TUGAS 1: SISTEM OPERASI TENTANG DESAIN LINUX KELAS E

24 November 2013 21:00:03 Dibaca : 418

ASSALAMUALAIKUM WARAMATULLAHI WABARAKATUH

terima kasih atas kesempatan yang diberikan. pada kesempatan ini saya akan memaparkan tentang desain linux mengenai kernel.

A.Pengertian Kernel

Kernel Linux adalah kernel yang digunakan dalam sistem operasi GNU/Linux. Kernel ini merupakan turunan dari keluarga sistem operasi UNIX, dirilis dengan menggunakan lisensi GNU General Public License (GPL), dan dikembangkan oleh pemrogram di seluruh dunia. Linux merupakan contoh utama dari perangkat lunak bebas dan sumber terbuka. Linux pertama kali ditulis oleh Linus Benedict Torvalds pada tahun 1991. Pada saat itu, Proyek GNU telah membuat banyak komponen yang dibutuhkan untuk membentuk sebuah sistem operasi yang bebas, tapi belum memiliki kernel yang melandasi komponen aplikasi tersebut. Sebenarnya waktu itu, sudah ada kandidat kuat sebagai fondasi sistem operasi GNU, yang dinamakan dengan Hurd, tapi pengembangannya belum selesai. Pada saat awal pengembangannya, Linux sangat sederhana. Tapi berkat dukungan semua pihak (khususnya komunitas sistem operasi Minix) yang menyumbang ide ke dalam Linux sehingga dapat berkembang.
Kernel merupakan suatu perangkat lunak yang menjadi bagian utama dari sebuah sistem operasi. Tugasnya melayani bermacam program aplikasi untuk mengakses perangkat keras komputer secara aman.Sebuah kernel sistem operasi tidak harus ada dan dibutuhkan untuk menjalankan sebuah komputer. Program dapat langsung dijalankan secara langsung di dalam sebuah mesin (contohnya adalah CMOS Setup) sehingga para pembuat program tersebut membuat program tanpa adanya dukungan dari sistem operasi atau hardware abstraction. Cara kerja seperti ini, adalah cara kerja yang digunakan pada zaman awal-awal dikembangkannya komputer (pada sekitar tahun 1950). Kerugian dari diterapkannya metode ini adalah pengguna harus melakukan reset ulang komputer tersebut dan memuatkan program lainnya untuk berpindah program, dari satu program ke program lainnya. Selanjutnya, para pembuat program tersebut membuat beberapa komponen program yang sengaja ditinggalkan di dalam komputer, seperti halnya loader atau debugger, atau dimuat dari dalam ROM (Read-Only Memory). Seiring dengan perkembangan zaman komputer yang mengalami akselerasi yang signifikan, metode ini selanjutnya membentuk apa yang disebut dengan kernel sistem operasi.
Dalam sebuah perangkat komputer, kernel merupakan komponen inti dari Sistem Operasi yang berjalan dalam perangkat tersebut. Kernel bertugas untuk mengatur pembagian sumber daya sistem; komunikasi antara komponen hardware dan software. Kernel menghubungkan antara software aplikasi dan hardware komputer. Ia menyediakan abstraction layer pada level terendah untuk resource-resource seperti memori, prosesor dan perangkat I/O di mana suatu software aplikasi harus mengontrol resource-resource tersebut agar dapat berfungsi. Kernel mampu menyediakan fasilitas seperti ini bagi proses-proses aplikasi melalui mekanisme IPC (Inter ProcessCommunication) dan System call. Tugasnya melayani bermacam program aplikasi untuk mengakses perangkat keras komputer secara aman. Karena akses terhadap perangkat keras terbatas, sedangkan ada lebih dari satu program yang harus dilayani dalam waktu yang bersamaan, maka kernel juga bertugas untuk mengatur kapan dan berapa lama suatu program dapat menggunakan satu bagian perangkat keras tersebut. Hal tersebut dinamakan sebagai multiplexing.Akses kepada perangkat keras secara langsung merupakan masalah yang kompleks, oleh karena itu kernel biasanya mengimplementasikan sekumpulan abstraksi hardware. Abstraksi-abstraksi tersebut merupakan sebuah cara untuk menyembunyikan kompleksitas, dan memungkinkan akses kepada perangkat keras menjadi mudah dan seragam. Sehingga abstraksi pada akhirnya memudahkan pekerjaan programer. Untuk menjalankan sebuah komputer kita tidak harus menggunakan kernel sistem operasi. Sebuah program dapat saja langsung di- load dan dijalankan diatas mesin ‘telanjang’ komputer, yaitu bilamana pembuat program ingin melakukan pekerjaannya tanpa bantuan abstraksi perangkat keras atau bantuan sistem operasi. Teknik ini digunakan oleh komputer generasi awal, sehingga bila kita ingin berpindah dari satu program ke program lain, kita harus mereset dan meload kembali program-program tersebut.
Linux membedakan kernelnya yang berada pada versi yang stabil dengan versi yang masih dalam proses pengembangan. Setiap versi kernel dibedakan melalui tiga digit angka yang dipisahkan dengan tanda titik. Penomoran kernel memiliki format linux-X.Y.Z.tar.gz sebagai contoh linux-2.6.33.tar.gz, format X.Y.Z terdiri dari tiga bagian yaitu:
-X sebagai number mayor
-Y sebagai number minor
-Z sebagai number revisi dan versi rilis
Number X pertama merupakan number mayor, apabila terjadi perubahan pada angka mayor berarti telah terjadi perubahan besar-besar pada kernel linux sebagai contoh kernel versi 1.Y.Z.tar.gz ke kernel versi 2.Y.Z.tar.gz
Number Y kedua merupakan number minor yang menunjukan kernel itu sudah stabil atau masih dalam proses pengembangan. Angka genap (0,2,4,6 dll) menunjukan bahwa kernel tersebut sudah stabil sedangkan Angka genap (1,3,5,7 dll) menunjukan bahwa kernel tersebut masih dalam masa pengembangan.
Number Z ketiga merupakan number rilis atau number revisi, selama masa pengembangan kernel bisa dirilis sampai beberapa kali.

