1. Введение 3
1.1 ОС как расширенная машина 3
1.2 ОС как система управления ресурсами 3
2. Классификация ОС 4
2.1 Особенности алгоритмов управления ресурсами 4
2.1.1.
Поддержка многозадачности.
4
2.1.2.
Поддержка многопользовательского режима.
4
2.1.3.
Вытесняющая и невытесняющая многозадачность.
4
2.1.4.
Поддержка многонитевости.
4
2.1.5.
Многопроцессорная обработка.
5
2.2 Особенности аппаратных платформ 5
2.3 Особенности областей использования 6
2.4 Особенности методов построения 6
3. Сетевые операционные системы 8
3.1 Структура сетевой операционной системы 8
3.2 Одноранговые сетевые ОС и ОС с выделенными серверами 10
3.3 ОС для рабочих групп и ОС для сетей масштаба предприятия 11
4. Процессы и нити в распределенных системах 14
4.1 Понятие "нить" 14
4.2 Различные способы организации вычислительного процесса с использованием нитей 14
4.3 Вопросы реализации нитей 16
4.4 Нити и RPC 16
5. Современные концепции и технологии проектирования операционных систем 17
5.1 Требования, предъявляемые к ОС 90-х годов 17
5.1.1.
Расширяемость
17
5.1.2.
Переносимость
18
5.1.3.
Совместимость
19
5.1.4.
Безопасность
19
6. Операционные системы различных фирм производителей программного обеспечения 21
6.1 Семейство операционных систем UNIX 21
6.2 Микроядро Mach 23
6.2.1.
История Mach
24
6.2.2.
Цели Mach
24
6.2.3.
Основные концепции Mach
24
6.2.4.
Сервер Mach BSD UNIX
25
6.3 Сетевые продукты фирмы Novell 26
6.3.1.
История и версии сетевой ОС NetWare
26
6.3.2.
Версия NetWare 4.1
27
6.4 Семейство сетевых ОС компании Microsoft 29
6.4.1.
Сетевые продукты Microsoft
29
6.4.2.
Windows NT 4.0
30
6.4.3.
Области использования Windows NT
30
6.4.4.
Концепции Windows NT
31
6.4.5.
Совместимость Windows NT с NetWare
41
6.5 Операционная система OS/2 42
6.5.1.
История развития OS/2 и ее место на рынке
42
6.5.2.
Битва Microsoft - IBM на рынке настольных ОС
42
6.5.3.
OS/2 - постепенные улучшения
43
7. Заключение 44
Список литературы 46
приложение 47
1. Введение
Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом. Несмотря на это, пользователи, активно использующие вычислительную технику, зачастую испытывают затруднения при попытке дать определение операционной системе. Частично это связано с тем, что ОС выполняет две по существу мало связанные функции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами.
1.1 ОС как расширенная машина
Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода-вывода. Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые, очевидно, надо анализировать. Даже если не входить в курс реальных проблем программирования ввода-вывода, ясно, что среди программистов нашлось бы не много желающих непосредственно заниматься программированием этих операций. При работе с диском программисту-пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Работа с файлом заключается в его открытии, выполнении чтения или записи, а затем в закрытии файла. Вопросы подобные таким, как следует ли при записи использовать усовершенствованную частотную модуляцию или в каком состоянии сейчас находится двигатель механизма перемещения считывающих головок, не должны волновать пользователя. Программа, которая скрывает от программиста все реалии аппаратуры и предоставляет возможность простого, удобного просмотра указанных файлов, чтения или записи - это, конечно, операционная система. Точно также, как ОС ограждает программистов от аппаратуры дискового накопителя и предоставляет ему простой файловый интерфейс, операционная система берет на себя все малоприятные дела, связанные с обработкой прерываний, управлением таймерами и оперативной памятью, а также другие низкоуровневые проблемы. В каждом случае та абстрактная, воображаемая машина, с которой, благодаря операционной системе, теперь может иметь дело пользователь, гораздо проще и удобнее в обращении, чем реальная аппаратура, лежащая в основе этой абстрактной машины.
С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или
виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с
аппаратурой, составляющей реальную машину.
1.2 ОС как система управления ресурсами
Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный интерфейс пользователям, соответствует рассмотрению сверху вниз. Другой взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме, управляющем всеми частями сложной системы. Современные вычислительные системы состоят из процессоров, памяти, таймеров, дисков, накопителей на магнитных лентах, сетевых коммуникационной аппаратуры, принтеров и других устройств. В соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы.
ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить
максимальную эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть, например,
пропускная способность или реактивность системы. Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:
планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, а для делимых ресурсов и в каком количестве,
необходимо выделить данный ресурс;
отслеживание состояния ресурса - то есть поддержание оперативной информации о том, занят или не
занят ресурс, а для делимых ресурсов - какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.
Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, что в
конечном счете и определяет их облик в целом, включая характеристики производительности, область
применения и даже пользовательский интерфейс. Так, например, алгоритм управления процессором в
значительной степени определяет, является ли ОС системой разделения времени, системой пакетной
обработки или системой реального времени.
2. Классификация ОС
Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.
Ниже приведена классификация ОС по нескольким наиболее основным признакам.
2.1 Особенности алгоритмов управления ресурсами
От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом. Поэтому, характеризуя сетевую ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором, операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.
2.1.1.
Поддержка многозадачности.
По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:
однозадачные (например, MS-DOS, MSX) и
многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95).
Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.
Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.
2.1.2.
Поддержка многопользовательского режима.
По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:
однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);
многопользовательские (UNIX, Windows NT).
Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.
2.1.3.
Вытесняющая и невытесняющая многозадачность.
Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:
невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);
вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).
Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.
2.1.4.
Поддержка многонитевости.
Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными ветвями (нитями).
2.1.5.
Многопроцессорная обработка.
Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование
. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.
В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.
Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.
Выше были рассмотрены характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов - процессором. Важное влияние на облик операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или иной области оказывают особенности и других подсистем управления локальными ресурсами - подсистем управления памятью, файлами, устройствами ввода-вывода.
Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.
2.2 Особенности аппаратных платформ
На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике операционных систем.
Очевидно, что ОС большой машины является более сложной и функциональной, чем ОС персонального компьютера. Так в ОС больших машин функции по планированию потока выполняемых задач, очевидно, реализуются путем использования сложных приоритетных дисциплин и требуют большей вычислительной мощности, чем в ОС персональных компьютеров. Аналогично обстоит дело и с другими функциями.
Сетевая ОС имеет в своем составе средства передачи сообщений между компьютерами по линиям связи, которые совершенно не нужны в автономной ОС. На основе этих сообщений сетевая ОС поддерживает разделение ресурсов компьютера между удаленными пользователями, подключенными к сети. Для поддержания функций передачи сообщений сетевые ОС содержат специальные программные компоненты, реализующие популярные коммуникационные протоколы, такие как IP, IPX, Ethernet и другие.
Многопроцессорные системы требуют от операционной системы особой организации, с помощью которой сама операционная система, а также поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными процессорами системы. Параллельная работа отдельных частей ОС создает дополнительные проблемы для разработчиков ОС, так как в этом случае гораздо сложнее обеспечить согласованный доступ отдельных процессов к общим системным таблицам, исключить эффект гонок и прочие нежелательные последствия асинхронного выполнения работ.
Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров. Кластер - слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений, и представляющихся пользователю единой системой. Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны операционной системы, которая сводится в основном к синхронизации доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической реконфигурации системы. Одной из первых разработок в области кластерных технологий были решения компании Digital Equipment на базе компьютеров VAX. Недавно этой компанией заключено соглашение с корпорацией Microsoft о разработке кластерной технологии, использующей Windows NT. Несколько компаний предлагают кластеры на основе UNIX-машин.
Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные
ОС. Наиболее ярким примером такой ОС является популярная система UNIX. В этих системах аппаратно-зависимые места тщательно локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающем перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-независимом языке, например, на С, который и был разработан для программирования операционных систем.
2.3 Особенности областей использования
Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:
системы пакетной обработки (например, OC EC),
системы разделения времени (UNIX, VMS),
системы реального времени (QNX, RT/11).
Системы пакетной обработки
предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.
Системы разделения времени
призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе, и, кроме того, имеются накладные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.
Системы реального времени
применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.
Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.
2.4 Особенности методов построения
При описании операционной системы часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу.
К таким базовым концепциям относятся:
Способы построения ядра системы - монолитное ядро или микроядерный подход. Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующие переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС - серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.
Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все его достоинства, хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений, внутри операционной системы, а именно: аккумуляцию удачных решений в форме стандартных объектов, возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследования, хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутренние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанкционированного использования извне, структуризованность системы, состоящей из набора хорошо определенных объектов.
Наличие нескольких прикладных сред дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС. Многие современные операционные системы поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора. Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы.
Распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределенной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Характерными признаками распределенной организации ОС являются: наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов, единой службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур (RPC) для прозрачного распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.
3. Сетевые операционные системы
3.1 Структура сетевой операционной системы
Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. Каждый компьютер в сети в значительной степени автономен, поэтому под сетевой операционной системой в широком смысле понимается совокупность операционных систем отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам - протоколам. В узком смысле сетевая ОС - это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.
Рис. 1.1. Структура сетевой ОС
В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить несколько частей (рисунок 1.1):
Средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между процессами, планирования и диспетчеризации процессов, управления процессорами в мультипроцессорных машинах, управления периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных ОС.
Средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование - серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; ведение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных; управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам.
Средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использования - клиентская часть ОС (редиректор). Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо.
Коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., то есть является средством транспортировки сообщений.
В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его операционной системе может отсутствовать либо клиентская, либо серверная части.
На рисунке 1.2 показано взаимодействие сетевых компонентов. Здесь компьютер 1 выполняет роль "чистого" клиента, а компьютер 2 - роль "чистого" сервера, соответственно на первой машине отсутствует серверная часть, а на второй - клиентская. На рисунке отдельно показан компонент клиентской части - редиректор. Именно редиректор перехватывает все запросы, поступающие от приложений, и анализирует их. Если выдан запрос к ресурсу данного компьютера, то он переадресовывается соответствующей подсистеме локальной ОС, если же это запрос к удаленному ресурсу, то он переправляется в сеть. При этом клиентская часть преобразует запрос из локальной формы в сетевой формат и передает его транспортной подсистеме, которая отвечает за доставку сообщений указанному серверу. Серверная часть операционной системы компьютера 2 принимает запрос, преобразует его и передает для выполнения своей локальной ОС. После того, как результат получен, сервер обращается к транспортной подсистеме и направляет ответ клиенту, выдавшему запрос. Клиентская часть преобразует результат в соответствующий формат и адресует его тому приложению, которое выдало запрос.
Рис. 1.2. взаимодействие компонентов операционной системы при взаимодействии компьютеров
На практике сложилось несколько подходов к построению сетевых операционных систем (рисунок 1.3).
Рис. 1.3. Варианты построения сетевых ОС
Первые сетевые ОС представляли собой совокупность существующей локальной ОС и надстроенной над ней сетевой оболочки
. При этом в локальную ОС встраивался минимум сетевых функций, необходимых для работы сетевой оболочки, которая выполняла основные сетевые функции. Примером такого подхода является использование на каждой машине сети операционной системы MS DOS (у которой начиная с ее третьей версии появились такие встроенные функции, как блокировка файлов и записей, необходимые для совместного доступа к файлам). Принцип построения сетевых ОС в виде сетевой оболочки над локальной ОС используется и в современных ОС, таких, например, как LANtastic или Personal Ware.
Однако более эффективным представляется путь разработки операционных систем, изначально предназначенных для работы в сети. Сетевые функции у ОС такого типа глубоко встроены
в основные модули системы, что обеспечивает их логическую стройность, простоту эксплуатации и модификации, а также высокую производительность. Примером такой ОС является система Windows NT фирмы Microsoft, которая за счет встроенности сетевых средств обеспечивает более высокие показатели производительности и защищенности информации по сравнению с сетевой ОС LAN Manager той же фирмы (совместная разработка с IBM), являющейся надстройкой над локальной операционной системой OS/2.
3.2 Одноранговые сетевые ОС и ОС с выделенными серверами
В зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, сетевые операционные системы, а следовательно, и сети делятся на два класса: одноранговые и двухранговые (рисунок 1.4). Последние чаще называют сетями с выделенными серверами.
(а)
(б)
Рис. 1.4. (а) - Одноранговая сеть, (б) - Двухранговая сеть
Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим пользователям сети, то он играет роль сервера. При этом компьютер, обращающийся к ресурсам другой машины, является клиентом. Как уже было сказано, компьютер, работающий в сети, может выполнять функции либо клиента, либо сервера, либо совмещать обе эти функции.
Если выполнение каких-либо серверных функций является основным назначением компьютера (например, предоставление файлов в общее пользование всем остальным пользователям сети или организация совместного использования факса, или предоставление всем пользователям сети возможности запуска на данном компьютере своих приложений), то такой компьютер называется выделенным сервером. В зависимости от того, какой ресурс сервера является разделяемым, он называется файл-сервером, факс-сервером, принт-сервером, сервером приложений и т.д.
Очевидно, что на выделенных серверах желательно устанавливать ОС, специально оптимизированные для выполнения тех или иных серверных функций. Поэтому в сетях с выделенными серверами чаще всего используются сетевые операционные системы, в состав которых входит нескольких вариантов ОС, отличающихся возможностями серверных частей. Например, сетевая ОС Novell NetWare имеет серверный вариант, оптимизированный для работы в качестве файл-сервера, а также варианты оболочек для рабочих станций с различными локальными ОС, причем эти оболочки выполняют исключительно функции клиента. Другим примером ОС, ориентированной на построение сети с выделенным сервером, является операционная система Windows NT. В отличие от NetWare, оба варианта данной сетевой ОС - Windows NT Server (для выделенного сервера) и Windows NT Workstation (для рабочей станции) - могут поддерживать функции и клиента и сервера. Но серверный вариант Windows NT имеет больше возможностей для предоставления ресурсов своего компьютера другим пользователям сети, так как может выполнять более широкий набор функций, поддерживает большее количество одновременных соединений с клиентами, реализует централизованное управление сетью, имеет более развитые средства защиты.
Выделенный сервер не принято использовать в качестве компьютера для выполнения текущих задач, не связанных с его основным назначением, так как это может уменьшить производительность его работы как сервера. В связи с такими соображениями в ОС Novell NetWare на серверной части возможность выполнения обычных прикладных программ вообще не предусмотрена, то есть сервер не содержит клиентской части, а на рабочих станциях отсутствуют серверные компоненты. Однако в других сетевых ОС функционирование на выделенном сервере клиентской части вполне возможно. Например, под управлением Windows NT Server могут запускаться обычные программы локального пользователя, которые могут потребовать выполнения клиентских функций ОС при появлении запросов к ресурсам других компьютеров сети. При этом рабочие станции, на которых установлена ОС Windows NT Workstation, могут выполнять функции невыделенного сервера.
Важно понять, что несмотря на то, что в сети с выделенным сервером все компьютеры в общем случае могут выполнять одновременно роли и сервера, и клиента, эта сеть функционально не симметрична: аппаратно и программно в ней реализованы два типа компьютеров - одни, в большей степени ориентированные на выполнение серверных функций и работающие под управлением специализированных серверных ОС, а другие - в основном выполняющие клиентские функции и работающие под управлением соответствующего этому назначению варианта ОС. Функциональная несимметричность, как правило, вызывает и несимметричность аппаратуры - для выделенных серверов используются более мощные компьютеры с большими объемами оперативной и внешней памяти. Таким образом, функциональная несимметричность в сетях с выделенным сервером сопровождается несимметричностью операционных систем (специализация ОС) и аппаратной несимметричностью (специализация компьютеров).
В одноранговых сетях все компьютеры равны в правах доступа к ресурсам друг друга. Каждый пользователь может по своему желанию объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут его эксплуатировать. В таких сетях на всех компьютерах устанавливается одна и та же ОС, которая предоставляет всем компьютерам в сети потенциально
равные возможности. Одноранговые сети могут быть построены, например, на базе ОС LANtastic, Personal Ware, Windows for Workgroup, Windows NT Workstation.
В одноранговых сетях также может возникнуть функциональная несимметричность: одни пользователи не желают разделять свои ресурсы с другими, и в таком случае их компьютеры выполняют роль клиента, за другими компьютерами администратор закрепил только функции по организации совместного использования ресурсов, а значит они являются серверами, в третьем случае, когда локальный пользователь не возражает против использования его ресурсов и сам не исключает возможности обращения к другим компьютерам, ОС, устанавливаемая на его компьютере, должна включать и серверную, и клиентскую части. В отличие от сетей с выделенными серверами, в одноранговых сетях отсутствует специализация ОС в зависимости от преобладающей функциональной направленности - клиента или сервера. Все вариации реализуются средствами конфигурирования одного и того же варианта ОС.
Одноранговые сети проще в организации и эксплуатации, однако они применяются в основном для объединения небольших групп пользователей, не предъявляющих больших требований к объемам хранимой информации, ее защищенности от несанкционированного доступа и к скорости доступа. При повышенных требованиях к этим характеристикам более подходящими являются двухранговые сети, где сервер лучше решает задачу обслуживания пользователей своими ресурсами, так как его аппаратура и сетевая операционная система специально спроектированы для этой цели.
3.3 ОС для рабочих групп и ОС для сетей масштаба предприятия
Сетевые операционные системы имеют разные свойства в зависимости от того, предназначены они для сетей масштаба рабочей группы (отдела), для сетей масштаба кампуса или для сетей масштаба предприятия.
Сети отделов -
используются небольшой группой сотрудников, решающих общие задачи. Главной целью сети отдела является разделение локальных ресурсов, таких как приложения, данные, лазерные принтеры и модемы. Сети отделов обычно не разделяются на подсети.
Сети кампусов -
соединяют несколько сетей отделов внутри отдельного здания или внутри одной территории предприятия. Эти сети являются все еще локальными сетями, хотя и могут покрывать территорию в несколько квадратных километров. Сервисы такой сети включают взаимодействие между сетями отделов, доступ к базам данных предприятия, доступ к факс-серверам, высокоскоростным модемам и высокоскоростным принтерам.
Сети предприятия (корпоративные сети) -
объединяют все компьютеры всех территорий отдельного предприятия. Они могут покрывать город, регион или даже континент. В таких сетях пользователям предоставляется доступ к информации и приложениям, находящимся в других рабочих группах, других отделах, подразделениях и штаб-квартирах корпорации.
Главной задачей операционной системы, используемой в сети масштаба отдела, является организация разделения ресурсов, таких как приложения, данные, лазерные принтеры и, возможно, низкоскоростные модемы. Обычно сети отделов имеют один или два файловых сервера и не более чем 30 пользователей. Задачи управления на уровне отдела относительно просты. В задачи администратора входит добавление новых пользователей, устранение простых отказов, инсталляция новых узлов и установка новых версий программного обеспечения. Операционные системы сетей отделов хорошо отработаны и разнообразны, также, как и сами сети отделов, уже давно применяющиеся и достаточно отлаженные. Такая сеть обычно использует одну или максимум две сетевые ОС. Чаще всего это сеть с выделенным сервером NetWare 3.x или Windows NT, или же одноранговая сеть, например сеть Windows for Workgroups.
