Голые машинные вычисления

Bare Machine Computing ( BMC ) — это компьютерная архитектура, основанная на голых машинах . В парадигме BMC приложения запускаются без поддержки какой-либо операционной системы (ОС) или централизованного ядра, т. е. перед запуском приложений на голую машину не загружается промежуточное программное обеспечение. Приложения, которые называются приложениями для голого компьютера или просто приложениями BMC, не используют никакое постоянное хранилище или жесткий диск, а вместо этого хранятся на съемном запоминающем устройстве, например USB-накопителе. Программа BMC состоит из одного приложения или небольшого набора приложений (набора приложений), которые выполняются как один исполняемый файл в одном адресном пространстве. Приложения BMC имеют прямой доступ к необходимым аппаратным ресурсам. Это автономные, самоуправляемые и самоконтролируемые объекты, которые загружаются, загружаются и работают без использования каких-либо других программных компонентов или внешнего программного обеспечения. Приложения BMC обладают внутренней безопасностью благодаря своей конструкции. Уязвимостей, связанных с ОС, нет, каждое приложение содержит только необходимый (минимальный) функционал. В системе BMC нет привилегированного режима, поскольку приложения запускаются только в пользовательском режиме. Кроме того, код приложения компилируется статически — нет возможности динамически изменять ход программы BMC во время выполнения.

История

На заре компьютерных технологий компьютерные приложения напрямую взаимодействовали с оборудованием, а операционной системы не существовало. По мере того как приложения становились все больше и охватывали различные области, были изобретены операционные системы. Они служили промежуточным программным обеспечением, предоставляющим приложениям аппаратные абстракции. Операционные системы значительно выросли в размерах и сложности, что привело к попыткам снизить накладные расходы ОС и повысить производительность, включая Microkernel , Exokernel , Tiny-OS , OS-Kit, ^[1] Паласиос и котенок, ^[2] IO_Lite, ^[3] «голый» Linux, IBM-Libra и другие экономичные ядра. В дополнение к вышеупомянутым подходам во встроенных системах , таких как смартфоны, небольшая выделенная часть ОС и определенный набор приложений тесно интегрированы с аппаратным обеспечением. Существует также множество приложений промышленного управления и игровых приложений, которые работают непосредственно на оборудовании. В большинстве этих систем аппаратное обеспечение не позволяет запускать приложения общего назначения.

Пустые машинные вычисления возникли на основе концепции прикладного объекта (AO), изобретенной Карном в Университете Таусона. ^[4] С годами она превратилась в распределенные операционные системы (DOSC), ^[5] и, в конечном итоге, в парадигму BMC.

По сравнению с обычными компьютерами

Во многих отношениях парадигма BMC отличается от традиционных вычислений. Во время выполнения приложений BMC не используется централизованное ядро или операционная система. Кроме того, голая машина в парадигме BMC не имеет права собственности и не хранит ценные ресурсы; и его можно использовать для запуска вычислительных приложений общего назначения. Такие характеристики не встречаются в обычных вычислительных системах, включая встроенные системы и системы на кристалле (SOC). Кроме того, концепция BMC представляет собой минималистичный подход для достижения простоты, меньшего размера кода и безопасности. ^[6]

При голых машинных вычислениях вычислительное устройство является пустым, и его программы напрямую взаимодействуют с оборудованием. Прикладные и системные программы — это одно и то же. В этой системе нет пользовательского режима или режима ядра. Когда данный набор приложений запущен, в нем не работают никакие другие программы. Все программы написаны на одном языке программирования C/C++ с очень небольшим количеством ассемблерного кода. Программист приложений контролирует все аппаратные ресурсы. Он основан на событиях, что позволяет избежать централизованного ядра. Определенный набор приложений BMC просто всегда работает на заданной архитектуре набора команд (ISA), поскольку ISA остается совместимой снизу вверх. Этот подход благоприятен для экологически чистых вычислений, поскольку нет необходимости отказываться от аппаратного и программного обеспечения, вызванного сегодняшним запланированным устареванием, во всех аспектах наших информационных систем.

