模分布式存储、弹性计算等技术创新，提高云安全水平。
工信部“十四五”软件和信息技术服务业发展规划中提出，加速云操作系统迭代升级，布局下一代云计算软件体系，鼓励企业构建高性能云平台，提升云安全水平和智能云服务能力。
工信部等四部门联合印发的新产业标准化领航工程实施方案（20232035年）中提出，研制云操作系统等云计算标准，全面推进新兴产业标准体系建设。
在相关技术方面，云操作系统的发展受到虚拟化、容器化、分布式系统、微服务架构、自动化和编排技术等多个技术背景的推动。
这些技术的融合和创新使得云操作系统能够构建高效、弹性和可靠的云计算环境。
在相关产业方面，云操作系统的发展受到产业背景的推动。
随着云计算技术的进步，许多企业和组织开始使用云基础设施和服务，以提高效率、降低成本并满足不断增长的业2务需求。
云操作系统作为支撑云计算环境的关键组成部分，为企业提供构建高效、弹性和可靠的云计算环境。
在相关政策的推动下，我国云操作系统技术不断创新，推动云计算产业不断发展。
我国云计算企业蓬勃发展，在国内和国际市场上占据越来越重要的地位。
（二二）编编写写思思路路为积极推进我国云操作系统技术的创新升级，促进云计算产业的蓬勃发展，激发我国数字经济的潜能活力，中国电子技术标准化研究院联合阿里云计算有限公司、浪潮电子信息产业股份有限公司、江苏博云科技股份有限公司、云宏信息科技股份有限公司、上海道客网络科技有限公司等单位编写了云操作系统研究报告（2023）（以下简称：
研究报告）。
本研究报告以新时代数字经济发展方向为指导，聚焦云操作系统发展背景，总结虚拟化、服务化、云原生化、智能化发展历程，明确云操作系统技术框架。
通过广泛调研，总结云操作系统的发展现状，梳理当前发展中面临的问题，给出针对性发展建议，旨在促进云操作系统技术演进，推动云计算产业稳定发展。
3二、云操作系统基本情况
（一）云操作系统相关概念介绍
（一）云操作系统相关概念介绍云操作系统的概念源自于对云计算需求和发展的认识，它是一种用于有效地管理云计算资源和服务的软件平台。
随着云计算技术的迅速发展和企业对云计算使用情况和需求的差异，云操作系统的定义也因此变得多样化。
然而，随着对云操作系统理解的不断深入和应用实践的不断推进，对于云操作系统的定义逐渐明确。
云操作系统已成为实现云计算目标不可或缺的关键基础组成部分。
百度百科对云操作系统的定义为：
云操作系统，又称云计算操作系统、云计算中心操作系统，是以云计算、云存储技术作为支撑的操作系统，是云计算后台数据中心的整体管理运营系统，它是指构架于服务器、存储、网络等基础硬件资源和单机操作系统、中间件、数据库等基础软件之上的、管理海量的基础硬件、软件资源的云平台综合管理系统。
本研究报告以GB/T42140-2022信息技术云计算云操作系统性能测试指标和度量方法中对云操作系统的定义为准。
云操作系统是用于将物理设备以共享、弹性和可伸缩的方式供应和管理，提供人机界面，以按需自服务可计量的方式为用户提供计算、存储和网络等基础云服务资源，可支撑PaaS、SaaS等服务执行的一种云计算系统软件。
4云操作系统包括服务器虚拟化软件、虚拟化云平台软件、容器云平台软件、桌面云系统等多种产品形态，是云计算的关键核心基础软件，在支撑我国数字化转型中起到重要作用。
（二）发展历程
（二）发展历程云操作系统的发展历程可以概括为从虚拟化到服务化，再到云原生融合，最后达到智能化的阶段，云操作系统代际发展中的主要技术和特点如图1所示。
图1云计算代际发展在云操作系统发展的早期阶段，虚拟化技术起到了关键的作用。
