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  • Committer: William Grant
  • Date: 2012-06-28 01:52:02 UTC
  • Revision ID: me@williamgrant.id.au-20120628015202-f6ru7o367gt6nvgz
Hah

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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.