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一文淺析KataOS的基礎(chǔ)知識

yzcdx ? 來源:OS與AUTOSAR研究 ? 作者:thatway ? 2022-10-19 09:30 ? 次閱讀

先來說一個新聞:谷歌前幾天(2022.10.14)宣布發(fā)布 KataOS,它是用于進行機器學習嵌入式設(shè)備的操作系統(tǒng)。KataOS 從設(shè)計上就具備安全考慮,不但幾乎完全是由 Rust 實現(xiàn)的,而且是建立在 seL4 微內(nèi)核的基礎(chǔ)之上,seL4 在數(shù)學上被證明是安全的,具有保證保密性、完整性和可用性。

關(guān)于嵌入式軟件的發(fā)展方向,說點個人見解

1)從linux宏內(nèi)核的粗放型會向微內(nèi)核的細顆粒控制的方向轉(zhuǎn)變,更強調(diào)系統(tǒng)的安全性,一方面內(nèi)核縮小,一方面各個應(yīng)用間彼此隔離。

2)從編程語言上,會轉(zhuǎn)向少寫bug的語言,當代碼很容易堆砌,成本比較低的時候,會更加注重質(zhì)量,新的編程語言一方面會校驗不寫bug,另一方面會隨著硬件變化自動補充功能,雖然編程語言的發(fā)展很難,例如Rust十幾年了才更被大家所知,但是這是趨勢。

3)對于核心程序已經(jīng)不能滿足工具技術(shù)來讓其正確了,需要對bug零容忍,也就是從正面保證正確性,而不是靠經(jīng)驗的測試和編碼,從數(shù)學上就是形式化,但是證明工作量巨大,不過也是趨勢。

現(xiàn)在你再去看這段新聞,你會發(fā)現(xiàn)不得了,大家想干的事情,谷歌先干了,而且不自己從無到有的造一個,用了已有的sel4(微內(nèi)核+形式化驗證)和Rust(新語言)結(jié)合。美中不足的是現(xiàn)在還在開發(fā)中,只是公布了第一版,但是就像之前谷歌的Fuchsia、安卓等一樣,代碼開放程度還是挺好的,基本不保留。這樣我們就可以上我們的慣例了: 代碼下載+編譯+運行

1.KataOS簡介

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目前我們使用的很多智能設(shè)備收集的個人身份數(shù)據(jù)——例如人的圖像和他們的聲音錄音等,如果其被惡意軟件訪問就會有安全問題。所以必須從數(shù)學上證明能夠保證數(shù)據(jù)的安全,也就是我們經(jīng)常說的形式化驗證的方法。KataOS就是這么一個簡單的解決方案來為嵌入式硬件構(gòu)建可驗證的安全系統(tǒng)。

GoogleResearch 團隊已著手通過構(gòu)建一個可證明的安全平臺來解決這個問題,就是上面說的KataOS。這是一個正在進行的項目,還有很多事情要做,但我們很高興能分享一些早期的細節(jié)并邀請其他人在平臺上進行協(xié)作,這樣我們就可以構(gòu)建默認內(nèi)置安全性的智能環(huán)境系統(tǒng)。

sudo apt-get install repo
mkdir sparrow
cd sparrow
repo init -u https://github.com/AmbiML/sparrow-manifest -m camkes-manifest.xml
repo sync -j4

2. 代碼介紹

401e63ae-4f3d-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ????

從整體上看,KataOS完全借用了開源軟件的力量,可以說是攢出來的系統(tǒng),微內(nèi)核用現(xiàn)成的SeL4,為了在其上面運行Rust程序使用了一個開源軟件sel4-syscrate,然后跟Antmicro公司合作優(yōu)化了sel4-syscrate,形成了框架,加上了調(diào)試模擬和基于硬件的Sparrow安全驗證運行環(huán)境(初始版本未公開)。

下面看官網(wǎng)論壇介紹:

KataOS 開源了幾個組件,并與 Antmicro合作開發(fā)了他們的Renode 模擬器和相關(guān)框架。作為這個新操作系統(tǒng)的基礎(chǔ),我們選擇seL4作為微內(nèi)核,因為它把安全放在首位;它在數(shù)學上被證明是安全的,具有保證的機密性、完整性和可用性。通過 seL4CAmkES 框架,我們還能夠提供靜態(tài)定義和可分析的系統(tǒng)組件。

KataOS提供了一個可驗證安全的平臺來保護用戶的隱私,因為應(yīng)用程序在邏輯上不可能違反內(nèi)核的硬件安全保護,并且系統(tǒng)組件是可驗證安全的。KataOS也幾乎完全用Rust實現(xiàn),它為軟件安全性提供了一個強有力的起點,因為它消除了整個類別的錯誤,例如一個錯誤和緩沖區(qū)溢出。

當前的 GitHub 版本包含了大部分 KataOS 核心部分,包括我們用于 Rust 的框架(例如 sel4-sys crate,它提供了 seL4 系統(tǒng)調(diào)用 API),一個用 Rust 編寫的備用根服務(wù)器(用于動態(tài)系統(tǒng)范圍的內(nèi)存管理) ),以及對 seL4 的內(nèi)核修改,可以回收根服務(wù)器使用的內(nèi)存。我們與 Antmicro合作,使用Renode為我們的目標硬件啟用 GDB 調(diào)試和模擬。

