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Viewing changes to doc/dev/architecture.rst

  • Committer: William Grant
  • Date: 2009-02-25 23:04:11 UTC
  • Revision ID: grantw@unimelb.edu.au-20090225230411-lbdyl32ir0m3d59b
Make all of the services executable.

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Lines of Context:
1
 
.. IVLE - Informatics Virtual Learning Environment
2
 
   Copyright (C) 2007-2009 The University of Melbourne
3
 
 
4
 
.. This program is free software; you can redistribute it and/or modify
5
 
   it under the terms of the GNU General Public License as published by
6
 
   the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
7
 
   (at your option) any later version.
8
 
 
9
 
.. This program is distributed in the hope that it will be useful,
10
 
   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11
 
   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
12
 
   GNU General Public License for more details.
13
 
 
14
 
.. You should have received a copy of the GNU General Public License
15
 
   along with this program; if not, write to the Free Software
16
 
   Foundation, Inc., 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
17
 
 
18
 
*******************
19
 
System Architecture
20
 
*******************
21
 
 
22
 
IVLE is a complex piece of software that integrates closely with the 
23
 
underlying system. It can be considered part web service and part local system 
24
 
daemon. Due to the implementation of these parts it is tied to Apache Web 
25
 
Server (mainly due to the use of mod_python) and Linux.
26
 
 
27
 
 
28
 
Dispatch
29
 
========
30
 
 
31
 
IVLE uses mod_python_ to allow Python scripts to be called from Apache. We 
32
 
register the :mod:`ivle.dispatch` module as the ``PythonHandler`` in the 
33
 
associated VirtualHost, allowing us to intercept all HTTP requests to the web 
34
 
server.
35
 
 
36
 
The :mod:`ivle.dispatch` module is responsible for mapping requests from the 
37
 
client to the correct application plugin. Plugins can be specified by placing  
38
 
a :file:`*.conf` file into the :file:`/etc/ivle/plugins.d/` directory 
39
 
containing lines of the form :samp:`[{plugin_module}#{classname}]`.
40
 
 
41
 
.. TODO: Document Plugin Format and Routing Strings
42
 
 
43
 
In future, this may be ported to a WSGI (:pep:`333`) based dispatch to allow 
44
 
IVLE to be run on web servers other than Apache.
45
 
 
46
 
.. _mod_python: http://www.modpython.org/
47
 
 
48
 
 
49
 
Templating
50
 
----------
51
 
IVLE uses the Genshi_ XHTML template system to generate all HTML pages. We
52
 
have an inheritance-based "views" system. :class:`BaseView` is a class from
53
 
which all views derive.
54
 
 
55
 
There are 3 sub-types of :class:`BaseView` (more can be implemented if 
56
 
necessary):
57
 
 
58
 
* XHTML-Templated
59
 
    * browser, console, debuginfo, diff, forum, groups, help, home, logout, 
60
 
      settings, subjects, svnlog, tos, tutorial
61
 
* Raw byte streaming
62
 
    * download, server
63
 
* JSON service
64
 
    * consoleservice, fileservice, tutorialservice, userservice 
65
 
 
66
 
The apps each derive from one of the above.
67
 
 
68
 
.. note::
69
 
   IVLE used to write its HTML output as a raw stream to an output file, until
70
 
   it was refactored to use Genshi. All apps which haven't yet been refactored
71
 
   properly were ported to use the "raw byte streaming" view.
72
 
 
73
 
.. _Genshi: http://genshi.edgewall.org/
74
 
 
75
 
 
76
 
.. _ref-jail:
77
 
 
78
 
Jail System
79
 
===========
80
 
 
81
 
One of the main features of IVLE is it's ability to execute user's code in a 
82
 
customised environment that prevents access to other users files or underlying 
83
 
file system as well as placing basic resource limits to prevent users from 
84
 
accidentally exhausting shared resources such as CPU time and memory.
85
 
 
86
 
 
87
 
Trampoline
88
 
----------
89
 
 
90
 
To each user, it appears that they have their own private Unix filesystem 
91
 
containing software, libraries and a home directory to do with what they 
92
 
please. This is mainly done by the setuid root program ``trampoline`` which 
93
 
mounts the users home directory, sets up the users environment, jumps into the 
94
 
