Thema: Neuer Linux Kernel ....

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Linus Torvalds hat das Nftables-Framework in den Linux-Kernel aufgenommen, das langfristig den Netfilter-Code ersetzen soll, mit dem Linux-Firewalls bislang Pakete filtern. Einer der Vorteile des neuen Ansatzes: Die Prüfung und Verarbeitung der Netzwerkpakete erfolgt mit Byte-Code in einer "virtuellen Maschine", wie es Netzwerk-Subsystem-Betreuer David Miller umschreibt.

Der Byte-Code sei Protokoll-unabhängig und lassen sich zur Laufzeit anpassen. Dadurch lassen sich Filter-Regeln jetzt im Betrieb verändern, ohne das ganze Regelwerk neu aufbauen zu müssen. Weitere Vorteile und Hintergründe von Nftables erläutern die Entwickler des Netfilter-Codes von Linux auf ihrer Homepage.

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Der im Januar erwartete Linux-Kernel 3.13 wird AMDs seit Linux 3.11 unterstützte Stromspartechnik DPM bei vielen Radeon-Grafikchips standardmäßig nutzen (1, 2, 3, 4, 5). Das ist jetzt absehbar, denn Linus Torvalds hat die erste Vorabversion von Linux 3.13 veröffentlicht; 19 Tage nach der Veröffentlichung von Linux 3.12 geht damit die Hauptentwicklungsphase von 3.13 zu Ende. Größere Änderungen gibt es in der jetzt beginnenden Testphase nur noch in Ausnahmefällen; hin und wieder legen die Kernel-Entwickler aber Funktionen lahm, wenn sich größere Probleme zeigen, die sie nicht auf die Schnelle beheben können.

Wie erwartet haben die Kernel-Entwickler auch das Nftables-Framework in den Linux-Kernel aufgenommen. Es soll langfristig den protokollspezifischen und daher mühsam zu wartenden Netfilter-Code ersetzen, mit dem Linux-Firewalls bislang Pakete filtern. Der alte und über Iptables angesprochene Code bleibt aber vorerst im Kernel; zudem gibt es Userspace-Anwendungen, die Iptables-Filterregeln interpretieren und an Nftables übergeben.

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Der Kernel ist jetzt erheblich besser für besonders flotte Datenträger gerüstet. Vor Btrfs wird nicht mehr so deutlich gewarnt. Das von vielen Live-CDs verwendete Squashfs soll erheblich schneller arbeiten.

Zum Ende der vergangenen Arbeitswoche hat Linus Torvalds die dritte Vorabversion von Linux 3.13 veröffentlicht. Größere Neuerungen bringt sie nicht, denn die Hauptentwicklungsphase dieser Version endete bereits in der zweiten Novemberhälfte, als Linux 3.12 knapp drei Wochen alt war. Das Kernel-Log kann daher schon jetzt einen umfassenden Überblick über die wichtigsten Neuerungen geben, die der in etwa vier Wochen erwartete Kernel bringt. Den Anfang macht die folgende Beschreibung zu den Neuerungen rund um Dateisysteme und Storage-Hardware; in den nächsten Wochen folgen Artikel zu Grafiktreibern, Netzwerk-Unterstützung, Kernel-Infrastruktur, Prozessor/Plattform-Unterstützung und Treibern für andere Hardware.

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Der Kernel 3.13 enthält die neue Firewall-Infrastruktur Nftables, die mittelfristig Iptables und Co. ersetzen soll. TCP Fast Open (TFO), das den HTTP-Verbindungsaufbau beschleunigt, ist jetzt Standard.

Die wohl größte Neuerungen des im Januar erwarteten Linux-Kernel 3.13 ist das Netzwerk-Paketfilter-Subsystem Nftables. Mittelfristig soll diese Firewall-Technik die existierenden Paketfilter Iptables, Ip6tables, Arptables und Ebtables ablösen, bei denen die Unterstützung für IPv4, IPV6, ARP und Ethernet Bridging direkt im Kernel-Code steckt. Das Nftables-Subsystem hingegen ist protokollunabhängig, denn es ist im wesentlichen eine simple virtuelle Machine, bei der Bytecode die Filterarbeiten erledigt.

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Linux 3.13 entlockt Multiprozessor-Systemen mehr Leistung. Es lassen sich jetzt Kernel kompilieren, die bis zu 8192 CPU-Kerne unterstützen. Zahlreiche Verbesserungen gab es beim Zufallsdaten-Generator.

