एक्सो-कोर: एप्लीकेशन-लेवल रिसोर्स मैनेजमेंट ऑपरेटिंग सिस्टम आर्किटेक्चर

हाय, हायबरेज़!
आज मैं आपको MIT कंप्यूटर साइंस लेबोरेटरी (Dsonson R. Engler, M. Frans Kaashhek, James O'Toole Jr.), MIT Computer of Computer Science की प्रयोगशाला से Dawson Engler, Frans Kaashoeok and James O'Tull Jr. के लेख के एक भाग के अनुवाद से प्रसन्न करना चाहता हूँ। ) एक्सोन्यूक्लियर ऑपरेटिंग सिस्टम के बारे में। लेख स्वयं काफी बड़ा है, इसलिए मैं इसे भागों में अनुवाद करूंगा, जब तक कि निश्चित रूप से, यह आपके लिए दिलचस्प नहीं होगा।

अमूर्त

परंपरागत ऑपरेटिंग सिस्टम निश्चित इंटरफेस का उपयोग करके और इंटरप्रोसेस संचार और वर्चुअल मेमोरी जैसे ऑपरेटिंग सिस्टम सार प्रदान करके अनुप्रयोग प्रदर्शन, लचीलापन और कार्यक्षमता को सीमित करते हैं। एक्सोडर ऑपरेटिंग सिस्टम का आर्किटेक्चर हार्डवेयर संसाधनों के प्रबंधन को एप्लिकेशन स्तर पर ले जाकर इन समस्याओं को हल करता है। इस आर्किटेक्चर का उपयोग करते हुए, ओएस का छोटा कर्नेल सभी हार्डवेयर संसाधनों को सुरक्षित रूप से निम्न-स्तरीय इंटरफेस के माध्यम से ऑपरेटिंग सिस्टम के एक अविश्वसनीय पुस्तकालय में स्थानांतरित करता है। ऑपरेटिंग सिस्टम लाइब्रेरी यह लाइब्रेरी सिस्टम ऑब्जेक्ट्स और नीतियों को लागू करती है। उन्हें प्रबंधित करने से हार्डवेयर संसाधनों की सुरक्षा को अलग करना आपको ऑपरेटिंग सिस्टम के एप्लिकेशन-विशिष्ट अमूर्तनों को लागू करने, विस्तार करने, विशेषज्ञता या यहां तक ​​कि सिस्टम पुस्तकालयों को बदलने की अनुमति देता है।
हमने एक एक्सोन्यूक्लियर ऑपरेटिंग सिस्टम का प्रोटोटाइप बनाया। अध्ययनों से पता चलता है कि सबसे सरल संचालन, जैसे अपवादों को पकड़ना या नियंत्रण से गुजरना, अल्ट्रिक्स की तुलना में 10 से 100 गुना तेज है, UNIX का पूरी तरह से अखंड संस्करण। इसके अलावा, हमने दिखाया है कि एक्सो कोर अनुप्रयोगों को मशीन संसाधनों को प्रबंधित करने की अनुमति देता है जो पारंपरिक ऑपरेटिंग सिस्टम में बस अस्वीकार्य है। उदाहरण के लिए, वर्चुअल मेमोरी और इंटरप्रोसेस संचार को एप्लिकेशन-स्तरीय पुस्तकालयों का उपयोग करके लागू किया गया था। अध्ययनों से पता चलता है कि अल्ट्रिक्स ओएस के कर्नेल स्तर पर वर्चुअल मेमोरी और प्राइमप्रोसेस इंटरैक्शन के उपयोगकर्ता स्तर पर 5 से 40 गुना तेजी से इसी तरह के प्राइमेटिव्स से काम करते हैं। साहित्य में प्रस्तुत आंकड़ों की तुलना में, पारंपरिक ऑपरेटिंग सिस्टम की तुलना में कम से कम 5 गुना तेजी से एक एक्सोन्यूक्लियर सिस्टम का प्रोटोटाइप अपवादों और इंटरप्रोसेस संचार को पकड़ने जैसी समस्याओं को हल करता है।

