回顧 Linux 內(nèi)核最新版以及其針對 Google Android、Open vSwitch 和網(wǎng)絡(luò)的特性
M. Tim Jones, 獨(dú)立作家, 顧問
簡介： Linux 內(nèi)核 3.3 版本于 2012 年 3 月正式發(fā)布（緊接著，版本 3.4 也于 5 月份發(fā)布了）。除了針對大量小功能和 bug 進(jìn)行修復(fù)之外，這兩個(gè)版本也進(jìn)行了一些很重要的更改，包括 Google Android 項(xiàng)目的合并、Open vSwitch 的合并、一些網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)（包括組合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備），以及各種文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理和虛擬化的更新。探討版本 3.3 和 3.4 中的重要更改，并提前了解未來 3.5 版本 中將進(jìn)行的更改。
本文的標(biāo)簽：
linux,
新linux內(nèi)核介紹標(biāo)記本文！發(fā)布日期： 2012 年 7 月 23 日
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Linux? 內(nèi)核版本 3.3 和 3.4 包括一個(gè)令人印象深刻的特性集，但是在某種意義上它們也是不詳預(yù)兆的里程碑。版本 3.3 是第一個(gè)超過 1500 萬行代碼的 Linux 版本（采用了一種確實(shí)存在缺陷的測量方法測量的）。如果減去 Linux 內(nèi)核的變體部分（比如驅(qū)動(dòng)程序、架構(gòu)相關(guān)代碼和各種工具），數(shù)量可能會(huì)下降到 400 萬以下（仍然是一個(gè)龐然大物）。
關(guān)于這個(gè)里程碑潛在的不詳預(yù)兆有兩個(gè)方面，Linux 內(nèi)核的增長速度（自 2008 年以來增長了 50%）以及這種增長速度是否會(huì)對 Linux 內(nèi)核效率（功率和性能）產(chǎn)生負(fù)面影響。功率和性能通常不是以每個(gè)補(bǔ)丁為基礎(chǔ)進(jìn)行測量，所以一個(gè) bug 可能很容易蔓延到已發(fā)布內(nèi)核中，并存留一段時(shí)間（例如，在版本 3.3 中修復(fù)的 PCI Express [PCIe] Active State Power Management 功率問題，在內(nèi)核中已經(jīng)存在一年了）。
Linux 內(nèi)核版本控制
內(nèi)核使用一個(gè)由 3 部分組成的數(shù)字組合進(jìn)行版本控制，該數(shù)字組合是由一個(gè)內(nèi)核版本、一個(gè)主要修訂和微小修訂（例如，3.3.4）構(gòu)成。候選發(fā)布版本內(nèi)核包括一個(gè) rc#"后綴，該后綴中包含一個(gè)數(shù)字，代表具體候選版本（例如，當(dāng)前版本是 3.5rc1）。
在不到 21 年的時(shí)間內(nèi)，Linux 已經(jīng)從 10,000 多行代碼增長到超過 1500 萬行代碼。盡管大多數(shù)代碼駐留于驅(qū)動(dòng)程序子樹中，但內(nèi)核的復(fù)雜性隨著代碼的增多在不斷增加。很快有一天，這種擴(kuò)大可能會(huì)導(dǎo)致修改內(nèi)核來消除復(fù)雜性并提高其可維護(hù)性。
如
圖 1 所示，版本 2.4 自 2001 年發(fā)布以來，Linux 內(nèi)核增長迅速（從 3,377,902 行增加到 2012 的 14,998,651 行）。這段時(shí)期內(nèi)，每年幾乎有大約 100 萬行新代碼被添加到內(nèi)核中。這是一個(gè)驚人的數(shù)字，會(huì)讓每個(gè)軟件開發(fā)人員都感到恐懼。
引用 Torvalds 自己的話，隨著內(nèi)核的增長他很擔(dān)心未來的維護(hù)。內(nèi)核中大約有 400 萬行代碼，當(dāng)前內(nèi)核管理方法可能需要提高。
