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'''L4''' ist der Name einer Familie von [[Mikrokernel]]n, basierend auf Konzepten und ersten erfolgreichen Implementierungen von [[Jochen Liedtke]] (daher '''L'''4). L4 gilt als ein Mikrokernel der zweiten Generation, der das Problem des zu langsamen Interkommunikationsprozesses der ersten Mikrokernel-Generation nicht mehr aufweist (zur ersten Generation zählt u. a. [[Mach (Kernel)|Mach]]).<ref>{{Internetquelle |autor=Jason Wu, Dan Williams, Hakim Weatherspoon |url=https://www.cs.cornell.edu/courses/cs6410/2010fa/lectures/06-microkernels.pdf |titel=Microkernels: Mach and L4 |seiten=2 |format=PDF; 1,6 MB |sprache=en |abruf=2018-08-12 |abruf-verborgen=0}}</ref> Ein weiterer Mikrokernel der zweiten Generation ist z. B. [[QNX]].<ref name="heiseonline_507011">{{Heise online |ID=507011 |Titel=Gemeinsam einsam |Autor=Peter Wächtler |Datum=2009-04-30 |Abruf=2022-10-02 |Zitat=Microkernel als Unterbau … Ein bekannter quelloffener Vertreter ist der Microkernel L4. Er zeichnet sich durch ein effizientes synchrones Message Passing aus, ebenso wie der QNX-Microkernel. Beide gelten als Microkernel der zweiten Generation – obwohl QNX älter ist als etwa Mach, der bekannteste Vertreter der ersten Generation…}}</ref> Seit der Einführung eines capability-basierten Rechtemodell bei L4 Mikrokernen spricht man nun auch von der dritten Generation.

== Entwicklung ==
Der erste L4-Kernel wurde von Liedtke am [[GMD-Forschungszentrum Informationstechnik]] (GMD) unter der Bezeichnung „Schnittstellenversion 2“ entwickelt. Während seines Aufenthalts am [[IBM]] [[Thomas J. Watson Research Center]] in [[Hawthorne (New York)|Hawthorne]] experimentierte er mit diversen Aspekten der Kernel-Schnittstelle (Version X). Dies führte nach seinem Umzug an die [[Karlsruher Institut für Technologie|Universität Karlsruhe]] zu mehreren vollständigen Neuimplementierungen. Parallel dazu erfolgten Implementierungen an der [[Technische Universität Dresden|TU Dresden]] und der [[University of New South Wales]] (UNSW). L4 bezeichnet somit heute eine Mikrokernel-Philosophie, eine Familie von Mikrokerneln mit gleichen Prinzipien aber spezifischen unterschiedlichen Schnittstellen und Implementierungen.

Die Entwicklungslinie basiert auf '''L1''', einem von Liedtke konzipierten Interpreter für eine Teilmenge von [[Algol 60]] auf einem 8-Bit-Rechner mit 4 KB Hauptspeicher. 1979 wurde '''[[L2 (Betriebssystem)|L2]]''' ('''E'''xtendable Multi'''u'''ser '''M'''icroprocessor [[ELAN (Programmiersprache)|'''EL'''AN]]-System, kurz „Eumel“) freigegeben, eine zunächst auf 8 Bit, dann auf 16 Bit ausgelegte [[Assemblersprache|Assembler]]-[[Implementierung]] auf [[Intel]]-[[x86-Architektur|x86]]-Basis, die auch nach Japan transferiert wurde. 1988 entwickelte Liedtke an der [[GMD-Forschungszentrum Informationstechnik|GMD]] das 32-Bit-System '''[[L3 (Betriebssystem)|L3]]''', welches auf neueren Intel-Plattformen bis zum Jahr 2017 produktiv beim [[TÜV Süd]] im Einsatz war.