虚拟化技术是云操作系统发展的重要基础，通过虚拟化技术，云操作系统可以将物理资源（如处理器、内存、存储）分割成多个虚拟实例，并在这些虚拟实例之间进行隔离，使云服务提供商能够更高效地利用硬件资源，并为用户提供弹性和可伸缩的计算资源。
随着云计算的快速发展，云服务开始成为主流。
在服务化阶段，云操作系统不再仅仅关注于虚拟化技术，而是提供更全面的云服务管理功能。
它包括了资源调度、负载均衡、5监控、安全性管理等方面的功能，以支持云平台上运行的各种应用程序和服务。
随着云原生概念的兴起，云操作系统开始与云原生应用开发和部署模型紧密结合。
云原生强调将应用程序设计为微服务架构，并使用容器化技术进行部署和管理。
云操作系统在这个阶段提供了更高级的容器编排和管理功能，以支持云原生应用的弹性扩展、故障恢复和版本管理等需求。
智能化是云操作系统发展的最新趋势。
在智能化阶段，人工智能和机器学习技术被引入到云操作系统中，以实现自动化和智能化的管理和运维。
智能化的云操作系统可以通过收集和分析大量的数据来优化资源调度、预测故障并做出相应的决策，从而提高性能、可靠性和效率。
总体而言，云操作系统的发展历程从虚拟化开始，然后逐步演化为服务化、云原生融合和智能化的阶段。
每个阶段都带来了不同的技术和功能，推动了云计算的进一步发展和创新。
（三）技术框架（三）技术框架随着技术的演进与应用场景的不断发掘，云操作系统结构层次逐渐清晰，模块功能逐渐完善，逐渐形成了统一的技术架构。
6云操作系统技术框架包括软件定义层、资源调度层、资源服务层、平台服务层，以及相应的运维运营及安全能力，具体技术框架如图2所示。
图2云操作系统技术框架软件定义层通过软件定义计算、软件定义存储、软件定义网络等技术，将基础设施层中的计算、存储、网络等硬件资源抽象为虚拟资源池，然后由资源调度层对虚拟资源池进行管理和调度。
资源调度层通过对虚拟计算资源池、虚拟存储资源池、虚拟网络资源池进行编排，形成云主机、云硬盘、云网络等虚拟资源，并对虚拟资源全生命周期管理，另外通过对所有虚拟资源的统一管理，实现虚拟资源的弹性伸缩和迁移调度。
资源服务层通过资源调度层提供的云主机、云硬盘、云网络等虚拟资源，为上层数据库、中间件、缓存、DevOps等7平台服务提供云主机服务、裸机服务等计算服务，块存储服务、文件存储服务、对象存储服务等存储服务，虚拟路由器、负载均衡、浮动IP等网络服务。
平台服务层依托资源服务层提供的计算、存储、网络资源服务，为业务应用提供数据库、中间件、缓存、DevOps等云原生服务。
运营运维部分支持计量计费、报表统计、工单处理、用户及权限管理等运营能力，支持监控告警、日志分析、趋势预测、集群健康度等运维能力。
云操作系统的安全包括虚拟化安全、网络安全、数据安全、安全管理等方面。
8三、发展现状
（一）云操作系统是信息基础设施建设的基础软件
（一）云操作系统是信息基础设施建设的基础软件信息基础设施是支持信息技术系统和服务运作的核心基础设施组成部分。
它包括硬件设备（如服务器、存储设备）、网络设备、数据库、操作系统、软件系统以及必要的支持设施和环境等组成要素。
信息基础设施的目标是确保信息系统正常运行，提供高效的数据处理、存储和传输能力，满足各种应用和业务需求。
信息基础设施的云化是一种趋势，它将传统的基础设施资源虚拟化，通过云计算技术进行统一管理和提供。
云化转变了传统的基础设施模式，使企业和组织能够通过云服务提供商获得按需的计算、存储和网络资源，而无需自行购买、配置和维护大量硬件设备。
