Hurd 操作系统

引言

GNU Hurd 操作系统是 GNU 项目设计的另一款内核，旨在替代 Unix 风格的内核。与传统的宏内核不同，Hurd 是一个基于名为 GNU Mach 内核的微内核系统。这使得它成为一组服务器的集合，这些服务器负责监督文件系统服务器、网络协议服务器和系统权限服务器等基本功能，每个服务器都执行特定的任务，而不是由一个单一的内核实体来完成。

Hurd 最初由 GNU 开发，后来由自由软件基金会 (FSF) 接管，旨在成为 GNU 操作系统的内核。该操作系统被设想为专有 Unix 系统的免费 软件 等价物。它的创建始于 1990 年；然而，由于各种软件问题，它仍在构建中，并且仅在少数有限的实现中用于测试场景。不幸的是，在模块化特性方面，Hurd 的模块化为用户和开发者在处理低级系统交互和权限问题时提供了更大的灵活性和更多的控制。

Hurd 的核心策略之一是用户自由的理念，这意味着用户可以更直接地访问底层硬件的架构。翻译器机制是操作系统组织上的一项增强功能，它允许用户通过结构化路径键入与文件和设备的特定交互，并对其应用特定的编程活动，从而实现对文件和设备的灵活处理。

历史背景

GNU 项目的最初目标是开发一个类似于 Unix 的操作系统，并给予用户运行、修改和分发软件的自由。最初，目标是成为 Unix 内核的替代品。然而，遇到了很多问题，该项目具有独特的架构。

Hurd 是作为 1983 年启动的 GNU 项目的一部分而开发的，尽管实际开发工作始于 1989 年。Hurd 不是一个单一的实体，而是在 GNU Mach 微内核之上运行的多个服务器。Mach 是在卡内基梅隆大学开发的，它引入了一种微内核方法，比宏内核更灵活、更模块化。这种架构旨在使系统的各个部分能够相互交互，同时保持独立，从而提高系统的安全性和稳定性。

最初，他们开发了第一系列 Hurd 服务器来处理文件系统和驱动程序等基本操作系统任务。这一设计选择使 Hurd 在操作系统设计中成为一个里程碑，因为它通过可扩展性和可配置性明显区别于其他操作系统。虽然理论上 Hurd 的架构看起来相当完善，但由于多种原因，其开发进展缓慢——技术上难以实现正确的设计，以及创建一个功能齐全的精确微内核系统的挑战。

到 20 世纪 90 年代中期，尽管 Hurd 在开源社区引起了轰动，但由于 Linux 内核的存在和影响，其实际使用并不广泛。当 Linux 逐渐发展并成为许多开发者的首选系统时，Hurd 却在努力寻找其用户和开发者。

2001 年，Debian 认为 Hurd 是可行的，并开始将其纳入，从 Debian GNU/Hurd 开始。这个接口让用户可以尝试 Hurd，同时也为用户提供了进一步开发该操作系统的理由。然而，该项目进展缓慢，开发者更关注稳定性和鲁棒性，而不是新功能的加入。

架构和设计

1. 微内核架构

Hurd 使用了一个最小化的内核微内核，仅支持像内存管理、IPC 和调度这样的主要服务。这种设计使得操作系统更安全、更稳定，因为大多数服务并非直接在内核层运行。

2. 基于服务器的设计

Hurd 在一个模型上运行，其中大部分工作由服务器完成，系统功能就是服务器。第一个是 Web 和本地服务器，后三个是网络服务器，最后两个是设备 Web 和设备本地服务器。它还具有模块化特性，这意味着如果需要，可以更容易地维护、替换或升级任何部分。

3. 进程间通信 (IPC)

在 Hurd 中，IPC 是其架构中最关键的方面之一。它允许两个或多个服务器和进程相互交互。Hurd 使用进程间通信机制来支持进程之间的数据和控制信息传递，从而通过高效的协调实现高效的资源共享。

4. 作为服务器的文件系统

与其他操作系统中文件系统基本上是内核的一部分不同，在 Hurd 环境中，文件系统是用户级服务器。这种分离使得开发者可以创建多个独立但可以并发使用的文件系统，因为它们提供了一个单一的接口；因此，多样性方面得到了增强。

5. 用户空间灵活性

实际上，在 Hurd 的设计中，许多典型的内核过程被委托给用户空间，这意味着许多操作由应用程序处理。通过这样做，该方案在服务提供方面具有更高的灵活性，从而用户可以开发定制的解决方案。

6. 动态配置

它指出 Hurd 操作系统具有动态重新配置服务的能力。这意味着用户可以在不关闭和重新启动系统的情况下扩展或缩减系统内的服务。这种动态特性非常适合需要大部分时间保持运行但很少需要重新启动的系统。

7. 可移植性和兼容性

Hurd 的一个明显优势是其易于移植的能力。Hurd 设计的平台可以轻松移植到任何其他硬件架构上。由于其开发架构的性质，它与 GNU 软件的兼容性意味着 Hurd 可以与许多不同的现有应用程序结合使用。

8. 通过隔离实现安全

该架构最显著的优势在于使用了独立的服务器，并且微内核架构的基本保护功能提供了对不同进程之间干扰的功能性保护。为此，以下设计特性避免了由单个坏部件可能导致的系统性故障，并对授予资源访问权限的系统部分进行集中控制。

9. 可扩展性

Hurd 内置的模块化特性使其易于扩展程序。Hurd 可以被视为一个可以通过创建新服务器或修改现有服务器来开发新功能或寻求性能增强的操作系统；因此，Hurd 被定位为一个能够跟上技术总体进步的操作系统。