== Versionen und Anwendungsgebiete ==
Mit L4 wird heute sowohl das [[Application Programming Interface|API]] als auch die Implementierung bezeichnet. Die erste stabile und veröffentlichte Version war V2, implementiert von Liedtke in [[Assemblersprache|Assembler]] auf [[Intel 80486|i486]] und [[Intel Pentium|Pentium]] (32-Bit-[[x86-Architektur|x86]] bzw. [[IA-32]]). Diese wurde später von der [[Technische Universität Dresden|TU Dresden]] unter dem Namen „Fiasco“ in [[C++]] auf Pentium umgesetzt und von der [[University of New South Wales]] (UNSW) unter dem Namen „C/Assembler Kerneln“ [[Portierung (Software)|portiert]] auf [[MIPS-Architektur|MIPS64]] und [[Alpha-Prozessor|Alpha]]. Bei IBM entwickelte Liedtke die Assembler-Implementierung als Version X weiter, gefolgt in Karlsruhe von einer C-Implementierung namens „Hazelnut (Version X.1)“, ursprünglich auf Pentium, später portiert auf [[Arm-Architektur|Arm]]. Nach Liedtkes Tod (2001) entstand daraus Anfang 2002 in Karlsruhe die Version X.2 (aus der später mit leichten Änderungen die Version 4 wurde), implementiert in C++ unter dem Namen „Pistachio“. Pistachio wurde parallel auf [[x86-Architektur|x86]][[IA-32|-32]] und [[PowerPC]]-32 implementiert und leicht zeitverschoben auch auf [[Itanium-Architektur|Itanium]] portiert, jedoch nie vervollständigt. Pistachio wurde an der [[University of New South Wales|UNSW]] auf MIPS, Alpha und Arm portiert (eine [[SPARC-Architektur|SPARC]]-Version wurde nie abgeschlossen). In Dresden wurde API Version 4 in Fiasco implementiert.

Das australische IKT-Forschungszentrum [[NICTA]] entwickelte, basierend auf V4, eine speziell auf [[eingebettete Systeme]] zugeschnittene Version namens NICTA-embedded, implementiert als NICTA::Pistachio-embedded. Diese wurde schließlich von der NICTA-Ausgründung Open Kernel Labs als OKL4<ref>{{Webarchiv|url=http://okl4.org/ |wayback=20080820043831 |text=OKL4-Website |archiv-bot=2019-04-24 14:16:44 InternetArchiveBot }}</ref> weiterentwickelt und vermarktet, speziell im Mobilfunkbereich.

Kurz nach der Jahrtausendwende gab es Bestrebungen in der L4 Gemeinschaft die L4-Schnittstelle mit Hinblick auf die Konstruktion sicherer Systeme weiter zu entwickeln. Insbesondere die Umstellung auf ein capability-basiertes Rechtemodell wurde als sinnvoll und wichtig erachtet. Daraus resulierten zwei Entwicklungen und Implementierungen: seL4 bei NICTA und die Weiterentwicklung von L4Env/Fiasco zu L4Re an der TU Dresden.

Seit 2004 entwickelte NICTA eine Version unter dem Namen seL4<ref>{{Webarchiv|url=http://ertos.nicta.com.au/research/sel4 |wayback=20090814162812 |text=sel4-Website |archiv-bot=2019-04-24 14:16:44 InternetArchiveBot }}</ref> (secure embedded L4), die speziell auf sicherheitskritische Anwendungen im eingebetteten Bereich zielt. In „seL4“ werden Objektreferenzen und Zugriffsrechte ausschließlich durch sogenannte Fähigkeiten (''capabilities'') repräsentiert, und Kernel-Ressourcen unterliegen denselben Zugriffsmechanismen wie Nutzerobjekte. Im Juli 2014 veröffentlichten die Hersteller General Dynamics C4 Systems und NICTA den Quellcode von seL4 als [[Open Source]] unter [[GNU General Public License]] GPLv2-Lizenz. Bibliotheken sowie [[Ring (CPU)|Userland]]-Tools veröffentlichten die Hersteller unter der [[BSD-Lizenz]].<ref>{{Internetquelle| url=https://www.heise.de/newsticker/meldung/Microkernel-seL4-beweisbar-fehlerfrei-2277750.html |titel=Microkernel seL4: beweisbar fehlerfrei| datum=2014-07-29| zugriff=2014-08-07}}</ref>

L4Re ist ein capability-basiertes Mikrokernsystem, das als Baukasten konzipiert ist: Das L4Re Operating System Framework. Der L4Re Microkernel, zusammen mit L4Re Komponenten, bildet die Basis für Systeme an die hohe Anforderungen in den Bereichen IT-Sicherheit und Safety gestellt werden. L4Re ist als Open Source verfügbar und wurde vom [[Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik]] sicherheitszertifiziert.

Einige Grundkonzepte von L4 werden in der Luftfahrtindustrie eingesetzt. Bei Anwendungen im [[Airbus A400M]] sowie im [[Airbus A350]] wird, basierend auf dem [[PikeOS]]-Mikrokernel, die [[Serverpartitionierung|Partitionierung]] von sicherheitskritischen Anwendungen auf [[Eingebettetes System|eingebetteten Systemen]] sichergestellt.

