Token-ordered LRU: an effective page replacement policy and its implementation in Linux systems

Most computer systems use a global page replacement policy based on the LRU principle to approximately select a Least Recently Used page for a replacement in the entire user memory space. During execution interactions, a memory page can be marked as LRU even when its program is conducting page faults. We define the LRU pages under such a condition as false LRU pages because these LRU pages are not produced by program memory reference delays, which is inconsistent with the LRU principle. False LRU pages can significantly increase page faults, even cause system thrashing. This poses a more serious risk in a large parallel systems with distributed memories because of the existence of coordination among processes running on individual node. In the case, the process thrashing in a single node or a small number of nodes could severely affect other nodes running coordinating processes, even crash the whole system. In this paper, we focus on how to improve the page replacement algorithm running on one node.

After a careful study on characterizing the memory usage and the thrashing behaviors in the multi-programming system using LRU replacement. we propose an LRU replacement alternative, called token-ordered LRU, to eliminate or reduce the unnecessary page faults by effectively ordering and scheduling memory space allocations. Compared with traditional thrashing protection mechanisms such as load control, our policy allows more processes to keep running to support synchronous distributed process computing. We have implemented the token-ordered LRU algorithm in a Linux kernel to show its effectiveness.     

桌面Linux操作系统页面交换算法的改进

Linux系统的页面交换策略是一种被动的策略,这使得桌面应用的响应速度较慢。这里改进了页面交换算法,包括系统内核、窗口管理器和应用程序几个层面上的修改。     

Internal Scheduling and Memory Contention

It has been suggested that the algorithm used to schedule those processes active and in main memory can have an effect on memory contention. We create models for memory contention in a system that uses global LRU replacement and either round robin or priority internal scheduling. Parameters to our model include the ratio of secondary storage to primary storage access times, thus allowing consideration of a variety of storage technologies. The round robin quantum size is included and is shown to have some effect. Our model uses LRU miss ratio curves and thus reflects actual program characteristics. Trace driven simulations are used to verify the accuracy of the models. We find that in most cases internal scheduling has only a small effect on page fault rates and CPU utilization. In certain cases, however priority scheduling is found to besignificant in relieving thrashing.     

针对KASLR的Linux计时攻击方法

针对开启内核地址空间布局随机化（KASLR）防护的Linux系统,提出一种基于CPU预取指令的Cache计时攻击方法。Intel CPU的预取指令在预取未映射到物理地址的数据时会发生Cache失效,导致消耗的CPU时钟周期比已映射到物理地址的数据要长。根据这一特点,通过rdtscp指令获取CPU时钟周期消耗,利用计时攻击绕过KASLR技术防护,从而准确获取内核地址映射的Offset。实验结果表明,该攻击方法能够绕过Linux操作系统的KASLR防护,获得准确的内核地址映射位置,并且避免引起大量Cache失效。     

Linux内核启动过程分析

结合Linux内核代码,分析了80x86平台上Linux操作系统内核的启动过程,特别对内核的动态加载、CPU工作模式的转换以及内存分页机制最终启动的全过程做了较为细致的阐述.该分析有助于更深入地了解Linux内核的工作原理和多任务操作系统的实现机理,是将Linux运用于嵌入式系统的前期工作.     

基于Davinci平台的SD卡读写优化

Linux2.6内核里集成了Davinci平台的MMC/SD卡驱动程序,但是在实际使用的过程中发现,应用程序对SD卡进行读写操作时,处理读写请求的的mmcqd进程会造成很高的CPU峰值,极容易导致系统异常。基于此点,进一步研究linux2.6.18里Davinci平台的MMC/SD卡驱动程序,解决了CPU占用率过高的问题,并大大提高了其传输速度。     

基于LSM的沙箱模块设计与实现

沙箱（Sandbox）技术是一种安全保护机制,其目的是通过对程序运行环境的限制来保护系统的安全性.LSM是Linux内核提供的一种轻量级访问控制框架.文中分析了Linux系统中实现沙箱模块的常用技术的不足（实现复杂且资源消耗大）,提出一种基于LSM在Linux内核中实现沙箱模块的方法.基于LSM实现沙箱模块,可以减少工作量.且测试结果表明,基于LSM的内核沙箱模块加载后,对系统影响较小,系统性能最大损失约10％.     

