國產操作系統行業格局（附下載）

智能計算芯世界 2021-02-08 00:00

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一、操作系統是基礎軟件，分為閉源和開源兩類

廣義的操作系統包括：計算機（PC、工作站、服務器）系統、移動端系統(例如鴻蒙)、嵌入式系統等。本篇報告只涉及計算機操作系統。

計算機操作系統的功能角色：作為用戶和計算機硬件資源之間的交互，管理調度硬件資源，為應用軟件提供運行環境。操作系統屬于基礎軟件，是系統級程序的匯集，為用戶屏蔽底層硬件復雜度，并提供編程接口和操作入口。

操作系統控制處理器(CPU)調度系統資源，控制應用程序執行的時機，決定各個程序分配的處理器時間(CPU time)。操作系統需要兼容底層硬件和應用軟件，才能實現計算機的功能。

根據核心代碼是否向開放，操作系統可劃分為兩類：開源系統、閉源系統。

1. 閉源操作系統：代碼不開放，以微軟 Windows 系統為代表

微軟公司內部的研發團隊開發 Windows 操作系統，并開發配套的應用軟件，比如 Office。在生態建設方面，Intel 和 Windows 長期合作形成 Wintel 體系，在 PC 端市占率全球領先

Windows 系統的訪問分為 User mode(用戶模式)和 Kernel mode(內核模式)。用戶級的應用程序在用戶模式中運行，而系統級的程序在內核模式中運行。

內核模式允許訪問所有的系統內存和 CPU 指令。Windows 系統從最早期的 16 位、32 位到現在流行的 64 位，系統版本從最初的 Windows 1.0 到 Windows 95、Windows 98、Windows 2000、Windows 2003、Windows XP、Windows Vista、Windows 7、Windows 8、Windows 8.1、Windows 10 和 Windows Server 服務器企業級操作系統，不斷持續更新。

Windows 系統最大的優勢在于圖形界面，使得普通用戶操作起來非常便利。相比大部分 Linux 系統，windows 的常用軟件安裝和系統設置不需要以命令行的方式去輸入系統指令，只需要點擊“按鈕”即可完成。如今，絕大多數常見軟件、專用軟件和底層硬件都支持 Windows 操作系統，形成了 Window 強大的生態整體。

2. 開源操作系統：代碼免費開放，以 Linux 操作系統為代表

Linux kernel(內核)由 Linus Torvalds 在 1991 年發布，代碼免費公開，由全球開發者共同貢獻，已成為影響最廣泛的開源軟件項目。以 Linux 內核為基礎，不同的開發團體(開源社區、企業、個人等)對內核代碼進行一定的修改和補充，加入 GUI(圖形界面)、應用等部分，形成了相應的 Linux 操作系統發行版。

Linux 系統版本之間存在衍生關系，由此形成 RedHat、Slackware、Debian 等幾大家族，各家族內部又衍生出一些著名版本，如 Ubuntu、SUSE、CentOS、Red Hat Enterprise Linux、Fedora 等。

Linux kernel 是開源項目，由全球范圍的開發者(企業、團體、獨立開發者)共同貢獻源代碼。Linux 的官方組織是 Linux 基金會，作為非盈利的聯盟，協調和推動 Linux 系統的發展，以及宣傳、保護和規范 Linux。Linux 基金會由開源碼發展實驗室（Open Source Development Labs，OSDL)與自由標準組織（Free Standards Group ,FSG) 于 2007 年聯合成立。

開源社區是 Linux 系統的創新源泉和主要的開發場所。Linux 操作系統發行版分為社區版本和商業版本。社區版本數量較多，其開發和維護的主體是開源社區。少數的商業版本(比如紅帽企業版) 則是在社區版本的基礎上，進一步優化而來。整體來看，無論是否涉及商業活動，開源社區是 Linux 發行版的創新來源和主要的開發場所。而成熟的開源社區通常由相應的開源基金會(或者項目委員會)進行管理。開源基金會為開發社區制定了規則，進行資源管理，負責可能的商務對接，以及保護社區的健康運轉。社區的開源基金會(委員會)一般由開源貢獻方進行贊助和決策支持。