== Besondere Merkmale ==
Kernel, die auf dem L4-[[Application Programming Interface|API]] basieren, bieten eine synchrone [[Interprozesskommunikation|IPC (Interprozesskommunikation)]], einfaches [[Interrupt]]- und Threadmanagement sowie eine einfache, externe [[Speicherverwaltung]].

Auf L4 können, dem modularen Prinzip des Mikrokernels folgend, graphische Nutzeroberflächen (wie [[DOpE]]), der [[Linux (Kernel)|Linux-Kernel]] im Nutzermodus ([[L4Linux]], Wombat) und ganzheitlich echtzeitfähige [[Betriebssystem]]e parallel laufen. Ein Beispiel dafür ist das Mobiltelefon „Motorola Evoke“. Hier ist auf OKL4 ein [[Linux]]-System (das die Benutzeroberfläche zur Verfügung stellt) und gleichzeitig als Echtzeitanwendung für die Modem-Funktionalität das BREW-Betriebssystem von Qualcomm aktiv.

== L4 unter Linux ==
Die L4-Implementierung ''Fiasco-UX'' erlaubt, dass der Mikrokernel selbst wiederum als Anwendung unter [[Linux]] betrieben werden kann, was die Entwicklung deutlich vereinfacht, ähnlich dem Prinzip von [[User Mode Linux]]. Die L4-Implementierung wurde unter der [[GNU General Public License|GNU GPL]] als [[freie Software]] lizenziert.<ref>Homepage des Gruppe L4Linux: [https://l4linux.org/ FAQ]</ref>

== Bibliotheken ==
Für Entwickler von Anwendungen auf Basis des Mikrokernels stehen die Bibliotheken L4Env (Fiasco), Iguana und Kenge (Pistachio-embedded) sowie libokl4 (OKL4) zur Verfügung.

== seL4: Beweisbar sichere Systeme ==
Im Jahr 2009 wurde am Forschungsinstitut NICTA in Zusammenarbeit mit der UNSW mit seL4 erstmals ein für allgemeine Anwendungen tauglicher Kernel formal verifiziert, d. h., es wurde mathematisch bewiesen, dass die Implementierung die Spezifikation des Kernels erfüllt und somit funktional korrekt ist. Dies bedeutet unter anderem, dass der Kernel nachweislich keinen der bisher verbreiteten Entwurfsfehler (Speicherüberläufe ([[Buffer Overflow]]), Zeigerfehler und Speicherlecks) enthält.<ref>{{Webarchiv|url=http://ertos.nicta.com.au/research/l4.verified |wayback=20090822042016 |text=Archivierte Kopie |archiv-bot=2019-04-24 14:16:44 InternetArchiveBot }}</ref><ref>{{Webarchiv|url=http://pressetext.de/news/090817022/sicherheits-beweis-fuer-betriebssystem-kernel/ |wayback=20090830052254 |text=Archivierte Kopie |archiv-bot=2022-03-13 04:19:17 InternetArchiveBot }}</ref> Bei NICTA verifizierte man dafür 7500 Zeilen C-Quellcode und mehr als 10.000 Theoreme. Zur Beweisführung verwendete man den Theorembeweiser [[Isabelle (Theorembeweiser)|Isabelle/HOL]], der gesamte Beweis bestand aus etwa 200.000 Zeilen Isabelle-Code.

== Beispiel „Merkelphone" SiMKo3“ ==
Seit 2013 erhält das Thema L4 unter dem Schlagwort „Merkelphone“ (dem SiMKo3) neue Aufmerksamkeit.<ref>Detlef Borchers: [https://www.heise.de/newsticker/meldung/it-sa-Telekom-zeigt-abhoersicheres-SiMKo-3-Tablet-1974527.html it-sa: Telekom zeigt abhörsicheres SiMKo-3-Tablet], Heise online, 8. Oktober 2013</ref> Siehe dazu auch die Artikel [[Sichere mobile Kommunikation]] (SiMKo) und [[Multiple Independent Levels of Security]] (MILS).

== Einzelnachweise ==
<references/>

== Weblinks ==
* [https://os.inf.tu-dresden.de/L4/ L4] auf der Website der TU Dresden
* [http://edageek.com/2007/04/17/open-kernel-labs-okl4-microkernel Open Kernel Labs Announces OKL4 ] (Commercial L4 Microkernel) – 17. April 2007

* [http://ertos.nicta.com.au/ NICTA] – Versionen für eingebettete Systeme, Beweis funktionaler Korrektheit

[[Kategorie:Betriebssystem]]

L4 (Mikrokernel) - Versionsgeschichte

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