L4操作系统（L4/Fiasco介绍）
（转自：http://oss.lzu.edu.cn/blog/article.php?tid_583.html）
我们学习操作系统课程的时候，一直在讲微内核，说什么“微内核是现代操作系统的主流”（时间太久，记不清了，如果说错了，不要拍我）。可是事实上，真正进入工业级别应用的微内核操作系统并不多，Microsoft的系统虽然宣称是微内核，但是应该不是，因为从来没有见过一个人可以把XP或者2000系统裁减到50M以内（95/98可以做小，这个可以从网络搜索到相关资料，但是它们是DOS的封装，这里不谈）。但是Linux不是微内核，而是 monolitic，这是大家都公认的，Linux的前辈Unix当然也不是微内核。具体说来，这个分歧主要是学术界和工业届的分歧。学术界认为，微内核是操作系统发展的主流方向，但是工业界却不这样认为。这也许是当linus推出Linux以后，和他的老师Andy Taonenbau(写Minix的牛人)互相拍砖头的缘由。
不过确切的说，microkernel的整体性能不如monolitic，这对于追求性价比的厂商而言，采用monolitic也是有道理的。不过 microkernel也有自己的长处，就是稳定。相对而言，microkernel比monolitic的依赖更为简单，所以它更稳定。不过第一代microkernel真的很令人失望，到了 Jochen Liedtke（German），他设计了第二代microkernel，称为L4，为了追求效率，所有的L4用汇编语言实现（牛人吧，用汇编写操作系统），但是这样的结果是在追求效率的同时，使得第一代L4只能运行在486和pentium上面。但是目前L4已经变成微内核的一个设计标准，围绕这个标准，有很多的L4的实现（http://os.inf.tu-dresden.de/L4/impl.html）。最初的由Jochen设计的L4目前称之为L4/X86，现在最活跃的两个分别是Pistachio和Fiasco。前者是普通的 microkernel，后者是专门为实时系统设计的microkernel，实现了L4V2（L4 API Version 2）。由于Fiasco跟L4的这种关系，所以平时Fiasco也被称做L4/Fiasco，以强调它是L4的一个implementation。
现在，终于开讲Fiasco，Fiasco的意思是“失败“，好像是从意大利语里面借来的（不知道他们为什么去这么一个名字，不过听起来还蛮上口的）。 Fiasco是Dresden Real-Time Operating Systems Project（德累斯敦大学实时操作系统项目）的核心子项目，它是一个具备实时功能的microkernel。我们知道，在一个实时系统里面，通常有两种任务，一种是real-time的，另一种是time- sharing的。real-time部分由Fiasco提供，在time-sharing部分，开发者们利用了Linux。平常Linux都是跑在某一种硬件平台（X86，ARM，PowerPC，MIPS），而在Fiasco/L4里面，开发者对Linux进行了修改，使得Linux能够运行在L4 /Fiasco，这部分叫做L4Linux。目前，L4Linux的最新版本已经到了L4Linux-2.6.17,这是现行的最新的Linux-2.6 的稳定版本。
下面，我们说说L4/Fiasco中的服务模式（程序架构），这个我认为比较有意思。如果没有任何module被加载，单纯一个microkernel那是什么事情也做不了的。所以基于L4/Fiasco有好多的module被设计出来，这些module以server的形式为后面加载的module提供服务，就好似多个C/S嵌套起来一样。
最后，讲一下microkernel跟monolitic的区别，前面说Fiasco的时候，也说到module，大家在编译Linux kernel的时候，也会有module。这两个地方的module是不一样的。前面的module是彼此之间是隔离的，具有不同的address space，而后者之间共享同一个address space。
Operating System Based L4-Like Microkernel
关于L4系统，一般来讲，目前公认的L4系统有2个特点，Fast IPC和Sigma0协议。Sigma0是一种基于IPC的内存管理协议，使用Sigma0，内存管理呈现出一种层次状。举例：有A和B两个程序，如果程序B想使用程序A的内存。如果使用Sigma0，那么很容易实现，只要把A设置为B的pager,并提供B的page fault handler程序就可以。在这种情况下，程序A和程序B依然具有不同的Address Space，A和B之间互相隔离（关于这种层次式的内存管理，请参考 The sawmill framework for virtual memory diversity）。 但是如果使用Linux来实现这种模式，除非使用share memory，我想不出其它更好的办法，但是share memory使得A和B之间有的Address Space有了交集，从security和safety两个方面来讲，都不是很好的解决方法。近年来，越来越多的L4系统开始支持一种新的特性-Capability, Capability是为了提高操作系统安全性而设计的，Capability和要访问的Resource之间的关系类似于文件描述符号和文件之间的关系一样，要访问一个Resource，必须通过Capability来进行，Capability里面规定了那么资源可以被访问等安全特性，Capability
