WASMを実行する自作Microkernel, mavisの紹介

2023/9/23 第35回 自作OSもくもく会オンライン の@RI5255 (https://twitter.com/RI5255) の発表資料です。

Transcript

1. WASMバイナリを実行する自作Microkernel, mavisの紹介 -WASM x Microkernelが描く未来- 第35回 自作OSもくもく会オンライン @RI5255
2. 仕組みを理解したい!! OTFって何？ NTFSって何? Cコンパイラの仕組みは? USBドライバの仕組みは？ 自己紹介 ・低レイヤが好き ・重度のフルスク病 ・CTFはpwnが好き @RI5255 1
3. WASM Runtime x Microkernel !! https://github.com/RI5255/mavis 2
4. WASMとは？ ・仮想CPUの命令セット及びバイナリフォーマットの仕様 ・スタックマシンベースの命令セット 3 ・いろいろな言語からWASMにコンパイルできる(Rust, C, Go etc…)
5. Microkernelとは？ user タスクスケジューラ デバイスドライバ ファイルシステム シンプルで必要最低限のinterface 必要最小限の機能 kernel server 4
6. WASM Runtime x Microkernelとは？ user タスクスケジューラ デバイスドライバ ファイルシステム シンプルで必要最低限のinterface WASM Runtime kernel WASM 全てのserverがWASMバイナリなMicrokernel !! 5
7. Motivation モノリシックkernel タスクスケジューラ デバイスドライバ ファイルシステム kernel user system calls ・同じOS、同じアーキテクチャである限り同じバイナリが動く世界 6 Program
8. Motivation Microkernel ・同じOS、同じアーキテクチャである限り同じバイナリが動く世界 kernel system calls タスクスケジューラ デバイスドライバ ファイルシステム user タスク生成 低レベルなメモリ管理 IPCの仕組み Program ・アプリケーションに応じて”OS”の機能を容易に切り替えられる世界 7
9. Motivation Microkernel x WASM ・同じOSである限り同じバイナリが動く世界(再コンパイルの必要なし) ・アプリケーションに応じて”OS”の機能を容易に切り替えられる世界 system calls タスクスケジューラ デバイスドライバ ファイルシステム user Program WASM 8 kernel タスク生成 低レベルなメモリ管理 IPCの仕組み WASM Runtime
10. Motivation ・WASMはスタックマシンベースの命令セットなのでWASMバイナリは位置独立 Microkernelのボトルネックを解消しつつ、拡張性に優れたOSを作ることができる!! 全てをKernel空間で動かせる!! さらに… 仮想メモリが必要ない ・WASMを使えば特権命令の禁止、範囲外読み書きの禁止ができる 9
11. 概要 fs ・ファイルのopen ・ファイルのread ・ファイルのclose vm ・タスクの生成 ・タスクの削除 shell ・コマンド実行 WASM Runtime(Kernel) low level functions WASM Program Microkernel 10
12. 特徴 ・仮想メモリを持たない ・すべてのプログラムがWASMバイナリ ・すべてのプログラムがring0で動く ・kernelそのものがWASM Runtime ・メッセージパッシングの機構を提供 ・”OS”の機能は全てWASMバイナリとして実現する 11 ・Kernelの大部分はHina OS(https://github.com/nuta/microkernel-book)を参考にしている
13. Demo: “Hello World” on mavis 13
14. Demo: “Hello World!” on mavis shell fs “hello” OPEN_FILE_MSG OPEN_FILE_REPLY_MSG 1 shell fs READ_FILE_DATA_MSG READ_FILE_DATA_REPLY_MSG 2 shell vm SPAWN_TASK_MSG SPAWN_TASK_REPLY_MSG 4 hello create_vm_task shell fs CLOSE_FILE_MSG CLOSE_FILE_REPLY_MSG 3 hello vm EXIT_TASK_MSG 5 task_destroy shell DESTROY_TASK_MSG ”Hello World!” 14
15. 実装: Wasm Runtime ・C実装(フルスクラッチ) ・アーキテクチャ依存の処理をビルトイン関数として持つ ・WASIはサポートしていない 15
16. 実装: Wasm Runtime ・WASIは抽象度が高い Why No WASI Support? 例) fd_writeを実装するといっても、そもそもファイルシステムがない。 より低レベルなAPIが適している 16
17. 実装: メモリ管理 palloc: 物理ページを割り当てる pfree: 物理ページを開放する palloc palloc pfree 17
18. 実装: メモリ管理 malloc:任意サイズのメモリ確保 heap next_paddr heap paddr next_paddr 18
19. 実装: メモリ管理 Why No free? ・適切にfreeを呼ぶのは難しい ・ヘッダにサイズ情報を追加する必要がある ・double free等に対する対策が必要になる ・サイズごとにfree-listが必要になる ・mallocの処理が複雑になる ・そこまでしてメモリをけちる必要ある？ 19
20. 実装: メッセージパッシング ipc_send: 指定したタスクにメッセージを送信 宛先がipc_receiveを既に呼んでいる タスクをブロックして実行を移す メッセージをコピーする 20
21. 実装: メッセージパッシング ipc_receive: 指定したタスクからメッセージを受信 自分に送信しようとしているタスクを再開 タスクをブロックして実行を移す メッセージを受信 21
22. 実装: スケジューリング ・FIFO方式 ・切り替えのタイミングはipc_send, ipc_receiveの呼び出し時(協調的マルチタスク) ・タイマ割り込みはない 22
23. 実装: スケジューリング Why No Timer Interrupt? ・kernelで動いているserverは互いに生産者、消費者の関係にある ・割り込みがあると共有リソースを操作する際にロックをとる必要がある ・すべてがkernel空間で動くのでBig Kernel Lockを実装することが困難 ・mutexはロック忘れが怖いし、デバッグが地獄 23
24. 展望 Message passing over a network 24 Network RPC(Remote Procedure Call) Application Kernel(WASM Runtime) Servers WASM Application Kernel(WASM Runtime) Servers WASM ・異なるアーキテクチャを透過的に扱うことができるようになるかも!?