знакомство с ОС Inferno

Давно мы не расказывали вам о новых операционных системах. А ведь мир не стоит на месте, и рынок ОС вовсе не ограничивается Linux, Windows и *BSD, о которых информация – как в СР, так и в других бумажных и электронных изданиях – появляется с завидной регулярностью.
А тут как раз и повод хороший появился: в новостных лентах промелькнуло сообщение о выходе (и доступности для бесплатного скачивания) 4-й версии ОС с адским (в таком контексте обычно говорят «инфернальным», но в нашем случае выйдет тавтология :) названием Inferno. Но поскольку мы уверены, что по крайней мере половина наших читателей отродясь не слышала об этой ОС, и по сему не знают – радоваться такой новости или нет, мы решили посвятить Inferno целый «полноформатный» материал, за основу которого была взята статья разработчиков этой системы. Кстати, посмотрите на список авторов в конце статьи, уверены -- вы будете приятно удивлены ;)

вступление

Операционная система Inferno разработана Центром по Компьютерным Исследованиям Bell Labs, научно-исследовательским подразделением Lucent Technologies. В дальнейшем ее разработку продолжили другие подразделения Lucent, а на сегодняшний день эксклюзивные права на эту систему принадлежат английской софтверной компании Vita Nuova.
Основное назначение системы - создание аппаратно-независимых распределенных вычислительных систем и использование во встраиваемых устройствах.
Inferno предназначена для использования в различном сетевом окружении, например, смартфоны, наладонные КПК, системы кабельного и спутникового телевидения, недорогие интернет-терминалы и, конечно, традиционные компьютерные системы.
Где может с успехом применяться Inferno? В сетях кабельного телевидения, прямого спутникового вещания, Интернет и любых других сетях передачи данных (и мультисервисных, конечно же).
В отличие от телефонных систем с их стандартными терминалами и сигналами, компьютерные сети разрабатываются в мире различных терминалов, сетевого оборудования и протоколов. Только хорошо разработанная, экономичная операционная система может объединить различных провайдеров контента и сервиса на различных транспортных и презентационных платформах. Как вы могли догадаться, Inferno – именно такая операционная система ;)
Преимущества Inferno основываются на портируемости и гибкости в следующих направлениях:
- поддержка процессоров:в настоящее время поддерживаются Intel, Sparc, MIPS, ARM, HP PA, PowerPC, готовится поддержка других процессоров.
- поддержка различного окружения:Inferno работает как отдельная система на малых терминалах, также запускается как пользовательский процесс на Windows NT, Windows 95, Unix (Irix, Solaris, FreeBSD, Linux, AIX, HP/UX)и Plan 9. Во всех этих случаях приложения Inferno имеют одинаковый интерфейс.
- распределенная структура:идентичные окружения устанавливаются на пользовательском терминале и на сервере, каждый может импортировать ресурсы (например, доступные устройства ввода/вывода или сети) другого. Благодаря коммуникационным возможностям системы приложения могут быть легко разделены (даже динамически) между клиентом и сервером.
- минимальные требования к оборудованию:самостоятельные приложения работают на компьютере с 1 МВ памяти и не нуждаются в контроллере памяти.
- портируемость приложений:Inferno приложения написаны на типизированном языке Лимбо, и двоичное представление, генерируемое компилятором, идентично для всех платформ.
- динамическая адаптация:приложения могут, в зависимости от оборудования или других доступных ресурсов, использовать различные программные модули для выполнения специфических функций. Например, видеоплеер может использовать различные модули декодера.
В основе структуры Inferno лежит модель, предполагающая большое различие области приложений, которые должны использоваться. Многие провайдеры заинтересованы в предоставлении медиа и других сервисов: телефонный сервис, www-сервис, кабельное телевидение, торговля, различные информационные службы. Также существует много технологий связи: обычные телефонные модемы, ISDN, АТМ, Интернет, аналоговое эфирное или кабельное телевидение, кабельные модемы, цифровое видео и интерактивное телевидение.
Приложения, отвечающие текущим и будущим потребностями Lucent, связаны с управлением свитчами и маршрутизаторами. Также отметим, что внутреннюю сеть и серверы Bell Labs защищают файрволлы, основанные на Inferno.
Inferno очень бережно относится к ресурсам, что позволяет поддерживать достаточно сложные приложения на сегодняшнем оборудовании. В частности, система позволит разработчикам создавать прикладные приложения, работающие на разных устройствах. Возьмем, для примера, интерактивный покупательский каталог: возможность работы в текстовом режиме через аналоговый модем, показ картинок (возможно даже с аудио) товаров через ISDN и показ видеоклипов через цифровой канал.
Конечно, никто не заставляет вас как разработчика использовать все возможности и функции Inferno, но следует помнить - архитектура системы ограничена только требованиями и фантазиями заказчика, доступными сетевыми каналами и серверными технологиями, но не софтом.

