SPIN Operating System hamanaka 2001/06/20

SPIN Research Project SPIN は University of Washington で開発 様々な団体や企業が参画（資金提供など） DEC, ARPA, Intel, IBM, etc. 現在行われている research project Security for extensible systems Transaction Support Dynamic Compilation Unix Emulation Application-Controlled Caching Safe Programmable and Integrated Network Environment

構成 背景 用途 目標 ＆ アプローチ SPINの構成 extension code The Core Systems 性能評価

背景 application のOSへの要求の多様化 cf. multimedia, database, network ⇒ application specific なインターフェース　　　（サービス）を動的に作成できるインフラがあると嬉しい

用途 Application-specific … inter-process communication virtual memory user-level scheduling network protocol file systems and buffer cache management etc.

SPINの目標 extensible, safe, efficient なOSの構築 user codeを動的にkernel内に install かつ flexibility, safety, efficiency は保つ

アプローチ language と runtime service の利点を利用 SPIN のよってたつ technique low-cost, fine-grained, protected access SPIN のよってたつ technique co-location enforced modularity logical protection domain dynamic call binding Modula-3 で実装 object-oriented, type-safe language

SPINの構成 extension services core system services dynamic linker など　機能拡張のための　　枠組み core system services memory accessなど　最も基本的なサービス extension service core system service extension code dynamic linker verifier kernel

application の形態 すべて user space すべて kernel space core system service extension code application 1. 2. 3.

The Extension Services system code と user code を安全に結びつける ソフトウェアインフラを提供 次の２つのモデル Protection Model efficient, fine grained access control of resources Extension Model extension definable at Procedure Call granularity language-level service, static type checking, dynamic linking で実現

＜Protection Model＞ extension code ごとのaccess control機構 language level で実現 virtual memory system ではない 用語（概念） capability protection domain core system service extension code kernel

capability resource への pointer language level の pointer で実装 core system service extension code resource への pointer ここで resource は a system object an interface a collection of interface language level の pointer で実装 user-level への受け渡し可 externalized reference （別紙参照） application capability externalized capability 1 2 kernel

protection domain codeから参照される（可能な）名前の集合 symbolic table のようなもの kernel 名前： program symbols domain 外の名前にはアクセス不可 can be intersecting or disjoint （capability による参照される） obj inter2 inter1 inter1 ext2 ext1 ext2 obj inter1 inter2 kernel

protection domainの操作 Create: object file から作成 CreateFromModule: 　　現在のmoduleから作成 Resolve: 　　　　　　domain中の名前と実体を関連付け Combine: 　　　　　domain の union 作成 （別紙参照） obj inter2 inter1 inter1 ext2 inter1 ext1 ext2 obj inter1 inter2 kernel

export and import of domain in-kernel nameserver へ登録 明示的に domain を export authorizer も登録可 Module間の直接渡し domain は capability で参照

＜Extensional Model＞ System提供のサービス変更機構 概要 event & handlerによる拡張の定義 dispatcher で event に対し handlerを登録 条件実行のために guardを利用 access control のために authority利用 （別紙参照）

Event 本来はSystemからのメッセージ SPIN では event は procedure signature で定義 event raise は procedure call に相当 ⇒ procedure call の粒度でサービスを提供

Handler event raiseに応じて実行されるprocedure 拡張サービスの実体 event と同じ型 event に対して dispatcher で登録 一つのeventに対して複数登録可 intrinsic handler: event と同名の handlerで必ず実行される

Guard handler に関連付けられるpredicate filter の役割 handler の実行前に評価 true: handler を実行 false: handler を無視 一つのhandlerに対して複数登録可 引数の型はeventと同じ： 返り値は boolean guard 内で副作用不可

Authority intrinsic handler を定義する module event に対する access control を行う dispatcher による authorizer の登録 handler の install, 実行 を制御 handler へ 新たな guard の不可

Dispatcher handler 実行のコア部分 runtime code generation で最適化 handler一つかつsynchronous: event raise == procedure call handler の inline化など

その他 handler 実行のordering可 複数 handler の場合の返り値 決定機構をもつ First, Last, Next, After で明示的に指定 複数 handler の場合の返り値 result handler が決定

その他 handler の実行は次の２パターン handlerが多すぎる場合 asynchronous synchronous with time limitation 後者は “EPHEMERAL” のannotationを付加 handlerが多すぎる場合 メモリ使用量膨大 対応は future work

The Core Services 以上は拡張codeを扱う枠組みの話 いくつかの core serviceを用意 memory management thread management これらを利用してapplication特化の機能を実現

memory management ３つのコンポーネントに分解 これらを用いて様々な実装可 physical storage naming translation 　（別紙参照） これらを用いて様々な実装可 UNIX address space semantics を実装

thread management SPINでは “strand” を実装 これを用いて Thread Package 作成可 （別紙参照） DEC　OSF/1 kernel thread Mach C-Threads Modula-3 thread

性能評価 次の４つの点に注目 System size Microbenchmarks Netwoking End-to-end performance

性能評価 環境: DEC Alpha 133MHz XAP 3000/400 workstations, each machine 64 MBs of memory, 512KB unified external cache, HP C2247-300 1GB disk-drive, 10Mb/sec Lance Ethernet interface, FORE TCA-100 155Mb/sec ATM adapter card connected to FORE ASX-200 switch.

System size （別紙参照） sys : extensibility machinery, domains, naming, linking, dispatching core : virtual memory and scheduling rt : DEC SRC Modula-3 runtime lib : subset of Modula-3 library and mundane data structures sal : low level interface of device drivers and MMU.

Microbenchmarks （別紙参照） Protected communication Thread management Virtual memory SPINの優位性 kernel extension（Translation.ProtectionFault）の利用 一連のinteractionがapplicationに高速に反映

Networking （別紙参照） Latency and Bandwidth Protocol forwarding

End-to-end performance （別紙参照） Video Streaming Server-Client Server: ３つの拡張 Client: １つの拡張

Extension size （別紙参照） 機能が複雑になるにつれsizeも増大

まとめ SPIN operating systemは 機能拡張のための効率的な機構 および 拡張可能な機能の core set を提供 extensible かつ safe かつ good performance を達成

Reference(1/2) “Extensibility, Safety and Performance in the SPIN Operating System”, Brian Bershad, Stefan Savage, Przemyslaw Pardyak, Emin Gun Sirer, David Becker, Marc Fiuczynski, Craig Chambers, Susan Eggers, in Proceedings of the 15th ACM Symposium on Operating System Principles (SOSP-15), Copper Mountain, CO. pp. 267--284. “Dynamic Binding for an Extensible System”, Przemyslaw Pardyak, Brian Bershad, in Proceedings of the Second USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI), Seattle, WA, pp. 201-212, October 1996.

Reference(2/2) “Safe Dynamic Linking in an Extensible Operating System” , Emin Gun Sirer, Marc Fiuczynski, Przemyslaw Pardyak, Brian Bershad, Appeared in the Workshop on Compiler Support for System Software, February 1996. “SPIN - An Extensible Microkernel for Application-specific Operating System Services”, Brian Bershad, Craig Chambers, Susan Eggers, Chris Maeda, Dylan McNamee, Przemyslaw Pardyak, Stefan Savage, Emin Gun Sirer, University of Washington, Technical Report TR-94-03-03.

自分の研究との絡み