Пользователи и администраторы сетей отделов вскоре осознают, что они могут улучшить эффективность своей работы путем получения доступа к информации других отделов своего предприятия. Если сотрудник, занимающийся продажами, может получить доступ к характеристикам конкретного продукта и включить их в презентацию, то эта информация будет более свежей и будет оказывать большее влияние на покупателей. Если отдел маркетинга может получить доступ к характеристикам продукта, который еще только разрабатывается инженерным отделом, то он может быстро подготовить маркетинговые материалы сразу же после окончания разработки.
Итак, следующим шагом в эволюции сетей является объединение локальных сетей нескольких отделов в единую сеть здания или группы зданий. Такие сети называют сетями кампусов. Сети кампусов могут простираться на несколько километров, но при этом глобальные соединения не требуются.
Операционная система, работающая в сети кампуса, должна обеспечивать для сотрудников одних отделов доступ к некоторым файлам и ресурсам сетей других отделов. Услуги, предоставляемые ОС сетей кампусов, не ограничиваются простым разделением файлов и принтеров, а часто предоставляют доступ и к серверам других типов, например, к факс-серверам и к серверам высокоскоростных модемов. Важным сервисом, предоставляемым операционными системами данного класса, является доступ к корпоративным базам данных, независимо от того, располагаются ли они на серверах баз данных или на миникомпьютерах.
Именно на уровне сети кампуса начинаются проблемы интеграции. В общем случае, отделы уже выбрали для себя типы компьютеров, сетевого оборудования и сетевых операционных систем. Например, инженерный отдел может использовать операционную систему UNIX и сетевое оборудование Ethernet, отдел продаж может использовать операционные среды DOS/Novell и оборудование Token Ring. Очень часто сеть кампуса соединяет разнородные компьютерные системы, в то время как сети отделов используют однотипные компьютеры.
Корпоративная сеть соединяет сети всех подразделений предприятия, в общем случае находящихся на значительных расстояниях. Корпоративные сети используют глобальные связи (WAN links) для соединения локальных сетей или отдельных компьютеров.
Пользователям корпоративных сетей требуются все те приложения и услуги, которые имеются в сетях отделов и кампусов, плюс некоторые дополнительные приложения и услуги, например, доступ к приложениям мейнфреймов и миникомпьютеров и к глобальным связям. Когда ОС разрабатывается для локальной сети или рабочей группы, то ее главной обязанностью является разделение файлов и других сетевых ресурсов (обычно принтеров) между локально подключенными пользователями. Такой подход не применим для уровня предприятия. Наряду с базовыми сервисами, связанными с разделением файлов и принтеров, сетевая ОС, которая разрабатывается для корпораций, должна поддерживать более широкий набор сервисов, в который обычно входят почтовая служба, средства коллективной работы, поддержка удаленных пользователей, факс-сервис, обработка голосовых сообщений, организация видеоконференций и др.
Кроме того, многие существующие методы и подходы к решению традиционных задач сетей меньших масштабов для корпоративной сети оказались непригодными. На первый план вышли такие задачи и проблемы, которые в сетях рабочих групп, отделов и даже кампусов либо имели второстепенное значение, либо вообще не проявлялись. Например, простейшая для небольшой сети задача ведения учетной информации о пользователях выросла в сложную проблему для сети масштаба предприятия. А использование глобальных связей требует от корпоративных ОС поддержки протоколов, хорошо работающих на низкоскоростных линиях, и отказа от некоторых традиционно используемых протоколов (например, тех, которые активно используют широковещательные сообщения). Особое значение приобрели задачи преодоления гетерогенности - в сети появились многочисленные шлюзы, обеспечивающие согласованную работу различных ОС и сетевых системных приложений.
К признакам корпоративных ОС могут быть отнесены также следующие особенности.
Поддержка приложений.
В корпоративных сетях выполняются сложные приложения, требующие для выполнения большой вычислительной мощности. Такие приложения разделяются на несколько частей, например, на одном компьютере выполняется часть приложения, связанная с выполнением запросов к базе данных, на другом - запросов к файловому сервису, а на клиентских машинах - часть, реализующая логику обработки данных приложения и организующая интерфейс с пользователем. Вычислительная часть общих для корпорации программных систем может быть слишком объемной и неподъемной для рабочих станций клиентов, поэтому приложения будут выполняться более эффективно, если их наиболее сложные в вычислительном отношении части перенести на специально предназначенный для этого мощный компьютер - сервер приложений.
Сервер приложений должен базироваться на мощной аппаратной платформе (мультипроцессорные системы, часто на базе RISC-процессоров, специализированные кластерные архитектуры). ОС сервера приложений должна обеспечивать высокую производительность вычислений, а значит поддерживать многонитевую обработку, вытесняющую многозадачность, мультипроцессирование, виртуальную память и наиболее популярные прикладные среды (UNIX, Windows, MS-DOS, OS/2). В этом отношении сетевую ОС NetWare трудно отнести к корпоративным продуктам, так как в ней отсутствуют почти все требования, предъявляемые к серверу приложений. В то же время хорошая поддержка универсальных приложений в Windows NT собственно и позволяет ей претендовать на место в мире корпоративных продуктов.
Справочная служба.
Корпоративная ОС должна обладать способностью хранить информацию обо всех пользователях и ресурсах таким образом, чтобы обеспечивалось управление ею из одной центральной точки. Подобно большой организации, корпоративная сеть нуждается в централизованном хранении как можно более полной справочной информации о самой себе (начиная с данных о пользователях, серверах, рабочих станциях и кончая данными о кабельной системе). Естественно организовать эту информацию в виде базы данных. Данные из этой базы могут быть востребованы многими сетевыми системными приложениями, в первую очередь системами управления и администрирования. Кроме этого, такая база полезна при организации электронной почты, систем коллективной работы, службы безопасности, службы инвентаризации программного и аппаратного обеспечения сети, да и для практически любого крупного бизнес-приложения.
База данных, хранящая справочную информацию, предоставляет все то же многообразие возможностей и порождает все то же множество проблем, что и любая другая крупная база данных. Она позволяет осуществлять различные операции поиска, сортировки, модификации и т.п., что очень сильно облегчает жизнь как администраторам, так и пользователям. Но за эти удобства приходится расплачиваться решением проблем распределенности, репликации и синхронизации.
В идеале сетевая справочная информация должна быть реализована в виде единой базы данных, а не представлять собой набор баз данных, специализирующихся на хранении информации того или иного вида, как это часто бывает в реальных операционных системах. Например, в Windows NT имеется по крайней мере пять различных типов справочных баз данных. Главный справочник домена (NT Domain Directory Service) хранит информацию о пользователях, которая используется при организации их логического входа в сеть. Данные о тех же пользователях могут содержаться и в другом справочнике, используемом электронной почтой Microsoft Mail. Еще три базы данных поддерживают разрешение низкоуровневых адресов: WINS - устанавливает соответствие Netbios-имен IP-адресам, справочник DNS - сервер имен домена - оказывается полезным при подключении NT-сети к Internet, и наконец, справочник протокола DHCP используется для автоматического назначения IP-адресов компьютерам сети. Ближе к идеалу находятся справочные службы, поставляемые фирмой Banyan (продукт Streettalk III) и фирмой Novell (NetWare Directory Services), предлагающие единый справочник для всех сетевых приложений. Наличие единой справочной службы для сетевой операционной системы - один из важнейших признаков ее корпоративности.
Безопасность.
Особую важность для ОС корпоративной сети приобретают вопросы безопасности данных. С одной стороны, в крупномасштабной сети объективно существует больше возможностей для несанкционированного доступа - из-за децентрализации данных и большой распределенности "законных" точек доступа, из-за большого числа пользователей, благонадежность которых трудно установить, а также из-за большого числа возможных точек несанкционированного подключения к сети. С другой стороны, корпоративные бизнес-приложения работают с данными, которые имеют жизненно важное значение для успешной работы корпорации в целом. И для защиты таких данных в корпоративных сетях наряду с различными аппаратными средствами используется весь спектр средств защиты, предоставляемый операционной системой: избирательные или мандатные права доступа, сложные процедуры аутентификации пользователей, программная шифрация.
4. Процессы и нити в распределенных системах
4.1 Понятие "нить"
В традиционных ОС понятие нити тождественно понятию процесса. В действительности желательно иметь несколько нитей управления, разделяющих единое адресное пространство, но выполняющихся квазипараллельно.
Предположим, например, что файл-сервер блокируется, ожидания выполнения операции с диском. Если сервер имеет несколько нитей управления, вторая нить может выполняться, пока первая нить находится в состоянии ожидания. Это повышает пропускную способность и производительность. Эта цель не достигается путем создания двух независимых серверных процессов, потому что они должны разделять общий буфер кэша, который требуется им, чтобы быть в одном адресном пространстве.
На рисунке 3.9,а показана машина с тремя процессами. Каждый процесс имеет собственный программный счетчик, собственный стек, собственный набор регистров и собственное адресное пространство. Каждый процесс не должен ничего делать с остальными, за исключением того, что они могут взаимодействовать посредством системных примитивов связи, таких как семафоры, мониторы, сообщения. На рисунке 3.9,б показана другая машина с одним процессом. Этот процесс состоит из нескольких нитей управления, обычно называемых просто нитями или иногда облегченными процессами. Во многих отношениях нити подобны мини-процессам. Каждая нить выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счетчик и стек. Нити разделяют процессор так, как это делают процессы (разделение времени). Только на многопроцессорной системе они действительно выполняются параллельно. Нити могут, например, порождать нити-потомки, могут переходить в состояние ожидания до завершения системного вызова, как обычные процессы, пока одна нить заблокирована, другая нить того же процесса может выполняться.
Рис. 3.9. а) Три процесса с одной нитью каждый б) Один процесс с тремя нитями
Нити делают возможным сохранение идеи последовательных процессов, которые выполняют блокирующие системные вызовы (например, RPC для обращения к диску), и в то же время позволяют достичь параллелизма вычислений. Блокирующие системные вызовы делают проще программирование, а параллелизм повышает производительность.
4.2 Различные способы организации вычислительного процесса с использованием нитей
Один из возможных способов организации вычислительного процесса показан на рисунке 3.10,а. Здесь нить-диспетчер читает приходящие запросы на работу из почтового ящика системы. После проверки запроса диспетчер выбирает простаивающую (то есть блокированную) рабочую нить, передает ей запрос и активизирует ее, устанавливая, например, семафор, который она ожидает.
Когда рабочая нить активизируется, она проверяет, может ли быть выполнен запрос с данными разделяемого блока кэша, к которому имеют отношение все нити. Если нет, она посылает сообщение к диску, чтобы получить нужный блок (предположим, это READ), и переходит в состояние блокировки, ожидая завершения дисковой операции. В этот момент происходит обращение к планировщику, в результате работы которого активизируется другая нить, возможно, нить-диспетчер или некоторая рабочая нить, готовая к выполнению.
Структура с диспетчером не единственный путь организации многонитевой обработки. В модели "команда" все нити эквивалентны, каждая получает и обрабатывает свои собственные запросы. Иногда работы приходят, а нужная нить занята, особенно, если каждая нить специализируется на выполнении особого вида работ. В этом случае может создаваться очередь незавершенных работ. При такой организации нити должны вначале просматривать очередь работ, а затем почтовый ящик.
Нити могут быть также организованы в виде конвейера. В этом случае первая нить порождает некоторые данные и передает их для обработки следующей нити и т.д. Хотя эта организация и не подходит для файл-сервера, для других задач, например, задач типа "производитель-потребитель", это хорошее решение.
Нити часто полезны и для клиентов. Например, если клиент хочет растиражировать файл на много серверов, он может создать по одной нити для копирования на каждом сервере. Другое использование нитей клиентами - это управление сигналами, такими как прерывание с клавиатуры (del или break). Вместо обработки сигнала прерывания одна нить назначается для постоянного ожидания поступления сигналов. Таким образом, использование нитей может сократить необходимое количество прерываний пользовательского уровня.
Рис. 3.10. Три способа организации нитей в процессе: а - модель диспетчер/рабочие нити; б - модель "команда"; в - модель конвейера
Другой аргумент в пользу нитей не имеет отношения ни к удаленным вызовам, ни к коммуникациям. Некоторые прикладные задачи легче программировать, используя параллелизм, например задачи типа "производитель-потребитель". Не столь важно параллельное выполнение, сколь важна ясность программы. А поскольку они разделяют общий буфер, не стоит их делать отдельными процессами.
Наконец, в многопроцессорных системах нити из одного адресного пространства могут выполняться параллельно на разных процессорах. С другой стороны, правильно сконструированные программы, которые используют нити, должны работать одинаково хорошо на однопроцессорной машине в режиме разделения времени между нитями и на настоящем мультипроцессоре.
4.3 Вопросы реализации нитей
Существует два подхода к управлению нитями: статический и динамический. При статическом подходе вопрос, сколько будет нитей, решается уже на стадии написания программы или на стадии компиляции. Каждой нити назначается фиксированный стек. Этот подход простой, но негибкий. Более общим является динамический подход, который позволяет создавать и удалять нити оперативно по ходу выполнения. Системный вызов для создания нити обычно содержится в нити главной программы в виде указателя на процедуру с указанием размера стека, а также других параметров, например, диспетчерского приоритета. Вызов обычно возвращает идентификатор нити, который можно использовать в последующих вызовах, связанных с этой нитью. В этой модели процесс начинается с одной нити, но может создавать их еще, когда необходимо.
Завершаться нити могут одним из двух способов: по своей инициативе, когда завершается работа, и извне. Во многих случаях, например, при конвейерной модели, нити создаются сразу же после старта процесса и никогда не уничтожаются.
Поскольку нити разделяют общую память, они могут (и, как правило, делают это) использовать ее для сохранения данных, которые совместно используются множеством нитей, таких, например, как буфер в системе "производитель-потребитель". Доступ к разделяемым данным обычно программируется с использованием критических секций, предотвращающих попытки сразу нескольких нитей обратиться к одним и тем же данным в одно и то же время. Критическая секция наиболее легко реализуется с использованием семафоров, мониторов и аналогичных конструкций.
Нити могут быть реализованы как в пользовательском пространстве, так и в пространстве ядра. В первом случае нити работают на базе прикладной системы, управляющей всеми операциями с нитями. Первым преимуществом такого способа является то, что можно реализовать нити в операционной системе, которая их не поддерживает. ОС прикладная среда, управляющая нитями, кажется одним процессом. Все вызовы (ПРИОСТАНОВИТЬ, ПРОВЕРИТЬ СЕМАФОР и т. д.) обрабатываются как вызовы функций этой прикладной среды. Она сохраняет регистры и переключает указатели счетчика команд и стека. В этом случае переключение происходит быстрее, чем с помощью ядра. Такая реализация имеет еще одно преимущество - для каждого процесса можно организовать свою схему планирования. Однако этот подход связан с некоторыми проблемами, одна из которых состоит в следующем. При выполнении блокирующих системных вызовов приостанавливается весь набор нитей, принадлежащих этому процессу. Чтобы избежать этого, можно сделать все системные вызовы неблокирующими, но это требует изменений в ОС, что нежелательно, так как одной из целей реализации нитей в пользовательском пространстве является их работа в существующих операционных системах.
Такой проблемы не существует при реализации нитей в пространстве ядра. Преимущество заключается также и в том, что ядро может при диспетчеризации выбирать нить из другого процесса. Однако хотя механизм управления нитями аналогичен первому случаю, временные затраты на переключение нитей выше, так как тратится время на переключение из режима пользователя в режим ядра.
4.4 Нити и RPC
Обычно в распределенных системах используются как RPC, так и нити. Так как нити были введены как дешевая альтернатива стандартным процессам, то естественно, что исследователи обратили особое внимание в этом контексте на RPC: нельзя ли их также сделать облегченными. Было замечено, что в распределенных системах значительное количество RPC обрабатывается на той же машине, на которой они были вызваны (локально), например, вызовы к менеджеру окон. Поэтому была предложена новая схема, которая делает возможным для нити одного процесса вызвать нить другого процесса на этой же машине более эффективно, чем обычным способом.
Идея заключается в следующем. Когда стартует серверная нить S, то она экспортирует свой интерфейс, сообщая о нем ядру. Интерфейс определяет, какие процедуры могут быть вызваны, каковы их параметры и т.п. Когда стартует клиентская нить C, то она импортирует интерфейс из ядра в том случае, если собирается вызвать S, и ей дается специальный идентификатор для выполнения определенного вызова. Ядро теперь знает, что C собирается позже вызвать S и создает специальные структуры данных для подготовки к вызову.
Одна из этих структур данных является стеком аргументов, который разделяется нитями C и S и отображается в оба адресных пространства для чтения и записи. Для вызова сервера нить C помещает аргументы в разделяемый стек, используя обычную процедуру передачи параметров, а затем прерывает ядро, помещая данный ей идентификатор в регистр. По этому идентификатору ядро видит, что вызов является локальным. (Если бы он был удаленным, то ядро обработало бы его обычным способом для удаленных вызовов.) Затем ядро выполняет переключение из адресного пространства клиента в адресное пространство нити-сервера и запускает в рамках клиентской нити требуемую процедуру сервера. При таком способе вызова аргументы уже загружены в нужное место, так что копирование или перегруппировка аргументов не требуется. Главный результат - локальный вызов RPC - будет выполнен этим способом гораздо быстрее.
Другой прием широко используется для ускорения удаленных RPC. Идея основана на следующем наблюдении: когда нить-сервер блокируется, ожидая нового запроса, ее контекст почти всегда не содержит важной информации. Следовательно, когда нить завершает обработку запроса, то ее просто удаляют. При поступлении на сервер нового сообщения ядро создает новую нить для обслуживания этого запроса. Кроме того ядро помещает сообщение в адресное пространство сервера и устанавливает новый стек нити для доступа к сообщению. Эту схему иногда называют неявным вызовом.
Этот метод имеет несколько преимуществ по сравнению с обычным RPC. Во-первых, нити не должны блокироваться, ожидая новую работу, следовательно контекст не нужно сохранять, во-вторых, создание новой нити проще, чем активизация существующей приостановленной, так как не нужно восстанавливать контекст.
5. Современные концепции и технологии проектирования операционных систем
5.1 Требования, предъявляемые к ОС 90-х годов
Операционная система является сердцевиной сетевого программного обеспечения, она создает среду для выполнения приложений и во многом определяет, какими полезными для пользователя свойствами эти приложения будут обладать. В связи с этим рассмотрим требования, которым должна удовлетворять современная ОС.
Очевидно, что главным требованием, предъявляемым к операционной системе, является способность выполнения основных функций: эффективного управления ресурсами и обеспечения удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная ОС, как правило, должна реализовывать мультипрограммную обработку, виртуальную память, свопинг, поддерживать многооконный интерфейс, а также выполнять многие другие, совершенно необходимые функции. Кроме этих функциональных требований к операционным системам предъявляются не менее важные рыночные требования. К этим требованиям относятся:
Расширяемость
. Код должен быть написан таким образом, чтобы можно было легко внести дополнения и изменения, если это потребуется, и не нарушить целостность системы.
Переносимость
.
Код должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которая включает наряду с типом процессора и способ организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа.
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 быть в состоянии наносить вред ОС.
Совместимость
.
ОС должна иметь средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем. Кроме того, пользовательский интерфейс должен быть совместим с существующими системами и стандартами.
Безопасность
.
ОС должна обладать средствами защиты ресурсов одних пользователей от других.
Производительность
.
Система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа.
Рассмотрим более подробно некоторые из этих требований.
5.1.1.
