Типы взаимодействия процессов

По типу взаимодействия различают

• сотрудничающие процессы:

— процессы, разделяющие только коммуникационный канал, по которому один передает данные, а другой их получает;

— процессы, осуществляющие взаимную синхронизацию: когда работает один, другой ждет окончания его работы (типично для программ, управляющие рядом технологических процессов);

• конкурирующие процессы:

— процессы, использующие совместно разделяемый ресурс;

— процессы, использующие критические секции;

— процессы, использующие взаимные исключения.

Определение. Критическая секция — это участок программы, на котором запрещается переключение задач для обеспечения исключительного использования ресурсов текущим процессом (задачей). Все ОСРВ предоставляют системные вызовы "войти в критическую секцию" и "выйти из критической секции". Отметим, что "обычные" операционные системы такой возможности пользовательским программам не дают. Время пребывания процесса (задачи) в критической секции должно быть как можно меньше, так как иначе можно нарушить временные ограничения на скорость реакции на внешние события. Хорошая ОСРВ должна даже при нахождении в критической секции собирать прерывания в очередь "отложенных" прерываний и обработать их при выходе из критической секции.

Определение. Взаимное исключение (mutual exclusion, mutex) — это способ синхронизации параллельно работающих процессов (задач), использующих разделяемый постоянный критичный ресурс. Если ресурс занят, то системный вызов "захватить ресурс" переводит процесс (задачу) из состояния выполнения в состояние ожидания. Когда ресурс будет освобожден посредством системного вызова "Освободить ресурс", то этот процесс (задача) вернется в состояние выполнения и продолжит свою работу. Ресурс при этом перейдет в состояние "занят".

Если процессы: независимы (не имеют совместно используемых ресурсов), то синхронизация их работы не требуется. Если же процессы используют разделяемый ресурс, то их деятельность необходимо синхронизировать. Например, при использовании общего блока памяти проблемы: могут возникнуть, даже если один процесс (задача) только читает данные, а другой - только пишет.

При синхронизации задач необходимо бороться с 3-мя проблемами:

1. "блокировка" ("lockout"):

• процесс (задача) ожидает ресурс, который никогда не освободится,

2. "тупик" ("deadlock")

• два процесса (задачи) владеют каждым по ресурсу и ожидают освобождения ресурса, которым владеет другой процесс (задача),

3. "застой" ("starvation")

• процесс (задача) монополизировал процессор.

Для минимизации этик проблем используются следующие идеи.

• Количество ресурсов ограничено, поэтому нельзя допускать создания задач, для которых недостаточно ресурсов для выполнения.

• Задачи делятся на группы:

— неактивные задачи, которым не хватило даже пассивных ресурсов, и ожидающие событий задачи; таким задачам активный ресурс (процессор) не дается вообще;

— готовые задачи, у которых есть все необходимые пассивные ресурсы, но нет процессора; являются кандидатами на получение процессора в случае его освобождения;

— выполняющиеся задачи, у которых есть все необходимые пассивные ресурсы, и процессор.

Состояния процесса

Рассмотрим более детально состояния процесса и переходы из одного состояния в другое, Состояния:

1. не существуют,

2. не обслуживается,

3. готов,

4. выполняется,

5. ожидает ресурс,

6. ожидает назначенное время,

7. ожидает события.

Переходы из состояния в состояние:

1. переход 1-2: создание процесса

2. переход 2-1: уничтожение процесса

3. переход 2-3: активизация процесса диспетчером

4. переход 3-2: дезактивизация процесса

5. переход 3-4: загрузка на выполнение процесса диспетчером

6. переход 4-3: требование обслуживания от процессора другим процессом

7. переход 4-2: завершение процесса

8. переход 4-5: блокировка процесса до освобождения, требуемого ресурса

9. переход 4-6: блокировка процесса до истечения ладанного времени

10. переход 4-7: блокировка процесса до прихода события

11. переход 2-6: активизация процесса приводит к ожиданию временной задержки

12. переход 2-7: активизация процесса приводит к ожиданию события

13. переход 2-5: активизация процесса приводит к ожиданию освобождения ресурса

14. переход 5-3: активизация процесса из-за освобождения, ожидавшегося ресурса

15. переход 6-3: активизация процесса по истечении заданного времени

16. переход 7-3: активизация процесса из-за прихода, ожидавшегося события

Переход 4 - 3 в системах реального времени происходит сразу, как только в состояние готовности перейдет процесс с большим приоритетом. Такой механизм называют приоритетным переключением (preemption, буквально: приоритетное право на покупку). Система реального времени должна осуществлять переключение задач в соответствии с этим принципом.

