Понятия и основные виды операционных систем

Многие компании, разрабатывающие  сетевые ОС, выпускают два варианта одной и той же операционной системы. Один вариант предназначен для работы в качестве серверной ОС, а другой — в качестве клиентской. Эти  варианты чаще всего основаны на одном  и том же базовом коде, но отличаются набором служб и утилит, а также  параметрами конфигурации, некоторые  из которых устанавливаются по умолчанию  и не поддаются изменению.

Например, операционная система Windows NT выпускается в варианте для  рабочей станции — Windows NT Workstation -r- и в варианте для выделенного сервера — Windows NT Server. Оба эти варианта операционной системы включают клиентские и серверные части многих сетевых служб.

Так, ОС Windows NT Workstation кроме  выполнения функций сетевого клиента  может предоставлять сетевым  пользователям файловый сервис, сервис печати, сервис удаленного доступа  и другие сервисы, а следовательно, может служить основой для  одноранговой сети. С другой стороны, ОС Windows NT Server содержит все необходимые  средства, которые позволяют использовать компьютер под ее управлением  в качестве клиентской рабочей станции. Под управлением ОС Windows NT Server имеется  возможность локально запускать  прикладные программы, которые могут потребовать выполнения клиентских функций ОС при появлении запросов к ресурсам других компьютеров сети. Windows NT Server имеет такой же развитый графический интерфейс, как и Windows NT Workstation, что позволяет с равным успехом использовать эти ОС для интерактивной работы пользователя или администратора.

Однако вариант Windows NT Server имеет больше возможностей для предоставления ресурсов своего компьютера другим пользователям  сети, так как поддерживает более  широкий набор функций, большее  количество одновременных соединений с клиентами, централизованное управление сетью, более развитые средства защиты. Поэтому имеет смысл применять Windows NT Server в качестве ОС для выделенных серверов, а не клиентских компьютеров.

В больших сетях наряду с отношениями клиент-сервер сохраняется  необходимость и в одноранговых связях, поэтому такие сети чаще всего строятся по гибридной схеме (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Гибридная сеть

Требования к современным  операционным системам

Главным требованием, предъявляемым  к операционной системе, является выполнение ею основных функций эффективного управления ресурсами и обеспечение удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная ОС, как правило, должна поддерживать мультипрограммную  обработку, виртуальную память, свопинг, многооконный графический интерфейс  пользователя, а также выполнять  многие другие необходимые функции  и услуги. Кроме этих требований функциональной полноты к операционным системам предъявляются не менее важные эксплуатационные требования, которые перечислены ниже.

• Расширяемость. В то время как аппаратная часть компьютера устаревает за несколько лет, полезная жизнь операционных систем может измеряться десятилетиями. Примером может служить ОС UNIX. Поэтому операционные системы всегда изменяются со временем эволюционно, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств, например поддержке новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Если код ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс.
• Переносимость. В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которые различаются не только типом процессора, но и способом организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, такое свойство ОС называют также многоплатформенностъю.
• Совместимость. Существует несколько «долгоживущих» популярных операционных систем (разновидности UNIX, MS-DOS, Windows 3.x, Windows NT, OS/2), для которых наработана широкая номенклатура приложений. Некоторые из них пользуются широкой популярностью. Поэтому для пользователя, переходящего по тем или иным причинам с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой операционной системе привычного приложения. Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем, то про нее говорят, что она обладает совместимостью с этими ОС. Следует различать совместимость на уровне двоичных кодов и совместимость на уровне исходных текстов. Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС.
• Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС. Надежность и отказоустойчивость ОС прежде всего определяются архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также качеством ее реализации (отлаженностью кода). Кроме того, важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких, например, как дисковые массивы или источники бесперебойного питания.
• Безопасность. Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа. Чтобы ОС обладала свойством безопасности, она должна как минимум иметь в своем составе средства аутентификации — определения легальности пользователей, авторизации — предоставления легальным пользователям дифференцированных прав доступа к ресурсам, аудита — фиксации всех «подозрительных» для безопасности системы событий. Свойство безопасности особенно важно для сетевых ОС. В таких ОС к задаче контроля доступа добавляется задача защиты данных, передаваемых по сети.
• Производительность. Операционная система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС влияет много факторов, среди которых основными являются архитектура ОС, многообразие функций, качество программирования кода, возможность исполнения ОС на высокопроизводительной (многопроцессорной) платформе.

