Zugl.: Göttingen, Univ., Diss.

Ulm, Univ. Diss., 2006.

Master-Arbeit Univ. St. Gallen, 2007.

Universiẗat, Diss., 2001--Mannheim.

Verstärkt werden in öffentlichen und kommerziellen Einrichtungen elektronische Zugangssteuerungen eingesetzt, da diese flexibler und pro Nutzer preiswerter sind als herkömmliche Schließsysteme. Für diesen Zweck bieten verschiedene Hersteller Komplettlösungen an, welche aber meist nicht alle Anforderungen abdecken, schlecht in vorhandene Strukturen integrierbar, nur mit Aufwand erweiterbar, herstellergebunden und vor allem teuer sind. Wünschenswert sind hier aber offene, herstellerunabhängige und integrierbare verteilte Systeme zur Zugangssteuerung.

Workshop "Netz- und Service-Infrastrukturen" Skalierbare Verfahren zur Systemadministration von Rechnersystemen

Failing hardware is a fact and trends in microprocessor design indicate that the fraction of hardware suffering from permanent and transient faults will continue to increase in future chip generations. Researchers proposed various solutions to this issue with different downsides: Specialized hardware components make hardware more expensive in production and consume additional energy at runtime. Fault-tolerant algorithms and libraries enforce specific programming models on the developer. Compiler-based fault tolerance requires the source code for all applications to be available for recompilation. In this thesis I present ASTEROID, an operating system architecture that integrates applications with different reliability needs. ASTEROID is built on top of the L4/Fiasco.OC microkernel and extends the system with Romain, an operating system service that transparently replicates user applications. Romain supports single- and multi-threaded applications without requiring access to the application's source code. Romain replicates applications and their resources completely and thereby does not rely on hardware extensions, such as ECC-protected memory. In my thesis I describe how to efficiently implement replication as a form of redundant multithreading in software. I develop mechanisms to manage replica resources and to make multi-threaded programs behave deterministically for replication. I furthermore present an approach to handle applications that use shared-memory channels with other programs. My evaluation shows that Romain provides 100% error detection and more than 99.6% error correction for single-bit flips in memory and general-purpose registers. At the same time, Romain's execution time overhead is below 14% for single-threaded applications running in triple-modular redundant mode. The last part of my thesis acknowledges that software-implemented fault tolerance methods often rely on the correct functioning of a certain set of hardware and software components, the Reliable Computing Base (RCB). I introduce the concept of the RCB and discuss what constitutes the RCB of the ASTEROID system and other fault tolerance mechanisms. Thereafter I show three case studies that evaluate approaches to protecting RCB components and thereby aim to achieve a software stack that is fully protected against hardware errors.

Populaere Betriebssysteme (Windows XP, UNIX) sind in heutiger Zeit meist monolithisch aufgebaut. Durch immer neue nachgewiesene Sicherheitslücken in Kern und Anwendungen wird eindrucksvoll belegt, dass monolithische Architekturen den heutigen Sicherheitsanforderungen nicht mehr gewachsen sind. Dennoch kann man auf die reichhaltige Basis an Anwendungen heutiger Betriebssysteme nicht verzichten. Als Ausweg werden herkoemmliche Betriebssysteme isoliert in einer vertrauenswuerdigen Umgebung ausgeführt. Eine in letzter Zeit immer populaerere Methode zur Kapselung besteht in der Virtualisierung mit verschiedenen Auspraegungen. Mit L4Linux wurde 1997 erstmals nachgewiesen, dass die Ausfuehrung eines Standard-Betriebssystems auf einem Mikrokern (manchmal auch Para-Virtualisierung genannt) nicht zwangslaeufig zu inakzeptablen Mehrkosten an Laufzeit fuehren muss. Bei Einsatz von gebraeuchlicher Standardhardware muessen allerdings eine Reihe von Problemen geloest werden, unter anderem der uneingeschraenkte Zugriff von Geraeten auf den physischen Adressraum mittels DMA. Im Rahmen der Arbeit wird ein allgemeines Modell von IO-Adressraeumen als Erweiterung der virtuellen Adressraeume der CPU eingefuehrt und gezeigt, wie mittels Teil-Virtualisierung von Geraeten IO-Adressraeume in Software emuliert werden koennen. Weiterhin werden anhand von L4Linux Moeglichkeiten eroertert und implementiert, wie Betriebssystem-Kerne vollstaendig gezaehmt und insbesondere ohne IO-Privilegien ausgefuehrt werden koennen. Im Kapitel "Leistungsbewertung" erfolgt eine umfangreiche Evaluation der Implementierung anhand von L4Linux 2.2.

In my dissertation, I present ATLAS — the Auto-Training Look-Ahead Scheduler. ATLAS improves service to applications with regard to two non-functional properties: timeliness and overload detection. Timeliness is an important requirement to ensure user interface responsiveness and the smoothness of multimedia operations. Overload can occur when applications ask for more computation time than the machine can offer. Interactive systems have to handle overload situations dynamically at runtime. ATLAS provides timely service to applications, accessible through an easy-to-use interface. Deadlines specify timing requirements, workload metrics describe jobs. ATLAS employs machine learning to predict job execution times. Deadline misses are detected before they occur, so applications can react early.

Populaere Betriebssysteme (Windows XP, UNIX) sind in heutiger Zeit meist monolithisch aufgebaut. Durch immer neue nachgewiesene Sicherheitslücken in Kern und Anwendungen wird eindrucksvoll belegt, dass monolithische Architekturen den heutigen Sicherheitsanforderungen nicht mehr gewachsen sind. Dennoch kann man auf die reichhaltige Basis an Anwendungen heutiger Betriebssysteme nicht verzichten. Als Ausweg werden herkoemmliche Betriebssysteme isoliert in einer vertrauenswuerdigen Umgebung ausgeführt. Eine in letzter Zeit immer populaerere Methode zur Kapselung besteht in der Virtualisierung mit verschiedenen Auspraegungen. Mit L4Linux wurde 1997 erstmals nachgewiesen, dass die Ausfuehrung eines Standard-Betriebssystems auf einem Mikrokern (manchmal auch Para-Virtualisierung genannt) nicht zwangslaeufig zu inakzeptablen Mehrkosten an Laufzeit fuehren muss. Bei Einsatz von gebraeuchlicher Standardhardware muessen allerdings eine Reihe von Problemen geloest werden, unter anderem der uneingeschraenkte Zugriff von Geraeten auf den physischen Adressraum mittels DMA. Im Rahmen der Arbeit wird ein allgemeines Modell von IO-Adressraeumen als Erweiterung der virtuellen Adressraeume der CPU eingefuehrt und gezeigt, wie mittels Teil-Virtualisierung von Geraeten IO-Adressraeume in Software emuliert werden koennen. Weiterhin werden anhand von L4Linux Moeglichkeiten eroertert und implementiert, wie Betriebssystem-Kerne vollstaendig gezaehmt und insbesondere ohne IO-Privilegien ausgefuehrt werden koennen. Im Kapitel "Leistungsbewertung" erfolgt eine umfangreiche Evaluation der Implementierung anhand von L4Linux 2.2.