Приложения и исследования

Парадигма BMC использовалась для реализации веб-серверов, ^[7] разделенные серверы, ^[8]^[9] VoIP, ^[10] SIP-сервер, ^[11] электронная почта, ^[12] веб-почта, ^[13] Текстовый браузер, ^[14] протоколы безопасности, ^[15]^[16] файловые системы , ^[17]^[18]^[19] рейд, ^[20] преобразовал голый SQLite., ^[21]^[22] промежуточное программное обеспечение для интерфейсов сетевых карт (NICS), ^[23] и соединение Ethernet на веб-сервере BMC с двумя сетевыми картами, ^[24] Успех в преобразовании обычных приложений Windows или Linux для работы в качестве приложений BMC проложит путь к новому использованию парадигмы BMC. ^[25] Проблемы проектирования при запуске веб-сервера на голом ПК с 32-битной многоядерной архитектурой с использованием TCP были описаны в статье . ^[26] Новый протокол клиент/сервер для веб-коммуникаций через UDP с использованием 32-битной архитектуры на голой машине был продемонстрирован в. ^[27] Разработка компьютерных приложений без какой-либо ОС или ядра в 64-битной многоядерной архитектуре и ее реализация были показаны в. ^[28]

Ссылки

^ «Проект OS Kit» . Солт-Лейк, Юта: Школа вычислительной техники Университета Юты. Июнь 2002 года.
^ Дж. Ланге и др., «Palacios and Kitten: новые высокопроизводительные операционные системы для масштабируемых виртуализированных и собственных суперкомпьютеров», 24-й IEEE Международный симпозиум по параллельной и распределенной обработке (IPDPS), 2010 г., стр. 1–12.
^ Пай, В.С.; Друшель, П.; Звенепол, В. (февраль 2000 г.). «IO-Lite: унифицированная система буферизации и кэширования ввода-вывода» (PDF) . Транзакции ACM в компьютерных системах . 18 (1): 37–66. дои : 10.1145/332799.332895 . S2CID 5280787 .
^ Карне, РК (декабрь 1995 г.). «Объектно-ориентированные компьютерные архитектуры для приложений нового поколения, Новости компьютерной архитектуры». 23 (5): 8–19. дои : 10.1145/218328.218332 . S2CID 880971 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Карн, Р.К., Венкатасами, К. (Картик Джаганатан), Ахмед, Т. Вычисления на дисперсионной операционной системе (DOSC), Onward Track, OOPSLA 2005, Сан-Диего, Калифорния, октябрь 2005 г.
^ Сумья, С.; Герен, Р.; Хосанагар, К. (сентябрь 2011 г.). «Функциональные и минималистичные платформы: двусторонний анализ рынка». Обзор компьютерных коммуникаций ACM . 41 (5): 36–43. дои : 10.1145/2043165.2043171 . S2CID 890141 .
^ Он, Л., Карне, Р.К., Виджесинья, А.Л., и Эмдади, А. Проектирование и производительность веб-сервера с простым ПК, Международный журнал компьютеров и их приложений (IJCA), июнь 2008 г.
^ Б. Равал, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья. Разделение HTTP-запросов на двух серверах, Третья международная конференция по системам и сетям связи: COMSNETS 2011, январь 2011 г., Бангалор, Индия.
^ Б. Равал, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья. «Кластеры мини-веб-серверов для разделения HTTP-запросов», Международная конференция IEEE по высокопроизводительным вычислениям и коммуникациям (HPCC), стр. 94–100.
^ GH Khaksari, AL Wijesinha, RK Karne, L. He и S. Girumala, «» Одноранговое VoIP-приложение для ПК», 4-я конференция IEEE Consumer Communications and Networking (CCNC), 2007, стр. 803- 807.
^ А. Александр, Р. Ясиновский, А. Видесинья и Р. Карне, «Внедрение и производительность SIP-сервера на простом ПК», Международный журнал достижений в области телекоммуникаций, том. 4, нет. 1 и 2, 2011.
^ Форд, Г.Х., Карне, Р.К., Виджесинья, А.Л., и Аппиа-Куби, П. Проектирование и реализация сервера электронной почты для простого ПК, 33-я ежегодная международная конференция IEEE по компьютерному программному обеспечению и приложениям (COMPSAC 2009), Сиэтл, Вашингтон, июль 2009, стр. 480-485.