Selanjutnya, para arsitek sistem operasi mengembangkan kernel sistem operasi yang pada akhirnya terbagi menjadi empat bagian yang secara desain berbeda, sebagai berikut:
1. Monolithic kernel/Kernel monolitik. Kernel yang menyediakan abstraksi perangkat keras yang kaya dan tangguh. Kernel monolitik mengintegrasikan banyak fungsi di dalam kernel dan menyediakan lapisan abstraksi perangkat keras secara penuh terhadap perangkat keras yang berada di bawah sistem operasi.
2. Microkernel. Kernel yang menyediakan hanya sekumpulan kecil abstraksi perangkat keras sederhana, dan menggunakan aplikasi-aplikasi yang disebut sebagai server untuk menyediakan fungsi-fungsi lainnya.
3. Hybrid (modifikasi dari microkernel)/Kernel Hibrida. Kernel yang mirip microkernel, tetapi ia juga memasukkan beberapa kode tambahan di kernel agar ia menjadi lebih cepat.
4. Exokernel. Kernel yang tidak menyediakan sama sekali abstraksi hardware, tapi ia menyediakan sekumpulan pustaka yang menyediakan fungsi-fungsi akses ke perangkat keras secara langsung atau hampir-hampir langsung

B. Macam-macam Kernel

1. Monolithic Kernel/Kernel Monolitik
Pendekatan monolithic kernel didefinisikan sebagai sebuah antarmuka virtual yang berada pada tingkat tinggi di atas perangkat keras, dengan sekumpulan primitif atau system call untuk mengimplementasikan layanan-layanan sistem operasi, seperti halnya manajemen proses, konkurensi (concurrency), dan manajemen memori pada modul-modul kernel yang berjalan di dalam mode supervisor.
Meskipun jika setiap modul memiliki layanan operasi-operasi tersebut terpisah dari modul utama, integrasi kode yang terjadi di dalam monolithic kernel sangatlah kuat, dan karena semua modul berjalan di dalam address space yang sama, sebuah bug dalam salah satu modul dapat merusak keseluruhan sistem. Akan tetapi, ketika implementasi dilakukan dengan benar, integrasi komponen internal yang sangat kuat tersebut justru akan mengizinkan fitur-fitur yang dimiliki oleh sistem yang berada di bawahnya dieksploitasi secara efektif, sehingga membuat sistem operasi dengan monolithic kernel sangatlah efisien—meskipun sangat sulit dalam pembuatannya. Pada sistem operasi modern yang menggunakan monolithic kernel, seperti halnya Linux, FreeBSD, Solaris, dan Microsoft Windows, dapat memuat modul-modul yang dapat dieksekusi pada saat kernel tersebut dijalankan sehingga mengizinkan ekstensi terhadap kemampuan kernel sesuai kebutuhan, dan tentu saja dapat membantu menjaga agar kode yang berjalan di dalam ruangan kernel (kernel-space) seminim mungkin.
Dengan Kernel monolitik lebih baik dari segi security, sebuah kernel builtin (monolitik) akan relatif aman. Namun dari segi kemudahan, jika kita menambah atau mengganti suatu hardware, maka otomatis harus mengkompilasi ulang kernel .Namun demikian, skema kernel bagaimana yang lebih sesuai, itu bisa diklarifikasi sesuai kebutuhan dan implementasi sistem yang digunakan. Jika kernel monolitik ingin di jadikan modular, itu bisa dilakukan oleh dari kernel monolitik, dengan cara setelah konfigurasi ditetapkan dalam kernel monolitik dan di kompilasi maka dapat di ambil, bagian-bagian mana saja yang akan dipisahkan untuk dijadikan modul-modul.
