探月工程遙操作系統(tǒng)的移植研究與實(shí)現(xiàn)

趙正旭 徐博賢 溫晉杰

摘 要： 近年來(lái)，“棱鏡門(mén)事件”、“XP 停服”等網(wǎng)絡(luò)安全事件頻發(fā)，各國(guó)深感信息安全面臨巨大威脅，國(guó)外操作系統(tǒng)的安全性遭到質(zhì)疑。為落實(shí)信息安全自主可控戰(zhàn)略，推動(dòng)航天領(lǐng)域信息安全建設(shè)，文章結(jié)合中標(biāo)麒麟系統(tǒng)，利用Qt技術(shù)，完成了探月工程遙操作系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化遷移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所使用的移植方案是可行的，可為航天領(lǐng)域其他信息系統(tǒng)的移植提供可行的現(xiàn)實(shí)依據(jù)，有助于航天領(lǐng)域科技成果知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。

關(guān)鍵詞： 探月工程； 遙操作系統(tǒng)； 國(guó)產(chǎn)化； 系統(tǒng)移植； 自主可控； 信息安全

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）11-27-04

Abstract： In recent years， with the outbreak of a series of major events such as the “PRISM” and “XP Stop Service”， all countries in the world are deeply concerned that information security is facing a huge threat， which also makes the security of foreign operating systems suffer to question. To implement the autonomous and controllable strategy of information security and promote the construction of information security in the aerospace field， this paper migrates the teleoperation system in lunar exploration missions from Windows to NeoKylin by using Qt technology. The results show this scheme is feasible. The transplantation of this system provides a viable practical basis for the transplantation of other information systems in the aerospace field， thus contributing to the protection of scientific and technological achievements in the aerospace field.

Key words： lunar exploration； teleoperation system； nationalization； system migration； autonomous and controllable； information safety

0 引言

操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)最重要的組成部分，管理著硬件、軟件和數(shù)據(jù)信息，為用戶(hù)和計(jì)算機(jī)之間的交互提供了一個(gè)圖形化界面，不僅可以提高使用者的工作效率，也為程序開(kāi)發(fā)及運(yùn)行提供基本環(huán)境[1]。

操作系統(tǒng)是保障信息安全的基石。近年來(lái)，“棱鏡門(mén)事件”、“XP系統(tǒng)停服”等一系列與系統(tǒng)安全有關(guān)的大事相繼發(fā)生，使得國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)再度成為關(guān)注的焦點(diǎn)，然而，國(guó)內(nèi)操作系統(tǒng)市場(chǎng)目前為微軟等跨國(guó)公司壟斷，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的發(fā)展嚴(yán)重滯后，這嚴(yán)重威脅著我國(guó)的信息安全[2]。

在我國(guó)，航天任務(wù)具有投資多、風(fēng)險(xiǎn)大、任務(wù)重、涉及廣、可靠性和安全性要求高等特點(diǎn)，在實(shí)施與執(zhí)行的過(guò)程中，不僅要想方設(shè)法減少成本，更重要的是需要多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的研究人員積極配合，嚴(yán)格遵守保密須知，保證任務(wù)的成功，這是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的復(fù)雜系統(tǒng)工程[3]。目前航天部門(mén)大多使用Windows系列的系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，然而，微軟被曝利用壟斷地位賺取暴利，竊取機(jī)密數(shù)據(jù)。因此，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，減少對(duì)外國(guó)技術(shù)的依賴(lài)，保護(hù)科技成果知識(shí)產(chǎn)權(quán)迫在眉睫。本文在參與研發(fā)嫦娥探月工程遙操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前信息安全方面存在的安全隱患，實(shí)現(xiàn)遙操作系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化。

1 背景

隨著全球信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信息安全問(wèn)題越來(lái)越突出。然而，全球網(wǎng)絡(luò)信息安全事件頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅各國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的安全和穩(wěn)定。2013年6月曝光的“棱鏡門(mén)”事件，使得用戶(hù)被監(jiān)控，信息數(shù)據(jù)被竊??；2014年，微軟對(duì)XP系統(tǒng)停服，企圖利用XP系統(tǒng)的安全隱患強(qiáng)迫用戶(hù)支付高額費(fèi)用升級(jí)系統(tǒng)；Win8、Win10可信計(jì)算框架的嵌入，微軟加強(qiáng)了對(duì)用戶(hù)的控制[4]。2015年4月，社保信息安全漏洞，設(shè)計(jì)人員多達(dá)數(shù)千萬(wàn)。2017年5月，WannaCry勒索病毒席卷全球，短短數(shù)小時(shí)數(shù)十個(gè)國(guó)家均受到攻擊。這些網(wǎng)絡(luò)安全事件不僅影響到了互聯(lián)網(wǎng)使用者的利益，更重的是危害到了國(guó)家的安全和穩(wěn)定。

