NSF职业奖投资于稳定计算的未来

每天晚上，全球无数的设备都会更新其操作系统 (OS)，而日常用户登录时都希望获得快速、安全的连接和服务，以让他们日益增长的在线生活继续向前发展。但随着人工智能和其他更复杂的系统上线，所有这些系统的基础都摇摇欲坠。

社会的各个方面——从政府和工业到教育和娱乐——都依赖于具有稳定操作系统的设备。每个操作系统都依赖于数百万行代码的集合来支撑其功能。这一庞大且不断增长的代码集合统称为“内核”，就像其命名的种子一样，它对金融市场、商业和工业、教育、政府和国家安全至关重要。

“如果它停止工作，那么一切都将不起作用。世界几乎会关闭，” 工程学院计算机科学助理教授 丹·威廉姆斯说。

问题?内核是用一种称为 C 的老化编码语言编写的，并且不断变得更大、更复杂，以服务更多的设备和应用程序。与此同时，越来越少的计算机科学家对此感兴趣。

“当人工智能和其他创新发生如此多的事情时，很难让学生对用 C 编写的混乱代码感兴趣。但所有这些创新都依赖于内核。我们需要更多的人致力于此，”威廉姆斯说。

为了进一步实现这一目标，Williams 最近获得了为期五年、价值 60 万美元的国家科学基金会 (NSF) 教师早期职业发展 (CAREER) 奖，以探索稳定和更新现有 Linux 内核(全球最常用的内核之一)的新方法。这笔赠款还将支持教育新一代计算机科学家掌握使用内核所需的技能。

计算机科学系主任卡尔· 里本斯(Cal Ribbens)表示：“丹·威廉姆斯致力于应对这一关键的全球挑战的创新工作，象征着我们的教师和学生如何引领潮流 。 ” “我相信他的团队所做的工作将鼓励当前和未来的学生和教师解决深层次的技术问题，例如稳定而强大的操作系统内核。”

冻结和修复

作为每台服务器、计算机和网络设备操作系统的一部分，内核的作用就像空中交通管制员一样，确保软件和基于云的服务运行而不会相互冲突。它位于用户与之交互的硬件、软件和云服务之间，管理它们之间的所有通信。当用户触摸屏幕上的对象或在键盘上键入时，内核会确保遵循这些命令。

“当计算机死机时，通常表明内核存在错误，”威廉姆斯说。“它正在努力修复出现的问题。如果无法修复，计算机就会崩溃——有时会带走重要数据。”

您的操作系统为您做了所有这些夜间更新吗?威廉姆斯表示，其中许多都是针对内核中出现的错误的修复。但更新是绷带。错误、病毒、内存短缺和其他问题可能会减慢速度并使系统容易受到勒索软件等攻击。

威廉姆斯说，在全球范围内，计算仅依赖于少数几个内核。包括 Google、Amazon 和 Android 在内的大量设备都在 Linux 内核上运行。他说，无论系统使用哪种操作系统，所有内核都存在类似的弱点。

根据 2021 年进行的分析，Linux 操作系统内核中有超过 2880 万行代码。

“它是如此复杂，以至于没有人能够理解它的所有功能，”威廉姆斯说。“在某些方面，即使对于那些研究它的人来说，它也是神秘的。这是一个黑匣子。”

Williams 在 IBM 研究中心工作了 10 年，测试修复或替换 Linux 内核的新方法。但如此多的行业和重要的政府系统都依赖它，变化可能会导致意想不到的问题。而且风险如此之高，以至于从功能上来说不可能用新的全面替换它。

“内核在很多方面都太大而不能失败。这种不受控制的内核复杂性已经成为学生和从业者在内核级别学习或创新的重大障碍。”Williams 说。“如果不解决这个问题，我们可能会失去改善、保护或维护我们社会所依赖的基本核心的希望。”

一种新方法

两年前，威廉姆斯来到弗吉尼亚理工大学，提出了一种新方法的想法，这种方法可以帮助稳定内核，也可以帮助更多的学生对研究它产生兴趣。在这项 NSF 职业资助下，他的研究团队将尝试构建一个新的开源扩展框架，以针对内核中现有的弱点。

这个想法是用更灵活、更健壮的 Rust 语言构建这些代码部分，并将它们安装为现有内核有问题的部分的旁路。如果该方法成功，随着时间的推移，添加更多扩展可以用更好的内核替换现有内核，而不会中断现有应用程序和用户。

威廉姆斯表示，他的实验室将致力于创建一种新的内核模型，供本科生和研究生进行实验。它可以用于新的计算机科学课程和教育“训练营”。由于任何人都可以使用团队开发的开源代码，因此可以激发更广泛的兴趣和实验。

这项工作还可以为学生提供行业实习机会，以便在现实情况下使用现有内核做好准备。

威廉姆斯说：“如果不接触当今使用的真实系统，合格且对操作系统内核感兴趣的学生数量将低于操作系统内核这样对社会至关重要的软件应有的数量。” “我们在这个项目上的努力可以帮助我们实现我们的教育目标，而我们工作的开源性质将使那些已经在这个领域工作的人能够参与围绕操作系统内核的创新思维和方法。”