柳澤 佳里* 光来 健一* 千葉 滋* *東京工業大学 情報理工学研究科 数理・計算科学専攻

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1 柳澤 佳里* 光来 健一* 千葉 滋* *東京工業大学 情報理工学研究科 数理・計算科学専攻
OSカーネル用の アスペクト指向システム 柳澤 佳里* 光来 健一* 千葉 滋* *東京工業大学 情報理工学研究科 数理・計算科学専攻

2 カーネルプロファイリング 動機： ネットワーク性能の劣化を調査 カーネルプロファイラが必要 カーネル内にボトルネック？
ダウンロード中にSSHのレスポンスが悪化 十分なネットワーク帯域があるのに発生 カーネル内にボトルネック？ 疑わしい場所は無数に存在 カーネルプロファイラが必要 プロファイル pr_slowtimeo tcp_slowtimeo pr_output sbappend tcp_usrreq tcp_output m_copydata ip_output ether_output copyin sosend m_copy write if_output socket TCP IP datalink

3 従来の カーネルプロファイリング技術 測定粒度が固定 任意の粒度で測定
関数単位 – μDyner [Marc ’03], TOSKANA [Michael ’05] サポートされた種類のイベント – LKST [畑崎 ’03] 任意の粒度で測定 メモリ中のアドレスを直接指定 – KernInst [Ariel ’02] 構造体、ローカル変数、インライン関数、static関数、マクロなどのアドレスが実行時に消失

4 プロファイルできない例 アドレス情報はバイナリに欠如 構造体メンバへの代入を逐一プロファイル mbuf構造体 - ネットワークI/Oで多用
アドレスの直指定はユーザに重荷 測定したい処理のアドレスを特定できない tcp_output(…) { struct mbuf *m; m->m_len = hdrlen; … } struct mbuf { struct m_hdr m_hdr; … } #define m_len m_hdr.m_len アドレス情報はバイナリに欠如

5 KLAS (Kernel Level Aspect-oriented System)
Source-based binary-level dynamic weaving カーネル用アスペクト指向システム ソースレベルで挿入コードと位置を指定 アスペクトをXMLとして記述 動的にコード挿入 再コンパイル・再起動が不要 任意の処理を指定可能 コンパイラの改造によりシンボル情報を拡張 実行時にweaverがシンボル情報を利用可能に

6 KLASにより指定可能となる処理 関数ポインタ呼び出し データアクセス カーネル内のポリモルフィズム的コードで多用
E.g.) VFS、ファイル、ソケットなどの入出力 データアクセス まとまったデータのやり取りを行う箇所で多用 E.g.) mbuf、ファイルキャッシュの統計情報 fo_read(…) { return ((*fp->f_ops->fo_read(…)); } tcp_input(…) { … m->m_len += hdrlen; m->m_data -= hdrlen; …. }

7 m_lenへのアクセスをポイントカットとして抽出
KLASの文法 m_lenへのアクセスをポイントカットとして抽出 <aspect name=“log_reset_len”> <pointcut> <field-access name=“m_len” structure=“mbuf” /> </pointcut> <advice-before> struct timespec ts; nanotime(&ts); printf(“%d,%lld”, ts.tv_sec, ts.tv_nsec); </advice-before> </aspect> ポイントカット位置で時間を表示

8 m_lenへのアクセスをポイントカットとして抽出
KLASの文法 m_lenへのアクセスをポイントカットとして抽出 <aspect name=“log_reset_len”> <pointcut> <field-access name=“m_len” structure=“mbuf” /> </pointcut> <advice-before> struct timespec ts; nanotime(&ts); printf(…); </advice-before> </aspect> tcp_output(…) { struct mbuf *m; struct timespec ts; ….. printf(…) m->m_len = hdrlen; … 挿入

9 実装の概要 KLAS OSカーネル (FreeBSD) アスペクト （XML） OSソースコード KLAS_gcc アドレス リゾルバ
- 測定点 - 測定点で実行するコード KLAS_gcc KLAS アドレス リゾルバ シンボル 情報 シンボル情報抽出 アドバイス ローダ フック 挿入 コンパイル フック OSカーネル (FreeBSD) コンパイル済アドバイス

10 /usr/…/ip_output.c:879:mbuf.m_pkthdr
KLAS_gccの実装 gccを改造 出力するシンボル情報を拡張 構造体メンバアクセスのファイル名、行を出力 ハッシュ表 ip_output(…) { struct mbuf *m0; … m0->m_pkthdr } 1 ２ KLAS_gcc ハッシュ表に構造体名、IDを保存 IDをキーにして構造体名を取得 ファイル名、行番号、構造体名、メ ンバ名を出力 3 シンボル情報 /usr/…/ip_output.c:879:mbuf.m_pkthdr

11 アドレスリゾルバ： メンバアクセスとアドレスの対応
構造体名、メンバ名を渡すと対応する ファイル名、行情報の一覧を得る 拡張シンボル情報を検索 ファイル名、行情報よりアドレスを得る バイナリに入っているデバッグ情報を調査 拡張シンボル情報 debug_info 35 2 4 1 “ip_output.c” “GNU C Compiler” “frodo:/usr/src/sys/…” … … /usr/…put.c:175:ip.ip_v /usr/…put.c:176:ip.ip_hl /usr/…257:mbuf.m_flags 構造体名 メンバ名 対応する ファイル名、行 アドレス