內(nèi)核版本 3.3 中最大的新聞是將 Google Android 引入到主線內(nèi)核中。這一集成將繼續(xù)存在于版本 3.4 中，但是有足夠的 Android 分支位于主線上以支持引導(dǎo) Android 用戶空間（參見
圖 2）。Android 內(nèi)核是 Linux 內(nèi)核的一個(gè)分支，擁有幾個(gè)電源和資源節(jié)約型操作（根據(jù)功率限制移動(dòng)設(shè)備需要）所需的附加特性。盡管重點(diǎn)是 ARM 架構(gòu)，但是也支持 x86（用于 Google TV 項(xiàng)目）。
Linux 維護(hù)人員和 Google 之間的協(xié)作問題導(dǎo)致了兩年前的 Android 的獨(dú)立開發(fā)。終于在 2011-2012 冬天，人們迎來了 Android Mainlining Project 的創(chuàng)建，Android Mainlining Project 旨在將 Android 驅(qū)動(dòng)程序和特性集成到主線 Linux 內(nèi)核。這項(xiàng)工作已引入版本 3.3 中，并將在版本 3.5 中看到更進(jìn)一步的集成。
Android 為 Linux 創(chuàng)建了一些維護(hù)移動(dòng)環(huán)境競爭性所需的增強(qiáng)功能。示例包括快速進(jìn)程間通信 (IPC)、改進(jìn)的應(yīng)用程序內(nèi)存管理和一個(gè)大型連續(xù)物理內(nèi)存管理問題的解決方案。
名為 Binder 的驅(qū)動(dòng)程序是 Android 對 IPC 的回應(yīng)。Android 開發(fā)人員可以很輕松地重用現(xiàn)有方法，但是 Binder 包括無法使用的惟一特性（包括零復(fù)制的消息傳遞和證書傳遞）。在 Android 中，應(yīng)用程序無法退出，因此只能繼續(xù)執(zhí)行，直到內(nèi)核刪除它們。Shrinker 作為一個(gè)機(jī)制而存在，當(dāng)內(nèi)存利用率降低時(shí)會(huì)復(fù)制其利用率。應(yīng)用程序注冊了一個(gè)可調(diào)用來最大程度地減少內(nèi)存使用的函數(shù)，以便內(nèi)核在內(nèi)存緊張時(shí)調(diào)用這些函數(shù)。Android 的另一個(gè)新增內(nèi)容是 Pmem，它提供了在需要時(shí)（比如，需要一個(gè)相機(jī)功能）分配大型物理連續(xù)緩存的功能。Pmem 為這類內(nèi)存分配導(dǎo)出一個(gè)用戶空間驅(qū)動(dòng)程序，還可以還集成其他功能，但是它們都是特定于移動(dòng)領(lǐng)域的。
某些特性還沒尚未引入內(nèi)核，比如 wakelocks，它是電源管理功能，允許使用組件阻止系統(tǒng)進(jìn)入低功率狀態(tài)（例如，正在更新的時(shí)候）。缺少 wakelocks 并不會(huì)妨礙 Android 系統(tǒng)啟動(dòng)，但會(huì)很快耗盡電池。
隨著 Android 被再次合并到 Linux 內(nèi)核中，再一次最好地說明了 Linux 內(nèi)核的靈活性（從嵌入式系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備再到最大的大型機(jī)和超級計(jì)算機(jī)）。由于有超過 3 億 Android 設(shè)備目前正在使用中，所以作為通用平臺的 Linux 需要不斷改進(jìn)。
回頁首Linux 繼續(xù)成為實(shí)現(xiàn)虛擬化的首選平臺。除了成為世界一流的操作系統(tǒng)之外，Linux 同時(shí)還是一個(gè)世界一流的虛擬機(jī)監(jiān)控程序。Open vSwitch 的引入進(jìn)一步加強(qiáng)了這種狀況，它提供了一個(gè)開箱即用的虛擬化經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù) (Infrastructure as a Service, IaaS) 用戶。