Стандарты ОСРВ

Большие различия в спецификациях ОСРВ и огромное количество существующих микроконтроллеров выдвигают на передний план проблему стандартизации в области систем реального времени.

Наиболее ранним и распространенным стандартом ОСРВ является стандарт POSIX (IEEE Portable Operating System Interface for Computer Environments, IEEE 1003.1). Первоначальный вариант стандарта POSIX появился в 1990 г. и был предназначен для UNIX-систем, первые версии которых появились в 70-х годах прошлого века. Спецификации POSIX определяют стандартный механизм взаимодействия прикладной программы и операционной системы и в настоящее время включают набор более чем из 30 стандартов. Для ОСРВ наиболее важны семь из них (1003.1a, 1003.1b, 1003.1c, 1003.1d, 1003.1j, 1003.21, 1003.2h), но широкую поддержку в коммерческих ОС получили только три первых.

Несмотря на явно устаревшие положения стандарта POSIX и большую востребованность обновлений стандартизации для ОСРВ, заметного продвижения в этом направлении не наблюдается.

Некоторые наиболее успешные компании в области систем реального времени объявляют о своем решении принять в качестве стандарта спецификации одной из своих продвинутых ОСРВ. Так поступила компания TRON (the RTOS Nucleus), которая в 1987г. выпустила в свет первые ITRON спецификации – ITRON1. Далее в 1989г. она разработала и выпустила спецификации µITRON для 8- и 16- битовых микроконтроллеров, а также спецификации ITRON2 для 32-битовых процессоров. ОСРВ ITRON описывается ниже в соответствующем разделе. Этот стандарт является очень распространенным в Японии.

Военная и аэрокосмическая отрасли предъявляют жесткие требования к вычислительным средствам, влияющим на степень безопасности целевой системы. В настоящее время имеются следующие стандарты для ОСРВ в авиации – стандарт DO-178B и стандарт ARINC-653. Поскольку эти стандарты разработаны в США, стоит отметить еще европейский стандарт ED-12B, который является аналогом DO-178B.

Распространенным также является стандарт OSEK/VDX [OSEK], который первоначально развивался для систем автомобильной индустрии.

13.1

POSIX

Стандарт POSIX был создан как стандартный интерфейс сервисов операционных систем. Этот стандарт дает возможность создавать переносимые приложения. Впоследствии этот стандарт был расширен особенностями режима реального времени [POSIX].

Спецификации POSIX задают стандартный механизм взаимодействия приложения и ОС. Необходимо отметить, что стандарт POSIX тесно связан с ОС Unix; тем не менее, разработчики многих ОСРВ стараются выдержать соответствие этому стандарту. Соответствие стандарту POSIX для ОС и аппаратной платформы должно быть сертифицировано с помощью прогона на них тестовых наборов [POSIXTestSuite]. Однако, если ОС не является Unix-подобной, выдержать это требование становится непростой задачей. Тестовые наборы существуют только для POSIX 1003.1a. Поскольку структура POSIX является совокупностью необязательных возможностей, поставщики ОС могут реализовать только часть стандартного интерфейса, и при этом говорить о POSIX-комплиантности своей системы.

Несмотря на то, что стандарт POSIX вырос из Unix’а, он затрагивает основополагающие абстракции операционных систем, а расширения реального времени применимы ко всем ОСРВ.

К настоящему времени стандарт POSIX рассматривается как семейство родственных стандартов: IEEE Std 1003.n (где n – это номер).

Стандарт 1003.1a (OS Definition) содержит базовые интерфейсы ОС – поддержку единственного процесса, поддержку многих процессов, управление заданиями, сигналами, группами пользователей, файловой системой, файловыми атрибутами, управление файловыми устройствами, блокировками файлов, устройствами ввода/вывода, устройствами специального назначения, системными базами данных, каналами, очередями FIFO, а также поддержку языка C.

Стандарт 1003.1b (Realtime Extensions) содержит расширения реального времени – сигналы реального времени, планирование выполнения (с учетом приоритетов, циклическое планирование), таймеры, синхронный и асинхронный ввод/вывод, ввод/вывод с приоритетами, синхронизация файлов, блокировка памяти, разделяемая память, передача сообщений, семафоры. Чтобы стать POSIX-комплиантной, ОС должна реализовать не менее 32 уровней приоритетов. POSIX определяет три политики планирования обработки процессов:

• SCHED_FIFO – процессы обрабатываются в режиме FIFO и выполняются до завершения,
• SCHED_RR – round robin – каждому процессу выделяется квант времени,
• SCHED_OTHER – произвольная реализационно-зависимая политика, которая не переносима на другие платформы.