^ П. Аппиа-Куби, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья. Проектирование и производительность сервера веб-почты без ПК, 12-я Международная конференция IEEE по высокопроизводительным вычислениям и коммуникациям, AHPCC 2010, 1-3 сентября 2010 г., Мельбурн, Австралия, стр. 521-526.
^ С.Алмаутаири, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья, Текстовый браузер для простого ПК, Семинар по вычислительной технике, сетям и коммуникациям (CNC), 2019 г., Гонолулу, Гавайи, февраль 2019 г.
^ Н. Каземи, А. Л. Виджесинья и Р. Карне. Проектирование и реализация IPsec на простом ПК, 2-я Международная конференция по информатике и ее приложениям (CSA), 2009 г.
^ А. Эмдади, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья. Реализация протокола TLS на пустом ПК, ICCRD2010, 2-я Международная конференция по компьютерным исследованиям и разработкам, Каула-Лумпур, Малайзия, май 2010 г.
^ В. В. Томпсон, Х. Алабси, Р. К. Карне, С. Линаг, А. Л. Виджесинья, Р. Альмаджед и Х. Чанг, Система массовой памяти для простых приложений на ПК с использованием USB, Международный журнал по достижениям в области интернет-технологий, том 9, нет 3 и 4, 2016 год. стр. 63-74.
^ В. Томпсон, Р. Карне, А. Видесинья, Х. Алабси и Х. Чанг, Внедрение файловой системы USB для простых приложений на ПК, ICIW 2016: Одиннадцатая международная конференция по Интернету, веб-приложениям и сервисам, стр. 58-63 .
^ С.Лян, Р.К. Карне и Ал.Виесинья, Экономичная файловая система USB для приложений с голыми машинами, Материалы 21-й Международной конференции по программной инженерии и разработке данных, ISCA, июнь 2012 г., стр. 191-196.
^ Х. З. Алабси, В. В. Томпсон, Р. К. Карне, А. Л. Виджесинья, Р. Альмаджед, Ф. Альмансур, Файловая система RAID с голой машиной для USB-накопителей, SEDE 2017: 26-я Международная конференция по разработке программного обеспечения и разработке данных, стр. 113-118.
^ В. Томпсон, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья, Совместимость SQLite для простого ПК, 13-я Международная конференция за пределами архитектур и структур баз данных (BDAS'17), 2017, стр. 177-188.
^ У. Окафор, Р.К. Карне, А.Л. Виджесинья и Б. Раваль Преобразование SQLITE для работы на простом ПК, В материалах 7-й Международной конференции по тенденциям парадигмы программного обеспечения, страницы 311–314, Рим, Италия, июль 2012 г.
^ Ф. Альмансур, Р.К. Карне, А.Л. Виджесинья, Х. Алабси и Р. Альмаджед, Промежуточное программное обеспечение для сетевых плат в приложениях для простых ПК, 26-я Международная конференция по компьютерным коммуникациям и сетям (плакат), ICCCN2017, Ванкувер, Канада, 2017.
^ Ф.Альмансур, Р.К. Карне, А.Л. Виджесинья, Б.С. Равал «Соединение Ethernet на веб-сервере без ПК с двумя сетевыми адаптерами», 33-й симпозиум ACM по прикладным вычислениям SAC 2018, апрель 2018 г., По, Франция.
^ Питер, А.; Карне, Р.; Виджесинья, А.; Аппиа-Куби, П. (4–7 апреля 2013 г.). Преобразование приложения для обычного ПК для работы на устройстве ARM . IEEE SoutheastCon. Джексонвилл, Флорида.
^ Н. Саундарараджан, Р. Карне, А. Видесинья, Н. Ордуи, Х. Чанг, Проблемы проектирования при запуске веб-сервера на многоядерной архитектуре простого ПК, 44-я ежегодная конференция IEEE по компьютерам, программному обеспечению и приложениям (COMPSAC), 2020 г.
^ Н. Саундарараджан, Р. Карне, А. Видесинья, Н. Ордуи, BSRawal, Новый протокол клиент/сервер для веб-коммуникаций через UDP на голой машине, 18-я студенческая конференция IEEE по исследованиям и разработкам (SCOReD), 2020 .
^ Н. Ордуи, Н. Саундарараджан, Р. Карне, А. Виджесинья, Разработка компьютерных приложений без какой-либо ОС или ядра в многоядерной архитектуре, IEEE ISNCC, ноябрь 2021 г.

