Глава 2. Назначение и функции операционной системы
Сегодня существует большое количество разных типов операционных систем, отличающихся областями применения, аппаратными платформами и методами реализации. Естественно, это обуславливает и значительные функциональные различия этих ОС. Даже у конкретной операционной системы набор выполняемых функций зачастую определить не так просто — та функция, которая сегодня выполняется внешней по отношению к ОС, завтра может стать ее неотъемлемой частью, и наоборот. Поэтому при изучении операционных систем очень важно из всего многообразия выделить те функции, которые присущи всем операционным системам как классу продуктов.
Операционные системы для автономного компьютера
Операционная система компьютера — это комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой компьютера с другой стороны.
В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций:
q предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины, с которой удобней работать и которую легче программировать;
q повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторым критерием.
ОС как виртуальная машина
Для того чтобы успешно решать свои задачи, современный пользователь или даже прикладной программист может обойтись без досконального знания аппаратного устройства компьютера. Ему не обязательно быть в курсе того, как функционируют различные электронные блоки и электромеханические узлы компьютера. Рядовому пользователю достаточно уметь работать с графическим интерфейсом, находить на рабочем столе или в папках нужные файлы и запускать приложения на выполнение.
Программист может писать программы, не зная систему команд процессора, так как операционная система предоставляет ему в распоряжение мощные высокоуровневые языковые средства. Так, например, при работе с диском программисту, пишущему приложение для работы под управлением ОС, достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Последовательность действий при работе с файлом заключается в его открытии, выполнении одной или нескольких операций чтения или записи и последующего закрытия файла. Такие частности, как используемая при записи частотная модуляция или текущее состояние двигателя механизма перемещения магнитных головок чтения/записи, не должны волновать программиста. Именно операционная система скрывает от программиста большую часть особенностей аппаратуры и предоставляет возможность простой и удобной работы с требуемыми файлами.
Если бы программист работал непосредственно с аппаратурой компьютера, без участия ОС, то для организации чтения блока данных с диска программисту пришлось бы использовать более десятка команд с указанием множества параметров: номера блока на диске, номера сектора на дорожке и т. п. А после завершения операции обмена с диском он должен был бы предусмотреть в своей программе анализ результата выполненной операции. Учитывая, что контроллер диска способен распознавать более двадцати различных вариантов завершения операции, можно считать программирование обмена с диском на уровне аппаратуры не самой тривиальной задачей. Не менее обременительной выглядит и работа пользователя, если бы ему для чтения файла с терминала потребовалось задавать числовые адреса дорожек и секторов.
Операционная система избавляет программистов не только от необходимости напрямую работать с аппаратурой дискового накопителя, предоставляя им простой файловый интерфейс, но и берет на себя все другие рутинные операции, связанные с управлением разнообразными аппаратными устройствами компьютера: физической памятью, таймерами, принтерами и т. д.
В результате работы операционной системы реальная машина, способная выполнять только небольшой набор элементарных действий, определяемых ее системой команд, превращается в виртуальную машину, выполняющую широкий набор значительно более мощных функций.
В этой книге мы часто будем использовать слово «виртуальный» для обозначения объектов, с точки зрения пользователя или пользовательской программы обладающих свойствами, которыми они в действительности не обладают. Так, виртуальная машина подобно реальному компьютеру управляется командами, но это уже команды другого, более высокого уровня: удалить файл с определенным именем, запустить на выполнение некоторую прикладную программу, повысить приоритет задачи, вывести текст из файла на печать. Таким образом, назначение ОС состоит в предоставлении пользователю/программисту некоторой усовершенствованной (часто говорят — расширенной) виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальный компьютер или реальную сеть.
ОС как система управления ресурсами
Операционная система не только предоставляет пользователям и программистам удобный интерфейс к аппаратным средствам компьютера, но и является механизмом, распределяющим ресурсы компьютера.
К числу основных ресурсов современных вычислительных систем могут быть отнесены такие ресурсы, как процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие.
Ресурсы распределяются между процессами.