Die Kernel-Entwickler haben die bei 3.8 eingeführten und bislang nur rudimentären Automatiken, um Prozesse und die von ihnen verwendeten Arbeitsspeicherbereiche zusammenzuhalten, erheblich ausgebaut (u. a. 1, 2). Das ist für die im Server-Umfeld häufig anzutreffenden Multiprozessor-Systeme mit NUMA (Non-Uniform Memory Access) wichtig, denn auf lokal angebundenen Arbeitsspeicher greift ein Prozess schneller zu als auf die RAM-Module, die andere Prozessoren betreuen.

Prozesse mit ihren Speicherbereichen zusammenzuhalten steigert die Performance einiger Anwendungen erheblich, daher konfigurieren manche Server-Admins die Zuordnungen manuell; trotz der verbesserten Automatiken dürfte das in manchen Konstellationen aber auch weiterhin Vorteile bieten.

Über neue Sysfs-Dateien kann man das Verhalten der jetzt eingeführten Automatiken beeinflussen. Details zu den Verbesserungen, die Scheduler und Memory-Management-Code betreffen, liefert ein LWN.net-Artikel.

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Zur Problemvermeidung nutzt der Kernel eine wichtige USB-3.0-Stromsparfunktion nicht mehr automatisch. Besitzer von Apple-Tastaturen können nun die Belegung von Option- und Command-Taste tauschen.

Der für USB-3.0-Controller zuständige XHCI-Treiber aktiviert USB-2.0-Link-Powermanagement jetzt selbst bei USB-3.0-Geräten nicht mehr standardmäßig. Solche Geräte müssen die Stromspartechnik laut USB-3.0-Spezifikation eigentlich beherrschen; den Kernel-Entwicklern sind aber eine Reihe von Geräte in die Hände gefallen, die die Technik nicht korrekt implementieren und daher unter Linux Probleme zeigen.

Um solchen Ärger zu vermeiden, nutzt der Kernel die Stromsparfunktion jetzt nicht mehr automatisch; über die Sysfs-Datei /sys/bus/usb/devices/../power/usb2_hardware_lpm man kann kann man das USB-2.0-Link-Powermanagement aber weiterhin für jedes Gerät separat aktivieren. Diese Änderung ist auch schon in Anfang Dezember freigegebene Stable-Kernel eingeflossen.

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Der Grafiktreiber für Radeon-Grafikkarten erhielt einen ganzen Schwung Verbesserungen, die die Performance neuerer Karten drastisch verbessern. Intels Grafiktreiber unterstützt jetzt HDMI-Sterero-3D.

Am zweiten Januar-Wochenende will Linus Torvalds die achte Vorabversion von Linux 3.13 veröffentlichen. Sofern nicht noch größere Fehler auftauchen, soll es der letzte RC werden, sodass Linux 3.13 vermutlich eine Woche später und somit am Wochenende 18/19. Januar erscheinen dürfte.

Torvalds integriert in diesem Stadium der Entwicklung nur noch kleinere Änderungen. Die folgenden Beschreibungen der Änderungen an Treibern kann daher schon jetzt die Kernel-Log-Mini-Serie "Was 3.13 bringt" beenden. Die vier ersten Teile der Serie hatten sich mit den Neuerungen beschäftigt, die 3.13 in den Bereichen Dateisysteme und Storage, Netzwerk, Infrastruktur und Treibern bringt.

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Das Netzwerk-Paketfilter-Subsystem Nftables ist wohl die größte Neuerungen des jetzt erhältlichen Linux-Kernel 3.13, denn mittelfristig soll die Nftables die bisherige Firewall-Filtermechanismen des Kernels ablösen. Die Entwickler stellen aber Werkzeuge bereit, um bestehende Firewall-Regeln weiterverwenden zu können.

Eine weitere wichtige Neuerung von 3.13 ist der Multi-Queue Block IO Queueing Mechanism, denn er macht Linux für PCIe-SSDs, NVMe-Hardware und andere Datenträger fit, die noch schneller arbeiten als aktuelle Desktop- und Notebook-SSDs. Eine Änderung an den Radeon-Treibern steigert die Performance aktueller Chips um das Sechsfache oder mehr. Auch das von vielen Linux-Live-Medien verwendete Squashfs soll mit 3.13 um einiges flotter arbeiten. Einen Performance-Gewinn bei Servern mit mehreren Prozessoren versprechen hingegen Änderungen am NUMA-Code.

