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Peter AmthorFak. IA / FG VSBSTechnische Universität Ilmenauwww.tu-ilmenau.de/vsbs

Advanced Operating Systems

Kapitel 8: Zusammenfassung

Peter AmthorWintersemester 2019/20

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■ Funktionale und nichtfunktionale Eigenschaften(Kapitel 1)

§ Funktionale Eigenschaften: beschreiben, was ein (Software)-Produkt tun soll

§ Nichtfunktionale Eigenschaften: beschreiben, wie funktionale Eigenschaften realisiert werden, also welche sonstigen Eigenschaften das Produkt haben soll

• … unterteilbar in:1. Laufzeiteigenschaften (zur Laufzeit sichtbar)2. Evolutionseigenschaften (beim Betrieb sichtbar:

Erweiterung, Wartung, Test usw.) Nicht-funktionale

Eigen-schaften

FunktionaleEigenschaften

Ausgangspunkt: Nichtfunktionale Eigenschaften …

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Roadmap:

… von Betriebssystemen

Sparsamkeit und Effizienz

Robustheit und Verfügbarkeit

Sicherheit

Echtzeitfähigkeit

Adaptivität

Performanz und Parallelität

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§ Sparsamkeit: Die Eigenschaft eines Systems, seine Funktion mit minimalem Ressourcenverbrauch auszuüben.

§ Effizienz: Der Grad, zu welchem ein System oder eine seiner Komponenten seine Funktion mit minimalem Ressourcenverbrauch ausübt. à Ausnutzungsgrad begrenzter Ressourcen

Die jeweils betrachtete(n) Ressource(n) muss/(müssen) dabei spezifiziertsein!

■ sinnvolle Möglichkeiten bei Betriebssystemen:

1. Sparsamer Umgang mit Energie, z.B. energieeffizientes Scheduling2. Sparsamer Umgang mit Speicherplatz (Speichereffizienz)3. Sparsamer Umgang mit Prozessorzeit4. ...

Kapitel 2: Sparsamkeit und Effizienz

NFE

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■ Energieeffizienz: (Abschnitt 2.2)Sparsamkeit mit Energie als heute extrem wichtigen Ressource, mit nochmals gesteigerter Bedeutung bei mobilen bzw. vollständig autonomen Geräten

■ Maßnahmen:

1. Hardware-EbeneØ momentan nicht oder nicht mit maximaler Leistung benötigte

Ressourcen in energiesparenden Modus bringen: abschalten, Standby, Betrieb mit verringertem Energieverbrauch (abwägen gegen verminderte Leistung).(Geeignete Hardware wurde/wird ggf. erst entwickelt)

2. Software-Ebene...

Sparsamkeit mit Energie

NFE

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■ Maßnahmen:

2. Software-Ebeneneue Komponenten entwickeln, die in der Lage sein müssen:• Bedingungen zu erkennen, unter denen ein energiesparender

Modus möglich ist;• Steuerungs-Algorithmen für Hardwarebetrieb so zu

gestalten, dass Hardware-Ressourcen möglichst lange ineinem energiesparenden Modus betrieben werden.

• Energie-Verwaltungsstrategien: energieeffizientes Scheduling zur Vermeidung von Unfairness und Prioritätsumkehr

Beispiele: energieeffizientes Magnetfestplatten-Prefetching, energiebewusstes RR-Scheduling

Sparsamkeit mit Energie

NFE

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■ Betrachtet: (Abschnitt 2.3)Sparsamkeit mit Speicherplatz mit besonderer Wichtigkeit für physisch beschränkte, eingebettete und autonome Geräte

■ Maßnahmen Hauptspeicherauslastung:

1. Algorithmus und Strategie z.B.:Ø Speicherplatz sparende Algorithmen zur Realisierung gleicher

Strategien

2. Speicherverwaltung von Betriebssystemen:Ø physische vs. virtuelle SpeicherverwaltungØ speichereffiziente RessourcenverwaltungØ Speicherbedarf des KernelsØ direkte Speicherverwaltungskosten

Sparsamkeit mit Speicherplatz

NFE

Task1

Task2

Task3

Task4

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■ Nicht betrachtet: Sparsamkeit mit Prozessorzeità 99 % Überschneidung mit NFE Performanz

Sparsamkeit mit Speicherplatz

NFE

■ Maßnahmen Hintergrundspeicherauslastung:

1. Speicherbedarf des Betriebssystem-Images2. dynamische Shared Libraries3. VMM-Auslagerungsbereich4. Modularität und Adaptivität des Betriebssystem-Images

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■ Robustheit: Zuverlässigkeit unter Anwesenheit externer Ausfälle

Kapitel 3: Robustheit und Verfügbarkeit

NFE

fault error failure

Aktivierung(activation)

Ausbreitung(propagation)

Fehler fehlerhafter Zustand Ausfall

✗ ✗

sekundäre Ausfälle

à Robustheit: Isolationsmechanismen

Kernel

IPC FS Treiber✗✗✗

IPCIPC...