允许被grant（从一个用户转移到另外一个用户），总之，Capability是比Access Control List更好的一种增强系统安全性的方法。
Live System
1, PikeOS/ELinOS 德国SYSGO AG公司的商用非开源系统，它提供了很好的Resource Isolation机制，使用ParaVirtualization，让每一个OS Personality运行在一个VM里面，可以支持Java和Ada的应用程序。PikeOS不但具有Spatial Isolation，还具有很好的Temporal Isolation，因此也支持Real-Time application。ELinOS是移植到PikeOS的嵌入式Linux系统（2.4和2.6)，支持众多硬件平台和开发板。PikeOS通过ARINIC 653，D0-178B认证，因此被用于军工航天等Safety-Critical和Secure Application。PikeOS是从98年开始开发的，近几年Sysgo已经成为欧洲增长最快嵌入式厂商，ELinOS也成为比较流行的嵌入式Linux开发环境。因为是商用系统，可参考的资料很少。(www.sysgo.com， http://en.wikipedia.org/wiki/PikeOS）
2，Fiasco/L4Env/L4Linux Fiasco是TUD Operating System Group (os.inf.tu-dresden.de)开发的Real－Time微内核，支持L4 V2.0和L4 X.0标准(L4的接口标准），Fiasco是由C＋＋实现的典型L4系统，Fiasco提供众多L4系统调用以及Fiasco的实时扩展，请点击 Fiasco Syscalls。L4Env是一套基于Fiasco的服务程序，包括roottask, sigma0, log, names, dm_phys, l4vfs, l4io, dope, con等各种server，L4Env是一种典型SawMill Multi－Server OS （参考paper The SawMill multiserver approach）,关于L4Env的一些基本情况，请点击L4Env Manual。L4Linux是基于L4Env移植的Linux系统，Linux－2.0, Linux-2.2, Linux-2.4, Linux-2.6前后分别被移植到L4Env上面，目前L4Linux版本更新到2.6.26，L4Linux相当于一种基于“L4 CPU”的Linux系统，对Linux系统的修改都存放在arch/l4目录下面，较好地维持了Linux系统semantic integrity。关于Fiasco/L4Env/L4Linux的设计，请参考Paper The Performance of µ-Kernel-Based Systems ,这个Paper也是微内核领域最著名的Paper之一。值得注意的是，基于Fiasco和L4Linux，有2个很重要的研究成果， DROPS实时系统是一种面向服务质量需求的实时系统，可以提供某种程度的保证(guarantee)。L4/Nizza，一种面向Trusted Computing的基于微内核的系统架构，这也是最早利用L4微内核进行security system研究的工作，可以参考Paper : Security Architecture Revisited。此外，他们维护一个IDL for L4，称为Dice。
3, Pistachio/AfterBurner Pistachio是目前最好的L4微内核之一，它由 卡尔斯鲁尔大学系统体系结构研究组和 新南威尔士州立大学操作系统研究小组共同开发的微内核。跟所有的研究机构一样，一开始大家都是单干，卡尔斯鲁尔作Hazelnut,新南威尔士州立做L4/MIPS,L4/Alpha。后来，大家联合起来，做成了Pistachio。不过微内核之上的部分大家一直单干，各有各的系统。卡尔斯鲁尔的Pistachio小组在很长的时间内，一直使用来自TUD的L4Linux作为基于Pistachio的虚拟化技术，直到Pistachio的Afterburner技术出现为止才有了改观。AfterBurning是该小组研发的一种Pre-Virtulization技术(Pre-Virtualization是一种兼顾Para-Virtulization的高性能和Modularity的可维护性而出现的一种尝试，具体来说，是把一种source code可以根据需求编译出不同的系统，同样的Linux，可以编译出适用于Xen的Guest OS，也可以编译出使用L4:Pistachio的Virtual Machine。由于这项工作是在编译阶段完成的，因此诸多优化也可以同时生效，而避免了Para-Virtualization的单一性。比如L4Linux只能应用用Fiasco，XenLinux只适合于Xen等等），因为是通过编译来完成的，所以性能会更好一些。比较有趣的是，他们有一个BurnNT技术，可以支持Multi-Windows，网站上面提供源代码下载。他们关于Device Driver Virtualization有一篇Paper是OSDI的， Unmodified Device Driver Reuse ,是近几年L4领域一篇少有的佳作。其主要思想是把每一个Virtual Linux当作一个Device Driver Server，从而提供Dependable System.