中國(guó)作為互聯(lián)網(wǎng)大國(guó)，是受到網(wǎng)絡(luò)攻擊最頻繁的國(guó)家之一[5]。圖1表明了從2013年到2017年網(wǎng)絡(luò)安全漏洞新增數(shù)量。

從圖1中可以看出，我國(guó)新增信息安全數(shù)量從2013年的七千多件增加到2017年的一萬(wàn)六千多件，短短五年時(shí)間網(wǎng)絡(luò)安全事件的增長(zhǎng)速度呈上升走勢(shì)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)以及現(xiàn)狀分析，互聯(lián)網(wǎng)安全事件頻繁發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻。為了維護(hù)國(guó)家的信息安全，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，尤其是對(duì)安全要求嚴(yán)格的政府部門(mén)以及相關(guān)企業(yè)，完成科技成果自主可控刻不容緩。

2 遙操作系統(tǒng)移植方案分析與設(shè)計(jì)

2.1 遷移平臺(tái)分析

遙操作系統(tǒng)是嫦娥探月工程中的一款可視化軟件，它為其余航天軟件的通信提供了一個(gè)交互接口，集圖像預(yù)處理、地形建立 、視覺(jué)定位、任務(wù)規(guī)劃、規(guī)劃驗(yàn)證于一體，協(xié)助完成嫦娥探月工程發(fā)射任務(wù)。鑒于其專(zhuān)用性、重要性，選擇一款穩(wěn)定、安全級(jí)別高的遷移平臺(tái)是必要的。

本文選擇中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)。這款操作系統(tǒng)是國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)中比較成熟、穩(wěn)定，應(yīng)用也比較廣泛的操作系統(tǒng)。最重要的是它能滿(mǎn)足政府、國(guó)防、金融、涉密等領(lǐng)域的安全需求，取得了公安部四級(jí)、軍B+級(jí)安全認(rèn)證，從而可以防止關(guān)鍵數(shù)據(jù)被篡改被竊取，系統(tǒng)免受攻擊[6]。在移植過(guò)程中主要考慮Windows和Linux操作系統(tǒng)的差異。比如采用何種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，依賴(lài)庫(kù)以及代碼會(huì)有哪些差異。下面對(duì)移植方案進(jìn)行分析。

2.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)遷移平臺(tái)的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙操作系統(tǒng)的移植可分為如圖2所示的幾個(gè)步驟。

對(duì)圖2的說(shuō)明如下。

⑴ 遙操作系統(tǒng)采用Visual Studio 2008+Qt 4.7.4平臺(tái)開(kāi)發(fā)，主體采用C++語(yǔ)言。首先采用可跨平臺(tái)的Qt Creator替代VS2008。重新編譯庫(kù)文件，Windows和Linux所使用的第三方動(dòng)態(tài)庫(kù)文件格式不一致，Windows系統(tǒng)上使用的庫(kù)是基于VS編譯器所生成的

.lib文件，而麒麟系統(tǒng)要使用基于GCC編譯器所生成的

.so文件。

⑵ 配置項(xiàng)目開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要工作包括Qt Creator的環(huán)境配置（選擇Qt版本，GCC作為編譯器），編寫(xiě)PRO文件，鏈接以上編譯的庫(kù)文件，利用PRO文件將項(xiàng)目導(dǎo)入IDE。

⑶ 修改程序代碼，因?yàn)椴煌牟僮飨到y(tǒng)支持的接口函數(shù)和數(shù)據(jù)類(lèi)型可能不同，這一部分需要一一對(duì)比，手動(dòng)修改。

⑷ 修改調(diào)試過(guò)程中的錯(cuò)誤。在移植過(guò)程中可能出現(xiàn)其他不可預(yù)知的錯(cuò)誤，這就需要根據(jù)調(diào)試信息進(jìn)行修改。

3 系統(tǒng)移植核心技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件安裝與庫(kù)的編譯

遙操作系統(tǒng)是基于Windows 7操作系統(tǒng)研發(fā)的，Windows 7內(nèi)核采用Windows NT系列，而中標(biāo)麒麟采用Linux內(nèi)核，表1比較遙操作系統(tǒng)在兩款操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)環(huán)境的不同。

