Che cos'è un kernel?

Un kernel è il componente principale di un file sistema operativo, fungendo da ponte tra i sistemi hardware e software. Il kernel gestisce le risorse di sistema e facilita le interazioni tra componenti hardware e software.

Il kernel è responsabile di attività critiche come la gestione della memoria, la pianificazione delle attività (decidere quali processi utilizzare il file unità centrale di elaborazione (CPU) e per quanto tempo), gestione dei dispositivi e gestione delle chiamate di sistema dai processi in esecuzione sul computer. Il kernel fornisce uno strato di astrazione tra l'hardware e i programmi applicativi, consentendo agli sviluppatori di software di scrivere programmi senza la necessità di comprendere le specifiche dell'hardware sottostante.

Una breve storia del kernel

Lo sviluppo del kernel, il nucleo di qualsiasi sistema operativo, risale agli albori dell'informatica. Inizialmente, i computer non avevano un sistema operativo e i programmatori interagivano direttamente con l’hardware attraverso il linguaggio macchina. Con l’evoluzione dell’informatica è emersa la necessità di una gestione più efficiente delle risorse hardware, che ha portato allo sviluppo dei primi sistemi operativi di base e, con essi, del concetto di kernel.

Negli anni '1960, il progetto Multics, una collaborazione tra MIT, Bell Labs e General Electric, mirava a creare un sistema operativo in time-sharing. Sebbene Multics abbia introdotto molti concetti fondamentali per i moderni sistemi operativi, all'epoca era considerato eccessivamente complesso e ambizioso. Tuttavia, ha gettato le basi per lo sviluppo di UNIX alla fine degli anni '1960 e all'inizio degli anni '1970 da Ken Thompson, Dennis Ritchie e altri dei Bell Labs.

Il design più semplice di UNIX e il suo kernel divennero influenti nel campo dei sistemi operativi. IL GNU Il progetto, avviato da Richard Stallman nel 1983, mirava a creare un sistema operativo libero simile a UNIX, che alla fine portò allo sviluppo del kernel Linux da parte di Linus Torvalds nel 1991. Il kernel Linux, combinato con gli strumenti GNU, formò il sistema operativo Linux. , ampiamente utilizzato oggi in servers, desktop e sistemi embedded.

Lo sviluppo del kernel di Windows NT da parte di Microsoft alla fine degli anni '1980 e all'inizio degli anni '1990 ha introdotto un'architettura del kernel ibrida, che è stata la base per tutte le versioni successive di Windows.

Nel corso degli anni, i kernel si sono evoluti per supportare un'ampia gamma di hardware e fornire ambienti operativi più robusti, sicuri ed efficienti. I progressi nella virtualizzazione, nell'elaborazione in tempo reale e nella sicurezza hanno ulteriormente ampliato il ruolo e la complessità dei kernel nei moderni ambienti informatici, consolidando il ruolo critico del kernel nel collegare hardware e software.

A cosa serve il kernel?

Il kernel, in quanto componente principale di un sistema operativo, ha diversi ruoli fondamentali che gli consentono di gestire le risorse del sistema e garantire il buon funzionamento del computer. I suoi usi principali includono:

• Gestione dei processi. Il kernel controlla l'esecuzione dei processi, gestendo i loro stati (in esecuzione, in attesa, ecc.), pianificando il loro accesso alla CPU e gestendo il cambio di contesto tra i processi. Ciò garantisce che le applicazioni possano essere eseguite simultaneamente senza interferire tra loro, ottimizzando la reattività e l'efficienza del sistema.
• Gestione della memoria. Supervisiona l'allocazione e la deallocazione degli spazi di memoria per i processi e il sistema operativo stesso. Il kernel garantisce che ogni processo abbia accesso alla memoria di cui ha bisogno, gestisce la memoria virtuale per estendere la memoria fisica con l'archiviazione su disco e protegge lo spazio di memoria dei processi gli uni dagli altri, impedendo accessi non autorizzati.
• Gestione dei dispositivi. Il kernel funge da intermediario tra il software e i componenti hardware. Include driver che facilitano la comunicazione con dispositivi hardware, come tastiera, mouse, unità disco e stampanti, traducendo le richieste software in azioni hardware e viceversa.
• Gestione del file system. È responsabile della gestione dei file, fornendo un modo strutturato per archiviare, recuperare e gestire i dati sui dispositivi di archiviazione. Il kernel implementa le operazioni del file system come la creazione, l'eliminazione, la lettura e la scrittura di file e directory, oltre alla gestione delle autorizzazioni e alla garanzia l'integrità dei dati.
• Networking. Il kernel gestisce le complessità della rete gestendo la trasmissione e la ricezione dei dati sulle interfacce di rete. Implementa protocolli per la comunicazione su reti locali e Internet, consentendo ai processi di comunicare tra loro e con altri sistemi.
• Sicurezza e controllo degli accessi. Il kernel applica politiche di sicurezza e meccanismi di controllo degli accessi per proteggere l'integrità e la privacy del sistema. Controlla l'accesso a file, dispositivi e altre risorse, garantendo che solo gli utenti e i processi autorizzati possano eseguire determinate operazioni, mitigando così il rischio di attività dannose.