Процесс (задача) — это единица вычислительной работы, создаваемая операционной системой в момент запуска программы на выполнение.
Иногда процесс кратко определяют просто как программу в стадии выполнения. Однако не следует путать понятия «программа» и «процесс». Программа является статическим объектом, представляющим собой файл с кодами и данными, которые могут быть записана на разных типах носителей — на листке бумаги, перфокартах, магнитном диске или в оперативной памяти. Процесс — это динамический объект, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или сама операционная система решают «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы. Например, ОС может создать процесс в ответ на команду пользователя run prg1.exe, где prg1.exe — это имя файла, в котором хранится код программы.
В общем случае нет однозначного соответствия между процессами и программами. Один и тот же программный файл может породить несколько параллельно выполняемых процессов, а процесс может в ходе своего выполнения сменить программный файл и начать выполнять другую программу.
ПРИМЕЧАНИЕ
Во многих современных ОС для обозначения минимальной единицы работы ОС используют термин «нить», или «поток», при этом изменяется суть термина «процесс». Подробнее об этом рассказывается в главе 4. В остальных главах мы будем придерживаться упрощенного толкования, в соответствии с которым для обозначения выполняемой программы будет использоваться только термин «процесс».
Основным назначением операционной системы является управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования. Например, мультипрограммная операционная система организует одновременное выполнение сразу нескольких процессов на одном компьютере, поочередно переключая процессор с одного процесса на другой, исключая простои процессора, вызываемые обращениями процессов к вводу-выводу. ОС также отслеживает и разрешает конфликты, возникающие при обращении нескольких процессов к одному и тому же устройству ввода-вывода или к одним и тем же данным.
Критерий эффективности, в соответствии с которым ОС организует управление ресурсами компьютера, может быть различным. Например, в одних системах важен такой критерий, как пропускная способность вычислительной системы, в других — время ее реакции. Очевидно, что ОС, построенные в соответствии с разными критериями эффективности, будут по-разному организовывать вычислительный процесс.
Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:
q планирование ресурса — то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс;
q удовлетворение запросов на ресурсы;
q отслеживание состояния и учет использования ресурса — то есть поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена;
q разрешение конфликтов между процессами.
Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых, в конечном счете, и определяют облик ОС в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Например, применяемый алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, может ли ОС использоваться как система разделения времени, система пакетной обработки или система реального времени.
Задача организации эффективного совместного использования ресурсов несколькими процессами является весьма сложной, и сложность эта порождается, в основном, случайным характером возникновения запросов на потребление ресурсов. В мультипрограммной системе образуются очереди заявок от одновременно выполняемых программ к разделяемым ресурсам компьютера: процессору, странице памяти, к принтеру, к диску. Операционная система организует обслуживание этих очередей по разным алгоритмам: в порядке поступления, на основе приоритетов, путем кругового обслуживания и т. д. Анализ и определение оптимальных дисциплин обслуживания заявок является предметом специальной области прикладной математики — теории массового обслуживания. Эта теория иногда используется для оценки эффективности тех или иных алгоритмов управления очередями в операционных системах. Очень часто в ОС реализуются и эмпирические алгоритмы обслуживания очередей, прошедшие проверку практикой.
Таким образом, управление ресурсами составляет важную часть функций любой операционной системы, в особенности мультипрограммной. В отличие от функций расширенной машины, большинство функций управления ресурсами выполняется операционной системой автоматически и прикладному программисту недоступно.
Функциональные компоненты операционной системы автономного компьютера
Функции операционной системы автономного компьютера обычно группируются либо в соответствии с типами локальных ресурсов, которыми управляет ОС, либо в соответствии со специфическими задачами, применимыми ко всем ресурсам. Иногда такие группы функций называют подсистемами. Наиболее важными подсистемами управления ресурсами являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а подсистемами, общими для всех ресурсов, являются подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.
Управление процессами
Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами.
Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информационные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресурсах вычислительной системы, а также о фактически выделенных ему ресурсах. Таким образом, процесс можно также определить как некоторую заявку на потребление системных ресурсов.