通過(guò)表格分析，遙操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，只是將Visual Studio 2008改成了Qt Creator，其余的軟件并未更改。VS2008是美國(guó)微軟公司開(kāi)發(fā)的基于Windows系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)工具，不具移植性。Qt Creator是跨平臺(tái)Qt IDE，支持Linux系統(tǒng)。因此，本文采用Qt Creator替代VS。由此種情況可以看出，移植前遙操作業(yè)平臺(tái)的研發(fā)與運(yùn)行都依賴(lài)美國(guó)微軟的關(guān)鍵技術(shù)，完成此信息系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，將避免類(lèi)似美國(guó)政府禁止技術(shù)支持或?qū)嵤╊?lèi)似“棱鏡門(mén)”計(jì)劃所造成的威脅，減小對(duì)信息安全所造成的沖擊。

從上述表格可以看出，大部分的軟件都提供了Windows版的安裝包，而對(duì)于中標(biāo)麒麟系統(tǒng)必須采用源碼安裝方式，這追根究底還是因?yàn)閲?guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的發(fā)展還沒(méi)有形成完整的生態(tài)鏈，很多第三方軟件并沒(méi)有提供對(duì)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的支持[7]。然而，中標(biāo)麒麟?yún)s提供了一系列軟件維護(hù)工具，本文使用yum管理軟件包，比如安裝Qt時(shí)，執(zhí)行yum install libX*命令安裝所依賴(lài)的lib庫(kù)。對(duì)于企業(yè)級(jí)用戶(hù)，包括企事業(yè)單位以及政府機(jī)關(guān)乃至軍隊(duì)等部門(mén)來(lái)說(shuō)，電腦升級(jí)新系統(tǒng)更要考慮很多關(guān)鍵因素，比如安全問(wèn)題和穩(wěn)定性，在這方面，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。比如在安裝軟件時(shí)必須在root用戶(hù)下才可執(zhí)行，這是因?yàn)橹袠?biāo)麒麟操作系統(tǒng)是一個(gè)多用戶(hù)多任務(wù)操作系統(tǒng)，就是可以在系統(tǒng)上建立多個(gè)用戶(hù)，而多個(gè)用戶(hù)可以在同一時(shí)間內(nèi)登錄同一系統(tǒng)執(zhí)行不同的任務(wù)，而互不影響，這種用戶(hù)權(quán)限的劃分是系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)[8]。當(dāng)然麒麟系統(tǒng)也可以通過(guò)命令改變文件或目錄的讀、寫(xiě)及可執(zhí)行權(quán)限，比如在安裝Qt Creator時(shí)必須通過(guò)chmod命令改變安裝包的可執(zhí)行權(quán)限[9]。

3.2 功能代碼分析與實(shí)現(xiàn)

功能代碼移植主要是考慮兩種開(kāi)發(fā)環(huán)境的差異性，即Linux與Windows C++編程的不同之處，表2總結(jié)了在移植過(guò)程中碰到的問(wèn)題以及解決辦法：

C++跨Linux與Windows編程的差異之處有很多，以上提到的這些僅是其中的一小部分，在不同的移植過(guò)程中遇到的問(wèn)題也不盡相同，需要具體問(wèn)題具體分析。

3.3 程序調(diào)試與問(wèn)題解決

在遷移過(guò)程中，除了以上所提及的由于不同系統(tǒng)、不同編譯器引起的問(wèn)題外，在調(diào)試階段還出現(xiàn)了其他問(wèn)題。

3.3.1 線(xiàn)程問(wèn)題

問(wèn)題詳情如：[xcb]Unknown request in queue while dequeuing…，采取的解決辦法是在main.cpp中加頭文件#include，main函數(shù)主體第一行加X(jué)InitThreads（），相應(yīng)的在.pro 文件中鏈接X(jué)11。

3.3.2 libpng版本不匹配

問(wèn)題詳情如：libpng error： Incompatible libpng version in application and library，問(wèn)題產(chǎn)生的原因是gdal所用的libpng版本是1.2.56，qt所用的libpng版本是1.5.4。解決方案：重新編譯gdal，所用的命令依次是：./configure（后面加上--with-png，以便指明libpng-1.5.4的路徑）、make、make install。