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 эволюционно изменяются со временем, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно представляют собой приобретение ею новых свойств. Например, поддержка новых устройств, таких как CD-ROM, возможность связи с сетями нового типа, поддержка многообещающих технологий, таких как графический интерфейс пользователя или объектно-ориентированное программное окружение, использование более чем одного процессора. Сохранение целостности кода, какие бы изменения не вносились в операционную систему, является главной целью разработки.
Расширяемость может достигаться за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс. Новые компоненты могут быть добавлены в операционную систему модульным путем, они выполняют свою работу, используя интерфейсы, поддерживаемые существующими компонентами.
Использование объектов для представления системных ресурсов также улучшает расширяемость системы. Объекты - это абстрактные типы данных, над которыми можно производить только те действия, которые предусмотрены специальным набором объектных функций. Объекты позволяют единообразно управлять системными ресурсами. Добавление новых объектов не разрушает существующие объекты и не требует изменений существующего кода.
Прекрасные возможности для расширения предоставляет подход к структурированию ОС по типу клиент-сервер с использованием микроядерной технологии. В соответствии с этим подходом ОС строится как совокупность привилегированной управляющей программы и набора непривилегированных услуг-серверов. Основная часть ОС может оставаться неизменной в то время, как могут быть добавлены новые серверы или улучшены старые.
Средства вызова удаленных процедур (RPC) также дают возможность расширить функциональные возможности ОС. Новые программные процедуры могут быть добавлены в любую машину сети и немедленно поступить в распоряжение прикладных программ на других машинах сети.
Некоторые ОС для улучшения расширяемости поддерживают загружаемые драйверы, которые могут быть добавлены в систему во время ее работы. Новые файловые системы, устройства и сети могут поддерживаться путем написания драйвера устройства, драйвера файловой системы или транспортного драйвера и загрузки его в систему.
5.1.2.
Переносимость
Требование переносимости кода тесно связано с расширяемостью. Расширяемость позволяет улучшать операционную систему, в то время как переносимость дает возможность перемещать всю систему на машину, базирующуюся на другом процессоре или аппаратной платформе, делая при этом по возможности небольшие изменения в коде. Хотя ОС часто описываются либо как переносимые, либо как непереносимые, переносимость - это не бинарное состояние. Вопрос не в том, может ли быть система перенесена, а в том, насколько легко можно это сделать. Написание переносимой ОС аналогично написанию любого переносимого кода - нужно следовать некоторым правилам.
Во-первых, большая часть кода должна быть написана на языке, который имеется на всех машинах, куда вы хотите переносить систему. Обычно это означает, что код должен быть написан на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном, например, на языке С. Программа, написанная на ассемблере, не является переносимой, если только вы не собираетесь переносить ее на машину, обладающую командной совместимостью с вашей.
Во-вторых, следует учесть, в какое физическое окружение программа должна быть перенесена. Различная аппаратура требует различных решений при создании ОС. Например, ОС, построенная на 32-битовых адресах, не может быть перенесена на машину с 16-битовыми адресами (разве что с огромными трудностями).
В-третьих, важно минимизировать или, если возможно, исключить те части кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппаратными средствами. Зависимость от аппаратуры может иметь много форм. Некоторые очевидные формы зависимости включают прямое манипулирование регистрами и другими аппаратными средствами.
В-четвертых, если аппаратно зависимый код не может быть полностью исключен, то он должен быть изолирован в нескольких хорошо локализуемых модулях. Аппаратно-зависимый код не должен быть распределен по всей системе. Например, можно спрятать аппаратно-зависимую структуру в программно-задаваемые данные абстрактного типа. Другие модули системы будут работать с этими данными, а не с аппаратурой, используя набор некоторых функций. Когда ОС переносится, то изменяются только эти данные и функции, которые ими манипулируют.
Для легкого переноса ОС при ее разработке должны быть соблюдены следующие требования:
Переносимый язык высокого уровня
. Большинство переносимых ОС написано на языке С (стандарт ANSI X3.159-1989). Разработчики выбирают С потому, что он стандартизован, и потому, что С-компиляторы широко доступны. Ассемблер используется только для тех частей системы, которые должны непосредственно взаимодействовать с аппаратурой (например, обработчик прерываний) или для частей, которые требуют максимальной скорости (например, целочисленная арифметика повышенной точности). Однако непереносимый код должен быть тщательно изолирован внутри тех компонентов, где он используется.
Изоляция процессора
. Некоторые низкоуровневые части ОС должны иметь доступ к процессорно-зависимым структурам данных и регистрам. Однако код, который делает это, должен содержаться в небольших модулях, которые могут быть заменены аналогичными модулями для других процессоров.
Изоляция платформы
. Зависимость от платформы заключается в различиях между рабочими станциями разных производителей, построенными на одном и том же процессоре (например, MIPS R4000). Должен быть введен программный уровень, абстрагирующий аппаратуру (кэши, контроллеры прерываний ввода-вывода и т. п.) вместе со слоем низкоуровневых программ таким образом, чтобы высокоуровневый код не нуждался в изменении при переносе с одной платформы на другую.
5.1.3.
Совместимость
Одним из аспектов совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операционной системы, а также для другой аппаратной платформы.
Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд процессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библиотечных вызовов, если они являются динамически связываемыми.
Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего компилятора в составе программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль.
Совместимость на уровне исходных текстов важна в основном для разработчиков приложений, в распоряжении которых эти исходные тексты всегда имеются. Но для конечных пользователей практическое значение имеет только двоичная совместимость, так как только в этом случае они могут использовать один и тот же коммерческий продукт, поставляемый в виде двоичного исполняемого кода, в различных операционных средах и на различных машинах.
Обладает ли новая ОС двоичной совместимостью или совместимостью исходных текстов с существующими системами, зависит от многих факторов. Самый главный из них - архитектура процессора, на котором работает новая ОС. Если процессор, на который переносится ОС, использует тот же набор команд (возможно с некоторыми добавлениями) и тот же диапазон адресов, тогда двоичная совместимость может быть достигнута достаточно просто.
Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных архитектурах. Для того, чтобы один компьютер выполнял программы другого (например, DOS-программу на Mac), этот компьютер должен работать с машинными командами, которые ему изначально непонятны. Например, процессор типа 680x0 на Mac должен исполнять двоичный код, предназначенный для процессора 80x86 в PC. Процессор 80x86 имеет свои собственные дешифратор команд, регистры и внутреннюю архитектуру. Процессор 680x0 не понимает двоичный код 80x86, поэтому он должен выбрать каждую команду, декодировать ее, чтобы определить, для чего она предназначена, а затем выполнить эквивалентную подпрограмму, написанную для 680x0. Так как к тому же у 680x0 нет в точности таких же регистров, флагов и внутреннего арифметико-логического устройства, как в 80x86, он должен имитировать все эти элементы с использованием своих регистров или памяти. И он должен тщательно воспроизводить результаты каждой команды, что требует специально написанных подпрограмм для 680x0, гарантирующих, что состояние эмулируемых регистров и флагов после выполнения каждой команды будет в точности таким же, как и на реальном 80x86.
Это простая, но очень медленная работа, так как микрокод внутри процессора 80x86 исполняется на значительно более быстродействующем уровне, чем эмулирующие его внешние команды 680x0. За время выполнения одной команды 80x86 на 680x0, реальный 80x86 может выполнить десятки команд. Следовательно, если процессор, производящий эмуляцию, не настолько быстр, чтобы компенсировать все потери при эмуляции, то программы, исполняющиеся под эмуляцией, будут очень медленными.
Выходом в таких случаях является использование так называемых прикладных сред. Учитывая, что основную часть программы, как правило, составляют вызовы библиотечных функций, прикладная среда имитирует библиотечные функции целиком, используя заранее написанную библиотеку функций аналогичного назначения, а остальные команды эмулирует каждую по отдельности.
Соответствие стандартам POSIX также является средством обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов. Во второй половине 80-х правительственные агентства США начали разрабатывать POSIX как стандарты на поставляемое оборудование при заключении правительственных контрактов в компьютерной области. POSIX - это "интерфейс переносимой ОС, базирующейся на UNIX". POSIX - собрание международных стандартов интерфейсов ОС в стиле UNIX. Использование стандарта POSIX (IEEE стандарт 1003.1 - 1988) позволяет создавать программы стиле UNIX, которые могут легко переноситься из одной системы в другую.
5.1.4.
Безопасность
В дополнение к стандарту POSIX правительство США также определило требования компьютерной безопасности для приложений, используемых правительством. Многие из этих требований являются желаемыми свойствами для любой многопользовательской системы. Правила безопасности определяют такие свойства, как защита ресурсов одного пользователя от других и установление квот по ресурсам для предотвращения захвата одним пользователем всех системных ресурсов ( таких как память).
Обеспечение защиты информации от несанкционированного доступа является обязательной функцией сетевых операционных систем. В большинстве популярных систем гарантируется степень безопасности данных, соответствующая уровню С2 в системе стандартов США.
Основы стандартов в области безопасности были заложены "Критериями оценки надежных компьютерных систем
". Этот документ, изданный в США в 1983 году национальным центром компьютерной безопасности (NCSC - National Computer Security Center), часто называют Оранжевой Книгой.
В соответствии с требованиями Оранжевой книги безопасной считается такая система, которая "посредством специальных механизмов защиты контролирует доступ к информации таким образом, что только имеющие соответствующие полномочия лица или процессы, выполняющиеся от их имени, могут получить доступ на чтение, запись, создание или удаление информации".
Иерархия уровней безопасности, приведенная в Оранжевой Книге, помечает низший уровень безопасности как D, а высший - как А.
В класс D попадают системы, оценка которых выявила их несоответствие требованиям всех других классов.
Основными свойствами, характерными для С-систем, являются: наличие подсистемы учета событий, связанных с безопасностью, и избирательный контроль доступа. Уровень С делится на 2 подуровня: уровень С1, обеспечивающий защиту данных от ошибок пользователей, но не от действий злоумышленников, и более строгий уровень С2. На уровне С2 должны присутствовать средства секретного входа,
обеспечивающие идентификацию пользователей путем ввода уникального имени и пароля перед тем, как им будет разрешен доступ к системе. Избирательный контроль доступа
, требуемый на этом уровне позволяет владельцу ресурса определить, кто имеет доступ к ресурсу и что он может с ним делать. Владелец делает это путем предоставляемых прав доступа пользователю или группе пользователей. Средства учета и наблюдения
(auditing
) - обеспечивают возможность обнаружить и зафиксировать важные события, связанные с безопасностью, или любые попытки создать, получить доступ или удалить системные ресурсы. Защита памяти
- заключается в том, что память инициализируется перед тем, как повторно используется. На этом уровне система не защищена от ошибок пользователя, но поведение его может быть проконтролировано по записям в журнале, оставленным средствами наблюдения и аудитинга.
Системы уровня В основаны на помеченных данных и распределении пользователей по категориям, то есть реализуют мандатный контроль доступа
. Каждому пользователю присваивается рейтинг защиты, и он может получать доступ к данным только в соответствии с этим рейтингом. Этот уровень в отличие от уровня С защищает систему от ошибочного поведения пользователя.
Уровень А является самым высоким уровнем безопасности, он требует в дополнение ко всем требованиям уровня В выполнения формального, математически обоснованного доказательства соответствия системы требованиям безопасности.
Различные коммерческие структуры (например, банки) особо выделяют необходимость учетной службы, аналогичной той, что предлагают государственные рекомендации С2. Любая деятельность, связанная с безопасностью, может быть отслежена и тем самым учтена. Это как раз то, что требует С2 и то, что обычно нужно банкам. Однако, коммерческие пользователи, как правило, не хотят расплачиваться производительностью за повышенный уровень безопасности. А-уровень безопасности занимает своими управляющими механизмами до 90% процессорного времени. Более безопасные системы не только снижают эффективность, но и существенно ограничивают число доступных прикладных пакетов, которые соответствующим образом могут выполняться в подобной системе. Например для ОС Solaris (версия UNIX) есть несколько тысяч приложений, а для ее аналога В-уровня - только сотня.
6. Операционные системы различных фирм производителей программного обеспечения
6.1 Семейство операционных систем UNIX
История и общая характеристика семейства операционных систем UNIX
UNIX имеет долгую и интересную историю. Начавшись как несерьезный и почти "игрушечный" проект молодых исследователей, UNIX стал многомиллионной индустрией, включив в свою орбиту университеты, многонациональные корпорации, правительства и международные организации стандартизации.
UNIX зародился в лаборатории Bell Labs фирмы AT&T более 20 лет назад. В то время Bell Labs занималась разработкой многопользовательской системы разделения времени MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) совместно с MIT и General Electric, но эта система потерпела неудачу, отчасти из-за слишком амбициозных целей, не соответствовавших уровню компьютеров того времени, а отчасти и из-за того, что она разрабатывалась на языке PL/1, а компилятор PL/1 задерживался и вообще плохо работал после своего запоздалого появления. Поэтому Bell Labs вообще отказалась от участия в проекте MULTICS, что дало возможность одному из ее исследователей, Кену Томпсону, заняться поисковой работой в направлении улучшения операционной среды Bell Labs. Томпсон, а также сотрудник Bell Labs Денис Ритчи и некоторые другие разрабатывали новую файловую систему, многие черты которой вели свое происхождение от MULTICS. Для проверки новой файловой системы Томпсон написал ядро ОС и некоторые программы для компьютера GE-645, который работал под управлением мультипрограммной системы разделения времени GECOS. У Кена Томпсона была написанная им еще во времена работы над MULTICS игра "Space Travel" - "Космическое путешествие". Он запускал ее на компьютере GE-645, но она работала на нем не очень хорошо из-за невысокой эффективности разделения времени. Кроме этого, машинное время GE-645 стоило слишком дорого. В результате Томпсон и Ритчи решили перенести игру на стоящую в углу без дела машину PDP-7 фирмы DEC, имеющую 4096 18-битных слов, телетайп и хороший графический дисплей. Но у PDP-7 было неважное программное обеспечение, и, закончив перенос игры, Томпсон решил реализовать на PDP-7 ту файловую систему, над который он работал на GE-645. Из этой работы и возникла первая версия UNIX, хотя она и не имела в то время никакого названия. Но она уже включала характерную для UNIX файловую систему, основанную на индексных дескрипторах inode, имела подсистему управления процессами и памятью, а также позволяла двум пользователям работать в режиме разделения времени. Система была написана на ассемблере. Имя UNIX (Uniplex Information and Computing Services) было дано ей еще одним сотрудником Bell Labs, Брайаном Керниганом, который первоначально назвал ее UNICS, подчеркивая ее отличие от многопользовательской MULTICS. Вскоре UNICS начали называть UNIX.
Первыми пользователями UNIX'а стали сотрудники отдела патентов Bell Labs, которые нашли ее удобной средой для создания текстов.
Большое влияние на судьбу UNIX оказала перепись ее на языке высокого уровня С, разработанного Денисом Ритчи специально для этих целей. Это произошло в 1973 году, UNIX насчитывал к этому времени уже 25 инсталляций, и в Bell Labs была создана специальная группа поддержки UNIX.
Широкое распространение UNIX получил с 1974 года, после описания этой системы Томпсоном и Ритчи в компьютерном журнале CACM. UNIX получил широкое распространение в университетах, так как для них он поставлялся бесплатно вместе с исходными кодами на С. Широкое распространение эффективных C-компиляторов сделало UNIX уникальной для того времени ОС из-за возможности переноса на различные компьютеры. Университеты внесли значительный вклад в улучшение UNIX и дальнейшую его популяризацию. Еще одним шагом на пути получения признания UNIX как стандартизованной среды стала разработка Денисом Ритчи библиотеки ввода-вывода stdio. Благодаря использованию этой библиотеки для компилятора С, программы для UNIX стали легко переносимыми.
Рис. 5.1. История развития UNIX
Широкое распространение UNIX породило проблему несовместимости его многочисленных версий. Очевидно, что для пользователя весьма неприятен тот факт, что пакет, купленный для одной версии UNIX, отказывается работать на другой версии UNIX. Периодически делались и делаются попытки стандартизации UNIX, но они пока имели ограниченный успех. Процесс сближения различных версий UNIX и их расхождения носит циклический характер. Перед лицом новой угрозы со стороны какой-либо другой операционной системы различные производители UNIX-версий сближают свои продукты, но затем конкурентная борьба вынуждает их делать оригинальные улучшения и версии снова расходятся. В этом процессе есть и положительная сторона - появление новых идей и средств, улучшающих как UNIX, так и многие другие операционные системы, перенявшие у него за долгие годы его существования много полезного.
На рисунке 5.1 показана упрощенная картина развития UNIX, которая учитывает преемственность различных версий и влияние на них принимаемых стандартов. Наибольшее распространение получили две весьма несовместимые линии версий UNIX: линия AT&T - UNIX System V, и линия университета Berkeley-BSD. Многие фирмы на основе этих версий разработали и поддерживают свои версии UNIX: SunOS и Solaris фирмы Sun Microsystems, UX фирмы Hewlett-Packard, XENIX фирмы Microsoft, AIX фирмы IBM, UnixWare фирмы Novell (проданный теперь компании SCO), и список этот можно еще долго продолжать.
Наибольшее влияние на унификацию версий UNIX оказали такие стандарты как SVID фирмы AT&T, POSIX, созданный под эгидой IEEE, и XPG4 консорциума X/Open. В этих стандартах сформулированы требования к интерфейсу между приложениями и ОС, что дает возможность приложениям успешно работать под управлением различных версий UNIX.
Независимо от версии, общими для UNIX чертами являются:
многопользовательский режим со средствами защиты данных от несанкционированного доступа,
реализация мультипрограммной обработки в режиме разделения времени, основанная на использовании алгоритмов вытесняющей многозадачности (preemptive multitasking),
использование механизмов виртуальной памяти и свопинга для повышения уровня мультипрограммирования,
унификация операций ввода-вывода на основе расширенного использования понятия "файл",
иерархическая файловая система, образующая единое дерево каталогов независимо от количества физических устройств, используемых для размещения файлов,
переносимость системы за счет написания ее основной части на языке C,
разнообразные средства взаимодействия процессов, в том числе и через сеть,
кэширование диска для уменьшения среднего времени доступа к файлам.
Далее мы подробно остановимся на основных концепциях версии UNIX System V Release 4, которая вобрала в себя лучшие черты линий UNIX System V и UNIX BSD.
Версия UNIX System V Release 4 - это незаконченная коммерческая версия операционной системы, т.к. в ее кодах отсутствуют многие системные утилиты, необходимые для успешной эксплуатации ОС, например утилиты администрирования или менеджер графического интерфейса. Версия SVR4 является скорее стандартной реализацией кода ядра, вобравшая в себя наиболее популярные и эффективные решения из различных версий ядра UNIX, такие как виртуальная файловая система VFS, отображаемые в память файлы и т.п. Код SVR4 (частично доработанный) лег в основу многих современных коммерческих версий UNIX, таких как HP-UX, Solaris, AIX и т.д.
6.2 Микроядро Mach
Ядро любой современной коммерческой версии UNIX представляет собой набор очень большого количества функций, с запутанными взаимосвязями и очень расплывчатыми границами между основными подсистемами. В результате любая модификация организованной таким образом системы дается тяжело и приводит к появлению в новых версиях большого количества ошибок. Кроме того, не во всех инсталляциях нужны все компоненты ядра, а при монолитном его построении удаление ненужных функций затруднено. Недостатки, присущие операционным системам с большим монолитным ядром (а это в первую очередь различные версии UNIX'а), породили интерес к системам, построенным на основе микроядра.