Чтобы процесс мог быть выполнен, операционная система должна назначить ему область оперативной памяти, в которой будут размещены коды и данные процесса, а также предоставить ему необходимое процессорное время. Кроме того, процессу может понадобиться доступ к таким ресурсам, как файлы и устройства ввода-вывода.
В информационные структуры процесса часто включаются вспомогательные данные, характеризующие историю пребывания процесса в системе (например, какую долю времени процесс потратил на операции ввода-вывода, а какую — на вычисления), его текущее состояние (активное или заблокированное), степень привилегированности процесса (значение приоритета). Данные такого рода могут учитываться операционной системой при принятии решения о предоставлении ресурсов процессу.
В мультипрограммной операционной системе одновременно может существовать несколько процессов. Часть процессов порождается по инициативе пользователей и их приложений, такие процессы обычно называют пользовательскими. Другие процессы, называемые системными, инициализируются самой операционной системой для выполнения своих функций.
Поскольку процессы часто одновременно претендуют на одни и те же ресурсы, то в обязанности ОС входит поддержание очередей заявок процессов на ресурсы, например, очереди к процессору, к принтеру, к последовательному порту.
Важной задачей операционной системы является защита ресурсов, выделенных данному процессу, от остальных процессов.
Одним из наиболее тщательно защищаемых ресурсов процесса являются области оперативной памяти, в которой хранятся коды и данные процесса. Совокупность всех областей оперативной памяти, выделенных операционной системой процессу, называется его адресным пространством. Говорят, что каждый процесс работает в своем адресном пространстве, имея в виду защиту адресных пространств, реализуемую ОС. Защищаются и другие типы ресурсов, такие как файлы, внешние устройства и т. д. Операционная система может не только защищать ресурсы, выделенные одному процессу, но и организовывать их совместное использование, например, разрешать доступ к некоторой области памяти нескольким процессам.
На протяжении периода существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды. Состояние операционной среды идентифицируется состоянием регистров и программного счетчика, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выполняемых данным процессом системных вызовов и т. д. Эта информация называется контекстом процесса. Говорят, что при смене процесса происходит переключение контекстов.
Операционная система берет на себя также функции синхронизации процессов, позволяющие процессу приостанавливать свое выполнение до наступления какого-либо события в системе, например завершения операции ввода-вывода, осуществляемой по его запросу операционной системой.
Для реализации сложных программных комплексов полезно бывает организовать их работу в виде нескольких параллельных процессов, которые периодически взаимодействуют друг с другом и обмениваются некоторыми данными. Так как операционная система защищает ресурсы процессов и не позволяет одному процессу писать в память или читать из памяти другого процесса, то для оперативного взаимодействия процессов ОС должна предоставлять особые средства, которые называют средствами межпроцессного взаимодействия.
Таким образом, подсистема управления процессами ОС выполняет следующие действия:
q распределяет процессорное время между несколькими одновременно выполняемыми в системе процессами,
q занимается созданием и уничтожением процессов,
q обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами,
q поддерживает синхронизацию процессов;
q реализует взаимодействие между процессами.
Управление памятью
Память является для процесса не менее важным ресурсом, чем процессор, так как процесс может выполняться процессором только в том случае, если его коды и данные (не обязательно все) находятся в оперативной памяти.
Управление памятью включает распределение имеющейся физической памяти между всеми существующими в системе в данный момент процессами, загрузку кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку адресно-зависимых частей кодов процесса на физические адреса выделенной области, а также защиту областей памяти каждого процесса.
Существует большое разнообразие алгоритмов распределения памяти. Они могут отличаться, например, количеством выделяемых процессу областей памяти (в одних случаях память выделяется процессу в виде одной непрерывной области, а в других — в виде нескольких несмежных областей), степенью свободы границы областей (она может быть жестко зафиксирована на все время существования процесса или же динамически перемещаться при выделении процессу дополнительных объемов памяти). В некоторых системах распределение памяти выполняется страницами фиксированного размера, в других — сегментами переменной длины.
Одним из наиболее популярных механизмов управления памятью в современных операционных системах является механизм так называемой виртуальной памяти.