許多開源社區背后都有一個主導企業，為社區提供資金和研究支撐，甚至直接委派員工參與開源項目。例如，Fedora 社區的核心開發者中 1/3 是紅帽的正式雇員。通過資助和維護開源社區的方式，企業可以發揮研究力量的“杠桿”作用，通過向社區輸入自有的研究資源，吸引更多的外部貢獻者參與進來，擴大創意來源；另一方面，開源社區版本也成為企業擴大技術影響力的重要途徑。

Linux 操作系統由 4 部分組成：kernel、shell、文件系統、應用程序。Kernel(內核)是操作系統的核心，不同于 windows 的內核，Linux 的內核不僅實現了進程調度、內存管理、中斷處理、異常陷阱處理，而且還實現了進程管理、進程通信機制、虛擬內存管理、文件系統驅動和 USB、網絡、聲音等各類設備驅動子系統，決定了整個系統的性能和穩定性。而 shell 是系統的用戶界面，提供用戶與內核交互的接口，接收用戶輸入的命令并送入內核去執行。

Linux 操作系統主要的優勢領域是服務器和嵌入式。據 Linux 基金會統計，全球 90%的公有云平臺采用了 Linux 系統，99%的超算和 62%的嵌入式設備也都是基于 Linux。亞馬遜 AWS、微軟 Azure、微軟 Azure、谷歌云平臺和阿里云等主流云服務商，都提供了 Linux 系統方案。全球公有云平臺運行的所有應用，超過 54%是運行在 Linux 虛擬機上。甚至微軟 Azure 的近 30%的虛擬機也是基于 Linux。根據 IDC 在 2017 年的統計數據，全球服務器操作系統使用份額(免費+付費)中， 68%是 Linux 服務器操作系統。

Linux 操作系統在服務器領域的普及，主要由于 3 個方面：

1）創新方面，集思廣益。全球開發者對 Linux 內核保持了持續的更新，提供了充足的創新動力。據 GitStats 分析結果，截至 2018 年 9 月，已有超過 19000 名開發者為 Linux 內核貢獻了代碼，這些開發者遍布全球范圍超過1500個組織/企業。廣泛分布的開發者，從不同視角不同方面對Linux 內核的補充，使得 Linux 系統得以快速適應服務器領域的變化。

2）系統代碼可以修改和自定義，用戶可調用計算機資源的自由度極高。Linux 操作系統的使用者可以輕松查看系統代碼，可以自由修改代碼來修補常見的問題，也可以開發自己的程序并添加入 Linux 操作系統中。相比 Windows 等閉源系統，Linux 支持了使用者對于計算機資源極大的使用自由度，支持專業用戶去構建和自定義服務器，由此獲得了互聯網公司、云計算公司的青睞。

3）運行效率高，運維成本低。Linux 系統在服務器上面的運行效率較高，相對比較輕量化，除非硬件資源分配出現問題，不易出現系統卡死狀況。而且 Linux 系統天然地支持虛擬化。因此，在服務器集群上，Linux 系統的運維成本較低。

4）安全。Linux 從發展根源上就是針對多用戶系統設計的，系統管理員和 root 用戶具有系統管理權限。Linux 面向全球開發者開源，系統文件都是文檔，在全球開發者多次的篩查和更新中，基本排除了“后門植入”的可能。實際應用中，普通不成熟的 Linux 操作系統確實可能存在安全問題，也是和系統的文檔屬性有關。例如，用戶 root 權限和 sudo 指令可在有意或無意間修改 Linux 系統文檔，可能會對其他用戶或整個系統造成不利影響。因此，成熟的 Linux 操作系統解決方案，有必要對這類屬性進行設計方面的防范，去進行適當的權限屏蔽。而這些安全屬性的設計，本質上并不存在難以解決的障礙。