Микроядерный подход заключается в том, что базовые функции ядра оформляются в виде отдельной небольшой компоненты, выполняемой в привилегированном режиме, а остальные функции ОС выполняются в пользовательском режиме с использованием примитивов микроядра. Ввиду больших потенциальных преимуществ, которые сулит этот подход, можно предположить, что в ближайшее время большинство новых операционных систем будет строиться на основе микроядра. Наиболее известными реализациями этого подхода являются микроядра Mach и Chorus.
Основной сложностью использования микроядерного подхода на практике является замедление скорости выполнения системных вызовов при передаче сообщений через микроядро по сравнению с классическим подходом.
Можно подробно рассмотреть принципы организации и функции микроядра Mach по двум причинам. Во-первых, микроядро по определению содержит базовые механизмы, имеющиеся внутри любой операционной системы, поэтому знакомство с этими механизмами в чистом виде полезно и для изучения любой конкретной ОС.
Во-вторых, микроядра лицензируются и используются как готовый программный продукт в качестве основы для построения коммерческой сетевой операционной системы. Сейчас имеется несколько коммерческих реализаций операционных систем на основе микроядра Mach (NextStep фирмы Next, UNIX BSD, OSF/1 v.1.3), а также проводится ряд работ по использованию этого ядра. Так как свойства микроядра в значительной степени определяют свойства ОС, построенной на его основе, то знание микроядра помогает в оценке характеристик использующей его ОС.
6.2.1.
История Mach
Система Mach имела в качестве предшественницы систему RIG - Rochester Intelligent Gateway, начало разработки которой пришлось на 1975 год. RIG была написана для 16-битового мини-компьютера компании DataGeneral под названием Elipce. Целью этой разработки была демонстрация возможностей структурирования операционной системы и представления ее в виде набора процессов, которые могут взаимодействовать между собой путем передачи сообщений, в том числе и по сети. Затем эта операционная система была улучшена путем добавления средств защиты и средств прозрачной работы в сети и получила название Accent (в 1981 году, в университете Карнеги-Меллона). В 1984 году она уже использовалась на 150 компьютерах PERQ - ранних графических станциях, но проиграла соревнование с UNIX'ом. Это обстоятельство побудило создать третье поколение ОС, использующей механизм обмена сообщениями. Этот проект и был назван Mach. В связи с тем, что Mach проектировалась как система, совместимая с UNIX, планировалась поддержка большого количества приложений для UNIX. Кроме совместимости с UNIX, в Mach были введены и другие усовершенствования, включая нити, улучшенные механизмы межпроцессного взаимодействия, поддержка многопроцессорных систем, улучшенная виртуальная память и др. В это время агентство DARPA искало операционную систему для поддержки мультипроцессоров. Выбор был сделан в пользу университета Карнеги-Меллона, и работы над ОС Mach были продолжены. Было решено сделать эту систему совместимой с 4.2BSD путем комбинации Mach и 4.2BSD в виде единого ядра. Хотя этот подход привел к большому ядру, он гарантировал абсолютную совместимость. Первая версия Mach была реализована в 1986 году для VAX11/784, 4-х процессорной машины. Вскоре эта ОС была перенесена на IBM PC RT и Sun 3. К 1987 году Mach выполнялась также на мультипроцессорах Encore и Sequent. Хотя Mach и имела сетевые средства, ее скорее можно было отнести к ОС отдельной машины или мультипроцессора, а не к сетевой распределенной прозрачной системе. Вскоре была создана организация производителей компьютеров OSF (IBM, DEC, Hewlett Packard) для того, чтобы отобрать контроль над ОС UNIX у ее собственника AT&T. Они выбрали Mach 2.5 в качестве основы для их первой операционной системы OSF/1. Хотя Mach 2 и OSF/1 содержали большое количество кода Berkeley и AT&T, была надежда, что OSF, по крайней мере, сможет контролировать направление развития UNIX. В 1988 году ядро Mach 2.5 было большим и монолитным из-за того, что содержало большое количество кода Berkeley UNIX. А в 1989 году университет Карнеги-Меллона удалил весь код BSD UNIX из ядра и поместил его в пользовательское пространство. То, что осталось, было микроядром, состоящим из чистого кода Mach. Эта версия 3.0 и используется как основа последующих версий OSF.
6.2.2.
Цели Mach
ОС Mach значительно изменилась со времени ее первой реализации в виде RIG. Цели проекта также изменились со временем. На текущий момент основные цели выглядят так:
Обеспечение базовых функций для создания других операционных систем (например, UNIX).
Поддержка больших разреженных адресных пространств.
Обеспечение прозрачного доступа к сетевым ресурсам.
Поддержка параллелизма как в системе, так и в приложениях.
Обеспечение переносимости Mach на различные типы компьютеров.
6.2.3.
Основные концепции Mach
Микроядро Mach было разработано в качестве основы, на базе которой можно эмулировать UNIX и другие ОС. Эта эмуляция осуществляется программным уровнем, который работает вне ядра, в пользовательском пространстве (рис. 6.1). Следует отметить, что несколько эмуляторов могут работать одновременно, так что можно выполнять программы 4.3BSD, System V и MS-DOS на одной машине в одно и то же время.
Ядро Mach, подобно другим микроядрам, обеспечивает управление процессами, управление памятью, коммуникации и функции ввода-вывода. Функции управления файлами, каталогами и другие традиционные для операционных систем функции выполняются в пользовательском пространстве. Идея построения ядра Mach состоит в обеспечении механизмов, необходимых для работы системы, но стратегия использования этих механизмов реализуется на уровне пользовательских процессов.
Ядро управляет пятью главными абстракциями:
Процессы
Нити
Объекты памяти
Порты
Сообщения
Рис. 6.1. Абстрактная модель эмуляции UNIX на основе Mach
Кроме этого, ядро работает и с некоторыми другими абстракциями, или связанными с указанными, или менее важными.
Процесс
- это, в основном, среда, в которой происходит выполнение. Он имеет адресное пространство, содержащее текст программы и данные, и обычно один или более стеков. Процесс - это базисная единица для распределения ресурсов. Например, коммуникационный канал всегда принадлежит одному процессу.
Нить
в Mach является единицей выполнения. Она имеет счетчик команд и набор регистров, связанных с ней. Каждая нить является частью точно одного процесса. Процесс, состоящий из одной нити, подобен традиционному (например, как в UNIX) процессу.
Концепцией, уникальной для Mach, является введение понятия объект памяти
(memory object), представляющий собой структуру данных, которая может быть отображена в адресное пространство процесса. Объекты памяти занимают одну или несколько страниц и образуют основу для системы управления виртуальной памятью Mach. Когда процесс ссылается на объект памяти, который не представлен в физической памяти, это вызывает страничное прерывание. Как и в других ОС, ядро перехватывает страничное прерывание. Однако в отличие от других систем, ядро Mach для загрузки отсутствующей страницы посылает сообщение серверу пользовательского режима, а не самостоятельно выполняет эту операцию.
Межпроцессное взаимодействие в Mach основано на передаче сообщений. Для того, чтобы получить сообщение, пользовательский процесс просит ядро создать защищенный почтовый ящик, который называется порт
. Порт хранится внутри ядра и способен поддерживать очередь упорядоченного списка сообщений. Очереди не имеют фиксированной длины, но в целях управления потоком для каждого порта отдельно устанавливается пороговое значение в n сообщений
, так что всякий процесс, пытающийся послать еще одно сообщение в очередь длины n
, приостанавливается для того, чтобы дать порту возможность очиститься.
Процесс может предоставить другому процессу возможность посылать (или получать) сообщения в один из принадлежащих ему портов. Такая возможность реализуется в виде мандата
(
capability), который включает не только указатель на порт, но и список прав, которыми другой процесс обладает по отношению к данному порту (например, право выполнить операцию ПОСЛАТЬ - SEND). Все коммуникации в Mach используют этот механизм.
6.2.4.
Сервер Mach BSD UNIX
Как уже было сказано выше, разработчики системы Mach модифицировали Berkeley UNIX для работы в пользовательском пространстве в форме прикладной программы. Такая структура имеет несколько преимуществ по сравнению с монолитным ядром. Во-первых, система упрощается за счет разделения на часть, которая выполняет управление ресурсами (ядро), и часть, которая обрабатывает системные вызовы (UNIX-сервер), и ею становится легче управлять. Такое разделение напоминает разделение труда в операционной системе VM/370 мейнфреймов IBM, где ядро эмулирует набор "голых" 370-х машин, на каждой из которых реализована однопользовательская операционная система.
Во-вторых, за счет помещения UNIX'а в пользовательское пространство его можно сделать в высокой степени машинно-независимым. Все машинно-зависимые части могут быть удалены из UNIX'а и скрыты внутри ядра Mach.
В-третьих, как уже было упомянуто выше, несколько ОС могут работать одновременно. Например, на процессоре Intel 386 Mach может выполнять программу UNIX и программу MS-DOS одновременно. Аналогично возможно одновременное тестирование новой экспериментальной ОС и работа с основной ОС.
В-четвертых, в систему могут быть введены операции реального времени, потому что все традиционные препятствия для работы в реальном времени, такие как, например, запрет прерываний на время обновления критических таблиц, могут быть либо исключены, либо перенесены в пользовательское пространство. Ядро может быть тщательно структурировано, для того чтобы не препятствовать работе приложений реального времени. Наконец, такое построение системы может быть использовано для обеспечения лучшей защиты между процессами, если она нужна. Если каждый процесс работает со своей версией UNIX'а, то для одного процесса очень трудно что-либо разузнать о файлах другого процесса.
6.3 Сетевые продукты фирмы Novell
6.3.1.
История и версии сетевой ОС NetWare
Novell - это крупнейшая фирма,
Основные усилия Novell были затрачены на создание высокоэффективной серверной части сетевой ОС, которая за счет специализации на выполнении функций файл-сервера обеспечивала бы максимально возможную для данного класса компьютеров скорость удаленного доступа к файлам и повышенную безопасность данных. Для серверной части своих ОС Novell разработала специализированную операционную систему, оптимизированную на файловые операции и использующую все возможности, предоставляемые процессорами Intel x386 и выше. За высокую производительность пользователи сетей Novell NetWare расплачиваются стоимостью - выделенный файл-сервер не может использоваться в качестве рабочей станции, а его специализированная ОС имеет весьма специфический API, что требует от разработчиков дополнительных серверных модулей особых знаний, специального опыта и значительных усилий.
Для рабочих станций Novell выпускает две собственные ОС со встроенными сетевыми функциями: Novell DOS 7 с входящей в нее сетевой одноранговой компонентой Personal Ware, а также ОС UnixWare, являющейся реализацией UNIX System V Release 4.2 со встроенными возможности работы в сетях NetWare. (Осенью этого года права на систему UnixWare проданы компании Santa Cruz Operations.) Для популярных ОС персональных компьютеров других производителей Novell выпускает сетевые оболочки с клиентскими функциями по отношению к серверу NetWare.
Первоначально операционная система NetWare была разработана фирмой Novell для сети Novell S-Net, имеющей звездообразную топологию и патентованный сервер с микропроцессором Motorola MC68000. Когда фирма IBM выпустила персональные компьютеры типа PC XT, Novell решила, что NetWare может быть легко перенесена в архитектуру микропроцессоров семейства Intel 8088, и тогда она сможет поддерживать практически все имеющиеся на рынке сети персональных компьютеров.
Первая версия NetWare
была выпущена фирмой Novell в начале 1983 года.
В 1985 году появилась система Advanced NetWare v1.0
, которая расширяла функциональные возможности операционной системы сервера.
Версия 1.2 системы Advanced NetWare
, выпущенная также в 1985 году, стала первой операционной системой для процессора Intel 80286, работающей в защищенном режиме.
Версия 2.0 системы Advanced NetWare
, выпущенная в 1986 году, отличалась от предыдущих версий более высокой производительностью и возможностью объединения разнородных на канальном уровне сетей. Полностью используя возможности защищенного режима процессора 80286, Advanced NetWare обеспечила такую производительность сети, которая была недоступна операционным системам, работающим в реальном режиме и ограниченным 640 Кбайтами памяти. Версия 2.0 впервые обеспечила возможность подключения к одному серверу до четырех сетей с различной топологией, таких как Ethernet, ArcNet и Token Ring.
В 1987 году Novell выпустила систему SFT NetWare
, в которой были предусмотрены специальные средства обеспечения надежности системы и расширены возможности управления сетью. Такие средства, как учет используемых ресурсов и защита от несанкционированного доступа, позволили администраторам сети определять, когда и как пользователи осуществляют доступ к информации и ресурсам сети. Разработчики впервые получили возможность создавать многопользовательские прикладные программы, которые могут выполняться на сервере в качестве дополнительных процессов сетевой операционной системы и использовать ее функциональные возможности.
Операционная система NetWare v2.15
появилась на рынке в декабре 1988 года, добавив в NetWare средства поддержки компьютеров семейства Macintosh. У пользователей Macintosh появилась возможность подключать свои компьютеры в качестве клиентов серверов NetWare, получая доступ к ресурсам сети и осуществляя прозрачный поиск и хранение информации на сервере. При этом на пользователей Macintosh распространяются все основные свойства NetWare, включая устойчивость к сбоям и защиту от несанкционированного доступа.
В сентябре 1989 года Novell выпустила свою первую версию 32-разрядной операционной системы для серверов с микропроцессором 80386, которая получила название NetWare 386 v3.0
. Она обладала значительно более высокой производительностью по сравнению с предыдущими версиями, усовершенствованной системой защиты от несанкционированного доступа, гибкостью в применении, а также поддержкой различных сетевых протоколов. Она отвечала самым передовым требованиям к среде функционирования распределенных прикладных программ.
В июне 1990 года появилась версия NetWare 386 v.3.1
, в которой были усовершенствованы средства обеспечения надежности и управления сетью, повышена производительность, улучшены инструментальные средства для независимых разработчиков.
В 1991 году фирмой Novell операционные системы для процессоров 80286 (SFT, Advanced и ELS NetWare) были заменены на более мощную и удобную систему NetWare v2.2
, функционально превосходящую предыдущие версии 2.1x.
Одновременно была выпущена система NetWare v3.11
, существенно расширившая возможности NetWare 386. NetWare v3.11 стала первой сетевой операционной системой, обеспечивающей доступ к сетевым ресурсам с рабочих станций DOS, Windows, OS/2, UNIX и Macintosh.
В 1993 году после длительных испытаний начались поставки системы NetWare SFT III v3.11
. NetWare System Fault Tolerance Level III (SFT III) v3.11 - сетевая операционная система, разработанная специально для использования в системах, требующих наивысшего уровня надежности. В дополнение к средствам повышения надежности, имеющимся в составе NetWare v3.11, SFT III обеспечивает работу двух серверов в "зеркальном" режиме. При этом один из серверов всегда является активным, а второй находится в горячем резерве, обеспечивая у себя такое же состояние памяти и дисков, как и у основного сервера.
В 1993 году фирма Novell выпустила ОС NetWare v4.0
, явившуюся во многих отношениях революционно новым продуктом. Эта система была разработана специально для построения вычислительных сетей "масштаба предприятия" с несколькими файл-серверами, большим количеством сетевых ресурсов и пользователей. Одним из основных нововведений явилась служба каталогов NetWare Directory Services (NDS), хранящая в распределенной по нескольким серверам базе данных информацию о всех разделяемых сетевых ресурсах и пользователях, что обеспечило возможность при одном логическом входе в систему получать прозрачный доступ ко всем ресурсам многосерверной сети.
В сентябре 1993 года Novell выпустила систему NetWare v3.12
, представляющую собой усовершенствованный вариант самой популярной сетевой ОС фирмы Novell - NetWare v3.11. В версии NetWare 3.12 были устранены замеченные за время эксплуатации версии NetWare 3.11 ошибки и добавлены новые средства: усеченная версия электронной почты Global MHS, средства поддержки клиентов Macintosh и клиентская оболочка для DOS и Windows по технологии VLM, позволяющая динамически загружать и выгружать необходимые для рабочей станции сетевые компоненты.
Самой используемой сегодня версией NetWare является ориентированная на корпоративное использование сетевая операционная система NetWare v4.1
.
6.3.2.
Версия NetWare 4.1
Некоторые обозреватели считают, что версия 4.1 - эта та версия, которой должна была быть версия 4.0, имея в виду многочисленные неудобства в реализации службы NDS и некоторые другие недочеты, помешавшие версиям 4.0х завоевать рынок (на конец 1994 года только 31% пользователей NetWare в мире работало с различными версиями 4.0х). Теперь, с выходом версии 4.1, положение может существенно измениться.
Во-первых, Novell значительно упростила процедуру инсталляции.
Во-вторых, возможности версии 4.1 существенно расширены. Как и в NetWare 4.0х, здесь поддерживается улучшенная файловая система и средства управления памятью, увеличено максимальное число обслуживаемых пользователей (свыше 250), реализованы службы сжатия и перемещения редко используемых файлов, а также более совершенные средства защиты информации и управления правами пользователей.
Новыми элементами NetWare 4.1 являются средства IPX Mac и NetWare IP, интегрированная с NDS служба обработки сообщений MHS и очень полезная программа DS-Standard фирмы Preffered Systems, облегчающая конфигурирование NetWare и переход от одной версии к другой.
В-третьих, фирма Novell снизила цену на свой продукт и предусмотрела различные варианты его лицензирования.
Упрощенная процедура инсталляции при использовании программы DS-Standard
При переходе с NetWare 3.х на NetWare 4.1 Novell рекомендует вместо собственных средств использовать программу DS-Standard. Главное преимущество этого продукта состоит в том, что он позволяет собирать информацию с существующих серверов и дает возможность администратору создавать и конфигурировать NDS-дерево в автономном режиме. Как только администратор решает, что полученная структура дерева его устраивает, DS-Standard экспортирует все данные о новой структуре в справочник NDS. Работа с DS делится на три основных этапа: сбор информации, моделирование и конфигурирование. На первом этапе осуществляется сбор информации с существующих серверов 3.х и 4.х., при этом могут быть собраны все сведения, включая учетные ограничения, данные об эквивалентности прав доступа, конфигурации заданий на печать, доверенные права, сценарии входа в сеть, ограничения на станцию, а также информация о системе печати. Единственное, что не импортируется с серверов 3.х - это пароли пользователей (средства миграции Novell импортируют пароли).
После сбора программой DS-Standard данных с серверов, администратор может приступить к моделированию дерева NDS. Программа позволяет добавлять, перемещать и удалять объекты, а также изменять их свойства. В этом отношении она во многом напоминает утилиту NetWare Admin.
После завершения автономного моделирования, DS-Standard формирует новую конфигурацию, внося изменения в "живое" дерево NDS.
С помощью процедуры инсталляции можно перейти на NetWare 4.1 на всех серверах сети, причем каждый сервер получает свой собственный контекст. Такой контекст представляет собой отдельную ветвь дерева NDS. Позднее можно воспользоваться специальными средствами для удаления и перемещения ветвей.
В NetWare 4.1 расширены функции эмуляции bindery. В предыдущей версии процедура эмуляции могла использовать только одну ветвь дерева, а в 4.1 - до 16 ветвей.