user's jail using the :manpage:`chroot(2)` system call and finally drops 
95
 
privileges to the desired user and group.
96
 
 
97
 
To prevent abuse, ``trampoline`` can only be used by root or one of the uids 
98
 
specified when trampoline is built by ``setup.py build`` (defaults to UID 33, 
99
 
www-data on Debian systems). Since it's one of two C programs involved in IVLE 
100
 
and runs setuid root it is rather security sensitive.
101
 
 
102
 
.. seealso:: Source code :file:`bin/trampoline/trampoline.c`
103
 
 
104
 
 
105
 
Base Image Generation
106
 
---------------------
107
 
 
108
 
All user jails share a common base image that contains the files required for 
109
 
both IVLE's operation and for executing user code. This base image is 
110
 
generated automatically by the ``ivle-buildjail`` script. This then calls the 
111
 
distribution dependant details in :mod:`ivle.jailbuilder` module. At present 
112
 
we only support building jails for Debian derived systems using 
113
 
:program:`debootstrap`.
114
 
 
115
 
The contents of the base image contains a few core packages required for the 
116
 
operation of IVLE - Python and the Python CJSON and SVN libraries. Other 
117
 
options that can be configured in :file:`/etc/ivle/ivle.conf` are the file 
118
 
mirror that debootstrap should use, the suite to build (such as hardy or 
119
 
jaunty), extra apt-sources, extra apt keys and any additional packages to 
120
 
install.
121
 
 
122
 
To prevent users from altering files in the base image we change the 
123
 
permissions of :file:`/tmp`, :file:`/var/tmp` and :file:`/var/lock` to not be 
124
 
world writeable and check that no other files are world writeable.
125
 
 
126
 
Finally we make the user dependent :file:`/etc/passwd` and 
127
 
:file:`/etc/ivle/ivle.conf` symlinks to files in the :file:`/home` directory 
128
 
so that they will be used when we mount a user's home directory.
129
 
 
130
 
Mounting Home Directories
131
 
-------------------------
132
 
 
133
 
To give the appearance of a private file system we need to merge together a 
134
 
user's local home directory with the base image.
135
 
To achieve this, IVLE uses the *bind mount* feature of Linux, which allows
136
 
directories to be accessible from another location in the file system. By
137
 
carefully bind-mounting the jail image as read-only and then bind-mounting the
138
 
user's :file:`/home` and :file:`/tmp` directory data over the top, we create a
139
 
jail with only three bind mounts and at virtually no file system overhead.
140
 
 
141
 
.. note::
142
 
   IVLE has historically used numerous solutions to this problem, which are
143
 
   chronicled here to avoid the same mistakes being made again.
144
 
 
145
 
   In the first release of IVLE this was done offline by hard-linking all the
146
 
   files into the target directory, but for a large number of users, this
147
 
   process can take several hours, and also runs the risk of exhausting
148
 
   the number of inodes on the underlying file system.
149
 
 
150
 
   The second solution was to use `AUFS <http://aufs.sourceforge.net/>`_ to
151
 
   mount the user's home directory over a read-only version of the base on
152
 
   demand. This was implemented as part of ``trampoline`` and used a secondary
153
 
   program ``timount`` (see :file:`bin/timount/timount.c`), run at regular
154
 
   intervals, to unmount unused jails. This used the :const:`MNT_EXPIRE` flag
155
 
   for :manpage:`umount(2)` (available since Linux 2.6.8) that only unmounts a
156
 
   directory if it hasn't been accessed since the previous call with
157
 
   :const:`MNT_EXPIRE`.
158
 
 
159
 
   While quite effective, AUFS appeared to cause NFS caching issues when IVLE
160
 
   was run as a cluster, and as its inclusion status in future Linux
161
 
   distributions is questionable, the developers elected to use the much older
162
 
   bind mount feature instead.
163
 
 
164
 
Entering the Jail
165
 
-----------------
166
 
 
167
 
Before running the specified program in the users jail we need to 
168
 
:manpage:`chroot(2)` into the users jail and update the processes environment 
169
 
so that we have the correct environment variables and user/group ids.
170
 
 
171
 
At this stage we also may apply a number of resource limits (see 
172
 
:manpage:`setrlimit`) to prevent run away processes (such as those containing 
173
 
infinite loops or "fork bombs") from exhausting all system resources. The 
174
 
default limits are on maximum address space (:const:`RLIMIT_AS`), process data 
175
 
space (:const:`RLIMIT_DATA`), core dump size (:const:`RLIMIT_CORE`), CPU time 
176
 