Механизм виртуальной памяти позволяет программисту писать программу так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная память большого объема, часто существенно превышающего объем имеющейся физической памяти.
В действительности все данные, используемые программой, хранятся на диске и при необходимости частями (сегментами или страницами) отображаются на физическую память. При перемещении кодов и данных между оперативной памятью и диском подсистема виртуальной памяти выполняет трансляцию виртуальных адресов, полученных в результате компиляции и компоновки программы, в физические адреса ячеек оперативной памяти. Очень важно, что все операции по перемещению кодов и данных между оперативной памятью и дисками, а также трансляция адресов выполняются ОС прозрачно для программиста.
Защита памяти — это избирательная способность предохранять выполняемую задачу от записи или чтения памяти, назначенной другой задаче. Правильно написанные программы не пытаются обращаться к памяти, назначенной другим. Однако реальные программы часто содержат ошибки, в результате которых такие попытки иногда предпринимаются. Средства защиты памяти, реализованные в операционной системе, должны пресекать несанкционированный доступ процессов к чужим областям памяти.
Таким образом, функциями ОС по управлению памятью являются:
q отслеживание свободной и занятой памяти;
q выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов;
q защита памяти;
q вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти недостаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место;
q настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.
Управление файлами и внешними устройствами
Способность ОС к «экранированию» сложностей реальной аппаратуры очень ярко проявляется в одной из основных подсистем ОС — файловой системе. Операционная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла — простой неструктурированной последовательности байтов, имеющей символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги, которые в свою очередь образуют группы — каталоги более высокого уровня. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, вывод содержимого на внешнее устройство (например, на дисплей), изменение и сохранение содержимого.
Чтобы представить большое количество наборов данных, разбросанных случайным образом по цилиндрам и поверхностям дисков различных типов, в виде хорошо всем знакомой и удобной иерархической структуры файлов и каталогов, операционная система должна решить множество задач. Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов, с которыми работает пользователь или прикладной программист, в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.
При выполнении своих функций файловая система тесно взаимодействует с подсистемой управления внешними устройствами, которая по запросам файловой системы осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью.
Подсистема управления внешними устройствами, называемая также подсистемой ввода-вывода, исполняет роль интерфейса ко всем устройствам, подключенным к компьютеру. Спектр этих устройств очень обширен. Номенклатура выпускаемых накопителей на жестких, гибких и оптических дисках, принтеров, сканеров, мониторов, плоттеров, модемов, сетевых адаптеров и более специальных устройств ввода-вывода, таких как, например, аналого-цифровые преобразователи, может насчитывать сотни моделей. Эти модели могут существенно отличаться набором и последовательностью команд, с помощью которых осуществляется обмен информацией с процессором и памятью компьютера, скоростью работы, кодировкой передаваемых данных, возможностью совместного использования и множеством других деталей.
Программа, управляющая конкретной моделью внешнего устройства и учитывающая все его особенности, обычно называется драйвером этого устройства (от английского drive — управлять, вести). Драйвер может управлять единственной моделью устройства, например, принтером Deskjet 3420 компании Hewlett-Packard, или же группой устройств определенного типа, например, любыми Hayes-совместимыми модемами. Для пользователя очень важно, чтобы операционная система включала как можно больше разнообразных драйверов, так как это гарантирует возможность подключения к компьютеру большого числа внешних устройств различных производителей. От наличия подходящих драйверов во многом зависит успех операционной системы на рынке (например, отсутствие многих необходимых драйверов внешних устройств было одной из причин сравнительно низкой популярности OS/2).
Созданием драйверов устройств занимаются как разработчики конкретной ОС, так и специалисты компаний, выпускающих внешние устройства. Операционная система должна поддерживать хорошо определенный интерфейс между драйверами и остальной частью ОС, чтобы разработчики из компаний-производителей устройств ввода-вывода могли поставлять вместе со своими устройствами драйверы для данной операционной системы.
Прикладные программисты могут пользоваться интерфейсом драйверов при разработке своих программ, но это не очень удобно — такой интерфейс обычно представляет собой низкоуровневые операции, обремененные большим количеством деталей.
