基于Docker的智能量测设备操作系统虚拟化研究_黄瑞.pdf

收稿日期：基金项目：国网科技项目（）第一作者：黄瑞，男，高级工程师，博士研究生，研究领域为计量技术。：通信作者：胡红利，教授，博士生导师。：基于 的智能量测设备操作系统虚拟化研究黄 瑞，肖 宇，曾伟杰，胡红利，叶 志，段羽洁（国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙；智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室，湖南 长沙；西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安）摘要：嵌入式操作系统虚拟化技术因其标准化的开发流程和对跨平台的适应能力受到了广泛关注。作为一种轻量级虚拟化方式，具有资源利用率高，启动速度快，实时性好的特点，是嵌入式操作系统高效的虚拟化方案。文章介绍了 的原理，并与传统虚拟化技术进行了对比；以智能电能表为例提出了其功能容器化的方案，在 容器中构造了基于二叉树支持向量机（）的电能质量扰动识别分类器，实现了 种电能质量扰动的识别，并且测试了其相对传统虚拟机的轻量级特性。为智能量测设备嵌入式操作系统虚拟化与其功能部署容器化提供了一种思路。关键词：智能量测设备；嵌入式操作系统；虚拟化中图分类号：文章编号：（）文献标识码：，（，；，；，）：，（），：；引言智能量测设备被广泛应用于采集终端，数字化仪表，工业自动化与电力系统状态监测设备中。目前技术依赖于国外成熟的操作系统和软件生态。该文以智能电能表应用为例，研究轻量级嵌入式操作 年第 期 工业仪表与自动化装置系统关键技术。国际法定计量组织制定的 标准（以下简称）对电能表提出了计量部分与非计量部分相隔离，计量部分能够独立运行，非计量部分功能支持软件升级的要求。此外要求电能表具有参数保护，软件保护的功能。目前我国电能表在计量和管理部分并未达到隔离的要求，且各厂家电能表形式多样，电路软硬件各异，对批量化的管理、开发、维护和软件升级带来了挑战。是一种新兴的虚拟化技术，因其能够充分利用系统自身资源，具有启动速度快，占用空间小，实时性好，高并发，低延时的优势。可将智能电能表模块化的应用部署在分离的环境当中，实现电能表软硬件的分离和解耦，使得开发人员不再关注具体的硬件接口和电能表型式差异，实现“硬件平台化，软件 化”。文章介绍了虚拟化技术。在嵌入式平台上完成了 的部署。软件设计方面构建了基于二叉树支持向量机的电能质量扰动分类器，在 环境中完成扰动识别，并与传统虚拟机对比验证 的轻量级特性。原理和优势 的基本原理 技术是一种基于 操作系统内核的虚拟化技术，利用扩展的（）方案实现一种轻量级的虚拟化解决方案。通过名称空间实现容器的虚拟化隔离，使得每个容器的运行环境相互隔离，并且由于 特殊的隔离方式，使得运行资源的开销较低，因而能够在同一操作系统上同时运行多个容器。简化了环境配置，让开发者将应用程序及其依赖的运行环境和配置文件一起打包，对于用户使用而言十分方便，达到建立镜像，在任何系统上都可以运行的效果。在软件开发和应用部署方面，容器技术因具有标准化的打包模式，实现了高度的可移植性，能够在任何主流系统中开发、调试和运行，具有高度的灵活性，满足了碎片化场景的应用需求。与传统虚拟机的对比目前常见的虚拟化技术分为两种，一种是基于 的完全虚拟化，另一种是容器虚拟化。与 的架构对比如图 所示。中的各容器共享操作系统的资源，而每个容器都是独立的，有独立的网络、内存和文件系统。由于 占用资源少，使得在一个操作系统中可以运行数百个容器，具备了轻量快速的优势。从占用资源角度上考虑，虚拟机 占用大约 到 的物理资源，当有多个虚拟机在同一机器上运行时，资源开销会成倍增加。而 引擎占用的主机资源很少，几乎与裸机相同。图 架构与 架构对比 与智能量测设备的结合智能量测设备现大多具备边缘计算能力，通过在物联网网关中植入单片机，并使用容器隔离技术来隔离不同应用的运行环境，边缘计算平台能够与云端进行交互控制使得边缘资源与云资源得到有机结合。为边缘计算平台的提供了一个很好的隔离方案，由于容器隔离的轻便性，使得边缘计算平台能够承担隔离所带来的资源消耗；并且 的部署也较虚拟机更为简单，为开发人员简化了很多操作。系统方案设计 嵌入式平台选取文中所采用的嵌入式型号为 ，如图 所示，该嵌入式配备了四核 ，内存，千兆以太网口，和 输出，同时配有蓝牙，双频 无线网络，等丰富的接口和外围器件可供扩展使用。具有体积小，计算资源丰富，可扩展型强的优点。采用 内核方便 环境和嵌入式开发环境的搭建，同时 架构的精简指令执行速度快，功耗低，该设备可以满足作为电网中轻量级边缘计算节点的需要。工业仪表与自动化装置 年第 期图 硬件资源 镜像构建与编译将不含数据的电能质量检测程序放入应用服务的子目录中，在该目录下撰写，是构建 镜像时的说明和指令，使用 构建命令时会读取该文件中指令并执行。传统嵌入式开发可使用诸如 等工具直接进行从 到嵌入式应用的跨平台编译，则为开发人员提供了