制度:新 ; 報告番号:甲3534号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2012/2/25 ; 早大学位記番号:新587

Kinebuchi Yuki

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制度:新 ; 報告番号:甲3534号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2012/2/25 ; 早大学位記番号:新5872textthesi

Kinebuchi, Yuki

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Waseda University Repository

Software and hardware supports for multi-OS environment =Maruchi OS kankyo o shiensuru sofutowea oyobi hadowea kino no teian

DSpace at Waseda University

 早稲田大学大学院 基幹理工学研究科     博 士 論 文 概 要         論  文  題  目   Software and Hardware Supports for Multi-OS Environment  マルチ OS 環境を支援するソフトウェアおよび ハードウェア機能の提案       申  請  者  Yuki  KINEBUCHI 杵渕  雄樹  情報理工学専攻 分散システム研究    2011 年 7 月  （受理申請する部科主任会開催年月を記入）      本 論 文 は 単 一 の ハ ー ド ウ ェ ア で 複 数 の OS を 実 行 す る マ ル チ OS 構 成 に つ い て 論じ る ．特 に 組 込 み シ ス テ ム で の OS の 非 対 称 性 に 注 目 し ，従 来 の 仮 想 化 技 術 な ど に依 存 し な い 低 レ ベ ル の ソ フ ト ウ ェ ア 支 援 お よ び ア ー キ テ ク チ ャ 支 援 に よ る マ ル チOS シ ス テ ム を 提 案 す る ．特 に 応 答 性 能 と CPU 使 用 率 に 関 す る 非 対 称 性 と セ キ ュ リテ ィ 要 件 の 非 対 称 性 を 取 り 上 げ ， 汎 用 マ ル チ コ ア プ ロ セ ッ サ で そ の よ う な マ ル チOS 構 成 を 実 現 す る 手 法 を 紹 介 す る ．組 込 み シ ス テ ム な ど で 利 用 さ れ る 専 用 非 対 称プ ロ セ ッ サ は 特 定 の 演 算 を 効 率 的 に 処 理 す る が ， 汎 用 性 に 欠 け る た め プ ロ セ ッ サの 価 格 が 高 く ， 普 及 に 適 し て い る と は 言 い 難 い ． 今 後 ， 組 込 み シ ス テ ム に お い ても 汎 用 マ ル チ コ ア プ ロ セ ッ サ の 採 用 例 が 増 え て い く と 予 想 さ れ る ． こ れ ま で の 専用 プ ロ セ ッ サ の 機 能 を ソ フ ト ウ ェ ア で 置 換 す る こ と で ， 柔 軟 で 普 及 し や す い シ ステ ム を 構 築 で き る と 考 え ら れ る ． 言 い 換 え る と ， 本 論 文 は リ ア ル タ イ ム 要 件 を 満た す た め の SoC や セ キ ュ リ テ ィ を 強 化 す る た め の 暗 号 化 プ ロ セ ッ サ の 機 能 を ソ フト ウ ェ ア の 機 能 に よ っ て ど う 置 き 換 え る か を 提 案 す る ．  組 込 み シ ス テ ム で 用 い ら れ る マ ル チ OS 構 成 は ク ラ ウ ド な ど の 大 規 模 サ ー ビ スと は 大 き く 異 な る ． 例 え ば 携 帯 電 話 な ど の モ バ イ ル 機 器 は マ ル チ メ デ ィ ア 処 理 やネ ッ ト ワ ー ク プ ロ ト コ ル な ど の 高 度 な 機 能 を 提 供 す る OS と 無 線 電 信 処 理 な ど を処 理 す る 制 御 用 OS を 同 時 に 実 行 す る ．ま た ，DRM コ ン テ ン ツ を 処 理 す る 暗 号 化 プロ セ ッ サ は 汎 用 OS と は 独 立 し て 処 理 を 行 う ．ク ラ ウ ド サ ー ビ ス と 組 込 み サ ー ビ スの 違 い は ：  １ ）  ク ラ ウ ド は 複 数 の ユ ー ザ に 対 し て サ ー ビ ス を 提 供 し ，な お か つ 各 ユ ー ザ の 挙動 が 互 い に 影 響 し な い よ う ， プ ラ イ バ シ ー と セ キ ュ リ テ ィ を 考 慮 し ， 各 OSを 隔 離 し な く て は な ら な い ．他 に ，そ れ ぞ れ の ユ ー ザ に 対 し て ，多 く の 場 合対 称 的 な 環 境 を 提 供 す る ．  ２ ）  一 方 ， 組 込 み シ ス テ ム で は ユ ー ザ は １ 人 で あ り ， 必 ず し も OS 同 士 が 相 互 に隔 離 さ れ て い る 必 要 は な い ． ま た ， 各 OS は 異 な る 機 能 を 担 当 し て お り ， それ ぞ れ の OS が 必 要 と す る 環 境 は 大 き く 異 な る ．  上 記 の ２ を 前 提 と す る こ と で ，組 込 み シ ス テ ム で は 複 数 OS を 実 行 す る 際 に 周 辺デ バ イ ス の 仮 想 化 や メ モ リ の 仮 想 化 を 行 わ ず ，プ ロ セ ッ サ の 仮 想 化 だ け で 複 数 OSを 実 行 す る こ と が 可 能 と な る ． こ の 設 計 に よ っ て ， 関 連 研 究 で あ る 組 込 み シ ス テム 向 け の 仮 想 化 技 術 と 比 較 し て ，OS に 対 す る 修 正 量 と オ ー バ ヘ ッ ド が 小 さ く な るこ と を 示 す ．