HarmonyOS框架结构及技术特性

1. HarmonyOS框架结构
       HarmonyOS整体的分层结构自下而上依次为：内核层、系统服务层、应用框架层、应用层。HarmonyOS基于微内核设计，系统功能按照“系统 > 子系统 > 功能/模块”逐级展开，在多设备部署场景下，各功能模块组织符合“抽屉式”设计，即功能模块采用AOP的设计思想，可根据实际需求裁剪某些非必要的子系统或功能/模块。HarmonyOS的设计实现模块化耦合，对应不同设备可实现弹性部署，使其可以方便、智能的适配GB、MB、KB等由低到高的不同内存规模设备，可以便捷的在诸如手机、智慧屏、车机、穿戴设备等IoT设备间实现数据的流转与迁移，同时兼具了小程序的按需使用，过期自动清理的突出优点。

图1 HarmonyOS框架结构

1）内核层

       内核层基于Linux系统设计，主要包括内核子系统和驱动子系统（HDF， HarmonyOS驱动程序）。

               l  内核子系统：HarmonyOS采用多内核设计，支持针对不同资源受限设备选用适合的OS内核。内核抽象层（KAL，KernelAbstract Layer）通过屏蔽多内核差异，对上层提供基础的内核能力，包括进程/线程管理、内存管理、文件系统、网络管理和外设管理等。

               l  驱动子系统：HarmonyOS驱动框架（HDF）是HarmonyOS硬件生态开放的基础，提供统一外设访问能力和驱动开发、管理框架。

2）系统服务层

      系统服务层是HarmonyOS的核心能力集合，通过框架层对应用程序提供服务。该层包含以下几个部分：

              l  系统基本能力子系统集：为分布式应用在HarmonyOS多设备上的运行、调度、迁移等操作提供了基础能力，由分布式软总线、分布式数据管理、分布式任务调度、方舟多语言运行时、公共基础库、多模输入、图形、安全、AI等子系统组成。其中，方舟运行时提供了C/C++/JS多语言运行时和基础的系统类库，也为使用自研的方舟编译器静态化的Java程序（即应用程序或框架层中使用Java语言开发的部分）提供运行时。

              l  基础软件服务子系统集：为HarmonyOS提供公共的、通用的软件服务，由事件通知、电话、多媒体、DFX、MSDP&DV等子系统组成。

              l  增强软件服务子系统集：为HarmonyOS提供针对不同设备的、差异化的能力增强型软件服务，由智慧屏专有业务、穿戴专有业务、IoT专有业务等子系统组成。

              l  硬件服务子系统集：为HarmonyOS提供硬件服务，由位置服务、生物特征识别、穿戴专有硬件服务、IoT专有硬件服务等子系统组成。

根据不同设备形态的部署环境，基础软件服务子系统集、增强软件服务子系统集、硬件服务子系统集内部可以按子系统粒度裁剪，每个子系统内部又可以按功能粒度裁剪。

3）应用框架层

       框架层为HarmonyOS的应用程序提供了Java/C/C++/JS等多语言的用户程序框架和Ability框架，以及各种软硬件服务对外开放的多语言框架API；同时为采用HarmonyOS的设备提供了C/C++/JS等多语言的框架API，不同设备支持的API与系统的组件化裁剪程度相关。

4）应用层

       应用层包括系统应用和第三方非系统应用。HarmonyOS的应用由一个或多个FA（Feature Ability）或PA（Particle Ability）组成。其中，FA有UI界面，提供与用户交互的能力；而PA无UI界面，提供后台运行任务的能力以及统一的数据访问抽象。基于FA/PA开发的应用，能够实现特定的业务功能，支持跨设备调度与分发，为用户提供一致、高效的应用体验。

2. HarmonyOS技术特性
       HarmonyOS最大的特征就是将分布式架构应用于终端OS，使用户可以方便的实现同一账户跨设备、跨终端的调用。其分布式架构包括分布式任务调度、分布式数据管理、硬件能力虚拟化、分布式软总线。尤其是创新性的分布式软总线技术，更是使鸿蒙系统的端到端时延小于20ms，有效吞吐高达1.2Gbps、抗丢包率高达25%。HarmonyOS根据应用及设备类别，智能分配慢速、快速、超快速车道，从而保证不同应用在不同设备上的的快捷、刘畅运行。在车机系统方面，经测相比谷歌Fusion系统有3-5倍的性能提升。在安全方面，HarmonyOS采用微内核技术，从源头认证系统安全，该级别的安全技术以往仅应用于航空、军工等领域。其自研的方舟编译器，兼容Android，保证在Android上开发的应用可以“非常容易”的迁移到鸿蒙系统上，并且打破了Android系统只能在虚拟机上运行，而无法直接和系统底层直接通信的桎梏，从而大大提升性能。HarmonyOS的核心技术特性具体表现为以下几个方面。