Поддержание высокоуровневого унифицированного интерфейса прикладного программирования к разнородным устройствам ввода-вывода является одной из наиболее важных задач ОС. Со времени появления ОС Unix такой унифицированный интерфейс в большинстве операционных систем строится на основе концепции файлового доступа. Эта концепция заключается в том, что обмен с любым внешним устройством выглядит как обмен с файлом, имеющим имя и представляющим собой неструктурированную последовательность байтов. В качестве файла может выступать как реальный файл на диске, так и алфавитно-цифровой терминал, печатающее устройство или сетевой адаптер. Здесь мы опять имеем дело со свойством операционной системы подменять реальную аппаратуру удобными для пользователя и программиста абстракциями.
Защита данных и администрирование
Безопасность данных вычислительной системы обеспечивается средствами отказоустойчивости ОС, направленными на защиту от сбоев и отказов аппаратуры и ошибок программного обеспечения, а в многопользовательских ОС также средствами защиты от несанкционированного доступа. В последнем случае ОС защищает данные от ошибочного или злонамеренного поведения пользователей системы.
Первым рубежом обороны при защите данных от несанкционированного доступа является процедура логического входа. Операционная система должна убедиться, что в систему пытается войти пользователь, вход которого разрешен администратором. Функции защиты ОС вообще очень тесно связаны с функциями администрирования, так как именно администратор определяет права пользователей при их обращении к разным ресурсам системы — файлам, каталогам, принтерам, сканерам и т. п. Кроме того, администратор ограничивает возможности пользователей в выполнении тех или иных системных действий. Например, пользователю может быть запрещено выполнять процедуру завершения работы ОС, устанавливать системное время, завершать чужие процессы, создавать учетные записи пользователей, изменять права доступа к некоторым каталогам и файлам. Администратор может также урезать возможности пользовательского интерфейса, убрав, например, некоторые пункты из меню операционной системы, выводимого на дисплей пользователя.
Важным средством защиты данных являются функции аудита ОС, заключающиеся в фиксации всех событий, от которых зависит безопасность системы. Например, попытки удачного и неудачного логического входа в систему, операции доступа к некоторым каталогам и файлам, использование принтеров и т. п. Список событий, которые необходимо отслеживать, определяет администратор ОС.
Поддержка отказоустойчивости реализуется операционной системой, как правило, на основе резервирования. Чаще всего в функции ОС входит поддержание нескольких копий данных на разных дисках или разных дисковых накопителях. Резервируются также принтеры и другие устройства ввода-вывода. При отказе одного из избыточных устройств операционная система должна быстро и прозрачным для пользователя образом произвести реконфигурирование и продолжить работу с резервным устройством. Особым случаем обеспечения отказоустойчивости является использование нескольких процессоров, то есть мультипроцессирование, когда система продолжает работу при отказе одного из процессоров, хотя и с меньшей производительностью. (Необходимо отметить, что многие ОС использует мультипроцессорную конфигурацию компьютера только для ускорения работы, и при отказе одного из процессоров прекращают работу.)
Поддержка отказоустойчивости также входит в обязанности системного администратора. В состав ОС обычно входят утилиты, позволяющие администратору выполнять регулярные операции резервного копирования для быстрого восстановления важных данных.
Интерфейс прикладного программирования
Прикладные программисты используют в своих приложениях обращения к ОС, когда для выполнения тех или иных действий им требуется особый, привилегированный статус, которым обладает только операционная система[1]. Например, в большинстве современных ОС все действия, связанные с управлением аппаратными средствами компьютера, может выполнять только ОС. Поэтому для того, чтобы, скажем, установить таймер или получить дополнительную память, приложение нужно обратиться к ОС. Помимо функций, связанных с аппаратными ресурсами, ОС предоставляет прикладному программисту набор функций ОС, которые упрощают написание приложений. Функции такого типа реализуют универсальные действия, часто требующиеся в различных приложениях, такие, например, как обработка текстовых строк. Эти функции в принципе могут быть выполнены и самим приложением (что и делается в тех случаях, когда качество системной процедуры не устраивает прикладного программиста), однако часто более предпочтительным является использование уже готовых, отлаженных процедур, включенных в состав операционной системы.