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■ Erhöhung der Robustheit durch Isolation:◆ Maßnahmen zur Verhinderung der Fehlerausbreitung:

1. Adressraumisolation: Mikrokernarchitekturen (Kapitel 3),

2. kryptografische HW-Unterstützung: Intel SGX (Kapitel 4) und3. Virtualisierungsarchitekturen (Kapitel 6)

■ Erhöhung der Robustheit durchBehandlung von Ausfällen: Micro-Reboots

Robustheit

NFEµKernel

¬alive;reboot

µKernel

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■ Korrektheit: Eigenschaft eines Systems sich gemäß seiner Spezifikation zu verhalten (unter der Annahme, dass bei dieser keine Fehler gemacht wurden).

■ Maßnahmen (nur angesprochen):1. diverse Software-Tests:

§ können nur Fehler aufspüren, aber keine Fehlerfreiheit garantieren!

2. Verifizierung:§ Durch umfangreichen mathematischen Apparat wird Korrektheit der

Software bewiesen.§ Aufgrund der Komplexität ist Größe verifizierbarer Systeme (bisher?)

begrenzt. § Betriebssystem-Beispiel: verifizierter Mikrokern seL4

Vorbedingung für Robustheit: Korrektheit

NFE

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■ Verfügbarkeit: Der Anteil an Laufzeit eines Systems, in dem dieses seine spezifizierte Leistung erbringt.

■ angesprochen: Hochverfügbare Systeme

■ Maßnahmen zur Erhöhung der Verfügbarkeit:

1. Robustheitsmaßnahmen2. Redundanz3. Redundanz4. Redundanz5. Ausfallmanagement

Verfügbarkeit

NFE

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■ Sicherheit (IT-Security): Schutz eines Systems gegen Schäden durch zielgerichtete Angriffe, insbesondere in Bezug auf die Informationen, die es speichert, verarbeitet und kommuniziert.

Ø Sicherheitsziele:1. Vertraulichkeit (Confidentiality)2. Integrität (Integrity)3. Verfügbarkeit (Availability)4. Authentizität (Authenticity)5. Verbindlichkeit (Non-repudiability)

Kapitel 4: Sicherheit

NFE

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Security Engineering

NFE

■ Sicherheitspolitik: Regeln zum Erreicheneines Sicherheitsziels.◆ hierzu formale Sicherheitsmodelle:

• IBAC, TE, MLS (, RBAC, ABAC, NI, …)• DAC, MAC

■ Sicherheitsmechanismen: Implementierungder Durchsetzung einer Sicherheitspolitik.◆ Zugriffssteuerungslisten (ACLs)

◆ SELinux

Sicherheitsziele

Sicherheitspolitik

Sicherheitsarchitektur

Sicherheitsmechanismen

-rw- rw- r-- 1 amthor vsbs 397032 2017-11-19 12:12 paper.pdf

socketsfile systemsprocessmanagement

Systemweites Ressourcenmanagement

Prozessor-ressourcen

Speicher-ressourcen

Kommunikations-ressourcen

Application Programmer‘s Interface (API)

. . . Sec. Server

PolitikPM FS Sockets

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Security Engineering

NFE

■ Sicherheitsarchitektur: Platzierung, Struktur und Interaktion von Sicherheitsmechanismen.◆ wesentlich: Referenzmonitorprinzipien (4.7.1)

- RM1: Unumgehbarkeità vollständiges Finden aller Schnittstellen

- RM2: Manipulationssicherheit à Sicherheit einer Sicherheitspolitik selbst

- RM3: Verifizierbarkeit à wohlstrukturierte und per Design kleine TCBs

Sicherheitsziele

Sicherheitspolitik

Sicherheitsarchitektur

Sicherheitsmechanismen

Subjekt Objekt

Autorisierungs-mechanismus

Sicherheitspolitik

Zugriffsversuch

Entscheidung

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■ Echtzeitfähigkeit: Fähigkeit eines Systems auf eine Eingabe innerhalb eines spezifizierten Zeitintervalls eine korrekte Reaktion hervorzubringen.

