Mini-OS的应用介绍

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IntroductionToMiniosApplications  
6 d  [; u) E1 D' u0 ?- V$ v8 F
. y( U# H  E( V" v+ ZMini-OS现有应用介绍
Mini-OS是跟随Xen hypervisor发布的一款小内核操作系统，目前有一些基于Mini-OS的应用：HP实验室在2007年发布了基于Mini-OS的Xen Library OS；2008年剑桥大学进一步完善了HP的工作，完成了HVM stubdom并置于Xen源码树中；伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)正致力于开发一款基于Mini-OS的小内核系统—Ethos。
/ r0 k2 T, ?0 ~; B$ o& d
1 j7 q( e) _6 JMini-OS 启动简介
arch_init()
! Z- B2 U; S0 R7 Etrap_init()
init_mm()
/ D! `! ]% D; M1 GXen Library OS
& z6 ^  R0 E- `- UXen Library OS的设计与实现
" d4 k$ ^# l$ t开发工具链
Library OS
, g+ W4 H9 |  J# A' n( T域间通信IDC
0 d; ]$ I$ ]6 B, J' q- B& {, uXen Library OS的应用
  Q$ _! Q+ S, I, j/ G& L8 @轻量级Xen Domain
轻量级Xen Domain的设计与实现
轻量级Xen Domain的应用—HVM stub domain
Ethos - An Operating system for the Xen hypervisor
参考文献

. i3 k& K1 O6 S; W3 }; L1 P7 B
" @2 n/ a4 q. vMini-OS 启动简介¶
. l- R- q+ U3 j4 g2 T7 Q- kMini-OS在start 处启动，加载SS和ESP指向的地址。KERNEL_SS由Xen的GDT提供，ESP指向的地址取自于stack_start 。ESI寄存器指向Mini-OS的start_info_t 结构体。ESI做为参数传入到启动函数start_kerel()中。
$ r! J* C3 O' ]0 g+ w% K6 B
  L5 a3 h! b7 S$ R: c7 Estart_kerel() 是启动Mini-OS的例程。它调用了一些初始化函数，然后建立了三个内核线程。由于Mini-OS是不可抢占的并只能运行单线程的操作系统，所以这三个内核线程依次被创建。

arch_init()¶
将start_info数据结构拷贝到内核映像的一片全局区中(start_info_union.start_info)
9 m' S( b4 t  q. O0 w3 G* H# ^5 M将全局变量phys_to_machine_mapping(mm.c)指向现有的P2M表(start_info.mfn_list)
使用hypercall：HYPERVISOR_update_va_mapping把shared_info页映射到0x2000
注册回调句柄(callback handlers)
+ ?$ `: {' `2 G. L* ]+ C5 Z// 通过set_callbacks()，注册各种event和failsafe的处理函数  set_callbacks(unsigned longevent_selector, unsigned long event_address, unsigned long failsafe_selector, unsigned longfailsafe_address)
trap_init()¶
5 a7 c7 Y2 V1 y4 F3 z4 x4 _注册陷阱表(trap handler table)，通常定义于Mini-OS的arch/x86/x86_32.h中。
: @. j( M& Q7 a- E- M
void trap_init(void)  {      HYPERVISOR_set_trap_table(trap_table);  }
init_mm()¶
5 j% Y" y( I8 ?该例程初始化Mini-OS的内存管理功能。

arch_init_mm()
首先计算Mini-OS可以使用的页帧数。在Mini-OS中，text段起始于0x00，虚拟地址和客户物理地址是一致的。然后调用build_pagetables(start_pfg,max_pfn)，建立页表。每增加一个页表项，调用HYPERVISOR_mmu_update()同步到hypervisor中。
arch_init_p2m()
, z9 R5 e  Z: |1 X! R% Q初始化HYPERVISOR_shared_info->arch.pfg_to_mfn_frame_list结构体，它记录了客户机页帧到物理机页帧的映射。
" h. j& a) O. \' N" W( J1 {arch_init_demand_mapping_area()
创建一个额外的PTE，可以用来按需地映射大于max_pfn页地址。
Xen Library OS¶
2 v" L# M0 t. m. U7 vXen Library OS的设计与实现¶
+ c, B$ d9 H  FXen Library OS 是一个类虚拟化的操作系统，它由四部分组成：
  J% v4 w6 m/ ], [+ r/ O- P0 a
3 n5 m4 `& N. w7 A一个基于GNU工具链的cross-development环境
Red Hat的newlib C库
Mini-OS内核
$ \9 @# h( Q8 f& M域间通信机制IDC，基于Xen共享内存和时间通道实现

