Cos'è un kernel e come funziona?

Cos'è il kernel?

Al centro di ogni sistema operativo si trova il kernel, un software fondamentale che funge da mediatore tra software applicativo e componenti hardware del computer.È responsabile della gestione dell'hardware del computer (CPU, RAM, archiviazione, ecc.), Dettare come e quando quelle varie risorse sono utilizzate attraverso applicazioni di corsa e dormienti.

Ad esempio, immagina di unirti a una teleconferenza sul tuo computer, utilizzando un'app come Zoom o Google Meet.Una volta aperta, l'applicazione chiederà al kernel di accedere alla fotocamera e al microfono del computer.Il kernel elabora la richiesta attivando l'hardware necessario sul computer.Dirà anche al computer di allocare una certa quantità di risorse della CPU per mantenere una connessione regolare.

Funzioni del kernel

La funzione principale del kernel è garantire che software e hardware comunicano efficacemente.

Ecco una ripartizione di alcune delle funzioni fondamentali del kernel che gli consentono di funzionare senza intoppi

Gestione delle risorse

Il kernel consente alle applicazioni di condividere le risorse hardware, orchestrando quando e quanta particolare risorsa hardware è necessaria per una determinata attività (processo).

• PROCESSORE: Il kernel può pianificare diversi processi per utilizzare la CPU in modo che tutto funzioni senza intoppi ed efficiente.
• Memoria: Il kernel assegna lo spazio a ciascun processo, se necessario, tenendo traccia di ciò che è in uso e di ciò che è gratuito e scambia le cose dentro e fuori se necessario.
• Gestione dei dispositivi I/O: Quando si utilizza la tastiera, il mouse o altri dispositivi, il kernel gestisce queste interazioni in modo che i dati fluiscano senza intoppi tra hardware e software.

Gestione dei processi

Il kernel gestisce tutti gli aspetti della gestione dei processi, compresa la creazione di nuovi processi, la pianificazione quando si eseguono e la pulizia una volta terminati.Si assicura che ogni processo abbia le risorse di cui ha bisogno per operare proteggendole dall'interferenza tra loro.

Gestione della memoria

Il kernel supervisiona sia la memoria fisica che virtuale, assicurandosi che ogni processo abbia abbastanza spazio con cui lavorare.Utilizza tecniche come il paging (fisso) e la segmentazione (variabile) per mantenere tutto organizzato ed efficiente.

Gestione dei file di sistema

Il kernel organizza il modo in cui i dati vengono archiviati sul disco rigido o SSD del computer garantendo che i file vengano salvati e recuperati in modo sicuro.

I driver di periferica

I driver di dispositivi sono come traduttori per diversi componenti hardware (stampanti, schede grafiche, ecc.).Il kernel comunica con questi driver per controllare e coordinare l'uso dei dispositivi.

Sicurezza e protezione

Il kernel applica il controllo dell'accesso e le autorizzazioni per proteggere il sistema dall'accesso non autorizzato.Isola i processi l'uno dall'altro, aiutando a impedire al codice dannoso di influire su altre parti del sistema.

Tipi di kernel

Esistono diversi tipi di kernel, ognuno con il proprio design unico e approccio alla gestione delle risorse del tuo computer.Esploriamo i principali tipi di kernel e ciò che rende uno speciale:

Kernel monolitico

Pensa a un kernel monolitico come un grande pacchetto all-in-one.Include non solo le funzioni di base del sistema operativo, ma anche i driver di dispositivi, la gestione dei file system e altri servizi di sistema.

Tutto funziona in un unico spazio del kernel, che può portare ad alte prestazioni ed efficienza.

Esempi: Linux e versioni precedenti di UNIX.

Microkernel

I microkernel adottano un approccio minimalista.Gestiscono solo le funzioni più essenziali, come la comunicazione tra hardware e software, e delegano altre attività (come i driver di dispositivo) per separare i processi in modalità utente.

Questo design può portare a una migliore stabilità e modularità, rendendo più facile isolare e riparare i problemi del sistema.

Esempi: Mach (utilizzato in MacOS X) e QNX.

Nanokernel

I nanokernel sono ancora più piccoli e più leggeri dei microkernel.Mirano a gestire solo il minimo assoluto di attività, come la commutazione del contesto e l'astrazione dell'hardware.

Questo tipo di kernel è progettato per applicazioni specializzate, come sistemi incorporati o dispositivi IoT, in cui la semplicità e l'utilizzo minimo delle risorse sono fondamentali.

Kernel ibrido

Un kernel ibrido è un mix di disegni monolitici e microkernel, con l'obiettivo di prendere il meglio da entrambi i mondi.

Mantiene alcuni dei vantaggi delle prestazioni del kernel monolitico ma con più modularità, come un microkernel.