在內(nèi)部,KataOS還能夠動態(tài)加載和運行在CAmkES 框架之外構(gòu)建的第三方應(yīng)用程序。目前,Github上的代碼不包含運行這些應(yīng)用程序所需的組件,但我們希望在不久的將來發(fā)布這些功能。

為了完整地證明一個安全的環(huán)境系統(tǒng),我們還為KataOS 構(gòu)建了一個名為Sparrow 的參考實現(xiàn),它將KataOS 與一個安全的硬件平臺相結(jié)合。因此,除了邏輯安全的操作系統(tǒng)內(nèi)核之外,Sparrow還包括一個邏輯安全的信任根,該信任根是使用OpenTitan在 RISC-V 架構(gòu)上構(gòu)建的。但是,對于我們的初始版本,我們的目標是使用QEMU 在模擬中運行更標準的64 位ARM 平臺。

我們的目標是開源所有Sparrow,包括所有硬件和軟件設(shè)計。目前,我們剛剛開始在 GitHub 上發(fā)布 KataOS的早期版本。所以這只是一個開始,我們希望您能與我們一起建立一個智能環(huán)境ML 系統(tǒng)始終值得信賴的未來。

camkes-tool : seL4 的 camkes-tool 存儲庫,增加了支持 KataOS 服務(wù)的功能
capdl : seL4 的 capdl 存儲庫,添加了 KataOS 服務(wù)和 KataOS 根服務(wù)器(替代 capdl-loader-app,用 Rust 編寫并支持將系統(tǒng)資源移交給 KataOS MemoryManager 服務(wù))
kernel:seL4的內(nèi)核,帶有用于Sparrow的RISC-V平臺的驅(qū)動程序,并支持回收KataOS根服務(wù)器使用的內(nèi)存用于在Rust中開發(fā)的kata框架,以及(最終)KataOS系統(tǒng)服務(wù)
腳本:支持腳本,包括 build-sparrow.sh
大多數(shù) KataOS Rust crates 位于kata/apps/system/components目錄中。通用/共享代碼在kata-os-common中:
allocator : 建立在鏈表分配器箱上的堆分配器
camkes:支持在 Rust 中編寫 CAmkES 組件
capdl : 支持讀取 capDL-tool 生成的 capDL 規(guī)范
copyregion : 臨時將物理頁面映射到線程的 VSpace 的助手
cspace-slot :插槽分配器的 RAII 助手
logger : seL4 與 Rust logger crate 的集成
model : 支持處理 capDL;由 kata-os-rootserver 使用
panic:一個特定于 seL4 的恐慌處理程序
sel4-config : 為 seL4 內(nèi)核配置構(gòu)建膠水
sel4-sys : seL4 系統(tǒng)接口和膠水
slot-allocator:頂級 CNode 中插槽的分配器

3.搭建編譯環(huán)境

3.1 sel4環(huán)境安裝

由于其使用的sel4微內(nèi)核,可以先搭建下sel4的,參考 https://docs.sel4.systems/projects/buildsystem/host-dependencies.html seL4微內(nèi)核入門-代碼下載運行及資料

3.2 rust環(huán)境安裝

然后是Rust安裝,執(zhí)行命令:

curl --proto '=https'--tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
cargo --version
rustup toolchain add nightly-2021-11-05
rustup target add --toolchain
nightly-2021-11-05-x86_64-unknown-linux-gnu aarch64-unknown-none

3.3 gcc編譯器安裝


執(zhí)行:sh scripts/build-sparrow.sh aarch64 會提示編譯工具找不到,如下:

405544be-4f3d-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

打開: https://developer.arm.com/downloads/-/gnu-a

406d4e38-4f3d-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

下載后解壓到文件夾,然后把路徑添加到環(huán)境變量PATH: 例如:在~/.bashrc中加入:
export PATH=$PATH: /home/XXX/tools/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-aarch64-none-linux-gnu/bin

3.4 tempita安裝

pip install tempita
多次執(zhí)行sh scripts/build-sparrow.sh aarch64,修正后會出現(xiàn)如下:

40908290-4f3d-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

表示編譯成功,下面就是運行了。

4.運行



cd build-aarch64
./simulate -M raspi3b

 40b09530-4f3d-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

修改代碼:

40c6a424-4f3d-11ed-a3b6-dac502259ad0.png

重新編譯運行,會看到打印出來。

這里的adder項目是camkes的,不是Sparrow框架的,上面說過Sparrow還沒開源,可能是其基于RISC-V硬件實現(xiàn)的,還沒有用qemu搞。

后記:

本文算是對最新的OS技術(shù)進行一些探究,這個KataOS跟SeL4很有淵源,后續(xù)會繼續(xù)研究下。






審核編輯:劉清

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原文標題:KataOS入門-簡介和代碼編譯

文章出處:【微信號:OS與AUTOSAR研究,微信公眾號:OS與AUTOSAR研究】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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