Mini-OS的应用介绍

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IntroductionToMiniosApplications  
3 C6 x1 }, o, F* E& X- L2 |
Mini-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。

Mini-OS 启动简介
arch_init()
; v% U0 r" O! ^: m6 htrap_init()
0 R$ I7 t% t: R: u0 finit_mm()
Xen Library OS
; u$ |6 [! c8 j$ @Xen Library OS的设计与实现
开发工具链
Library OS
9 B- `; l0 _. {4 Z2 w域间通信IDC
) d' V+ l9 D! |4 }( @. n6 ?Xen Library OS的应用
轻量级Xen Domain
轻量级Xen Domain的设计与实现
' T8 y4 e% [4 w0 v, Y; C) m轻量级Xen Domain的应用—HVM stub domain
Ethos - An Operating system for the Xen hypervisor
参考文献
" y; w' e7 Z( f, r
  ^5 P; R$ Y; x7 X! U/ H
" C3 v0 u/ x3 A7 R+ tMini-OS 启动简介¶
Mini-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。
) T# Z9 N! `; l0 h
start_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。

9 j7 Q" [3 z7 v6 U8 \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)
# V1 p' q+ C: d- c- n$ ~3 r7 p9 k7 e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
) f, I( q8 \9 c, h3 O, C7 W注册回调句柄(callback handlers)
4 A, \( r+ Z/ l) w8 f2 h! c0 _. J// 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()¶
0 h5 s3 d( y5 h, q9 P注册陷阱表(trap handler table)，通常定义于Mini-OS的arch/x86/x86_32.h中。

, Y" h3 T+ o* y/ Jvoid trap_init(void)  {      HYPERVISOR_set_trap_table(trap_table);  }
init_mm()¶
+ R6 A' z, p# j! f& F6 z该例程初始化Mini-OS的内存管理功能。
/ w: U/ \8 ~$ o( v  h7 O
5 g& w$ E5 F. S- r2 X0 e3 Karch_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()
: R' C) y4 n, 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。
arch_init_demand_mapping_area()
1 {+ A3 g2 e' R, Q# e, {  }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¶
Xen Library OS的设计与实现¶
% ]5 ~/ O' h% o1 S6 x, XXen Library OS 是一个类虚拟化的操作系统，它由四部分组成：

一个基于GNU工具链的cross-development环境
& t; X, i' D! H8 Q6 fRed Hat的newlib C库
* M$ {1 I1 W; U+ }1 ~" Q# W$ MMini-OS内核
域间通信机制IDC，基于Xen共享内存和时间通道实现

8 r2 }% J5 r: [9 h: A! |开发工具链¶
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。
- F8 H2 ^! I8 W
Library 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。
4 a4 Q  e# h+ w& u: q
域间通信IDC¶

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。

; o" \) {3 w5 `* Y! r! {- w1 @7 F% eInit: 初始化一个通道
Close: 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
Connect: 允许用户在通道中读数据
4 ~6 X& n! B& o3 OWrite: 向通道中写
Read: 在通道中读
3 ]: E. |1 n2 R9 C! n8 V. C, F
7 f1 V" O% j3 ^
) t4 P4 @7 R+ w% P$ [Xen Library OS的应用¶

9 w! q0 C6 [% p. s5 _3 G3 C3 sXen 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。


5 n+ ^1 P+ e" [9 ]/ |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。
* o2 j( h$ M7 ~* h. Z( ]% X* X  ?
! X: H' {4 M6 `$ s' e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。
- h/ b6 P3 S: M, f& G
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。
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/ @, f0 l" G; Q" {/ q轻量级Xen Domain¶
轻量级Xen Domain的设计与实现¶
) [( H5 Z- ]' b3 ]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。


8 ]( r1 \9 W9 W6 j9 i) Y$ _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。

! X0 ]" I) ]& _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：

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
, Z4 F& q2 n% b. ]% i$ `适当修改的函数：
. f# I2 o7 S) U* X; U. eSleep和gettimeofday必须小心的设计，使其符合虚拟化应用
Mmap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。
7 W: p) a9 \6 O. |& F6 E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。

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。
& z& p! F# ?6 E
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。

+ b  _* i" m4 J( ~" a轻量级Xen Domain的应用—HVM stub domain¶
. g; k2 [* X- {6 h
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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- P3 v, I$ R) dEthos - An Operating system for the Xen hypervisor¶
6 @+ h3 B) C/ {) MEthos 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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7 Z5 x% D; v8 `- P0 @( e/ G' s
5 E$ k5 ^. D8 k" c: V  r* lXen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。
( Z* J$ a. e; A# z) K! l! C
参考文献¶
1.Satya Popuri, A tour of the Mini-OS kernel, http://www.cs.uic.edu/~spopuri/minios.html
) b/ P4 K* m5 z- ]
( B- P# y/ P7 q) h% F2.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.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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