1. परिचय

ऑपरेटिंग सिस्टम अनुप्रयोगों और हार्डवेयर संसाधनों के बीच इंटरफ़ेस को परिभाषित करता है। दुर्भाग्य से, अच्छी तरह से परिभाषित इंटरफेस प्रदर्शन को कम कर सकते हैं, साथ ही साथ विकासशील अनुप्रयोगों की सुविधा भी। परंपरागत रूप से, ऑपरेटिंग सिस्टम ऐसे उच्च-स्तरीय अमूर्तताओं के पीछे मशीन संसाधनों के बारे में जानकारी छिपाता है जैसे कि प्रक्रियाएं, फाइलें, पता स्थान और इंटरप्रोसेस संचार। इस तरह के अमूर्त, वास्तव में, आभासी मशीन को परिभाषित करते हैं जिसके भीतर अनुप्रयोग चलता है - उन्हें अविश्वसनीय अनुप्रयोगों द्वारा प्रतिस्थापित या संशोधित नहीं किया जा सकता है। ऐसे सार की कठोर परिभाषा तीन मुख्य कारणों से असंतोषजनक है: यह डोमेन-विशिष्ट अनुकूलन के लाभों के आवेदन से वंचित करता है, यह सार के मौजूदा कार्यान्वयन में बदलाव की अनुमति नहीं देता है, और यह विकासशील अनुप्रयोगों में लचीलेपन को कम करता है, क्योंकि नए सार हो सकते हैं केवल मौजूदा वाले (यदि संभव हो तो) का उपयोग करके लागू किया गया।
हमारा मानना ​​है कि इन समस्याओं को संसाधन प्रबंधन को अनुप्रयोग स्तर पर स्थानांतरित करके हल किया जा सकता है, अर्थात। इसे अविश्वसनीय बनायें। इसे साबित करने के लिए, हमने एक नया कर्नेल आर्किटेक्चर विकसित किया, एक एक्स कोर, जिसमें वर्चुअल मेमोरी (वीएम), इंटरप्रोसेस कम्यूनिकेशन (आईपीसी) जैसे ऑपरेटिंग सिस्टम के पारंपरिक सार अविशिष्ट सॉफ़्टवेयर द्वारा लागू किए जाते हैं। इस आर्किटेक्चर का उपयोग करते हुए, न्यूनतम कोर सुरक्षित रूप से उपलब्ध मल्टीप्लेक्स को हार्डवेयर संसाधन प्रदान करता है। ऑपरेटिंग सिस्टम लाइब्रेरी जो एक्सो-कोर इन्फ्रास्ट्रक्चर के ऊपर काम करते हैं, उच्च-स्तरीय अमूर्तता को लागू करते हैं। अनुप्रयोग लेखक अपनी आवश्यकता वाले पुस्तकालयों को चुनते हैं, या अपना स्वयं का लिखते हैं। नई पुस्तकालयों का उपयोग केवल निष्पादन योग्य फ़ाइलों को जोड़कर कार्यान्वित किया जाता है।
हमारे शोध से पता चला है कि हार्डवेयर संसाधनों को प्रबंधित करने वाले अमूर्त तरीकों पर नियंत्रण तंत्र के उद्भव से अनुप्रयोगों को बहुत लाभ हो सकता है। ऐप्पल और ली [5] का तर्क है कि आभासी मेमोरी तक पहुंचने वाले मौजूदा सामान्य-उद्देश्य वाले प्राइमरी कचरा संग्रहकर्ताओं और साझा मेमोरी सिस्टम के प्रदर्शन को धीमा कर देते हैं। काओ [10] का कहना है कि फ़ाइल का कैशिंग कंट्रोल को एप्लिकेशन टियर पर ले जाने से