به سمت یک میکروکرنل حقیقی

‫به سمت یک میکروکرنل حقیقی‬ ‫یک نسخه از مینیکس که با بردن درایورهای سخت افزار به فضای کاربر کیفیت بال و‬ ‫کرنل کوچک را به ارمغان آورده است‬

‫نویسنده ‪Jorrit N. Herder :‬‬ ‫رساله ای در علوم کامپیوتر‬

‫ترجمه ‪ :‬تعدادی از دانشجویان مهندسی کامپیوتر دانشگاه شیراز‬ ‫استاد راهنما ‪ :‬آقای مهندس سعید جاویدی‬ ‫تصحیح‪ :‬محمد امین راستگو جهرمی‬

‫فصل اول‬ ‫مقدمه‬ ‫سيستم‌هاي عامل پايين‌ترين سطح نرم‌افزار هستند كه سخت‌افزار‬ ‫بدون محافظ را كنترل مي‌كند و زمينه‌اي را فراهم ‌مي‌سازد كه‬ ‫مي‌توان در آن برنامه‌هاي مورد تقاضا را نوشت‪ .‬بنابراين يك‬ ‫سيستم عامل اساسي را براي تمام فعاليت‌هاي كامپيوتر كاربر‬ ‫تشكيل مي‌دهد‪ .‬بنابراين سيستم عامل باید قابل اطمينان باشد و‬ ‫به صورت بدون نقص عمل كند‪ .‬متأسفانه سيستم‌هاي عامل‬ ‫كنوني‪ ،‬مثل ‪ Windows‬و ‪ ،Linux‬در ارائه اين مطلوبيت دچار نقص‬ ‫هستند‪ .‬بسياري از كاربران كامپيوتر با مشکلت سيستم عامل‬ ‫درگیر هستند و مبتل به ويروس ها هستند‪.‬‬ ‫دليل اين مشكلت اين است كه سيستم‌هاي عامل از مشکلت‬ ‫ابتدایی طراحی و خطاها (‪ )bug‬رنج میبرند‪ .‬مدل آنها مي‌تواند به‬ ‫عنوان يك برنامه يكپارچه بزرگ مشخص شود كه مركز كنترل‬ ‫ماشين است‪ .‬از دستورالعمل‌هاي معمول طرح مثل مدل‌دار بودن‬ ‫و اصول حداقل ‪ authorization‬نوعا ً تخلف شده تا بر بعضي‬ ‫عملكردها غالب شويم‪ .‬براي مثال ‪driver‬هاي ابزار دسته سوم به‬ ‫طور طبيعي قسمت كامل هسته (‪ )Kernel‬هستند و تمام امتيازاتي‬ ‫را دارا هستند كه بوسيله آن مي‌توانند كل سيستم را از كار‬ ‫بياندازند‪ .‬مشكل بزرگ ديگر وجود غيرقابل اجتناب ‪bug‬ها است‪.‬‬ ‫براي مثال آمار نرم‌افزاري تعداد ‪ 1‬تا ‪ bug 20‬را در هر ‪ 1000‬خط‬

‫كد (‪ )LOG‬ارائه مي‌دهند‪ .‬اين آمار ممكن است براي سيستم عامل‬ ‫هاي پيچيده‌تر بدتر باشد ‪.‬‬ ‫اغلب سيستم‌هاي عامل مورد استفاده كنوني ميليونها خط كد دارند‬ ‫(‪ )MLOC‬و بنابراين ممكن است به آساني هزاران ‪ bug‬داشته‬ ‫باشند‪ .‬براي مثال ويندوز ‪ ،XP‬تقريبا ً ‪ MLOC5‬دارد كه بيش از ‪1‬‬ ‫ميليون ‪ bug‬را در سخت‌ترين شرايط در خود دارد‪.‬‬ ‫در اين پروژه دکترا تلش شده تا يك سيستم عامل معتبرتر‬ ‫بوسيله ‪ modularity‬كاربردي ايجاد شود‪ .‬با تفكيك يك سيستم عامل‬ ‫به قطعات مجزا و كوچك‪ ،‬سيستم پيچيده‌تر و بزرگتر مي‌شود زيرا‬ ‫قطعات كوچكتركنترل پذيرتر هستند و به تفكيك عيب‌ها بيشتر كمك‬ ‫مي‌كنند‪ MINIX .‬به عنوان يك سيستم عامل اصلي براي اين پروژه‬ ‫انتخاب مي‌شود زيرا ‪ MINIX‬نسبتا ً كوچكتر و ساده‌تر است اما در‬ ‫حين واحد ‪ POSIX compliance‬را فراهم مي‌سازد‪ .‬هدف اوليه تغيير‬ ‫شكل دادن ‪driver‬هاي ابزار ‪ MINIX‬به برنامه‌هاي مجزا است به‬ ‫گونه‌اي كه ‪ MINIX‬يك سيستم عامل (هسته كوچك) ‪microkernel‬‬ ‫كامل شود‪.‬‬ ‫باقيمانده اين فصل همانند زير ساخته مي‌شود‪ :‬بخش ‪-1-1‬‬ ‫مقدمه‌اي بر اصول كلي سيستم‌هاي عامل ارائه مي‌دهد‪ .‬بخش ‪-2‬‬ ‫‪ -1‬در مور سيستم‌هاي عامل داراي هسته كوچك (‪ )microkernel‬به‬ ‫طور دقيق بحث خواهد كرد و بخش ‪ MINIX -1-3‬را معرفي‬ ‫مي‌كند‪ .‬بخش ‪ -1-4‬يك مقاله مسئله دقيق را ارائه مي‌دهد و بخش‬ ‫‪ -1-5‬نظريه‌اي را ارائه مي‌دهد كه براي اين موضوع ارائه مي‌شود‪.‬‬

