CLOS Operating System Family
Igor Borisovich BURDONOV,
Alexander Sergeevitch KOSSATCHEV,
Alexander Konstantinovich PETRENKO,
Alexey Vladimirovich KHOROSHILOV,
Vitaliy Yurievich CHEPTSOV https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2025-37(6)-47
Abstract
CLOS is a technology and family of embedded operating systems supporting multi-core architectures, with enhanced safety (DO-178C) and secure software development lifecycle (SSDL) requirements. KLOS provides spatial (memory) and temporal (response time guarantees) isolation of functional and system software. RTOS overhead is minimized through static memory configuration and non-periodic timers with quantization. This article briefly describes the history of work on operating systems based on the microkernel approach, which began under the leadership of Academician V.P. Ivannikov in the 1970s and the development they have undergone to date. The main architectural solutions used in KLOS versions developed at the Institute of System Programming of the Russian Academy of Sciences for aerospace systems over the past ten years are described in more detail.
Keywords
microkernel operating systems,
application isolation,
deterministic application execution,
embedded systems,
real-time systems.
Supporting agencies: The authors express their deep gratitude to the numerous participants in CLOS projects, from the 70s of the XX century to the present day.
About the Authors
Igor Borisovich BURDONOV
Institute for System Programming of the Russian Academy of Sciences
Russian Federation
Russian Federation
Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher at ISP RAS. Research interests: formal specifications, test generation, compilation technology, real-time systems, operating systems, object-oriented programming, network protocols, software development processes.
Alexander Sergeevitch KOSSATCHEV
Institute for System Programming of the Russian Academy of Sciences
Russian Federation
Russian Federation
Cand. Sci. (Phys.-Math.), a Leading Researcher at ISP RAS. Research interests: formal specifications, test generation, compilation technology, real-time systems, operating systems, object-oriented programming, network protocols, software development processes.
Alexander Konstantinovich PETRENKO
Institute for System Programming of the Russian Academy of Sciences,
Lomonosov Moscow State University,
National Research University, Higher School of Economics
Russian Federation
Russian Federation
Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Software Engineering Department at the Ivannikov Institute for System Programming, Russian Academy of Sciences, Professor of MSU and the Faculty of Computer Science, NRU HSE. Research interests: formal methods of software engineering, operating systems, specification and modeling languages, verification.
Alexey Vladimirovich KHOROSHILOV
Institute for System Programming of the Russian Academy of Sciences,
Lomonosov Moscow State University,
National Research University, Higher School of Economics,
Moscow Institute of Physics and Technology
Russian Federation
Russian Federation
Cand. Sci. (Phys.-Math.), Leading Researcher, Director of the Linux OS Verification Center at ISP RAS, Associate Professor of System Programming Departments at MSU, NRU HSE, and MIPT. Main research interests: design and development methods for critical systems, formal methods of software engineering, verification and validation methods, model-based testing, requirements analysis methods, Linux operating system.
Vitaliy Yurievich CHEPTSOV
Institute for System Programming of the Russian Academy of Sciences,
Lomonosov Moscow State University
Russian Federation
Russian Federation
OS architect at ISP RAS. Main research interests: safety-critical embedded systems, hard real-time systems for airborne equipment, security of general-purpose Unix-like operating systems, UEFI boot software.
References
1. В. П. Иванников. «Использование кластеров в операционной системе» // ДАН СССР, 1977, т. 237, № 2, стр. 2800–2833.
2. В. П. Иванников. Проблемы операционных систем многомашинных вычислительных комплексов и реализация операционных системы АС-6-БЭСМ-6 [Текст]: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. д. ф.-м. н.: 01.01.10, 1979.
3. И. Б. Бурдонов, В. П. Иванников, А. С. Косачев, Г. В. Копытов, С. Д. Кузнецов. Проект КЛОС: к объектно-ориентированной среде разработки прикладных систем. Управляющие машины и системы, 1992, № 1/2, стр. 61-65.
4. И. Б. Бурдонов, Г. В. Копытов, А. С. Косачев, С. Д. Кузнецов, Ю. П. Смирнов, В. Н. Юдин, КЛОС: операционная система и технология программирования. Сб. «Вопросы кибернетики. Программное обеспечение высокопроизводительной системы». Под ред. В. П. Иванникова. М., НСК АН СССР, 1986 г., стр.34-57.
