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    鴻蒙分布式軟總線及相關源代碼進行解析

    鴻蒙系統HarmonyOS ? 來源:簡書 ? 作者:華為云開發者社區 ? 2021-04-23 09:43 ? 次閱讀

    總線是一種內部結構,在計算機系統中,主機的各個部件通過總線相連,外部設備通過相應的接口電路再與總線相連接,是CPU、內存、輸入、輸出設備傳遞信息的公用通道。按所傳輸的信息種類,可劃分為數據、地址和控制總線,分別用來傳輸數據、數據地址和控制信號。

    HarmonyOS系統的使命和目標是將不同的設備串聯,成為設備的“萬能語言”,讓一個系統連接起所有上網的智能設備,實現萬物互聯的終極目標。其核心能力之一,【分布式軟總線】讓多設備融合為“一個設備”,帶來設備內和設備間高吞吐、低時延、高可靠的流暢連接體驗。

    本文分享鴻蒙分布式軟總線,并對相關源代碼進行解析,作為在此平臺上工作的相關人員的信息參考和指導。具體開發請參考鴻蒙官網。

    1. 介 紹

    設備的通信方式多種多樣,譬如USB、WIFI、BT,通信方式差異大且繁瑣,鏈路的融合、共享、沖突、安全等問題也難以保證。

    鴻蒙分布式軟總線致力于實現近場設備間統一的分布式通信能力,提供不區分鏈路的設備發現和傳輸接口,具備快速發現并連接設備,高效分發任務和傳輸數據。作為多終端設備的統一基座,是鴻蒙架構中的底層技術,是鴻蒙的大動脈,其總的目標是實現設備間無感發現,零等待傳輸。對開發者而言,無需關注組網方式與底層協議。

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    2. 分布式軟總線特性

    鴻蒙分布式軟總線的設計目標在于推進極簡通信協議技術,在設備安全場景下,即連即用。關鍵技術特性覆蓋設備的自動發現&連接、組網(多跳自組網、多協議混合組網)、傳輸(多元化協議與算法、智能感知與決策)。

    o4YBAGCCfoKAFyhaAAN_7jiOfGE381.png

    2.1 設備間自發現&連接

    分布式軟總線提出自動發現設備,實現用戶零等待的自發現體驗,附近同賬號的設備自動發現無需等待,自動安全連接。

    IoT設備分為發現端和被發現端。發現端一般為請求使用服務的設備或稱為主控設備,常指智慧屏設備(如手機、平板等)。被發現端為發布服務的設備,指輕量設備(如AI音箱、智能家居、智能穿戴等設備)。目前軟總線的設備互聯,需保證發現端和被發現端處于同一個局域網內。

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    2.2 多設備互聯、組網

    基于網絡互聯、交互的系統,開發者往往需要適配不同網絡協議和標準規范。而在鴻蒙系統設定的分布式開發模式中,無需關心網絡協議的差異及組網方式,業務開發與設備組網解耦,僅需監聽設備上下線,開發成本大大降低。

    分布式軟總線提出了異構網絡組網,自動構建一個邏輯全連接網絡,以解決設備間不同協議交互的問題。設備上線后會向網絡層注冊,同時網絡層會與設備建立通道連接,實時檢測設備的變換。網絡層負責管理設備的上線、下線變換,設備間可以監聽自己感興趣的設備,設備上線后可以立即與其建立連接,實現零等待體驗。

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    2.3 多設備間數據傳輸

    提供統一的基于Session的認證、傳輸功能,上層業務系統可以通過sessionId收發數據或獲取其相關基本屬性,實現業務消息、流、控制指令等操作交互。

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    3. 軟總線協議COAP

    互聯網的WEB應用無處不在,很多依賴于REST協議架構。為在大多的受限節點上(如RAMROM很有限的8位單片機)及受限網絡上(如6LoWPAN)也能支持REST,工程師們著手處理“受限制的restful環境”,即CoRE。如6LoWPAN的受限網絡支持將IPv6數據分成小包,但極大降低了傳輸效率。

