CỘNG ĐỒNG LINUX TRONG CƠN BÃO TỐ

Hệ điều hành Linux đã trở thành nền tảng chủ đạo của thế giới điện toán hiện đại, từ máy chủ, điện thoại thông minh cho đến siêu máy tính. Tuy nhiên, thời gian gần đây, hạt nhân Linux đang trải qua những biến động chưa từng có. Một loạt vấn đề đang làm rung chuyển cộng đồng phát triển: sự tích hợp ngôn ngữ Rust, xung đột giữa các nhà phát triển về hướng đi của dự án, sự phát triển vượt bậc của systemd, và hệ thống tập tin bcachefs bị loại khỏi hạt nhân chính thức sau một thập kỷ nỗ lực.

Tình trạng căng thẳng này đã dẫn đến sự ra đi của nhiều nhân vật quan trọng. Wedson Almeida Filho, người bảo trì Rust cho hạt nhân Linux, đã từ chức. Tiếp theo là một loạt sự ra đi từ dự án Asahi Linux (phiên bản Linux cho máy Mac dùng chip Apple Silicon): người đứng đầu dự án Hector Martin, nhà phát triển driver GPU "Asahi Lina", và Alyssa Rosenzweig - người hiện đã chuyển sang Intel.

Đáng chú ý là tỷ lệ luân chuyển người đóng góp cho hạt nhân Linux vốn đã cao, nhưng làn sóng ra đi gần đây của nhiều nhà phát triển tài năng đặt ra câu hỏi: nếu họ không quay lại Linux, họ sẽ đi đâu? Thay vì fork (phân nhánh) Linux - một giải pháp đã được thảo luận nhiều lần - có những lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn đang xuất hiện.

MANAGARM: VI HẠT NHÂN HIỆN ĐẠI VỚI KHẢ NĂNG TƯƠNG THÍCH LINUX

Kiến trúc đột phá

Managarm đại diện cho một cách tiếp cận táo bạo trong thiết kế hệ điều hành. Dự án này, với lịch sử phát triển khoảng sáu năm, là một hệ điều hành dựa trên vi hạt nhân (microkernel) nhưng có một điểm khác biệt quan trọng: nó hỗ trợ tính bất đồng bộ xuyên suốt toàn bộ hệ thống.

Vi hạt nhân truyền thống vốn được biết đến với kiến trúc tối giản, chỉ chạy các chức năng cần thiết tuyệt đối trong không gian hạt nhân, trong khi đẩy phần lớn các dịch vụ hệ điều hành vào không gian người dùng. Cách tiếp cận này mang lại độ ổn định và bảo mật cao hơn, vì sự cố trong một dịch vụ không làm sụp đổ toàn bộ hệ thống. Tuy nhiên, vi hạt nhân thường bị chỉ trích vì hiệu suất thấp do chi phí chuyển đổi ngữ cảnh giữa các dịch vụ.

Managarm giải quyết vấn đề hiệu suất này bằng cách áp dụng mô hình lập trình bất đồng bộ xuyên suốt. Thay vì sử dụng các cuộc gọi thủ tục từ xa (RPC) đồng bộ truyền thống giữa các dịch vụ, Managarm sử dụng giao tiếp bất đồng bộ, cho phép hệ thống tiếp tục xử lý công việc thay vì chờ đợi phản hồi.

Khả năng tương thích ấn tượng

Điều thực sự khiến Managarm nổi bật là khả năng chạy các ứng dụng Linux hiện có - một tính năng hiếm thấy trong các dự án hệ điều hành thay thế. Thay vì yêu cầu các ứng dụng được biên dịch lại riêng cho nền tảng mới, Managarm cung cấp một lớp tương thích với giao diện nhị phân ứng dụng (ABI) của Linux, cho phép chạy các tệp nhị phân Linux nguyên trạng.

Dự án hiện hỗ trợ hàng trăm chương trình Linux, từ các tiện ích cơ bản của GNU coreutils đến các ứng dụng phức tạp hơn. Nó thậm chí có thể chạy các trò chơi như Doom - một thước đo không chính thức nhưng phổ biến cho khả năng của một hệ điều hành mới.