‫در آخر‪ ،‬بخش ‪ -1-6‬ساختار بقيه اين پروژه را خلصه‌نويسي‬ ‫مي‌كند‪.‬‬

‫‪ -1-1‬سيستم‌هاي عامل‬ ‫اين بخش اصول سيستم‌هاي عامل اصلي را معرفي مي‌كند‪ .‬زير‬ ‫مجموعه بخش ‪ -1-1-2‬ساختارهاي سيستم عامل متفاوتي را ارائه‬ ‫مي‌دهند‪ .‬زير مجموعه بخش ‪ -1-1-3‬ويژگيهاي اصلي سيستم‌هاي‬ ‫عامل ‪ monolithic, microkernel‬را مورد مقايسه قرار مي‌دهد‪.‬‬

‫‪ -1-1-1‬مفاهيم اصلي‬ ‫به طور كلي سيستم‌هاي عامل را از دو جنبه مي‌توان مورد توجه‬ ‫قرار داد‪ .‬اين سيستم‌ها مي‌توانند هم به عنوان يك اداره كننده منبع‬ ‫و يك ماشين گسترده يا يك ماشين مجازي فرض شوند‪Resource .‬‬ ‫‪ manager‬مسوول ارائه دستيابي به سخت‌افزار ماشين و است و‬ ‫مطمئنا ً تمام تقاضاها را مضاعف (‪ )mutiplex‬مي‌كند‪ .‬براي مثال‪،‬‬ ‫منابع مي‌توانند شامل ديسك سخت‪ ،CD-ROM ،‬پرينتر و حافظه‬ ‫ويديو باشند وممكن است در كاربردهاي چندگانه تقسيم شوند‪ .‬در‬ ‫مقابل مديريت منابع‪ ،‬اين ‪ interface‬ممكن است در بين معماری‬ ‫های متفاوت سخت‌افزار قابل تغيير باشد‪.‬‬ ‫(‪ )kernel‬هسته آن قسمت سيستم عامل است كه در بالترين‬ ‫سطح دسترسی (‪ )Privilege‬اجرا مي‌شود كه حالت هسته اصلي يا‬ ‫حالت ناظر ‪ )Supervisor made‬يا (‪ Kernel made‬ناميده مي‌شود‪.‬‬ ‫‪( Kernel made‬حالت هسته اصلي) به يك نشانه نماي ‪)CPU (flag‬‬ ‫برمي‌گردد كه نشان مي‌دهد آيا مرحله اجرا مجاز براي اجراي تمام‬ ‫دستورالعمل‌هاي ممكن است يا خير‪ .‬برنامه‌هايي كه در حالت‬

‫كاربر اجرا مي‌‌شوند اين سري نشانه نما را ندارند و از اينرو مجاز‬ ‫براي انجام دستورالعمل‌هاي خاص هستند‪.‬‬ ‫رابط سيستم عامل بوسيله ‪Call‬هاي سيستم تعريف مي‌شوند كه‬ ‫براي برنامه‌ريز موجود هستند‪System Call .‬ها از يك دستورالعمل‬ ‫ماشيني خاص استفاده مي‌كنند كه يك ‪ trap‬ناميده مي‌شود كه‬ ‫‪trap‬ها باعث مي‌شوند كه پردازشگر از حالت كاربرد به حالت‬ ‫هسته اصلي تغيير يابند و دستگاه ‪ System Call‬هسته مركزي را‬ ‫ارسال كنند‪ .‬اين راه مراحل كاربر مي‌توانند خدمات سيستمي را‬ ‫درخواست كنند تا عمليات محدودي مثل دستيابي به سخت‌افزار‬ ‫انجام دهند‪.‬‬ ‫مراحل مي‌توانند با كمك و امكانات ارتباط بين فرايندي (‪ )IPC‬كه‬ ‫اغلب بوسيله يك ‪ System Call‬انجام مي‌شود را منتقل شوند‪ .‬براي‬ ‫مثال ‪ IPC‬مي‌تواند با گذشتن يك پيغام تقاضا به دنبال يك ‪Context‬‬ ‫‪( Switch‬تعویض بستر) انجام شود‪( Context Switch .‬تعویض بستر)‬ ‫يعني متوقف ساختن مرحله اجرا و ذخيره وضعيت فرار (‪)Volatile‬‬ ‫به گونه‌اي كه مرحله ديگر بتواند دوباره ذخيره و شروع شود (‬ ‫‪.)restore & Restart‬‬