在Linux中避免进程的无效唤醒

在操作系统中,正在执行的进程在某些条件不满足的情况下需要进入睡眠状态从而让其他进程可以使用处理器资源。Linux是一个支持对称多处理器的操作系统,由于进程的并发能力,Linux中的进程有时可能会遇到无效唤醒的问题。本文展示了Linux中进程无效唤醒问题的发生,提出了相应的解决方案,最后以Linux内核源代码为例进行说明。     

基于Linux的仪器系统审计机制的研究

Linux系统现行的审计机制是应用级审计,不能满足操作系统的安全要求,为此许多文献提出了Linux内核级的审计,增强了Linux的审计能力。但是在审计能力增加的同时,审计容量和运行时间也增加。根据仪器系统的特点,本文提出了可控内核审计的机制。内核级审计能够被应用程序控制,这样在实现安全性提高的同时,可控制内核审计范围,保证实时测试程序的实时性。内核审计功能的控制通过Linux的proc文件系统实现,本文详细地描述了实现过程。     

在Linux中避免进程的无效唤醒

在操作系统中，正在执行的进程在某些条件不满足的情况下需要进入睡眠状态从而让其他进程可以使用处理器资源。Linux是一个支持对称多处理器的操作系统，由于进程的并发能力，Linux中的进程有时可能会遇到无效唤醒的问题。本文展示了Linux中进程无效唤醒问题的发生．提出了相应的解决方案，最后以Linux内核源代码为例进行说明。     

A model of a time sharing virtual memory system solved using equivalence and decomposition methods

Summary A queueing network model of a time-sharing multiprogramming virtual memory system is presented including the effect of memory sharing among processes. An approximate explicit solution is obtained using equivalence and decomposition methods.The influence of system and program behaviour parameters on system performance (mean response time and CPU utilization) is illustrated in the results obtained. The efficiency of controlling the degree of multiprogramming in order to prevent thrashing is also studied using a similar model.     

嵌入式系统中的SMACK应用研究

介绍强制访问控制(MAC)方法和在Linux主流内核版本中MAC主要的实现技术,包括SELinux和SMACK。将SMACK应用到典型的嵌入式设备?——智能手机上,通过定义SMACK规则为第三方软件构造沙盒。测试结果表明,与SELinux相比,SMACK具有较少的内存消耗和较高的运行效率,更适用于嵌入式系统。     

Linux实时调度方案的设计与实现

作为一个分时系统，Linux的设计目标为提高吞吐率和平均响应时间，因此采取了基于时间片的调度策略，显然这种机制无法保证实时任务得到及时响应和调度．为了改进Linux操作系统的实时性能，探讨了基于Linux的实时操作系统RFRTOS中的实时调度机制．实验验证，所做改进有效地提高了Linux的调度精度，满足了软实时方面的需求．     

Performance evaluation comparison of Snort NIDS under Linux and Windows Server

In this paper, we present an experimental evaluation and comparison of the performance of Snort NIDS when running under the two popular platforms of Linux and Windows 2003 Server. Snort's performance is measured when subjecting a PC host running Snort to both normal and malicious traffic, and with different traffic load conditions. Snort's performance is evaluated and compared in terms of throughput and packet loss. In order to offer sound interpretations and get better insight into the behavior of Snort, we also measure the packet loss encountered at the kernel level. In addition, we identify key system parameters (for both Linux and Windows) that provide a fine-grained control over the percentage of the CPU bandwidth allocated to Snort application and can consequently impact its performance. We investigate such an impact, and determine the most appropriate values to improve and optimize Snort's performance. Specifically, for Windows we investigate the impact of customizing the Processor Scheduling configuration option; and for Linux, we investigate the impact of tuning the Budget configurable parameter used in the Linux kernel's packet reception mechanism.     