Hỗ trợ đa nền tảng và tính năng hiện đại

Managarm không giới hạn ở một kiến trúc phần cứng duy nhất. Nó hiện hỗ trợ x86-64, Arm64, và đang phát triển hỗ trợ cho RISC-V. Về mặt phần cứng, nó đã tích hợp hỗ trợ cho:

• SMP (Symmetric Multiprocessing): cho phép tận dụng nhiều lõi CPU
• ACPI (Advanced Configuration and Power Interface): quản lý năng lượng và cấu hình phần cứng
• Ổ đĩa AHCI và NVMe: hỗ trợ lưu trữ hiện đại, bao gồm ổ SSD tốc độ cao
• IPv4: kết nối mạng
• Ảo hóa Intel và tích hợp QEMU: cho phép chạy trong môi trường ảo hóa

Về giao diện người dùng, Managarm không đi theo con đường độc quyền mà hỗ trợ cả hai máy chủ hiển thị phổ biến trong thế giới Linux: Wayland hiện đại và X11 truyền thống. Điều này mang lại sự linh hoạt đáng kể cho người dùng và nhà phát triển.

Triển vọng và thách thức

Mặc dù đây vẫn là một dự án nghiên cứu thử nghiệm chưa sẵn sàng cho sử dụng hàng ngày, Managarm đã đạt được tiến bộ đáng kinh ngạc. Việc triển khai bằng C++ - một ngôn ngữ trưởng thành với hiệu suất cao - là một lựa chọn thực tế cho một hệ điều hành. Dự án cũng có tài liệu phong phú qua Sổ tay Managarm, một điểm hiếm thấy trong các dự án thử nghiệm.

Thách thức lớn nhất của Managarm có lẽ là thu hút đủ nhà phát triển để duy trì đà phát triển. Tuy nhiên, với sự bất ổn trong cộng đồng Linux, Managarm có thể trở thành điểm đến hấp dẫn cho những nhà phát triển hạt nhân tài năng đang tìm kiếm một môi trường mới.

ASTERINAS: HẠT NHÂN RUST VỚI MÔ HÌNH BẢO MẬT ĐỘT PHÁ

Cách mạng hóa an toàn hạt nhân với Rust

Nếu Managarm đại diện cho một cách tiếp cận hiện đại nhưng quen thuộc, Asterinas đang mở ra một lãnh thổ hoàn toàn mới. Được phát triển bằng ngôn ngữ Rust, Asterinas không chỉ là một hạt nhân mới - nó còn đại diện cho một mô hình kiến trúc hạt nhân hoàn toàn mới: framekernel.

Rust đã thu hút sự chú ý đáng kể trong cộng đồng phát triển hệ thống vì tính an toàn bộ nhớ vốn có của nó. Trái ngược với C và C++ - nơi lỗi như tràn bộ đệm, con trỏ treo, và cuộc đua dữ liệu có thể dẫn đến sự cố bảo mật nghiêm trọng - Rust loại bỏ toàn bộ các lớp lỗi này tại thời điểm biên dịch thông qua hệ thống kiểm soát quyền sở hữu và mượn độc đáo.

Framekernel: Định nghĩa lại ranh giới bảo mật

Asterinas giới thiệu mô hình "framekernel", được mô tả trong bài báo học thuật "Framekernel: Một Kiến trúc Hạt nhân An toàn và Hiệu quả thông qua Phân chia Đặc quyền Nội hạt nhân Dựa trên Rust". Cách tiếp cận này tạo ra một bước đột phá quan trọng so với cả hạt nhân nguyên khối truyền thống (như Linux) và vi hạt nhân.

Trong khi vi hạt nhân truyền thống sử dụng vòng đặc quyền CPU để tách biệt các dịch vụ, buộc chúng phải chạy trong không gian người dùng, framekernel áp dụng cách tiếp cận khác. Nó tận dụng tính năng an toàn và cơ chế phân chia của ngôn ngữ Rust để tạo ra ranh giới an toàn bên trong chính hạt nhân.

Chỉ một phần nhỏ của hạt nhân (gọi là "lõi niềm tin") được phép sử dụng mã Rust không an toàn - những phần mã có thể bỏ qua các kiểm tra an toàn của Rust để thực hiện các tác vụ cấp thấp cần thiết. Tất cả các dịch vụ còn lại của hệ điều hành được yêu cầu viết hoàn toàn bằng Safe Rust, loại bỏ khả năng xảy ra lỗi bộ nhớ.