Dove si trova il kernel?

In quanto componente centrale del sistema operativo, il kernel si trova direttamente sopra lo strato hardware, fornendo uno strato di astrazione critico tra l'hardware e il software in esecuzione sul computer. Di solito si trova all'interno del file system in un filetto o insieme di file specifici del sistema operativo. Ad esempio, in Linux, l'immagine del kernel si trova spesso su /boot/vmlinuz o un percorso simile, insieme ad altri file necessari per il processo di avvio del sistema.

All'avvio del computer, il kernel viene caricato nella memoria (RAM) dal dispositivo di archiviazione persistente (ad esempio, disco rigido, SSD). Il bootloader carica il kernel in memoria e, una volta caricato, il kernel rimane lì mentre il computer è in funzione, gestendo le risorse di sistema e le interazioni tra hardware e software.

La transizione dallo storage alla memoria consente al kernel di gestire in modo efficiente il sistema, gestendo le richieste delle applicazioni software e gestendo risorse come tempo del processore, memoria e dispositivi periferici. Questo processo di caricamento garantisce che il kernel possa fornire l'astrazione necessaria affinché il software di livello superiore interagisca con il sistema senza conoscere le specifiche dell'hardware.

Tipi di kernel

Ecco una panoramica dei vari tipi di kernel, dei loro vantaggi e limiti.

Kernel monolitico

Con questo tipo di architettura di sistema, l'intero sistema operativo, comprese le funzionalità principali, i driver di dispositivo, la gestione del file system e gli stack di rete, viene eseguito in un unico spazio di memoria, offrendo elevata efficienza e accesso diretto alle risorse hardware.

Vantaggi

• Prestazioni elevate grazie all'esecuzione in un unico spazio di indirizzi.

• Comunicazione efficiente tra processi.
• Accesso diretto e veloce alle risorse hardware.
• Ampio supporto per hardware e dispositivi grazie allo sviluppo maturo.
• Set completo di funzionalità integrate nel kernel.

Svantaggi

• Complessità nel mantenere e aggiornare il codice del kernel.
• Maggiore potenziale di arresti anomali del sistema e vulnerabilità della sicurezza.
• Difficile isolare i componenti difettosi, con ripercussioni sulla stabilità del sistema.
• Dimensioni del kernel più grandi possono portare a inefficienze.
• Aggiornamenti o modifiche modulari possono richiedere il riavvio dell'intero sistema.

micronocciolo

Questo tipo di kernel include solo i servizi di sistema più fondamentali, come la comunicazione tra i processi e la gestione dell'hardware di base, con altri servizi in esecuzione nello spazio utente per migliorare la modularità e la sicurezza del sistema.

Vantaggi

• Maggiore sicurezza e stabilità grazie all'isolamento dei componenti del sistema.
• Manutenzione e aggiornamento più semplici dei singoli componenti senza compromettere l'intero sistema.
• Maggiore flexcapacità in termini di sostituzione o modifica dei componenti.
• Adatto per l'uso in sistemi che richiedono elevata affidabilità e disponibilità.
• La progettazione semplificata porta a meno bug e vulnerabilità.

Svantaggi

• Prestazioni inferiori rispetto ai kernel monolitici a causa del sovraccarico della comunicazione tra processi.
• Architettura di sistema più complessa, che può complicare lo sviluppo e il debug.
• Potenziale aumento della latenza delle chiamate di sistema, con un impatto sulle applicazioni sensibili al fattore tempo.
• Lo sviluppo e l'ottimizzazione potrebbero richiedere maggiori sforzi e competenze.
• Supporto limitato per hardware e software legacy rispetto ad alcuni kernel monolitici.

Kernel ibrido

Un'architettura di sistema kernel ibrida combina gli elementi monolitici e microkernel, eseguendo alcuni servizi nello spazio kernel per migliorare le prestazioni e mantenendone altri nello spazio utente per una migliore modularità e sicurezza.

Vantaggi

• Prestazioni efficienti in molti scenari.
• Flexcapacità di eseguire servizi utente e driver nello spazio utente o nello spazio kernel.
• Migliore compatibilità hardware e applicativa.
• Stabilità e sicurezza del sistema migliorate rispetto ai kernel monolitici.
• Il design modulare semplifica gli aggiornamenti e la manutenzione di alcuni componenti.