4, OKL4/Iguana OKL4是L4:Pistachio-Embedded的延续，它目前有 Open Kernel Labs公司维护，但是研究工作基本上都是在 ERTOS完成的。目前OKL4的市场化推广作的不错，已经有很多产品使用了OKL4，包括基于OKL4的OpenMoko，也已经面世。相当于TU-D和Uni Karlsruhe的L4小组，ERTOS规模显得很庞大，他们网站上面的项目也很多，各种项目都有。主要有：1）基本系统维护， OKL4+ Iguana+ Magpie＋ Wombat, Iguana类似于L4Env, Magpie类似于Dice,Wombat类似于L4Linux，一一对应。2）Security seL4+L4.Verified，我分不清楚2个项目的目标有什么不同，seL4是security Embedded L4的意思，总之，其核心内容即使使用formal method来验证OKL4 is secure kernel，似乎他们现在已经达到验证机器码的程度，大概步骤就是使用Haskell重新实现OKL4的API，然后使用Isabela进行证明，在这个方面，Kernel Verification，他们作的很成功，这也是他们可以赢得众多工业厂商青睐的一个原因3）Real-Time 既然是面向Embedded的，Real-Time自然是要用；Component-based Microkernel；Power Management，这些也都是目前OS研究的一些Hotopic.
5, Coyotos 首先，Coyotos不是L4，但是Coyotos和L4之间的关系之密切远远胜过了其他微内核和L4之间的关系。比如Fast IPC， Capability-Based OS, IDL。Coyotos是KeyKOS和EROS(Extremely Reliable OS)的改进版本，从EROS的名称或许可以看出，这个系统和以上的系统有些不同，它强调reliable，所以EROS刚开始的时候，被应用于一些军用系统，但是后来发现Synchronous IPC会导致一个Denial of Service的Bug，这个Bug存在于所有基于Synchronous IPC的系统中，当然也包括所有的L4，在Vulnerability In Synchronous IPC design中有详细的描述。当然，现在这个Bug也已经被修正。Coyotos的目标应该是提供具有军用级别的（EAL7 =Evaluation Assurance Level）的microkernel, 它使用一种新的称为BitC(类似于Haskell的Safety Language)来实现这个系统，而且整个系统采用一种类似于OOP的形式（所有的L4系统都是OOP的，Fiasco和Pistachio都是C++的）。Coyotos is still persistant and transactional microkernel OS。从概念上来讲，Coyotos更为先进，Capability也是在该系统上面首次被应用，所以有志于研发3rd Microkernel的不妨多多关注这个Microkernel.
6，Mungi Mungi是ERTOS小组开发的persistant SASOS (single address space operating system), 这个项目已经停止。但是作为第一个利用L4/Microkernel来开发不同类型的OS，仍然可以给我们提供很多新的idea,尤其是persistant，即使到目前为止，应该有值得研究的价值。http://www.coyotos.org/官网上面有很多该Microkernel的设计文档，值得一看。
7, M. D. Bennett 《 A Kernel For IMA Systems》 这是University of York的以为PH.D基于L4尝试构建IMA系统，IMA全程是Integrated_Modular_Avionics，也就是面向航空航天控制的系统，这也是我能找到的基于L4所作的safety critical system的唯一一次尝试，因为我自己是倾向于作这个方向的，所以列举这个Kernel在这里。因为University Of York是safety critical system的大本营，所以这篇paper应该不错。
8, Genode OS Framework. 一个recursive hierarchical constructive os framework. 目前基于L4/Fiasco开发，主页: genode.org