(:const:`RLIMIT_CPU`), file size (:const:`RLIMIT_FSIZE`) and number of 
177
 
processes that may be spawned (:const:`RLIMIT_NPROC`).
178
 
 
179
 
Unfortunately due to glibc's :manpage:`malloc(2)` implementation being able to 
180
 
allocate memory using :manpage:`mmap(2)`, :const:`RLIMIT_DATA` does not 
181
 
provide an effective limit on the amount of memory that a process can allocate 
182
 
(short of applying a kernel patch). Thus the only way to limit memory 
183
 
allocations is by placing limits on the address space, but this can cause 
184
 
problems with certain applications that allocate far larger address spaces 
185
 
than the real memory used. For this reason :const:`RLIMIT_AS` is currently set 
186
 
very large.
187
 
 
188
 
 
189
 
.. ref-python-console
190
 
 
191
 
Python Console
192
 
==============
193
 
 
194
 
IVLE provides a web based programming console, exposing similar features to 
195
 
Python's command line console. It is built around python script 
196
 
:file:`services/python-console` which opens up a socket to which `JSON`_ 
197
 
encoded chat requests can be made. A new console is typically from launched on 
198
 
demand by the web client to the HTTP API, which in turn calls the wrapper 
199
 
class :class:`ivle.console.Console` to start a new console in the user's jail.
200
 
 
201
 
.. _JSON: http://json.org
202
 
 
203
 
 
204
 
.. _ref-usrmgt-server:
205
 
 
206
 
User Management Server
207
 
======================
208
 
 
209
 
The **User Management Server** is a daemon responsible for handling privileged 
210
 
actions on IVLE and should be launched along with IVLE. It is primarily 
211
 
responsible for:
212
 
 
213
 
* Creating user jails, Subversion repositories, and Subversion authentication 
214
 
  credentials.
215
 
* Creating group Subversion repositories.
216
 
* Rebuilding Subversion authorization files. 
217
 
 
218
 
Communication with the Server is done using the :ref:`Chat Protocol
219
 
<ref-chat>`.  To prevent unauthorized use, communication with the User
220
 
Management Server requires that a *shared secret* be used to communicate with
221
 
the server.  This secret is stored in the `magic` variable in the `[usrmgt]`
222
 
section of :file:`/etc/ivle/ivle.conf`.
223
 
 
224
 
The User Management Server is called almost exclusively from the 
225
 
:mod:`ivle.webapp.userservice` module.
226
 
 
227
 
.. seealso:: Source code :file:`services/usrmgt-server`
228
 
 
229
 
.. _ref-chat:
230
 
 
231
 
Chat Protocol
232
 
=============
233
 
 
234
 
**Chat** is our JSON_-based client/server communication protocol used in
235
 
communicating to :ref:`Python Console <ref-python-console>` processes and
236
 
:ref:`User Management Server <ref-usrmgt-server>`.  Since it is JSON-based it
237
 
can be called from either Python or JavaScript.
238
 
 
239
 
Protocol
240
 
--------
241
 
The protocol is a fairly simple client/server based one consisting of a single 
242
 
JSON object. Before communication starts a shared secret :const:`MAGIC` must 
243
 
be  known by both parties. The shared secret is then used to form a 
244
 
'keyed-Hash Message Authentication Code' to ensure that the content is valid 
245
 
