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  • Committer: David Coles
  • Date: 2009-07-21 02:19:56 UTC
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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 the
196
 
:file:`services/python-console` script, which opens up a socket on a random
197
 
port to which `JSON`_ encoded chat requests can be made.
198
 
 
199
 
A new console is typically launched on demand by the web client to the HTTP
200
 
API, which in turn calls the wrapper class :class:`ivle.console.Console` to
201
 
start a new console in the user's jail.
202
 
 
203
 
Subsequent requests from the same in-browser console connect to the existing
204
 
console process. This is achieved by storing a string on the client which
205
 
identifies the server address and port. The client then makes requests
206
 
through the load balancer, sending this string through to an arbitrary slave
207
 
which forwards the request to the identified console.
208
 
 
209
 
This means that all slaves need access to all ports on every other slave.
210
 
 
211
 
.. _JSON: http://json.org
212
 
 
213
 
 
214
 
.. _ref-usrmgt-server:
215
 
 
216
 
User Management Server
217
 
======================
218
 
 
219
 
The **User Management Server** is a daemon responsible for handling privileged 
220
 
actions on IVLE and should be launched along with IVLE. It is primarily 
221
 
responsible for:
222
 
 
223
 
* Creating user jails, Subversion repositories, and Subversion authentication 
224
 
  credentials.
225
 
* Creating group Subversion repositories.
226
 
* Rebuilding Subversion authorization files. 
227
 
 
228
 
Communication with the Server is done using the :ref:`Chat Protocol
229
 
<ref-chat>`.  To prevent unauthorized use, communication with the User
230
 
Management Server requires that a *shared secret* be used to communicate with
231
 
the server.  This secret is stored in the `magic` variable in the `[usrmgt]`
232
 
section of :file:`/etc/ivle/ivle.conf`.
233
 
 
234
 
The User Management Server is called almost exclusively from the 
235
 
:mod:`ivle.webapp.userservice` module.
236
 
 
237
 
.. seealso:: Source code :file:`services/usrmgt-server`
238
 
 
239
 
.. _ref-chat:
240
 
 
241
 
Chat Protocol
242
 
=============
243
 
 
244
 
**Chat** is our JSON_-based client/server communication protocol used in
245
 
communicating to :ref:`Python Console <ref-python-console>` processes and
246
 
:ref:`User Management Server <ref-usrmgt-server>`.  Since it is JSON-based it
247
 
can be called from either Python or JavaScript.
248
 
 
249
 
Protocol
250
 
--------
251
 
The protocol is a fairly simple client/server based one consisting of a single 
252
 
JSON object. Before communication starts a shared secret :const:`MAGIC` must 
253
 
be  known by both parties. The shared secret is then used to form a 
254
 
'keyed-Hash Message Authentication Code' to ensure that the content is valid 
255
 
and not been modified in transit.
256
 
 
257
 
The client request takes the following form::
258
 
 
259
 
    {
260
 
        "content": DATA,
261
 
        "digest": HASH
262
 
    }
263
 
 
264
 
where :const:`DATA` is any valid JSON value and :const:`HASH` is an string 
265
 
containing the MD5 hash of the :const:`DATA` appended to :const:`MAGIC` and 
266
 
then hex encoded.
267
 
 
268
 
The server will respond with a JSON value corresponding to the request.
269
 
If an error occurs then a special JSON object will be returned of the 
270
 
following form::
271
 
 
272
 
    {
273
 
        "type": NAME,
274
 
        "value": VALUE,
275
 
        "traceback": TRACEBACK
276
 
    }
277
 
 
278
 
where :const:`NAME` is a JSON string of the exception type (such as 
279
 
'AttributeError'), :const:`VALUE` is the string value associated with the 
280
 
exception and :const:`TRACEBACK` is a string of the traceback generated by the 
281
 
server's exception handler.
282
 
 
283
 
.. seealso:: Source code :file:`ivle/chat.py`
284
 
 
285
 
 
286
 
Version Control
287
 
===============
288
 
 
289
 
Along with traditional file system access, IVLE allows users to version their 
290
 
files using Subversion_. Much like how Subversion workspaces are used on a 
291
 
standard desktop, workspaces are checked out into users home directories where 
292
 