5. И. Б. Бурдонов, В.П. Иванников В.П., А.С. Косачев. Проект КЛАСТОС.- Труды SORUCOM-2011, Вторая международная конференция «Развитие вычислительной техники и ее ПО в России и странах бывшего СССР». Великий Новгород, 12-16 сентября 2011 г., стр. 76-82.
6. Г. В. Копытов. «Принципы построения и реализация базового уровня кластерной операционной системы КЛОС» (диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 05.13.11). 1992 г. Доступно по ссылке: https://search.rsl.ru/ru/record/01002669502 (доступ 06.11.2025).
7. Н. В. Пакулин, А. В. Хорошилов. Свободная реализация ARINC-653-совместимой операционной системы реального времени. Сборник докладов Двенадцатой конференции разработчиков свободных программ, сс. 6-7, Калуга, 16-18 октября 2015 г., Альт Линукс, Москва, 2015, ISBN 978-5-905167-19-5.
8. POK, a real-time kernel for secure embedded systems. Available at: https://pok-kernel.github.io/, accessed 10.12.2025.
9. К. М. Маллачиев, Н. В. Пакулин, А. В. Хорошилов. “Устройство и архитектура операционной системы реального времени”. Труды Института Системного Программирования РАН, Том 28-2, 2016, с. 181-192. DOI: 10.15514/ISPRAS-2016-28(2)-12.
10. K. A. Mallachiev, N. V. Pakulin, A. V. Khoroshilov, D. V. Buzdalov, “Using modularization in embedded OS”, Труды ИСП РАН, 29:4 (2017), 283–294. 3.
11. Н. В. Пакулин. Микроядерная сертифицируемая операционная система реального времени // Конференция OSDAY-2017, Available at: https://osday.ru/2017/presentations/pakulin/pakulin.pdf, accessed 10.12.2025.
12. B. Hansen. The nucleus of a multiprogramming system. Communications of the ACM, 13(4), 1970, 238–241. DOI: 10.1145/362258.362278.
13. Michael J. Accetta, R. Baron, W. Bolosky, D. Golub, R. Rashid, A. Tevanian, Michael Young. Mach: A new kernel foundation for UNIX development. USENIX Summer Conference, 1986.
14. David Black, David B. Golub, Daniel P. Julin, Richard F. Rashid, Richard P. Draves, Randall W. Dean, Alessandro Forin, Joseph Barrera, Hideyuki Tokuda, Gerald R. Malan, David Bohman. Microkernel operating system architecture and Mach. Journal of information processing, 14(4), 442-453, 1991.
15. Е. С. Басков. Использование capability-based security в ядрах операционных систем // Конференция OSDAY-2025, https://osday.ru/downloads/Baskov.pdf.
16. Amit Singh. Mac OS X Internals: A Systems Approach. Addison-Wesley Professional, 2006. ISBN 0132702266, 9780132702263. 1680 p.
17. Haibo Chen, Huawei Central Software Institute and Shanghai Jiao Tong University; Xie Miao, Ning Jia, Nan Wang, Yu Li, Nian Liu, Yutao Liu, Fei Wang, Qiang Huang, Kun Li, Hongyang Yang, Hui Wang, Jie Yin, Yu Peng, and Fengwei Xu, Huawei Central Software Institute. Microkernel Goes General: Performance and Compatibility in the HongMeng Production Microkernel. 18th USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI 24). 465-485, 2024.
18. H. Härtig, M. Hohmuth, J. Liedtke, S. Schönberg, J. Wolter. The Performance of µ-Kernel-Based Systems. 16th ACM Symposium on Operating Systems Principles (SOSP ’97). 1997.
19. G. Heiser. The seL4 Microkernel – An Introduction. Revision 1.5. The seL4 Foundation. 2025. Available at: https://sel4.systems/About/seL4-whitepaper.pdf, accessed 10.12.2025.
20. G. Heiser and K. Elphinstone. L4 Microkernels: The Lessons from 20 Years of Research and Deployment. ACM Trans. Comput. Syst. 34, 1, Article 1. 2016, 29 pages. DOI: 10.1145/2893177.