信息基础设施云化带来了灵活性、可伸缩性和成本效益等优势，使企业能够更高效地运行业务、部署应用和管理数据。
在信息基础设施的云化过程中，云操作系统发挥着重要的作用，专门设计用于管理和操作云环境中的资源和服务。
云操作系统提供了对基础设施资源的虚拟化管理、自动化部署和弹性调度等功能。
可以管理虚拟机、容器、存储、网络等多种云资源，从而实现资源的高效利用和灵活配置。
通过云操作系统，用户可以方便地管理和监控云环境，实现自动化的资源分配和管理，提供高可用性和弹性的服务。
因此，9云操作系统在信息基础设施的云化过程中扮演着关键角色，帮助实现云计算的核心特性和优势。
（二）云原生已成为云操作系统重要特征
（二）云原生已成为云操作系统重要特征云原生是一种软件架构和开发方法论。
旨在支持应用程序在云环境中高效、可扩展和可靠地运行。
它通过容器化技术实现应用程序的解耦和可植性，采用微服务架构实现灵活的开发和维护，借助自动化管理提高运维效率，弹性伸缩适应变化的需求，并使用声明式配置化应用程序的管理和维护。
云原生能够为企业提供灵活、可扩展和高效的基础架构，支持敏捷创新、弹性扩展、高可靠性和成本效益。
通过云原生架构，企业能够快速推出新产品和功能，迅速响应市场需求和变化，获得竞争优势。
通过容器化和容器编排等技术，云原生架构还能简化应用程序的部署和管理，提高运维效率。
云操作系统的云原生化是指将云原生技术与云操作系统技术相结合。
云原生为企业带来了创新、弹性、高可靠性和成本效益的优势，帮助企业适应快速变化的市场环境，实现业务增长和成功，已经成为云操作系统的重要特征。
（三）云操作系统（三）云操作系统承担承担异构算力调度和管理功能异构算力调度和管理功能异构算力资源是具有不同架构异构算力资源是具有不同架构、性能和特性的计算资源，性能和特性的计算资源，包括常见的包括常见的CPUCPU（如（如x86x86、ARMARM）、）、GPUGPU、FPGAFPGA和和AIAI芯片等芯片等。
CPU作为基础计算资源广泛应用于各类任务，为通用计算提供强大的处理能力。
GPU在科学计算、深度学习等领域得到10广泛应用，通过并行计算提供高性能处理能力。
FPGA在物联网、边缘计算等场景发挥重要作用，通过可编程性和并行计算能力满足低延迟、高吞吐量需求。
AI芯片如ASIC、TPU等日益兴起，专用于人工智能计算任务，提供高效能和低功耗的计算能力。
这些异构算力资源在云平台、边缘节点和终端设备中得到广泛应用，推动了我国在人工智能、大数据分析等领域的发展。
随着技术不断进步，我国异构算力资源的发展潜力将进一步释放。
云操作系统在异构算力资源调度中扮演着关键角色云操作系统在异构算力资源调度中扮演着关键角色。
一一是是云操作系统通过其管理和调度功能，能够有效地分配和利用异构算力资源。
二是二是通过优化异构资源的利用，可以提高云环境的性能和效率。
三是三是云操作系统提供了灵活的资源分配机制，可以根据实时需求进行动态调整，并根据这些需求动态分配和重新分配资源，以最大程度地满足各个任务的需求。
四是四是云操作系统具备跨平台兼容性，提供跨平台的兼容性，屏蔽了底层资源的差异性，统一地管理和调度不同平台上的资源。
综上所述，云操作系统在异构算力资源调度中的作用日益凸显。
它能够处理多样化的计算资源，优化资源利用，提供灵活的资源分配和跨平台的兼容性。
使得云操作系统成为提高云环境性能和效率的关键组成部分，为异构算力资源调11度带来了显著优势。
随着云计算的发展，云操作系统在异构算力资源调度中的作用将进一步加强。