Kernel monolitik merupakan suatu arsitektur kernel yang melingkupi keseluruhan dari sistem operasi untuk berjalan pada ruang kernel dalam modus supervisor. Berbeda dengan arsitektur kernel lainnya (mikrokernel, kernel hibrida), kernel monolitik menyediakan layananan virtual atas perangkat keras secara penuh pada level tingkat tinggi, disertai dengan serangkaian layanan pada level tingkat bawah yang bersifat primitif sebagai layanan basis sistem operasi seperti manajemen proses, konkurensi, dan manajemen ingatan dalam satu atau beberapa modul.
Di bawah ini ada beberapa sistem operasi yang menggunakan Monolithic kernel:
• Kernel sistem operasi UNIX tradisional, seperti halnya kernel dari sistem operasi UNIX keluarga BSD (NetBSD, BSD/I, FreeBSD, dan lainnya).
• Kernel sistem operasi GNU/Linux, Linux.
• Kernel sistem operasi Windows (versi 1.x hingga 4.x; kecuali Windows NT).

2. Microkernel
Pendekatan Microkernel berisi sebuah abstraksi yang sederhana terhadap hardware, dengan sekumpulan primitif atau system call yang dapat digunakan untuk membuat sebuah sistem operasi agar dapat berjalan, dengan layanan-layanan seperti manajemen thread, komunikasi antar address space, dan komunikasi antar proses. Layanan-layanan lainnya, yang biasanya disediakan oleh kernel, seperti halnya dukungan jaringan, pada pendekatanmicrokernel justru diimplementasikan di dalam ruangan pengguna (user-space), dan disebut dengan server.
Server adalah sebuah program, seperti halnya program lainnya. Server dapat mengizinkan sistem operasi agar dapat dimodifikasi hanya dengan menjalankan program atau menghentikannya. Sebagai contoh, untuk sebuah mesin yang kecil tanpa dukungan jaringan, server jaringan (istilah server di sini tidak dimaksudkan sebagai komputer pusat pengatur jaringan) tidak perlu dijalankan. Pada sistem operasi tradisional yang menggunakan monolithic kernel, hal ini dapat mengakibatkan pengguna harus melakukan rekompilasi terhadap kernel, yang tentu saja sulit untuk dilakukan oleh pengguna biasa yang awam.
Dalam teorinya, sistem operasi yang menggunakanmicrokernel disebut jauh lebih stabil dibandingkan dengan monolithic kernel, karena sebuah server yang gagal bekerja, tidak akan menyebabkan kernelmenjadi tidak dapat berjalan, dan server tersebut akan dihentikan oleh kernel utama. Akan tetapi, dalam prakteknya, bagian dari system state dapat hilang oleh server yang gagal bekerja tersebut, dan biasanya untuk melakukan proses eksekusi aplikasi pun menjadi sulit, atau bahkan untuk menjalankan server-server lainnya. Sistem operasi yang menggunakan microkernelumumnya secara dramatis memiliki kinerja di bawah kinerja sistem operasi yang menggunakan monolithic kernel. Hal ini disebabkan oleh adanya overheadyang terjadi akibat proses input/output dalam kernelyang ditujukan untuk mengganti konteks (context switch) untuk memindahkan data antara aplikasi dan server.
Beberapa sistem operasi yang menggunakan microkernel:
• IBM AIX, sebuah versi UNIX dari IBM
• Amoeba, sebuah kernel yang dikembangkan untuk tujuan edukasi
• Kernel Mach, yang digunakan di dalam sistem operasi GNU/Hurd, NexTSTEP, OPENSTEP, dan Mac OS/X
• Minix, kernel yang dikembangkan oleh Andrew Tanenbaum untuk tujuan edukasi
• Symbian OS, sebuah sistem operasi yang populer digunakan pada hand phone, handheld device, embedded device, dan PDA Phone.