एप्लिकेशन अपटाइम 45% तक कम हो सकता है। हार्टले और चेरीटन [२६] और क्रुएगर [३०] बताते हैं कि अनुप्रयोग-निर्भर आभासी स्मृति नीतियाँ अनुप्रयोग निष्पादन गति बढ़ा सकती हैं। स्टोनब्रेकर [47] का तर्क है कि फ़ाइल सिस्टम को लागू करने के दौरान अनुपयुक्त समाधान डेटाबेस स्पिलओवर को काफी प्रभावित कर सकते हैं। तायकोट और लेवी [50] दिखाते हैं कि यदि संकेत प्रसंस्करण को आवेदन के स्तर पर ले जाया जाता है तो अपवादों को तीव्रता के क्रम से संसाधित किया जा सकता है।
हार्डवेयर संसाधनों पर नियंत्रण के साथ अनुप्रयोग प्रदान करने के लिए, एक्सो कोर एक निम्न-स्तरीय इंटरफ़ेस को परिभाषित करता है। नाभिक की वास्तुकला एक पुराने और सरल अवलोकन पर आधारित है: आदिम का स्तर जितना कम होता है, उतनी ही कुशलता से इसका उपयोग किया जा सकता है, और यह उच्च स्तर के अमूर्त के कार्यान्वयन के लिए अधिक मुक्त है।
न्यूनतम संभव इंटरफ़ेस (आदर्श रूप से, एक हार्डवेयर इंटरफ़ेस) को लागू करने के लिए, एक्सो-कोर आर्किटेक्ट्स ने एक लक्ष्य निर्धारित किया है: नियंत्रण से सुरक्षा को अलग करना। उदाहरण के लिए, एक्सो-कोर को फ्रेमबफर्स ​​की रक्षा करनी चाहिए, विंडो सिस्टम के बारे में नहीं जानना चाहिए और डिस्क की सुरक्षा करना चाहिए, फाइल सिस्टम का अंदाजा नहीं होना चाहिए। एक समाधान यह है कि प्रत्येक एप्लिकेशन को अपनी वर्चुअल मशीन प्रदान की जाए। जैसा कि हम बाद में धारा 8 में दिखाते हैं, आभासी मशीनें प्रदर्शन को कम कर सकती हैं। इसके अलावा, एक्सो-कोर हार्डवेयर संसाधनों का अनुकरण नहीं करता है, लेकिन उन्हें प्रदान करता है, जो एक प्रभावी और सरल समाधान का उपयोग करना संभव बनाता है। पूर्व कोर सुरक्षित रूप से संसाधन प्रदान करने के लिए तीन तरीके प्रदान करता है। पहला सुरक्षित बंधन है - अनुप्रयोगों को हार्डवेयर संसाधनों और हैंडल घटनाओं से सुरक्षित रूप से जोड़ा जा सकता है। दूसरे, दृश्य संसाधन निरसन और तीसरे, रद्दीकरण प्रोटोकॉल का उपयोग करके, एक्सो कोर एक खराबी आवेदन और हार्डवेयर संसाधनों के बीच संबंध को तोड़ सकता है।
हमने सुरक्षित बंधन, दृश्य संसाधन हानि और एक रद्दीकरण प्रोटोकॉल के आधार पर एक प्रोटोटाइप पूर्व-परमाणु प्रणाली विकसित की। इसमें एक एक्सो कोर (एजिस), और ऑपरेटिंग सिस्टम (एक्सओएस) के अविश्वास पुस्तकालय शामिल हैं। हम इस प्रणाली का उपयोग एक्सोन्यूक्लियर वास्तुकला के कई महत्वपूर्ण गुणों को प्रदर्शित करने के लिए करते हैं:

• एक्सो-कर्नेल बहुत प्रभावी हो सकते हैं, कम संख्या में प्राइमेटिक्स के कारण जिन्हें लागू करने की आवश्यकता होती है;
• निम्न स्तर के सुरक्षित संसाधन बहुसंकेतन बहुत कम विलंबता के साथ प्रदान किए जा सकते हैं;
• पारंपरिक सार, जैसे कि वीएम और आईपीसी, को कुशलतापूर्वक आवेदन स्तर पर लागू किया जा सकता है, जहां उन्हें विस्तारित, विशेष या प्रतिस्थापित किया जा सकता है;
• अनुप्रयोग अपनी आवश्यकताओं के आधार पर, अमूर्तता के अधिक विशिष्ट कार्यान्वयन बना सकते हैं।

व्यवहार में, हमारा प्रोटोटाइप एक्सो-न्यूक्लियर सिस्टम विकासशील अनुप्रयोगों में अधिक लचीलापन प्रदान करता है, और एक अखंड या माइक्रोकर्नल के साथ सिस्टम की तुलना में अधिक प्रदर्शन भी प्रदान करता है। निम्न-स्तरीय एजिस कर्नेल इंटरफ़ेस एप्लिकेशन-स्तर सॉफ़्टवेयर को संसाधनों का अधिक कुशलता से उपयोग करने की अनुमति देता है। एजिस कर्नेल सुरक्षित स्थानांतरण किसी भी दावा किए गए कार्यान्वयन की तुलना में लगभग 7 गुना तेज है। अपवाद हुक पांच गुना तेज हैं।
हमारा कोर एक्सोस (और अन्य सभी एप्लिकेशन-स्तरीय सॉफ़्टवेयर) लचीलापन प्रदान करता है जो कि माइक्रोकर्नल सिस्टम में उपलब्ध नहीं है। उदाहरण के लिए, आवेदन स्तर पर कार्यान्वित एक वीएम को आसानी से एक वितरित साझा मेमोरी सिस्टम और कचरा संग्रहकर्ताओं के साथ एकीकृत किया जा सकता है। एजिस द्वारा उपयोग किया जाने वाला नियंत्रण हस्तांतरण प्रोटोकॉल अनुप्रयोगों को प्रदर्शन और प्रयोज्य के बीच चयन करते हुए, बड़ी संख्या में IPC आदिम लागू करने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, अमीबा [48], कोरस [43], मच [2], वी [15] जैसी माइक्रोकर्नल प्रणालियां आईपीसी प्राइमेटिव्स को लागू करने के लिए अविश्वसनीय अनुप्रयोगों की अनुमति नहीं देती हैं, क्योंकि विश्वसनीय सर्वर द्वारा कर्नेल में वर्चुअल मेमोरी और मैसेज ट्रांसफर सेवाओं को लागू किया जाता है। इसके अलावा, स्मृति पृष्ठ की तालिका की संरचना के रूप में इस तरह के अमूर्त, सूक्ष्मजीव में प्रक्रियाओं के सार को संशोधित नहीं किया जा सकता है। अंत में, बहुत सारे हार्डवेयर संसाधन, जैसे कि एक नेटवर्क, एक सूचना आउटपुट सिस्टम, हार्ड ड्राइव, भारी सर्वरों में इनकैप्सुलेटेड होते हैं जिन्हें बाईपास नहीं किया जा सकता है, या अनुप्रयोगों की आवश्यकताओं के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। ऐसे भारी सर्वर, वास्तव में, कर्नेल सबसिस्टम होते हैं जो एप्लिकेशन स्तर पर काम करते हैं।
यह लेख एक्सो कोर की वास्तुकला और डिजाइन पर ध्यान केंद्रित करता है, साथ ही इसे कैसे सुरक्षित और कुशलता से लागू किया जा सकता है। दूसरे भाग में अधिक विस्तार से नाभिक का वर्णन है। तीसरा उन समस्याओं की चर्चा है जो हमें डिजाइन और वास्तुकला के विकास में सामना करना पड़ा। चौथे में, हम प्रोटोटाइप की स्थिति का वर्णन करते हैं और हमने इसे कैसे परीक्षण किया। भाग 5 और 6 कार्यान्वयन का प्रतिनिधित्व करते हैं। भाग सात में एक प्रयोग रिपोर्ट है जिसमें हम एक्सोन्यूक्लियर वास्तुकला के लचीलेपन को प्रदर्शित करते हैं। भाग 8 में किए गए कार्यों का वर्णन किया गया है, और भाग 9 सारांशित करता है।

आप यहां मूल के साथ खुद को परिचित कर सकते हैं ।