Jádro BSD

Co je jádro (kernel) BSD?

• BSD (Berkeley System Distribution) je verzí Unixu pocházející z University of California v Berkeley. Jádro BSD (dnes ve verzi 4.4) bylo vyvíjeno na základě zdrojových kódů Unixu uvolněných společností AT&T.

Organizace a vlastnosti jádra

• Strojově nezávislá část jádra tvoří kolem 80% a je napsána v jazyce C. Zbylých 20% tvoří strojově závislá část kódu, která je z 90% napsána v C a pouze 2% jsou v assembleru.
• Mezi hlavní vlastnosti jádra BSD patří:
  • nízkoúrovňová inicializace systému
  • obsluha přerušení a chyb
  • nízkoúrovňová kontextová obsluha
  • inicializace zařízení
  • podpora V/V zařízeních v době běhu
• Základními komponentami jádra jsou obsluha časovače a hodin, správa deskriptorů a procesů. Jádro dále zajišťuje a zprostředkovává správu paměti (stránkování, swapping), všeobecná systémová rozhraní (V/V zařízení, řízení multiplexingu založeném na deskriptorech), systém souborů, podporu obsluhy terminálu (sokety), meziprocesovou komunikaci, síťovou komunikaci.
• Služby jádra:
  • Jádro běží v odděleném adresovém prostoru pod privilegovanými instrukcemi v systémovém módu procesoru. Ovládá rozhraní systémovými voláními, která představují souhrn akcí v módu jádra a pro aplikace se zdají být synchronní.
• Správa procesů:
  • Jádro BSD pracuje v multitaskingovém prostředí, proces je vlákno provádění. Rozlišujeme dva kontexty procesů, a to na úrovni uživatele (adresový prostor, run-time environment) a na úrovni jádra (plánování parametrů, řízení zdrojů).
• Signály:
  • Signály jsou softwareová přerušení generovaná jádrem jako odpověď na akci procesu, externí podnět nebo jiné systémové volání. Procesy smí specifikovat funkce pro obsluhu (zachytávání) signálů. Signál X, který je zachycen, je blokován dokud funkce pro obsluhu X běží. Procesy smí také říci jádru, aby ignoroval (blokoval) všechny výskyty signálů, avšak některé signály nemohou být zachyceny (SIGKILL, SIGSTOP). Většinou všechny nezachycené signály způsobují přerušení procesu.
• Job control:
  • Řízení přístupu k terminálu.
• Správa paměti:
  • Každý proces má svůj vlastní adresový prostor, který se dále dělí na 3 logické segmenty
    • textový - programový kód, ro
    • datový - halda, rw
    • zásobník - zásobník pro volání procedur, rw
• Vstupně-výstupní zařízení:
  • Jádro BSD má silný fundamentální model pro tato zařízení. Jedná se o sekvenci nebo proud (stream) bytů s náhodným nebo sekvenčním přístupem. Unixové procesy se neodkazují přímo na V/V zařízení, ale jako prostředník používají deskriptory zařízení. Deskriptory mohou ukazovat na 3 typy takovýchto zařízení: soubory, sokety a roury.
• Zařízení (devices):
  • Je možné je nálezt přímo v systému souborů, protože jsou reprezentována soubory. Rozlišují se dva druhy zařízení:
    • strukturovaná (bloková)
    • nestrukturovaná (znaková)

Konfigurace a kompilace

• Proč konfigurovat resp. kompilovat vlastní jádro? Zejména v případě potřeby zvyšování výkonu počítače, případně přidávání nových vlastností nebo ovladačů do jádra. Další důvodem může být upgrade jádra z bezpečnostních důvodů. Dále se budu zabývat konfigurací a kompilací jádra na systému OpenBSD.
  • Konfigurace:
    Rád bych také zmínil, že systém OpenBSD má možnost částečně konfigurovat jádro i za běhu a to buď při zavádění systému a nebo již v běžícím systému pomocí programu config(8). Tato možnost konfigurace musí být v jádře zkompilována (předem) a to pomocí konfiguračního parametru option BOOT_CONFIG. Tímto způsobem se dají vypínat a zapínat zařízení, ale také přes zkopírování jiného zařízení, přidávat nová.
    