Esempi: Windows NT e MacOS (dalla versione X).

Exochernel

Gli exokernel adottano un approccio diverso fornendo un'interfaccia di basso livello all'hardware, dando maggiore controllo sulle risorse.Questo kernel del sistema operativo consente una maggiore personalizzazione e potenziali guadagni delle prestazioni, ma può essere complesso da gestire.

I driver di periferica

I driver di dispositivi sono componenti software che consentono al kernel del sistema operativo di comunicare con i dispositivi hardware all'interno e all'esterno del computer.

Esistono 3 tipi principali di driver di dispositivi che il sistema operativo utilizza:

Driver del dispositivo di caratteri

Questi driver sono responsabili della gestione dei dispositivi che trasferiscono il carattere dei dati per carattere, tra cui tastiere, topi, porte seriali e terminali.In genere gestiscono le operazioni di input e output su una base di carattere, senza tamponare grandi quantità di dati.Esempi includono driver di tastiera per l'interpretazione di tasti e driver di mouse per il monitoraggio dei movimenti del cursore.

Blocca i driver del dispositivo

I driver dei dispositivi a blocchi supervisionano i dispositivi che archiviano e recuperano i dati in blocchi o settori a dimensioni fisse, come dischi rigidi, unità a stato solido (SSD) e dispositivi di archiviazione USB.Gestiscono i dati in blocchi, consentendo una lettura e scrittura efficienti di grandi quantità di dati.I driver di blocco dei dispositivi hanno il compito di gestire i dispositivi di archiviazione, che includono le richieste di partizionamento, formattazione e gestione delle letture e di scrittura.

Driver di dispositivo di rete

I driver dei dispositivi di rete sono responsabili del controllo delle schede di interfaccia di rete (NICS) e di altri hardware di rete, facilitando la comunicazione su una rete.Questi driver gestiscono la trasmissione e la ricezione di pacchetti di dati, implementando protocolli di rete come TCP/IP.Gestiscono anche la configurazione della rete, il routing dei pacchetti e la trasmissione dei dati.

Modalità kernel vs. modalità utente

La modalità utente e la modalità kernel sono due stati del driver di dispositivo distinti all'interno del sistema operativo.

Diamo un'occhiata a cosa sia ogni modalità e perché contano per la sicurezza e la stabilità del tuo computer.

Modalità kernel

La modalità kernel è uno stato privilegiato in cui operano i componenti principali del sistema operativo.In questa modalità, il kernel ha accesso senza restrizioni alle risorse hardware e può eseguire attività di sistema critiche, come la gestione della memoria, il controllo dei dispositivi hardware e la gestione degli interrupt del sistema.È come il centro di controllo del computer, in cui le operazioni essenziali vengono eseguite in modo efficiente e sicuro per garantire il funzionamento regolare del sistema operativo.

Poiché il software ha accesso senza restrizioni alle risorse del sistema sensibili, l'esecuzione in modalità kernel richiede un alto livello di fiducia.Pertanto, solo i componenti fidati del sistema operativo, come il kernel stesso e i driver di dispositivo, funzionano in modalità kernel per mantenere l'integrità del sistema.

Modalità utente

La modalità utente è un ambiente limitato in cui vengono eseguite la maggior parte delle applicazioni, come browser e elaboratori di testi.In questa modalità, il software opera entro i confini stabiliti dal sistema operativo, senza accesso diretto a hardware o risorse di sistema critico.È progettato per fornire un ambiente sicuro e stabile per le applicazioni per operare in modo indipendente senza interferire tra loro o le funzioni di base del sistema operativo.

Sicurezza del kernel

Il kernel contiene varie misure di sicurezza per salvaguardare il sistema contro potenziali minacce.

Ecco alcuni modi in cui il kernel è in grado di mantenere un ambiente sicuro e mitigare potenziali vulnerabilità:

Controllo di accesso: Il kernel applica le politiche di controllo degli accessi assegnando autorizzazioni a utenti e processi, come leggi, scrittura ed eseguire le autorizzazioni.Verifica le richieste di accesso rispetto a tali autorizzazioni per garantire che solo le entità autorizzate possano accedere alle risorse.

Autorizzazioni: Il kernel applica le autorizzazioni controllando i diritti di accesso dell'entità richiedente rispetto alle autorizzazioni associate alla risorsa.Ciò aiuta a prevenire l'accesso non autorizzato e l'uso improprio delle risorse di sistema.

Sandboxing: Il kernel implementa le tecniche di sandboxing, come l'isolamento del processo, la separazione dello spazio dei nomi e la separazione dei privilegi, per creare ambienti di esecuzione sicuri per le applicazioni.Ciò impedisce loro di accedere o modificare le risorse critiche di sistema.