（四）云操作系统是实现多云协同的关键软件（四）云操作系统是实现多云协同的关键软件我国面临着多云复杂环境，这包括多个运营商、多种技术路线以及企业需管理的多个云平台。
一是一是我国拥有多个主要的云服务提供商，在不同地区和不同行业拥有广泛的覆盖和应用。
这样多个云服务提供商的存在，使得企业可以选择最适合自身需求的云服务，提高灵活性和可选性。
二是二是技术路线多样性。
不同云厂商和技术架构采用了各自独有的架构和技术，例如容器化、虚拟化等。
不同云操作系统之间可能存在着差异，如调度算法和资源管理策略的不同，使得协同调度变得复杂。
三是三是企业在多云环境中需要管理和协调多个云平台，确保资源的合理分配和协同工作。
这涉及到跨云平台的资源管理、数据流动和集中监控，要求具备统一的管理接口和工具来实现对多云环境的集中管理和控制。
因此，我国的多云复杂环境对于企业来说是一个具有挑战又大有潜力的领域，需要合适的工具和平台来实现多云协同和互联互通。
在多云环境中，云操作系统提供标准化接口和协议，实现多个云平台的集中管理和监控，促进多云协同和互联互通，整合资源、数据传输和共享。
同时，它确保安全和隔离保护，防止潜在风险，是多云协同和互联互通的关键软件。
12（五）云操作系统和开源技术互补共赢发展（五）云操作系统和开源技术互补共赢发展云操作系统和开源之间存在密切的关系。
一方面，云操作系统通常基于开源软件构建，许多云计算公司都在其云平台上采用了开源技术。
另一方面，云操作系统的开发和维护过程也受益于开源社区的支持和贡献。
云操作系统的设计和实施需要大量的软件组件和服务，其中许多都是基于开源软件开发的。
开源软件KVM被广泛用于实现云操作系统的虚拟化，容器引擎Docker在云原生技术中起到关键作用。
此外，还有许多其他的开源工具和库，如OpenStack、Kubernetes等，也在云操作系统中发挥着重要作用。
云计算公司对开源软件做出了重要贡献。
它们通过提供开源软件服务、贡献开源项目、分享技术经验和开发实用工具等方式，支持和推动了开源软件在云计算领域的发展。
这些贡献不仅使用户能够获得方便、高效和可扩展的云端基础设施，还促进了开源社区的协作和共享，提高了开发者的生产效率和产品质量。
总的来说，云操作系统和开源之间的关系是互补和共赢的。
云操作系统依赖于开源软件和社区的支持，同时也为开源项目提供了实践和发展的机会。
这种合作关系有助于推动云计算行业的创新和发展。
13四、存在问题
（一）云操作系统架构不统一，互联互通存在困难
（一）云操作系统架构不统一，互联互通存在困难由于不同云计算服务提供商和组织开发的云操作系统存在差异和特色，导致云操作系统架构不统一。
不同的云操作系统可能采用不同的架构、设计理念和技术实现，导致云平台间在架构层面存在差异。
这会给云计算用户和开发者带来挑战，因为他们需要针对不同的云操作系统进行适配和调整，增加了开发和管理的复杂性。
云操作系统之间的接口规范不统一是导致互联互通困难的重要原因。
不同云操作系统使用的接口、协议和交互方式可能存在差异，缺乏统一的标准。
这导致用户在将应用程序或数据从一个云平台迁移到另一个云平台时，需要花费额外的精力进行接口适配和转换，增加了迁移和集成的难度。
由于云操作系统架构和接口的不统一，不同云平台之间的互联互通存在困难。
云平台之间无法直接进行平滑的集成和通信，可能需要进行复杂的中间层开发或使用第三方工具来实现互操作。
这给云计算用户带来了一定的不便，限制了跨云平台的资源共享、数据迁移和协同工作的可能性。