    Vlastní konfigurace před kompilací zdrojových kódů jádra sestává z vytvoření, resp. editace již vytvořeného, souboru s konfiguračními direktivami, které se do souboru zadávají ve tvaru option OPTION (například option IPFORWARDING - pomocí čehož se do jádra zakompiluje možnost forwardingu paketů).
    • Příklad části konfiguračního souboru:
      

            option		NFSCLIENT	# Network File System client
            option		NFSSERVER	# Network File System server
            option		CD9660		# ISO 9660 + Rock Ridge file system
            option		MSDOSFS		# MS-DOS file system
            option		FDESC		  # /dev/fd
            option		FIFO		  # FIFOs; RECOMMENDED
            option		KERNFS		# /kern
            option		PORTAL		# dynamically created filesystem objects
            option		PROCFS		# /proc
            # layer filesystems
            option		NULLFS		# loopback file system
            option		UMAPFS		# NULLFS + uid and gid remapping
            option		UNION		  # union file system
      
            #option		GATEWAY		# packet forwarding
            option		INET		  # IP + ICMP + TCP + UDP
            option		ALTQ		  # ALTQ base
            option		INET6		  # IPv6 (needs INET)
            option		IPSEC		  # IPsec
      			

    Konfiguračních nastaveních je spousta a je možné je všechny nalézt v manuálových stránkách options(4). Jako základ je dobré vzít konfigurační soubor se základní konfigurací jádra stadardně dodávaného se systémem, který obsahuje maximum nastavení a je s těmito nastaveními nejvíce testováno -> GENERIC.
    
  • Kompilace:
    Soubor s konfiguračními direktivami se nakopíruje do adresáře se zdrojovým kódem jádra. Spustíme program config KONFIGURACNI_SOUBOR, tím se sestaví adresář pro kompilaci jádra. Pak už jenom stačí spustit

    		 make depend || make clean
    		 make
    		 

    a jádro je zkompilované => bsd. Staré jádro si zkopírujeme do záložního souboru např. bsd.old a do kořenového adresáře zkopírujeme jádro nové s názvem bsd. V případě, že by se nepodařilo systém zavést z nového jádra použijeme při startu příkaz:

    		  boot wd0a:/bsd.old (např.)
    		 

    a tím spustíme systém ze starého jádra.

Moduly jádra

• Stejně jako jádro Linuxu můžeme doplnit i BSD jádro o moduly. Modulem může být například nějaký ovladač, který se do jádra natáhne za běhu systému.
• Moduly se mimo jiné dají použít i k ladění nový funkcí jádra tím, že se nemusí natáhnout celé jádro(restart systému), ale pouze ten určitý modul.
• Výhoda modulů: Jádro není příliš veliké a těžkopadné.

  	X
  

• Nevýhoda modulů: Volání z modulů je pomalejší.

Implementace

• V dnešní době jsou hlavními implementacemi jádra BSD systémy FreeBSD, NetBSD a OpenBSD. Tyto systémy jsou šířeny pod BSD licencí, což zaručuje to, že jsou zcela zdarma a jejich zdrojové kódy plně k dispozici.
• Jádro není v těchto systémech stejné. Například FreeBSD podporuje multiprocesoring, kdežto u OpenBSD se na tomto teprve pracuje, OpenBSD je zaměřeno zejména bezpečnost. Systém NetBSD je asi nejportabilnější.

Závěr versus Linux

• Nesporným plus u BSD je, že při bootování lze zvolit jádro, pokud nechceme implicitní a zároveň také parametry jádra, případně zapnout nebo vypnout určité volby.
• BSD jádro je velmi stabilní a založené na Unixu. I přesto, že je monolitické (vzhledem k implementaci modulů to není zcela pravda, ale řekl, že se dá považovat za monolitické neboť implementace modulů je velmi odlišná od modulárního jádra Linuxu) je výkonné a přitom si zachovává určitou jednoduchost. V porovnání s Linuxem je těžko rozhodnout, které jádro je lepší. Dle mého skromného názoru mají každé něco a každé něco postrádá, ale osobně upřednostňuji BSD.

Odkazy a reference