Стандарт 1003.1c (Threads) касается функций поддержки многопоточной обработки внутри процесса – управление потоками, планирование с учетом приоритетов, мьютексы (специальные синхронизирующие объекты в межпроцессном взаимодействии, подающие сигнал, когда они не захвачены каким-либо потоком), приоритетное наследование в мьютексах, переменные состояния (condition variables).

Стандарт 1003.1d включает поддержку дополнительных расширений реального времени – семантика порождения новых процессов (spawn), спорадическое серверное планирование, мониторинг процессов и потоков времени выполнения, таймауты функций блокировки, управление устройствами и прерываниями.

Стандарт 1003.21 касается распределенных систем реального времени и включает функции поддержки распределенного взаимодействия, организации буферизации данных, посылки управляющих блоков, синхронных и асинхронных операций, ограниченной блокировки, приоритетов сообщений, меток сообщений, и реализаций протоколов.

Стандарт 1003.2h касается сервисов, отвечающих за работоспособность системы.

13.2

DO-178B

Стандарт DO-178B, создан Радиотехнической комиссией по аэронавтике (RTCA, Radio Technical Commission for Aeronautics) для разработки ПО бортовых авиационных систем [DO178B]. Первая его версия была принята в 1982 г., вторая (DO-178A) - в 1985-м, текущая DO-178B - в 1992 г. Готовится принятие новой версии, DO-178C. Стандартом предусмотрено пять уровней серьезности отказа, и для каждого из них определен набор требований к программному обеспечению, которые должны гарантировать работоспособность всей системы в целом при возникновении отказов данного уровня серьезности

Данный стандарт определяет следующие уровни сертификации:

• А (катастрофический),
• В (опасный),
• С (существенный),
• D (несущественный)
• Е (не влияющий).

До тех пор пока все жесткие требования этого стандарта не будут выполнены, вычислительные системы, влияющие на безопасность, никогда не поднимутся в воздух.

13.3

ARINC-653

Стандарт ARINC-653 (Avionics Application Software Standard Interface) разработан компанией ARINC в 1997 г. Этот стандарт определяет универсальный программный интерфейс APEX (Application/Executive) между ОС авиационного компьютера и прикладным ПО. Требования к интерфейсу между прикладным ПО и сервисами операционной системы определяются таким образом, чтобы разрешить прикладному ПО контролировать диспетчеризацию, связь и состояние внутренних обрабатываемых элементов. В 2003 г. принята новая редакция этого стандарта. ARINC-653 в качестве одного из основных требований для ОСРВ в авиации вводит архитектуру изолированных (partitioning) виртуальных машин.

13.4

OSEK

Стандарт OSEK/VDX является комбинацией стандартов, которые изначально разрабатывались в двух отдельных консорциумах, впоследствии слившихся. OSEK берет свое название от немецкого акронима консорциума, в состав которого входили ведущие немецкие производители автомобилей – BMW, Bosch, Daimler Benz (теперь Daimler Chrysler), Opel, Siemens и Volkswagen, а также университет в Карлсруэ (Германия). Проект VDX (Vehicle Distributed eXecutive) развивался совместными усилиями французских компаний PSA и Renault. Команды OSEK и VDX слились в 1994г.

Первоначально проект OSEK/VDX предназначался для разработки стандарта открытой архитектуры ОС и стандарта API для систем, применяющихся в автомобильной промышленности. Однако разработанный стандарт получился более абстрактным и не ограничивается использованием только в автомобильной индустрии.

Стандарт OSEK/VDX состоит из трех частей – стандарт для операционной системы (OS), коммуникационный стандарт (COM) и стандарт для сетевого менеджера (NM). В дополнение к этим стандартам определяется некий реализационный язык (OIL). Первым компонентом стандарта OSEK является стандарт для ОС, поэтому часто стандарт OSEK ошибочно воспринимается как стандарт ОСРВ. Хотя ОС и есть большая порция данного стандарта, мощность его состоит в интеграции всех его компонент.

В данной работе рассматривается только стандарт для операционной системы, и его описание приводится в разделе 2.7.

13.5

Стандарты безопасности

В связи со стандартами для ОСРВ стоит отметить широко известный стандарт критериев оценки пригодности компьютерных систем (Trusted Computer System Evaluation Criteria – TCSEC) [DoD85]. Этот стандарт разработан Министерством обороны США и известен также под названием "Оранжевая книга" (Orange Book – из-за цвета обложки).

