新型移动操作系统测试验证体系研究

张丽静 孔玲 曾晨曦 马霁阳

(1.中国信息通信研究院泰尔终端实验室 北京 100191；
2. 中国人民解放军 93303 部队，沈阳 110069)

移动操作系统是移动智能终端设备的核心部件，是连接下层硬件与上层应用生态的关键环节。目前，在移动操作系统领域安卓和iOS占据绝对统治地位。

随着5G和物联网的发展，移动终端操作系统的概念和应用范畴逐步由手机、平板等开始向外进行延展。5G“大带宽、低时延、广联接”将全面赋能智能制造、自动驾驶、AR/VR应用、4K/8K视频等行业，移动生态中必将引入诸如多屏互动、跨终端使用、多终端协同等新业务。物联网的发展使得移动智能终端产品形态从智能手机延伸到智能可穿戴、智能家居、智能车载、智能无人设备、医疗健康等领域。5G+AIoT的发展及终端产品形态的变化孕育着跨终端、全场景式操作系统崛起的机会。目前，科技巨头纷纷投入新型移动操作系统研发中，华为于2021年开源面向128 KB～128 MB内存终端设备的鸿蒙OS 2.0，鸿蒙OS 2.0是面向全场景生态的新一代智能终端操作系统。鸿蒙作为新一代智能终端操作系统当前面临的最核心问题是生态，建立有效的测试验证体系，是推动新型移动操作系统健康发展的基础和保证。

鸿蒙作为新一代智能终端操作系统，具有以下特性。

(1)首次将分布式架构应用于移动操作系统，实现跨终端的无缝协同体验

鸿蒙独创分布式软总线技术使得硬件能力虚拟化，让多终端能力共享，互为外设，终端设备打破硬件边界；
分布式数据管理让跨设备数据处理如同本地一样方便快捷，设备之间可以跨设备调度硬件能力，从而实现数据共享、算力共享、AI共享，最终消费者能够享受到强大的跨终端业务协同能力为每个使用场景带来的无缝体验。

(2)确定性延迟引擎和高性能IPC技术让系统自然流畅

鸿蒙OS通过使用确定时延引擎和高性能IPC两大技术解决现有系统性能不足的问题。确定时延引擎可在任务执行前分配系统中任务执行优先级和时间限制，以进行调度处理，优先级高的任务资源将优先保障调度，应用响应时延降低25.7%。鸿蒙微内核结构小巧的特性使IPC(进程间通信)性能大大提高，进程通信效率较现有系统提升5倍。

(3)基于微内核架构重塑终端设备可信安全

鸿蒙OS采用全新的微内核设计，拥有更强的安全特性和低时延等特点。微内核设计的基本思想是简化内核功能，在内核之外的用户态尽可能多地实现系统服务，同时加入相互之间的安全保护。微内核只提供最基础的服务，比如多进程调度和多进程通信等。鸿蒙OS将微内核技术应用于可信执行环境(TEE)，通过形式化方法，重塑可信安全。同时由于鸿蒙OS微内核的代码量只有Linux宏内核的千分之一，其受攻击概率也大幅降低。

新一代移动操作系统具有全场景流畅体验、跨终端无缝协同等新特性，对操作系统适配兼容能力提出更高要求，开展适配兼容验证对新型移动操作系统高质量发展至关重要。此外，移动操作系统测试验证还需兼顾上下游生态要素协同发展。如图1所示，按生态要素及模块间相互关系，移动操作系统测试验证可划分为“适配兼容能力验证”和“生态要素测试验证”两部分。适配兼容验证聚焦操作系统与其生态要素间联动，验证移动操作系统软件、硬件和服务生态的适配兼容性；
生态要素测试验证重点从操作系统、终端整机/软件、应用软件和安全性4个维度测试操作系统功能和性能。