В состав новой версии включена утилита NetSync, позволяющая управлять с сервера 4.1 12-ю серверами NetWare 3.х. При инсталляции NetSync на сервер NetWare 3.х вся информация из его базы bindery копируется в контекст bindery сервера NetWare 4.1, после чего можно управлять сервером NetWare 3.х с помощью утилит NetAdmin NWAdmin версии 4.1. Любые изменения, сделанные на сервере NetWare 4.1, автоматически переносятся на сервер NetWare 3.х. Недостаток такой системы состоит в том, что, если на сервере 3.х пользователь изменяет свой сценарий входа в сеть, то внесенные им изменения не переносятся автоматически на сервер 4.1.
Конфигурирование NDS
В версии NetWare 4.1 появились, наконец, средства для удаления, перемещения и переименования ветвей дерева NDS. Это повышает гибкость системы, поскольку вовсе не обязательно строить дерево в окончательном виде с первой попытки.
Несколько деревьев можно объединить в одно с помощью утилиты DSMerge. Раньше приходилось проектировать дерево NDS в масштабах всего предприятия, что для большинства организаций было очень неудобно. Сегодня каждый отдел предприятия может самостоятельно строить свои деревья, чтобы позднее слить их в единое дерево NDS.
Усовершенствованные средства передачи сообщений
Служба сообщений MHS в версии 4.1 теперь тесно интегрирована со службой NDS и включена в комплект поставки. Это позволило, во-первых, значительно уменьшить размер модулей NLM MHS (примерно с 2 Мбайт до примерно 200 Кбайт) и, во-вторых, обеспечить в системе поддержку только одной базы данных с информацией о пользователях - NDS.
В комплект поставки MHS не включены шлюзы к другим почтовым системам, поэтому их необходимо приобретать отдельно, причем для каждого дерева NDS потребуется свой шлюз.
Поддержка клиентских станций
Novell улучшила оболочку для клиентов на основе компьютеров Macintosh, заменив прежнюю 5-пользовательскую версию, поставлявшуюся с NetWare 3.х и 4.02, "неогра- ниченной" версией NetWare for Macintosh. Теперь компьютеры Macintosh могут легко подключаться к сети NetWare и работать с NDS в качестве клиента. Правда утилиты администрирования NDS для Mac пока не созданы, хотя Novell и собирается из выпустить в будущем на основе технологии OpenDoc фирмы Apple.
Для клиентов NetWare выпущена новая версия оболочки на основе VLM-технологии - версия 1.2, в которой устранены ошибки первой версии.
Поддержка коммуникационных протоколов
В комплект поставки NetWare 4.1 фирма Novell включила купон на получение NetWare/IP. При наличии NetWare/IP можно использовать протоколы TCP/IP для передачи сообщений прикладного протокола клиент-сервер NetWare - протокола NCP. На клиентских станциях, работающих под управлением DOS, загрузка стека протоколов TCP/IP требует лишь небольшого дополнительного объема памяти.
В версии 4.1 можно использовать новых протокол обмена маршрутной информацией NLSP вместо протокола RIP. Протокол NLSP основан на алгоритме "состояния связей" (Link State Algorithms), хорошо работающем в сетях больших размеров за счет того, что маршрутизаторы обмениваются только информацией о изменениях в состоянии связей с ближайшими соседями, что существенно уменьшает служебный трафик по сравнению с дистанционно-векторными протоколами, к которым относится протокол RIP. К протоколам "состояния связей" относится и сравнительно новый протокол OSPF, разработанный как часть стека Internet.
Одновременно с разработкой протокола NLSP фирма Novell предприняла и другие шаги по улучшению своего стека протоколов в условиях работы в крупных сетях с глобальными связями. Ведутся работы по улучшению работы протокола IPX в глобальных сетях, при поддержке всеми узлами сети службы NDS отпадает необходимость в другом широковещательном протоколе - протоколе SAP.
6.4 Семейство сетевых ОС компании Microsoft
6.4.1.
Сетевые продукты Microsoft
В 1984 году Microsoft выпустила свой первый сетевой продукт, называемый Microsoft Networks, который обычно неформально называют MS-NET. Некоторые концепции, заложенные в MS-NET, такие как введение в структуру базовых компонент - редиректора и сетевого сервера - успешно перешли в LAN Manager, а затем и в Windows NT.
Microsoft все еще поставляет свою сетевую ОС LAN Manager
. Большое количество независимых поставщиков имеют лицензии на эту ОС и поддерживают свои собственные версии LAN Manager как часть своих сетевых продуктов. В число этих компаний входят такие известные фирмы как AT&T и Hewlett-Packard. LAN Manager требует установки на файл-сервере операционной системы OS/2, рабочие станции могут работать под DOS, Windows или OS/2. OS/2 - это операционная система, реализующая истинную многозадачность, работающая в защищенном режиме микропроцессоров x86 и выше. LAN Manager использует 32-х битную версию файловой системы OS/2, называемую HPFS, которая оптимизирована для работы на файл-сервере за счет кэширования каталогов и данных. LAN Manager - это первая сетевая ОС, разработанная для поддержки среды клиент-сервер. Ключевыми компонентами LAN Manager являются редиректор и сервер. Особенно эффективно LAN Manager поддерживает архитектуру клиент-сервер для систем управления базами данных. LAN Manager разрешает рабочим станциям под OS/2 поддерживать сетевой сервис по технологии "равный-с-равным". Это означает, что рабочая станция может выполнять функции сервера баз данных, принт-сервера или коммуникационного сервера. Ограничением является то, что только один пользователь, кроме владельца этой рабочей станции, имеет доступ к такому одноранговому сервису.
Для работы в небольшой сети фирма Microsoft предлагает компактную, не требующую значительных аппаратных или программных затрат операционную систему Windows for Workgroups
. Эта операционная система позволяет организовать сеть по схеме "равный-с-равным", при этом нет необходимости приобретать специальный компьютер для работы в качестве сетевого сервера. Эта операционная система особенно подходит для решения сетевых задач в коллективах, члены которого ранее широко использовали Windows 3.1. В Windows for Workgroups достигнута высокая производительность сетевой обработки за счет того, что все сетевые драйверы являются 32-х разрядными виртуальными драйверами.
С середины 1993 года Microsoft начала выпуск новых операционных систем "новой технологии" (New Technology - NT) Windows NT
.
В сентябре 1995 года компания Microsoft выпустила еще одну новую операционную систему Windows 95 (кодовое название Chicago), предназначенную для замены Windows 3.1 и Windows for Workgroups 3.11 в настольных компьютерах с процессорами Intel x86.
В конце 88-го года Microsoft поручила Дэвиду Катлеру (David Cutler) возглавить новый проект в области программного обеспечения: создать новую ОС фирмы Microsoft для 90-х годов. (Дэвид Катлер - главный консультант фирмы DEC, который 17 лет проработал там, разрабатывая ОС и компиляторы: VAX/ VMS, ОС для MicroVAX I, OS RSX-11M, компиляторы VAX PL/1, VAX C). Он собрал команду инженеров для разработки ОС новой технологии (New Technology - NT).
Первоначально планировалось разработать NT с пользовательским и программным (API) интерфейсами в стиле OS/2, однако OS/2 плохо продавалась, а Windows 3.0 имела большой и постоянный успех на рынке. Увидев рыночные ориентиры и сложности, связанные с развитием и поддержкой двух несовместимых систем, Microsoft решила изменить свой курс и направить своих инженеров в сторону стратегии единой цельной операционной системы. Эта стратегия состоит в том, чтобы разрабатывать семейство базирующихся на Windows операционных систем, которые охватывали бы множество типов компьютеров, от самых маленьких ноутбуков до самых больших мультипроцессорных рабочих станций. Windows NT, как было названо следующее поколение Windows-систем, занимает самое высокое место в семействе Windows. Она поддерживает графический интерфейс (GUI) пользователя Windows, а также является первой базирующейся на Windows операционной системой фирмы Microsoft, поддерживающей Win32 API, 32-х битный программный интерфейс для разработки новых приложений. Win32 API делает доступными для приложений улучшенные свойства ОС, такие как многонитевые процессы, синхронизацию, безопасность, I/O, управление объектами.
В июле 1993 года появились первые ОС семейства NT - Windows NT 3.1 и Windows NT Advanced Server 3.1.
6.4.2.
Windows NT 4.0
При разработке Windows NT 4.0 Microsoft решила пожертвовать стабильностью ради производительности. С этой целью были внесены изменения в архитектуру: библиотеки менеджера окон и GDI, а также драйверы графических адаптеров были перенесены из пользовательского режима в режим ядра. Это изменение означает некоторый отход от принятой в предыдущих версиях Windows NT 3.х концепции микроядра.
Перенос графической библиотеки и драйверов в область ядра повышает скорость выполнения графического ввода-вывода. Эти изменения особенно сказались на скорости выполнения приложений Win32, в то время как приложения Windows-16 и DOS-ские графические приложения работают примерно также, как и в версии 3.5.
В то же время описанные изменения делают операционную систему в принципе менее надежной. Действительно, поскольку программное обеспечение графических адаптеров, как правило, разрабатывается фирмами-производителями этого оборудования и это программное обеспечение часто меняется (вместе с оборудованием), то от него трудно ожидать той надежности, которая требуется для модулей операционной системы.
Кроме архитектурных в Windows NT 4.0 имеются и другие не менее кардинальные изменения:
Средства взаимодействия с NetWare модифицированы - Gateway и клиент NCP поддерживают теперь NDS.
В стандартную поставку включен Internet Information Server и сервер DNS. DNS взаимодействует с WINS и DHCP-серверами. Эта комбинация реализует Dynamic DNS, который разрешает верхние уровни доменного имени и передает имя для окончательного разрешения службе WINS.
Поддержка многопротокольной маршрутизации.
Сервер может работать как транслирующий агент протокола BOOTP/DHCP , что позволяет компьютеру передавать сообщения BOOTP/DHCP по IP-сети.
Новые административные средства Windows NT могут работать удаленно на клиентах Windows 95. Кроме того, Windows NT Server обеспечивает сервис удаленной загрузки для клиентов Windows 95. (Это полезно для бездисковых рабочих станций.)
Интерфейс в стиле Windows 95.
Подсистема обработки сообщений Microsoft Windows Messaging Subsystem позволяет получать и отправлять почту из приложений.
В Windows NT 4.0 появился эмулятор Intel'овских процессоров для RISC-платформ.
Но не известно как скажется на быстродействии распределенная версия OLE, названная Distributed COM (в Windows 95 добавление OLE снизило производительность).
Microsoft добавила в Windows NT 4.0 много технических средств, чтобы сделать эту операционную систему пригодной для использования в качестве платформы для Web-сервера.
Одно из усовершенствований связано с тем, что повышающаяся роль Internet'а и клиент-серверных систем ведет к росту числа мобильных пользователей. Microsoft в связи с этим улучшила RAS ( улучшила поддержку ISDN) и предоставила средства безопасной работы с RAS через Internet. В RAS реализованы протоколы PPTP (создает зашифрованный трафик через Internet) и Multilink PPP (позволяет объединять несколько каналов в один). Клиентами могут быть Windows NT 4.0 Workstation или Windows 95. Важным аргументом в борьбе за Internet является включение в стандартную поставку Windows NT 4.0 Web-сервера производства Microsoft - Internet Information Server, возможности которого сравнимы, а по ряду тестов и превосходят аналогичный популярный продукт Server Netscape для NT.
6.4.3.
Области использования Windows NT
Windows NT Workstation, прежде всего, может использоваться как клиент в сетях Windows NT Server, а также в сетях NetWare, UNIX, Vines. Она может быть рабочей станцией и в одноранговых сетях, выполняя одновременно функции и клиента, и сервера. Windows NT Workstation может применяться в качестве ОС автономного компьютера при необходимости обеспечения повышенной производительности, секретности, а также при реализации сложных графических приложений, например, в системах автоматизированного проектирования.
Windows NT Server может быть использован прежде всего как сервер в корпоративной сети. Здесь весьма полезной оказывается его возможность выполнять функции контроллера доменов, позволяя структурировать сеть и упрощать задачи администрирования и управления. Он используется также в качестве файл-сервера, принт-сервера, сервера приложений, сервера удаленного доступа и сервера связи (шлюза). Кроме того, Windows NT Server может быть использован как платформа для сложных сетевых приложений, особенно тех, которые построены с использованием технологии клиент-сервер.
Так, под управлением Windows NT Server может работать сервер баз данных Microsoft SQL Server, а также серверы баз данных других известных фирм, такие как Oracle и Sybase, Adabas и InterBase.
На платформе Windows NT Server может быть установлена новая мощная система администрирования Microsoft System Management Server, функцией которой является инвентаризация аппаратной и программной конфигурации компьютеров сети, автоматическая установка программных продуктов на рабочие станции, удаленное управление любым компьютером и мониторинг сети.
Windows NT Server может использоваться как сервер связи с мейнфреймам. Для этого создан специальный продукт Microsoft SNA Server, позволяющий легко объединить в одной сети IBM PC-совместимые рабочие станции и мощные мейнфреймы.
Наконец, Windows NT Server является платформой для нового производительного почтового сервера Microsoft Exchange.
6.4.4.
Концепции Windows NT
6.4.4.1 Структура: NT executive и защищенные подсистемы
При разработке структуры Windows NT была в значительной степени использована концепция микроядра. В соответствии с этой идеей ОС разделена на несколько подсистем, каждая из которых выполняет отдельный набор сервисных функций - например, сервис памяти, сервис по созданию процессов, или сервис по планированию процессов. Каждый сервер выполняется в пользовательском режиме, выполняя цикл проверки запроса от клиента на одну из его сервисных функций. Клиент, которым может быть либо другая компонента ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая сообщение на сервер. Ядро ОС (или микроядро), работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу, затем сервер выполняет операцию, после этого ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения.
Структурно Windows NT может быть представлена в виде двух частей: часть операционной системы, работающая в режиме пользователя, и часть операционной системы, работающая в режиме ядра (рисунок 8.1).
Часть Windows NT, работающая в режиме ядра, называется executive - исполнительной частью. Она включает ряд компонент, которые управляют виртуальной памятью, объектами (ресурсами), вводом-выводом и файловой системой (включая сетевые драйверы), взаимодействием процессов и частично системой безопасности. Эти компоненты взаимодействуют между собой с помощью межмодульной связи. Каждая компонента вызывает другие с помощью набора тщательно специфицированных внутренних процедур.
Вторую часть Windows NT, работающую в режиме пользователя, составляют серверы - так называемые защищенные подсистемы. Серверы Windows NT называются защищенными подсистемами, так как каждый из них выполняется в отдельном процессе, память которого отделена от других процессов системой управления виртуальной памятью NT executive. Так как подсистемы автоматически не могут совместно использовать память, они общаются друг с другом посредством посылки сообщений. Сообщения могут передаваться как между клиентом и сервером, так и между двумя серверами. Все сообщения проходят через исполнительную часть Windows NT. Ядро Windows NT планирует нити защищенных подсистем точно так же, как и нити обычных прикладных процессов.
Рис. 8.1. Структура Windows NT
Поддержку защищенных подсистем обеспечивает исполнительная часть - Windows NT executive, которая работает в пространстве ядра и никогда не сбрасывается на диск. Ее составными частями являются:
Менеджер объектов. Создает, удаляет и управляет объектами NT executive - абстрактными типами данных, используемых для представления ресурсов системы.
Монитор безопасности. Устанавливает правила защиты на локальном компьютере. Охраняет ресурсы операционной системы, выполняет защиту и регистрацию исполняемых объектов.
Менеджер процессов. Создает и завершает, приостанавливает и возобновляет процессы и нити, а также хранит о них информацию.
Менеджер виртуальной памяти.
Подсистема ввода-вывода. Включает в себя следующие компоненты:
менеджер ввода-вывода, предоставляющий средства ввода-вывода, независимые от устройств;
файловые системы - NT-драйверы, выполняющие файл-ориентированные запросы на ввод-вывод и транслирующие их в вызовы обычных устройств;
сетевой редиректор и сетевой сервер - драйверы файловых систем, передающие удаленные запросы на ввод-вывод на машины сети и получающие запросы от них;
драйверы устройств NT executive - низкоуровневые драйверы, которые непосредственно управляют устройством;
менеджер кэша, реализующий кэширование диска.
Исполнительная часть, в свою очередь, основывается на службах нижнего уровня, предоставляемых ядром (его можно назвать и микроядром) NT. В функции ядра входит:
планирование процессов,
обработка прерываний и исключительных ситуаций,
синхронизация процессоров для многопроцессорных систем,
восстановление системы после сбоев.
Ядро работает в привилегированном режиме и никогда не удаляется из памяти. Обратиться к ядру можно только посредством прерывания. Ядро расположено над уровнем аппаратных абстракций (Hardware Abstraction Level HAL), который концентрирует в одном месте большую часть машинно-зависимых процедур. HAL располагается между NT executive и аппаратным обеспечением и скрывает от системы такие детали, как контроллеры прерываний, интерфейсы ввода/вывода и механизмы взаимодействия между процессорами. Такое решение позволяет легко переносить Windows NT с одной платформы на другую путем замены только слоя HAL.
При создании NT разработчики руководствовались задачами улучшения производительности и сетевых возможностей, а также требованием поддержки определенного набора прикладных сред. Эта цель была достигнута продуманным разделением функций между модулями ядра и остальными модулями. Например, передача данных в файловую систему и по сети производится быстрее в пространстве ядра, поэтому внутри ядра NT выделены буфера для небольших по объему (от 16 до 32 Кб) операций чтения и записи, являющихся типичными для приложений клиент-сервер и распределенных приложений. Размещение этих функций ввода-вывода внутри ядра, может, и портит академическую чистоту микроядра NT, но соответствует цели создания NT.
Защищенные подсистемы Windows NT работают в пользовательском режиме и создаются Windows NT во время загрузки операционной системы. Сразу после создания они начинают бесконечный цикл своего выполнения, отвечая на сообщения, поступающие к ним от прикладных процессов и других подсистем. Среди защищенных подсистем можно выделить подкласс, называемый подсистемами окружения. Подсистемы окружения реализуют интерфейсы приложений операционной системы (API). Другие типы подсистем, называемые интегральными подсистемами, исполняют необходимые операционной системе задачи. Например, большая часть системы безопасности Windows NT реализована в виде интегральной подсистемы, сетевые серверы также выполнены как интегральные подсистемы.
Наиболее важной подсистемой окружения является Win32 - подсистема, которая обеспечивает доступ для приложений к 32-bit Windows API. Дополнительно эта система обеспечивает графический интерфейс с пользователем и управляет вводом/выводом данных пользователя. Также поддерживаются подсистемы POSIX, OS/2,16-разрядная Windows и MS-DOS.
Каждая защищенная подсистема работает в режиме пользователя, вызывая системный сервис NT executive для выполнения привилегированных действий в режиме ядра. Сетевые серверы могут выполняться как в режиме пользователя, так и в режиме ядра, в зависимости от того, как они разработаны.
Подсистемы связываются между собой путем передачи сообщений. Когда, например, пользовательское приложение вызывает какую-нибудь API-процедуру, подсистема окружения, обеспечивающая эту процедуру, получает сообщение и выполняет ее либо обращаясь к ядру, либо посылая сообщение другой подсистеме. После завершения процедуры подсистема окружения посылает приложению сообщение, содержащее возвращаемое значение. Посылка сообщений и другая деятельность защищенных подсистем невидима для пользователя.