Возможности операционной системы доступны прикладному программисту в виде набора функций, называющегося интерфейсом прикладного программирования (Application Programming Interface, API).
От конечного пользователя эти функции скрыты за оболочкой алфавитно-цифрового или графического пользовательского интерфейса.
Для разработчиков приложений все особенности конкретной операционной системы представлены особенностями ее API. Поэтому операционные системы с различной внутренней организацией, но с одинаковым набором API-функций кажутся им одной и той же ОС, что упрощает стандартизацию операционных систем и обеспечивает переносимость приложений между внутренне различными ОС, соответствующими определенному стандарту на API. Например, следование общим стандартам API Unix, одним из которых является стандарт Posix, позволяет говорить о некоторой обобщенной операционной системе Unix, хотя многочисленные версии этой ОС от разных производителей иногда существенно различаются внутренней организацией.
Приложения выполняют обращения к API-функциям с помощью системных вызовов. Способ, которым приложение получает услуги операционной системы, очень похож на вызов подпрограмм. Информация, нужная ОС и состоящая обычно из идентификатора команды и данных, помещается в определенное место памяти, в регистры и/или стек. Затем управление передается операционной системе, которая выполняет требуемую функцию и возвращает результаты через память, регистры или стеки. Если операция проведена неуспешно, то результат включает индикацию ошибки.
Реализация системных вызовов зависит от структурной организации ОС, которая в свою очередь тесно связана с особенностями аппаратной платформы. Кроме того, она зависит от языка программирования. При использовании ассемблера программист устанавливает значения регистров и/или областей памяти, а затем выполняет специальную инструкцию вызова сервиса или программного прерывания для обращения к некоторой функции ОС. При применении языков высокого уровня функции ОС вызываются тем же способом, что и написанные пользователем подпрограммы, требуя задания определенных аргументов в определенном порядке.
Пользовательский интерфейс
Операционная система должна предоставлять удобный интерфейс не только для прикладных программ, но и для человека, работающего за терминалом. Этот человек может быть конечным пользователем, администратором ОС или программистом.
В ранних операционных системах пакетного режима функции пользовательского интерфейса были сведены к минимуму и не требовали наличия терминала. Команды языка управления заданиями набивались на перфокарты, а результаты выводились на печатающее устройство.
Современные ОС поддерживают развитые функции пользовательского интерфейса для интерактивной работы за терминалами двух типов: алфавитно-цифровыми и графическими.
При работе за алфавитно-цифровым терминалом пользователь имеет в своем распоряжении систему команд, возможности которой отражают функциональные возможности данной ОС. Обычно командный язык ОС позволяет запускать и останавливать приложения, выполнять различные операции с файлами и каталогами, получать информацию о состоянии ОС (количество работающих процессов, объем свободного пространства на дисках и т. п.), администрировать систему. Команды могут вводиться не только в интерактивном режиме с терминала, но и считываться из так называемого командного файла, содержащего некоторую последовательность команд.
Программный модуль ОС, ответственный за чтение отдельных команд или же последовательностей команд из командного файла, иногда называют командным интерпретатором.
Ввод команды может быть упрощен, если операционная система поддерживает графический пользовательский интерфейс. В этом случае пользователь для выполнения нужного действия с помощью мыши выбирает на экране нужный пункт меню или графический символ.
Как показал опыт использования ОС, оба типа интерфейса нужны пользователям. Массовый непрофессиональный пользователь в основном применяет графический оконный интерфейс, в то время как профессионалы задействуют оба в зависимости от решаемых задач: более мощный по функциональным возможностям интерфейс командной строки, когда нужно достичь достаточно специфического и тонкого эффекта, и графический интерфейс для рутинных операций.