they can be manipulated through a series of AJAX requests to the 
293
 
``fileservice`` app.
294
 
 
295
 
Like all other user file system actions, version control actions need to be 
296
 
executed inside the user's :ref:`jail <ref-jail>`. Requests are made to the 
297
 
``fileservice`` app in :mod:`ivle.webapp.fileservice` which then calls the 
298
 
``fileservice`` CGI script using ``trampoline``. This script is simply a 
299
 
wrapper around :mod:`ivle.fileservice_lib` which actually contains the code to 
300
 
handle each of the actions.
301
 
 
302
 
Manipulation of the Subversion workspaces is done using the pysvn_ library. 
303
 
 
304
 
.. _Subversion: http://subversion.tigris.org/
305
 
.. _pysvn: http://pysvn.tigris.org/
306
 
 
307
 
 
308
 
Repositories
309
 
------------
310
 
 
311
 
Each user is allocated a Subversion repository when their :ref:`Jail 
312
 
<ref-jail>` is created by the :ref:`User Management Server 
313
 
<ref-usrmgt-server>`. Repository are stored in the location specified by 
314
 
``paths/svn/repo_path`` in :file:`/etc/ivle/ivle.conf` (by default 
315
 
:file:`/var/lib/ivle/svn/repositories/`). User repositories are stored in the 
316
 
:samp:`users/{USERNAME}/` subdirectory and group repositories in 
317
 
:samp:`groups/{SUBJECT}_{YEAR}_{SEMESTER}_{GROUP}`.
318
 
 
319
 
.. warning::
320
 
 
321
 
    While it would be possible to give users direct access to their repository 
322
 
    using Subversion's file backend, this would allow users to potentially 
323
 
    modify the history of any repository that they had access to. To ensure 
324
 
    repository integrity, all Subversion interaction must be done remotely.
325
 
 
326
 
 
327
 
Subversion WebDAV
328
 
-----------------
329
 
 
330
 
These repositories are served by Apache using ``mod_dav_svn`` allowing access 
331
 
over Subversion's WebDAV HTTP or HTTPS backends. Users are authenticated using 
332
 
a randomly generated key which is stored in the database and is made available 
333
 
to each user inside their jail (``svn_pass`` property inside 
334
 
:file:`/home/.ivle.conf`). This key is automatically provided when doing 
335
 
Subversion actions, but can be manually entered when accessing a user's 
336
 
repository from an external Subversion client such as with :samp:`svn checkout 
337
 
{svn_addr}/users/{USERNAME}/ workspace`.
338
 
 
339
 
Repository permissions for ``AuthzSVNAccessFile`` are automatically generated 
340
 
and placed in the file specified by the ``paths/svn/conf`` config option
341
 
(usually ``/var/lib/ivle/svn/svn.conf``) for user repositories and the
342
 
``paths/svn/group_conf`` option for group repositories (usually
343
 
``/var/lib/ivle/svn/svn-group.conf``). User authentication keys for
344
 
``AuthUserFile`` are stored in the file specified by ``paths/svn/auth_ivle``,
345
 
usually ``/var/lib/ivle/svn/ivle.auth``. These will be regenerated each time
346
 
user or group repository settings change.
347
 
 
348
 
 
349
 
Worksheets
350
 
==========
351
 
 
352
 
Worksheets provide a way for users to be able to attempt a set of coding 
353
 
exercises along with accompanying instructions. In the past worksheets were 
354
 
created directly using an XML format, but this has been deprecated in favour 
355
 
of being generated automatically from reStructuredText.
356
 
 
357
 
Worksheets are now stored in the database as a :class:`Worksheet` object (see 
358
 
:file:`ivle/database.py`).  This allows them to be treated with the same 
359
 
access permissions available to other objects and lays down the ground work 
360
 
for providing versioned worksheets.
361
 
 
362
 
 
363
 
Exercises
364
 
---------
365
 
 
366
 
When users submit an exercise, the user's solution is tested against a series 
367
 
of test cases which can be used to check if a solution is acceptable. Almost 
368
 
all the behavior for exercises is contained within 
369
 
:file:`ivle/webapp/tutorial/test/TestFramework.py`.
370
 
 
371
 
.. note::
372
 
    The TestFramework module is one of the oldest and most complicated in 
373
 
    IVLE, largely taken directly from the IVLE prototype. As such it has a 
374
 
    design that doesn't quite match the current architecture of IVLE, such as 
375
 
    using slightly different terminology and having a few testing facilities 
376
 
    that are untested or untested. It requires a substantial rewrite and 
377
 
    comprehensive test suite to be developed.
378
 
 
379
 
At the top level exists the :class:`Exercise` object (known as ``TestSuite`` 
380
 