综上所述，云操作系统架构不统一、接口不规范导致互联互通困难是当前云计算领域面临的问题。
解决这些问题需要云计算行业和相关组织共同努力，推动云操作系统的标准14化和互操作性的提高，以促进云计算平台之间的无缝集成和互联互通。
（二）部分组件依赖开源，存在安全风险
（二）部分组件依赖开源，存在安全风险开源生态带来更多的不安全和不确定性。
根据BD2020开源安全与风险分析报告显示，75%的代码库至少含有一个漏洞，49%的已审核代码库包含高风险漏洞，这些漏洞会给系统环境带来潜在的威胁。
开源许可证和知识产权问题复杂。
目前世界上有60多种开源许可协议，其中常用的是GPL、BSD、MIT、Mozilla、Apache和LGPL六种。
而大量的开源组件存在许可证冲突问题，不同的协议对源代码的限制也不同，在修改源代码或使用前若对该开源项目所使用的许可协议不了解，后续可能会产生纠纷。
以上问题限制了云计算技术的进步和发展。
解决这些问题需要提高技术实力、加强知识产权保护能力，以推动云操作系统的演进，并为我国数字经济的蓬勃发展提供坚实支撑。
（三）云操作系统云原生化，业务系统面临重构挑战（三）云操作系统云原生化，业务系统面临重构挑战随着云计算的快速发展，云原生化成为推动云操作系统应用的重要手段。
然而，云原生化过程中存在着一些关键挑战，主要集中在传统应用程序重构和遗留系统整合方面。
在传统应用程序重构方面在传统应用程序重构方面，需要进行大规模的架构改变。
需要进行大规模的架构改变。
15这包括将传统的单体应用程序拆分为更小的、独立的微服务，重新设计组件和模块之间的通信方式，以及重新定义应用程序与底层基础设施的交互方式等。
这些改变需要进行详细的评估，以确保应用程序的功能和性能不受影响，并且需要确保在重构过程中不中断现有的业务。
整合现有系统与云原生应用也是一个重要的挑战整合现有系统与云原生应用也是一个重要的挑战。
这涉及与现有系统进行数据共享、集成和迁移，确保云原生应用能够与遗留系统进行无缝交互。
在整合过程中，需要综合考虑技术、安全性和成本等多个方面的因素，以确保整合过程不会影响现有系统的稳定运行。
克服这些挑战对于推广云操作系统的应用至关重要。
通过有效地进行传统应用程序重构和遗留系统整合，可以实现云原生化，并获得高可扩展性、灵活性和敏捷性等优势。
这将推动企业加速数字化转型，并在竞争激烈的市场中取得优势。
（四（四）“一云多芯一云多芯”成为趋势成为趋势，云操作系统稳定性亟需云操作系统稳定性亟需增强增强底层硬件多芯共存对云操作系统的连续稳定性带来了几个方面的冲击和挑战，包括云操作系统需兼容多种芯片技术路线、资源调度分配难度增加以及技术路线演进的不可控性。
一是云操作系统需兼容多种芯片技术路线一是云操作系统需兼容多种芯片技术路线。
底层硬件多16芯共存涉及多种芯片技术路线的使用，如x86、ARM等。
云操作系统需要兼容这些不同的技术路线，以确保在不同的硬件平台上可靠运行。
但由于不同技术路线的处理器架构和指令集的差异，云操作系统需要应对架构和指令的兼容性问题，以保证在不同芯片技术路线上的连续稳定性。
二是云操作系统的资源调度分配难度更大二是云操作系统的资源调度分配难度更大。
底层硬件的多芯共存带来了资源调度和分配的复杂性。
云操作系统需要有效地管理和协调多个核心的任务和资源分配，以充分利用处理器并行性能和提高系统的效率。
然而，随着芯片技术的发展和硬件架构的复杂性增加，资源调度问题变得更加困难，需要更高级的调度算法和策略来平衡负载、减少资源竞争，并确保任务的执行按时完成。