虛擬交換機(jī)只不過是物理交換機(jī)的一個(gè)軟件版本。回想一下，平臺虛擬化（由基于內(nèi)核的虛擬機(jī) [KVM] 或 Xen 實(shí)現(xiàn)）允許您在一個(gè)虛擬機(jī)監(jiān)控程序 上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)實(shí)例（作為 WM），以將該物理平臺刻入各種虛擬平臺。虛擬交換機(jī)的引進(jìn)擴(kuò)展了這一抽象概念，其方法是引進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的虛擬形式。虛擬交換機(jī)提供一個(gè)讓 VM 在虛擬網(wǎng)絡(luò)上相互通信的高效方法。Open vSwitch 跨虛擬主機(jī)擴(kuò)展這一抽象概念，允許一個(gè)物理主機(jī)上的 VM 與另一個(gè)物理主機(jī)上的其他 VM 進(jìn)行透明地通信。
在 Open vSwitch 中，您將會(huì)發(fā)現(xiàn)一組豐富的虛擬網(wǎng)絡(luò)特性，包括服務(wù)質(zhì)量、虛擬 LAN、流量過濾、隔離以及各種監(jiān)控和控制協(xié)議（比如 OpenFlow 和 NetFlow）。盡管 Linux 已經(jīng)擁有一個(gè)虛擬交換機(jī)實(shí)現(xiàn)（稱為 Linux Bridge），但 Open vSwitch 是一個(gè)功能更為豐富的解決方案（包括多主機(jī)管理），因此也是一個(gè)備受歡迎的補(bǔ)充。請參閱
參考資料 獲取更多相關(guān)信息。
回頁首內(nèi)核版本 3.3 在許多文件系統(tǒng)中都可以對這些文件系統(tǒng)進(jìn)行更改，以供用戶和開發(fā)人員使用。對用戶來說，通過一個(gè) I/O 控件，可對第 4 擴(kuò)展文件系統(tǒng) (ext4) 進(jìn)行在線調(diào)整大小（在線 系統(tǒng)仍然保持運(yùn)行）。這意味著整個(gè)調(diào)整都在內(nèi)核中執(zhí)行，其結(jié)果是使調(diào)整變得更快。
對于 B 樹文件系統(tǒng) (Btrfs)，已經(jīng)重寫了平衡操作（用于更改元數(shù)據(jù)的底層結(jié)構(gòu)，比如，添加了一個(gè)新驅(qū)動(dòng)器），以支持暫停和恢復(fù)。Btrfs 增強(qiáng)繼續(xù)存在于版本 3.4 中，并且還有一個(gè)新的數(shù)據(jù)恢復(fù)工具，可用于從損壞的 btrfs 文件系統(tǒng)提取文件。除此之外，在版本 3.4 中，Btrfs 還進(jìn)行一些性能改進(jìn)和錯(cuò)誤處理改進(jìn)（包括恐慌消除，以優(yōu)雅的錯(cuò)誤管理替換它們）。在版本 3.4 之前，Btrfs 作為一個(gè)文件系統(tǒng)在 VM 中表現(xiàn)不佳，這是由于寫時(shí)復(fù)制機(jī)制所致?？梢詧?zhí)行調(diào)優(yōu)來將破壞降至最低。
同時(shí)還更新軟件獨(dú)立磁盤冗余整列 (redundant array of independent disks, RAID) 以支持熱替換，允許數(shù)據(jù)從一個(gè)卷（使用可替換的mdadm 進(jìn)行標(biāo)記）遷移到另一個(gè)卷，以便于刪除原始數(shù)據(jù)。最后，版本 3.4 為 QNX4 文件系統(tǒng)添加了只讀支持。
對于開發(fā)人員來說，現(xiàn)在，可以將錯(cuò)誤注入 Network File System 以測試客戶端的恢復(fù)能力（通過 sysfs）。對于 Btrfs 開發(fā)人員而言，新增了一個(gè)用于完整性檢查的實(shí)用工具，可用于識別無效的 “寫入” 請求，有助于更快速地解決 bug。
回頁首隨著 Linux 逐漸處于網(wǎng)絡(luò)功能的前沿，內(nèi)核版本 3.3 也對這方面進(jìn)行了增強(qiáng)。