‫شكل ‪ )-1-1‬طبقه‌بندي سيستم‌عامل‪ ،‬هسته‌هاي يكپارچه ‪ )a‬هميشه بدون ساختار هستند‪.‬‬ ‫ريز هسته‌ها (‪ )b‬اغلب ساختارهايي ليه‌اي دارند‪ )Exokernel . C .‬به عنوان سيستمهاي‬ ‫عامل ساخته شده عمودي شناخته مي‌شوند‪.‬‬

‫مورد آخر با انتشار يك ساختار خاص ماشيني پس از بازيابي يك‬ ‫حالت مرحله انجام مي‌شود‪.‬‬ ‫كليدي كه براي سيستم‌هاي عامل ايجاد مي‌شود اين اطمينان را‬ ‫حاصل مي‌كند كه كاربردهاي كاربر نمي‌توانند به يكديگر و به هسته‬ ‫و ربطي داشته باشند‪ .‬اين امر با مراحل بسته‌بندي در فضاهاي‬ ‫آدرس انجام مي‌شود كه به طور فيزيكي از يكديگر محافظت‬ ‫مي‌كنند‪ .‬سخت‌افزار واحد مديريت حافظه (‪ )MMU‬اين محافظت‬ ‫را با بازبيني هر اقدام جهت دستيابي به حافظه اعمال مي‌كنند‪.‬‬ ‫دستيابي‌هاي غيرقانوني منجر به استثنايي مي‌شود كه با يك دستگاه‬ ‫مستثنا در هسته بدست مي‌آيد كه مي‌تواند عمليات مناسب را ارائه‬ ‫دهد‪.‬‬

‫‪1.1.2‬ساختارهاي سيستم عامل‬ ‫سيستمهاي عامل مي‌توانند براساس طرح هسته آنها طبقه‌بندي‬ ‫شوند‪ .‬تفاوت بين اجراكننده منبع و ماشين توسعه يافته كه در يك‬

‫سيستم عامل مشاهده مي‌شود تغيير مي‌يابند كه مرتبط با‬ ‫ساختارهاي متفاوت طبقه‌بندي باشند سه طبقه‌بندي گسترده‬ ‫مي‌توان شناسايي كرد‪.‬‬ ‫هسته‌هاي يكپارچه‪ :‬هسته‌هاي يكپارچه يك چکیده غني و‬ ‫قدرتمند از بستر سخت‌افزار هستند‪ .‬تمامي خدمات سيستم عامل‬ ‫به عنوان يك برنامه واحد‪ ،‬يكپارچه تعريف مي‌شوند كه در حالت‬ ‫هسته انجام مي‌شوند‪ .‬از اينرو درخواست‌ها در حالت كاربر انجام‬ ‫مي‌شود و مي‌تواند خدمات سيستم را از هسته درخواست كند‪ .‬از‬ ‫اينرو هسته هم مدير منبع است و هم يك ماشين گسترش يافته‪ .‬از‬ ‫ديدگاه سطح بال‪ ،‬يك هسته يكپارچه بدون ساختار است‪ .‬اين امر‬ ‫در شكل (‪ a) 1-1‬توصيف شده است‪ .‬مثالهايي از سيستمهاي عامل‬ ‫يكپارچه ويندوز‪ Linux, BSDUNIX ،‬هستند‪.‬‬ ‫هسته‌هاي هيبريد و ريزهسته‌ها‪:‬ريز هسته‌ها بوسيله‬ ‫يك سري چکیده های (‪ )abstraction‬هسته مشخص مي‌شوند اما‬ ‫الزاما ً نياز ندارد تا كوچك باشند‪ .‬ريز هسته‌ها يك سري كوچك از‬ ‫چکیده هاي سخت‌افزاري ساده و ارائه مي‌دهند و از كاربردهايي‬ ‫(درخواست‌هايي) استفاده مي‌كنند كه سرويس‌دهنده ناميده‬ ‫مي‌شود كاركرد بيشتر را ارائه دهند‪ .‬تنها يك قسمت کوچک‬ ‫سيستم عامل در حالت هسته انجام مي‌شود در حاليكه همه‬ ‫درخواست‌ها در حالت كاربر انجام مي‌شود‪ .‬در مقايسه هسته‌ها‬ ‫يكپارچه‪ ،‬وظيفه اصلي ريزهسته‌ها مديريت منبع است‪ .‬يك سيستم‬ ‫عامل ريز هسته‌اي يك ساختار ليه‌اي شل با ارتباط سرويس‌دهنده‬

