Was ist ein Kernel?

Ein Kernel ist die Kernkomponente eines Betriebssystem, fungiert als Brücke zwischen den Systemen Hardware und Software. Der Kernel verwaltet Systemressourcen und erleichtert die Interaktion zwischen Hardware- und Softwarekomponenten.

Der Kernel ist für kritische Aufgaben wie Speicherverwaltung und Aufgabenplanung (Entscheidung, welche Prozesse die Datei verwenden dürfen) verantwortlich Central Processing Unit (CPU) und für wie lange), Geräteverwaltung und Verarbeitung von Systemaufrufen von Prozessen, die auf dem Computer ausgeführt werden. Der Kernel stellt eine Abstraktionsebene zwischen der Hardware und den Anwendungsprogrammen bereit und ermöglicht es Softwareentwicklern, Programme zu schreiben, ohne die Besonderheiten der zugrunde liegenden Hardware verstehen zu müssen.

Eine kurze Geschichte des Kernels

Die Entwicklung des Kernels, des Kerns jedes Betriebssystems, reicht bis in die Anfänge der Computertechnik zurück. Anfangs hatten Computer kein Betriebssystem und Programmierer interagierten über Maschinensprache direkt mit der Hardware. Mit der Weiterentwicklung der Computertechnik entstand ein Bedarf an einer effizienteren Verwaltung der Hardwareressourcen, was zur Entwicklung der ersten grundlegenden Betriebssysteme und damit des Kernel-Konzepts führte.

In den 1960er Jahren zielte das Multics-Projekt, eine Zusammenarbeit zwischen MIT, Bell Labs und General Electric, darauf ab, ein Time-Sharing-Betriebssystem zu entwickeln. Obwohl Multics viele grundlegende Konzepte für moderne Betriebssysteme einführte, galt es damals als zu komplex und ehrgeizig. Es legte jedoch den Grundstein für die Entwicklung von UNIX in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren von Ken Thompson, Dennis Ritchie und anderen bei Bell Labs.

Das einfachere Design und der Kernel von UNIX erlangten Einfluss auf den Bereich der Betriebssysteme. Der GNU Das 1983 von Richard Stallman gestartete Projekt zielte darauf ab, ein freies UNIX-ähnliches Betriebssystem zu schaffen, was schließlich 1991 zur Entwicklung des Linux-Kernels durch Linus Torvalds führte. Der Linux-Kernel bildete zusammen mit GNU-Tools das Linux-Betriebssystem , heute weit verbreitet in servers, Desktops und eingebettete Systeme.

Mit der Entwicklung des Windows NT-Kernels durch Microsoft in den späten 1980er und frühen 1990er Jahren wurde eine hybride Kernel-Architektur eingeführt, die die Grundlage für alle nachfolgenden Windows-Versionen bildete.

Im Laufe der Jahre haben sich Kernel weiterentwickelt, um ein breites Spektrum an Hardware zu unterstützen und robustere, sicherere und effizientere Betriebsumgebungen bereitzustellen. Fortschritte in den Bereichen Virtualisierung, Echtzeitverarbeitung und Sicherheit haben die Rolle und Komplexität von Kerneln in modernen Computerumgebungen weiter erweitert und die entscheidende Rolle des Kernels bei der Verbindung von Hardware und Software gefestigt.

Wofür wird der Kernel verwendet?

Der Kernel als Kernkomponente eines Betriebssystems hat mehrere grundlegende Rollen, die es ihm ermöglichen, die Systemressourcen zu verwalten und den reibungslosen Betrieb des Computers sicherzustellen. Zu seinen Hauptanwendungen gehören:

• Prozessmanagement. Der Kernel steuert die Ausführung von Prozessen, verwaltet deren Zustände (wird ausgeführt, wartet usw.), plant ihren Zugriff auf die CPU und verwaltet den Kontextwechsel zwischen Prozessen. Dadurch wird sichergestellt, dass Anwendungen gleichzeitig ausgeführt werden können, ohne sich gegenseitig zu beeinträchtigen, wodurch die Reaktionsfähigkeit und Effizienz des Systems optimiert wird.
• Speicherverwaltung. Es überwacht die Zuweisung und Freigabe von Speicherplätzen für Prozesse und das Betriebssystem selbst. Der Kernel stellt sicher, dass jeder Prozess Zugriff auf den Speicher hat, den er benötigt, er verwaltet den virtuellen Speicher, um den physischen Speicher durch Festplattenspeicher zu erweitern, und schützt den Speicherplatz der Prozesse voreinander und verhindert so unbefugten Zugriff.
• Geräteverwaltung. Der Kernel fungiert als Vermittler zwischen der Software und den Hardwarekomponenten. Es umfasst Treiber, die die Kommunikation mit Hardwaregeräten wie Tastatur, Maus, Festplatten und Druckern erleichtern und Softwareanforderungen in Hardwareaktionen umwandeln und umgekehrt.
• Dateisystemverwaltung. Es ist für die Dateiverwaltung verantwortlich und bietet eine strukturierte Möglichkeit zum Speichern, Abrufen und Verwalten von Daten auf Speichergeräten. Der Kernel implementiert Dateisystemvorgänge wie das Erstellen, Löschen, Lesen und Schreiben von Dateien und Verzeichnissen sowie die Verwaltung von Berechtigungen und deren Sicherstellung Datenintegrität.
• Networking. Der Kernel bewältigt die Komplexität des Netzwerks, indem er die Übertragung und den Empfang von Daten über Netzwerkschnittstellen verwaltet. Es implementiert Protokolle für die Kommunikation über lokale Netzwerke und das Internet und ermöglicht so die Kommunikation von Prozessen untereinander und mit anderen Systemen.
• Sicherheit und Zugangskontrolle. Der Kernel erzwingt Sicherheitsrichtlinien und Zugriffskontrollmechanismen, um die Integrität und Privatsphäre des Systems zu schützen. Es kontrolliert den Zugriff auf Dateien, Geräte und andere Ressourcen und stellt sicher, dass nur autorisierte Benutzer und Prozesse bestimmte Vorgänge ausführen können, wodurch das Risiko böswilliger Aktivitäten verringert wird.

Wo befindet sich der Kernel?

Als zentrale Komponente des Betriebssystems sitzt der Kernel direkt über der Hardwareschicht und stellt eine wichtige Abstraktionsschicht zwischen der Hardware und der auf dem Computer ausgeführten Software dar. Es befindet sich normalerweise innerhalb der Dateisystem in einem Datei oder eine Reihe von Dateien, die für das Betriebssystem spezifisch sind. Unter Linux ist das Kernel-Image beispielsweise häufig unter zu finden /boot/vmlinuz oder einen ähnlichen Pfad, zusammen mit anderen Dateien, die für den Startvorgang des Systems erforderlich sind.

Beim Booten des Computers wird der Kernel vom persistenten Speichergerät (z. B. Festplatte, SSD). Die Bootloader Lädt den Kernel in den Speicher, und sobald er geladen ist, verbleibt der Kernel dort, während der Computer läuft, und verwaltet Systemressourcen und Interaktionen zwischen Hardware und Software.

Der Übergang vom Speicher zum Speicher ermöglicht es dem Kernel, das System effizient zu verwalten, Anforderungen von Softwareanwendungen zu bearbeiten und Ressourcen wie Prozessorzeit, Speicher und Peripheriegeräte zu verwalten. Dieser Ladevorgang stellt sicher, dass der Kernel die erforderliche Abstraktion bereitstellen kann, damit übergeordnete Software mit dem System interagieren kann, ohne die Besonderheiten der Hardware zu kennen.

Kerneltypen

Hier finden Sie eine Übersicht über verschiedene Kerneltypen, ihre Vorteile und Einschränkungen.

Monolithischer Kernel

Bei dieser Art von Systemarchitektur läuft das gesamte Betriebssystem, einschließlich der Kernfunktionen, Gerätetreiber, Dateisystemverwaltung und Netzwerkstacks, in einem einzigen Speicherbereich und bietet so eine hohe Effizienz und direkten Zugriff auf Hardwareressourcen.

Vorteile

• Hohe Leistung durch Ausführung in einem einzigen Adressraum.

• Effiziente Kommunikation zwischen Prozessen.
• Direkter und schneller Zugriff auf Hardwareressourcen.
• Breite Unterstützung für Hardware und Geräte aufgrund ausgereifter Entwicklung.
• Umfangreicher Funktionsumfang im Kernel integriert.