二、國產操作系統是新基建的重要基礎

數字經濟成為我國經濟發展的重要支撐。近年來，中國經濟發展的環境發生重大變化，人口紅利、城鎮化等驅動因素對增長的邊際貢獻下降，傳統調控手段負面效應增加，中國經濟增長面臨一定的下行壓力。而數字經濟的快速發展，以互聯網、大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、物聯網等為代表的新一代數字科技與實體經濟的日趨融合，新市場與新業態的層出不窮，為中國經濟增長注入了新的源泉。據中國信息通信研究院《中國數字經濟發展與就業白皮書（2019）》顯示，2018 年中國數字經濟規模占 GDP 比重達 34.8%，對 GDP 增長的貢獻率超過三分之二；2016—2018 年，數字經濟連續 3 年維持 20%以上的名義增速，高于同期 GDP 名義增速十余個百分點，為中國經濟提供了重要支撐。

新一輪數字經濟基礎建設拉開序幕。2020 年 3 月 4 日，中共中央政治局常務委員會會議強調，加快 5G 網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。新一輪數字經濟基礎建設啟動，各地紛紛出臺相應政策推動新基建項目的實施。

操作系統作為軟件應用的基礎和平臺，直接關系到信息安全。棱鏡門事件，使得信息安全正式成為國際關注的重要問題。而操作系統作為最重要最根本的基礎軟件，是所有應用軟件和數據處理場景的基礎和平臺，直接關系到信息安全。在過去的國際貿易摩擦中，針對基礎軟硬件(芯片、操作系統等)的限制事件再一次提升了信創戰略的重要性。

操作系統的 Wintel 體系壟斷，也對信息安全造成了不利影響。在 Windows XP 停服三年后，全球迎來了史上最嚴重的一次病毒攻擊—WannaCry 借“永恒之藍”漏洞發起攻擊，襲擊了安裝 Windows 系統的設備，對全國多個國家造成了較為嚴重的經濟損失。2020 年 1 月 14 日，微軟 win7 停服，使得現有已安裝 win7 系統的設備再次暴露于漏洞風險中。因此，在關鍵領域推廣國產操作系統，已經成為迫切需求。

三、國產操作系統的生態是關鍵，開源是重要途徑

操作系統的行業壁壘：開發成本高、生態建設難

1. 操作系統開發成本高

計算機操作系統開發是一項龐大而復雜的工程。軟件開發工作量可以用代碼行數進行粗略表征。主流的操作系統代碼量都比較龐大，而且隨著版本升級呈增長趨勢。據公開可查證資料顯示， Windows Vista(2007)有5000萬行代碼， Windows 7(2009)和Windows XP(2001)各有4000萬行， Windows 2000 有 2900 萬行代碼，相比 1992 年的版本增長了數十倍。

對于 Linux 操作系統，僅 Linux 內核 4.13 就包含 6 萬個系統文件，代碼量近 2500 萬行。成熟的 Linux 操作系統發行版需要在內核基礎上加入 GUI 以及必要的應用文件，總的代碼量會更高。

如果采用閉源的開發方式，操作系統開發所需要的資金和人力資源較大。

比如微軟，一方面要進行 Windows 系列的開發、升級和維護，另一方面也要為 Windows 系統開發關鍵的應用軟件，包括 Office、Microsoft Visual Studio(集成開發環境 IDE)等，每年的研發費用達百億美元。2019 財年(18 年 6 月-19 年 6 月)微軟的研發費用 169 億美元，員工達 14.4 萬人。

如果假設 Linux 操作系統都是閉源開發的，相應的成本也比較高。據“ Linux 中國”官方賬號報道， David A. Wheeler 等研究了 Linux 發行版代碼行數代表的復雜性，指出 Linux 2002 年發行版對應的閉源開發成本為 12 億美元。而如果閉源開發 Fedora 9 發行版(2008 年發布)，估計需要投入 108 億美元。從開發者數量角度，據 GitStats 分析結果，截至 2018 年 9 月，已有超過 19000 名開發者為 Linux 內核貢獻了代碼，這些開發者遍布全球范圍超過 1500 個組織/企業。