‫برنامه و منابع ديگر در بين ليه‌ها دارد‪ .‬اين امر در شكل (‪b) 1-1‬‬ ‫توصيف شده است‪ .‬مثال يك ريز هسته كامل ‪ L4‬است‪.‬‬ ‫هسته‌هاي هيبريد بسيار شبيه ريز هسته‌ها هستند اما با خدمات‬ ‫اضافي انجام شده در فضاي هسته به دليل اجرايي تقويت‬ ‫مي‌شوند‪ .‬براي مثال ‪ MINIX‬و ‪ Mach‬قسمتي از طبقه‌بندي هستند‬ ‫زيرا ‪driver‬هاي وسيله قسمتي از هسته هستند‪ QNX .‬نيز يك ريز‬ ‫هسته هيبريد است زيرا مدير پردازش قسمتي از هسته است‪.‬‬ ‫ماشين‌هاي مجازی و ‪ exokernel‬ها‪ :‬ماشين‌هاي مجازی و‬ ‫‪exokernel‬ها يك ليه خلصه سخت‌افزاري همانند ديگر سيستم‌هاي‬ ‫عامل را ارائه نمي‌دهند‪ .‬در عوض آنها منابع سخت‌افزاري را به‬ ‫گونه‌اي طبقه‌بندي مي‌كنند كه سيستم‌هاي عامل چندگانه مي‌توانند‬ ‫در كنار يكديگر با فرض داشتن يك ماشين خصوصي اجرا كند‪ .‬يك‬ ‫مانيتور ماشين واقعي يا ‪ exokernel‬در حالت هسته اجرا مي‌شود و‬ ‫مسئول حفاظت از منابع و درخواست‌هاي منابع سخت‌افزاري‬ ‫است از اينرو هر سيستم عامل در حالت كاربر اجرا مي‌شود كاملً‬ ‫متفاوت از ديگران ماشين‌هاي مجازي و ‪exokernel‬ها به عنوان‬ ‫سيستم‌هاي عامل ساختاری شناخته مي‌شود‪ .‬هركدام از‬ ‫سيستم‌هاي عامل كه در كنار يكديگر اجرا مي‌شوند يا مي‌توانند يك‬ ‫هسته يكپارچه داشته باشند يا يك ساختار ريز هسته‌اي‪ .‬اين امر در‬ ‫شكل (‪ c) 1-1‬توصيف شده است‪ .‬مثالهايي از ماشين‌هاي واقعي و‬ ‫‪exokernel‬ها به ترتيب ‪ MITEroxernel, VMware‬هستند‪.‬‬ ‫از آنجائيكه ماشين‌هاي مجازي و ‪exokernel‬ها تنها ابزاري براي ارائه‬ ‫يك رابطه براي يك سيستم عامل هستند‪ ،‬بيشتر از اين در مورد‬

‫آنها بحث نمي‌شود‪ .‬تفاوت بين هسته‌هاي يكپارچه و ريز هسته‌ها‬ ‫براي پروژه‌هاي ارشد جالب هستند‪.‬‬

‫ويژگيهاي هسته‬ ‫يك بازنگري از ويژگيهاي سيستم عامل در شكل ‪ 1-2‬ارائه شده‬ ‫است‪ .‬در حاليكه سيستم‌هاي عامل با يك هسته يكپارچه اغلب‬ ‫عملكرد خوبي دارند‪ ،‬سيستمهاي عامل ريز هسته‌اي ویژگيهاي‬ ‫بهتری از خود نشان میدهند ‪ .‬تمام تفاوت‌ها به طور مستقيم از‬ ‫تفاوت در ‪( modularity‬پیمانه ای بودن) سرچشمه مي‌گيرد‪.‬‬ ‫‪ Modularity‬يك ويژگي كليدي است كه به ريز هسته‌ها قدرت‬ ‫مي‌دهد‪ .‬در مقايسه با سيستم‌هاي يكپارچه سيستم‌هاي عامل ريز‬ ‫هسته هميشه به عنوان يك سري از سرورها که هركدام مسئول‬ ‫وظيفه خاصی هستند شناخته میشود ‪ .‬اين امر يك تفكيك روشن از‬ ‫مسئوليت‌ها با مزاياي وابسته ارائه مي‌دهد‪.‬‬ ‫مثالهايي از ويژگيهايي كه ممكن است در يك سيستم عامل ريز‬ ‫هسته‌اي يافت شود در زير ارائه مي‌دهیم‪ .‬ريز هسته‌ها انعطاف‌پذير‬ ‫هستند و مي‌توانند به آساني گسترش يابند زيرا جايگزيني آنها با‬ ‫‪Server‬ها يا استراتژي‌هاي حل مسأله مقدور است‪ .‬ماندگاري ريز‬ ‫هسته‌ها آسانتر است زيرا اجزاي كوچكتر کم پيچيده‌ اند و قابل‬ ‫اجراتر هستند‪ .‬تفكيك مسؤوليت‌ها نيز براي امنیت و قدرت‬ ‫سيستم عامل سودمند است زيرا مشکلت ایزوله مي‌شوند و‬ ‫اجزاي خراب میتوانند در هنگام ارتقا جايگزين شوند‪ .‬جزئيات‬ ‫بيشتر در مورد امنیت مي‌تواند در زير مجموعه بخش ‪ 1-2-2‬يافت‬ ‫شود‪.‬‬ ‫ويژگي‌اي كه دیر زمانی است در مورد ريزهسته‌ها مطرح است‬ ‫بازده است‪ .‬سيستم يكپارچه اغلب بازده خوبی دارد زيرا تمامي‬ ‫خدمات قسمتي از هسته هستند و بنابراين مي‌توانند به طور‬ ‫مستقيم به يكديگر دسترسي داشته باشند‪ .‬در مقابل يك سيستم‬ ‫عامل ريز هسته‪ ،‬ارتباطات اضافه اي را برای همكاري ‪Server‬هاي‬