Сетевые операционные системы
Компьютерная сеть — это набор компьютеров, связанных коммуникационной системой и снабженных соответствующим программным обеспечением, позволяющим пользователям сети получать доступ к ресурсам этого набора компьютеров. Сеть могут образовывать компьютеры разных типов, в частности небольшие микропроцессоры, рабочие станции, миникомпьютеры, персональные компьютеры или суперкомпьютеры. Коммуникационная система может включать кабели, повторители, коммутаторы, маршрутизаторы и другие устройства, обеспечивающие передачу сообщений между любой парой компьютеров сети.
Сетевая операционная система позволяет пользователю работать со своим компьютером как с автономным и добавляет к этому возможность доступа к информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров сети.
При организации сетевой работы операционная система играет роль интерфейса, экранирующего от пользователя все детали низкоуровневых программно-аппаратных средств сети. Например, вместо числовых адресов компьютеров сети, таких как МАС-адрес и IP-адрес, операционная система компьютерной сети позволяет оперировать удобными для запоминания символьными именами. В результате в представлении пользователя сеть с ее множеством сложных и запутанных реальных деталей превращается в достаточно понятный набор разделяемых ресурсов.
Сетевая ОС предоставляет пользователю некую виртуальную вычислительную систему, работать с которой гораздо проще, чем с реальной сетевой аппаратурой. В то же время эта виртуальная система не полностью скрывает распределенную природу своего реального прототипа. При обращении к ресурсам компьютеров сети пользователи сетевой ОС всегда помнят, что они имеют дело с сетевыми ресурсами, и для доступа к ним нужно выполнить некоторые особые операции, например, отобразить удаленный разделяемый каталог на вымышленную локальную букву дисковода или поставить перед именем каталога еще и имя компьютера, на котором тот расположен. Пользователи сетевой ОС обычно должны быть в курсе того, где хранятся их файлы, и использовать явные команды передачи файлов для перемещения фалов с одной машины на другую.
Работая в среде сетевой ОС, пользователь, хотя и может запустить задание на любой машине компьютерной сети, всегда знает, на какой машине выполняется его задание. По умолчанию пользовательское задание выполняется на той машине, на которой пользователь сделал логический вход. Если же он хочет выполнить задание на другой машине, то ему нужно либо выполнить удаленный логический вход на эту машину, используя команду типа remote login, либо ввести специальную команду удаленного выполнения, в которой он должен указать информацию, идентифицирующую удаленный компьютер.
Магистральным направлением развития сетевых операционных систем является достижение как можно более высокой степени прозрачности сетевых ресурсов. В идеальном случае сетевая ОС должна представить пользователю сетевые ресурсы не в виде сети, а в виде ресурсов единой централизованной виртуальной машины. Для такой операционной системы используют специальное название — распределенная ОС, или истинно распределенная ОС.
Распределенная ОС существует как единая операционная система в масштабах вычислительной системы. Каждый компьютер сети, работающей под управлением распределенной ОС, выполняет часть функций этой глобальной ОС. Распределенная ОС, динамически и автоматически распределяя работы по различным машинам системы для обработки, заставляет набор сетевых машин действовать как виртуальный унипроцессор. Пользователь распределенной ОС, вообще говоря, не имеет сведений о том, на какой машине выполняется его работа.
В настоящее время практически все операционные системы относятся к классу сетевых, однако они еще очень далеки от идеала истинной распределенности. Современная компьютерная сеть работает под управлением совокупности сетевых ОС, установленных на каждом из компьютеров. Эти ОС могут быть одинаковыми или разными. Например, на всех компьютерах сети может работать одна и та же ОС Unix. Более реалистичным вариантом является сеть, в которой работают разные ОС, например, часть компьютеров работает под управлением Unix FreeBSD, часть — под управлением NetWare 6.5, а остальные — под управлением Windows Vista. Все эти операционные системы функционируют независимо друг от друга в том смысле, что каждая из них принимает независимые решения о создании и завершении собственных процессов и управлении локальными ресурсами. Но в любом случае операционные системы компьютеров, работающих в сети, должны включать взаимно согласованный набор коммуникационных протоколов для организации взаимодействия процессов, выполняющихся на разных компьютерах сети, и разделения ресурсов этих компьютеров между пользователями сети.