in :file:`TestFramework.py`). This object encompasses the entire collection of 
381
 
tests for a given exercise and details such as the exercise name, provided 
382
 
solution and any "include code" (Python code available for all test cases, but 
383
 
not the user's submission).
384
 
 
385
 
Each exercise may contain one or more :class:`TestSuite` objects (known as 
386
 
``TestCase`` in :file:`TestFramework.py`. A test suite is a collection of 
387
 
tests that run with some sort of common input - be that stdin contents, a 
388
 
virtual file system configuration (presently disabled), inputs to particular 
389
 
function or defining the contents of one or more variables. A test suite will 
390
 
typically run until the first test case fails, but can be configured to 
391
 
continue running test cases even after one has failed. Exceptions raised by 
392
 
submitted code will typically cause the test to fail except if it is marked as 
393
 
an "allowed exception".
394
 
 
395
 
Individual units to be tested (something that can pass or fail) are contained 
396
 
within :class:`TestCase` objects (known as ``TestCaseParts`` in 
397
 
:file:`TestFramework.py`). A test case can test the value of source code text, 
398
 
the function return value (Will be ``None`` for scripts), stdout contents, 
399
 
stderr contents, name of any raised exception and contents of the virtual file 
400
 
system (presently disabled) of code submitted by users. These checks are 
401
 
contained in a :class:`TestCasePart`. In addition, a normalisation function or 
402
 
custom comparison function can be used instead of comparing the raw values 
403
 
directly.  By default, the value of each check will be ignored unless 
404
 
overidden by a test case part.
405
 
 
406
 
Database
407
 
========
408
 
 
409
 
 
410
 
Object Publishing
411
 
=================
412
 
 
413
 
URLs are resolved with a small IVLE-specific object publishing framework --
414
 
that is, resolution is implemented as traversal through an object graph. The
415
 
framework lives in :mod:`ivle.webapp.publisher`, and has an extensive test
416
 
suite.
417
 
 
418
 
This object graph is constructed by the dispatcher. Any plugin class deriving
419
 
from ViewPlugin will be searched for ``forward_routes``, ``reverse_routes``
420
 
and ``views`` sequences. Everything is class-based -- an object's routes
421
 
and views are determined by its class.
422
 
 
423
 
Forward routes handle resolution of URLs to objects. Given a source object
424
 
and some path segments, the route must calculate the next object.
425
 
A forward route is a tuple of ``(source class, intermediate path segments,
426
 
function, number of subsequent path segments to consume)``, or simply a
427
 
reference to a decorated function (see :mod:`ivle.webapp.admin.publishing`
428
 
for decoration examples). The function must return the next object in the
429
 
path.
430
 
 
431
 
A reverse route handles URL generation for an object. Given just an object,
432
 
it must return a tuple of ``(previous object, intermediate path segments)``.
433
 
This creates a chain of objects and path segments until the root is reached.
434
 
Due to IVLE's lack of a utility framework, reverse routes at the root of the
435
 
URL space need to refer to the root object with the magical
436
 
:mod:`ivle.webapp.publisher.ROOT`. 
437
 
 
438
 
Views are registered with a tuple of ``(source class, intermediate path segments,
439
 
view class)``.
440
 
 
441
 
In all of the above, "intermediate path segments" can either be a single
442
 
segment string, or a sequence of multiple strings representing multiple
443
 
segments.
444
 
 
445
 
.. note::
446
 
   While many applications prefer a pattern matching mechanism, this did not
447
 
   work out well for IVLE. Our deep URL structure and multitude of nested
448
 
   objects with lots of views meant that match patterns had to be repeated
449
 
   tediously, and views required many lines of code to turn a match into a
450
 
   context object. It also made URL generation very difficult.
451
 
 
452
 
   The simple object publishing framework allows views to be registered with
453
 
   just one line of code, getting their context object for free. URL
454
 
   generation now comes at a cost of approximately one line of code per class,
455
 
   and breadcrumbs are easy too. The reduced code duplication also improves
456
 
   robustness.