‫سيستم نیاز دارد ‪ .‬به اين دليل‪ ،‬ريزهسته‌ها اغلب كند خوانده‬ ‫مي‌شوند البته لزوما این جوری نيست‪ .‬زير مجموعه بخش ‪1-2-3‬‬ ‫اين موضوع را به طور دقيق‌تر مورد بحث قرار مي‌دهد‪.‬‬ ‫يك ويژگي جالب ريزهسته‌ها اين است كه ريز هسته‌ها يك محيط‬ ‫‪ UNIX‬را برای اجرای برنامه های ‪ novell‬فراهم مي‌كنند‪ .‬بنابراین‬ ‫آنها قابليت سازگاري با نسخه های قبلی را درهنگام رفتن به‬ ‫محیط های محاسباتی جدید ارائه مي‌دهند‪ .‬اين امر در زير‬ ‫مجموعه بخش ‪ 1-2-1‬بيشتر مورد بحث قرار مي‌گيرد‪.‬‬ ‫اگرچه مزيت‌هاي بالقوه فاحش هستند‪ ،‬مثالهايي از سيستم‌هاي‬ ‫عامل ريزهسته‌اي موفق سخت يافت مي‌شوند‪ .‬اگرچه ‪ QNX‬اغلب‬ ‫وعيدها را كامل مي‌كند اما متأسفانه ‪ QNX‬يك سيستم تجاري‪،‬‬ ‫بسته است‪ .‬اين پروژه دکترا و كار آينده كه بر این اساس خواهد‬ ‫بود ممكن است به ‪ MINIX‬كمك كنند تا در سیستم عامل های ریز‬ ‫هسته ای جایی برای خود باز کند ‪.‬‬ ‫‪1.2‬‬

‫سيستمهاي عامل ريز هسته‌اي‬

‫در حالی كه بخش قبل اصول کلی سيستم عامل را شرح‬ ‫مي‌دهد‪ ،‬اين بخش در مورد سيستم‌هاي عامل ريز هسته‌اي بحث‬ ‫مي‌كنیم‪ .‬زیر مجموعه بخش ‪ 1-2-1‬در مورد سه روش متفاوت‬ ‫براي تشكيل كاربردهايي بحث مي‌كنند كه بر پایه ريز هسته‌ها‬ ‫بنیان نهاده شده اند ‪ .‬دو ويژگي مهم سيستم عامل امنیت و بازده‬ ‫به ترتيب در زير مجموعه بخش ‪ 1-2-2‬و ‪ 1-2-3‬بحث مي‌شود‪.‬‬

‫شكل ‪ -1-3‬طبقه‌بندي درخواست ريز هسته برپايه ساختار برنامه‌هايي قرار دارند‬ ‫كه در حالت كاربر اجرا مي‌شوند ساختارهاي متفاوت (‪ )a‬يك سيستم عامل واحد‬ ‫خدمات رسان با اجزاي خاص هستند‪ b( .‬يك سيستم عامل چند ‪Server‬ي و (‪ c‬يك‬ ‫سيستم اختصاصي‪.‬‬