用例

1. 教学和学习活动

由于其微内核架构和模块化服务器设计，Hurd 对于对操作系统设计和分布式计算系统感兴趣的学术机构和研究人员来说将非常有用。大学和研究实验室等教育机构可以使用 Hurd 作为学习各种基本微内核动态、进程隔离、基于服务器的架构、操作系统基础知识以及新趋势的工具。

2. 开源操作系统的开发

Hurd 是当前一个与 Linux 竞争的现有开源操作系统，对于实现 GNU 项目——一个全面的自由软件操作系统——至关重要。愿意构建或贡献像 Hurd 这样的系统的自由软件开发者和贡献者，由于其独特的架构而尝试这个操作系统。它为那些对自由软件进步和测试除 Linux 之外的开源操作系统感兴趣的人提供了一个平台。

3. 安全研究与开发

Hurd 提供的细粒度访问控制以及物理上分离的服务器，使其成为对微内核和隔间感兴趣的安全研究人员的一个有吸引力的目标。研究人员可以使用 Hurd 来了解降低与基本操作系统部件相关的风险的可能方法，并研究隔间化进程如何帮助保护操作系统免受攻击者的攻击。

4. 定制和实验性系统开发

由于翻译器和模块化服务器，它还启动了对系统服务的灵活控制。它用于创建新的或试验性的配置，其中某些功能要被实现、微调甚至单独更改。对于包括嵌入式系统以及 物联网在内的行业来说，使用 Hurd 创建必要但精确的操作空间可能会很有帮助。

5. 教育与培训

我们在 Hurd 的案例中看到的基于网络服务器的模块化设计对于向操作系统学生解释概念非常方便。因此，Hurd 可以有效地用于描述进程间通信、访问控制、服务器隔离等问题，为学习者提供在一个相当独特的操作系统模型框架内工作的实践经验。

挑战和局限性

1. 开发进度缓慢

Hurd 的开发因此相对缓慢，并且被证明在实现基本功能方面进展缓慢。Hurd 最初于 20 世纪 80 年代作为该项目的一部分开发，面临许多技术和组织问题，阻碍了其成功。这就是为什么 Hurd 在功能集、执行速度和实际适用性方面与其它操作系统相比存在显著不足，这反过来又影响了它的普及度和用户贡献数量。

2. 系统的微内核架构复杂

尽管微内核架构模型提供了模块化，但另一方面，它也带来了巨大的复杂性。简单地管理许多执行基本操作系统功能的全功能用户空间服务器，而不是在单个内核中管理一组程序，一直相当棘手。这是因为服务器之间的 IPC 会增加开销，导致随着复杂性的增加，系统响应能力和资源使用情况恶化。

3. 硬件兼容性

对硬件的零散支持仍然是 Hurd 最重要的问题之一，因为它目前缺乏像 Linux 或 BSD 那样全面的支持。它依赖于 Mach 微内核，并且它目前支持的少数内核已经被认为是过时的，这限制了操作系统与特定硬件平台的兼容性。这一限制阻碍了它在各种设备上运行的能力，并降低了它作为适用于当前一代机器的各种典型任务或作为通用操作系统的吸引力。

4. Hurd 的开发者和用户基础很小

Hurd 不像其他现代平台那样著名，其开发者和用户基础很小，意味着贡献者数量少，开发速度慢。由于活跃贡献者较少，错误修复、新功能和广泛测试需要相对较长的时间。从社区的角度来看，社区规模较小意味着关于如何使用的文档或教程很少，因此与主流操作系统相比，论坛帮助也较少。

未来趋势

1. 扩展硬件兼容性

Hurd 的大部分战略包括扩展硬件兼容性。通过增强基础拓扑结构并增加对新型设备的支持，Hurd 可以建立其在具有先进处理器和外围设备的新类别设备上的咨询基础。增加的硬件支持将使其在更多地方成为比 Linux 和 BSD 更合理的选择。

2. 支持开发者

Hurd 的发展有很多方向，其中最重要的两个是增加项目的开发者和贡献者数量。为了获得更多贡献，Hurd 项目的主要目标是提高对新开发者的友好度，详细记录解决方案并提供更好的社区支持。Hurd 从开发者和贡献者那里吸收功能变更的程度也可能提高功能开发的速度，并且 Hurd 可以通过更深入的测试得到巩固。

3. 增加用户之间的交流

下一个是改善用户体验，在源信息上下文中也称为 UX。这包括增强命令行界面，增强与常用应用程序的软件兼容性，以及简化安装过程。这些改进可以增加 Hurd 对不了解其独特结构的用户吸引力，这可能导致在普通操作系统消费者中获得更大的用户采用率。

4. 现代操作系统的特性

Hurd 开发计划的具体内容：一个现代操作系统必须支持虚拟化、高级网络和电源管理，而 Hurd 缺乏这些功能。实现这些功能将有助于 Hurd 满足当前的技术需求，并适合满足需要高级操作系统功能的用户。

结论

Hurd 操作系统以其微内核架构和面向对象的服务器定义设计，提出了一个大胆的操作系统设计理念。作为 GNU 项目的一部分创建，Hurd 旨在成为可访问和灵活软件的明确代表。它存在一些已知问题，包括硬件支持有限、开发缓慢和性能问题；尽管如此，Hurd 仍通过社区开发增强和研究不断改进。

考虑到安全性是首要目标，以及可定制和高效的设计，Hurd 操作系统作为一种研究操作系统和自由软件具有特殊的意义。这条道路定义了开源价值观在当今计算领域的重要性。