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Linux beherrscht jetzt das für Echtzeit-Anforderungen interessante Deadline-Scheduling. Verbessert wurde auch die AMD- und Nvidia-Grafiktreiber sowie die erst kürzlich integrierte Firewall-Technik Nftables.

Der für Ende März erwartete Linux-Kernel 3.14 wird AMDs Stromspartechnik DPM (Dynamic Power Management) nun auch bei den neuesten Radeon-Grafikkernen automatisch nutzen. Die Kernel-Entwickler haben zudem das erst bei Linux 3.13 integrierte Paket-Filter-Subsystem Nftables um eine Filter-Tabelle erweitert, deren Regeln gleichermaßen für IPv4 und IPv6 angewendet werden. Das soll die Firewall-Konfiguration für Systeme vereinfachen, die beide Protokolle parallel einsetzen.

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Der Netzwerkcode kann kleine Datenhäppchen jetzt bündeln und dicke Downloads drosseln. Neben einem weiteren Prozess-Scheduler bringt der neue Kernel Unterstützung für eine neue Xen-Technik und einige kürzlich vorgestellte Grafikkerne.

Ein vor allem für Echtzeit-Systeme interessante Prozessorzeit-Verteiltechnik ist eine der wichtigsten Neuerungen des jetzt erhältlichen Linux-Kernels 3.14. Neu ist auch eine Funktion im Netzwerkcode, die kleine Datenhäppchen zu einem großen Paket bündelt; das soll die Performance steigern, obwohl kleine Wartezeiten im Spiel sind. Ferner kann der Kernel jetzt dicke Downloads drosseln, damit diese das Browsen im Internet nicht so leicht verlangsamen.

Kernel-Log-Logo Einige Umbauten an Speicherverwaltung und Locking-Mechanismen versprechen bessere Performance. Auch unterstützt Linux jetzt die Paravirtualized Hardware Extensions (PVH), die der Hypervisor des kürzlich vorgestellten Xen 4.4 bietet. Unter den vielen Änderungen an Grafiktreibern sind welche, durch die Linux 3.14 einige der neuesten Grafikkerne von Intel und Nvidia unterstützt.

Details zu diesen und zahlreichen weiteren Neuerungen des Linux-Kernel 3.14 liefert ein Artikel auf heise open:

    Die Neuerungen von Linux 3.14

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Linux 3.15 wacht schneller aus dem Suspend auf. Ein neues Locking-API beseitigt Schwachstellen, mit denen Entwickler seit vielen Jahren kämpfen. Neue Dateisystemfunktionen können Video-Schnitt-Programmen die Arbeit erleichtern und sie so erheblich beschleunigen.

Am ersten Maisonntag hat Linus Torvalds die vierte Vorabversion von Linux 3.15 veröffentlicht. Sie enthält wie gewohnt fast ausschließlich Fehlerkorrekturen, denn die Hauptentwicklungsphase dieser Version endete bereits Mitte April, als Linux 3.14 zwei Wochen alt war. Die wichtigsten Neuerungen der in drei bis fünf Wochen erwarteten Kernel-Version 3.15 sind daher bereits jetzt absehbar.

Wir werden die Neuerungen in Linux 3.15 wieder in einer mehrteiligen Artikelserie beschreiben, die sich zum Start den Neuerungen rund um Dateisysteme und Storage-Hardware widmet. In den nächsten Wochen folgen Artikel zu Grafiktreibern, Netzwerk-Unterstützung, Kernel-Infrastruktur, Prozessor/Plattform-Code und Treibern für andere Hardware.

Schneller einsatzbereit

Einige PCs wachen jetzt sehr viel schneller aus dem Suspend-to-RAM (ACPI S3) auf. Das ist Änderungen zu verdanken, durch die der Kernel im Aufwachprozess nicht mehr darauf wartet, dass alle Datenträger des Systems Einsatzbereitschaft melden. Festplattenzugriffe in dieser Zeit werden zwischengespeichert und umgesetzt, sobald der Datenträger bereit ist (1, 2).

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Der Datenträger-Cache passt sich schneller an neue Arbeitsbedingungen an, was die Geschwindigkeit deutlich steigern kann. PAE-Kernel starten nun auch auf alten Pentium-M-CPUs. Über Unterstützung von Link-time optimization (LTO) wird noch debattiert.