3.3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題

問(wèn)題詳情：QSqlDatabase：QODBC driver not loaded…，問(wèn)題顯示項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)加載錯(cuò)誤。解決辦法：安裝unixODBC，命令依次為：./configure、gmake、gmake install，還需重新編譯qt，執(zhí)行configure 命令時(shí)要加的參數(shù)為：-qt-sql-odbc -I+ unixODBC頭文件的路徑。

3.4 應(yīng)用效果

無(wú)調(diào)試錯(cuò)誤之后，系統(tǒng)可成功運(yùn)行，圖3為圖像預(yù)處理窗口成功加載圖像的示意圖。圖像預(yù)處理主要增強(qiáng)圖像中有關(guān)信息并消除圖像中的無(wú)關(guān)信息，從而獲取圖像有用的真實(shí)數(shù)據(jù)。處理過(guò)程包括數(shù)字化、歸一化、平滑、復(fù)原和增強(qiáng)等步驟。

圖4為圖像匹配窗口操作界面。圖像匹配主要功能是根據(jù)所提出的匹配方法對(duì)衛(wèi)星和月球車(chē)的對(duì)地序列圖像進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，并根據(jù)特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)在圖像上進(jìn)行顯示，同時(shí)支持手動(dòng)編輯匹配特征點(diǎn)。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

4.1 操作系統(tǒng)遷移

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，對(duì)比Windows與中標(biāo)麒麟操作系，就桌面布局來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)風(fēng)格類(lèi)似于Windows系列操作系統(tǒng)，最大程度的滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)易用性的需求[13]。從項(xiàng)目開(kāi)發(fā)來(lái)看，中標(biāo)麒麟桌面操作系統(tǒng)提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括開(kāi)發(fā)工具、編譯器、圖形IDE等，支持大多數(shù)主流的編程語(yǔ)言，極大地方便了用戶(hù)在此平臺(tái)下進(jìn)行應(yīng)用移植和開(kāi)發(fā)。在本次實(shí)驗(yàn)中采用源碼安裝Qt，因依賴(lài)問(wèn)題曾多次重復(fù)安裝，但是從Qt5開(kāi)始已經(jīng)有了支持Linux平臺(tái)的安裝包，安裝過(guò)程更加簡(jiǎn)單[10]。從安全角度出發(fā)，中標(biāo)麒麟系統(tǒng)采用全方位的保護(hù)機(jī)制，更重要的是它屬于我國(guó)自主研發(fā)的操作系統(tǒng)，在安全、穩(wěn)定性方面有很多的主動(dòng)權(quán)[11]。從這些方面來(lái)看，中標(biāo)麒麟系統(tǒng)的推出為實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)領(lǐng)域“自主可控”的戰(zhàn)略目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

4.2 代碼變更及庫(kù)的遷移

遙操作系統(tǒng)采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，中標(biāo)麒麟對(duì)這種語(yǔ)言全面支持，根據(jù)遙操作系統(tǒng)相應(yīng)的技術(shù)文檔以及國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)和Windows C++編程的差異性，只需對(duì)部分項(xiàng)目文件進(jìn)行修改。庫(kù)的遷移工作就是在麒麟系統(tǒng)下重新編譯所使用的庫(kù)，主要參照OSG庫(kù)以及GDAL庫(kù)在Linux系統(tǒng)編譯安裝的方法就可順利完成。

雖然在本次國(guó)產(chǎn)化遷移遇到了一些問(wèn)題，但在開(kāi)發(fā)人員及時(shí)提供技術(shù)支持的情況下，認(rèn)真分析后研究出適配性處理方案，有效地解決了這些問(wèn)題。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)的觀察對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，中標(biāo)麒麟系統(tǒng)在安全、易用性、穩(wěn)定性、兼容性方面優(yōu)勢(shì)明顯，已經(jīng)具備了應(yīng)用于特定領(lǐng)域有特定用途的計(jì)算機(jī)本的條件，這里主要指航天可視化領(lǐng)域。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了當(dāng)前信息安全現(xiàn)狀，在參與嫦娥探月工程遙操作系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于中標(biāo)麒麟的遙操作系統(tǒng)移植方案。該方案充分驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)性能的可靠穩(wěn)定以及其在航天可視化領(lǐng)域的適用性，對(duì)于推進(jìn)信息系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)具有重要的意義。今后的工作將圍繞通過(guò)其他編譯環(huán)境解決信息系統(tǒng)移植問(wèn)題展開(kāi)。

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