12 アドバイスローダ： アドバイスのカーネル内部へのロード
カーネルモジュール(KM)としてロード KMでは重複しない任意の関数をロード、使用可能 コンパイル #include <sys/types.h> #include <sys/module.h> … static int log_mbuf_loader(…) { } int log_mbuf(….) { ヘッダ コンパイル済みアドバイス （カーネルモジュール） ロード(kldload) struct timespec ts; nanotime(&ts); printf(… ts.tv_nsec); アドバイス OSカーネル フッタ } DECLARE_MODULE(…ANY);

13 フック挿入： カーネルへのフック埋め込み ブレークポイントトラップ(BPT)をフックに使用 動作
x86では1byte命令で実行フローを破壊しない 動作 ３．BPT挿入 BPT フック挿入 アドレスマップ コンパイル済みアドバイス ２．アドレスマップに登録 １．アドバイスのアドレスを取得

14 フック挿入： カーネルへのフック埋め込み ブレークポイントトラップ(BPT)をフックに使用 動作 （フック作動時）
x86では1byte命令で実行フローを破壊しない 動作 （フック作動時） BPT １．処理が遷移 フック挿入 トラップ処理ルーチン アドレスマップ ３．アドバイスを実行 ２．対応アドバイス の確認 コンパイル済みアドバイス

15 実験I:カーネルコンパイル時間 実験内容 実験結果 総実行時間（秒） User System gcc 243.86 212.98 29.16
KLAS_gccのオーバーヘッドを測定 KLAS_gcc、gccのカーネルコンパイル時間を比較 実験環境 CPU: AMD Athlon 2200+, Mem: 1GB, HDD: UDMA133, gcc: 3.4.2 実験結果 総実行時間（秒） User System gcc 243.86 212.98 29.16 KLAS_gcc 260.43 218.44 40.13 約7%実行時間が増加 User: 約3%, System: 約38%

16 実験II: フック数と実行時間 目的 実験結果 実験内容 フックの数と実行時間の変化を調査 実験用システムコールの実行時間を測定
システムコール内で千個の関数を順に呼び出し 各関数に挿入するフックは高々1つ フックにより実行するコード内容は空 実験結果 実験環境: FreeBSD 5.2.1 経過時間(s) フック数 フックの処理にDDBを利用した実装が原因 DDBはフック処理時に全BPTを消去、復帰

17 関連研究(1) アスペクト指向システム AspectC++ [Olaf ’02] μDyner [Marc ’03]
ソースレベルのアスペクト指向システム 実行時のフック埋め込みは不可 μDyner [Marc ’03] 動的にフック埋め込みを実施 コンパイル時にフック埋め込み可能箇所が決定 ポイントカット可能位置の増加でコードサイズが増加 TOSKANA [Michael ’05] NetBSDカーネルに実装されたアスペクト指向システム 関数の開始、終了位置にてフック埋め込みを実施 関数の粒度より細粒度のフック埋め込みは不可

18 従来の C/C++用アスペクト指向システム
動的アスペクト指向システム シンボル情報が少なくポイントカット指定が限定的 関数の先頭のみをポイントカットとして指定可能 コンパイル時に構造体、マクロの情報が消失 静的アスペクト指向システム ポイントカット、アドバイスの変更のたびに 再コンパイル、再起動が必要 再起動によりメモリ内容が消失 再起動には長時間消費し開発効率が低下 KLASではシンボル情報を拡張し、実行時に構造体をポイントカット可能

19 関連研究(2) カーネルプロファイラ カーネルコード変換 LKST [畑崎 ’03] KernInst [Ariel ’02]
決められたイベントの箇所でログ出力可能 KLASは関数呼び出し、構造体アクセスでログ出力可能 カーネルコード変換 KernInst [Ariel ’02] カーネル内の任意の箇所にコード挿入可能 バイナリの情報のみ使用可能 挿入するコードの指定が機械語に近く、煩雑 KLASはソースレベルの情報で指定可能 要点を下にまとめる

20 まとめ カーネル用アスペクト指向システムKLASの提案 実験 FreeBSD、gccを改造して実装
ソースコードを参照し、実行中のバイナリにフック埋め込み コンパイラを改造し、シンボル情報を拡張 拡張したシンボル情報を用いてフック埋め込みアドレスを取得 フックとしてBPTを使用 実験 カーネルコンパイル時間が約7%増加することがわかった フックの数に対して非線形に消費時間が増加することがわかった

21 今後の課題 フックの処理時間の改善 フック可能な処理を増加 フックをより正確な位置に挿入 実装の変更による所要オーダーの軽減
高速化のためにKerninstベースの開発を検討 フック可能な処理を増加 インライン関数、マクロに対応 フックをより正確な位置に挿入 コンパイラの改良により行よりも細かい単位でフック挿入 最適化により消える命令の取り扱いを検討