Microkernel-Betriebssysteme Mach, L4, Hurd

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1 Microkernel-Betriebssysteme Mach, L4, Hurd 14. November 2002 Holger Ruckdeschel 1

2 Übersicht Gegenüberstellung: Monolithischer Kernel - Microkernel Der Mach Microkernel Der L4 Microkernel GNU Hurd Geschwindigkeitsvergleich: Mach - L4 2

3 Monolithischer Kernel Klassischer Ansatz (Unix) Alle BS-Komponenten in Kern integriert Gemeinsamer Adressraum 3

4 Monolithischer Kernel Anwendung Anwendung Anwendung User Mode Kernel Mode API Prozessmanager Speichermanager Dateisystem... 4

5 Monolithischer Kernel Vorteile effiziente Kommunikation im Kern Hardwarezugriffe jederzeit und unmittelbar durchführbar Nachteile kein Zugriffsschutz zwischen den Komponenten undurchsichtige Struktur 5

6 Microkernel Auslagerung von BS-Komponenten in Server BS-Komponenten in getrennten Speicherbereichen Kernel bietet lediglich einfaches Prozessmanagement einfaches Speichermanagement effiziente Wege zur Inter-Prozess-Kommunikation (IPC) 6

7 Microkernel Anwendung Anwendung Dateisystem... User Mode Kernel Mode API Prozessmanager Speichermanager 7

8 Microkernel Vorteile Schutz der BS-Komponenten voreinander hohe Flexibilität Nachteile Kommunikation ist teuer 8

9 Mach Ausgangspunkt 4.2BSD Schrittweiser Tausch von BSD- gegen Mach-Code Mach Release 2 4.3BSD kompatibel monolithisch Auslagerung von BSD-Komponenten in Server Mach Release 3 Unix-frei Microkernel Geräteschnittstelle 9

10 Mach - Konzepte Task Textsegment Datensegment Threads Ports Nachricht nach: Silberschatz 10

11 L4 Von Anfang an als Microkernel entworfen Erste Version: L4/x86 Heute: verschiedene Architekturen Alpha MIPS StrongARM PowerPC IA64 11

12 L4 - Konzepte Flexpages Virtuelle Adressräume bestehen aus Flexpages Ein- und Ausblenden von Flexpages mit grant, map, flush Threads Tasks Clans Gruppe von Tasks mit privilegiertem Chief kein eigenes I/O-System 12

13 L4 - I/O Keine I/O-Schnittstelle im Kernel Gerätetreiber im User-Mode Einblenden der I/O-Adressräume in Tasks Weiterleitung von IRQs als IPC-Nachrichten 13

14 GNU Hurd Microkernel-Betriebssystem auf Basis von GNU Mach Kernel enthält Gerätetreiber Server für Dateisysteme (ext2, isofs u.a.) Netzwerkprotokolle (IP,...)... spezielle Bibliotheken (z.b. libext2fs) spezielle Utilities (z.b. settrans) 14

15 GNU Hurd Beispiel für Hurd-Systemkommando: Dateisystem mounten settrans -c /mountpoint /hurd/ext2fs /dev/hd0s1 ext2fs-server läuft als normaler Prozess Jeder Benutzer kann eigene Server schreiben und starten Zum Vergleich: Linux mount /dev/hda1 /mountpoint -t ext2 Befehl direkt an Kernel Kernel muss Dateisystem bereitstellen 15

16 Geschwindigkeitsvergleich Vergleich von Linux (monolithisch) MkLinux (auf Mach aufsetzend) L 4 Linux (auf L4 aufsetzend) 16

17 Geschwindigkeitsvergleich Low-Level Benchmark: getpid()-aufruf Linux 1,68 µs L4Linux 3,95 µs MkLinux 110,60 µs High-Level Benchmark: Übersetzen des Linux-Servers Linux L4Linux MkLinux 476 s 506 s 605 s 17

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