интерфейсы Inferno

Роль системы Inferno заключается в создании нескольких стандартных интерфейсов для своих приложений:
1. Приложения используют различные внутренние ресурсы системы, такие, как виртуальная машина, которая запускает программы и модули библиотек для выполнения различных действий от простых, таких как манипуляция строками, до более сложных (работы с текстом, изображениями, высокоуровневыми библиотеками или видео).
2. Приложения существуют во внешнем окружении, которое содержит такие ресурсы, как файлы с данными, которыми можно манипулировать, и именованными объектами, которыми можно манипулировать подобно файлам, но более интенсивно. Устройства (пульт дистанционного управления, MPEG-декодер или сетевой интерфейс) представлены для приложений, как файлы.
3. Существуют стандартные коммуникационные протоколы для взаимодействия приложений как в рамках одного хоста, так и между разными хостами, на которых запущена Inferno. Таким образом Inferno-приложения могут эффективно кооперироваться.
В то же время Inferno использует интерфейсы, предоставляемые существующим окружением, таким как имеющееся оборудование или протоколы и системные вызовы операционной системы.
Типичный сервис, основанный на Inferno, состоит из множества относительно дешевых терминалов, на которых запущена Inferno как родная ОС и меньшего количества больших машин (серверов), где Inferno работает в качестве гостевой системы. На таких серверных машинах Inferno может предоставлять доступ к базе данных, транзакционной системе или другим ресурсам, предоставляемым родной операционной системой. Inferno-приложения могут быть запущены на клиентской системе, или на сервере, или на обоих.

внешнее окружение Inferno-приложений

Назначение большинства приложений Inferno - это предоставление информации или медиа данных пользователю. Такие приложения должны обнаружить местонахождение ресурса в сети и конструировать локальное представление этих данных на пользовательском устройстве. Однако большинство информационных потоков не являются односторонними: пользовательский терминал (будь то сетевой компьютер, телевизор, персональный компьютер или видеофон) также является источником некоторой информации и должен предоставлять эту информацию приложениям. Inferno во многом повторяет структуру Plan9 (родственная операционная система, также разработанная Bell Labs) в способе представления ресурсов приложениям. Эта структура следует трем принципам:
1. Все ресурсы являются именоваными и доступны в виде файлов в дереве иерархической файловой системы;
2. Раздельные иерархии ресурсов, , предоставляемые различными сервисами, объединяются в одно локальное именованое пространство;
3. Коммуникационный протокол Styx используется для унификации доступа к ресурсам, локальным или удаленным.
На практике большинство приложений видят набор файлов, организованных в дерево директорий. Некоторые файлы содержат обычные данные, другие представляют собой более активные ресурсы. Устройства представлены как файлы, драйверы устройств (таких, как модем, MPEG-декодер, сетевой интерфейс или телевизионный экран) присоединенных к системе, представлены как малые директории. Эти директории обычно содержат два файла:data и ctl, которые, соответственно, определяют операции ввода/вывода и управления устройством. Системные сервисы также доступны через именованные файлы. Например, нэймсервер может быть доступен с помощью определенного имени, скажем /net/dns; после записи в этот файл доменного имени хоста, последующее чтение возвращает соответствующий IP-адрес в цифровой нотации.
Клей, который соединяет отдельные части именованого пространства имен, - это протокол Styx. В Inferno все драйверы устройств и другие внутренние ресурсы отвечают процедурной версии Styx.
Ядро Inferno содержит так называемый «драйвер монтирования», который преобразует операции файловой системы в удаленные вызовы процедур для передачи их по сети. На другом конце соединения, сервер считывает сообщения протокола Styx и реализует соответсвующие вызовы, используя локальные ресурсы. Таким образом, становится возможным импортировать часть именованого пространства (то есть доступные ресурсы)с других машин.
Расширяя приведенный выше пример: маловероятно, чтобы конечное устройство хранило код сервера имен у себя. Вместо этого, интернет браузер импортирует ресурс /net/dns прямо в собственное пространство имен с сервеpной машины в сети.
Протокол Styx находится уровнем выше и независит от транспортного протокола; он работает поверх ТСР, РРР, АТМ или различных модемных про токолов.