‫‪1.2.1‬برنامه هاي ريزهسته‬ ‫در زير مجموعه بخش ‪ 1-1-2‬طراحي شده است هسته‌هاي هيبريد‬ ‫و ريزهسته‌ها ‪ abstraction‬کمتری را در مقايسه با هسته‌هاي‬ ‫يكپارچه ايجاد كنند‪ .‬بنابراين‪ ،‬ريز هسته‌ها برای ارئه امکانات بیشتر‬ ‫در برنامه های سطح سیستم عامل به ‪Server‬هاي فضاي كاربر‬ ‫تكيه دارند‪ .‬اين امکانات مي‌تواند در روشهاي مختلفي ارائه شود‪.‬‬ ‫سيستم عامل تك سروری‪ :‬در يك سیستم عامل تك ‪Server‬ي‪،‬‬ ‫ريز هسته يك ‪ OS‬كامل يكپارچه را به عنوان يك برنامه كاربري‬ ‫عادي را اجرا مي‌كند‪ .‬اين امر در شكل (‪ a) 3-1‬توصيف شده است‪.‬‬ ‫اين تنظیمات هيچ كدام از اين ويژگيهاي ‪ OS‬يكپارچه را تغيير‬ ‫نمي‌دهند و به اين معناست كه هنوز يك نقطه واحد خرابی (‬ ‫‪ )Failure‬وجود دارد‪ .‬مزیت اصلي اين پیکربندی اين است كه یک‬ ‫محيط ‪ UNIX‬را همزمان با تجربه کردن روش ريز هسته‌اي فراهم‬

‫مي‌سازد‪ .‬كاربردهای ارثی ای كه از ‪ OS‬يكپارچه می آیند اغلب‬ ‫مي‌توانند با برنامه هاي ‪ novel‬همراه شوند‬

‫‪1‬‬

‫‪ .‬تركيب كاربردهاي ارثی (‪ )Legacy‬و بی درنگ يا بسته های امنیتی‬ ‫انتقال بدون اشکالی را به محیط محاسباتی جدید ممکن می‬ ‫سازند‪.‬‬ ‫مثالهاي بسياري از اين حرکت موجود هستند‪ Mach .‬يكي از اولين‬ ‫ريز هسته‌ها است و اجراي چند سیستم عامل جداگانه در کنار‬ ‫يكديگر مثل ‪ BSD,OSF, UNIX‬را مجاز مي‌سازد‪ .‬مثال ديگر ‪L4linux‬‬ ‫است كه در رأس ريز هسته ‪ L4‬اجرا مي‌شود‪ .‬پروژه ‪PERSEUS‬‬ ‫تقلیي براي اجراي اجزاي امنیتی خاصي كه امضای ديجيتالی را‬ ‫در ‪ L4linux‬فراهم مي‌سازند ‪ ،‬است ‪.‬‬

‫ي‪ ،‬كاربردهاي يك سيستم ‪ Server‬تك ‪ OS‬باقيمانده) در رأس( ‪ legacy‬نظريه معمول استفاده از كاربردهاي‬

‫‪1‬‬

‫هدايت ‪ Mach،‬خوانده مي‌شود را دوباره ترجمه مي‌كنند‪ .‬در سيستم‌هاي خاص مثل ‪ Stub Library‬جديد را كه‬ ‫‪.‬مي‌تواند براي درك سازگاري مضاعف استفاده شوند ‪ trap‬دوباره‬

‫سيستم عامل چند سروري‪ :‬در يك ‪ OS‬چندسروري‪ ،‬محيط‬ ‫سيستم عامل بوسيله تعدادي ‪ Server‬كمكي تشكيل مي‌شود‪ .‬اين‬ ‫امر در شكل (‪ b) 3-1‬شرح داده شده است‪ .‬همانطور كه در زير‬ ‫مجموعه بخش ‪ 1-1-3‬بحث شد افزايش ‪( modularity‬پیمانه ای‬ ‫بودن) فوايد بسياري به همراه دارد كه شامل استحكام افزايش‬ ‫يافته‪ ،‬ماندگاري و انعطاف‌پذيري مي‌شود‪ .‬بسته به امکاناتی كه‬ ‫بوسيله محيط چند سروري ارائه مي‌شود كاربردهاي ارث بری‬ ‫شده ممكن است در صورتی که با يك كتابخانه شبیه سازی شده‬ ‫مرتبط شوند مورد استفاده قرار گیرند ‪ .‬برنامه هاي ناول‬ ‫مي‌توانند به آساني با نوشتن يك سرور سيستم جديد شناسايي‬ ‫شوند‪.‬‬ ‫مثالهاي مختلفي از سيستم‌هاي عامل چند سروري وجود دارند‪.‬‬ ‫براي مثال ‪ GNUHurd‬يك محيط چند ‪Server‬ي است كه بر اساس‬ ‫يك ريز هسته ‪ Mach‬تعريف شده است ‪ Sawmill Linax .‬يك محيط‬ ‫چند ‪Server‬ي بر اساس ريز هسته ‪ L4‬است زير مجموعه بخش ‪1-3‬‬ ‫در مورد ‪ MINIX‬به عنوان مثالی دیگر بحث مي‌كند‪.‬‬ ‫سيستم اختصاصي‪ :‬روش دیگر استفاده از برنامه اختصاصي‬ ‫است كه به طور مستقيم بر روی ريز هسته اجرا مي‌شود‪ .‬اين‬ ‫امر در شكل (‪ c) 3-1‬شرح داده مي‌شود‪ .‬تفاوتهاي بسيار چنين‬ ‫سيستمي مي‌تواند مورد توجه قرار گيرد‪ .‬اين روش بخصوص براي‬ ‫ابزارهاي ‪ mobile‬و ‪ embedded system‬ها با قدرت محاسبه كاهش‬ ‫يافته سودمند است‪.‬‬