對于低延遲基礎(chǔ)架構(gòu)（比如，高性能計(jì)算），可集成 SCSI Remote Direct Memory Access (RDMA) 協(xié)議目標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序。Secure Remote Password 是一個(gè)協(xié)議，它允許使用 RDMA 作為塊存儲設(shè)備的底層傳輸。這一特定的添加功能允許 Linux 使用 SPR 暴露一個(gè)塊設(shè)備，遠(yuǎn)程發(fā)起者可以通過它附加塊 I/O。RDMA 是由 InfiniBand 支持，這在高性能集群中是很常見的。
Random Early Detection (RED) 包調(diào)度程序可使用 Sally Floyd 的一個(gè)新算法 Ramakrishna Gummadi 進(jìn)行修改，Scott Shenker 將其稱之為 Adaptive RED。RED 已被證明是一個(gè)高效的包調(diào)度程序算法（它可以根據(jù)可用隊(duì)列大小的函數(shù)丟棄無法緩存的包），但是也發(fā)現(xiàn)它對于網(wǎng)絡(luò)中的擁堵程度非常敏感。RED 將隊(duì)列大小作為丟包概率，因此在一個(gè)空的或幾乎空的隊(duì)列中，所有包都會(huì)被接受，但當(dāng)隊(duì)列填滿時(shí)，所有包都被丟棄。Adaptive RED 通過測量該算法丟包時(shí)表現(xiàn)的積極程度動(dòng)態(tài)改變丟包概率。您可在 Adaptive RED 文章中閱讀有關(guān)該算法的更多信息，
參考資料 提供了相關(guān)的鏈接。
添加了一個(gè)新的組合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來替換較舊的內(nèi)核連接驅(qū)動(dòng)程序。該組合設(shè)備允許創(chuàng)建虛擬接口，從多個(gè)物理 Ethernet 設(shè)備（鏈路聚合和 802.1AX 所定義的）集合空閑帶寬。該設(shè)備可用于提高網(wǎng)絡(luò)性能（聚合多個(gè)物理設(shè)備）或提供冗余（透明故障恢復(fù)）。目前支持兩種模式，允許流量跨物理端口簡單地分配輪循，或者，如果主要網(wǎng)絡(luò)連接失敗，可定義一個(gè)端口作為活動(dòng)備份來路由所有流量。
在大量網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)中，另一個(gè)有趣的更改是添加控制組（或 cgroups）的 TCP 緩存限制。Cgroups 可以通過各種實(shí)現(xiàn)方法，比如，將資源隔離到一個(gè) VM。此更改允許跟蹤一個(gè) cgroup 中的用戶空間內(nèi)存和內(nèi)核內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)資源管理。
回頁首Linux 3.3 也引進(jìn)了一些非特定于文件系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的更改。在新架構(gòu)方面，現(xiàn)在直接支持 Texas Instruments C6x 處理器（而不是作為一個(gè)單獨(dú)項(xiàng)目）。C6x 是一個(gè)單一的多核數(shù)字信號處理器，基于 Very Long Instruction Word，但是缺少現(xiàn)代特性，比如對稱多進(jìn)程處理和緩存一致性；它還缺乏一個(gè)內(nèi)存管理單元 (MMU)。盡管有這些架構(gòu)漏洞，但 C6x 系列還是很出色的，有一組豐富的外圍設(shè)備和芯片上加速器（安全性、快速和傅立葉變換等）。版本 3.4 支持最新的 GPU 處理器，比如 Nvidia 的 Kepler，以及 AMD 最新版本的 Radeon 和 Trinity。
APM 架構(gòu)子樹現(xiàn)在使用大量物理地址擴(kuò)展，并引入了在一個(gè)芯片上支持 Nvidia Tegra 3 服務(wù)，這對于 ARM 在低功率服務(wù)器領(lǐng)域與 Intel 的競爭，提供了有力的工具。另外，在版本 3.3 中還對于 AMD I/O MMU 實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了不同頁面大小管理和不斷增長的設(shè)備安全性（分組或設(shè)備隔離）。此外，Virtual Function I/O 提高了 KVM 將設(shè)備映射到 KVM 來賓用戶組的能力。最后，還更新 S390 架構(gòu)來支持訪問高達(dá) 64TB 的 RAM（遠(yuǎn)超過之前少于 4 TB 的限制）。
