Contributions for improving debugging of kernel-level services in a monolithic operating system

Contributions à l'amélioration du débogage des services noyau dans un système d'exploitation monolithique

• Auteur / Autrice : Tegawende Bissyande
• Direction : Laurent Réveillère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 12/03/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques et informatique (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bordelais de recherche en informatique - Labri
• Jury : Président / Présidente : Xavier Blanc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Muller, Julia Lawall, David Lo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Ledru, Olaf Spinczyk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Linux, Pilotes de périphérique pour (logiciels)

Débogueurs

Systèmes d'exploitation (ordinateurs)

Mots clés libres

Diagnosys

Systèmes d'exploitation

Débogage

Services noyau

Pilotes de périphériques

Génie Logiciel

Linux

Tests

Diagnosys

Operating systems

Debugging

Kernel-level services

Device drivers

Software Engineering

Linux

Testing

Résumé

Alors que la recherche sur la qualité du code des systèmes a connu un formidable engouement, les systèmes d’exploitation sont encore aux prises avec des problèmes de fiabilité notamment dus aux bogues de programmation au niveau des services noyaux tels que les pilotes de périphériques et l’implémentation des systèmes de fichiers. Des études ont en effet montré que chaque version du noyau Linux contient entre 600 et 700 fautes, et que la propension des pilotes de périphériques à contenir des erreurs est jusqu’à sept fois plus élevée que toute autre partie du noyau. Ces chiffres suggèrent que le code des services noyau n’est pas suffisamment testé et que de nombreux défauts passent inaperçus ou sont difficiles à réparer par des programmeurs non-experts, ces derniers formant pourtant la majorité des développeurs de services. Cette thèse propose une nouvelle approche pour le débogage et le test des services noyau. Notre approche est focalisée sur l’interaction entre les services noyau et le noyau central en abordant la question des “trous de sûreté” dans le code de définition des fonctions de l’API du noyau. Dans le contexte du noyau Linux, nous avons mis en place une approche automatique, dénommée Diagnosys, qui repose sur l’analyse statique du code du noyau afin d’identifier, classer et exposer les différents trous de sûreté de l’API qui pourraient donner lieu à des fautes d’exécution lorsque les fonctions sont utilisées dans du code de service écrit par des développeurs ayant une connaissance limitée des subtilités du noyau. Pour illustrer notre approche, nous avons implémenté Diagnosys pour la version 2.6.32 du noyau Linux. Nous avons montré ses avantages à soutenir les développeurs dans leurs activités de tests et de débogage.

Despite the existence of an overwhelming amount of research on the quality of system software, Operating Systems are still plagued with reliability issues mainly caused by defects in kernel-level services such as device drivers and file systems. Studies have indeed shown that each release of the Linux kernel contains between 600 and 700 faults, and that the propensity of device drivers to contain errors is up to seven times higher than any other part of the kernel. These numbers suggest that kernel-level service code is not sufficiently tested and that many faults remain unnoticed or are hard to fix bynon-expert programmers who account for the majority of service developers. This thesis proposes a new approach to the debugging and testing of kernel-level services focused on the interaction between the services and the core kernel. The approach tackles the issue of safety holes in the implementation of kernel API functions. For Linux, we have instantiated the Diagnosys automated approach which relies on static analysis of kernel code to identify, categorize and expose the different safety holes of API functions which can turn into runtime faults when the functions are used in service code by developers with limited knowledge on the intricacies of kernel code. To illustrate our approach, we have implemented Diagnosys for Linux 2.6.32 and shown its benefits in supporting developers in their testing and debugging tasks.