Nachteile

• Komplexität bei der Wartung und Aktualisierung des Kernel-Codes.
• Höheres Risiko für Systemabstürze und Sicherheitslücken.
• Fehlerhafte Komponenten lassen sich nur schwer isolieren, was die Systemstabilität beeinträchtigt.
• Größere Kernelgrößen können zu Ineffizienzen führen.
• Modulare Updates oder Änderungen können einen Neustart des gesamten Systems erfordern.

Mikrokernel

Dieser Kerneltyp umfasst nur die grundlegendsten Systemdienste, wie die Kommunikation zwischen Prozessen und die grundlegende Hardwareverwaltung, während andere Dienste im Benutzerbereich ausgeführt werden, um die Modularität und Systemsicherheit zu verbessern.

Vorteile

• Erhöhte Sicherheit und Stabilität durch Isolierung der Systemkomponenten.
• Einfachere Wartung und Aktualisierung einzelner Komponenten, ohne das gesamte System zu beeinträchtigen.
• Größere flexMöglichkeiten hinsichtlich des Austauschs oder der Änderung von Komponenten.
• Geeignet für den Einsatz in Systemen, die eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit erfordern.
• Das vereinfachte Design führt zu weniger Fehlern und Schwachstellen.

Nachteile

• Geringere Leistung im Vergleich zu monolithischen Kerneln aufgrund des Overheads der Kommunikation zwischen Prozessen.
• Komplexere Systemarchitektur, die die Entwicklung und das Debuggen erschweren kann.
• Es kann zu einer erhöhten Latenz von Systemaufrufen kommen, was Auswirkungen auf zeitkritische Anwendungen hat.
• Entwicklung und Optimierung erfordern möglicherweise mehr Aufwand und Fachwissen.
• Begrenzte Unterstützung für ältere Hardware und Software im Vergleich zu einigen monolithischen Kerneln.

Hybrid-Kernel

Eine hybride Kernel-Systemarchitektur kombiniert die Elemente monolithischer und Mikrokernel und führt einige Dienste im Kernel-Bereich aus, um die Leistung zu steigern, während andere im Benutzerbereich verbleiben, um eine bessere Modularität und Sicherheit zu gewährleisten.

Vorteile

• Effiziente Leistung in vielen Szenarien.
• FlexMöglichkeit, Benutzerdienste und Treiber im Userspace oder Kernelspace auszuführen.
• Bessere Hardware- und Anwendungskompatibilität.
• Verbesserte Systemstabilität und Sicherheit im Vergleich zu monolithischen Kerneln.
• Der modulare Aufbau erleichtert Aktualisierungen und Wartung bestimmter Komponenten.

Nachteile

• Komplexer zu entwerfen und zu implementieren als monolithische oder Mikrokernel.
• Potenzial für erhöhten Systemaufwand und Latenz bei der Kommunikation zwischen Benutzerraum und Kernelraum.
• Sicherheitsrisiken, wenn User-Space-Dienste eng mit Kernel-Diensten interagieren.
• Kann je nach Implementierung die Nachteile sowohl monolithischer als auch Mikrokernel-Architekturen übernehmen.
• Ein Kompromiss zwischen Leistung und Modularität kann zu Ineffizienzen führen.

Exokern

Dieser Kerneltyp ermöglicht Anwendungen einen direkteren Zugriff auf Hardwareressourcen, indem die Rolle des Kernels bei der Ressourcenverwaltung minimiert wird. Dieser Ansatz reduziert den Overhead der Abstraktionsschicht und bietet mehr flexFlexibilität und Effizienz bei der Interaktion von Anwendungen mit der Hardware des Systems.

Vorteile

• Verbesserte Leistung durch weniger Abstraktion und Overhead.
• Größere flexMöglichkeit für Anwendungen, die Ressourcennutzung zu optimieren.
• Ermöglicht anwendungsspezifische Optimierungen und Anpassungen.
• Fördert Innovationen durch die Ermöglichung neuer Betriebssystemstrukturen.
• Effizientes Multiplexing von Hardwareressourcen zwischen mehreren Umgebungen.

Nachteile

• Erhöhte Komplexität in der Anwendungsentwicklung.
• Potenziell höhere Sicherheitsrisiken aufgrund des engeren Zugriffs der Anwendungen auf die Hardware.
• Kompatibilitätsprobleme zwischen Anwendungen, die für verschiedene Exokernel-basierte Systeme entwickelt wurden.
• Weniger Isolation zwischen Anwendungen, was möglicherweise zu Stabilitätsproblemen führt.