21. Avionics application software standard interface part 0 overview of ARINC 653, ARINC specification 653P0-3, 2021.
22. DO-248C. Supporting Information for DO-178C and DO-278A. RTCA: SC-205, 2011, 166 p.
23. CAST-32A. Multi-core Processors. [Текст]. – The Federal Aviation Administration: Certification Authorities Software Team, 2016, 23 p.
24. V. Cheptsov and A. Khoroshilov, "Robust Resource Partitioning Approach for ARINC 653 RTOS," 2023 Ivannikov Ispras Open Conference (ISPRAS), Moscow, Russian Federation, 2023, pp. 33-39, DOI: 10.1109/ISPRAS60948.2023.10508165.
25. С. А. Зеленова Статическое распределение памяти для операционных систем реального времени. Труды ИСП РАН. 2024. №3. Доступно по ссылке: https://cyberleninka.ru/article/n/staticheskoe-raspredelenie-pamyati-dlya-operatsionnyh-sistem-realnogo-vremeni, дата обращения: 01.11.2025.
26. В. Ю. Чепцов. Метод надёжной временной изоляции для ARINC 653 ОСРВ // Конференция OSDAY-2024. Доступно по ссылке: // https://0x1.tv/20240620I, дата обращения: 01.11.2025.
27. В. Ю. Чепцов. А. В. Хорошилов. Проектирование бортовой ОСРВ с жёстким реальным временем для космического применения // Конференция OSDAY-2023. Доступно по ссылке: https://osday.ru/2023/presentations/cheptsov.pdf, дата обращения: 01.11.2025.
28. А. И. Аветисян et al. TestOS: окружение для тестирования ПО. Сборник технологий ИСП РАН. 2024 г. Доступно по ссылке: https://www.ispras.ru/technologies/testos/, дата обращения 10.12.2025.
29. CISA, NSA. Memory Safe Languages: Reducing Vulnerabilities in Modern Software Development. Доступно по ссылке: https://media.defense.gov/2025/Jun/23/2003742198/-1/-1/0/CSI_MEMORY_SAFE_LANGUAGES_REDUCING_VULNERABILITIES_IN_MODERN_SOFTWARE_DEVELOPMENT.PDF, дата обращения: 01.11.2025.
30. А. И. Аветисян, А. Е. Бородин. Механизмы расширения системы статического анализа Svace детекторами новых видов уязвимостей и критических ошибок. Труды Института системного программирования РАН, 2011;21:39-54. / Avetisyan A., Borodin A. Mechanisms for extending the system of static analysis Svace by new types of detectors of vulnerabilities and critical errors. Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS (Proceedings of ISP RAS). 2011;21:39-54 (in Russ.).
31. V. Cheptsov, A. Khoroshilov, "Dynamic Analysis of ARINC 653 RTOS with LLVM," 2018 Ivannikov Ispras Open Conference (ISPRAS), Moscow, Russia, 2018, pp. 9-15, DOI: 10.1109/ISPRAS.2018.00009.
32. Е. Ельчинов. Адаптация алгоритма ThreadSanitizer для обнаружения гонок по данным в ядре ОСРВ. Международная конференция «Иванниковские чтения». 2025 г. Доступно по ссылке: https://ivannikov-ws.org, дата обращения 10.12.2025.
33. Е. А. Герлиц. Инструмент для поиска гонок по данным RaceHunter. Труды Института системного программирования РАН. 2023;35(6):135-156. DOI: 10.15514/ISPRAS-2023-35(6)-8. / Gerlits E.A. RaceHunter Dynamic Data Race Detector. Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS (Proceedings of ISP RAS). 2023;35(6):135-156 (in Russ.). DOI: 10.15514/ISPRAS-2023-35(6)-8.
34. S. L. Lesovoy. Extracting architectural information from source code of ARINC 653-compatible application software using CEGAR-based approach. Trudy ISP RAN/Proc. ISP RAS, 2018, vol. 30, issue 3, pp. 31–46. DOI: 10.15514/ISPRAS-2018-30(3)-3.
Review
For citations:
BURDONOV I.B., KOSSATCHEV A.S., PETRENKO A.K., KHOROSHILOV A.V., CHEPTSOV V.Yu. CLOS Operating System Family. Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS (Proceedings of ISP RAS). 2025;37(6):11-26. (In Russ.) https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2025-37(6)-47
Email this article 