Betriebssystembaukästen THINK und OSKit

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1 Aspektorientierte Programmierung Betriebssystembaukästen THINK und OSKit Referent: Tobias Jordan Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 1

2 Inhalt Motivation OSKit Übersicht: Idee / Komponenten Design und Implementierung OSKit in der Praxis THINK das THINK Framework Implementierung: KORTEX Praxisbeispiele Bewertung / Ausblick Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 2

3 Motivation Immer wiederkehrende Aufgaben beim Betriebssystembau Betriebssystemkomponenten Bootloader Gerätetreiber Debugging Memory Management... und jetzt das eigentliche Betriebssystem Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 3

4 Motivation (2) Normale Vorgehensweise existierenden Code anderer Systeme anpassen schwierig, da normalerweise viele Abhängigkeiten bedacht werden müssen Dateisystem swap() Synchronisation lock() unlock() Memory Management malloc() Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 4

5 Motivation (3) Standardkomponenten austauschbar wiederverwendbar sparen Zeit und Geld Wichtig: Kapselung Schnittstellenbeschreibung Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 5

6 OSKit Flux Research Group, University of Utah Fluke OS, basierend auf Mach und BSD OSKit: Sammlung von Betriebssystemkomponenten Verwendbar als C-Libraries COM-Schnittstellendefinitionen einzelne Komponenten austauschbar Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 6

7 OSKit - Struktur Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 7

8 Hello World mit OSKit #include <stdio.h> #include <oskit/clientos.h> #include <oskit/startup.h> #include <oskit/version.h> int main() { oskit_clientos_init(); oskit_print_version(); printf("hello, World\n"); return 0; } Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 8

9 OSKit Design Libraries werden wie gewohnt zum eigenen Code dazugelinkt unabhängig: benötigen keine anderen Pakete Separabiltiy - Separierbarkeit glue code um das Austauschen einzelner Komponenten zu ermöglichen function overriding z.b. putchar() oder malloc() dynamisches Binden Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 9

10 COM Interfaces Sprachunabhängiges Protokoll zur Komponenten-/Schnittstellenbeschreibung Implementation Hiding Interface Extension/Evolution verschiedene Sichten auf ein Objekt Beispiel: bufio-interface erweitert blkio- Interface Open Implementation : Implementierungseigenschaften Teil eines erweiterten Interfaces Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 10

11 OSKit dynamisches Binden Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 11

12 Performance OSKit-Beispielanwendung: Messen von TCP Bandbreite und Latenzzeiten Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 12

13 TCP Bandbreite TCP-Bandbreite in Mbit/s, gemessen mittels ttcp zwischen zwei PentiumPro-Rechnern mit 200 MHz, verbunden durch 100 Mbps Ethernet. Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 13

14 TCP Latenz TCP Latenz in µs, gemessen mit rtcp Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 14

15 Performance: Ergebnis Bandbreite: Senden FreeBSD: mbuf, unzusammenhängend Linux: skbuff, zusammenhängend Umwandlung erfordert manchmal Umkopieren Empfangen keine Probleme Latenz glue code Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 15

16 OSKit in der Praxis Fluke OS treibende Kraft Standard ML funktionale Programmiersprache mit Augenmerk auf Nebenläufigkeit benötigt Zugriff auf Context Switching Code ML/OS auf OSKit-Basis innerhalb eines Semesters fertiggestellt ähnliche Projekte ohne OSKit brachten jahrelang keine Ergebnisse Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 16

17 OSKit in der Praxis (2) SR/OS Java/OS Kaffe JVM auf OSKit portiert Hello World nach 14 Stunden nach 3 Wochen gleiche Funktionalität wie Suns JavaOS diverse andere Projekte Mungi, NILO, L4-Ports, Fiasco, Network Storage Corporation, MzScheme, Janos, (oskitdoom, GNU HURD) Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 17

18 OSKit Bewertung Pro: Sehr einfache Handhabung siehe Praxisberichte Konzept der Trennung der Belange Kontra: Teilweise zu grobkörnig Teilweise unflexibel Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 18

