操作系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更新.pdf

1、隨著IT架構(gòu)不斷被部署到關(guān)系國計(jì)民生的支撐行業(yè)中，提供24×7的高可用性變得越發(fā)重要，對(duì)于運(yùn)行著關(guān)鍵服務(wù)的系統(tǒng)任何形式的打斷都將造成巨大損失。操作系統(tǒng)作為整個(gè)軟件體系架構(gòu)中的基礎(chǔ)層與關(guān)鍵層，其可用性將直接影響到上層所有軟件的可用性，因而如何提高操作系統(tǒng)的可用性成為提高軟件可用性的關(guān)鍵問題之一。另一方面由于操作系統(tǒng)本身的龐大和復(fù)雜，現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠完善。為了修復(fù)安全隱患、糾正系統(tǒng)錯(cuò)誤、提高軟件性能和增加新的功能，操作系統(tǒng)在其生命周期中需

2、要不斷的被更新和維護(hù)。但現(xiàn)有基于“更新一重啟”的靜態(tài)更新方法需要重啟操作系統(tǒng)，導(dǎo)致整個(gè)可用性的喪失。HP實(shí)驗(yàn)室在2001年的研究報(bào)告中同樣指出人為的系統(tǒng)維護(hù)是造成系統(tǒng)停機(jī)的最大原因。因此有效地降低系統(tǒng)維護(hù)引起的可用性喪失是提高操作系統(tǒng)可用性最直接有效的方法。 動(dòng)態(tài)更新技術(shù)(Dynamic update，or Live update)能夠在保持系統(tǒng)持續(xù)正常運(yùn)行的情況下完成更新維護(hù)操作，是解決上述問題的最佳方法。但是在操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)

3、動(dòng)態(tài)更新技術(shù)面臨多方面的困難。本文的主要工作是總結(jié)和分析了這些困難，并提出了一種利用系統(tǒng)虛擬化技術(shù)在當(dāng)前通用操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新功能的有效方法。 由于當(dāng)前通用操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上并沒有考慮到對(duì)動(dòng)態(tài)更新的支持，以及本身極高的復(fù)雜性，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)動(dòng)念更新功能存在諸多困難。首先，當(dāng)前通用操作系統(tǒng)幾乎都是使用面向過程語言開發(fā)的，很難找到合適的粒度來進(jìn)行動(dòng)念更新，同時(shí)也不存在一種簡單直接的方法能將對(duì)舊版本數(shù)據(jù)和函數(shù)的訪問重定向到新版本數(shù)據(jù)和函數(shù)

4、上。 其次，當(dāng)前通用操作系統(tǒng)采用多線程并發(fā)執(zhí)行，隨意的更新可能導(dǎo)致系統(tǒng)中同時(shí)出現(xiàn)使用不同版本數(shù)據(jù)和函數(shù)的線程，造成系統(tǒng)狀態(tài)不一致。而現(xiàn)有基于安全點(diǎn)(Safe Point)的解決方案又不適合像操作系統(tǒng)這樣復(fù)雜的大型軟件。 最后，直接運(yùn)行在物理硬件上的操作系統(tǒng)位于整個(gè)軟件架構(gòu)的底層，只能由自己來完成對(duì)自身的動(dòng)態(tài)更新。這種既是更新對(duì)象又是更新主體的情況很可能導(dǎo)致更新操作無法完成，甚至造成系統(tǒng)死鎖或者崩潰。為了克服這些困難，我們

5、提出了一種利用系統(tǒng)虛擬化技術(shù)在現(xiàn)有通用操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新功能的方法。該方法依靠位于操作系統(tǒng)和物理硬件之問，完全控制著整個(gè)系統(tǒng)的虛擬機(jī)監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新操作。首先在函數(shù)粒度上由虛擬機(jī)監(jiān)控器通過二進(jìn)制代碼重寫(binary rewriting)實(shí)現(xiàn)訪問重定向，其次徹底摒棄對(duì)安全點(diǎn)的依賴，支持在任意時(shí)刻對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，使用虛擬機(jī)監(jiān)控器保持多線程問不同版本數(shù)據(jù)的同步，維持系統(tǒng)狀態(tài)的一致性。最后使用位于更底層的虛擬機(jī)監(jiān)控器來完成對(duì)操作

6、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更新，避免可能的死鎖和系統(tǒng)崩潰。為了進(jìn)一步完善動(dòng)態(tài)更新系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)監(jiān)控器的動(dòng)態(tài)更新，我們?cè)贚ucos系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入白虛擬化技術(shù)。自虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬機(jī)監(jiān)控器的按需動(dòng)態(tài)插入和移除，使得操作系統(tǒng)能夠在物理硬件和虛擬機(jī)監(jiān)控器兩種執(zhí)行環(huán)境間自由切換執(zhí)行。直接運(yùn)行在物理硬件上的操作系統(tǒng)能夠完成對(duì)此時(shí)處于不工作狀態(tài)下的虛擬機(jī)監(jiān)控器的動(dòng)態(tài)更新，而處于工作狀態(tài)下的虛擬機(jī)監(jiān)控器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)上層操作系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更新。 為了驗(yàn)證上述

7、方案的可行性，我們以開源虛擬機(jī)監(jiān)控器Xen以及Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了名為Lucos(Live Update of Contemporary Operating System)的動(dòng)態(tài)更新系統(tǒng)，和名為Mercury的自虛擬化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Lucos動(dòng)態(tài)更新系統(tǒng)能夠正確迅速的使用來自官方發(fā)布的補(bǔ)丁文件實(shí)現(xiàn)對(duì)Linux操作系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更新，并且在性能方面，相對(duì)于運(yùn)行在Xen上的Linux操作系統(tǒng)僅僅存在不到1％的性能損失。而Merc