Основным средством, скрепляющим все подсистемы Windows NT в единое целое, является механизм вызова локальных процедур (Local Procedure Call - LPC). LPC представляет собой оптимизированный вариант более общего средства - удаленного вызова процедур (RPC), которое используется для связи клиентов и серверов, расположенных на разных машинах сети.
Средства LPC поддерживают несколько способов передачи данных между клиентами и серверами: один обычно используется для передачи коротких сообщений, другой - для длинных сообщений, а третий оптимизирован специально для использования подсистемой Win32. Каждая подсистема устанавливает порт - канал связи, посредством которого с ней могут связываться другие процессы. Порты реализуются как объекты.
Windows NT использует защищенные подсистемы для того, чтобы:
Обеспечить несколько программных интерфейсов (API), по возможности не усложняя при этом базовый программный код (NT executive).
Изолировать базовую операционную систему от изменений или расширений в поддерживаемых API.
Объединить часть глобальных данных, требующихся всем API, и в то же время отделить данные, использующиеся каждым отдельным API от данных, использующихся другими API.
Защитить окружение каждого API от приложений, а также от окружений других API, и защитить базовую операционную систему от различных окружений.
Позволить операционной системе расширяться в будущем за счет новых API.
Таким образом, реализация частей ОС в виде серверов, выполняющихся в режиме пользователя, является важнейшей частью проекта Windows NT и оказывает глубокое воздействие на все функционирование системы.
Микроядро NT служит, главным образом, средством поддержки для переносимой основной части ОС - набора пользовательских сред. Концентрация машинно-зависимых программ внутри микроядра делает перенос NT на разнообразные процессоры относительно легким. Но в то время, как некоторые микроядра (Mach и Chorus) предполагается поставлять в качестве самостоятельного программного продукта, из операционной системы Windows NT ядро вряд ли может быть вычленено для отдельного использования. Это является одной из причин того, что некоторые специалисты не считают Windows NT истинно микроядерной ОС в том смысле, в котором таковыми являются Mach и Chorus. Те же критики отмечают также, что NT не исключает, как это положено, все надстроенные службы из пространства ядра и что драйверы устройств в NT по минимуму взаимодействуют с ядром, предпочитая работать непосредственно с лежащим ниже слоем аппаратной абстракции HAL.
6.4.4.2 Множественные прикладные среды
При разработке NT важнейшим рыночным требованием являлось обеспечение поддержки по крайней мере двух уже существующих программных интерфейсов OS/2 и POSIX, а также возможности добавления других API в будущем.
Заметим, что для того, чтобы программа, написанная для одной ОС, могла быть выполнена в рамках другой ОС, недостаточно лишь обеспечить совместимость API. Кроме этого, необходимо обеспечить ей "родное" окружение: структуру процесса, средства управления памятью, средства обработки ошибок и исключительных ситуаций, механизмы защиты ресурсов и семантику файлового доступа. Отсюда ясно, что поддержка нескольких прикладных программных сред является очень сложной задачей, тесно связанной со структурой операционной системы. Эта задача была успешно решена в Windows NT, при этом в полной мере был использован опыт разработчиков ОС Mach из университета Карнеги-Меллона, которые смогли в своей клиент-серверной реализации UNIX'а отделить базовые механизмы операционной системы от серверов API различных ОС.
Windows NT поддерживает пять прикладных сред операционных систем: MS-DOS, 16-разрядный Windows, OS/2 1.x, POSIX и 32-разрядный Windows (Win32). Все пять прикладных сред реализованы как подсистемы окружения. Каждая работает в собственном защищенном пользовательском пространстве. Подсистема Win32 обеспечивает поддержку дисплея, клавиатуры и мыши для четырех оставшихся подсистем.
16-битовые приложения DOS и Windows работают на VDM (virtual DOS machines - виртуальные машины DOS), каждая из которых эмулирует полный 80x86 процессор с MS-DOS. В NT VDM является приложением Win32, значит, как и обычные модули прикладных сред для UNIX, приложения DOS и 16-битовой Windows расположены в слое непосредственно над подсистемой Win32.
Подсистемы OS/2 и POSIX построены по-другому. В качестве полноценных подсистем NT они могут взаимодействовать с подсистемой Win32 для получения доступа к вводу и выводу, но также могут обращаться непосредственно к исполнительной системе NT за другими средствами операционной системы. Подсистема OS/2 может выполнять многие имеющиеся приложения OS/2 символьного режима, включая OS/2 SQL Server, и поддерживает именованные каналы и NetBIOS.
Однако возможности подсистемы POSIX весьма ограничена, несмотря на непосредственный доступ ее к службам ядра. Приложения POSIX должны быть откомпилированы специально для Windows NT. NT не поддерживает двоичный код, предназначенный для других POSIX-совместимых систем, таких как UNIX. К тому же подсистема POSIX NT не поддерживает непосредственно печать, не поддерживает сетевой доступ, за исключением доступа к удаленным файловым системам, и не поддерживает многие средства Win32, например, отображение на память файлов и графику.
Рис. 8.2. Реализация множественных прикладных сред в Windows NT
На рисунке 8.2 показана структура, обеспечивающая в Windows NT поддержку множественных прикладных сред.
NT executive выполняет базовые функции операционной системы и является той основой, на которой подсистемы окружения реализуют поддержку своих приложений. Все подсистемы равноправны и могут вызвать "родные" функции NT для создания соответствующей среды для своих приложений.
Каждая подсистема окружения имеет свое представление о том, что такое, например, процесс или описатель файла, поэтому структуры данных, используемые в каждом окружении, могут не совпадать. Следовательно, как только подсистема Win32 передала прикладной процесс другой подсистеме окружения, данное приложение становится клиентом этой подсистемы вплоть до завершения процесса. При этом подсистема Win32 перенаправляет входные сообщения от пользователя этому приложению, а также отображает вывод приложения на экране.
6.4.4.3 Объектно-ориентированный подход
Хотя NT и не является полностью объектно-ориентированной, в ее основе лежат объекты. Единообразная форма именования, совместного использования и учета системных ресурсов, простой и дешевый способ обеспечения безопасности системы и ее модификации - все эти преимущества могут быть достигнуты при использовании объектной модели.
В Windows NT любой ресурс системы, который одновременно может быть использован более чем одним процессом, включая файлы, совместно используемую память и физические устройства, реализован в виде объекта и управляется рядом функций. Такой подход сокращает число изменений, которые необходимо внести в операционную систему в процессе ее эксплуатации. Если, скажем, изменилось что-то в аппаратуре, то все, что необходимо сделать - заменить соответствующий объект. Аналогично, если требуется поддержка новых ресурсов, то надо добавить только новый объект, не изменяя при этом остального кода операционной системы.
Наиболее фундаментальное отличие между объектом и обыкновенной структурой данных заключается в том, что внутренняя структура данных объекта скрыта от наблюдения. Вы должны вызвать объектную функцию для того, чтобы получить данные из объекта или поместить данные в объект. Вы не можете непосредственно изменять данные, находящиеся внутри объекта. Это отделяет средства реализации объекта от кода, который только использует его, такая техника позволяет легко изменять в последствии реализацию объектов.
Группа разработчиков NT executive решила использовать объекты для представления системных ресурсов, потому что объекты обеспечивают централизованные средства для выполнения трех важных ( и часто утомительных) задач ОС:
Поддержка воспринимаемых человеком имен системных ресурсов;
Разделение ресурсов и данных между процессами;
Защита ресурсов от несанкционированного доступа.
Не все структуры данных в NT executive являются объектами. Объектами сделаны только такие данные, которые нужно разделять, защищать, именовать или делать видимыми для программ пользовательского режима ( с помощью системных функций). Структуры, которые используются только одним компонентом executive для выполнения внутренних функций, не являются объектами.
Несмотря на всестороннее использование объектов для представления разделяемых ресурсов, Windows NT не является объектно-ориентированной системой в строгом смысле. Большая часть кода операционной системы написана на С с целью обеспечения переносимости. Несмотря на то, что С не поддерживает непосредственно объектно-ориенти- рованные конструкции, такие как динамическое связывание типов данных, полиморфные функции или наследование классов, эти инструментальные средства были использованы из-за их широкой распространенности.
Менеджер объектов - это компонента NT executive, которая ответственна за создание, удаление, защиту и слежение за NT-объектами. Менеджер объектов централизует операции управления ресурсами, которые в противном случае будут разбросаны по всей ОС.
Менеджер объектов NT выполняет следующие функции:
Выделяет память для объекта.
Присоединяет к объекту так называемый дескриптор безопасности, который определяет, кому разрешено использовать объект, и что они могут с ним делать.
Создает и манипулирует структурой каталога объектов, в котором хранятся имена объектов.
Создает описатель объекта и возвращает его вызывающему процессу.
Процессы пользовательского режима, включая подсистемы окружения, должны иметь описатель объекта перед тем, как их нити смогут использовать этот объект. Использование описателей для работы с системными ресурсами не является новой идеей. Например, библиотеки С и Паскаля (а также других языков) возвращают описатели для открытых файлов. Аналогично приложения Win32 используют различные типы описателей для управления окнами, курсором мыши, иконками. В обоих случаях описатели служат косвенными указателями на системные ресурсы; эта косвенность предохраняет прикладные программы от рутинной работы непосредственно с системными структурами данных.
Каждый NT-объект является объектом определенного типа. Тип определяет данные, которые хранит объект, и "родные" системные функции, которые могут к нему применяться. Для того, чтобы управлять различными объектами единообразно, менеджер объектов требует, чтобы каждый объект содержал несколько полей стандартной информации в определенном месте объекта. До тех пор, пока эти данные имеются, менеджер объектов не заботится о том, что еще хранится в объекте. Каждый объект состоит из двух частей - заголовка объекта и тела объекта, которые содержат стандартные и переменные данные объекта соответственно. Менеджер объектов работает с заголовком объекта, а другие компоненты executive работают с телами объектов тех типов, которые они сами создают. Заголовок объекта используется менеджером без учета типа объекта. В заголовке объекта любого типа содержится имя, каталог, дескриптор безопасности, квоты на использование ресурсов, счетчик открытых описателей, база данных открытых описателей, признак постоянный/временный, режим пользователя/ядра, указатель на тип объекта.
Кроме заголовка объекта, каждый объект имеет тело объекта, формат и содержание которого уникально определяется типом этого объекта; у всех объектов одного и того же типа одинаковый формат тела. При создании объекта исполнительная часть может оперировать данными в телах всех объектов этого типа.
6.4.4.4 Процессы и нити
В разных ОС процессы реализуются по-разному. Эти различия заключаются в том, какими структурами данных представлены процессы, как они именуются, какими способами защищены друг от друга и какие отношения существуют между ними. Процессы Windows NT имеют следующие характерные свойства:
Процессы Windows NT реализованы в форме объектов, и доступ к ним осуществляется посредством службы объектов.
Процесс Windows NT имеет многонитевую организацию.
Как объекты-процессы, так и объекты-нити имеют встроенные средства синхронизации.
Менеджер процессов Windows NT не поддерживает между процессами отношений типа "родитель-потомок".
В любой системе понятие "процесс" включает следующее:
исполняемый код,
собственное адресное пространство, которое представляет собой совокупность виртуальных адресов, которые может использовать процесс,
ресурсы системы, такие как файлы, семафоры и т.п., которые назначены процессу операционной системой.
хотя бы одну выполняемую нить.
Адресное пространство каждого процесса защищено от вмешательства в него любого другого процесса. Это обеспечивается механизмами виртуальной памяти. Операционная система, конечно, тоже защищена от прикладных процессов. Чтобы выполнить какую-либо процедуру ОС или прочитать что-либо из ее области памяти, нить должна выполняться в режиме ядра. Пользовательские процессы получают доступ к функциям ядра посредством системных вызовов. В пользовательском режиме выполняются не только прикладные программы, но и защищенные подсистемы Windows NT.
В Windows NT процесс - это просто объект, создаваемый и уничтожаемый менеджером объектов. Объект-процесс, как и другие объекты, содержит заголовок, который создает и инициализирует менеджер объектов. Менеджер процессов определяет атрибуты, хранимые в теле объекта-процесса, а также обеспечивает системный сервис, который восстанавливает и изменяет эти атрибуты.
В число атрибутов тела объекта-процесса входят:
Идентификатор процесса - уникальное значение, которое идентифицирует процесс в рамках операционной системы.
Токен доступа - исполняемый объект, содержащий информацию о безопасности.
Базовый приоритет - основа для исполнительного приоритета нитей процесса.
Процессорная совместимость - набор процессоров, на которых могут выполняться нити процесса.
Предельные значения квот - максимальное количество страничной и нестраничной системной памяти, дискового пространства, предназначенного для выгрузки страниц, процессорного времени - которые могут быть использованы процессами пользователя.
Время исполнения - общее количество времени, в течение которого выполняются все нити процесса.
Напомним, что нить является выполняемой единицей, которая располагается в адресном пространстве процесса и использует ресурсы, выделенные процессу. Подобно процессу нить в Windows NT реализована в форме объекта и управляется менеджером объектов.
Объект-нить имеет следующие атрибуты тела:
Идентификатор клиента - уникальное значение, которое идентифицирует нить при ее обращении к серверу.
Контекст нити - информация, которая необходима ОС для того, чтобы продолжить выполнение прерванной нити. Контекст нити содержит текущее состояние регистров, стеков и индивидуальной области памяти, которая используется подсистемами и библиотеками.
Динамический приоритет - значение приоритета нити в данный момент.
Базовый приоритет - нижний предел динамического приоритета нити.
Процессорная совместимость нитей - перечень типов процессоров, на которых может выполняться нить.
Время выполнения нити - суммарное время выполнения нити в пользовательском режиме и в режиме ядра, накопленное за период существования нити.
Состояние предупреждения - флаг, который показывает, что нить должна выполнять вызов асинхронной процедуры.
Счетчик приостановок - текущее количество приостановок выполнения нити.
Кроме перечисленных, имеются и некоторые другие атрибуты.
Как видно из перечня, многие атрибуты объекта-нити аналогичны атрибутам объекта-процесса. Весьма сходны и сервисные функции, которые могут быть выполнены над объектами-процессами и объектами-нитями: создание, открытие, завершение, приостановка, запрос и установка информации, запрос и установка контекста и другие функции.
6.4.4.5 Алгоритм планирования процессов и нитей
В Windows NT реализована вытесняющая многозадачность, при которой операционная система не ждет, когда нить сама захочет освободить процессор, а принудительно снимает ее с выполнения после того, как та израсходовала отведенное ей время (квант), или если в очереди готовых появилась нить с более высоким приоритетом. При такой организации разделения процессора ни одна нить не займет процессор на очень долгое время.
Рис. 8.3. Граф состояний нити
В ОС Windows NT нить в ходе своего существования может иметь одно из шести состояний (рисунок 8.3). Жизненный цикл нити начинается в тот момент, когда программа создает новую нить. Запрос передается NT executive, менеджер процессов выделяет память для объекта-нити и обращается к ядру, чтобы инициализировать объект-нить ядра. После инициализации нить проходит через следующие состояния:
Готовность
. При поиске нити на выполнение диспетчер просматривает только нити, находящиеся в состоянии готовности, у которых есть все для выполнения, но не хватает только процессора.
Первоочередная готовность
(standby). Для каждого процессора системы выбирается одна нить, которая будет выполняться следующей (самая первая нить в очереди). Когда условия позволяют, происходит переключение на контекст этой нити.
Выполнение
. Как только происходит переключение контекстов, нить переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока либо ядро не вытеснит ее из-за того, что появилась более приоритетная нить или закончился квант времени, выделенный этой нити, либо нить завершится вообще, либо она по собственной инициативе перейдет в состояние ожидания.
Ожидание
. Нить может входить в состояние ожидания несколькими способами: нить по своей инициативе ожидает некоторый объект для того, чтобы синхронизировать свое выполнение; операционная система (например, подсистема ввода-вывода) может ожидать в интересах нити; подсистема окружения может непосредственно заставить нить приостановить себя. Когда ожидание нити подойдет к концу, она возвращается в состояние готовности.
Переходное состояние
. Нить входит в переходное состояние, если она готова к выполнению, но ресурсы, которые ей нужны, заняты. Например, страница, содержащая стек нити, может быть выгружена из оперативной памяти на диск. При освобождении ресурсов нить переходит в состояние готовности.
Завершение
. Когда выполнение нити закончилось, она входит в состояние завершения. Находясь в этом состоянии, нить может быть либо удалена, либо не удалена. Это зависит от алгоритма работы менеджера объектов, в соответствии с которым он и решает, когда удалять объект. Если executive имеет указатель на объект-нить, то она может быть инициализирована и использована снова.
Диспетчер ядра использует для определения порядка выполнения нитей алгоритм, основанный на приоритетах, в соответствии с которым каждой нити присваивается число - приоритет, и нити с более высоким приоритетом выполняются раньше нитей с меньшим приоритетом. В самом начале нить получает приоритет от процесса, который создает ее. В свою очередь, процесс получает приоритет в тот момент, когда его создает подсистема той или иной прикладной среды. Значение базового приоритета присваивается процессу системой по умолчанию или системным администратором. Нить наследует этот базовый приоритет и может изменить его, немного увеличив или уменьшив. На основании получившегося в результате приоритета, называемого приоритетом планирования, начинается выполнение нити. В ходе выполнения приоритет планирования может меняться.
Windows NT поддерживает 32 уровня приоритетов, разделенных на два класса - класс реального времени и класс переменных приоритетов. Нити реального времени, приоритеты которых находятся в диапазоне от 16 до 31, являются более приоритетными процессами и используются для выполнения задач, критичных ко времени.
Каждый раз, когда необходимо выбрать нить для выполнения, диспетчер прежде всего просматривает очередь готовых нитей реального времени и обращается к другим нитям, только когда очередь нитей реального времени пуста. Большинство нитей в системе попадают в класс нитей с переменными приоритетами, диапазон приоритетов которых от 0 до 15. Этот класс имеет название "переменные приоритеты" потому, что диспетчер настраивает систему, выбирая (понижая или повышая) приоритеты нитей этого класса.
Алгоритм планирования нитей в Windows NT объединяет в себе обе базовых концепции - квантование и приоритеты. Как и во всех других алгоритмах, основанных на квантовании
, каждой нити назначается квант, в течение которого она может выполняться. Нить освобождает процессор, если:
блокируется, уходя в состояние ожидания;
завершается;
исчерпан квант;
в очереди готовых появляется более приоритетная нить.
Использование динамических приоритетов
, изменяющихся во времени, позволяет реализовать адаптивное планирование, при котором не дискриминируются интерактивные задачи, часто выполняющие операции ввода-вывода и недоиспользующие выделенные им кванты. Если нить полностью исчерпала свой квант, то ее приоритет понижается на некоторую величину. В то же время приоритет нитей, которые перешли в состояние ожидания, не использовав полностью выделенный им квант, повышается. Приоритет не изменяется, если нить вытеснена более приоритетной нитью.
Для того, чтобы обеспечить хорошее время реакции системы, алгоритм планирования использует наряду с квантованием концепцию абсолютных приоритетов
. В соответствии с этой концепцией при появлении в очереди готовых нитей такой, у которой приоритет выше, чем у выполняющейся в данный момент, происходит смена активной нити на нить с самым высоким приоритетом.
В многопроцессорных системах при диспетчеризации и планировании нитей играет роль их процессорная совместимость: после того, как ядро выбрало нить с наивысшим приоритетом, оно проверяет, какой процессор может выполнить данную нить и, если атрибут нити "процессорная совместимость" не позволяет нити выполняться ни на одном из свободных процессоров, то выбирается следующая в порядке приоритетов нить.