Rancangan Mikrokernel
Pada pembahasan di atas sempat disinggung istilah "kernel". Apakah kernel itu? Kernel adalah komponen sentral dari sistem operasi. Ia mengatur hal-hal seperti interrupt handler(untuk menyediakan layanan interupsi), process scheduler(membagi-bagi proses dalam prosesor), memory management, I/O, dan sebagainya. Atau dengan kata lain, ia adalah jembatan antara hardware dengan software. Cara tradisional untuk membangun sistem operasi adalah dengan membuat kernel monolitis, yaitu semua fungsi disediakan oleh kernel, dan ini menjadikan kernel suatu program yang besar dan kompleks. Cara yang lebih modern, adalah dengan menggunakan kernel mikro. Pada awalnya, konsep mikro kernel dikembangkan pada sistem operasi Mach. Ide dasar dari pengembangan kernel mikro adalah bahwa hanya fitur-fitur yang perlu saja yang diimplementasikan dalam kernel (mengenai fitur-fitur apa saja yang perlu diimplementasikan, ini bisa berbeda tergantung desain sistem operasi).
Walaupun garis pembatas mengenai apa saja yang berada di dalam dan luar kernel mikro bisa berbeda antara desain yang satu dengan yang lain, namun ada karakteristik yang umum, yaitu servis-servis yang umumnya menjadi bagian sistem operasi menjadi subsistem eksternal yang bisa berinteraksi satu sama lain dan dengan kernel tentunya. Ini mencakup device driver, file system, virtual memory manager, windowing system, dan security devices. Pendekatan kernel mikro menggantikan pendekatan berlapis yang vertikal tradisional. Komponen-komponen sistem operasi yang berada di luar kernel mikro diimplementasikan sebagai server process dan berkomunikasi dengan message passing via kernel mikro. Misalnya jika user ingin membuat berkas baru, dia mengirim pesan ke file system server, atau jika ingin membuat proses baru, dia mengirimkan pesan ke process server.

Kelebihan MikroKernel:
• Interface yang seragam. Proses tidak lagi dibedakan, baik antara kernel-level maupun user-level, karena semuanya berkomunikasi via message passing.
• Extensibility . Bisa menambahkan fitur-fitur baru tanpa perlu melakukan kompilasi ulang.
• Flexibility . Fitur-fitur yang sudah ada bisa dikurangi, atau dimodifikasi sesuai dengan kebutuhan sehingga menjadi lebih efisien. Misalnya tidak semua pengguna membutuhkan security yang sangat ketat, atau kemampuan untuk melakukan distributed computing.
• Portability . Pada kernel mikro, semua atau sebagian besar kode yang prosesor-spesifik berada di dalamnya. Jadi, proses porting ke prosesor lain bisa dilakukan dengan relatif sedikit usaha. Pada kelompok desktop misalnya, tampaknya dominasi Intel makin kuat. Tapi, sampai seberapa lama itu bisa bertahan? Karena itulah, portability adalah salah satu isu yang sangat penting
• Reliability . Semakin besar suatu software, maka tentulah semakin sulit untuk menjamin reliability-nya. Desain dengan pendekatan berlapis sangatlah membantu, dan dengan pendekatan kernel mikro bisa lebih lagi. Kernel mikro dapat dites secara ekstensif .Karena dia menggunakan API yang sedikit, maka bisa meningkatkan kualitas code di luar kernel.
• Support for object-oriendted OS . Model kernel mikro sangat sesuai untuk mengembangkan sistem operasi yang berbasis object-oriented. Contoh sistem operasi yang menggunakan kernel mikro adalah TRU64 UNIX, MacOSX, dan QNX.