19 THINK THink Is Not a Kernel Framework zum komponentenbasierten Bau von Betriebssystemkernen Komponenten verschiedenster Größe flexibles Bindungsmodell Bindung zur Laufzeit KORTEX Komponentenbibliothek auf THINK-Basis Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 19

20 THINK Konzepte Domains Ressourcen-, Sicherheits- und Isolationsgrenzen Komponenten Laufzeitobjekte Interfaces - Schnittstellen werden in Java definiert Bindungen Verbindungen zwischen Interfaces Namen Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 20

21 THINK Namen/Bindungen Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 21

22 THINK Implementierung In C aus Performancegründen Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 22

23 THINK Implementierung (2) Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 23

24 THINK Code Generatoren Open Interface Compiler erstellt C-/Assembler-Code aus den Java- Schnittstellenbeschreibungen Off-line Configurator erstellt Kernel-Images aus UML-Beschreibungen löst Abhängigkeiten zwischen Komponenten Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 24

25 KORTEX Komponentenbibliothek für PowerPC HAL-Komponenten Exceptions, MMU, PCI, IDE, Ethernet, Grafik Speicherverwaltung Scheduler/Threads Netzwerk Ethernet, ARP, IP, UDP, TCP, SunRPC Dateisysteme ext2, NFS Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 25

26 KORTEX (2) weitere Komponenten Service-Komponenten dynamic linker/loader application loader Interaktions-Komponenten stellen Bindungen bereit POSIX-Komponenten Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 26

27 KORTEX HAL Beispiel Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 27

28 Ressourcenmanagement Ressource Manager teilt Ressourcen zu Threads Scheduler Netzwerksessions Protokolle Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 28

29 Thread-/Schedulerkomponenten drei preemptive Scheduler kooperativ, round-robin, prioritätsbasiert basierend auf HAL-Exception-Komponente, daher sehr performant Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 29

30 Interaktions-Komponenten Lokale Bindung für Komponenten derselben Domain Syscalls Aufruf von Kerneldiensten aus Applikationen Exception Exception-Handler Komponente Upcalls / Signale Mitteilen von Kernel-Ereignissen an Applikationen Kernel Signal-Handler-Komponente Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 30

31 Interaktions-Komponenten (2) Synchrones LRPC Kommunikation zwischen Applikationen benutzt Syscall und Upcall Remote RPC Kommunikation zwischen Kerneln auf verschiedenen Rechnern benutzt Netzwerkkomponenten kann durch Syscall/Upcall auch auf Applikationsebene benutzt werden Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 31

32 Praktische Umsetzung Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 32

33 Praktische Umsetzung (2) vgl.: Linux 2.4 getpid- Syscall: 217 Zyklen Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 33

34 Weitere Tests PlanP-Bridge Sprache zur Programmierung aktiver Netzwerkkomponenten Durchsatz des dedizierten KORTEX-Kerns besser als unter Solaris/Linux Kaffe Java VM Thread-Performanz besser als unter Linux Ausnutzung der HAL-Komponenten Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 34

35 DOOM Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 35

36 THINK/OSKit: Unterschiede THINK: Bindungskonzept dadurch zusätzliche Abstraktionsebene OSKit verwendet viel Legacy Code, KORTEX eigene Komponenten OSKit-Komponenten dadurch grobkörniger OSKit enthält keine speziellen Frameworks KORTEX: Frameworks zu Kommunikation und Ressourcenverwaltung Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 36

37 Bewertung, Ausblick Zentrales Thema: Trennung der Belange bei beiden Baukästen objektorientierter Ansatz Aber: bei manchen querschneidenden Belangen keine objektorientierte Kapselung möglich Lösung: aspektorientierte Programmierung Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 37

38 Quellen Webseiten der einzelnen Projekte: The OSKit Project: THINK Home Page: Referenzen: The Flux OSKit: A Substrate for OS and Language Research The Flux OS Toolkit: Reusable Components for OS Implementation THINK: A Software Framework for Component-based Operating System Kernels Betriebssystembaukästen THINK und OSKit 38

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