[1] «Проект OS Kit» . Солт-Лейк, Юта: Школа вычислительной техники Университета Юты. Июнь 2002 года.

[2] Дж. Ланге и др., «Palacios and Kitten: новые высокопроизводительные операционные системы для масштабируемых виртуализированных и собственных суперкомпьютеров», 24-й IEEE Международный симпозиум по параллельной и распределенной обработке (IPDPS), 2010 г., стр. 1–12.

[3] Пай, В.С.; Друшель, П.; Звенепол, В. (февраль 2000 г.). «IO-Lite: унифицированная система буферизации и кэширования ввода-вывода» (PDF) . Транзакции ACM в компьютерных системах . 18 (1): 37–66. дои : 10.1145/332799.332895 . S2CID 5280787 .

[4] Карне, РК (декабрь 1995 г.). «Объектно-ориентированные компьютерные архитектуры для приложений нового поколения, Новости компьютерной архитектуры». 23 (5): 8–19. дои : 10.1145/218328.218332 . S2CID 880971 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[5] Карн, Р.К., Венкатасами, К. (Картик Джаганатан), Ахмед, Т. Вычисления на дисперсионной операционной системе (DOSC), Onward Track, OOPSLA 2005, Сан-Диего, Калифорния, октябрь 2005 г.

[6] Сумья, С.; Герен, Р.; Хосанагар, К. (сентябрь 2011 г.). «Функциональные и минималистичные платформы: двусторонний анализ рынка». Обзор компьютерных коммуникаций ACM . 41 (5): 36–43. дои : 10.1145/2043165.2043171 . S2CID 890141 .

[7] Он, Л., Карне, Р.К., Виджесинья, А.Л., и Эмдади, А. Проектирование и производительность веб-сервера с простым ПК, Международный журнал компьютеров и их приложений (IJCA), июнь 2008 г.

[8] Б. Равал, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья. Разделение HTTP-запросов на двух серверах, Третья международная конференция по системам и сетям связи: COMSNETS 2011, январь 2011 г., Бангалор, Индия.

[9] Б. Равал, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья. «Кластеры мини-веб-серверов для разделения HTTP-запросов», Международная конференция IEEE по высокопроизводительным вычислениям и коммуникациям (HPCC), стр. 94–100.

[10] GH Khaksari, AL Wijesinha, RK Karne, L. He и S. Girumala, «» Одноранговое VoIP-приложение для ПК», 4-я конференция IEEE Consumer Communications and Networking (CCNC), 2007, стр. 803- 807.

[11] А. Александр, Р. Ясиновский, А. Видесинья и Р. Карне, «Внедрение и производительность SIP-сервера на простом ПК», Международный журнал достижений в области телекоммуникаций, том. 4, нет. 1 и 2, 2011.

[12] Форд, Г.Х., Карне, Р.К., Виджесинья, А.Л., и Аппиа-Куби, П. Проектирование и реализация сервера электронной почты для простого ПК, 33-я ежегодная международная конференция IEEE по компьютерному программному обеспечению и приложениям (COMPSAC 2009), Сиэтл, Вашингтон, июль 2009, стр. 480-485.

[13] П. Аппиа-Куби, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья. Проектирование и производительность сервера веб-почты без ПК, 12-я Международная конференция IEEE по высокопроизводительным вычислениям и коммуникациям, AHPCC 2010, 1-3 сентября 2010 г., Мельбурн, Австралия, стр. 521-526.

[14] С.Алмаутаири, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья, Текстовый браузер для простого ПК, Семинар по вычислительной технике, сетям и коммуникациям (CNC), 2019 г., Гонолулу, Гавайи, февраль 2019 г.

