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(In Development) A homemade OS from the kernel level

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NerconeOS

A homemade OS from the kernel level

for non-Japanese users:

Sorry, this project is still under development and only supports Japanese, which is Nercone's native language. As the project progresses, it may support English and other languages ​​at some point.

現在の状態

現在は実際のコードが全くない状態で、計画段階です。

独自用語

  • NerconeOS: このプロジェクトの名前。
  • NerKernel: NerconeOSのカーネルのこと。
  • NerconeFS: NerconeOS独自のパーティションのフォーマット。
  • NKMod: NerKernelの内蔵/標準モジュール。(基本的にはnerconeos-base以外のモジュールを指す)
  • NKExt: NerKernelの拡張機能。NeXTSTEP/macOSのkext(Kernel EXTension)の名前を参考にしました。
  • KPart: カーネルパーティションのこと。
  • MPart: メインパーティションのこと。
  • ドットファイル: .から始まるファイル。 (独自ではない気がする)

ロードマップ

  • RustからのUEFI機能の操作の方法などを調べる
  • ブートローダーの初期バージョンの開発
  • ブートローダーの動作を仮のデータを使用してテスト
  • nerconeos-baseの最低限の機能だけの初期バージョンの開発
  • ブートローダーからのnerconeos-baseの起動と、nerconeos-baseの動作をテスト
  • nerconeos-baseからモジュールを読み込めるようにする
  • nerconeos-testを作成し、読み込めるようにする
  • コマンド類を実装
  • nerconeos-tuiとnerconeos-tui-fontを実装
  • ブートローダーとnerconeos-base、コマンド類を使用しnershが動作するかをテスト

現時点の予定

  • カーネルレベルから自作する
  • 実用性のある、安定したOSにする
  • 一部はPOSIXやLinuxを真似する
  • amd64(x86_64)とaarch64(arm64)に対応する
    • まずはamd64に対応し、ある程度開発が進んでからaarch64に対応する予定。
  • ソフトウェアの形式はELF
    • もしかしたら独自バイナリに対応するかも
  • RustがUEFIブートに対応していると聞いたのでRustで書く
    • PythonとSwiftが得意だけどどちらも無理そうなのでRust
    • Rustはいつか勉強しようと思ってたのでちょうどいい
  • 描画先はUEFIが渡してくれるFramebufferを利用する。
    • ただしFramebufferは高解像度化やマルチモニタ化などはできないため、通常はモニタ対応はnerconeos-driverの一部実装が担当する。
  • できるだけAIに頼らない
    • Rustは(ほぼ)初めてなので、標準の機能とかで「こんな機能ある？」とかは聞くかもしれない
    • コード全体をAIに作らせたりリファクタリングさせたりするようなことはしない
    • AIに書かせるよりは自分で書いたほうがRustの勉強になりそうなのが理由の一つ
  • NerconeFSを実装してからExt4に対応する。
    • Ext4はすでに存在するけれど、ジャーナリングとかのいろんな機能に対応するのは面倒なため、NerconeFS、特にNerconeFS Liteから先に実装する。
  • ちゃんとモジュール分けする
    • nerconeos-base: ベース (起動してNKModやNKExtをロードする)
    • nerconeos-test: 開発中に使用するモジュール。動作しているかなどの確認や実験に使用する。
    • nerconeos-tui: テキストの描画と、ある場合はシェルを実行して表示する
    • nerconeos-tui-font: nerconeos-tui で使う内蔵フォントパック
    • nerconeos-gui: GUI(Linuxでいうウィンドウマネージャーとデスクトップ環境)　最初は最低限実装して、後から本格的なUIにする
    • nerconeos-fs: NerconeFSと一般的に使われているLinuxファイルシステムの一部のものを実装。
    • nerconeos-driver: 一般的にPCについているハードウェア向けの内蔵ドライバー。モニターやUSB、GPUなど。後付けのドライバーを優先して、利用できない場合はnerconeos-driverの内部実装、対応していない場合はそのデバイスを「非対応」とする。
  • .から始まるファイル(ドットファイル)は隠しファイルとして扱う

ブート時の流れ

  1. UEFIがブートローダーを実行
  2. ブートローダーがKPartをFATとして読み込む
  3. baseモジュールを起動
  4. baseモジュールが必要な初期化処理などを実行
  5. baseモジュールがfsモジュールを起動し、MPartを利用可能に
  6. baseモジュールが他の有効化しているモジュールを起動
    1. test
    2. tui
    3. tui-font
    4. driver
    5. gui