Nanokernel

Ein Nanokernel ist im Vergleich zu Mikrokerneln und Exokerneln ein noch minimalistischerer Ansatz für das Betriebssystemdesign. Der Schwerpunkt liegt darauf, nur die Funktionalitäten bereitzustellen, die für die Verwaltung von Hardwareressourcen erforderlich sind, und minimale Systemdienste zu ermöglichen.

Vorteile

• Minimalistisches Design, das zu einem potenziell geringeren Systemaufwand führt.
• Erhöhte Sicherheit aufgrund der reduzierten Angriffsfläche.
• Verbesserte Stabilität und Zuverlässigkeit, da weniger Funktionen im Kernelmodus ausgeführt werden.
• Aufgrund der Einfachheit einfacher zu warten und zu aktualisieren.
• Schafft eine bessere Trennung der Belange mit klaren Unterscheidungen zwischen System- und Anwendungsdiensten.
• Aufgrund der kürzeren Kernel-Codepfadlängen möglicherweise besser für Echtzeitanwendungen geeignet.

Nachteile

• Erhöhter Systemaufruf-Overhead, da mehr Vorgänge eine Kommunikation zwischen Prozessen erfordern.
• Potenziell geringere Leistung aufgrund des Overheads der Kommunikation zwischen Benutzerraum und Kernelraum.
• Komplexität in der Anwendungsentwicklung, da Entwickler mehr Aufgaben auf Systemebene bewältigen müssen.
• Die eingeschränkte Funktionalität innerhalb des Kernels erfordert zusätzliche Mechanismen zur Erweiterung der Systemfunktionen.
• Es ist schwieriger, eine optimale Gerätetreiberleistung zu erreichen, da Treiber möglicherweise im Benutzerbereich ausgeführt werden.
• Eine Herausforderung besteht darin, die Kompatibilität und Interoperabilität mit vorhandener Software und Systemen sicherzustellen.

Kernelmodus vs. Benutzermodus

Der Kernelmodus und der Benutzermodus stellen zwei unterschiedliche Betriebszustände innerhalb eines Computersystems dar, von denen jeder seine eigene Zugriffsebene und Kontrolle über Hardwareressourcen hat.

Der Kernel-Modus, auch Supervisor-Modus genannt, gewährt dem Kernel vollständigen Zugriff auf die gesamte Hardware und den gesamten Speicher im System. In diesem Modus kann der Kernel wichtige Aufgaben auf niedriger Ebene ausführen, z. B. die Speicherverwaltung, die Ausführung von Hardwareanweisungen und die Verarbeitung von Interrupts. Da der Kernel-Modus-Code direkt mit der Hardware interagieren und diese steuern kann, arbeitet er mit dem höchsten Maß an Vertrauen und Autorität innerhalb des Systems. Dieser uneingeschränkte Zugriff ist notwendig, damit der Kernel das System effizient verwalten kann, stellt aber auch ein Risiko dar, da Fehler oder Sicherheitslücken im Kernel-Modus zu Systeminstabilität oder Kompromittierung führen können.

Im Gegensatz dazu ist der Benutzermodus ein eingeschränkter Modus, in dem die meisten Anwendungen und Software ausgeführt werden. In diesem Modus wird der Zugriff auf Hardware und kritische Systemressourcen vom Kernel über Systemaufrufe vermittelt. Der Benutzermodus bietet eine geschützte Umgebung, die den direkten Zugriff einer Anwendung auf die Hardware begrenzt und so das System vor bösartiger oder fehlerhafter Software schützt. Wenn eine Anwendung im Benutzermodus abstürzt oder auf einen Fehler stößt, ist die Wahrscheinlichkeit eines weitreichenden Systemausfalls geringer, da der Kernel das Problem häufig verwalten oder isolieren kann.

Die Trennung zwischen Benutzer- und Kernelmodus ist für moderne Betriebssysteme von grundlegender Bedeutung, da sie eine Sicherheitsgrenze darstellt und Stabilität gewährleistet. Das Betriebssystem steuert sorgfältig den Übergang vom Benutzermodus in den Kernelmodus und zurück und sorgt so für ein Gleichgewicht zwischen Systemleistung und Sicherheit.