Cách tiếp cận này mang lại lợi ích của cả hai mô hình truyền thống:

• Bảo mật của vi hạt nhân: Lỗi trong một dịch vụ không thể xâm phạm toàn bộ hệ thống
• Hiệu suất của hạt nhân nguyên khối: Không có chi phí chuyển đổi ngữ cảnh của cuộc gọi hệ thống

Hỗ trợ ABI của Linux

Giống như Managarm, Asterinas cũng nhắm tới khả năng tương thích với các ứng dụng Linux hiện có thông qua việc hỗ trợ ABI của Linux. Điều này cho phép nhà phát triển tận dụng hệ sinh thái ứng dụng Linux rộng lớn trong khi vẫn hưởng lợi từ kiến trúc hạt nhân cải tiến.

Bối cảnh rộng lớn hơn

Mặc dù ý tưởng sử dụng tính năng ngôn ngữ để phân chia đặc quyền không hoàn toàn mới - có tiền lệ từ dự án SPIN trong những năm 1990 sử dụng Modula-3 và dự án HOUSE sử dụng Haskell - Asterinas mang đến một sự kết hợp đặc biệt hấp dẫn: một ngôn ngữ hiện đại với tính năng an toàn mạnh mẽ (Rust), một mô hình kiến trúc sáng tạo (framekernel), và khả năng tương thích với ứng dụng hiện có (hỗ trợ ABI của Linux).

Rust có động lực đáng kể trong ngành công nghiệp, đã được áp dụng bởi các công ty lớn như Microsoft, Amazon, và Google cho các dự án quan trọng về cơ sở hạ tầng. Sự chấp nhận ngày càng tăng này khiến Asterinas trở thành một dự án đáng chú ý hơn so với các nỗ lực tương tự trước đây sử dụng các ngôn ngữ niche.

XOUS: TỪ LÝ THUYẾT ĐẾN THỰC TIỄN VỚI PHẦN CỨNG THỰC

Hệ điều hành được thiết kế cho thế giới thực

Trong khi Managarm và Asterinas tập trung vào việc xây dựng các nền tảng hệ điều hành tổng quát, Xous theo đuổi một hướng khác biệt và thực tế hơn. Đây là một vi hạt nhân Rust được phát triển như một phần của dự án Betrusted rộng lớn hơn, nhằm mục đích tạo ra một nền tảng điện toán đáng tin cậy.

Điều đặc biệt khiến Xous nổi bật là nó đã vượt ra khỏi giai đoạn lý thuyết và nghiên cứu thuần túy. Dự án này đã có phần cứng thực tế đang được bán ra thị trường: thiết bị cầm tay Precursor.

Precursor: Bảo mật từ phần cứng đến phần mềm

Precursor là một thiết bị phần cứng cầm tay, kích thước vừa túi, chạy hệ điều hành Xous. Được thiết kế bởi Andrew "Bunnie" Huang - một nhà nghiên cứu bảo mật và hacker phần cứng nổi tiếng - Precursor nhằm mục đích cung cấp một nền tảng điện toán đáng tin cậy, nơi người dùng có thể kiểm soát hoàn toàn từ phần cứng đến phần mềm.

Huang không phải là người mới trong lĩnh vực. Ông đã nổi tiếng với nhiều dự án phân tích phần cứng, từ việc mổ xẻ máy tính bỏ túi giá rẻ chạy Android đầy đủ đến việc tư vấn kỹ thuật cho chính phủ Hoa Kỳ. Kinh nghiệm sâu rộng của ông trong lĩnh vực bảo mật phần cứng và phần mềm mang lại độ tin cậy đáng kể cho dự án Xous.

Ứng dụng thực tế: Vault

Ứng dụng nổi bật của Precursor là "Vault" - một ứng dụng xác thực có thể quản lý:

• U2F/FIDO2: chuẩn xác thực hai yếu tố phổ biến
• TOTP: mã một lần dựa trên thời gian
• Mật khẩu thông thường

Tất cả được quản lý thông qua một giao diện người dùng duy nhất, với tính năng "phủ nhận hợp lý" - một khái niệm bảo mật nâng cao cho phép người dùng giấu đi sự tồn tại của dữ liệu nhạy cảm.

Precursor có thể hoạt động như một thiết bị lưu trữ thông tin xác thực độc lập, chạy bằng pin. Nó cũng có thể kết nối với máy tính như một khóa bảo mật (tương tự Yubikey) để xác thực trực tuyến. Điểm khác biệt quan trọng là người dùng có thể thấy chính xác những gì đang được xác thực trên màn hình LCD của thiết bị, tránh các cuộc tấn công man-in-the-middle.