Выводы

• ОС — это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для повышения эффективности аппаратуры компьютера путем рационального управления его ресурсами, а также для обеспечения удобств пользователю путем предоставления ему расширенной виртуальной машины.
• К числу основных ресурсов, управление которыми осуществляет ОС, относятся процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Для решения задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых в конечном счете и определяют облик ОС.
• Наиболее важными подсистемами ОС являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а также подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.
• Прикладному программисту возможности ОС доступны в виде набора функций, составляющих интерфейс прикладного программирования (API).
• Термин «сетевая операционная система» используется в двух значениях: во-первых, как совокупность ОС всех компьютеров сети и, во-вторых, как ОС отдельного компьютера, способного работать в сети.
• К основным функциональным компонентам сетевой ОС относятся средства управления локальными ресурсами и сетевые средства. Последние, в свою очередь, можно разделить на три компонента: средства предоставления локальных ресурсов и услуг в общее пользование — серверная часть ОС, средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам — клиентская часть ОС (редиректор) и транспортные средства ОС, которые совместно с коммуникационной системой обеспечивают передачу сообщений между компьютерами сети.
• Совокупность серверной и клиентской частей, предоставляющих доступ к конкретному типу ресурса компьютера через сеть, называется сетевой службой. Сетевая служба предоставляет пользователям сети набор услуг — сетевой сервис. Каждая служба связана с определенным типом сетевых ресурсов и/или определенным способом доступа к этим ресурсам. Наиболее важными для пользователей сетевых ОС являются файловая служба и служба печати. Сетевые службы могут быть либо глубоко встроены в ОС, либо объединены в виде некоторой оболочки, либо поставляться в виде отдельного продукта.
• В зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, они могут выступать в трех разных ролях. Компьютер, занимающийся исключительно обслуживанием запросов других компьютеров, играет роль выделенного сервера сети. Компьютер, обращающийся с запросами к ресурсам другой машины, исполняет роль клиентского узла. Компьютер, совмещающий функции клиента и сервера, является одноранговым узлом.
• Одноранговые сети состоят только из одноранговых узлов. При этом все компьютеры в сети имеют потенциально равные возможности. Одноранговые ОС включают как серверные, так и клиентские компоненты сетевых служб. Одноранговые сети проще в организации и эксплуатации, по этой схеме организуется работа в небольших сетях, в которых количество компьютеров не превышает 10-20.
• В сетях с выделенными серверами используются специальные варианты сетевых ОС, оптимизированные для работы в роли либо серверов, либо клиентов. Для серверных ОС характерны поддержка мощных аппаратных платформ, в том числе мультипроцессорных, широкий набор сетевых служб, поддержка большого числа одновременно выполняемых процессов и сетевых соединений, наличие развитых средств защиты и средств централизованного администрирования сети. Клиентские ОС, в общем случае являясь более простыми, должны обеспечивать удобный пользовательский интерфейс и набор редиректоров, позволяющий получать доступ к разнообразным сетевым ресурсам.
• В число требований, предъявляемых сегодня к сетевым ОС, входят: функциональная полнота и эффективность управления ресурсами, модульность и расширяемость, переносимость и многоплатформенность, совместимость на уровне приложений и пользовательских интерфейсов, надежность и отказоустойчивость, безопасность и производительность.

Обзор файловых систем

ОБЗОР ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ FAT

FAT является наиболее простой  из поддерживаемых Windows NT файловых  систем. Основой файловой системы  FAT является таблица размещения  файлов, которая помещена в самом  начале тома. На случай повреждения  на диске хранятся две копии  этой таблицы. Кроме того, таблица  размещения файлов и корневой  каталог должны храниться в  определенном месте на диске  (для правильного определения  места расположения файлов загрузки).  
 
Диск, отформатированный в файловой системе FAT, делится на кластеры, размер которых зависит от размера тома. Одновременно с созданием файла в каталоге создается запись и устанавливается номер первого кластера, содержащего данные. Такая запись в таблице размещения файлов сигнализирует о том, что это последний кластер файла, или указывает на следующий кластер.  
 
Обновление таблицы размещения файлов имеет большое значение и требует много времени. Если таблица размещения файлов не обновляется регулярно, это может привести к потере данных. Длительность операции объясняется необходимостью перемещения читающих головок к логической нулевой дорожке диска при каждом обновлении таблицы FAT.  
 
Каталог FAT не имеет определенной структуры, и файлы записываются в первом обнаруженном свободном месте на диске. Кроме того, файловая система FAT поддерживает только четыре файловых атрибута: «Системный», «Скрытый», «Только чтение» и «Архивный»

Преимущества  файловой системы FAT

На компьютере под управлением Windows NT в любой из поддерживаемых файловых систем нельзя отменить удаление. Программа отмены удаления пытается напрямую обратиться к оборудованию, что невозможно при использовании Windows NT. Однако если файл находился в FAT-разделе, то, запустив компьютер в  режиме MS-DOS, удаление файла можно  отменить. Файловая система FAT лучше  всего подходит для использования  на дисках и разделах размером до 200 МБ, потому что она запускается  с минимальными накладными расходами. Более подробные сведения о преимуществах  файловой системы FAT можно найти  в следующих источниках:

• «Основные понятия и планирование Windows NT Server», глава 5, раздел «Выбор файловой системы»;
• пакет ресурсов Microsoft Windows NT Workstation 4.0 Resource Kit, глава 18, «Выбор файловой системы»;
• руководство «Resource Guide» в пакете ресурсов Microsoft Windows NT Server 4.0 Resource Kit, глава 3, раздел «Which File System to Use on Which Volumes».