внутреннее окружение приложений Inferno

Inferno-программы написаны на новом языке Limbo, который создан специально для работы в Inferno. Его синтаксис навеян С и Pascal, и он поддерживает общие для этих языков стандартные типы данных и несколько высокоуровневых типов данных, таких, как списки, кортежи, строки, динамические массивы и простые абстрактные типы данных.
Кроме того, Limbo поддерживает несколько сложных конструкций, внедренных в виртуальную машину Inferno. В частности, коммуникационный механизм, channel (канал), который используется для взаимодействия различных задач Limbo на локальной машине или через сеть. Через канал передаются данные машинонезависимым способом, таким образом сложные структуры данных, включая сами каналы, могутбыть переданы между задачами Limbo или присоединены к файлам именованого пространства для взаимодействия между компьютерами на уровне языка.
Многозадачность поддерживается непосредственно языком Limbo: могут порождаться независимые потоки и для координации канального соединения между задачами используется выражение alt (т. е. alt используется для выбора одного из нескольких каналов, готовых для взаимодействия). Путем встраивания каналов и задач в язык и его виртуальную машину, Inferno представляет легкий для использования и безопасный способ взаимодействия.
Программы Limbo состоят из модулей, которые являются упакованными контейнерами с определенным интерфейсом в виде функций/методов, абстрактных типов данных и констант, определяемых внутри модуля и доступных извне. Модули доступны динамически, то есть если один модуль хочет использовать другой, то динамически вызвается load с именем вызваемого модуля и возвращается указатель на новый модуль. Когда новый модуль больше не используется, его окружение и код будут выгружены.
Гибкостью модульной структуры обусловлены небольшие рзмеры типичного Inferno-приложения. Например, в торговом каталоге, описанном выше, основной модуль приложения динамически проверяет наличие видеоресурса, и если ресурс недоступен, то видеодекодер не подгружается.
Limbo полностью проверяет правильность типов данных во время компиляции и исполнения, например, указатели (кстати более строгие, чем в С) проверяются перед использованием. Соответствие типов подгружаемого динамически модуля проверяется при загрузке. Limbo-приложения стабильно работают на машине без аппаратной защиты памяти.
Более того, все объекты системных данных и программные объекты контролируются "мусороуборщиком", жестко встроенным в Limbo. Все такие объекты отслеживаются виртуальной машиной и выгружаются после использования. Например, если приложение создает графическое окно и заканчивает свою задачу, то такое окно автоматически закрывается после того, как будут удалены все ссылки на этот объект.
Программы Limbo скомпилированны в байт-код, который содержит инструкции для виртуальной машины Dis. Архитектура арифметической части Dis представляется собой простую 3-адресную машину, обеспеченную несколькими специализированными операциями для работы с некоторыми высокоуровневыми типами данных, такими как массивы и строки. Сбор мусора выполняется ehjdytv ниже, аналогично скрыта и планировка задач. Когда байт код подгружается в память, то он разворачивается в более эффективный для исполнения формат. Существующий компилятор на лету преобразует поток инструкций Dis в машинные инструкции для аппаратного обеспечения. Такое преобразование эффективно благодаря тому, что команды Dis очень хорошо соответствуют наборам инструкций современных архитектур. Результирующий код выполняется со скоростью, сравнимой со скоростью компилированных программ С.
Уровнем ниже, чем Dis, находится ядро Inferno, которое содержит интерпретатор и компилятор реального времени, также как менеджер памяти, планировщик, драйверы устройств, стеки протоколов и тому подобное. Ядро также содержит основу файловой системы (обработчик имен и код, преобразующий операции файловой системы в удаленные вызовы процедур через существующие коммуникационные каналы).
Наконец, виртуальная машина Inferno реализует внутри себя несколько стандартных модулей. Модуль Sys, который обеспечивает системные вызовы и небольшую библиотеку подпрограмм (создание сетевых соединений, строковые операции). Модуль Draw - это основная графическая библиотека, которая работает с растрировой графикой, шрифтами и окнами. Модуль Prefab построен на Draw для поддержки структурированных комплексов, содержащих изображения и текст внутри окна. Эти объекты могут быть прокручены, выбраны, изменены с использованием методов Prefab. Модуль Тk - это новая реализация графической библиотеки Тk и интерфейсом Limbo. Модуль Math содержит процедуры программирования математических операций.