3. Hybrid Kernel/Kernel hibrida
Hybrid kernel aslinya adalah microkernel yang memiliki kode yang tidak menunjukkan bahwa kernel tersebut adalah microkernel di dalam ruangan kernel-nya. Kode-kode tersebut ditaruh di dalam ruangankernel agar dapat dieksekusi lebih cepat dibandingkan jika ditaruh di dalam ruangan user. Hal ini dilakukan oleh para arsitek sistem operasi sebagai solusi awal terhadap masalah yang terjadi di dalam microkernel: kinerja.
Beberapa orang banyak yang bingung dalam membedakan antara Hybrid kernel dan monolithic kernel yang dapat memuat modul kernel setelah proses booting, dan cenderung menyamakannya. Antara hybrid kernel dan monolithic kernel jelas berbeda. Hybrid kernel berarti bahwa konsep yang digunakannya diturunkan dari konsep desainmonolithic kernel dan microkernel. Hybrid kerneljuga memiliki secara spesifik memiliki teknologi pertukaran pesan (message passing) yang digunakan dalam microkernel, dan juga dapat memindahkan beberapa kode yang seharusnya bukan kode kernel ke dalam ruangan kode kernel karena alasan kinerja.
Di bawah ini adalah beberapa sistem operasi yang menggunakan Hybrid kernels:
• BeOS, sebuah sistem operasi yang memiliki kinerja tinggi untuk aplikasi multimedia.
• Novell NetWare, sebuah sistem operasi yang pernah populer sebagai sistem operasi jaringan berbasis IBM PC dan kompatibelnya.
• Microsoft Windows NT (dan semua keturunannya).

4.Exokernel
Sebenarnya, Exokernel bukanlah pendekatan kernel sistem operasi yang umum seperti halnya microkernel atau monolithic kernel yang populer, melainkan sebuah struktur sistem operasi yang disusun secara vertikal. Ide di balik exokernel adalah untuk memaksa abstraksi yang dilakukan oleh developer sesedikit mungkin, sehingga membuat mereka dapat memiliki banyak keputusan tentang abstraksi hardware. Exokernel biasanya berbentuk sangat kecil, karena fungsionalitas yang dimilikinya hanya terbatas pada proteksi dan penggandaan sumber daya.
Kernel-kernel klasik yang populer seperti halnya monolithic dan microkernel melakukan abstraksi terhadap hardware dengan menyembunyikan semua sumber daya yang berada di bawah hardware abstraction layer atau di balik driver untuk hardware. Sebagai contoh, jika sistem operasi klasik yang berbasis kedua kernel telah mengalokasikan sebuah lokasi memori untuk sebuah hardware tertentu, maka hardware lainnya tidak akan dapat menggunakan lokasi memori tersebut kembali. Exokernel mengizinkan akses terhadap hardware secara langsung pada tingkat yang rendah: aplikasi dan abstraksi dapat melakukan request sebuah alamat memori spesifik baik itu berupa lokasi alamat physical memory dan blok di dalam hard disk. Tugas kernel hanya memastikan bahwa sumber daya yang diminta itu sedang berada dalam keadaan kosong—belum digunakan oleh yang lainnya—dan tentu saja mengizinkan aplikasi untuk mengakses sumber daya tersebut. Akses hardware pada tingkat rendah ini mengizinkan para programmer untuk mengimplementasikan sebuah abstraksi yang dikhususkan untuk sebuah aplikasi tertentu, dan tentu saja mengeluarkan sesuatu yang tidak perlu dari kernel agar membuat kernel lebih kecil, dan tentu saja meningkatkan performa. Exokernel biasanya menggunakan library yang disebut dengan libOS untuk melakukan abstraksi. libOS memungkinkan para pembuat aplikasi untuk menulis abstraksi yang berada pada level yang lebih tinggi, seperti halnya abstraksi yang dilakukan pada sistem operasi tradisional, dengan menggunakan cara-cara yang lebih fleksibel, karena aplikasi mungkin memiliki abstraksinya masing-masing. Secara teori, sebuah sistem operasi berbasis Exokernel dapat membuat sistem operasi yang berbeda seperti halnya Linux, UNIX, dan Windows dapat berjalan di atas sistem operasi tersebut.

C.Gambar desain kernel

1.monolithickernel