ОБЗОР ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМЫ HPFS

Файловая система HPFS впервые  была использована для операционной системы OS/2 1.2, чтобы обеспечить доступ к появлявшимся в то время на рынке  дискам большого размера. Кроме того, назрела необходимость расширения существующей системы имен, улучшения  организации и безопасности для  удовлетворения растущих потребностей рынка сетевых серверов. В файловой системе HPFS поддерживается структура  каталогов FAT и добавлена сортировка файлов по именам. Имя файла может  содержать до 254 двухбайтовых символов. Файл состоит из «данных» и специальных  атрибутов, что создает дополнительные возможности для поддержки других типов имен файлов и повышению уровня безопасности. Кроме того, наименьший блок для хранения данных теперь равен размеру физического сектора (512 байт), что позволяет снизить потери дискового пространства.  
 
Записи в каталоге файловой системы HPFS содержат больше сведений, чем в FAT. Наряду с атрибутами файла здесь хранятся сведения о создании и внесении изменений, а также дата и время доступа. Записи в каталоге файловой системы HPFS указывают не на первый кластер файла, а на FNODE. FNODE может содержать данные файла, указатели на данные файла или другие структуры, указывающие на данные файла. 
 
HPFS старается по возможности располагать данные файла в смежных секторах. Это приводит к повышению скорости последовательной обработки файла.  
 
HPFS делит диск на блоки по 8 МБ каждый и всегда пытается записать файл в пределах одного блока. Для каждого блока 2 КБ зарезервировано под таблицу распределения, в которой содержится информация о записанных и свободных секторах в пределах блока. Разбиение на блоки приводит к повышению производительности, так как головка диска для определения места для сохранения файла должна возвращаться не к логическому началу диска (как правило, это нулевой цилиндр), а к таблице распределения ближайшего блока. 

Глава 2. Характеристика современных операционных систем

Операционные  системы семейства Windows 95, 98, ME

Windows 95

В августе1995 года вышла в  свет  Windows 95, но её выход не привел к вытеснению MS DOS, хотя почти все функции MS DOS были перенесены в Windows. Как Windows 95, так и новая версия MS DOS 7.0 содержали большинство особенностей монолитной операционной системы, включая виртуальную память и управление процессами.

Однако ОС Windows 95 не была полностью 32- разрядной программой. Она содержала большие куски 16- разрядной ассемблерного кода (а также немного 32-резрядного) и продолжала использовать файловую систему MS DOS, практически со всеми её ограничениями. Единственное значительное изменение файловой системы заключалось в добавлении длинных имен файлов к именам из8+3 символа, разрешенным в MS DOS.

Windows 98

Даже в выпуске Window 98 в июне 1998 года MS DOS все еще присутствовала ( теперь она называется версией 7.1) и состояла из 16-разрядного кода. Хотя теперь еще больше функций было переведено из MS DOS части системы в часть Window, а поддержка больших дисковых разделов стала стандартом, по своему строению ОС Window 98 не сильно отличалась от Window 95. Основные отличия заключались в интерфейсе пользователя, в большей степени интегрировавшем в себе Интернет и рабочий стол пользователя. Именно эта интеграция и привлекла внимание министерство юстиции США, которое затем выдвинуло против корпорации Microsoft иск, обвиняя корпорацию  Microsoft в нарушении закона о монополиях. Корпорация Microsoft яростно отрицала свою вину. В апреле 2000 года Федеральный суд США согласился с правительством. Кроме того, что в ядре ОС Window 98 содержался большой кусок 16- разрядного ассемблерного кода, у этой системы были еще серьезные проблемы, во-первых, хотя эта система была многозадачной, само ядро не был рентабельным. Если процессор был занят управлением какой-либо структурой данных в ядре, а затем его квант времени заканчивался и начинал работу другой процесс, новый процесс мог получит структуру данных в противоречивом состоянии. Чтобы предотвратить возникновение подобной проблемы, большинство процессов, зайдя в ядро, первым делом получали гигантский мьютекс, покрывающий всю систему, прежде чем приступить к каким-либо действиям. Хотя такой подход и устранял потенциальную угрозу противоречивости структур данных, он также уничтожал большую часть преимуществ многозадачности, так как процессам, чтобы войти в ядро, часто приходилось ждать пока другой процесс ядро покинет.

Во-вторых, у каждого процесса было 4-гигабайтной адресное пространство, в котором первые 2Гбайт полностью принадлежали процессу. Однако следующий 1Гбайт совместно использовался ( с возможностью записи) всеми процессами системы. Нижний 1Мбайт так совместно использовался всеми процессами, чтобы все они могли получать доступ к векторам прерывания MS DOS. Эта возможность вовсю использовалась большинством приложений Window 98. В результате ошибка в одной программе могла повредить ключевые структуры данных, используемые посторонними процессами, вследствие чего все эти процессы решались. Что еще хуже, последствий 1Гбайт совместно использовался ( с возможностью записи) процессами и ядрами и содержал некоторые критические структуры данных. Любая программа, записав поверх этих структур кокой- либо мусор, (  преднамеренно или нет), могла вывести из строя всю систему. Очевидное решение, заключающееся в том, чтобы не помещать структуры данных ядра в пространстве пользователя, было неприменимо, так как старые программы, написанные для MS DOS, не смогли бы тогда работать в Window 98.