Performance Monitoring Unit (PMU) 現(xiàn)在進(jìn)行虛擬化以供 KVM 所用，因此，來賓用戶組現(xiàn)在可以在其自己的虛擬平臺上訪問一個(gè) PUM。這將為每個(gè)來賓用戶呈現(xiàn)一些有用的性能活動(dòng)，包括退役的指令、緩存引用與差錯(cuò)，以及執(zhí)行的或遺漏的分支指令。Xen 的另一個(gè)有用虛擬化特性是支持安全丟棄。安全丟棄 意味著永久刪除有問題的扇區(qū)，而不再是簡單地標(biāo)記為空閑。最后，各種虛擬 I/O 驅(qū)動(dòng)程序（blk、net、balloon 和 console）現(xiàn)在支持 Advanced Configuration 和 Power Interface S4 休眠狀態(tài)，意味著來賓 VM 可以在 Xen 上休眠。
對于內(nèi)存崩潰問題，調(diào)試起來非常繁瑣，因此添加了一個(gè)稱為 CONFIG_DEBUG_PAGEALLOC 的新配置項(xiàng)。此更改將檢查 CPU 是否訪問未分配頁面，并可能會(huì)導(dǎo)致一些性能損失。
回頁首Linux 不斷向前邁進(jìn)，已發(fā)布版本 3.4，候選版本 3.5 也即將在 2012 年 8 月發(fā)布。Linux 3.5 包括一些有趣的新特性。
Btrfs 不斷地增強(qiáng)，這次在文件系統(tǒng)中加入了優(yōu)化的回寫處理。標(biāo)準(zhǔn) Linux 文件系統(tǒng) (ext4) 也得到了增強(qiáng)，能夠?qū)⑿ｒ?yàn)和添加到元數(shù)據(jù)以幫助識別數(shù)據(jù)干預(yù)。Linux 很快會(huì)越過防火墻或 USB Attached SCSI Protocol 支持 SCSI 目標(biāo)。最后，用戶空間探測也將得到支持（與 SystemTap 一同使用來分析用戶空間編程行為）。期望 8 月份即將發(fā)布的候選版本能進(jìn)行更多的更改。
學(xué)習(xí)
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Linux Kernel Archives，獲取最近的（和非近期的）內(nèi)核資源。
Linux Kernel Newbies 是有關(guān)內(nèi)核版本的優(yōu)秀信息資源，包括有關(guān)給定內(nèi)核版本中一些顯著特性的總結(jié)，在
Linux 3.3 概要頁面中了解更多相關(guān)信息。
Google 創(chuàng)建了
Android Open Source Project 以開發(fā)和維護(hù) Android 平臺。該項(xiàng)目也維護(hù)兼容性程序，是免費(fèi)版本并確保第三方開發(fā)人員不可以開發(fā)非兼容 Android 實(shí)現(xiàn)。您可以在
Wikipedia 的 Android 頁面 了解更多相關(guān)的信息。
您可以使用
Android Emulator 針對一個(gè)移動(dòng)設(shè)備模擬 Andriod，也可以針對
Google TV Emulator 模擬 Android（使用Linux 和 KVM）。Google TV Emulator 支持 ARM emulation 和低效 x86。
Android 引進(jìn)了幾個(gè)已注入 Linux 內(nèi)核的新組件，包括
IPC Binder（快速 IPC）、
Low Memory Killer，以及
Pmem（類似于不包括 Ashmem 的組件）。
Linux 為 Android 提供動(dòng)力，是 Linux 作為靈活通用平臺的一個(gè)很好的示例。在
了解可作為通用平臺的 Linux 操作系統(tǒng)（M. Tim Jones，developerWorks，2012 年 3 月）中查找更多示例。