[15] Н. Каземи, А. Л. Виджесинья и Р. Карне. Проектирование и реализация IPsec на простом ПК, 2-я Международная конференция по информатике и ее приложениям (CSA), 2009 г.

[16] А. Эмдади, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья. Реализация протокола TLS на пустом ПК, ICCRD2010, 2-я Международная конференция по компьютерным исследованиям и разработкам, Каула-Лумпур, Малайзия, май 2010 г.

[17] В. В. Томпсон, Х. Алабси, Р. К. Карне, С. Линаг, А. Л. Виджесинья, Р. Альмаджед и Х. Чанг, Система массовой памяти для простых приложений на ПК с использованием USB, Международный журнал по достижениям в области интернет-технологий, том 9, нет 3 и 4, 2016 год. стр. 63-74.

[18] В. Томпсон, Р. Карне, А. Видесинья, Х. Алабси и Х. Чанг, Внедрение файловой системы USB для простых приложений на ПК, ICIW 2016: Одиннадцатая международная конференция по Интернету, веб-приложениям и сервисам, стр. 58-63 .

[19] С.Лян, Р.К. Карне и Ал.Виесинья, Экономичная файловая система USB для приложений с голыми машинами, Материалы 21-й Международной конференции по программной инженерии и разработке данных, ISCA, июнь 2012 г., стр. 191-196.

[20] Х. З. Алабси, В. В. Томпсон, Р. К. Карне, А. Л. Виджесинья, Р. Альмаджед, Ф. Альмансур, Файловая система RAID с голой машиной для USB-накопителей, SEDE 2017: 26-я Международная конференция по разработке программного обеспечения и разработке данных, стр. 113-118.

[21] В. Томпсон, Р.К. Карне и А.Л. Виджесинья, Совместимость SQLite для простого ПК, 13-я Международная конференция за пределами архитектур и структур баз данных (BDAS'17), 2017, стр. 177-188.

[22] У. Окафор, Р.К. Карне, А.Л. Виджесинья и Б. Раваль Преобразование SQLITE для работы на простом ПК, В материалах 7-й Международной конференции по тенденциям парадигмы программного обеспечения, страницы 311–314, Рим, Италия, июль 2012 г.

[23] Ф. Альмансур, Р.К. Карне, А.Л. Виджесинья, Х. Алабси и Р. Альмаджед, Промежуточное программное обеспечение для сетевых плат в приложениях для простых ПК, 26-я Международная конференция по компьютерным коммуникациям и сетям (плакат), ICCCN2017, Ванкувер, Канада, 2017.

[24] Ф.Альмансур, Р.К. Карне, А.Л. Виджесинья, Б.С. Равал «Соединение Ethernet на веб-сервере без ПК с двумя сетевыми адаптерами», 33-й симпозиум ACM по прикладным вычислениям SAC 2018, апрель 2018 г., По, Франция.

[25] Питер, А.; Карне, Р.; Виджесинья, А.; Аппиа-Куби, П. (4–7 апреля 2013 г.). Преобразование приложения для обычного ПК для работы на устройстве ARM . IEEE SoutheastCon. Джексонвилл, Флорида.

[26] Н. Саундарараджан, Р. Карне, А. Видесинья, Н. Ордуи, Х. Чанг, Проблемы проектирования при запуске веб-сервера на многоядерной архитектуре простого ПК, 44-я ежегодная конференция IEEE по компьютерам, программному обеспечению и приложениям (COMPSAC), 2020 г.

[27] Н. Саундарараджан, Р. Карне, А. Видесинья, Н. Ордуи, BSRawal, Новый протокол клиент/сервер для веб-коммуникаций через UDP на голой машине, 18-я студенческая конференция IEEE по исследованиям и разработкам (SCOReD), 2020 .

[28] Н. Ордуи, Н. Саундарараджан, Р. Карне, А. Виджесинья, Разработка компьютерных приложений без какой-либо ОС или ядра в многоядерной архитектуре, IEEE ISNCC, ноябрь 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]