■ Maximum dieses relativen Zeitintervalls: Frist d

Kapitel 5: Echtzeitfähigkeit

NFE

t

Input Output

Zeitintervall Δt

d

maximales Zeitintervall Δtmax

System verhält sich korrekt System verhält sich fehlerhaft

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1. echtzeitfähige Scheduling-Algorithmen für Prozessoren (5.4.1)Ø zentral: garantierte Einhaltung von FristenØ wichtige Probleme: Prioritätsumkehr (5.4.2), Überlast (5.4.3), kausale

Abhängigkeit (5.4.6)

2. echtzeitfähige Interrupt-Behandlung (5.4.4)Ø zweiteilig: asynchron registrieren, geplant bearbeiten

3. echtzeitfähige Speicherverwaltung (5.4.5)Ø Primärspeicherverwaltung, VMM (Pinning)Ø Sekundärspeicherverwaltung, Festplattenscheduling

Integration von Echtzeitfähigkeit

NFE

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■ Adaptivität: Eigenschaft eines Systems, so gebaut zu sein, dass es ein gegebenes (breites) Spektrum nichtfunktionaler Eigenschaften unterstützt.

■ Beobachtung: Adaptivität i.d.R. als komplementär und synergetisch zu anderen NFE:

◆ Sparsamkeit

◆ Robustheit

◆ Sicherheit

◆ Echzeitfähigkeit

◆ Performanz

◆ Wartbarkeit und Portierbarkeit

Kapitel 6: Adaptivität

NFE

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■ Zielstellungen:

◆ Exokernel: (6.2){ Adaptivität } ∪ { Performanz, Echtzeitfähigkeit, Wartbarkeit, Sparsamkeit }

◆ Virtualisierung: (6.3){ Adaptivität } ∪ { Wartbarkeit, Sicherheit, Robustheit }

◆ Container: (6.4){ Adaptivität } ∪ { Wartbarkeit, Portabilität, Sparsamkeit }

Adaptive Systemarchitekturen

NFE

User-Space-Ressourcen

App

Exokernel

LibraryOS

HW

HV

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■ Performanz (wie hier besprochen): Eigenschaft eines Systems, die für korrekte Funktion (= Berechnung) benötigte Zeit zu minimieren.

■ hier betrachtet: Kurze Antwort- und Reaktionszeiten

1. vor allen Dingen:Parallelisierung auf Betriebssystemebene zur weiteren Steigerung der Performanz/Ausnutzung von Multicore-Prozessoren (da Steigerung der Prozessortaktfrequenz kaum noch möglich)

2. weiterhin:Parallelisierung auf Anwendungsebene zur Verringerung der Antwortzeiten von Anwendungen und Grenzen der Parallelisierbarkeit (für Anwendungen auf einem Multicore-Betriebssystem).

Kapitel 7: Performanz und Parallelität

NFE

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NFE

Mechanismen, Architekturen, Grenzen der Parallelisierung

■ Hardware:◆ Multicore-Prozessoren◆ Superskalarität

■ Betriebssystem:◆ Multithreading (KLTs) und Scheduling◆ Synchronisation und Kommunikation◆ Lastangleichung

■ Anwendung(sprogrammierer):◆ Parallelisierbarkeit eines Problems◆ optimaler Prozessoreneinsatz,

Effizienz

IF ID OF EX WB

IF ID OF EX WB

IF ID OF EX WB

IF ID OF EX WB

IF ID OF EX WB

IF ID OF EX WB

W R

f e d c b a

write(f) read(a)

5 10 15 20

1.0

Effizienz E

Bearbeitungszeit T Speed-up S

S(n)

E(n)

T(n)

n

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■ Normalerweise:◆ Eine nichtfunktionale Eigenschaft bei IT-Systemen meist nicht

ausreichend• Beispiel: Was nützt ein Echtzeit-Betriebssystem – z.B. innerhalb

einer Flugzeugsteuerung – wenn es nicht auch verlässlich (robust) arbeitet?

■ interessante Frage: ◆ Welche nichtfunktionalen Eigenschaften mit Maßnahmen erreichbar, die

• in gleiche Richtung zielen, à synergetische NFE• gegenläufig wirken? à konträre NFE

Ø Zusammenhang nicht immer eindeutig u. offensichtlich, wie z.B. bei: „Sicherheit kostet (Lauf-) Zeit.“ (d.h. Performanz und Sicherheit sind konträre Eigenschaften)

Synergetische und konträre Eigenschaften

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■ Potenzielle Ø Anwendungen (damit auch Betriebssysteme) für bestimmte Einsatzgebiete

brauchen oft mehrere nichtfunktionale Eigenschaften gleichzeitig –unabhängig davon, ob sich diese synergetisch oder nichtsynergetisch zueinander verhalten.