三是技术路线演进的不可控性三是技术路线演进的不可控性。
技术路线的演进不可控性给云操作系统的连续稳定性带来了一定的挑战。
底层硬件的技术发展速度较快，不同的芯片技术路线可能会在不同的时间点推出新的处理器架构和功能。
这样的不可控性可能导致云操作系统需要适应新技术路线的变化，并及时进行相应的优化和调整，以保持连续的稳定性和兼容性。
综上所述，底层硬件多芯共存对云操作系统的连续稳定性带来了多方面的冲击。
云操作系统需要兼容多种芯片技术路线，同时面临更大的资源调度分配难度和技术路线演进的不可控性。
针对这些问题，云操作系统需要实施相应的策略17和技术，确保在多芯共存的环境下，仍能提供稳定、可靠、高效的服务。
18五、发展建议
（一）依托统一标准，规范云平台技术架构和兼容性
（一）依托统一标准，规范云平台技术架构和兼容性云计算平台的兼容性是指对底层异构算力以及上层应用的兼容性，云计算平台能够兼容多种不同类型的计算资源、存储资源和网络资源。
计算资源上，一般需要提供“一云多芯”或“一云多算力”兼容要求，不仅包括x86、ARM等CPU架构服务器，还包括GPU、FPGA、ASIC等异构架构的计算资源；存储资源上需要兼容不同接口的存储资源；网络资源上需要兼容软硬一体或不同网络协议的网络资源。
信息技术云计算参考架构国家标准对云服务提供者与对等提供者之间的“云间”协同能力进行规范。
标准还规范了提供者和对等提供者关系中的三类接口：
管理接口、业务接口和服务接口，这些接口提供了与云服务客户和云服务提供者间接口大体相同的能力。
根据此标准，可开展相关测试和评估工作，规范云平台的兼容能力和云间协同调度能力，为用户进行云平台选型提供参考。
（二）提升安全意识，降低云操作系统安全风险
（二）提升安全意识，降低云操作系统安全风险对供应链进行全面检视，了解供应商、组件和技术的来源、质量和可靠性等方面的情况，识别供应链中的关键环节和潜在风险。
例如，评估供应商的供货能力、漏洞管理机制和安全控制措施等。
实施安全审计和风险评估，确保供应链中的数据和信息安全；加强供应商管理，建立长期稳定的合19作关系，确保供应商的稳定性和责任可追溯性。
这些举措将帮助企业有效管理供应链风险，提高运营的稳定性和安全性，从而更好地满足云计算技术应用的需求。
（三（三）持续优化云操作系统性能和稳定性持续优化云操作系统性能和稳定性，为产业应用为产业应用提供保障提供保障云服务客户在选择服务提供商或购买云解决方案时，对服务提供过程服务或解决方案产品的性能越来越关注。
在开展云服务性能测试活动过程中，相较于传统IT服务，不同的云服务在提供的时候关注的性能指标不一样，即使是同一个指标，不同云服务提供商的度量方法也存在差异。
需要针对不同服务的业务场景，结合云计算快速的弹性、可扩展、高可用等特性，梳理出不同服务在典型应用场景下的性能指标以及度量方法。
信息技术云计算云操作系统性能测试指标和度量方法已发布，可根据此标准进行云操作系统及其基础服务的性能效率测评，一是一是为不同云服务提供商相同服务进行性能比对提供依据，帮助云服务客户甄选和评估云服务提供商；二是二是可以通过建立云服务性能测试指标和度量方法，为后续开展云服务性能评价提供支撑，从而保障服务质量，构建良性发展的云服务生态；三是三是依据云服务性能指标开展性能测试，是测试过程出现性能瓶颈进行调优的依据。
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