6.4.4.6 Сетевые средства
Средства сетевого взаимодействия Windows NT направлены на реализацию взаимодействия с существующими типами сетей, обеспечение возможности загрузки и выгрузки сетевого программного обеспечения, а также на поддержку распределенных приложений.
Windows NT с точки зрения реализации сетевых средств имеет следующие особенности:
Встроенность на уровне драйверов. Это свойство обеспечивает быстродействие.
Открытость - обуславливается легкостью динамической загрузки-выгрузки, мультиплексируемостью протоколов.
Наличие RPC, именованных конвейеров и почтовых ящиков для поддержки распределенных приложений .
Наличие дополнительных сетевых средств, позволяющих строить сети в масштабах корпорации: дополнительные средства безопасности централизованное администрирование отказоустойчивость (UPS, зеркальные диски).
Windows NT унаследовала от своих предшественников редиректор и сервер, протокол верхнего уровня SMB и транспортный протокол NetBIOS (правда, с новым "наполнением" - NetBEUI). Как и в сети MS-NET редиректор перенаправляет локальные запросы ввода-вывода на удаленный сервер, а сервер принимает и обрабатывает эти запросы.
Сначала редиректор и сервер были написаны на ассемблере и располагались над существующим системным программным обеспечением MS-DOS. Новые редиректор и сервер встроены в Windows NT, они не зависят от архитектуры аппаратных средств, на которых работает ОС. Они написаны на С и выполнены как загружаемые драйверы файловой системы, которые могут загружаться или выгружаться в любое время. Они также могут сосуществовать с редиректорами и серверами других производителей.
Реализация редиректора и сервера как драйверов файловой системы делают их частью NT executive. Следовательно, они имеют доступ к специализированным интерфейсам, которые менеджер ввода-вывода обеспечивает для драйверов. Эти интерфейсы, в свою очередь, были разработаны с учетом нужд сетевых компонент. Доступ к интерфейсам драйверов плюс возможности непосредственного вызова кэш-менеджера дают значительный вклад в повышение производительности редиректора и сервера. Многоуровневая модель драйверов менеджера ввода-вывода отражает многоуровневую модель сетевых протоколов. Так как редиректор и сервер являются драйверами, то они могут быть размещены на верхнем уровне, под которым располагаются все необходимые драйверы транспортных протоколов. Такая структура обеспечивает модульность сетевых компонент и создает эффективный путь от уровня редиректора или сервера вниз к транспортному и физическому уровням сети.
Сетевой редиректор обеспечивает средства, необходимые одному компьютеру Windows NT для доступа к файлам и принтерам другого компьютера. Так как он поддерживает SMB-протокол, то он работает с существующими серверами MS-NET и LAN Manager, обеспечивая доступ к системам MS-DOS, Windows и OS/2 из Windows NT. Механизмы безопасности обеспечивают защиту данных Windows NT, разделяемых по сети, от несанкционированного доступа.
Редиректор имеет одну основную задачу: поддержку распределенной файловой системы, которая ведет себя подобно локальной файловой системе, хотя и работает через ненадежную среду (сеть). Когда связь отказывает, редиректор ответственен за восстановление соединения, если это возможно, или же за возврат кода ошибки, чтобы приложение смогло повторить операцию.
Подобно другим драйверам файловой системы, редиректор должен поддерживать асинхронные операции ввода-вывода, если они вызываются. Когда пользовательский запрос является асинхронным, то редиректор должен вернуть управление немедленно, независимо от того, завершилась ли удаленная операция ввода-вывода или нет. При этом редиректор выполняется в контексте этой нити. Вызывающая нить должна продолжить свою работу, а редиректор должен ждать завершения запущенной операции. Есть два варианта решения этой проблемы: или редиректор сам создает новую нить, которая будет ждать, или он может передать эту работу уже готовой нити, существующей в системе. В Windows NT реализован второй вариант.
Редиректор отправляет и получает блоки SMB для выполнения своей работы. Протокол SMB является протоколом прикладного уровня, включающим сетевой уровень и уровень представления.
SMB реализует:
установление сессии,
файловый сервис,
сервис печати,
сервис сообщений.
Интерфейс, в соответствии с которым редиректор посылает блоки SMB, называется интерфейсом транспортных драйверов
(transport driver interface - TDI). Редиректор вызывает функции TDI для передачи блоков SMB различным транспортным драйверам, загруженным в Windows NT. Для вызова функций TDI редиректор должен открыть канал, называемый виртуальной связью (virtual circuit), к машине назначения, а затем послать SMB-сообщение через эту виртуальную связь. Редиректор создает только одну виртуальную связь для каждого сервера, с которым соединена система Windows NT, и мультиплексирует через нее запросы к этому серверу. Транспортный уровень определяет, каким образом реализовать виртуальную связь, и пересылает данные через сеть.
Как и редиректор, сервер Windows NT на 100% совместим с существующими SMB-протоколами MS-NET и LAN Manager. Эта полная совместимость позволяет серверу обрабатывать запросы, исходящие не только от систем Windows NT, но и от других систем, работающих с программным обеспечением LAN Manager. Как и редиректор, сервер выполнен в виде драйвера файловой системы.
Может показаться странным, что сервер в соответствии с микроядерной концепцией не реализован как серверный процесс. Было бы логично ожидать, что сетевой сервер будет функционировать как защищенная подсистема - процесс, чьи нити ожидают поступления запросов по сети, выполняют их, а затем возвращают результаты по сети. Этот подход, как наиболее естественный, был тщательно рассмотрен при проектировании Windows NT, однако, учитывая опыт построения сетей VAX/VMS и опыт использования RPC, было решено выполнить сервер как драйвер файловой системы. Хотя сервер и не является драйвером в обычном смысле, и он не управляет файловой системой на самом деле, использование модели драйвера обеспечивает некоторые преимущества.
Главное из них состоит в том, что драйвер реализован в среде NT executive и может вызывать кэш-менеджер NT непосредственно, что оптимизирует передачу данных. Например, когда сервер получает запрос на чтение большого количества данных, он вызывает кэш-менеджер для определения места расположения этих данных в кэше (или для загрузки этих данных в кэш, если их там нет) и для фиксации данных в памяти. Затем сервер передает данные непосредственно из кэша в сеть, минуя доступ к диску. Аналогично, при запросе на запись данных сервер вызывает кэш-менеджер для резервирования места для поступающих данных. Затем сервер пишет данные непосредственно в кэш. Записывая данные в кэш, сервер возвращает управление клиенту гораздо быстрее; затем кэш-менеджер записывает данные на диск в фоновом режиме (используя страничные средства менеджера виртуальной памяти).
Будучи драйвером файловой системы, сервер несколько более гибок по сравнению с его реализацией в виде процесса. Например, он может регистрировать функции завершения ввода-вывода, что позволяет ему получать управление немедленно после завершения работы драйверов нижнего уровня. Хотя сервер Windows NT реализован как драйвер файловой системы, другие серверы могут быть реализованы и как драйверы, и как серверные процессы.
Асинхронные вызовы обрабатываются сервером аналогично, с использованием пула рабочих нитей.
И редиректоры, и серверы, и транспортные драйверы могут быть в любое время загружены и выгружены.
Открытая архитектура сетевых средств Windows NT обеспечивает работу своих рабочих станций (и серверов) в гетерогенных сетях не только путем предоставления возможности динамически загружать и выгружать сетевые средства, но и путем непосредственного переключения с программных сетевых средств, ориентированных на взаимодействие с одним типом сетей, на программные средства для другого типа сетей в ходе работы системы. Windows NT поддерживает переключение программных средств на трех уровнях:
на уровне редиректоров - каждый редиректор предназначен для своего протокола (SMP, NCP, NFS, VINES);
на уровне драйверов транспортных протоколов, предоставляя для них и для редиректоров стандартный интерфейс TDI;
на уровне драйверов сетевых адаптеров - со стандартным интерфейсом NDIS 3.0.
Для доступа к другим типам сетей в Windows NT, помимо встроенного, могут загружаться дополнительные редиректоры. Специальные компоненты Windows NT решают, какой редиректор должен быть вызван для обслуживания запроса на удаленный ввод-вывод. За последние десятилетия получили распространение различные протоколы передачи информации по сети. И хотя Windows NT поддерживает не все эти протоколы, она, по крайней мере, разрешает включать их поддержку.
После того, как сетевой запрос достигает редиректора, он должен быть передан в сеть. В традиционной системе каждый редиректор жестко связан с определенным транспортным протоколом. В Windows NT поставлена задача гибкого подключения того или иного транспортного протокола, в зависимости от типа транспорта, используемого в другой сети. Для этого во всех редиректорах нижний уровень должен быть написан в соответствии с определенными соглашениями, которые и определяют единый программный интерфейс, называемый интерфейсом транспортных драйверов
(TDI).
TDI позволяет редиректорам оставаться независимым от транспорта. Таким образом, одна версия редиректора может пользоваться любым транспортным механизмом. TDI обеспечивает набор функций, которые редиректоры могут использовать для пересылки любых типов данных с помощью транспортного уровня. TDI поддерживает как связи с установлением соединения (виртуальные связи), так и связи без установления соединения (датаграммные связи). Хотя LAN Manager использует связи с установлением соединений, Novell IPX является примером сети, которая использует связь без установления соединения. Microsoft изначально обеспечивает транспорты - NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface), TCP/IP, IPX/SPX, DECnet и AppleTalk.
Сетевые адаптеры поставляются вместе с сетевыми драйверами, которые раньше часто были рассчитаны на взаимодействие с определенным типом транспортного протокола. Так как Windows NT позволяет загружать драйверы различных транспортных протоколов, то производители сетевых адаптеров, использующие такой подход, должны были писать различные варианты одного и того же драйвера, рассчитанные на связь с разными протоколами транспортного уровня.
Чтобы помочь производителям избежать этого, Windows NT обеспечивает интерфейс и программную среду, называемые "спецификация интерфейса сетевого драйвера
" (NDIS), которые экранируют сетевые драйверы от деталей различных транспортных протоколов. Самый верхний уровень драйвера сетевого адаптера должен быть написан в соответствии с рекомендациями NDIS. В этом случае пользователь может работать с сетью TCP/IP и сетью NetBEUI (или DECnet, NetWare, VINES и т.п.), используя один сетевой адаптер и один сетевой драйвер. Среда NDIS использовалась в сетях LAN Manager, но для Windows NT она была обновлена.
Через свою нижнюю границу драйвер сетевого адаптера обычно взаимодействует непосредственно с адаптером или адаптерами, которые он обслуживает. Драйвер сетевого адаптера, реализованный для среды NDIS, управляет адаптером не непосредственно, а использует для этого функции, предоставляемые NDIS (например, для запуска ввода-вывода или обработки прерываний). Таким образом, среда NDIS образует некую оболочку, которая позволяет достаточно просто переносить драйверы сетевых адаптеров из одной ОС в другую. NDIS позволяет сетевым драйверам не содержать встроенных знаний о процессоре или операционной системе, на которых он работает.
6.4.5.
Совместимость Windows NT с NetWare
Совместимость сетевых операционных систем предполагает использование одинакового стека коммуникационных протоколов, в том числе и верхнего прикладного уровня. Протоколы верхнего уровня (NCP, SMB, NFS, FTP, telnet) включают две части - клиентскую и серверную. При взаимодействии двух компьютеров на каждой стороне могут присутствовать как обе части прикладного протокола, так и по одной его части, в зависимости от этого образуется или одна, или две пары "клиент-сервер".
Для клиентской части протокола верхнего уровня, реализованного в виде модуля операционной системы, используются разные названия - редиректор (redirector), инициатор запросов или запросчик (requester). Эти компоненты получают запросы от приложений на доступ к удаленным ресурсам, расположенным на серверах, и ведут диалог с сервером в соответствии с каким-либо протоколом прикладного уровня. Совокупность функций, которая может использовать приложение для обращения к редиректору, называется прикладным интерфейсом (API) редиректора.
Существующая версия Windows NT 3.51 имеет встроенную поддержку стека протоколов Novell, а именно протоколов IPX/SPX и клиентской части NCP. При разработке первой версии Windows NT 3.1 между Microsoft и Novell существовало соглашение о том, что редиректор, реализующий клиентскую часть протокола NCP, будет написан силами сотрудников Novell и передан Microsoft в течение 60 дней после выпуска коммерческой версии Windows NT 3.1. Однако первая версия редиректора от Novell появилась только спустя четыре месяца и обладала существенными ограничениями: не поддерживался полностью API редиректора NetWare, в частности, поддерживались только 32-х разрядные вызовы, что означало невозможность работы старых 16 разрядных приложений клиента NetWare.
Через некоторое время Microsoft разработала свою собственную версию редиректора для NetWare, проведя большую работу по освоению NCP. Этот вариант оказался гораздо лучше, однако и он имеет недостатки: в нем отсутствует поддержка входных сценариев NetWare и службы каталогов NetWare Directory Services. Отсутствие поддержки входных сценариев означает, что администратору сети будет сложно автоматизировать создание индивидуальной операционной среды NetWare для пользователей, использующих Windows NT в качестве клиентской машины серверов NetWare.
Организация, использующая NetWare, может добавить Windows NT в качестве:
клиентской рабочей станции,
файлового сервера или сервера печати наряду с NetWare,
файлового сервера или сервера печати вместо NetWare,
сервера баз данных или других приложений.
Сеть с файловыми серверами различных типов (NetWare и Windows NT) порождает сложные технические проблемы. Даже если серверы используют одинаковые транспортные протоколы, в данном случае протокол IPX (в реализации Microsoft имеющий название NWLink), клиентским рабочим станциям все равно придется загружать два разных инициатора запросов. У клиента, работающего в среде MS-DOS, для этого может просто не хватить памяти.
Для смягчения перехода от NetWare к Windows NT Server разработано несколько инструментальных программ, в том числе утилита Migration Tool, которая включена в комплект поставки Windows NT Server. Эта утилита переносит учетную информацию пользователей (имена пользователей, ограничения и права доступа) и данные с одного или нескольких файловых серверов NetWare на сервер Windows NT. Migration Tool подбирает наилучшее соответствие между возможностями NetWare и возможностями Windows NT. Однако имеется ряд существенных различий в том, как обрабатываются такие вещи, как ограничения. В NetWare подобная информация обрабатывается для каждого пользователя в отдельности, а в Windows NT она общая для целого сервера.
Компания Beame and Whiteside Software создала первый NFS сервер для Windows NT, а также продукт под названием BW-Multiconnect, который превращает сервер Windows NT в сервер NetWare. Системы Windows NT с установленным продуктом BW-Multiconnect посылают широковещательные сообщения по протоколу SAP (протокол объявления сервисов и серверов по сети - Service Advertising Protocol, с помощью которого клиенты NetWare узнают о наличии в сети серверов и о тех услугах, которые они предоставляют). BW-Multiconnect должен облегчить сосуществование и миграцию от NetWare к Windows NT. Хотя он и может работать как единственный NCP-сервер сети, он не предназначен для этой роли, так как предоставляет лишь ограниченный набор утилит под Windows и DOS, и не обрабатывает входных командных файлов NetWare. Но когда в сети есть "настоящий" файловый сервер NetWare, то пользователи могут войти в этот сервер, выполнить системный входной командный файл, а затем подсоединиться к серверу Windows NT. Этот продукт превращает в сервер NetWare как Windows NT Server, так и Windows NT Workstation.
Microsoft ведет работу над созданием своих собственных файл- и принт-серверов NetWare для Windows NT. Кроме этого, скоро должен появиться редиректор NetWare для Windows NT, поддерживающий NDS.
Рассмотренные способы организации взаимодействия сетей построены на использовании принципа мультиплексирования протоколов. Другим подходом является использование шлюза. Шлюз действует как транслятор, что позволяет получать доступ к файлам и ресурсам печати на файловом сервере NetWare, не пользуясь ничем, кроме загруженного редиректора Windows NT. Шлюз преобразовывает SMB-сообщения, посланные каким-либо Windows NT-клиентом, в NCP-сообщения, которые посылаются на серверы NetWare. В этом случае имеется экономия памяти на клиентских машинах, так как не требуется загружать дополнительные редиректоры.
Вариант шлюза подходит только для приложений, использующих для запросов к серверу NetWare только стандартный API, а при использовании специфического для NetWare API нельзя обойтись без установки дополнительного редиректора.
Если NetWare-шлюз загружен, Windows NT Server может подсоединиться к одному или нескольким файловым серверам NetWare и подключиться к любому дисковому тому, очереди на печать или каталогу. После того, как сервер подключился к ресурсам, их можно начинать использовать совместно с другими пользователями через File Manager или Print manager, как если бы они были локальными ресурсами. То есть пользователи, вошедшие в домен, на сервере которого установлен шлюз к NetWare, получают доступ к серверам NetWare.
Трансляция протоколов в шлюзе замедляет доступ к серверу NetWare по сравнению с доступом через редиректор клиента. При тестировании замедление в малозагруженном шлюзе составило от 10% до 15%.
Имя пользователя, используемое шлюзом для входа в сервер NetWare, должно входить в группу NTGateway на сервере Windows NT. Разрешение на доступ к ресурсам NetWare предоставляется пользователям сервером Windows NT точно так же, как если бы это были его локальные ресурсы.
6.5 Операционная система OS/2
6.5.1.
История развития OS/2 и ее место на рынке
Аналитики, занимающиеся 32-х битными операционными системами для персональных компьютеров, всегда концентрируют свое внимание на битве между Microsoft Windows и IBM OS/2, предполагая, что Microsoft имеет преимущество. Но не все согласны с такой точкой зрения. OS/2 v.2.0 была первой доступной и работающей 32-х битной операционной системой для персональных компьютеров. И она первой начала очередной круг состязаний - версия OS/2 Warp, предназначенная для клиентских машин сетей клиент-сервер и одноранговых сетей, появилась на рынке раньше Windows 95, позиционированной аналогичным образом. OS/2 Warp была также первой системой, включившей набор средств поддержки Internet, а также средств объектной ориентации.
6.5.2.
Битва Microsoft - IBM на рынке настольных ОС
Когда бета-тестеры получили Chicago, первую публичную версию Windows 95, те, кто уже использовал OS/2, отметили чрезвычайную схожесть двух систем. Например, обе начинают работу с показа красивой заставки, а затем приглашают пользователя к работе за вместительным рабочим столом; обе системы рассматривают иконки и программы как объекты; обе используют правую кнопку мыши для управления поведением объектов; обе используют более 20 дискет для инсталляции. Пользовательский интерфейс обеих систем имеет одинаковый уровень изощренности, требования к аппаратным ресурсам компьютера похожи, и они обе основаны на использовании одинакового набора лежащих в основе системы технологий. Эти технологии включают многозадачность и многонитевость, способность выполнять DOS-программы с помощью виртуальных машин процессоров Intel 80x86, полную 32-х битную организацию.
И это не случайность. С тех пор, как IBM выпустила версию 2.0 OS/2, а Microsoft решила позиционировать Windows NT как корпоративную ОС, стала ясно видна важная брешь в линии операционных систем Microsoft, которую и заполнила IBM. Попытки Microsoft выдвинуть Windows 3.1 на ту же роль наиболее развитой ОС для настольных систем, что и OS/2, имели ограниченный успех. Аналитики считают, что корпорация Microsoft действительно хотела, чтобы Windows NT заняла на рынке то же место, что и OS/2, но OS/2 уже заняла его к тому времени, когда вышла Windows NT.