■ Beispiele: § Echtzeit und Verlässlichkeit:

SRÜ-Systeme in potentiell menschengefährdenden Einsatzgebieten (Atomkraftwerk, Flugzeugsteuerung, Hinderniserkennung an Fahrzeugen, ...)

§ Echtzeit und Sparsamkeit:Physikalische ressourcenbeschränkte, oft eingebettete, mobile Systeme (à smart phone, smart watch, smart home, smart metering, smart * …)

§ Robustheit und Sparsamkeit:unter unfreundlichen Umweltbedingungen eingesetzte [autonome] Systeme, (à Weltraumerkundung, Sensornetzwerke, …)

Notwendige NFE-Paarungen

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Anschaulich: NFE und Architekturkonzepte

Makrokernel Mikrokernel Exokernel Virtualisierung Multikernel

Energieeffizienz (✓) ✗ ✗

Speichereffizienz ✗ (✓) (✓) ✗

Robustheit ✗ ✓ ✗ ✓

Verfügbarkeit ✗ (✓) (✓) (✓)

Korrektheit ✗ ✓ ✗ ✗ (✓)

Sicherheit ✗ ✓ ✗ ✓

Echtzeitfähigkeit (✓) (✓) ✓ ✗ ✗

Adaptivität ✗ (✓) ✓ ✓ (✓)

Wartbarkeit ✓ ✓ ✓

Performanz (✓) ✗ ✓ ✗ ✓

✓ ... Zieleigenschaft(✓) ... synergetische Eigenschaft✗ ... konträre Eigenschaft

Leere Zellen: keine pauschale Aussage möglich.

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■ Fazit:

Breites und offenes Forschungsfeldà werden Sie aktiv!

ENDE Kap. 8

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■ Basiswissen: Allgemeines zu NFEn, NFE-Ziele (Anwendungsbsp.), Probleme und derenLösungskonzepte (Strategien, Mechanismen, Architekturen)!◆ zu jeder NFE: Konzepte und Strategien der Mechanismen (Idee),

relevante System-Architekturen (Idee, Vor- und Nachteile)◆ z.B.: Warum Sicherheit? Wo? Welche BS-Probleme sind

zur Herstellung von Sicherheitseigenschaften zu lösen? Durchwelche Konzepte (z.B. Autorisierungsmechanismen, Referenzmonitor-Arch.) ist dies möglich?

■ Basiswissen plus (= für gute Noten):◆ Mechanismen: prinzipieller Ablauf von Algorithmen, praktische

Eigenheiten/Implementierungsprobleme◆ Beispiel-BSe (Idee, ggf. deren Aufbau)◆ Vergleichende Bewertung synergetischer und konträrer NFE anhand ihrer

jeweils relevanten Mechanismen und Architekturen (Stoffquerschnitt)

■ Tipp: Übungsstoff zu 90% aus diesen beiden Schwerpunktklassen

Prüfungsschwerpunkte

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■ Spezialwissen (= für supergute Noten):◆ Sparsamkeit: Implementierung energiebewusstes RR◆ Robustheit: Details zu L4-Abstraktionen◆ Sicherheit: TCBs, ACL-Implementierung, Rechteausbreitung in

Zugriffsmatrizen, Konsistenz mit Informationsflussrelation, SELinux: grundlegende Politikregeln

◆ Echtzeit: RC Algorithmus über die „Idee“ hinausgehend, Strategien zur Sekundärspeicherverwaltung, Planbarkeitsanalyse mit Ulub (ÜB3/A3 b-d)

◆ Adaptivität: Details zur ExOS, XoK◆ Performanz: BKLs in µKernels (ÜB4/A3 d), Formeln zur Parallelisierbarkeit

Prüfungsschwerpunkte

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■ Zusatzwissen (= für‘s Leben, nicht für die Prüfung):◆ Sparsamkeit: Hardware-Maßnahmen (F. 2-18 … 2-20), Details zu DPM und

DVS◆ Robustheit: Verfügbarkeitsklassen in Zahlen◆ Sicherheit: Syntax zur Definition der SELinux-Politik◆ Echtzeit: Beweis: Obere Auslastungsgrenze bei EDF ◆ Adaptivität: Assembler-Beispiel zur sensiblen Instruktionen◆ Performanz: Berechnung des Optimums der Beschleunigungseffizienz,

Plan 9

Prüfungsschwerpunkte

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Credits: xkcd

FINIS


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