and not been modified in transit.
246
 
 
247
 
The client request takes the following form::
248
 
 
249
 
    {
250
 
        "content": DATA,
251
 
        "digest": HASH
252
 
    }
253
 
 
254
 
where :const:`DATA` is any valid JSON value and :const:`HASH` is an string 
255
 
containing the MD5 hash of the :const:`DATA` appended to :const:`MAGIC` and 
256
 
then hex encoded.
257
 
 
258
 
The server will respond with a JSON value corresponding to the request.
259
 
If an error occurs then a special JSON object will be returned of the 
260
 
following form::
261
 
 
262
 
    {
263
 
        "type": NAME,
264
 
        "value": VALUE,
265
 
        "traceback": TRACEBACK
266
 
    }
267
 
 
268
 
where :const:`NAME` is a JSON string of the exception type (such as 
269
 
'AttributeError'), :const:`VALUE` is the string value associated with the 
270
 
exception and :const:`TRACEBACK` is a string of the traceback generated by the 
271
 
server's exception handler.
272
 
 
273
 
.. seealso:: Source code :file:`ivle/chat.py`
274
 
 
275
 
 
276
 
Version Control
277
 
===============
278
 
 
279
 
Along with traditional file system access, IVLE allows users to version their 
280
 
files using Subversion_. Much like how Subversion workspaces are used on a 
281
 
standard desktop, workspaces are checked out into users home directories where 
282
 
they can be manipulated through a series of AJAX requests to the 
283
 
``fileservice`` app.
284
 
 
285
 
Like all other user file system actions, version control actions need to be 
286
 
executed inside the user's :ref:`jail <ref-jail>`. Requests are made to the 
287
 
``fileservice`` app in :mod:`ivle.webapp.fileservice` which then calls the 
288
 
``fileservice`` CGI script using ``trampoline``. This script is simply a 
289
 
wrapper around :mod:`ivle.fileservice_lib` which actually contains the code to 
290
 
handle each of the actions.
291
 
 
292
 
Manipulation of the Subversion workspaces is done using the pysvn_ library. 
293
 
 
294
 
.. _Subversion: http://subversion.tigris.org/
295
 
.. _pysvn: http://pysvn.tigris.org/
296
 
 
297
 
 
298
 
Repositories
299
 
------------
300
 
 
301
 
Each user is allocated a Subversion repository when their :ref:`Jail 
302
 
<ref-jail>` is created by the :ref:`User Management Server 
303
 
<ref-usrmgt-server>`. Repository are stored in the location specified by 
304
 
``[paths] [[svn]] repo_path`` in :file:`/etc/ivle/ivle.conf` (by default 
305
 
:file:`/var/lib/ivle/svn/repositories/`). User repositories are stored in the 
306
 
:samp:`users/{USERNAME}/` subdirectory and group repositories in 
307
 
:samp:`groups/{SUBJECT}_{YEAR}_{SEMESTER}_{GROUP}`.
308
 
 
309
 
.. warning::
310
 
 
311
 
    While it would be possible to give users direct access to their repository 
312
 
    using Subversion's file backend, this would allow users to potentially 
313
 
    modify the history of any repository that they had access to. To ensure 
314
 
    repository integrity, all Subversion interaction must be done remotely.
315
 
 
316
 
 
317
 
Subversion WebDAV
318
 
-----------------
319
 
 
320
 
These repositories are served by Apache using ``mod_dav_svn`` allowing access 
321
 
over Subversion's WebDAV HTTP or HTTPS backends. Users are authenticated using 
322
 
a randomly generated key which is stored in the database and is made available 
323
 
to each user inside their Jail (``svn_pass`` property inside 
324
 
:file:`/home/.ivle.conf`). This key is automatically provided when doing 
325
 
Subversion actions, but can be manually entered when accessing a users 
326
 
repository from an external Subversion client such as with :samp:`svn checkout 
327
 
{svn_addr}/users/{USERNAME}/ workspace`.
328
 
 
329
 
Repository permissions for ``AuthzSVNAccessFILE`` are automatically generated 
330
 
and placed in the file located at ``[paths] [[svn]] conf`` for user 
331
 
repositories and ``[paths] [[svn]] group_conf`` for group repositories. User 
332
 
authentication keys for ``AuthUserFile`` are stored in the file located at 
333
 
``[path] [[svn]] auth_ivle``. These will be regenerated each time user or 
334
 
group repository settings change.
335
 
 
336
 
 
337
 
Worksheets
338
 
==========
339
 
 
340
 
Database
341
 
========
342
 
 
343
 
..  TODO: Not yet merged
344
 
    Object Publishing
345
 
    =================