Open vSwitch 是一個(gè)多層虛擬交換機(jī)，現(xiàn)已引進(jìn)到 Linux 內(nèi)核中。這意味著 Linux 作為一個(gè)虛擬機(jī)監(jiān)控程序現(xiàn)在可以使用開箱即用的 Open vSwitch。對于 Linux 虛擬化高級用戶來說，這是一個(gè)很受歡迎的增加。要了解有關(guān) Open vSwitch 的更多信息，請閱讀這篇簡短產(chǎn)品介紹
Why Open vSwitch。您也可以從
The Linux Foundation 中了解更多以前的解決方案，比如
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剖析開源云（M. Tim Jones，developerWorks，2010 年 3 月），獲取云計(jì)算和 IaaS 環(huán)境中虛擬交換的介紹。
Linux 中的虛擬網(wǎng)絡(luò)（M. Tim Jones，developerWorks，2010 年 10 月）介紹 Linux 中各種格式的虛擬交換技術(shù)，包括 Open vSwitch。您也可以在
虛擬 Linux（M. Tim Jones，developerWorks，2006 年 10 月）中了解關(guān)于各種類型虛擬化（Linux 均支持）的更多信息，并且在
剖析 Linux hypervisor（M. Tim Jones，developerWorks，2009 年 5 月）中了解如何將 Linux 轉(zhuǎn)換為虛擬機(jī)監(jiān)控程序。
Btrfs 是由 Oracle 開發(fā)的一個(gè)文件系統(tǒng)，挑戰(zhàn) Sun 的 ZFS。Btrfs 可用于構(gòu)建大型企業(yè)存儲系統(tǒng)，擁有在線修復(fù)和簡化維護(hù)等特性。在
Btrfs 維基頁面 了解更多相關(guān)的信息。
Virtio 是一個(gè)供 Linux hypervisors 使用的 I/O 虛擬化框架。Virtio 使用一組常用 I/O 虛擬化驅(qū)動(dòng)程序提供虛擬機(jī)監(jiān)控程序的有效抽象概念。在
Virtio：針對 Linux 的 I/O 虛擬化框架（M. Tim Jones，developerWorks，2010 年 1 月）中了解更多相關(guān)信息。
由來自 Cisco 的 Roland Dreier 所撰寫的文章
Writing RDMA Applications on Linux，提供了有關(guān) RDMA 以及在 Linux 環(huán)境中使用 RDMA 開發(fā)應(yīng)用程序的詳細(xì)介紹。
Adaptive RED: An Algorithm for Increasing the Robustness of RED's Active Queue Management 詳盡介紹了如何將此算法更改為標(biāo)準(zhǔn) RED 算法。
Control groups 包含在 Red Hat 的在線 RHEL 文檔之中。您也可以在
Linux Weekly News 上的博文
Per-cgroup TCP 緩存區(qū)限制 中了解有關(guān)在 cgroups 應(yīng)用 TCP 對緩存區(qū)限制的更多詳細(xì)信息。
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M. Tim Jones 是一名嵌入式固件架構(gòu)師，也是 Artificial Intelligence:A Systems Approach、GNU/Linux Application Programming（現(xiàn)已發(fā)行第二版）、AI Application Programming（第二版）和 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 等書籍的作者。他的工程背景非常廣泛，從對地同步宇宙飛船的內(nèi)核開發(fā)到嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)。Tim 居住在科羅拉多州 Longmont，他是 Intel 的一名平臺架構(gòu)師，也是一名作家。