NerconeFSの特徴や機能

NerconeFS Lite

  • ある程度の利用に対応できるファイルシステム。
  • 実装を簡単にするための初期バージョンで、開発やテスト時に使用するバージョン。
  • 10GiBの固定長ファイルシステム
  • ファイルサイズは最大500MiB
  • ファイル名は最大10文字、文字セットはUTF-8

NerconeFS

  • 一般的な利用に対応できるファイルシステム。
  • 最大1TiBの可変長ファイルシステム。
  • ファイルサイズは最大200GiB
  • ファイル名は最大50文字、文字セットはUTF-8
  • ハッシュ(SHA-256など)による全体/ファイル別の破損確認に対応。

NerconeFS Plus

  • 小〜中規模のサーバー利用に対応できるファイルシステム。
  • 最大100TiBの可変長ファイルシステム。
  • ファイルサイズは最大5TiB
  • ファイル名は最大200文字、文字セットはUTF-8
  • ハッシュ(SHA-256など)による全体/ファイル別の破損確認に対応。
  • スナップショット機能に対応。

NerconeFS Full

  • 大規模のサーバー利用に対応できるファイルシステム。
  • 最大10PiBの可変長ファイルシステム。
  • ファイルサイズは最大50TiB
  • ファイル名は最大1000文字、文字セットはUTF-8
  • ハッシュ(SHA-256など)による全体/ファイル別の破損確認に対応。
  • スナップショット機能に対応。
  • 小規模のデータ破損の修復に対応。(破損する前まで戻すことができる)

KPart/MPartパーティション構成について

KPartとMPartを分けたのは、実装のやりやすさによるものです。 UEFIがFAT16/FAT32を標準でサポートしているため、実装が簡単です。 そのためKPartは、ブートローダーから簡単に起動できます。 MPartは、実際のカーネルが読み込むため、ある程度複雑でも問題ないと考えています。そのため、NerconeFSやExt4などに対応予定です。

権限管理について

権限管理は基本的にLinuxと同じ（所有者ユーザー + 所有グループ + パーミッション）です。 ただし、NerconeOSでは追加で「複数のオーナー（ACLのような仕組み）」をサポートする予定です。 スーパーユーザー権限は、rootユーザー、または一時的なスーパーユーザーへの昇格で使用可能。 なお、sudoなどの実行はデフォルトではwheelグループに所属しているユーザーが行える。

NerconeOSの設定ファイルの方式

NerconeOSのシステムが使用する設定ファイル(.cfg)は全てTOML形式です。 ソフトウェアやアプリに関しては、システムが直接使用しないファイルであれば他の形式にすることも可能です。

NerconeOSのEFIシステムパーティションの基本的な構造

ESP (EFI System Partition)

  • EFI/
    • BOOT/: UEFIで実行されるブートローダーの保管場所。全て*-unknown-uefiでビルド済みのUEFIアプリケーション(EFIバイナリ)。
      • BOOTIA32.EFI: x86 32bit (i386) 向けブートローダー (いつか追加するかも)
      • BOOTX64.EFI: x86 64bit (amd64/x86_64) 向けブートローダー (メイン)
      • BOOTARM.EFI: AArch 32bit (aarch32/armhf) 向けブートローダー (いつか追加するかも)
      • BOOTAA64.EFI: AArch 64bit (aarch64/arm64) 向けブートローダー (追加予定)
      • BOOTRISCV64.EFI: RISC-V 64bit (riscv64) 向けブートローダー (いつか追加するかも)

KPartの基本的な構造

FAT16/FAT32

  • mod/: NKModの保管場所。全て*-unknown-noneでビルド済みのELFファイル。
    • base: nerconeos-base (これがブートローダーから呼ばれる)
    • test: nerconeos-test
    • tui: nerconeos-tui
    • tui-font: nerconeos-tui-font
    • gui: nerconeos-gui
    • fs: nerconeos-fs
    • driver: nerconeos-driver
  • ext/: NKExtの保管場所。
  • cfg/: カーネルの設定ファイルの保管場所。
    • boot.cfg: ブート関連の設定ファイル。MPartのパーティションのIDなどを設定可能。
    • nkmod.cfg: NKMod関連の設定。モジュールの有効化/無効化などが可能。
    • nkmod/: それぞれのNKModの設定を保管する場所。
      • {NKModのID}.cfg: NKModの設定ファイル。1
    • nkext.cfg: NKExt関連の設定。カーネル拡張の有効化/無効化などが可能。
    • nkext/: それぞれのNKExtの設定を保管する場所。
      • {NKExtのID}.cfg: NKExtの設定ファイル。2
  • log/: カーネルのログファイルの保管場所。