Cơ sở dữ liệu có thể phủ nhận hợp lý (PDDB)

Một trong những đổi mới kỹ thuật đáng chú ý của Xous là Cơ sở dữ liệu có thể phủ nhận hợp lý (PDDB). Cơ chế này cho phép lưu trữ dữ liệu nhạy cảm theo cách mà người dùng có thể chứng minh hợp lý rằng dữ liệu đó không tồn tại - một tính năng quan trọng trong các tình huống bị ép buộc tiết lộ thông tin.

Huang đã giải thích tính năng này bằng cách trích dẫn truyện tranh Xkcd nổi tiếng về bảo mật, minh họa sự khác biệt giữa việc bẻ khóa mật khẩu bằng vũ lực kỹ thuật và việc đơn giản là "đánh đòn" người dùng cho đến khi họ tiết lộ mật khẩu. PDDB được thiết kế để bảo vệ người dùng trong kịch bản thứ hai.

Tài liệu phong phú

Giống như các dự án khác được đề cập, Xous cũng có tài liệu phong phú, bao gồm Sách Xous và wiki Betrusted đầy đủ. Tài liệu chi tiết là một dấu hiệu cho thấy mức độ trưởng thành và tham vọng của dự án, đặc biệt là trong lĩnh vực bảo mật nơi tài liệu rõ ràng là điều cần thiết.

SO SÁNH VÀ PHÂN TÍCH: BA CON ĐƯỜNG PHÁT TRIỂN KHÁC NHAU

Mục tiêu thiết kế và triết lý

Mỗi dự án trong số ba dự án này thể hiện một cách tiếp cận riêng biệt đối với thiết kế hệ điều hành, phản ánh các ưu tiên và giá trị khác nhau:

Managarm tập trung vào việc hiện đại hóa mô hình vi hạt nhân truyền thống thông qua tính bất đồng bộ, đồng thời duy trì sự tương thích với phần mềm Linux hiện có. Triết lý của nó dường như là: "Vi hạt nhân có thể hiệu quả và thực tế."

Asterinas đặt sự an toàn và bảo mật lên hàng đầu, tận dụng các tính năng ngôn ngữ của Rust để tái cấu trúc mô hình bảo mật hạt nhân từ cơ bản. Phương châm của nó có thể là: "Bảo mật không nên đánh đổi lấy hiệu suất."

Xous áp dụng cách tiếp cận từ dưới lên, xây dựng một hệ điều hành xung quanh một trường hợp sử dụng cụ thể trong thế giới thực - bảo mật và tính riêng tư cá nhân. Triết lý của nó là: "Niềm tin bắt đầu từ phần cứng và mở rộng lên phần mềm."

Khả năng tương thích với hệ sinh thái hiện có

Cả Managarm và Asterinas đều nhắm đến khả năng tương thích với các ứng dụng Linux hiện có thông qua việc hỗ trợ ABI của Linux, nhưng với các mức độ tham vọng khác nhau:

Managarm đã chứng minh khả năng chạy hàng trăm tệp nhị phân Linux, từ các tiện ích cơ bản đến các ứng dụng phức tạp hơn như trò chơi.

Asterinas, mặc dù nhắm đến khả năng tương thích, vẫn đang trong giai đoạn phát triển sớm hơn và có thể chưa hỗ trợ phạm vi ứng dụng rộng như Managarm.

Xous chọn không theo đuổi khả năng tương thích với Linux, thay vào đó tập trung vào việc xây dựng một hệ sinh thái ứng dụng riêng phù hợp với trường hợp sử dụng bảo mật cụ thể của nó.

Lựa chọn ngôn ngữ và tác động của nó

Sự khác biệt về ngôn ngữ lập trình giữa các dự án cũng phản ánh các ưu tiên thiết kế và sự đánh đổi khác nhau:

Managarm được triển khai bằng C++, một ngôn ngữ trưởng thành với hiệu suất cao và hỗ trợ rộng rãi. Đây là lựa chọn bảo thủ hơn, cho phép dự án tận dụng mã hiện có và kinh nghiệm từ cộng đồng phát triển hệ thống.