‫مثالي از يك سيستم اختصاصي يك ماشين مجازی ‪Java‬‬ ‫‪)(JVM‬است كه به طور مستقيم در رأس ريز هسته اجرا مي‌شود‪.‬‬ ‫در مقايسه با کارهای سنتی که یک سیستم عامل یک ‪ JVM‬را‬ ‫میزبانی میکند این روش محیط ایمن تری را برای برنامه های جاوا‬ ‫فراهم میکند زیرا دیگر نیازی به اطمینان به میزبان نمی باشد ‪.‬‬

‫‪ 1.2.2‬امنیت ريز هسته‬ ‫ريز هسته‌ها خصوصيات امنیتی خوبي دارند كه در زير مجموعه‬ ‫بخش ‪ 1-1-3‬عنوان شدند‪ .‬اين خصوصيات بویژه در مورد سیستم‬ ‫عامل های چند سروري كه تمام سرورهای سیستم در فضاي‬ ‫آدرس گنجانده شده اند درست است‪ .‬سرورها به طور فيزيكي از‬ ‫يكديگر با سخت‌افزار واحد مديريت حافظه(‪ )MMU‬محافظت‬ ‫مي‌شوند‪ .‬اگر يك فرايند به صورت غيرقانوني اقدام به دستيابي به‬ ‫حافظه فرآيند ديگر كند‪ ،‬اين امر بوسيله ‪ MMU‬بررسي مي‌شود و‬ ‫يك استثنا رخ مي‌دهد‪ .‬استثنا بوسيله هسته مدیریت میشود كه‬ ‫مي‌تواند عمل مورد نیاز را انجام دهد‪.‬‬ ‫در حالی كه يك ‪ Server‬نمی تواند به طور مستقيم روی کار‬ ‫‪Server‬های دیگر تاثیر گذارد ‪Server .‬هاي وابسته ممكن است به‬ ‫طور غيرمستقيم تحت تأثير قرار گيرند‪ .‬اگر ‪ Server A‬به ‪Server B‬‬ ‫وابسته باشد تا وظيفه‌اي را انجام دهد‪ Server A ،‬ممكن است با‬ ‫يك نقص يا يك عمل خراب از سوي ‪ Server B‬تأثير بگيرد‪ .‬مفهوم‬ ‫مهم مربوط به اين امر پايگاه محاسبه‌اي پشتيباني شده (‪)TCB‬‬ ‫يعني حداقل اجزايي است كه عملكرد صحيح آن پیش شرط‬ ‫امنیت است‪ .‬براي ريز هسته‌ها‪ TCB ،‬مي‌تواند بسيار كوچك باشد‪.‬‬

‫براي مثال در يك سيستم اختصاصي‪ ،‬يك برنامه اختصاصی ‪TCB‬‬ ‫تنها شامل يك ريز هسته و سخت‌افزار تحت آن می باشد‪.‬‬ ‫يك موضوع حفاظتي مهم كه نمي‌تواند به آساني حل شوداین است‬ ‫که اجزايي با كنترل سخت‌افزاري توانايي از بين بردن كل سيستم‬ ‫را دارا هستند‪.‬‬ ‫براي مثال درایورهاي وسيله‌اي كه مي‌تواند دستيابي مستقيم به‬ ‫حافظه دارد (‪ )DMA‬ممكن است با ایجاد يك آدرس حافظه نامعتبر‬ ‫در كنترل كننده ‪ DMA‬در حافظه فرايندها تداخل ایجاد کنند ‪ .‬بعضي‬ ‫برد‌هايي قطعات ‪ PCI‬يك ‪ I/OMMU‬دارند كه با نگاشت یک آدرس‬ ‫فضای ‪ PCI‬به یک فضای حافظه فیزیکی حفاظت را ارائه مي‌دهند‪.‬‬ ‫راه‌حل كلي‌تری براي اين مسأله هنوز در دسترس نيست‪.‬‬