图2 分布式架构设计

1）分布式软总线使硬件互助、资源共享

       分布式软总线是多种终端设备的统一基座，为设备之间的互联互通提供了统一的分布式通信能力，能够快速发现并连接设备，高效地分发任务和传输数据。

图3 分布式软总线自由组网

2）分布式设备虚拟化打造超级虚拟终端

       分布式设备虚拟化平台可以实现不同设备的资源融合、设备管理、数据处理，多种设备共同形成一个超级虚拟终端。针对不同类型的任务，为用户匹配并选择能力合适的执行硬件，让业务连续地在不同设备间流转，充分发挥不同设备的资源优势。

图4 超级终端

3）分布式数据管理为用户数据实时共享保驾护航

      分布式数据管理基于分布式软总线的能力，实现应用程序数据和用户数据的分布式管理。用户数据不再与单一物理设备绑定，业务逻辑与数据存储分离，应用跨设备运行时数据无缝衔接，为打造一致、流畅的用户体验创造了基础条件。

图5 分布式数据提供便捷生活出行数据服务

图6 优越的速度优势

4）分布式任务调度让“千里”传音成为可能

      分布式任务调度基于分布式软总线、分布式数据管理、分布式Profile等技术特性，构建统一的分布式服务管理（发现、同步、注册、调用）机制，支持对跨设备的应用进行远程启动、远程调用、远程连接以及迁移等操作，能够根据不同设备的能力、位置、业务运行状态、资源使用情况，以及用户的习惯和意图，选择合适的设备运行分布式任务。

5）一次开发，多端部署实现跨终端生态共享

      HarmonyOS提供了用户程序框架、Ability框架以及UI框架，支持应用开发过程中多终端的业务逻辑和界面逻辑进行复用，能够实现应用的一次开发、多端部署，提升了跨设备应用的开发效率。

      鸿蒙OS凭借多终端开发IDE，多语言统一编译，分布式架构Kit提供屏幕布局控件以及交互的自动适配，支持控件拖拽，面向预览的可视化编程，从而使开发者可以基于同一工程高效构建多端自动运行App，实现真正的一次开发，多端部署，在跨设备之间实现共享生态。华为方舟编译器是首个取代Android虚拟机模式的静态编译器，可供开发者在开发环境中一次性将高级语言编译为机器码。此外，方舟编译器未来将支持多语言统一编译，可大幅提高开发效率。

图7 构建智能生态

6）统一OS，弹性部署，知你所需

       HarmonyOS通过组件化和小型化等设计方法，支持多种终端设备按需弹性部署，能够适配不同类别的硬件资源和功能需求。支撑通过编译链关系去自动生成组件化的依赖关系，形成组件树依赖图，支撑产品系统的便捷开发，降低硬件设备的开发门槛。

            l  支持各组件的选择（组件可有可无）：根据硬件的形态和需求，可以选择所需的组件。

            l  支持组件内功能集的配置（组件可大可小）：根据硬件的资源情况和功能需求，可以选择配置组件中的功能集。例如，选择配置图形框架组件中的部分控件。

            l  支持组件间依赖的关联（平台可大可小）：根据编译链关系，可以自动生成组件化的依赖关系。例如，选择图形框架组件，将会自动选择依赖的图形引擎组件等。

图8 高度解耦按需搭配

图9 1+8+N模式 

7）基于微内核架构重塑终端设备可信安全

       HarmonyOS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。

       HarmonyOS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。形式化方法是利用数学方法，从源头验证系统正确，无漏洞的有效手段。传统验证方法如功能验证，模拟攻击等只能在选择的有限场景进行验证，而形式化方法可通过数据模型验证所有软件运行路径。 HarmonyOS首次将形式化方法用于终端TEE，显著提升安全等级。同时由于HarmonyOS微内核的代码量只有Linux宏内核的千分之一，其受攻击几率也大幅降低。