    CoAP(Constrained Application Protocol)的主要目標之一是設計一個通用的Web協議,保持非常低的開銷,以滿足受限環境的特殊要求,如能源、樓宇自動化或其它M2M應用。實現REST的一個通用HTTP子集,針對M2M應用做了簡化,而非盲目壓縮HTTP。COAP協議可很容易轉換為HTTP,方便和現有WEB體系轉化,同時還能滿足諸如內置發現、組播支持和異步消息傳輸等。

    3.1 COAP協議特征

    屬于一種應用層協議,運行于UDP協議之上而不是像HTTP那樣運行于TCP之上。

    1) COAP協議網絡傳輸層由TCP改為UDP;

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    2) 基于REST,server的資源地址也類似URL格式,客戶端同樣有POST,GET,PUT,DELETE方法來訪問server,對HTTP做了簡化;

    3) COAP是二進制格式,HTTP是文本格式,COAP比HTTP更加緊湊;

    4) 小巧、輕量化,最小長度僅僅4 Bytes,一個HTTP的head都要幾十Bytes;

    5) 支持可靠傳輸,數據重傳,塊傳輸;

    6) 支持IP多播, 可同時向多個設備發送請求,鴻蒙設備的發現功能就是用的這個特性;

    7) 非長連接通信,適用于低功耗物聯網場景;

    8) 支持觀察模式;

    3.2 協議類型及結構

    COAP協議有4種消息類型。

    CON: 需要確認,如果CON請求被發送,那對方必須做出響應,確認收到消息,用以可靠消息傳輸;

    NON: 不需要被確認的請求,如果NON請求被發送,那對方不必作出回應。適用于消息會重復頻繁的發送,丟包不影響正常操作。和UDP很像,用于不可靠消息傳輸;

    ACK: 應答消息,對應的是CON消息的應答;

    RST: 復位消息,可靠傳輸時候接收的消息不認識或錯誤時,必須回RST消息;

    協議結構定義

    在源碼discovery/coap/include/coap_def.h中對COAP協議的結構體進行了定義。

    3.3 COAP包的傳輸

    傳輸方式為客戶端和服務器端模式,服務器端啟動COAP包的監聽服務。

    源碼discovery/coap/include/coap_socket.h中提供了COAP包的發送和接收函數定義。

    3.4 COAP設備發現

    源碼discovery/coap/source/coap_discover.c實現了基于COAP的設備發現功能。

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    3.5 COAP的安全性

    TLS不能用來保證UDP上傳輸的數據的安全,因此Datagram TLS試圖在現存的TLS架構上提出擴展,使之支持UDP。

    COAP的安全性是用DTLS加密實現。DTLS的實現需要的資源和帶寬較多,如果是資源非常少的終端和極有限的帶寬下可能會跑不起來。DTLS僅僅在單播情況下適用。

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    4. 源代碼結構與解析

    分布式軟總線的源代碼在communication_services_softbus_lite目錄,結構如下:

    pIYBAGCCgOGAaUsZAAGU1vIqrVM639.png

    說明: 目錄下所有源碼文件將被編譯為一個動態庫,其它依賴模塊在編譯的時候加上這個動態庫的依賴即可。譬如:分布式調度子系統所在的foundation這個bin文件的編譯就依賴這個動態庫。

    4.1軟總線的初始化

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    StartListener()函存在對應不同版本平臺的適配,體現了各部分解耦的模塊化設計思想,針對不同的硬件設備,組合成最適合該設備的OS。比如創建線程時采用了統一的static void WaitProcess(void)函數,而其內部封裝了不同底層API的適配代碼。

    o4YBAGCCgQuAI1m6AAyzplfDJrg506.png

    4.2操作系統適配層

    HarmonyOS的操作系統底層可以是:HarmonyOS micro kernel,Linux kernel,且Lite OS將成為一個完整的鴻蒙微內核架構。

    鴻蒙系統內部各個模塊內部使用的函數需要支持針對不同版本平臺的適配,體現各部分解耦的模塊化設計思想,針對不同的硬件設備,組合成最適合該設備的OS。譬如,創建線程時采用了統一的static void WaitProcess(void)函數,而其內部封裝了不同底層API的適配代碼。SemCreate在LiteOS中使用LOS_SemCreate創建信號量,在Linux上用sem_init() Posix標準接口創建。