ま た ，仮 想 化 技 術 だ け で な く ，ハ イ ブ リ ッ ド カ ー ネ ル や 汎 用 OS の リア ル タ イ ム 拡 張 と 比 較 し て も 提 案 手 法 の 修 正 量 は 小 さ い ． そ の 副 次 的 な 効 果 と して 既 存 の リ ア ル タ イ ム OS や 汎 用 OS を 転 用 す る コ ス ト を 低 減 さ せ る ． 特 に 組 込 みシ ス テ ム に お い て は リ ア ル タ イ ム OS 向 け ア プ リ ケ ー シ ョ ン の 再 利 用 や 汎 用 OS のバ ー ジ ョ ン ア ッ プ へ の 追 従 に 有 効 で あ る ．  リ ア ル タ イ ム OS は 主 に 周 期 タ ス ク を 実 行 し ，割 り 込 み 要 求 に た い し て 一 定 時 間内 に 応 答 す る リ ア ル タ イ ム 制 約 が あ る ．こ の 非 対 称 マ ル チ OS 構 成 を 対 称 型 マ ル チNo.1     No.2 コ ア プ ロ セ ッ サ で 実 行 す る 際 ， も っ と も 単 純 な プ ロ セ ッ サ コ ア の 割 当 は リ ア ル タイ ム OS が ひ と つ の コ ア を 占 有 す る こ と で あ る ．し か し 多 く の 場 合 ，周 期 タ ス ク はプ ロ セ ッ サ の 使 用 率 を 100%に し な い よ う 設 計 さ れ る ．ま た ，制 御 プ ロ セ ッ サ の 動作 周 波 数 は 汎 用 プ ロ セ ッ サ の そ れ と 比 較 し て 小 さ い ． 従 っ て ， リ ア ル タ イ ム OSは プ ロ セ ッ サ コ ア の CPU 資 源 を す べ て は 使 わ な い た め ， CPU の 余 剰 時 間 で 汎 用 OSを 実 行 す る こ と で プ ロ セ ッ サ 全 体 の 仕 様 効 率 を 向 上 さ せ る こ と が 期 待 で き る ． この 際 の 問 題 と し て は ，複 数 の OS の コ ン テ キ ス ト 切 り 替 え や ，割 り 込 み 禁 止 命 令 など の 影 響 に よ っ て ，OS に 対 す る 割 り 込 み の 応 答 時 間 に 予 測 で き な い 遅 延 が 生 じ るこ と で あ る ． 本 論 文 で は ， プ ロ セ ッ サ の 割 り 込 み 優 先 度 の 割 当 と プ ロ セ ッ サ の コン テ キ ス ト を 動 的 に マ イ グ レ ー シ ョ ン さ せ る 機 能 を 用 い て 遅 延 時 間 を 減 ら す ．  同 様 に 非 対 称 な OS の 構 成 の 例 と し て 仮 想 化 技 術 を 用 い た OS の モ ニ タ リ ン グ が挙 げ ら れ る ． あ る OS が 攻 撃 者 に 侵 入 さ れ て い な い か を 仮 想 化 技 術 を 用 い て 別 のOS か ら 監 視 す る 仕 組 み を 外 部 モ ニ タ リ ン グ と い う ． 外 部 モ ニ タ リ ン グ を 行 う OSは 監 視 対 象 と な る OS と 同 じ ハ ー ド ウ ェ ア 構 成 が 必 要 な わ け で は な く ，ハ ー ド ウ ェア 機 能 に よ っ て 必 要 最 小 限 の 保 護 機 能 を 提 供 す る こ と も で き る ． 特 に プ ロ セ ッ サの コ ア 数 増 加 に 応 じ て ， コ ア 間 の 一 貫 性 （ コ ヒ ー レ ン シ ） を 持 た な い プ ロ セ ッ サア ー キ テ ク チ ャ が 提 案 さ れ て お り ， そ れ を 利 用 し た 保 護 機 能 を 提 案 す る ． 特 に 大規 模 シ ス テ ム に お い て は モ ニ タ リ ン グ を 行 う OS を 監 視 対 象 と 同 様 の 環 境 で 実 行す る の に 十 分 な 資 源 を 提 供 す る こ と が で き る が ， PC や 組 込 み シ ス テ ム に お い て ，資 源 は 限 ら れ て お り ，監 視 用 OS の 構 成 は 必 要 最 小 限 と な る こ と が 望 ま し い ．暗 号化 プ ロ セ ッ サ は 内 部 に 専 用 の 暗 号 化 回 路 を 持 つ が ， こ れ を 汎 用 マ ル チ コ ア プ ロ セッ サ に 搭 載 す る コ ス ト は 大 き い ． さ ら に 仮 想 マ シ ン モ ニ タ な ど の 機 能 を 用 い て 保護 対 象 の コ ー ド を 実 行 す る こ と は で き る が ， 仮 想 マ シ ン モ ニ タ 自 体 に 脆 弱 性 が ある 場 合 は 機 能 し な い ． 本 論 文 で は コ ア ロ ー カ ル メ モ リ を 提 供 す る プ ロ セ ッ サ を 拡張 し て ， 従 来 の 仮 想 マ シ ン モ ニ タ の よ う な 仮 想 化 技 術 に 依 存 し な い 手 法 で モ ニ タリ ン グ 用 OS を 実 行 す る ． 具 体 的 に は 保 護 対 象 と な る OS を 実 行 す る 際 は ， コ ア ロー カ ル メ モ リ に そ の OS の デ ー タ を コ ピ ー し ，ハ ッ シ ュ 値 を 計 算 し て か ら 実 行 す る ．OS に お け る デ ィ ス ク ス ワ ッ プ と 同 様 に ，プ ロ セ ッ サ の ペ ー ジ ア ク セ ス 例 外 を 契 機と し て 対 象 の デ ー タ を ロ ー カ ル メ モ リ に コ ピ ー す る ． ハ ッ シ ュ 値 を 計 算 す る こ とに よ っ て 対 象 と な る デ ー タ が 改 変 さ れ て い な い か を 検 知 で き る た め ， セ キ ュ リ ティ 攻 撃 を 検 知 す る こ と が で き る ． 