基于Linux的进程主/从调度实现

提出一种主从调度模型在Linux下的实现方法。在该模型中，系统中的每一个进程由某一个指定的CPU来运行，从而减少了进程切换的次数。在内核中，每一个CPU单独拥有一个可运行队列，各个CPU各自进行调度，使得内核调度线程能够同时在多个CPU上运行，多个CPU充分并行，从而提高系统性能。     

基于Objrmap的区分实时进程页的页面置换算法

本文深入分析了Linux 2.6的新技术--基于对象的逆向映射Objrmap的基本原理,探讨了区分实时进程页的置换策略的可能性,并提出了基于区分实时进程页的页面置换算法,增 强了Linux系统的实时性。改进的算法具有优异的时空性能,同时不影响系统的高并发度和进程间的内存共享。实验表明,改进算法在重载条件下,实时进程的缺页次数明显少于 原算法。     

基于特征尺度均衡的Linux系统双阈值任务调度算法

在嵌入式Linux操作系统的设计和应用中,操作系统经过移植后运行在不同的硬件平台上,它需要一种有效的任务调度算法来实现进程管理和内存管理,以提高系统运行效率.提出了一种基于特征尺度均衡的Linux系统双阈值任务调度算法,分析了嵌入式Linux的内核结构,构建了系统任务调度模型.该算法对以往各类型任务的到达频率、执行时间等信息流进行统计,并提取特征尺度,在Linux系统的全局任务调度中心将所有任务进行融合,输入系统总调度器,得到尺度优化目标函数,进行特征尺度均衡处理;把均衡后的特征尺度时间轴划分成各个相邻但不重合的任务匹配平滑窗口,通过双阈值权衡判决实现对Linux系统的任务调度.仿真结果表明,采用该算法进行Linux嵌入式任务调度,具有较高的执行效率,CPU利用率高,整体性能优于传统算法.     

Linux环境下路由器中的网络带宽管理

Linux是目前广泛用于路由设备中的操作系统,而流量管理是这种网络操作系统的一个重要功能.研究了Linux系统的流量管理机制,发现当前Linux系统所采用的在网络接口的出口实现的基于网络包调度的流量管理机制缺乏对于网络带宽在系统范围的全局性的管理,也缺乏对于输入流的网络处理的有效管理和调度,从而造成不必要的CPU资源的浪费.为解决这一问题,提出了一种新颖的网络带宽管理机制,它通过调度网络协议处理所占用的CPU时间来实现带宽管理.这种新的机制将网络带宽的管理和调度从网络接口的出口点转移到处理接收到的网络包的系统软件中断处理程序中,从而克服了原来的流量管理机制的缺点.通过系统实现和对比实验,发现该机制本身给系统带来的负载小于Linux原来的流量管理机制,同时可以提供更好的流量隔离,并且能够有效地节省用于网络处理的CPU资源.     

基于MPC860启动引导程序研究与设计

启动引导程序是嵌入式程序的开头部分,它负责ES860的硬件初始化,载入操作系统内核,向内核传递参数信息,并将控制转交给内核,然后由内核软件再初始化操作系统,从而实现整个系统的启动;文中通过对Linux引导程序工作原理和机制的分析,介绍了在嵌入式Linux系统下基于MPC860的启动引导程序的设计方法,分析了CPU、存储器、ES860的初始化过程,结合对引导程序Uboot的源代码讨论,提出了一个在ES860开发平台上实现的引导程序,对引导过程的第一阶段和第二阶段以及相应的源程序都作了详细的分析,对源程序的调试和固化过程也作了简要讨论.     

Linux内核基于对称多处理机的实现分析

SMP(对称多处理机)是一种紧耦合、共享存储的系统模型。Linux内核为了支持SMP体系结构,必须要修改基于UP(单处理机)的内核代码。文中详细分析了SMP的体系结构,并对Linux内核中SMP的启动以及如何实现多处理器的进程调度进行了详细的分析,最后阐述了SMP中出现的一致性问题及解决方案,解决了Linux内核在对称多处理机上的实现。