    源碼目錄os_adapter下的代碼即實現了分布式軟總線對操作系統的適配。

    LiteOS

    是華為面向物聯網領域開發的一個基于實時內核的輕量級操作系統,現有基礎內核支持任務管理、內存管理、時間管理、通信機制、中斷管理、隊列管理、事件管理、定時器等操作系統基礎組件,為更好地支持低功耗場景,支持tickless機制,支持定時器對齊。

    LiteOS開源項目支持ARM Cortex-M0,Cortex-M3,Cortex-M4,Cortex-M7等芯片架構。

    4.3設備發現與連接

    各個設備以服務的形態推送、發布,發布后周邊的設備可以發現、連接并與之通訊交互,源代碼位于discoverydiscovery_servicesource目錄中。

    o4YBAGCCgT-AAbdqAAQ--dCWLeo236.png

    輕量設備作為被發現端設備,調用PublishService發布服務。入口代碼截圖:

    o4YBAGCCgV6ACLCqAAdHm-z5u1Q661.png

    以下是針對操作序列中的代碼解析截圖,供參考。

    1) 權限檢查

    os_adapter為適配OS系統,封裝的函數在不同的操作系統有不同的實現。如SemCreate在LiteOS上使用LOS_SemCreate創建信號量,而Linux上用sem_init()Posix標準接口。

    2) 參數檢查

    4) 初始化服務

    pIYBAGCCgcmADk9BAAi_1NKN60M519.png

    A) CoapInit

    COAP初始化,注冊TCP/IP協議棧的處理,注冊session的底層socket的操作處理。

    o4YBAGCCgdOAVUq4AAUaraj7050274.png

    B) CoapWriteMsgQueue()

    寫入消息,觸發獲取Wifi 的IP地址,啟動總線。

    pIYBAGCCgfWAdevtAAV45bM8HrI712.png

    5) 信息加入Module

    說明:將g_localDeviceInfo.serverData賦值成“port:auth_port”,auth_port是基于TCP的認證服務的socket綁定的端口號(在StartBus函數中賦值)。

    7) 回調發布成功

    o4YBAGCCgiGAOmDLAAH-wCQ8upo150.png

    調用PublishCallback()執行cb中的發布成功的回調函數。

    4.4 設備的認證管理

    設備之間的互聯、互通需要建立點對點的信任關系,并在具備信任關系的設備間構建安全的連接通道,實現用戶數據端到端的加密傳輸。建立點對點信任關系的過程即是相互交換設備的身份標識的過程。信任關系的建立相當于一次握手,譬如:A設備發送密文給B設備,B成功解密并把自己的信息封裝到報文中再次加密傳輸給A,A拿到報文再次解密確認是B.

    authmanager模塊是鴻蒙為設備提供認證機制的模塊。模塊內的主要處理過程包括報文的接收、解密、再次封裝、加密、發送的步驟。譬如,當發現有請求時,調用ProcessDataEvent(wifi_auth_manager)函數,收包、檢驗包頭,根據數據包的類型確定不同的處理方式。數據包的類型主要包括以下三種:

    MODULE_AUTH_SDK 加密數據類型

    MODULE_TRUST_ENGINE 可信類型,直接進行數據傳輸

    MODULE_CONNECTION 進行IP及設備認證

    1) 模塊的內部結構關系

    pIYBAGCCgkSAelVcAAanE1qGg4s326.png

    2) 加密發送步驟及算法

    o4YBAGCCgk2AW_74AAF5nQ8FQyg406.png

    AES-GCM加密算法:AES是一種對稱加密算法,GCM是對該對稱加密采用Counter模式,并帶有GMAC消息認證碼。AES-GCM算法是帶認證和加密的算法,同時可以對給定的原文,生成加密數據和認證碼。

    3) 鴻蒙設備互聯安全

    以下是鴻蒙官網文檔的設備互聯安全參考圖

    實現用戶數據在設備互聯場景下,在各個設備之間的安全流轉,實現用戶數據的安全傳輸。

    pIYBAGCCglmAK0_ZAAXdpusta1Y245.png

    綁定的流程

    設備分別生成Ed25519密鑰對;

    利用PIN碼和PAKE(Password authenticated key exchange)進行密鑰協商,生成會話密鑰;

    通過會話密鑰加密彼此的公鑰(也可不用加密,算個MAC就行,只要能驗證公鑰確實來自對方即可)

