Estado del Arte de Sistemas Operativos

Introducción

• Mach: sistema de punta con un diseño flexible de memoria  virtual.

 
• Chorus: sistema de punta con diseño micro­kernel.

 
• Emulación Unix sobre Mach y Chorus.

 
• Amoeba: sistema experimental en el que los objetos son protegidos por capacidades.

 
• Clouds: sistema cuyo principal objetivo es soportar el uso de objetos distribuidos.

Mach

• Proyecto de Carnegie Mellon, 1986.
  
  
• Objetivos iniciales:
• Compatibilidad con Unix BSD.
• Proveer de facilidades avanzadas en el núcleo.
  
  
• La versión 2.5 fué usada como base para OSF/1.
  
  
• La versión 3 eliminó el código Unix del núcleo: emulación.
  
  
• Corre en 386, 486, DECstations, SPARCstations.

Características

• Operación con máquinas paralelas con memoria compartida.

 
• Extensión transparente a operación en red.

 
• Servidores a nivel usuario. Los recursos son manejados a través de mensajes a puertos.

 
• Emulación de sistemas operativos.

 
• Implementación flexible de memoria virtual. Paginadores externos pueden manejar la memoria.

 
• Portabilidad. El código dependiente de máquina ha sido aislado.

Abstracciones Mach

• Puertos. Canal de comunicación unidireccional que tiene asociada un buffer. Se pueden enviar o recibir mensajes a través de ellos.
• Conjuntos de puertos. Puertos a los que una tarea puede accesar.
• Tareas. Medio de ejecución que contiene un espacio de direcciones protegidas, y una colección de capacidades para accesar puertos.
• Hilos. Las tareas consisten de hilos que pueden ejecutarse en paralelo en diferentes procesadores de una máquina con memoria compartida.
• Mensajes. Datos o peticiones de accesar recursos.
• Dispositivos. Son accesados a través de interfases de bajo nivel exportadas por el núcleo.
• Objetos memoria. Instancia de un tipo de datos abstracto.
• Objetos memoria cache. Por cada objeto memoria, hay un objeto en el núcleo que contiene un cache de las páginas residentes en memoria.

Puertos en Mach

• Los puertos sirven para accesar recursos.
  
  
• Hay 3 tipos diferentes de derechos para accesar un puerto:
•     Envío.
•     Envío una sóla vez.
•     Recepción.
  
  
• En un puerto, a lo mucho una tarea posee derecho de recepción, pero varias pueden poseer derechos de envío.

Tareas e hilos en Mach

• Las tareas son sólo medios de ejecución: sólo los hilos en ellaspueden ejecutar operaciones.
• El modelo de creación de una tarea es una extensión del fork() de Unix: a través de una tarea blueprint localizada en el procesador deseado.

• Cuando un hilo es creado, se le asigna un puerto para accesar el núcleo.
• Cuando un hilo sufre una excepción, recibe un mensaje por un puerto dedicado a ese fin.

Modelo de comunicación de Mach

• Un mensaje está compuesto de un encabezado de tamaño fijo, seguido por una lista variable de datos:

• El encabezado está compuesto de:
•     Puerto destino.
•     Puerto respuesta.
•     Identificador de operación.
•     Tamaño de la lista de datos.
  
  
• Cada dato en la lista puede ser:
•     Datos tipados.
•     Derechos sobre puertos. El receptor adquiere losderechos.
•     Apuntadores a datos.
  
  
• El envío y recepción de mensajes puede ser bloqueante o no, o usar temporizadores:

• Los puertos tienen asociados buffers cuyo tamaño puede ser ajustado.
• Un intento de enviar un mensaje por un puerto cuyo buffer está lleno, bloquea al hilo.
• Los mensajes pueden ser recibidos en conjunto de puertos: se evita el poleo.
• El sistema de comunicación es confiable y da los mensajes en orden.
• Se usan servidores de red que corren a nivel usuario.
• Un puerto de red permite enviar o recibir mensajes de computadoras conectadas en red:

• Los puertos de red manejan TCP/IP.

Manejo de memoria en Mach

• Mach ve la memoria como una colección de grupos contiguos de páginas o regiones.
• Cuando una tarea es creada, se hereda memoria de la tarea blueprint. Esta herencia es compartida o copiada.
• La técnica usada para copiar memoria es llamada copy­on­write: las páginas son copiadas sólo cuando son modificadas.

• El micronúcleo de Mach no soporta archivos, por lo que se usan paginadores externos.

Las funciones del paginador externo son:

1. Guardar datos eliminados por el núcleo de su cache.
2. Proporcionar páginas requeridas por el núcleo.
3. Imponer restricciones para mantener la consistencia de datos.

Conclusión Mach

+ Corre en computadoras secuenciales y paralelas en red.

+ Mantiene compatibilidad Unix.

­ Utilización compleja del núcleo.

? Uso del espacio de usuarios para implementar las comunicaciones.

? Uso del espacio de usuarios para implementar servidores.

Chorus

• Proyecto del INRIA, 1979.
  
  
• Version 3 con emulación de Unix BSD: Chorus/MiX.
  
  
• Modelo: red de computadoras mono­procesadoras y multi­procesadoras.
  
