FOSSIL: Betriebssystemeunterstützung zur Erschließung des Potentials nichtflüchtigen Speichers

• Antragsteller: Professor Dr. Hermann Härtig
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502457159

Neuartige Speichertechnologien wie nicht-flüchtiger Speicher (NVM) mit bytegranularen Zugriffen gelten als revolutionär, insbesondere da sie es ermöglichen flüchtigen und nicht-flüchtigen Speicher auf die gleiche Weise anzusprechen. Allerdings stellt NVM eine Herausforderung für Betriebssysteme dar, weil NVM Eigenschaften von aktuellen nicht-flüchtigen Speichermedien (z.B. SSDs) und flüchtigen Speichermedien (z.B. DRAM) kombiniert: SSDs sind persistent wie NVM, aber der Zugriff geschieht blockweise und indirekt über ein vom Betriebssystem bereitgestelltes Dateisystem. DRAM wird wie NVM in den Adressraum der Anwendung eingeblendet, aber wird ohne eine vom Betriebssystem bereitgestellte Abstraktion verwendet. Es ist weder wünschenswert NVM wie SSDs zu behandeln, weil dadurch einige der Vorteile verloren gehen würden, noch NVM wie DRAM zu behandeln, weil das Betriebssystem dann keine Möglichkeit mehr hätte effizient Abstraktionen mit bestimmten Garantien anzubieten (z.B., Datenkonsistenz auch nach Stromausfall).Glücklicherweise sorgt ein weiterer Technologietrend für die Einführung von "Fast-Calls" in verschiedenen Formen (Apple M1, Itanium) oder auch Hardware Capabilities (CHERI, ARM Morello). Derartige Fast-Calls vermeiden den teuren Wechseln zum Betriebssystemekern, aber erlauben dennoch dem Betriebssystem bestimmte Invarianten für Ressourcenzugriffe durchzusetzen. Aus dem Grund sind Fast-Calls ein vielversprechender Kandidat, um die Herausforderungen für Betriebssysteme bzgl. NVM zu adressieren: Betriebssysteme können NVM in den Adressraum der Anwendung einblenden und Anwendungen können Fast-Calls verwenden, mit denen das Betriebssystem effizient eine bestimmte Struktur der Daten durchsetzen kann.Wir planen zwei Usecases umzusetzen: 1) ein geschütztes und geteiltes Dateisystem und 2) Unterstützung von schneller Wiederherstellung von Prozessen bei unregelmäßiger Stromversorgung. Um den Beginn der Forschung einfach zu halten, setzen wir Mikrokerntechnologie ein, die durch das Team des PIs entwickelt wurde und nun ausgereift genug ist, um in wichtigen Industrieanwendungen (z.B. Automobilindustrie) und sicherheitskritischen Bereichen eingesetzt werden zu können. Im Project werden wir ein L4-ähnliches Capability-System erweitern um den Verlust von flüchtigen Informationen bei Stromausfällen überstehen zu können. Zu diesem Zweck werden wir untersuchen inwieweit FastCalls benutzt werden können, um feingranular Zugriffsrechte für Capabilities ohne teure Kernaufrufe überprüfen zu können. Des Weiteren werden wir ein Design untersuchen, bei dem für persistente und flüchtige Darstellungen bestimmte Invarianten aufrechterhalten werden müssen für den Fall, dass die Stromversorgung abbricht.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2377: Disruptive Hauptspeichertechnologien