В ряде других стран были разработаны аналогичные критерии, на основе которых был создан международный стандарт “Общие критерии оценки безопасности информационных технологий” (далее просто – Общие критерии) (Common Criteria for IT Security Evaluation, ISO/IEC 15408) [CC99].

В "Оранжевой книге" перечислены семь уровней защиты:

• А1 – верифицированная разработка. Этот уровень требует, чтобы защиту секретной и другой критичной информации средствами управления безопасностью гарантировали методы формальной верификации.
• В3 – домены безопасности. Этот уровень предназначен для защиты систем от опытных программистов.
• В2 – структурированная защита. В систему с этим уровнем защиты нельзя допустить проникновение хакеров.
• В1 – мандатный контроль доступа. Защиту этого уровня, возможно, удастся преодолеть опытному хакеру, но никак не рядовым пользователям.
• С2 – дискреционный контроль доступа. Уровень С2 обеспечивает защиту процедур входа, позволяет производить контроль за событиями, имеющими отношение к безопасности, а также изолировать ресурсы.
• С1 – избирательная защита. Этот уровень дает пользователям возможность защитить личные данные или информацию о проекте, установив средства управления доступом.
• D – минимальная защита. Этот нижний уровень защиты оставлен для систем, которые проходили тестирование, но не смогли удовлетворить требованиям более высокого класса.

Что касается Общих критериев, то в них введены похожие требования обеспечения безопасности в виде оценочных уровней (Evaluation Assurance Levels – EAL). Их также семь:

• EAL7 – самый высокий уровень предполагает формальную верификацию модели объекта оценки. Он применим к системам очень высокого риска.
• EAL6 определяется, как полуформально верифицированный и протестированный. На уровне EAL6 реализация должна быть представлена в структурированном виде, анализ соответствия распространяется на проект нижнего уровня, проводится строгий анализ покрытия, анализ и тестирование небезопасных состояний.
• EAL5 определяется, как полуформально спроектированный и протестированный. Он предусматривает создание полуформальной функциональной спецификации и проекта высокого уровня с демонстрацией соответствия между ними, формальной модели политики безопасности, стандартизованной модели жизненного цикла, а также проведение анализа скрытых каналов.
• EAL4 определяется, как методически спроектированный, протестированный и пересмотренный. Он предполагает наличие автоматизации управления конфигурацией, полной спецификации интерфейсов, описательного проекта нижнего уровня, подмножества реализаций функций безопасности, неформальной модели политики безопасности, модели жизненного цикла, анализ валидации, независимый анализ уязвимостей. По всей вероятности, это самый высокий уровень, которого можно достичь на данном этапе развития технологии программирования с приемлемыми затратами.
• EAL3 определяется, как методически протестированный и проверенный. На уровне EAL3 осуществляется более полное, чем на уровне EAL2, тестирование покрытия функций безопасности, а также контроль среды разработки и управление конфигурацией объекта оценки.
• EAL2 определяется, как структурно протестированный. Он предусматривает создание описательного проекта верхнего уровня объекта оценки, описание процедур инсталляции и поставки, руководств администратора и пользователя, функциональное и независимое тестирование, оценку прочности функций безопасности, анализ уязвимостей разработчиками.
• EAL1 определяется, как функционально протестированный. Он обеспечивает анализ функций безопасности с использованием функциональной спецификации и спецификации интерфейсов, руководящей документации, а также независимое тестирование. На этом уровне угрозы не рассматриваются как серьезные.

В соответствии с требованиями Общих критериев, продукты определенного класса (например, операционные системы) оцениваются на соответствие ряду функциональных критериев и критериев доверия – профилей защиты. Существуют различные определения профилей защиты в отношении операционных систем, брандмауэров, смарт-карт и прочих продуктов, которые должны соответствовать определенным требованиям в области безопасности. Например, профиль защиты систем с разграничением доступа (Controlled Access Protection Profile) действует в отношении операционных систем и призван заменить старый уровень защиты С2, определявшийся в соответствии с американским стандартом TCSEC. В соответствии с оценочными уровнями доверия сертификация на соответствие более высокому уровню означает более высокую степень уверенности в том, что система защиты продукта работает правильно и эффективно, и, согласно условиям Общих критериев, уровни 5-7 рассчитаны на тестирование продуктов, созданных с применением специализированных технологий безопасности.

Следует отметить, что большинство усилий по оценке продуктов безопасности сосредоточены на уровне 4 стандарта Общих критериев и ниже, что говорит об ограниченном применении формальных методов в этой области.

С точки зрения программиста Общие критерии можно рассматривать как набор библиотек, с помощью которых пишутся задания по безопасности, типовые профили защиты и т.п. Следует отметить, что требования могут быть параметризованы.

13.6