nkmod.cfgの基本的な内容

[modules]
enable = ["base", "display", "gui", "fs", "driver"]

base.cfgの基本的な内容

[module]
version = "0.1.0" # モジュールのバージョン
wants = [] # このモジュールより先に起動する必要のあるモジュール。

[options]
logging = false # ログファイルを作成して保存するかどうか
logfile = "" # KPart内のログファイルの保管場所。デフォルトは`/log/`

tui.cfgの基本的な内容

[module]
version = "0.1.0"
wants = ["base"]

tui-font.cfgの基本的な内容

[module]
version = "0.1.0"
wants = ["tui", "fs"]

[options]
font-family = [] # 使用するフォントファミリー。優先順位の高いものから順番に書く。

MPartの基本的な構造

NerconeFS/Ext4/etc

  • app/: NerconeOS向けアプリの保管場所。/bin/とは違いアプリ一覧などに表示される。(パーミッション: 775)
    • usr/: スーパーユーザー権限なしでアクセスが可能なディレクトリ。(パーミッション: 777)
    • nterm.nap: 独自ターミナルアプリ。
  • bin/: Linuxの/bin/と同じようなもの。ELFやバイナリの保管場所。(パーミッション: 775)
    • usr/: スーパーユーザー権限なしでアクセスが可能なディレクトリ。(パーミッション: 777)
    • mkdir: ファイルの内容をテキストとして標準出力に出力するコマンド。
    • cat: ファイルの内容をテキストとして標準出力に出力するコマンド。
    • touch: ファイルの最終更新日時を更新するコマンド。ファイルがない場合は空のプレーンテキストファイルを作成する。
    • chmod: ファイルやディレクトリのパーミッションを変更するコマンド。
    • chown: ファイルやディレクトリの所有者を追加/変更するコマンド。
    • chgrp: ファイルやディレクトリのグループ所有者を変更するコマンド。
    • adduser: ユーザーを新規作成するコマンド。
    • deluser: 実行したユーザー以外のユーザーを削除するコマンド。
    • usermod: ユーザーの所属グループの追加/変更などをするコマンド。
    • passwd: 特定のユーザーのパスワードを変更するコマンド
    • sh: デフォルトのシェルにそのまま標準入力や引数などを伝えるコマンド。
    • chsh: デフォルトのシェルを変更するコマンド。
    • nersh: 自作シェル。
  • dev/: Linuxの/dev/と同じようなもの。(パーミッション: 775)
  • etc/: Linuxの/etc/と同じようなもの。(パーミッション: 775)
    • usr/: スーパーユーザー権限なしでアクセスが可能なディレクトリ。(パーミッション: 777)
    • fonts/: フォントの保管場所。
  • tmp/: Linuxの/tmp/と同じようなもの。一時ファイルを保管しておく場所。(パーミッション: 777)
  • mnt/: Linuxの/mnt/と同じようなもの。MPart以外のパーティションのマウントポイント。デバイスによってパーミッションは違う。(パーミッション: 775)
    • kpart/: KPartのマウントポイント。(パーミッション: 775)
  • usr/: ユーザーディレクトリの保管場所。(パーミッション: 775)
    • {ユーザー名}/ ユーザーディレクトリ。そのユーザーはアクセス可能。(パーミッション: 700)
  • grp/: グループディレクトリの保管場所。(パーミッション: 775)
    • {グループ名}/ グループディレクトリ。そのグループに所属しているユーザーはアクセス可能。なお所有者はどれもrootに設定。(パーミッション: 770)

NerconeOSのアプリについて

NerconeOSでは、ELFをそのままアプリとして使う方式だけでなく、NAP(Nerconeos APplication)方式のアプリも動作します。 NAPは実際にはただのフォルダ構造で、以下のようになっています。

  • example.nap/
    • application.cfg アプリの詳細情報(アプリ名、説明、開発元など)を保管しておく設定ファイル。
    • bin/ アプリ本体のELF/バイナリを保管する場所。
    • etc/ アプリが使うファイルなどを保管する場所。画像や音声ファイルなど。

Footnotes

  1. NKModのIDには、kpart/mod/*のそれぞれのファイル名が使用されます。 ↩

  2. NKExtのIDには、kpart/ext/*のそれぞれのファイル名が使用されます。 ↩

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