图1 新型移动操作系统测试验证体系

如图2所示，新型移动操作系统存在硬件、软件和服务生态三方面的适配兼容问题，适配兼容验证主要针对这几方面的问题进行研究验证。

图2 新型移动操作系统适配兼容分析

硬件适配能力主要解决操作系统与底层硬件设备之间的适配兼容能力。硬件适配能力可以从外围硬件适配能力、驱动适配能力、多终端/跨终端能力和跨场景适配验证四方面展开验证。操作系统必须和硬件配合才能调度管理硬件的各类资源。如图3所示，硬件适配层位于操作系统内核驱动程序之上，是运行在用户空间中的服务程序。硬件适配层并不提供对硬件的实际操作，对硬件的实际操作仍然由具体的驱动程序来完成。操作系统硬件适配层需要根据不同类型的硬件分别进行API标准化，实现对应的驱动程序接入到操作系统中，包括蓝牙、USB、GPD、网卡、存储、CPU、GPU、麦克风等硬件接入。外围硬件驱动程序一般是由硬件开发商完成的。操作系统通常会提供开发接口给硬件开发商，硬件开发商可以根据这个接口开发程序驱动他们的硬件。硬件适配层兼容需要验证操作系统硬件适配层API接口的兼容性；
驱动适配能力需要验证所有硬件适配接口的正确性；
多终端/跨终端适配能力验证主要验证操作系统在不同类型的终端(如手机、TV、车载、IoT等)设备上的人机交互、显示、功能等的兼容性；
跨场景适配验证需要验证新型移动操作系统在不同使用场景(如弱网络情况、5G)下和不同业务(车载、IoT等)需求下的兼容性问题。

图3 操作系统层次关系图

软件兼容性主要解决操作系统与应用软件之间的使用兼容性问题，以及操作系统自身的版本兼容性问题。下面从操作系统兼容性和应用软件兼容性两个方面进行研究。操作系统兼容性体现在应用程序在不同的操作系统版本和终端平台上进行安装、运行、卸载等操作的成功率。操作系统兼容性保证开发者和用户在不同版本的操作系统上使用体验一致。由于新型移动操作系统区域别于安卓操作系统，采用全新微内核架构体系，兼容性问题涉及新型移动操作系统的架构、拓扑、网络通信模型、进程间通信、内存分配、任务调度、文件存储、系统容错、冗余以及数据一致性等模块的兼容性需求。应用软件兼容性是指新型移动操作系统与其上层应用软件之间的兼容情况，即在可能出现的操作系统碎片化情况下，应用软件是否能在新型移动操作系统上正常的运行和使用。新型移动操作系统应用软件形态主要包括原生应用、当前生态主流应用和即时应用三大类。新型移动操作系统的软件兼容性验证是指对原生应用、当前生态主流应用以及即时应用三大类应用软件在跨终端、跨使用场景、跨业务场景下的兼容性测试验证。测试应涵盖对不同设备的硬件兼容、界面显示兼容、分辨率兼容、安全软件兼容、版本兼容、网络兼容等内容；
测试软件运行稳定性，检测软件是否出现卡顿、闪退、程序意外终止等情况；
测试软件之间的兼容性，在已安装其他软件的前提下安装/卸载待测软件、在已运行其他软件的前提下运行待测软件、在已安装待测软件的前提下安装/卸载其他软件、在已运行待测软件的前提下运行其他软件，检查待测软件和其他软件的响应情况。

服务生态兼容性主要研究新型移动操作系统的基础移动服务和IoT接入兼容适配问题。操作系统的基础服务包括地图服务、推送服务、应用商店、云端账号系统、云端存储、云端计算等。基础移动服务兼容性验证类似于谷歌的GMS要求，对包括核心应用服务UI要求、应用存储要求、用户数据文件系统格式要求、应用预加载要求、主屏幕布局要求等进行标准化测试，实现对新型移动操作系统生态的把控；
IoT接入兼容适配是对第三方智能硬件接入的API标准和通信协议进行兼容性验证。不同的智能化硬件需要适配API标准和通信协议对应的版本，形成向上可连接业务场景，提供丰富的技术框架和能力，向下可适配主流硬件、发挥最大性能、抽象能力接口、简化开发难度等能力，打造完整的物联网设备接入方案。

依照操作系统生态要素，新型移动操作系统测试验证体系可以分为操作系统测试验证、终端整机/软件测试验证、应用性能测试验证和安全性测试验证4个维度(见图4)。

图4 移动操作系统测试验证体系

操作系统测试验证根据其技术架构可以分为内核和核心组件两部分。其中内核层测试主要测试硬件性能、内存管理、进程管理和文件系统管理等基本内核功能元素的性能。硬件性能主要是从硬盘读写性能、网络性能以及浮点计算能力三方面进行测试；
内存管理测试包含内存性能和内存压力测试；
进程管理测试包含进程或线程的压力测试，以及进程之间通信的性能情况；
文件系统测试主要针对文件系统进行压力测试，以验证其能力瓶颈。核心组件测试主要针对通信能力、图形渲染能力、多媒体性能和数学运算性能进行测试。通信能力聚焦于驻网时间；
图形渲染能力主要关注2D和3D图形的渲染能力；
多媒体性能方面包含图像显示、视频显示和音频播放3类测试对象；
数学运算采用斐波那契数列、AES/RSA/SHA256加解密等运算模型来衡量操作系统的数学运算能力。