    這里的身份標識公鑰指的應該是(設備標識, 公鑰)的二元組

    通信的流程

    通過公鑰協商會話密鑰;會話密鑰應怎么用,一般來說,會將初步協商的密鑰進行密鑰分散,分為加密密鑰、MAC密鑰等;

    使用會話密鑰加密通信數據。

    當建立信任關系的主控設備與設備間在進行通信時,雙方首先完成信任關系綁定,然后基于存儲在本地的對端身份公鑰相互進行認證;在每次通信時完成雙向身份認證以及會話密鑰協商,之后設備使用此會話密鑰來解密雙方設備間的傳輸通道。

    4.5 認證與會話傳輸

    trans_service模塊依賴于系統OS提供的網絡socket服務,向認證模塊提供認證通道管理和認證數據的收發;向業務模塊提供session管理和基于session的數據收發功能,并且通過GCM模塊的加密功能提供收發報文的加解密保護。

    pIYBAGCCgn6Affa6AAOYuyYniQA717.png

    被發現端(輕量設備)注冊、發布服務,成功后回調處理,被發現端使用CreateSessionServer來創建會話服務器并等待發現端的連接、創建會話。發現端(如:智慧屏設備)根據服務的名稱和設備ID建立一個會話,就可以實現服務間的數據傳輸。

    數據傳輸部分的源代碼位于trans_service/source/libdistbus目錄。

    主要處理的步驟參考如下:

    CreateSessionServer[會話] à SelectSessionLoop[數據] à OnBytesReceived[回調]

    1) CreateSessionServer創建會話

    2) SelectSessionLoop

    啟動總線后即創建了基于TCP的會話管理服務,服務的任務線程為SelectSessionLoop,處理所有的會話數據的接收。

    3) OnBytesReceived

    會話數據到達的回調函數,調用上層應用注冊的onBytesReceived。接收會話報文并進行格式解析,執行相應動作。如在分布式調度模塊中,可能是START_FA命令。

    pIYBAGCCgr2AHn5UAAMdPhi2MCg356.png

    最 后

    分布式軟總線是鴻蒙操作系統的基座模塊,也是分布式數據管理和分布式任務調度的基石,透徹理解分布式軟總線是深入了解整個鴻蒙OS的基礎。

    本文是基于開放的源代碼對分布式軟總線模塊的切入分析、解析,文中會有部分源碼分析、場景分析未完全覆蓋到,后續會視情況進行相關補充。

    編輯:hfy

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      潤和軟件與雙猴科技達成戰略合作,開啟國產化智能教育、安全云辦公產品新篇章

      2021年11月17日,江蘇潤和軟件股份有限公司(以下稱“潤和軟件”)與雙猴科技有限公司(以下稱“雙....
      的頭像 HiHope社區 發表于 11-19 15:07 ? 58次 閱讀
      潤和軟件與雙猴科技達成戰略合作,開啟國產化智能教育、安全云辦公產品新篇章

      HarmonyOS跨端分布式算力技術介紹

      當今的移動應用都向著智能化和多樣化方向發展,例如AI輔助,VR/AR應用,沉浸式游戲等。然而現實中的....
      的頭像 HarmonyOS開發者 發表于 11-17 16:34 ? 832次 閱讀
      HarmonyOS跨端分布式算力技術介紹

      美的 好叭科技等陸續發布基于OpenHarmony的行業發行版

      美的 好叭科技等陸續發布基于OpenHarmony的行業發行版 OpenHarmony是由開放原子開....
      的頭像 inr999 發表于 11-16 18:27 ? 2797次 閱讀

      參與鴻蒙生態共建的正確姿勢

      兩年前,當HarmonyOS(鴻蒙)第一次亮相華為開發者大會時,很多人對它能否成功甚至活下來,還將信....
      的頭像 發燒友研習社 發表于 11-15 11:15 ? 796次 閱讀

      鴻蒙開發板上的完整Python開源項目

      你是不是被設備開發環境搭建惹惱過?你是不是因為一堆編譯錯誤而崩潰過?你是不是對燒寫設備時需要的那 5....
      的頭像 HarmonyOS技術社區 發表于 11-15 10:08 ? 722次 閱讀
      鴻蒙開發板上的完整Python開源項目