В результате Microsoft стала нести потери в объемах продаж, и, что более важно, терять твердую почву для своих операционных систем. Когда стало ясно, что Windows NT вряд ли в полной мере станет лидером настольных ОС высшего класса, маркетинговая машина Microsoft стала меньше говорить о возможностях Windows NT и начала говорить о возможностях Windows 95. Ясно, что IBM и OS/2 оказали значительное влияние на стратегию Microsoft в области операционных систем.
IBM, в свою очередь, постоянно создает здоровую конкуренцию для линии Windows. Windows 95 не сравнима с OS/2 2.2. Скорее конкурировать будут Windows 95 и OS/2 Warp 3/0. Warp - это выстрел с дальним прицелом, направленный на вытеснение Windows. И, хотя Warp имеет некоторые исходные преимущества и как система выглядит "лучше", Windows по прежнему является надежным выбором.
Имена операционных систем могут измениться, но равновесие в битве IBM/Microsoft останется тем же. Через два года Microsoft и IBM смогут обмениваться аналогичными выстрелами в сражении Cairo - OS/2 вместо Windows 95 - Warp.
Существуют две причины - фактическая и эмоциональная - которые мешают установлению перемирия между этими двумя компаниями:
Фактически
, IBM была в этой области первой. OS/2 превратилась в работающий продукт со свей версией 2.0 в 1992 году. С этого времени она стала многозадачной, многонитевой системой с удобным объектно-ориентированным интерфейсом. Усилия по развитию OS/2 были неторопливыми и постоянными, и система получала похвалы и поддержку на всем пути своего развития. Однако Windows по прежнему держала наибольшую долю рынка. Преимущества OS/2 были не всесторонними, и, несмотря на усилия технических и маркетинговых специалистов IBM, система не стала вполне совершенной.
В отношении управления системой, с OS/2 работать не проще, чем с Windows. Конфликты с аппаратной и программной совместимостью могут по прежнему вызывать проблемы, и их решение не выглядит универсальным и интуитивным.
Эмоционально
, IBM чувствует себя "преданной" Microsoft, которая сбежала из рядов разработчиков OS/2. Это не совсем справедливо по отношению к Microsoft, так как компания вправе вкладывать свои капиталы с ту сферу деятельности, которая по ее мнению принесет наибольшую прибыль. Хотя Microsoft могла бы вести себя более тактично и продолжать партнерство по OS/2.
Хотя сейчас IBM далеко не та компания, какою она была в те далекие дни, когда она доминировала на рынке персональных компьютеров, ей тоже не хватает такта. Эта компания была первой так долго, что она не умеет выступать на вторых ролях. Первоначальная стратегия игнорирования общественных потребностей и навязывания дорогих, но не всегда обоснованных решений, быстро потерпела неудачу. С появлением клонов персональных компьютеров отпала необходимость платить больше только за марку IBM. Поэтому с момента появления версии OS/2 2.0 IBM изменила свою стратегию. Она стала играть по тем же правилам, по которым играют остальные компании.
6.5.3.
OS/2 - постепенные улучшения
Операционная система OS/2 начиналась как совместная разработка IBM и Microsoft (хотя большую часть работы должна была выполнить Microsoft). Изначально она была задумана как замена DOS. Уже тогда было ясно, что DOS с ее ограничениями по памяти и по возможностям файловой системы не может воспользоваться вычислительной мощностью появляющихся компьютеров. OS/2 была хорошо продуманной системой. Она должна была поддерживать вытесняющую многозадачность, виртуальную память, графический пользовательский интерфейс, виртуальную машину для выполнения DOS-приложений. Фактически она выходила за пределы простой многозадачности с ее концепцией, названной многонитевостью.
Первые версии OS/2 не оказали значительного влияния на рынок. Версия OS/2 1.0, выпущенная в 1987 году, содержала большинство технических свойств, необходимых для многозадачной ОС. Однако у нее не было менеджера графического представления (presentation manager, PM), а также отсутствовали драйверы для многих популярных принтеров и других устройств. Версия OS/2 1.1, появившаяся в 1989 году, включала рудиментарную версию PM, которая, наконец, делала возможным использование графических приложений в нескольких окнах. Однако в этой версии PM не хватало многих свойств, которые присущи развитому графическому интерфейсу, кроме того, по прежнему отсутствовали многие драйверы принтеров. Выпущенная в 1990 году версия 1.2 имела улучшенный PM, хотя он и не следовал общепринятым концепциям графического интерфейса. Появились драйверы для большинства принтеров и других периферийных устройств.
Однако дискредитация OS/2 уже произошла. Версия 1.2 не была существенно лучше предыдущих версий и все еще предъявляла значительные требования к аппаратуре. К этому времени многие пользователи решили перейти на новую платформу Windows 3.0 или подождать, пока не появится что-нибудь принципиально лучшее. Продажи OS/2 по-прежнему были вялыми и рынок не интересовался ею. Это объяснялось наличием у OS/2 ряда существенных недостатков:
Виртуальная машина DOS, которая должна была бы обладать способностью выполнять немодифицированные приложения DOS, с самого начала имела технические изъяны. Эта виртуальная машина была разработана на базе виртуальных возможностей процессора i286, который позволял выделять сегмент памяти в 640 Кб для отдельного DOS-приложения. Однако процессор i286 в этом виртуальнои режиме работал слишком медленно, поэтому виртуальная DOS-машина была реализована на основе реального режима процессора. При этом требовался перезапуск процессора для переключения между реальным и защищенным режимами. Хотя эта операция и выполнялась очень быстро и незаметно для пользователя, она была сложной и вносила путаницу.
Microsoft и IBM не смогли в полной мере реализовать концепцию виртуальной обработки в режиме I8086: в этом режиме DOS-приложения, которые непосредственно читали или писали в аппаратные порты, переставали работать. В связи с этим не могли использоваться и популярные сетевые операционные системы на базе DOS.
Память в этом режиме использовалась нерационально - если пользователь конфигурировал OS/2 с возможностью DOS-совместимости, то 640 КБ памяти всегда выделялись для этих целей и не могли использоваться для задач OS/2.
Еще одним недостатком было отсутствие возможности обмена данными между DOS- и OS/2-приложениями.
В каждый момент времени могло выполняться только одно DOS-приложение, и это приложение не могло использовать расширенную память.
В результате для пользователей OS/2 многие популярные DOS-приложения оказались недоступными, а те, что были доступны, не могли вообще взаимодействовать со средой OS/2. Время показало, что для пользователей это обстоятельство оказалось весьма важным, так как многие отказались от покупки OS/2, оставаясь с проверенной, хотя и не очень совершенной DOS.
7. Заключение
Большое разнообразие типов компьютеров, используемых в вычислительных сетях, влечет за собой разнообразие операционных систем: для рабочих станций, для серверов сетей уровня отдела и серверов уровня предприятия в целом. К ним могут предъявляться различные требования по производительности и функциональным возможностям, желательно, чтобы они обладали свойством совместимости, которое позволило бы обеспечить совместную работу различных ОС.
Сетевые ОС могут быть разделены на две группы: масштаба отдела и масштаба предприятия. ОС для отделов или рабочих групп обеспечивают набор сетевых сервисов, включая разделение файлов, приложений и принтеров. Они также должны обеспечивать свойства отказоустойчивости, например, работать с RAID-массивами, поддерживать кластерные архитектуры. Сетевые ОС отделов обычно более просты в установке и управлении по сравнению с сетевыми ОС предприятия, у них меньше функциональных свойств, они меньше защищают данные и имеют более слабые возможности по взаимодействию с другими типами сетей, а также худшую производительность.
Сетевая операционная система масштаба предприятия прежде всего должна обладать основными свойствами любых корпоративных продуктов, в том числе:
масштабируемостью, то есть способностью одинаково хорошо работать в широком диапазоне различных количественных характеристик сети,
совместимостью с другими продуктами, то есть способностью работать в сложной гетерогенной среде интерсети в режиме plug-and-play.
Корпоративная сетевая ОС должна поддерживать более сложные сервисы. Подобно сетевой ОС рабочих групп, сетевая ОС масштаба предприятия должна позволять пользователям разделять файлы, приложения и принтеры, причем делать это для большего количества пользователей и объема данных и с более высокой производительностью. Кроме того, сетевая ОС масштаба предприятия обеспечивает возможность соединения разнородных систем - как рабочих станций, так и серверов. Например, даже если ОС работает на платформе Intel, она должна поддерживать рабочие станции UNIX, работающие на RISC-платформах. Аналогично, серверная ОС, работающая на RISC-компьютере, должна поддерживать DOS, Windows и OS/2. Сетевая ОС масштаба предприятия должна поддерживать несколько стеков протоколов (таких как TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS, DECnet и OSI), обеспечивая простой доступ к удаленным ресурсам, удобные процедуры управления сервисами, включая агентов для систем управления сетью.
Важным элементом сетевой ОС масштаба предприятия является централизованная справочная служба, в которой хранятся данные о пользователях и разделяемых ресурсах сети. Такая служба, называемая также службой каталогов, обеспечивает единый логический вход пользователя в сеть и предоставляет ему удобные средства просмотра всех доступных ему ресурсов. Администратор, при наличии в сети централизованной справочной службы, избавлен от необходимости заводить на каждом сервере повторяющийся список пользователей, а значит избавлен от большого количества рутинной работы и от потенциальных ошибок при определении состава пользователей и их прав на каждом сервере.
Важным свойством справочной службы является ее масштабируемость, обеспечиваемая распределенностью базы данных о пользователях и ресурсах.
Такие сетевые ОС, как Banyan Vines, Novell NetWare 4.x, IBM LAN Server, Sun NFS, Microsoft LAN Manager и Windows NT Server, могут служить в качестве операционной системы предприятия, в то время как ОС NetWare 3.x, Personal Ware, Artisoft LANtastic больше подходят для небольших рабочих групп.
Критериями для выбора ОС масштаба предприятия являются следующие характеристики:
Органичная поддержка многосерверной сети;
Высокая эффективность файловых операций;
Возможность эффективной интеграции с другими ОС;
Наличие централизованной масштабируемой справочной службы;
Хорошие перспективы развития;
Эффективная работа удаленных пользователей;
Разнообразные сервисы: файл-сервис, принт-сервис, безопасность данных и отказоустойчивость, архивирование данных, служба обмена сообщениями, разнообразные базы данных и другие;
Разнообразные программно-аппаратные хост-платформы: IBM SNA, DEC NSA, UNIX;
Разнообразные транспортные протоколы: TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS, AppleTalk;
Поддержка многообразных операционных систем конечных пользователей: DOS, UNIX, OS/2, Mac;
Поддержка сетевого оборудования стандартов Ethernet, Token Ring, FDDI, ARCnet;
Наличие популярных прикладных интерфейсов и механизмов вызова удаленных процедур RPC;
Возможность взаимодействия с системой контроля и управления сетью, поддержка стандартов управления сетью SNMP.
Конечно, ни одна из существующих сетевых ОС не отвечает в полном объеме перечисленным требованиям, поэтому выбор сетевой ОС, как правило, осуществляется с учетом производственной ситуации и опыта. В таблице приведены основные характеристики популярных и доступных в настоящее время сетевых ОС.
Список литературы
1.Д. Гантер, С. Барнет, Л.Гантер
“
Интеграция
Windows NT и Unix” 464с. C
анкт-Петербург,
1998
г.
2.Питер Дайсон “Unix. Настольный справочник” 395
с. ЛОРИ 1997 г.
3.Джеймс Армстронг
“
Секркты
UNIX”
Санкт-Петербург, 1998 г.
4.И. Серебрянский “ Novell Net Ware одним взглядом” 160 c.BHV-Санкт-Петербург 1996 г.
5.Кепли М., Сипплес Т.Ф.
“Ответы на актуальные вопросы OS/2 Warp” 352 c
. ДиаСофт 1996 г.
6.Компьютерный журнал
МИР ПК #01/99 “ Последние десять минут”
7.LAN/ЖУРНАЛ СЕТЕВЫХ РЕШЕНИЙ #04/99 “ Linux - возвращаясь к напечатанному”
8.Журнал "Мир ПК" #12/98 Издательство "Открытые Системы “ Unix против NT: есть ли чего бояться?”
9.LAN/ЖУРНАЛ СЕТЕВЫХ РЕШЕНИЙ #09/98
“
Построение сетей с серверами NetWare и NT
”
10.LAN/ЖУРНАЛ СЕТЕВЫХ РЕШЕНИЙ #07/96
“
Сетевые ОС в гетерогенной среде
”
11.COMPUTERWORLD РОССИЯ #10/99 “
Что больше подходит корпоративным пользователям: Linux или Windows NT?
”
12.Ссылка в
Internet :
www.citforum.ru
13.Ссылка в
Internet :
www.osp.ru
приложение
Таблица. 1.
Основные характеристики сетевых операционных систем
| Novell NetWare 4.1 |
Специализированная операционная система, оптимизированная для работы в качестве файлового сервера и принт-сервера Ограниченные средства для использования в качестве сервера приложений: не имеет средств виртуальной памяти и вытесняющей многозадачности, а поддержка симметричного мультипроцесcирования отсутствовала до самого недавнего времени. Отсутствуют API основных операционных сред, используемых для разработки приложений, - UNIX, Windows, OS/2 Серверные платформы: компьютеры на основе процессоров Intel, рабочие станции RS/6000 компании IBM под управлением операционной системы AIX с помощью продукта NetWare for UNIX Поставляется с оболочкой для клиентов: DOS, Macintosh, OS/2, UNIX, Windows (оболочка для Windows NT разрабатывается компанией Novell в настоящее время, хотя Microsoft уже реализовала клиентскую часть NetWare в Windows NT) Организация одноранговых связей возможна с помощью ОС PersonalWare Имеет справочную службу NetWare Directory Services (NDS), поддерживающую централизованное управление, распределенную, полностью реплицируемую, автоматически синхронизируемую и обладающую отличной масштабируемостью Поставляется с мощной службой обработки сообщений Message Handling Service (MHS), полностью интегрированную (начиная с версии 4.1) со справочной службой Поддерживаемые сетевые протоколы: TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS, Appletalk Поддержка удаленныхпользователей: ISDN, коммутируемые телефонные линии, frame relay, X.25 - с помощью продукта NetWare Connect (поставляется отдельно) Безопасность: аутентификация с помощью открытых ключей метода шифрования RSA; сертифицирована по уровню C2 Хороший сервер коммуникаций Встроенная функция компрессии диска Сложное обслуживание |
| Banyan VINES 6.0 и ENS (Enterprise Network Services) 6.0 |
Серверные платформы: ENS for UNIX: работает на RISC-компьютерах под управлением SCO UNIX, HP-UX, Solaris, AIX ENS for NetWare: работает на Intel-платформах под управлением NetWare 2.x, 3.x, 4.x VINES работает на Intel-платформах Клиентские платформы: DOS, Macintosh, OS/2, UNIX, Windows for Workgroups, Windows NT Хороший сервер приложений: поддерживаются вытесняющая многозадачность, виртуальная память и симметричное мультипроцессирование в версии VINES и в ENS-версиях для UNIX. Поддерживаются прикладные среды UNIX, OS/2, Windows Поддержка одноранговых связей - отсутствует Справочная служба - Streettalk III, наиболее отработанная из имеющихся на рынке, с централизованным управлением, полностью интегрированная с другими сетевыми службами, распределенная, реплицируемая и автоматически синхронизируемая, отлично масштабируемая Согласованность работы с другими сетевыми ОС: хорошая; серверная оболочка работает в средах NetWare и UNIX; пользователи NetWare, Windows NT и LAN Server могут быть объектами справочной службы Streettalk III Служба сообщений - Intelligent Messaging, интегрирована с другими службами Поддерживаемые сетевые протоколы: VINES IP, TCP/IP, IPX/SPX, Appletalk Поддержка удаленных пользователей: ISDN, коммутируемые телефонные линии, X.25 Служба безопасности: поддерживает электронную подпись (собственный алгоритм), избирательные права доступа, шифрацию; не сертифицирована Простое обслуживание Хорошо масштабируется Отличная производительность обмена данными между серверами, хуже- при обмене сервер-ПК |
| Microsoft LAN Manager |
широкая распространенность работает под OS/2 и UNIX поддерживает мощные серверные платформы один сервер может поддерживать до 2 000 клиентов |
| Microsoft Windows NT Server 3.51 и 4.0 |
Серверные платформы: компьютеры на базе процессоров Intel, PowerPC, DEC Alpha, MIPS Клиентские платформы: DOS, OS/2, Windows, Windows for Workgroups, Macintosh Организация одноранговой сети возможна с помощью Windows NT Workstation и Windows for Workgroups Windows NT Server представляет собой отличный сервер приложений: он поддерживает вытесняющую многозадачность, виртуальную память и симметричное мультипроцессирование, а также прикладные среды DOS, Windows, OS/2, POSIX Справочные службы: доменная для управления учетной информацией пользователей (Windows NT Domain Directory service), справочные службы имен WINS и DNS Хорошая поддержка совместной работы с сетями NetWare: поставляется клиентская часть (редиректор) для сервера NetWare (версий 3.х и 4.х в режиме эмуляции 3.х, справочная служба NDS поддерживается, начиная с версии 4.0), выполненная в виде шлюза в Windows NT Server или как отдельная компонента для Windows NT Workstation; недавно Microsoft объявила о выпуске серверной части NetWare как оболочки для Windows NT Server Служба обработки сообщений - Microsoft Mail, основанная на DOS- платформе, в этом году ожидается версия для платформы Windows NT - Microsoft Message Exchange, интегрированная с остальными службами Windows NT Server Поддерживаемые сетевые протоколы: TCP/IP, IPX/SPX, NetBEUI, Appletalk Поддержка удаленных пользователей: ISDN, коммутируемые телефонные линии, frame relay, X.25 - с помощью встроенной подсистемы Remote Access Server (RAS) Служба безопасности: мощная, использует избирательные права доступа и доверительные отношения между доменами; узлы сети, основанные на Windows NT Server, сертифицированы по уровню C2 Простота установки и обслуживания Отличная масштабируемость |
| IBM LAN Server 4.0 |
Серверные платформы: операционные системы MVS и VM для мейнфреймов; AS/400 с OS/400, рабочие станции RS/6000 с AIX, серверы Intel 486 или Pentium под OS/2 Поставляется с оболочками для клиентов: DOS, Macintosh, OS/2, Windows, Windows NT, Windows for Workgroups Серверы приложений могут быть организованы с помощью LAN Server 4.0 в операционных средах MVS, VM, AIX, OS/2, OS/400. В среде OS/2 поддерживаются: вытесняющая многозадачность, виртуальная память и симметричное мультипроцессирование Организация одноранговых связей возможна с помощью ОС Warp Connect Справочная служба - LAN Server Domain, то есть основа на доменном подходе Поддерживаемые сетевые протоколы: TCP/IP, NetBIOS, Appletalk Безопасность - избирательные права доступа, система не сертифицирована Служба обработки сообщений - отсутствует Высокая производительность Недостаточная масштабируемость |
| IBM и NCR LAN Manager |
LAN Manager for UNIX хорошо распространена (15% объема мировых продаж сетевых ОС) LAN Manager for AIX поддерживает RISC компьютеры System/6000 в качестве файлового сервера Работает под UNIX, имеет все преимущества, связанные с использованием этой ОС |