Der Speichermanagement-Code des Linux-Kernels erkennt nun, wenn er Daten mehrfach nacheinander erst in den Page Cache holt, um sie kurz darauf aus Platzmangel wieder rauszuwerfen (u. a. 1, 2, 3). Solche Daten versucht der Kernel daraufhin im Zwischenspeicher zu behalten; dazu entfernt der Kernel jetzt nötigenfalls auch Daten, die in der Vergangenheit sehr viel, in jüngster Zeit aber kaum mehr abgefragt wurden.

Dadurch soll sich der Page-Cache, der Zugriff auf wiederholt verwendete Datenträgerinhalte erheblich beschleunigt, jetzt erheblich flotter an veränderte Arbeitsbedingungen anpassen. Das steigert die Performance in manchen Situationen um ein Vielfaches; etwa wenn ein Programm eine große Datei eine Weile intensiv bearbeitet, bevor es sich einer neuen Datei ebenso ausführlich widmet. Details und einige Messwerte zum neuen Vorgehen liefern Mails aus der Entwicklungsphase und ein LWN.net-Artikel.

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Der Berkley Packet Filter soll nicht nur viel schneller arbeiten, sondern kann jetzt auch viel mehr. Der Kernel 3.15 wird mehr Realtek-WLAN-Chips als zuvor unterstützen und die Round Trip Time von TCP-Übertragungen genauer abschätzen.

Die Kernel-Entwickler haben den im Netzwerk-Subsystem angesiedelten Berkeley Packet Filter (BPF) grundlegend überarbeitet; er eignet sich dadurch für zahlreiche weitere Aufgaben und arbeitet schneller. Das ist für die Netzwerktraffic-Steuerung über tc oder Sniffer Tools wie Tcpdump relevant, die auf den BPF zurückgreifen; auch der Browser Chromium profitiert indirekt von den Änderungen, denn er nutzt zum Filtern der Syscalls für Sandboxen den bei 3.5 eingeführten Seccomp Filters Mechanism, der den BPF verwendet.

Da der neue Code mehr Möglichkeiten bietet, wollen einige Kernel-Entwickler auch den Funktions-Tracer Ftrace anpassen, damit auch er den BPF nutzt. Ftrace soll dadurch erheblich effizienter arbeiten und das System bei der Ablaufverfolgung erheblich weniger bremsen; das vermeidet Störeffekte, die die Arbeit mit Ftrace behindern können.

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Linux soll sich bald mit dem LLVM-basierten Clang kompilieren lassen. Der Kernel unterstützt zwei weitere x86-Instruktionen. Ein 64-Bit-Linux bootet jetzt auch auf 64-Bit-x86-UEFI-Systemen, die eine 32-Bit-Firmware verwenden.

Durch eine Handvoll von Änderungen arbeitet der Linux-Kernel beim Schlafenlegen und Wecken von Komponenten jetzt an weiteren Stellen asynchron, was die Zeit zum Suspend und Resume des Systems reduzieren kann (1, 2, 3, 4, 5). Die dadurch erzielte Steigerung dürfte auf vielen Systemen aber deutlich kleiner sein als der Gewinn durch die Änderungen am Storage-Code, durch die 3.15 auf manchen Systemen erheblich schneller aus dem Suspend-to-RAM aufwacht; Details dazu erläutert der erste Teil unserer "Was 3.15 bringt"-Serie.

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Linux kann jetzt nicht nur den Video-Encoder der neuen Radeon-Chips ansprechen, sondern auch Nvidias neueste Grafikchipfamilie. Der neue Kernel unterstützt aktuelle Thinkpads besser und entlockt manchen USB-3.0-Datenträgern mehr Geschwindigkeit.

Alles deutet darauf hin, dass Linus Torvalds den Linux-Kernel 3.15 am nächsten oder übernächsten Sonntag freigibt. Die folgenden Beschreibungen zu Änderungen an Treibern sollen daher jetzt unsere Kernel-Log-Mini-Serie "Was 3.15 bringt" rechtzeitig vor der Freigabe beenden. Die vier vorangegangenen Teile der Serie hatten sich mit den Neuerungen beschäftigt, die 3.15 in den Bereichen Dateisysteme und Storage, Performance-Optimierungen, Netzwerk und Infrastruktur bringt; diese Vorabberichterstattung war möglich, weil Torvalds alle wesentlichen Änderungen von Linux 3.15 bereits in der ersten Aprilhälfte angenommen hat.

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