$ F/ i' A. K! I+ h$ R! @* J6 Q开发工具链¶
$ |. S: G+ d8 l6 e4 G! X! C, b加入一个基于GNU工具链的cross-development环境，目的是获得最大的代码兼容性。Linux上的进程可以兼容的运行在Library OS上。通过修改GNU编译器和二进制工具来支持新的目标体系结构。Library OS的编译器称作i386-minios-gcc，它的头文件、库和加载器都被重写。
( Q/ s$ s* Q% f; |
! O0 l2 D: l5 ]) tLibrary OS¶
Library OS使用Red Hat的newlib C库支持C程序。但需要修改newlib库以适应Library OS，比如一些函数fork、exec等都不能在新的目标体系结构中使用。 Library OS选择Mini-OS为其kernel，主要原因是Mini-OS有完善的支持Xen类虚拟化接口，Xen社区对其提供维护。 由于程序、库、内核都运行在一个地址空间中，所以Library OS适合运行小的可信服务，而不是一般的用户程序。
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0 _. r( c% D* d  m  s# [8 ]$ ?+ T域间通信IDC¶
. H* W; v9 q" U0 k* a2 D
IDC是由Xen的事件通道实现的，包含读写两个IO环。IDC做为一个内核模块，向上层应用暴露6个接口。
  c  M2 @: |" K0 `; m$ b
Init: 初始化一个通道
# r9 H( C- Z6 c1 M; x: L5 Z+ @! n+ wClose: 关闭一个通道
Create: 允许用户向通道写数据，用户要有目标域的ID
# G5 O; j) w/ `3 uConnect: 允许用户在通道中读数据
Write: 向通道中写
9 d% C% T9 @6 H. }6 x0 k" U) [# hRead: 在通道中读
+ C6 ^* T3 V) l. Y) F5 j/ ~# d" S( I4 o
! C& Q3 g7 Q$ P9 X# w5 {
Xen Library OS的应用¶

Xen 3.0的vTPM驱动体系结构如图所示。所有的vTPM操作都有Domain0完成。
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如图所示，vTPM的守护进程置于Domain0中，而vTPM的实际模拟器放入Library OS中，它们之间通过IDC联系。并且使用修改过的GNU工具链编译安装vTPM emulator。DomainU通过vTPM前段驱动将请求发往Domaoin0的后端驱动，vTPM的守护进程转发请求到Domain0的IDC，实际由Library OS处理请求。