3. HarmonyOS系统安全
       在搭载HarmonyOS的分布式终端上，可以保证“正确的人，通过正确的设备，正确地使用数据”。

               l  通过“分布式多端协同身份认证”来保证“正确的人”。

               l  通过“在分布式终端上构筑可信运行环境”来保证“正确的设备”。

               l  通过“分布式数据在跨终端流动的过程中，对数据进行分类分级管理”来保证“正确地使用数据”。

图10 “正确”保障安全

1）正确的人

       在分布式终端场景下，“正确的人”指通过身份认证的数据访问者和业务操作者。“正确的人”是确保用户数据不被非法访问、用户隐私不泄露的前提条件。HarmonyOS通过以下三个方面来实现协同身份认证：

              l  零信任模型：HarmonyOS基于零信任模型，实现对用户的认证和对数据的访问控制。当用户需要跨设备访问数据资源或者发起高安全等级的业务操作（例如，对安防设备的操作）时，HarmonyOS会对用户进行身份认证，确保其身份的可靠性。

              l  多因素融合认证：HarmonyOS通过用户身份管理，将不同设备上标识同一用户的认证凭据关联起来，用于标识一个用户，来提高认证的准确度。

              l  协同互助认证：HarmonyOS通过将硬件和认证能力解耦（即信息采集和认证可以在不同的设备上完成），来实现不同设备的资源池化以及能力的互助与共享，让高安全等级的设备协助低安全等级的设备完成用户身份认证。

2）正确的设备

      在分布式终端场景下，只有保证用户使用的设备是安全可靠的，才能保证用户数据在虚拟终端上得到有效保护，避免用户隐私泄露。

              l  安全启动确保源头每个虚拟设备运行的系统固件和应用程序是完整的、未经篡改的。通过安全启动，各个设备厂商的镜像包就不易被非法替换为恶意程序，从而保护用户的数据和隐私安全。

              l  可信执行环境提供了基于硬件的可信执行环境（TEE，Trusted Execution Environment）来保护用户的个人敏感数据的存储和处理，确保数据不泄露。由于分布式终端硬件的安全能力不同，对于用户的敏感个人数据，需要使用高安全等级的设备进行存储和处理。HarmonyOS使用基于数学可证明的形式化开发和验证的TEE微内核，获得了商用OS内核CC EAL5+的认证评级。

              l  设备证书认证支持为具备可信执行环境的设备预置设备证书，用于向其他虚拟终端证明自己的安全能力。对于有TEE环境的设备，通过预置PKI（Public Key Infrastructure）设备证书给设备身份提供证明，确保设备是合法制造生产的。设备证书在产线进行预置，设备证书的私钥写入并安全保存在设备的TEE环境中，且只在TEE内进行使用。在必须传输用户的敏感数据（例如密钥、加密的生物特征等信息）时，会在使用设备证书进行安全环境验证后，建立从一个设备的TEE到另一设备的TEE之间的安全通道，实现安全传输。

3）正确地使用数据

       在分布式终端场景下，需要确保用户能够正确地使用数据。HarmonyOS围绕数据的生成、存储、使用、传输以及销毁过程进行全生命周期的保护，从而保证个人数据与隐私、以及系统的机密数据（如密钥）不泄漏。

              l  数据生成：根据数据所在的国家或组织的法律法规与标准规范，对数据进行分类分级，并且根据分类设置相应的保护等级。每个保护等级的数据从生成开始，在其存储、使用、传输的整个生命周期都需要根据对应的安全策略提供不同强度的安全防护。虚拟超级终端的访问控制系统支持依据标签的访问控制策略，保证数据只能在可以提供足够安全防护的虚拟终端之间存储、使用和传输。

              l  数据存储：HarmonyOS通过区分数据的安全等级，存储到不同安全防护能力的分区，对数据进行安全保护，并提供密钥全生命周期的跨设备无缝流动和跨设备密钥访问控制能力，支撑分布式身份认证协同、分布式数据共享等业务。

              l  数据使用：HarmonyOS通过硬件为设备提供可信执行环境。用户的个人敏感数据仅在分布式虚拟终端的可信执行环境中进行使用，确保用户数据的安全和隐私不泄露。

              l  数据传输：为了保证数据在虚拟超级终端之间安全流转，需要各设备是正确可信的，建立了信任关系（多个设备通过华为帐号建立配对关系），并能够在验证信任关系后，建立安全的连接通道，按照数据流动的规则，安全地传输数据。当设备之间进行通信时，需要基于设备的身份凭据对设备进行身份认证，并在此基础上，建立安全的加密传输通道。

              l  数据销毁：销毁密钥即销毁数据。数据在虚拟终端的存储，都建立在密钥的基础上。当销毁数据时，只需要销毁对应的密钥即完成了数据的销毁。

图11 高级别内核安全