      鴻蒙版JS如何實現分布式仿抖音應用

      ?? 之前大家看過了 Java 版的《 HarmonyOS 分布式之仿抖音應用 》,現在講講 JS ....
      的頭像 HarmonyOS技術社區 發表于 11-15 09:44 ? 590次 閱讀

      HarmonyOS中如何進行跨端遷移

      ?? 流轉在 HarmonyOS 中泛指多設備分布式操作,也是 HarmonyOS 的亮點之一。 ?....
      的頭像 HarmonyOS技術社區 發表于 11-15 09:38 ? 810次 閱讀

      基于鴻蒙分布式數據服務開發的聊天室應用

      ?? 之前給大家介紹過《HarmonyOS 分布式之仿抖音應用》,此次給大家介紹一下基于鴻蒙分布式數....
      的頭像 HarmonyOS技術社區 發表于 11-15 09:32 ? 593次 閱讀

      如何在鴻蒙系統上弄一個ArkUI應用

      ? ? ? 大家可以看到很明顯這是一個 ArkUI 的應用,在遠程模擬器上目前還只可以跑在 P40 ....
      的頭像 HarmonyOS技術社區 發表于 11-15 09:28 ? 850次 閱讀
      如何在鴻蒙系統上弄一個ArkUI應用

      鴻蒙的綠野仙蹤 鴻蒙智聯生態觀感

      1939年,米高梅公司出品了一部改編自《奇妙的奧茲男巫》的童話故事片,后來成為全世界幾代人對冒險、童....
      的頭像 腦極體 發表于 11-13 10:20 ? 12571次 閱讀

      華為申請鴻蒙手表新專利

      近日,華為公司正式宣布將在11月17日的新品發布會上推出華為WATCH GT Runner,據稱華為....
      的頭像 lhl545545 發表于 11-12 14:22 ? 3801次 閱讀

      【干貨必入】生態套件愈發豐富了,快來get這些硬件系列課程

      潤和軟件在OpenHarmony開源生態共建方面,持續賦能開發者,促進與開發者共成長。自2020年9....
      發表于 11-12 13:44 ? 938次 閱讀

      如何用Python開發OpenHarmony設備程序

      目前,OpenHarmony 設備開發處于嵌入式開發階段,并且 C 語言在嵌入式開發的過程中占有十分....
      的頭像 OpenAtom OpenHarmony 發表于 11-12 11:09 ? 561次 閱讀
      如何用Python開發OpenHarmony設備程序

      【直播預告】與鴻蒙專家面對面!更有開發板+工具書驚喜福利

      與鴻蒙專家面對面,專題講座來啦!? 【干貨內容】 1、OpenHarmony帶來的萬物互聯--新技術....
      的頭像 HiHope社區 發表于 11-12 09:25 ? 635次 閱讀
      【直播預告】與鴻蒙專家面對面!更有開發板+工具書驚喜福利

      承載國產之魂 | 潤和軟件攜新品參展2021操作系統產業峰會

      11月9日,以“立根鑄魂,逐夢數字時代星辰大?!睘橹黝}的操作系統產業峰會2021在北京國家會議中心線....
      發表于 11-12 08:47 ? 992次 閱讀
      承載國產之魂 | 潤和軟件攜新品參展2021操作系統產業峰會

      聚焦物聯網痛點 OpenHarmony+華秋電子為行業賦能

      2021年10月22日,“華為開發者大會2021”在東莞松山湖正式開幕。本次會議聚焦 Harmony....
      的頭像 華秋電路 發表于 11-10 09:58 ? 651次 閱讀

      HarmonyOS與Android大同小異的操作

      ?? 作為剛剛成為 HarmonyOS 開發者的小白,您是否有過一些對基本功能設置的疑惑?您是否像我....
      的頭像 HarmonyOS技術社區 發表于 11-10 09:38 ? 577次 閱讀

      如何使用鴻蒙系統上權限請求框架桃夭

      ?? 桃夭是鴻蒙系統上的一款權限請求框架,對請求權限的代碼進行高度封裝,極大的簡化了申請權限的代碼邏....
      的頭像 HarmonyOS技術社區 發表于 11-10 09:34 ? 596次 閱讀