Svantaggi

• Più complesso da progettare e implementare rispetto ai monolitici o ai microkernel.
• Potenziale aumento del sovraccarico del sistema e della latenza nella comunicazione tra lo spazio utente e lo spazio kernel.
• Rischi per la sicurezza se i servizi dello spazio utente interagiscono strettamente con i servizi del kernel.
• Può ereditare gli svantaggi sia delle architetture monolitiche che di quelle microkernel, a seconda dell'implementazione.
• Un compromesso tra prestazioni e modularità può portare a inefficienze.

exokernel

Questo tipo di kernel consente alle applicazioni di avere un accesso più diretto alle risorse hardware riducendo al minimo il ruolo del kernel nella gestione delle risorse. Questo approccio riduce il sovraccarico del livello di astrazione e ne fornisce di più flexbilità ed efficienza nel modo in cui le applicazioni interagiscono con l'hardware del sistema.

Vantaggi

• Prestazioni migliorate grazie a una minore astrazione e sovraccarico.
• Maggiore flexcapacità delle applicazioni di ottimizzare l'utilizzo delle risorse.
• Consente ottimizzazioni e personalizzazioni specifiche dell'applicazione.
• Incoraggia l'innovazione abilitando nuove strutture del sistema operativo.
• Multiplexing efficiente delle risorse hardware tra più ambienti.

Svantaggi

• Maggiore complessità nello sviluppo delle applicazioni.
• Rischi per la sicurezza potenzialmente più elevati a causa del maggiore accesso delle applicazioni all'hardware.
• Problemi di compatibilità tra applicazioni progettate per diversi sistemi basati su exokernel.
• Minore isolamento tra le applicazioni, che potrebbe portare a problemi di stabilità.

Nanokernel

Un nanokernel rappresenta un approccio ancora più minimalista alla progettazione del sistema operativo rispetto ai microkernel e agli exokernel. Si concentra sulla fornitura solo delle funzionalità necessarie per la gestione delle risorse hardware e sulla facilitazione dei servizi di sistema minimi.

Vantaggi

• Design minimalista, che porta a un sovraccarico del sistema potenzialmente inferiore.
• Maggiore sicurezza grazie alla riduzione superficie di attacco.
• Stabilità e affidabilità migliorate, poiché meno funzioni vengono eseguite in modalità kernel.
• Più facile da mantenere e aggiornare grazie alla semplicità.
• Crea una migliore separazione delle preoccupazioni, con chiare distinzioni tra servizi di sistema e applicativi.
• Potenzialmente più adatto per applicazioni in tempo reale grazie alla ridotta lunghezza del percorso del codice kernel.

Svantaggi

• Maggiore sovraccarico delle chiamate di sistema, poiché più operazioni richiedono la comunicazione tra processi.
• Potenziale riduzione delle prestazioni a causa del sovraccarico dello spazio utente per la comunicazione dello spazio kernel.
• Complessità nello sviluppo di applicazioni, poiché gli sviluppatori devono gestire più attività a livello di sistema.
• Le funzionalità limitate all'interno del kernel richiedono meccanismi aggiuntivi per estendere le capacità del sistema.
• È più difficile ottenere prestazioni ottimali dei driver del dispositivo, poiché i driver potrebbero essere eseguiti nello spazio utente.
• È impegnativo garantire la compatibilità e l'interoperabilità con i software e i sistemi esistenti.

Modalità kernel e modalità utente

La modalità kernel e la modalità utente rappresentano due stati operativi distinti all'interno di un sistema informatico, ciascuno con il proprio livello di accesso e controllo sulle risorse hardware.

La modalità kernel, nota anche come modalità supervisore, garantisce al kernel l'accesso completo a tutto l'hardware e la memoria del sistema. Questa modalità consente al kernel di eseguire attività critiche di basso livello, come la gestione della memoria, l'esecuzione di istruzioni hardware e la gestione degli interrupt. Poiché il codice in modalità kernel può interagire e controllare direttamente l'hardware, opera con il massimo livello di fiducia e autorità all'interno del sistema. Questo accesso illimitato è necessario affinché il kernel possa gestire il sistema in modo efficiente, ma rappresenta anche un rischio poiché eventuali bug o vulnerabilità della sicurezza nella modalità kernel possono portare all'instabilità o alla compromissione del sistema.

Al contrario, la modalità utente è una modalità limitata in cui viene eseguita la maggior parte delle applicazioni e del software. In questa modalità, l'accesso all'hardware e alle risorse critiche del sistema è mediato dal kernel tramite chiamate di sistema. La modalità utente fornisce un ambiente protetto che limita l'accesso diretto di un'applicazione all'hardware, salvaguardando così il sistema da software dannoso o difettoso. Se un'applicazione in modalità utente si arresta in modo anomalo o riscontra un errore, è meno probabile che causi un guasto diffuso del sistema, poiché il kernel spesso può gestire o isolare il problema.

La separazione tra modalità utente e modalità kernel è fondamentale per i sistemi operativi moderni, poiché fornisce un confine di sicurezza e garantisce stabilità. Il sistema operativo controlla attentamente la transizione dalla modalità utente alla modalità kernel e viceversa, consentendo un equilibrio tra prestazioni del sistema e sicurezza.