Asterinas và Xous đều sử dụng Rust, thể hiện cam kết với an toàn bộ nhớ và mô hình bảo mật mạnh mẽ hơn. Tuy nhiên, cách họ áp dụng Rust khác nhau:

• Asterinas sử dụng mô hình framekernel để tận dụng tối đa các tính năng an toàn của Rust
• Xous kết hợp Rust với thiết kế vi hạt nhân truyền thống, tạo ra một nền tảng an toàn cho thiết bị chuyên dụng

TRIỂN VỌNG VÀ Ý NGHĨA RỘNG LỚN HƠN

Bài học cho Linux

Sự xuất hiện của các dự án như Managarm, Asterinas và Xous không chỉ cung cấp các lựa chọn thay thế tiềm năng cho Linux mà còn mang lại những bài học quý giá cho cộng đồng Linux:

1. Ứng dụng của ngôn ngữ hiện đại: Thành công của Asterinas và Xous với Rust cho thấy tiềm năng của việc tích hợp ngôn ngữ hiện đại vào phát triển hạt nhân, điều mà Linux đang khám phá nhưng gặp khó khăn.
2. Tái cân nhắc kiến trúc hạt nhân: Mô hình framekernel của Asterinas có thể truyền cảm hứng cho các phương pháp tiếp cận lai giữa hạt nhân nguyên khối và vi hạt nhân.
3. Tầm quan trọng của tài liệu: Tất cả ba dự án đều ưu tiên tài liệu phong phú, một lĩnh vực mà Linux đôi khi bị chỉ trích.

Triển vọng cộng tác và hội tụ

Mặc dù các dự án này hiện đang phát triển độc lập, tương lai có thể chứng kiến sự hội tụ hoặc cộng tác. Ví dụ, Asterinas có thể áp dụng một số khái niệm về tính bất đồng bộ của Managarm, hoặc Xous có thể mở rộng mô hình bảo mật của nó để bao gồm các ý tưởng từ framekernel của Asterinas.

Các nhà phát triển từ cộng đồng Linux đang rời đi cũng có thể mang theo kiến thức và kinh nghiệm của họ đến các dự án này, thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng và áp dụng các bài học từ hạt nhân Linux.

Chuyển đổi thế hệ và đổi mới

Sự xuất hiện của các dự án hạt nhân thay thế cũng phản ánh một chuyển đổi thế hệ rộng lớn hơn trong phát triển hệ thống. Khi Linux lớn lên cùng với thế hệ lập trình viên những năm 1990, các dự án mới này đại diện cho tầm nhìn của một thế hệ lập trình viên mới, lớn lên với internet, điện toán đám mây, và các mối đe dọa bảo mật hiện đại.

Điều này cũng nhấn mạnh sự cần thiết của đổi mới liên tục trong không gian hệ điều hành. Linux đã cách mạng hóa điện toán một lần; những dự án này cho thấy tiềm năng của làn sóng đổi mới tiếp theo.

ĐÁNH GIÁ: KHÔNG CHỈ LÀ SỰ THAY THẾ, MÀ LÀ SỰ TIẾN HÓA

Managarm, Asterinas và Xous không nên chỉ được xem như những lựa chọn thay thế cho Linux trong trường hợp cộng đồng Linux tan rã. Thay vào đó, chúng đại diện cho sự tiến hóa tự nhiên tiếp theo của hệ điều hành nguồn mở - khám phá những con đường mà Linux, với cơ sở mã lớn và sự cần thiết phải duy trì khả năng tương thích ngược, không thể dễ dàng theo đuổi.

Thành công thực sự của ba dự án này không nhất thiết phải là thay thế Linux, mà là thúc đẩy toàn bộ hệ sinh thái phát triển hệ điều hành tiến lên. Các ý tưởng, kỹ thuật và bài học từ Managarm, Asterinas và Xous có thể cuối cùng quay trở lại cải thiện Linux, hoặc dẫn đến sự phát triển của các hệ điều hành lai mới kết hợp những phần tốt nhất của tất cả.

Trong thời điểm biến động đối với cộng đồng Linux, những dự án này cung cấp lý do để lạc quan: tương lai của điện toán nguồn mở vẫn sáng sủa, với nhiều con đường phát triển đầy hứa hẹn phía trước. Dù Linux có tiếp tục thống trị hay không, tinh thần của nó - đổi mới nguồn mở, hợp tác, và kiểm soát của người dùng - sẽ tồn tại thông qua các thế hệ công nghệ mới.