      HarmonyOS中DevEco Studio本地模擬器體驗

      在 HDC2021 技術論壇上提出的 HarmonyOS 新特性中本地模擬器亮相,很讓我激動。模擬器....
      的頭像 HarmonyOS技術社區 發表于 11-10 09:31 ? 1137次 閱讀
      HarmonyOS中DevEco Studio本地模擬器體驗

      鴻蒙上自定義組件的過程

      ?? 在實際開發過程中,我們經常會遇到一些系統原有組件無法滿足的情況,而 HarmonyOS 提供了....
      的頭像 HarmonyOS技術社區 發表于 11-10 09:27 ? 675次 閱讀
      鴻蒙上自定義組件的過程

      基于安卓平臺的圖片裁切組件已實現鴻蒙化遷移和重構

      ? 基于安卓平臺的圖片裁切組件 crop_image_layout,實現了鴻蒙化遷移和重構,代碼已經....
      的頭像 HarmonyOS技術社區 發表于 11-10 09:22 ? 503次 閱讀
      基于安卓平臺的圖片裁切組件已實現鴻蒙化遷移和重構

      HarmonyOS分布式軟總線能帶來哪些不一樣的體驗

      分布式軟總線是HarmonyOS的關鍵根技術之一,也是眾多開發者們非常關注的一項技術。通過分布式軟總....
      的頭像 HarmonyOS官方合作社區 發表于 11-10 09:20 ? 2198次 閱讀
      HarmonyOS分布式軟總線能帶來哪些不一樣的體驗

      如何才能在鴻蒙生態里掘金

      兩年前,當HarmonyOS(鴻蒙)第一次亮相華為開發者大會時,很多人對它能否成功甚至活下來,還將信....
      的頭像 HarmonyOS官方合作社區 發表于 11-10 09:14 ? 546次 閱讀
      如何才能在鴻蒙生態里掘金

      HarmonyOS設備與設備間的協同如何測試

      HarmonyOS自誕生以來,致力于提供全場景智慧解決方案,打造分布式流轉、多設備協同的分布式體驗。....
      的頭像 HarmonyOS官方合作社區 發表于 11-10 09:09 ? 774次 閱讀

      詳解OpenHarmony的編譯和燒錄

      在上一篇【博流 BL-HWC-G1 開發板試用】開箱及編譯燒錄官方程序(BL602 IoT SDK)....
      的頭像 電子發燒友論壇 發表于 11-08 09:58 ? 936次 閱讀
      詳解OpenHarmony的編譯和燒錄

      如何快速加入鴻蒙生態里掘金

      兩年前,當HarmonyOS(鴻蒙)第一次亮相華為開發者大會時,很多人對它能否成功甚至活下來,還將信....
      的頭像 電子發燒友論壇 發表于 11-08 09:56 ? 720次 閱讀
      如何快速加入鴻蒙生態里掘金

      根元科技首推鴻蒙FA功能產品,未來有跡可循!

      華為開發者大會2021(Together)于近期在東莞松山湖正式開幕,其中關于萬物智聯的話題熱度更是....
      的頭像 話說科技 發表于 11-06 10:31 ? 558次 閱讀
      根元科技首推鴻蒙FA功能產品,未來有跡可循!

      HarmonyOS下如何測試應用性能

      HarmonyOS自誕生以來,致力于提供全場景智慧解決方案,打造分布式流轉、多設備協同的分布式體驗。....
      的頭像 HarmonyOS開發者 發表于 11-06 09:36 ? 947次 閱讀

      OpenHarmony數字管家是什么

      一、愿景 鬧鐘準時響起,起床時間到,窗簾自動拉開,伴隨著清晨的第一縷陽光,新的一天開始了;電子屏開始....
      的頭像 HarmonyOS官方合作社區 發表于 11-06 09:34 ? 665次 閱讀
      OpenHarmony數字管家是什么

      為大家揭秘HarmonyOS的內核層

      HarmonyOS整體框架分為四個層級,如圖1所示。從上到下,依次為:第一層是應用層,主要涵蓋系統應....
      的頭像 HarmonyOS官方合作社區 發表于 11-06 09:28 ? 928次 閱讀
      為大家揭秘HarmonyOS的內核層
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