2.操作系統生態建設難

操作系統的生態建設，首先在于完善的軟/硬件兼容適配。

操作系統和底層硬件、應用軟件的兼容，在技術上并不是輕易就能實現。在適配底層硬件層面，引用龍芯技術專家的觀點“操作系統需要針對不同的主板和升級后的CPU進行磨合適配，而在Wintel 體系中可以實現不同主板及 CPU 的操作系統二進制兼容，其背后是 Wintel 體系統一的系統架構，包括指令系統、地址空間布局、中斷系統、多核互聯架構、IO 接口規范等，需要 CPU、BIOS、橋片、操作系統配合完成。”在應用軟件方面，需要軟件開發商針對操作系統的版本進行相應的調試和調優，同款應用軟件經常有多個版本以適應不同的操作系統。

操作系統對軟/硬件的兼容是雙向的，需要操作系統技術路線有足夠的影響力。兼容不只是需要操作系統自身的努力，也要硬件/應用軟件廠商主動配合，在硬件/軟件產品設計方面進行適當調整。在操作系統技術路線的影響力足夠強的前提下，硬件/軟件廠商才有足夠強的動機進行配合。

在生態兼容方面，主流操作系統推出時間都比較早，經歷了多次的版本迭代，和硬件、應用軟件廠商共同成長，先發優勢顯著。Windows 生態建設：在個人 PC 機誕生初期，微軟就推出了操作系統軟件，憑借發優勢迅速普及。通過和芯片廠商、軟件應用廠商以及自研應用的長期磨合，Windows 系統如今已具備龐大的用戶群體和長期養成的用戶習慣；Linux 生態建設：Linux 內核開源通過全球開發者和主流 IT 廠商的參與，經歷了多代升級和完善，獲得了較廣泛的軟硬件支持，但部分專業軟件(特別是某些大型商業軟件)尚未支持 Linux 架構。

獲取用戶群體也是生態建設的難點。從用戶選擇角度，新的操作系統廠商面臨 4 個挑戰：用戶習慣、服務支持力度、安全、遷移成本。在用戶習慣方面，普通用戶養成了對 Windows 圖形界面的使用習慣，缺乏足夠的動力去主動選擇陌生界面的操作系統；在服務和支持力度方面，企業級用戶強調軟件產品的穩定性，需要有較強的服務和技術團隊去及時對接用戶，以及滿足用戶的部分定制化需求；從安全角度，操作系統這里基礎軟件，直接關系到用戶的信息安全，供應商要有足夠的技術實力去解決可能出現的漏洞、網絡攻擊等風險；遷移成本也很重要，選擇新的操作系統，則需要用戶把部分軟件和數據遷移過去，產生遷移成本，操作系統供應商要有足夠的技術實力解決遷移問題。

我們認為，國產操作系統理想的發展路徑：自主版本形成——建立初步、穩定的用戶群體——“可用”向“好用”升級——實現市場良性循環。

1）選擇適當的技術路線，形成自主版本。最佳的選擇是基于開源資源。在 Linux 內核的基礎上，進一步開發形成自主的操作系統版本，縮短開發時間周期同時節約開發成本。“站在巨人的肩膀上”，采用開源內核，省去了重復造輪子的過程，操作系統廠商可以把精力集中于提升用戶體驗和生態推廣方面。事實上，國產操作系統基本上都以 Linux 內核為基礎進行開發。

2）通過政策支持形成初步、穩定的用戶群體，達到“可用”狀態。在政策支持下，有望初步形成穩定的、成規模的用戶群體。而用戶群體的建立，提高了軟/硬件廠商的適配意愿。在完成常用軟/ 硬件生態建設的基礎上，產品達到“可用”層面，基本滿足用戶日常的辦公需求。

3）“可用”到“好用”升級，進入市場良性循環階段，擴大用戶群體。在對初步的客戶群體進行服務和技術支持的過程中，廠商不斷完善系統版本，通過版本迭代提升產品性能，逐漸達到“好用”，進入良性的市場循環。

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