将 来 課 題 と し て 対 象 デ ー タ の 機 密 性 を 確 保 し たい 場 合 や 改 変 か ら の 復 旧 が あ る ． こ れ に つ い て は 保 護 対 象 の デ ー タ を 暗 号 化 す る手 法 や 複 数 の コ ピ ー を メ モ リ 上 や 外 部 ス ト レ ー ジ に 保 管 す る こ と で ， 改 変 か ら も復 元 で き る ． た だ し こ の 手 法 は オ ー バ ヘ ッ ド と の ト レ ー ド オ フ の 関 係 に あ る ．       Ｎｏ.1 早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書  氏 名 杵渕 雄樹     印 （２０１１年 ７月 現在） 種 類 別   題名、  発表・発行掲載誌名、  発表・発行年月、  連名者（申請者含む）論文 (論文誌）         論文 (査読あり国際学会第１著者)                   論文 (査読あり国際学会共著)  ○Yuki Kinebuchi, Kazuo Makijima, Takushi Morita, Alexandre Courbot and Tatsuo Nakajima, "Composition Kernel: A Software Solution for Constructing a Multi-OS Embedded System", In Hindawi Publishing Corporation EURASIP Journal on Embedded Systems, Volume 2010, October 12, 2010.  ○Hiromasa Shimada, Alexandre Courbot, Yuki Kinebuchi and Tatsuo Nakajima, "A Software Infrastructure for Dependable Embedded Systems", In International Journal of Computer Systems Science and Engineering (IJCSSE), Special Issue on Real-time Systems, pp.XX--XX, 2011. (掲載決定)  ○Yuki Kinebuchi, Hitoshi Mitake, Yohei Yasukawa, Takushi Morita, Alexandre Courbot and Tatsuo Nakajima, "A STUDY ON REAL-TIME RESPONSIVENESS ON VIRTUALIZATION BASED MULTI-OS EMBEDDED SYSTEMS", In Proceedings of the 1st International Conference on Pervasive and Embedded Computing and Communication Systems (PECCS 2011), Vilamoura, Algarve, Portugal, pp.369--378, March 5-7, 2011.  ○ Yuki Kinebuchi, Takushi Morita, Kazuo Makijima, Midori Sugaya and Tatsuo Nakajima, "Constructing a Multi-OS Platform with Minimal Engineering Cost", In Proceedings of Analysis, Architectures and Modelling of Embedded Systems: Third IFIP TC 10 International Embedded Systems Symposium (IESS 2009), Langenargen, Germany, pp.195--206, September 14-16, 2009.  ○Yuki Kinebuchi, Midori Sugaya, Shuichi Oikawa, Tatsuo Nakajima, "Task Grain Scheduling for Hypervisor-Based Embedded System", In Proceedings of The 10th IEEE International Conference on High Performance Computing and Communications (HPCC 2008), ISBN 978-0-7695-3352-0, pp.190--197, DaLian, China, September 25-27, 2008. Yuki Kinebuchi, Hidenari Koshimae, Shuichi Oikawa, Tatsuo Nakajima, "Dynamic Translator-based Virtualization", In The 5th IFIP International Workshop on Software Technologies for Embedded and Ubiquitous Systems (SEUS 2007), Springer LNCS 4761, ISSN 0302-9743, pp.486--495, Santrini Island, Greece, May 7-8, 2007. ○Hitoshi Mitake, Tsung-Han Lin, Hiromasa Shimada, Yuki Kinebuchi, Ning Li and Tatsuo Nakajima, "Towards Co-existing of Linux and Real-Time OSes", In Proceedings of the 13th Annual Linux Symposium (OLS 2011), pp.XX--XX, Ottawa, Canada, June 13-15, 2011. (掲載決定)     Ｎｏ.2 早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書  種 類 別   題名、  発表・発行掲載誌名、  発表・発行年月、  連名者（申請者含む）                        論文 (審査あり国際学会ワークショップ等) ○Tsung-Han Lin, Yuki Kinebuchi, Alexandre Courbot, Hiromasa Shimada, Takushi Morita, Hitoshi Mitake, Chen-Yi Lee and Tatsuo Nakajima, "Hardware-Assisted Reliability Enhancement for Embedded Multi-core Virtualization Design", In Proceedings of the 14th IEEE International Symposium on Object/Component/Service-oriented Real-time Distributed Computing (ISORC 2011), pp.241--249, Newport Beach, California, USA, March 28-31, 2011.  ○Hiromasa Shimada, Yuki Kinebuchi, Alexandre Courbot and Tatsuo Nakajima, "Design Issues in Composition Kernels for Highly Functional Embedded Systems", In Proceedings of The 26th Symposium on Applied Computing (SAC 2011), pp.338--345, Taichung, Taiwan, March 21-25, 2011.  ○Tatsuo Nakajima, Yuki Kinebuchi, Alexandre Courbot, Hiromasa Shimada, Tsung-Han Lin, Hitoshi Mitake, "Composition kernel: a multi-core processor virtualization layer for rich functional smart products", In Proceedings of the 8th IFIP Workshop on Software Technologies for Embedded and Ubiquitous Systems (SEUS 2011), pp. 227-– 238, October 13-15, 2010.  Hiromasa Shimada, Alexandre Courbot, Yuki Kinebuchi, Tatsuo Nakajima, "A Lightweight Monitoring Service for Multi-core Embedded Systems", In Proceedings of 13th IEEE International Symposium on Object/Component/Service-Oriented Real-Time Distributed Computing (ISORC 2010), pp.202--209, ISBN 978-0-7695-4037-5, Carmona, Spain, May 05-06, 2010.  ○Yuki Kinebuchi, Tatsuo Nakajima, Vinod Ganapathy, Liviu Iftode, "Core-Local Memory Assisted Protection," In Proceedings of the 16th IEEE Pacific Rim International Symposium on Dependable Computing (PRDC 2010), pp.233--234, National Institute of Informatics, Tokyo, Japan, December 13-15, 2010.  Hitoshi Mitake, Yuki Kinebuchi, Alexandre Courbot, and Tatsuo Nakajima, "Handling Lock-Holder Preemption in Real-Time Virtualization Layer for Multicore Processors", In Work-In-Progress Session of the 16th IEEE International Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications (RTCSA 2010), Macau SAR, China, pp.33--36, August 23-25, 2010.  Lei Sun, Yuki Kinebuchi, Tomohiro Katori and Tatsuo Nakajima, "Runtime Self-Diagnosis and Self-Recovery Infrastructure for Embedded Systems", In Proceedings of Third IEEE International Conference on Self-Adaptive and Self-Organizing Systems 2009 (SASO 2009), pp.284--285, San Francisco, California, September 14-18, 2009.  ○Yuki Kinebuchi, Wataru Kanda, Yu Yumura, Kazuo Makijima, and Tatsuo Nakajima, "A Hardware Abstraction Layer for Integrating Real-Time and General-Purpose with Minimal Kernel Modification", In Proceedings of the First International Workshop on Software Technologies for Future Dependable Distributed Systems (STFSSD 2009), Tokyo, Japan, pp.112--116 (CD-ROM/Data/s572a112.pdf), March 17-18, 2009.    Ｎｏ.3 早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書  種 類 別   題名、  発表・発行掲載誌名、  発表・発行年月、  連名者（申請者含む）                      講演     その他 Midori Sugaya, Yuki Kinebuchi, Shuichi Oikawa and Tatsuo Nakajima, "VPE: Virtual Periodic Execution for Embedded System", In Proceedings of Work-In-Progress Session of the 13th Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, pp.56--59, Bellevue, USA, April 3-6, 2007.  Yuki Kinebuchi, Hidenari Koshimae, Tatsuo Nakajima, "Constructing Machine Emulator on Portable Microkernel", In Proceedings of The 22nd Annual ACM Symposium on Applied Computing (SAC 2007), ACM ISBN 1-59593-480-4, pp.1197--1198, Seoul, Korea, March 11-15, 2007.  Yuki Kinebuchi, Hidenari Koshimae, Shuichi Oikawa, Tatsuo Nakajima, "Virtualization Techniques for Embedded Systems", In National ICT Australia Technical Report, The 12th IEEE International Conference on Embedded and Real-time Computing Systems and Applications 2006, ISSN 1833-9646, pp.37--42, Work in Progress Session, Sydney, Australia, August 16-18, 2006.  Hidenari Koshimae, Yuki Kinebuchi, Shuichi Oikawa, Tatsuo Nakajima, "Using a Processor Emulator on a Microkernel-based Operating System", In National ICT Australia Technical Report, The 12th IEEE International Conference on Embedded and Real-time Computing Systems and Applications 2006, ISSN 1833-9646, pp.31--36, Work in Progress Session, Sydney, Australia, August 16-18, 2006.  杵渕 雄樹，「メニーコアに向けた組込みオペレーティングシステム」，連続セミナー2009「 進 化 す る 組 込 み シ ス テ ム 技 術 」 第 6 回 「 Advanced Technique 」，http://www.ipsj.or.jp/10jigyo/seminar/2009/2009-6.html，東京電機大学，2009 年 12月 4 日．  Kazuo Makijima, Hiromasa Shimada, Yuki Kinebuchi, "SPUMONE", The World Embedded Software Contest 2009, p.165, Seoul, Korea, November 18, 2011.  杵渕 雄樹，神田 渉，湯村 悠，巻島 一雄，森田 拓司，Aleksi Aalto, 中島 達夫，「CPUコア仮想化レイヤ SPUMONE」，Embedded Technology 2008 出展（ユニバーシティパビリオン，中島研究室ブース，デモおよびポスタ），パシフィコ横浜，2008 年 11 月 19-21 日． 杵渕 雄樹（開発代表），香取 知浩，湯村 悠，神田渉， 2007 年度Ⅰ期 IPA 未踏ソフトウェア創造事業， "TUMBLER: 組み込み向け高信頼プラットフォームの開発"，2007 年． 腰前秀成（開発代表），杵渕雄樹，2005 年度上期 IPA 未踏ソフトウェア創造事業，"L4VM: マイクロカーネル上で動作する仮想マシンの構築"，2005 年．  杵渕雄樹，腰前秀成，菅谷みどり，UNIXUSER 2005 年 7 月号 第 2特集 "検証解剖！ ジャーナリングファイルシステム Ext3"，pp.62-8，翔泳社，2005 年 7 月．   

Maruchi OS kankyo o shiensuru sofutowea oyobi hadowea kino no teian

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