среда Inferno

Inferno создает стандартное окружение для приложений. Одно и то же приложение может быть запущено в различных типах окружения, в том числе распределенном, и увидеть идентичные ресурсы. В зависимости от окружения, в котором запущена сама Inferno, существует несколько версий ядра, Dis/Limbo-интерпретатора, наборов драйверов устройств.
Когда Inferno запущена в качестве единственной операционной системы, ядро включает в себя все необходимые низкоуровневые части (обработчики прерываний, графические и другие драйверы), которые необходимы для воплощения высокоуровневых абстракций для приложений.
В качестве гостевой системы, например под Unix или Windows, Inferno работает, как набор обычных процессов. Вместо использования собственных возможностей для управления оборудованием, Inferno использует ресурсы, предоставляемые операционной системой, под которой работает. Например, под Unix, графическая библиотека может быть реализована с использованием ХWindow, а сетевая поддержка с использованием библиотеки сокетов. В Windows Inferno использует родную графическую систему и вызовы Winsock.
Inferno написа на на стандартном языке С и большинство ее компонентов независимы от операционных систем, которые могут хостить Inferno.

безопасность в Inferno

Inferno обеспечивает безопасность коммуникаций, использования ресурсов и системной целостности.
Через каждый внешний канал данные передаются в открытом виде вместе с цифровым дайджестом для предотвращения порчи, либо зашифроваными, для предотвращения порчи и перехвата данных. Обмен ключами происходит через стандартный механизм публичных ключей. После обмена ключами шифрование и цифровые подписи используют стандартный симметричный механизм.
Inferno обеспечивает защиту от плохо написанных приложений (с ошибками или злонамеренными «отклонениями») и предоставляет возможность защищенного взаимодействия между «подозрительными» сервис-провайдерами и клиентами. Ресурсы, необходимые программе, предоставляются эксклюзивно, только в пространстве имен программы, также доступны стандартные механизмы защиты. Это относится к данным, коммуникационным каналам и собственно исполняемым файлам и библиотекам. Критические ресурсы системы доступны только через вызов модуля, который их предоставляет, в частности, добавление новых файлов и сервисов в именованое пространство контролируется и возможно только после аутентификации. Например, если сетевой ресурс удален из именованого пространства приложения, то для него становится невозможным установить сетевое соединение.
Объектные модули могут быть подписаны для подтверждения их подлинности и действительности, эти подписи могут быть проверены системой при доступе к таким модулям.
Хотя Inferno обеспечивает большое количество механизмов аутентификации и защиты, подробно описанных ниже, немного приложений требуют их реализации, по крайней мере требовать какого-то программирования для использования их.
Чаще доступ к ограниченым ресурсам через безопасный канал заранее организуется системой, в которой запущено приложение. Например, когда клиентская система использует серверную систему и проверка доступа и шифрование доступны, серверные ресурсы будут предоставлены, как часть именованого пространства приложения. Коммуникационный канал, который предоставляет протокол Styx, может быть установлен для аутентификации или шифрования. Таким образом, использование всех ресурсов автоматически защищено.