非安全类的应用软件测试主要针对其用户体验性能，包括应用软件系统资源占用和网络使用效率。系统资源占用包括其对计算资源、网络资源、电量等不同系统资源使用的有效性；
网络资源使用效率是指应用软件是否有合理地使用终端有限的网络资源，如带宽、流量等。根据不同终端使用场景，为应用软件定义不同的使用标准，以满足不同使用场景的需求，如车机场景需加入安全性需求、多屏显示场景和多屏适配等特殊场景需求。

整机性能综合了操作系统、终端硬件、终端软件等多方面因素，从整机的角度对终端整体进行质量方面的性能测试评估，具体包括硬件基准性能、空间资源使用、可靠性、时间性能，终端发热和功耗6个维度。基准性能测试用来评测移动智能终端操作系统驱动相关硬件的各项性能指标，反映终端性能、功耗和用户体验水平；
空间资源使用主要包含系统使用存储空间大小和系统内存占用空间大小两项测试指标；
可靠性是检测终端在容量极限逼近的情况(如多并发、复杂场景或长时间运行等压力情况)下的稳定性、开关机稳定性以及是否有异常掉电情况等；
时间性能包括其在运行过程中的响应时间、交互流畅度、切换流畅度等时间效率类指标；
终端发热指终端在不同的运行场景下，其整机设备的发热情况；
终端功耗指在不同场景下，其待机时长和整机耗电情况。

安全性涉及操作系统各生态要素，是移动操作系统测试验证中至关重要的环节。安全性测试针对智能终端操作系统产品进行安全评测，通过硬件安全测试、操作系统安全测试来评估移动智能终端操作系统抵御外部攻击的能力，确保对操作系统整体安全性的可知可控；
通过对智能终端应用软件进行安全检测，助力于构建安全可靠的智能终端移动应用生态环境。

新型移动操作系统是伴随着5G+AIoT的万物互联新时代产生的，能够同时满足全场景流畅体验，对其进行跨场景适配验证应在5G和物联网场景下进行。

新型移动操作系统具备5G的大连接、低时延、高速率等特性，以及云化、切片化的网络形态，应支持5G的eMBB、mMTC和uRLLC三大核心场景：

(1)eMBB 典型应用包括超高清视频、虚拟现实、增强现实等。这类场景首先对带宽要求极高，关键的性能指标包括100 Mbit/s用户体验速率(热点场景可达1 Gbit/s)、数十Gbit/s峰值速率、每平方公里数十Tbit/s的流量密度、每小时 500 km以上的移动性等。其次，涉及到交互类操作的应用还对时延敏感，例如虚拟现实沉浸体验对时延要求在10 ms量级。

(2)uRLLC典型应用包括工业控制、无人机控制、智能驾驶控制等。这类场景聚焦对时延极其敏感的业务，高可靠性也是其基本要求。自动驾驶、实时监测等要求毫秒级的时延，汽车生产、工业机器设备加工制造时延要求为10 ms级，可用性要求接近100%。

(3)mMTC 典型应用包括智能家居、智能健康等。这类应用对连接密度要求较高，同时呈现行业多样性和差异化。智慧城市中的抄表应用要求终端成本低功耗，网络支持海量连接的小数据包；
视频监控不仅部署密度高，还要求终端和网络支持高速率；
智能家居业务对时延要求相对不敏感。

物联网技术的普及带动物联网产品逐渐融入用户日常工作和生活的方方面面。目前，物联网产品覆盖智能家庭、智慧社区、智慧办公、智能座舱、智慧健康等多种不同场景。物联网新技术带来的新需求推动操作系统向跨终端泛终端等多种新场景转变，新型移动操作系统的测试场景也随之向泛终端的智慧新场景转变。为适应新型移动操作系统多终端/跨终端等适配性检测需求，应引入新型物联网全场景。为保证最大程度的覆盖操作系统的使用场景，可以将围绕智能家居与社区、车内智能化和智慧办公3类与新型移动操作系统最为密切的使用场景作为测试场景。

对新型移动操作系统进行测试验证能够促进我国移动操作系统健康、协同发展，为我国移动操作系统产业做大做强提供质量保障。本文通过研究新型移动操作系统的技术特点，总结新型移动操作系统存在的跨终端协同、跨平台运行的兼容适配问题，对新型移动操作系统的适配兼容能力验证方法和生态各要素以及测试场景进行研究。本文探讨了由底层硬件到上层软件多层次、多部件、多模块的适配兼容性验证，研究了操作系统、终端整机/软件、应用性能和安全性的测试验证方法，从5G和物联网两个方面提出了应当构建的测试场景。新型移动操作系统测试验证体系研究提供了完备的具有实操性的移动操作系统测试验证方法，为今后建设面向泛终端设备的新型移动操作系统适配验证能力平台打下基础。

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