‫‪ 1.2.3‬موضوعات عملكردي‬ ‫سيستم‌هاي عامل ريز هسته‌اي اغلب مدعی رنج بردن از مشكلت‬ ‫عملكردي ارثی هستند‪ .‬زيرا فرآيندهاي چندگانه ای بايستي براي‬ ‫انجام يك وظيفه همكاري كنند‪ .‬دليل کاهش بازده گفته شده‬ ‫ارتباط بين فرايندي مضاعف (‪ )IPC‬و در نتيجه تغییر بسترهای‬ ‫زيادي در بين فرايندهاي كاربرد‪Server ،‬هاي سيستم و هسته می‬ ‫باشد‪ .‬به علوه‪ ،‬كپي اطلعات در بين ‪Server‬هاي كمكي باعث‬ ‫هزینه اضافی مي‌شود‪.‬‬ ‫اولين ريز هسته‌ها داراي از دست دادن عملكرد ذاتي بودند‪ .‬براي‬ ‫مثال ‪ BSD UNIX‬بر اساس ‪ Mach‬بيش از ‪ %50‬كندتر از نسخه‬ ‫معمولی ‪ BSD UNIX‬است‪ .‬با اينحال‪ ،‬ريز هسته‌هاي جديد‪ ،‬ثابت‬

‫كرده‌اند كه حقيقتا ً عملكرد بال مي‌تواند به دست بیاید ‪ .‬براي مثال‬ ‫‪ L4Linux‬بر اساس ‪ ،L4‬تنها يك کاهش عملكردي ‪ 2‬تا ‪ %4‬دارد‪.‬‬ ‫بازده به عنوان یک مسئله پیاده سازی مطرح میشود ‪ .‬تلشی در‬ ‫‪ L4‬ارائه مي‌شود تا يك رابط ريز هسته‌اي قابل انتقال را تعريف‬ ‫كند اما استفاده بهينه از قابليت‌هاي سخت‌افزاري براي اجرا را‬ ‫ايجاد مي‌كند‪ .‬بنابراین هر ‪ platform‬نيازمند يك پياده‌سازي متفاوت‬ ‫هسته است اما كاربردهايي كه به هسته ‪ API L4‬هماهنگ هستند‬ ‫مي‌توانند به آساني مجددا ً ترجمه و استفاده شوند‪.‬‬ ‫ديگر درس مهم اين است كه ريز هسته‌ها بايستي كوچك باشند‪.‬‬ ‫عمل از كار انداختن ‪ L4‬نشان مي‌دهد كه فقدان حافظه مهمتر از‬ ‫خود ‪ IPC‬است‪ .‬يك تعویض بستر از يك فرايند فضاي كاربرد به‬ ‫هسته تنها احتياج به تغيير قسمتهاي اندك در ‪ CPU‬دارد تا به حالت‬ ‫هسته سوئيچ كند و وضعيت هسته را بازيابي كند‪ .‬با اينحال سوئيچ‬ ‫فضاي آدرس‪ ،‬ممكن است باعث هزینه از دست دادت ‪ cache‬شود‪.‬‬ ‫اين خسارت در صورتی که از حافظه مجازی استفاده شود شديدتر‬ ‫مي‌شود زیرا ورودي‌هاي بافر كناري ترجمه (‪ )TLB‬بوسيله يك‬ ‫سوئيچ فضاي آدرس فاقد اعتبار مي‌شود‪.‬‬ ‫در آخر‪ ،‬سخت‌افزار بايستي آشكارا براي ريز هسته‌ها طراحي‬ ‫مجدد شود‪ .‬ريز هسته‌ها متفاوت از سیستم های يكپارچه هستند و‬ ‫بنابراين ممكن است طراحی متفاوتی براي دستيابي به عملكرد‬ ‫خوب لزم داشته باشند‪.‬براي مثال تحقيق در مورد ‪Saw Mill Linxt‬‬ ‫در طراحي يك پرتكل چند ‪Serever‬ي كه ‪ IPC‬را كاهش مي‌دهد و از‬ ‫كپي اطلعات غيرضروري جلوگيري مي‌كند موردنظر است‪.‬‬

‫بنابراين عملكرد سيستم‌هاي عامل برپايه ريز هسته نمي‌تواند تنها‬ ‫با هزينه‌هاي ‪ IPC‬تعيين شود‪.‬‬

‫‪2‬‬

‫مقايسه ويژگيهاي سيستم عامل براي هسته‌هاي يكپارچه و ريز هسته‌ها‪ .‬عملكرد يك‬ ‫سيستم عامل بر پايه ريز هسته‌ها لزوما ً بد نيست همانطور كه در زير مجموعه بخش ‪-3‬‬ ‫‪ 1-2‬بحث شد‪.‬‬

‫را ايجاد مي‌كنند‪ .‬پيغام‌ها به عنوان يك سري از ‪ IPC CPU‬استفاده بهينه از ثبت‌كننده‌هاي ‪ L4‬براي مثال‬

‫‪2‬‬

‫‪. IPC‬ثبت‌كننده‌هاي واقعي كه براي ثبت‌كننده‌هاي واقعي در زمان لزم طراحي مي‌شوند تعريف مي‌شوند‬ ‫‪.‬برنامه‌نويسها را در انتخاب اجراي بهينه حمايت مي‌كنند ‪sub-generation،‬‬