  
• Corre en 386, Motorola 68030 y 88000, Transputers.

Características comunes con Mach

• Operación con máquinas paralelas con memoria compartida.
• Microkernel, paso de mensajes.
• Extensión transparente a nivel red.
• Emulación Unix y otros SOPs.
• Implementación flexible de memoria virtual.
• Portabilidad.

Características adicionales

• Servidores no necesariamente en nivel usuario.
• Emulación Unix con mejoras.
• Servidores de grupos y reconfiguración.
• Sistemas Tiempo­real.

Abstracciones Chorus

• Actores. Equivalente al concepto de tarea en Mach: medio de ejecución compuesto de hilos.
• Puertos. Canal de comunicación unidireccional que tiene asociada un buffer. Los puertos pueden migrar entre actores.
• Grupos de puertos. Puertos a los que una tarea puede mandar o recibir datos.
• Hilos. Las tareas consisten de hilos que pueden ejecutarse en paralelo en diferentes procesadores de una máquina con memoria compartida.
• Mensajes. Datos o peticiones de accesar recursos.
• Regiones, segmentos, caches locales. La memoria de un actor es dividida en regiones, los cuales pueden ser mapeados a  porciones de segmento. El núcleo guarda un cache local para  cada segmento.

Actores e hilos en Chorus

• Diferencia con Mach: los actores y los hilos pueden ser cargados dinámicamente en el espacio del núcleo.
• Los servidores también pueden ser cargados dinámicamente, ya sea en el espacio usuario o en el espacio del núcleo.

• Hay 3 tipos de privilegios para actores e hilos:
•     Usuario. Algunas llamadas sistema.
•     Sistema. Llamadas sistema.
•     Supervisor. Completo acceso.
  
  
• Los actores son creados con mensajes a un puerto especial.

Modelo de comunicación en Chorus

• Los puertos de diferentes servidores pueden ser agrupados.
  
  
• Existen 3 tipos de mensajes a grupos:
  
  
• + Multicast. A todos los miembros.

• + Funcional. A algún miembro del grupo.

 
• + Selectivo. A algún miembro del grupo localizado en el lugar donde se encuentra un recurso.

• Ej. utilización: servidores reconfigurables.
• Existe también la facilidad de migrar puertos de un actor a otro.
• Las comunicaciones pueden ser síncronas o asíncronas.

Conclusión Chorus

+ Soporta sistemas tiempo real.
+ Servidores de grupo reconfigurables.
+ Menos dependiente que Mach de la existencia de hardware específico.
­ Estructura de mensajes menos flexible.

Emulación de Unix

• Compatibilidad binaria.
  
  
• El espacio de memoria debe ser el mismo.
  
  
• Simulación de llamadas a sistema.
  
  
• Protección de datos como en Unix.
  
  
• Manejo de señales.

Emulación de Unix en Mach

• 2 componentes: librería de emulación y servidor 4.3 BSD.
• El servidor es multihilos.

Emulación de Unix en Chorus

• Existen 4 actores manejadores: Procesos, Archivos,

• Dispositivos y streams:

Amoeba

• En desarrollo en Amsterdam, por alumnos de A. Tanenbaum, desde 1981.
  
  
• Transparencia de red.
  
  
• El modelo de arquitectura subyacente es una pila de procesadores.
  
  
• Manejo de recursos orientado a objetos.
  
  
• Servidores a nivel usuario.
  
  
• Emulación Unix a nivel fuente.
  
  
• Protección basada en capacidades:

Modelo de comunicación en Amoeba

• Un proceso en Amoeba contiene hilos, puertos y segmentos de memoria.
• Existen 3 operaciones:
• trans, para transmitir un mensaje a un servidor. La operación es bloqueante.
• get request, para que el servidor obtenga una petición.
• put reply, para que el servidor responda.
  
  
• Los puertos pueden ser compartidos entre varios servidores, y puede haber grupos de servidores.
• Existen 2 tipos de puertos: putports y getports.

• El núcleo de Amoeba contiene rutinas para comunicarse en una interred local, consistente de varias LANs unidas por puentes o gateways.
• Para transmisión en WANs se utilizan librerías RPC basadas en protocolos FLIP y request/reply.
• El Fast Local Internet Protocol:
• provee un servicio de datagramas de mensajes de hasta 1 Gbyte.
• no hace control de flujo (stop­and­go).
  
  
• El protocolo Request Reply Acknowledge:
• reintenta peticiones no llegadas al servidor.
• cuando una respuesta llega, se manda un ACK.
• se aplica a mensajes multi­paquetes.

Conclusión Amoeba

+ Implementación RPC optimizada.

+ Servidores a nivel usuario.

+ Simplicidad del microkernel.

­ No compatibilidad binaria con Unix.

­ No hay manejo de memoria virtual.

Clouds

• S. O. para uso de objetos distribuídos, elaborado por Georgia Tech, 1986.
  
  
• Microkernel

• Objeto = réplica persistente en un servidor.
  
  
• Considera 3 tipos de computadora:
• Estaciones de trabajo.
• Servidores de datos.
• Servidores de cómputo.

 
• Balanceo de carga automático.
  
  
• Implementación de hilos basada en ''métodos'' para accesar objetos.