修改Domain0的vTPM守护进程大概花费了200行代码，而修改vTPM emulator更少于500行代码。
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% @# n3 O3 _8 X8 `, [该结构的缺点是显而易见的，由于每个DomU都配属相应的Trust Dom，使得一些操作变得非常繁琐，比如虚拟域热迁移等。
: `3 Z+ C( T, N4 R: s* @( f
轻量级Xen Domain¶
. V( z/ x, \* }( X: F轻量级Xen Domain的设计与实现¶
该轻量级Xen Domain 保留了Library OS的所有特性，包括cross-development环境、newlib库和IDC机制，并优化部分环境，更适合HPC(High PeRFormance Computing)应用。
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如图所示，轻量级Xen Domain的设计思想是将Mini-OS内核、C库、IP堆栈、执行环境和单个应用程序有机的整合在一起。在技术方面看，需要安装一个plain ELF cross-compilation chain，即以plain ELF为目标建立可交叉编译的binutils和gcc。然后用交叉编译工具编译和安装各种C库，它们和Mini-OS有同样的内核C flag。
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LwIP提供了一个轻量级的TCP/IP协议栈，它与Mini-OS中的Network frontend相连接。Newlib提供了一个标准C库，它比庞大的GNU libc更适用于轻量级环境。但需要修改部分newlib的系统调用：
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Mini-OS没有传统UNIX进程概念，getpid及其相似函数只输出某特定值，比如1
Mini-OS没有使用信号，可以忽略各种sig函数
适当修改的函数：
Sleep和gettimeofday必须小心的设计，使其符合虚拟化应用
5 @6 p8 C7 u5 o: YMmap只负责处理匿名内存(anonymous memory)，而不用实现映射普通文件和为无关联的进程提供共享空间的功能。
  M. s5 M- t( D( u: @该系统还实现了一个瘦虚拟文件层(thin virtual file layer)，它对控制台、文件、块设备、网络设备以及TCP/IP协议函数提供统一的支持。实现思想是依靠文件描述符识别目标文件的类型，然后将操作重定向到Mini-OS的各个前端驱动或者内核模块的底层函数上。
5 i8 [9 {* {6 Z( G1 w
1 s. H5 w) Z- t/ ~: W, e% n; S轻量级Xen Domain的进程调度完全依靠Mini-OS实现。Mini-OS提供非抢占式的多线程，并且目前只支持单虚拟CPU。这些线程由一个运行队列维护，它们之间没有优先权的差异。Mini-OS的内核也不需要支持任何自旋锁机制。 在内存管理方面借鉴了HPC(High Performance Computer)常用的sparse data机制，提供内存读写效率。
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1 N% P5 d9 `- \1 r为提高读写磁盘的效率，应用了类似“零拷贝”的技术，IO操作不再由缓冲区缓冲。这意味着应用程序可以直接控制各种磁盘操作，不经过Mini-OS缓冲。
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轻量级Xen Domain的应用—HVM stub domain¶
% ]- L# g( v  E
剑桥团队应用该轻量级Xen Domain将 qemu移到一个单独的驱动域中。由于Mini-OS调度非常简单并且只运行qemu一个程序，大大简化了hypervisor的调度和审计工作。在stubdom 中，qemu可以直接调用系统服务，不需要经过用户、内核两态的转换，提高了效率。
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' _; s$ F9 e1 L/ g  [- {: c$ ^Ethos - An Operating system for the Xen hypervisor¶
. G% g& U/ R$ P# z' O. EEthos 是UIC(University of Illinois at Chicago)正在开发的一款基于Xen和Mini-OS的轻量级操作系统。它开发的初衷是为了避免开发驱动程序、文件系统和网络设备。Ethos做为一个内核，只向外提供进程和系统调用接口。该项目的负责人Prof. Solworth称其为"Paired-OS"。
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' @0 J1 Q- c& ]+ q" J  }7 qXen上同时运行Ethos和标准linux。Ethos将文件系统、网络和设备驱动托管给linux，剩余部分由Ethos实现。
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目前该项工作正在进展之中。
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& Y; q2 f$ U' T& M& {参考文献¶
1.Satya Popuri, A tour of the Mini-OS kernel, http://www.cs.uic.edu/~spopuri/minios.html
! B, i1 }8 b3 R
/ e! p1 {' s3 C: Y' H% P( A2.M.J. Anderson, M. Moffie, and C.I. Dalton. Towards Trustworthy Virtualisation Environments: Xen Library OS Security Service Infrastructure. Technical Report HPL-2007-69, Hewlett-Packard Development Company, L.P., April 2007.
3 D# s5 Q' j: u( L9 U& V$ Z
3.Samuel Thibault and Tim Deegan. Improving performance by embedding hpc applications in lightweight xen domains. In HPCVirt '08: Proceedings of the 2nd workshop on Systemlevel virtualization for high performance computing, pages 9--15, New York, NY, USA, 2008. ACM.

4.Satya Popuri, Ethos - An Operating system for the Xen hypervisor, http://www.cs.uic.edu/~spopuri/ethos.html

5.Jon A. Solworth, Ethos: an operating system which creates a culture of security,http://www.rites.uic.edu/~solworth/ethos.html

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Mini-OS的应用介绍