механизмы безопасности

Аутентификация и цифровые подписи представлены шифрованием с использованием открытых ключей. Публичные ключи сертифицирваны и подписаны приватными ключами организации, выдавшей сертификат.
Inferno использует шифрование для:
- постоянной аутентификации сторон;
- аутентификации сообщений между сторонами;
- шифрования сообщений.
Алгоритмы шифрования, предоставляемые Inferno, включают SHA, MD4, и MD5-хеши. публичные подписи и подтверждение подписей Elgamal, RC4- и DES-шифрование. Обмен пуб личными ключами основан на схеме Diffie Hellman. Подписи публичных ключей могут иметь длину до 4096 бит, по умолчанию 512 бит.
Не существует всеобщих национальных или международной организации для хранения или генерации публичных или приватных ключей шифрования. Поэтому Inferno включает инструмент для использования или создания доверенной организации, но не предоставляет такой организации самостоятельно, потому что это административная функция. Таким образом, организация используящая Inferno (или другую систему для защиты и обмена ключами) должна создать собственную систему для своих нужд и, в частности, решить, кому доверить сертификацию. Однако структура Inferno достаточно гибка и модульна для применения протоколов, используемых на практике.
Сертификационная организация, которая подписывает пользовательские публичные ключи, определяет размер ключа и алгоритм. Средства, предоставляемые Inferno, используют эти подписи для аутентификации. Для подписи и верификации Limbo-приложениям предоставляется библиотека интерфейсов.
Когда стороны обмениваются данными, они используют протокол Station to Station для идентификации сторон и для создания секретного ключа. Station to Station протокол использует алгоритм Diffie-Hellman для создания такого совместного секретного ключа. Протокол защищен от повторных атак выбором новых значений для каждого взаимодействия. Протокол безопасен для атак "man in the middle" за счет обмена сторонами сертификатами и затем подписанными ключевыми частями протокола. Для маскировки в качестве другой стороны атакующему необходимо имитировать подпись этой стороны.

безопасность линии

Сетевое взаимодействие может быть защищено от модификации или модификации и прослушивания. Для защиты от модификации Inferno может применять MD5- или SHA-хеш (называемый дайджест) -

hash(secret, message, messageid)

для каждого сообщения. Messageid - это 32 номер, который начинается с 0 и увеличивается на 1 для каждого следующего сообщения. То есть сообщение не может быть ни изменено, ни удалено, не может быть изменена очередность сообщений в потоке, только при условии наличия ключа или взлома алгоритма хеша.
Для защиты от прослушивания Inferno использует шифрование всего сеанса используя RC4 или DES (DESCBC, DESECB).
Inferno использует тот же формат инкапсуляции, что и Netscape's Secure Sockets Layer. Возможна множественная инкапсуляция потока сообщений для предоставления различных уровней защиты.

случайные числа

Прочность криптографического алгоритма зависит, в частности, от случайных чисел, используемых для выбора ключей, параметров алгоритма Diffie Hellman, векторов инициализации и т. п. Inferno достигает этого в два этапа: медленный (от 100 до 200 бит в секунду) случайный битовый поток получается от семплирования битов низких разрядов свободно работающего счетчика с каждым тактом часов. Часы должны быть несинхронизированы, или малосинхронизированы со счетчиком. Этот генератор случайных чисел затем используется для изменения состояния быстрого генератора псевдослучайных чисел. Оба генератора были протестированы на множестве архитектур, используюя самокорреляцию, случайные ходы и повторяющиеся тесты.

По материалам компании-производителя.