Функциональные компоненты сетевой ОС
На рис. 2.1 показаны основные функциональные компоненты сетевой ОС:
q средства управления локальными ресурсами компьютера реализуют все функции ОС автономного компьютера (распределение оперативной памяти между процессами, планирование и диспетчеризацию процессов, управление процессорами в мультипроцессорных машинах, управление внешней памятью, интерфейс с пользователем и т. д.);
q сетевые средства, в свою очередь, можно разделить на три компонента:
§ средства предоставления локальных ресурсов и услуг в общее пользование — серверная часть ОС;
§ средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам — клиентская часть ОС;
§ транспортные средства ОС совместно с коммуникационной системой обеспечивают передачу сообщений между компьютерами сети.
Рис. 2.1. Функциональные компоненты сетевой ОС
Упрощенно работа сетевой ОС происходит следующим образом. Предположим, что пользователь компьютера А решил разместить свой файл на диске другого компьютера сети — компьютера B. Для этого он набирает на клавиатуре соответствующую команду. Программный модуль ОС, отвечающий за интерфейс с пользователем, принимает эту команду и передает ее клиентской части ОС компьютера А.
Клиентская часть ОС не может получить непосредственный доступ к ресурсам другого компьютера — в данном случае к дискам и файлам компьютера В. Она может только «попросить» об этом серверную часть ОС, работающую на том компьютере, которому принадлежат эти ресурсы. Эти «просьбы» выражаются в виде сообщений, передаваемых по сети. Сообщения могут содержать не только команды на выполнение некоторых действий, но и собственно данные, например, содержимое некоторого файла.
Управляют передачей сообщений между клиентской и серверной частями по коммуникационной системе сети транспортные средства ОС. Эти средства выполняют такие функции, как формирование сообщений, разбиение сообщения на части (пакеты, кадры), преобразование имен компьютеров в числовые адреса, организация надежной доставки сообщений, определение маршрута в сложной сети и т. д.
Правила взаимодействия компьютеров при передаче сообщений по сети фиксируются в коммуникационных протоколах, таких как Ethernet, Token Ring, IP, IPX и пр. Чтобы два компьютера смогли обмениваться сообщениями по сети, транспортные средства их ОС должны поддерживать некоторый общий набор коммуникационных протоколов. Коммуникационные протоколы переносят сообщения клиентских и серверных частей ОС по сети, не вникая в их содержание.
На стороне компьютера В, на диске которого пользователь хочет разместить свой файл, должна работать серверная часть ОС, постоянно ожидающая прихода из сети запросов на удаленный доступ к ресурсам этого компьютера. Серверная часть, приняв запрос из сети, обращается к локальному диску и записывает в один из его каталогов указанный файл. Конечно, для выполнения этих действий требуется не одно, а целая серия сообщений, переносящих между компьютерами команды ОС и части передаваемого файла.
Очень удобной и полезной способностью клиентской части ОС является способность отличить запрос к удаленному файлу от запроса к локальному файлу. Если клиентская часть ОС умеет это делать, то приложения не должны заботиться о том, с локальным или удаленным файлом они работают — клиентская программа сама распознает и перенаправляет (redirect) запрос к удаленной машине. Отсюда и название, часто используемое для клиентской части сетевой ОС, — редиректор. Иногда функции распознавания выделяются в отдельный программный модуль, в этом случае редиректором называют не всю клиентскую часть, а только этот модуль.
Клиентские части сетевых ОС выполняют также преобразование форматов запросов к ресурсам. Они принимают запросы от приложений на доступ к сетевым ресурсам в локальной форме, то есть в форме, принятой в локальной части ОС. В сеть же запрос передается клиентской частью в другой форме, соответствующей требованиям серверной части ОС, работающей на компьютере, где расположен требуемый ресурс. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверной части и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо.
Сетевые службы и сетевые сервисы
Совокупность серверной и клиентской частей ОС, предоставляющих доступ к конкретному типу ресурса компьютера через сеть, называется сетевой службой. В приведенном ранее примере клиентская и серверная части ОС, которые совместно обеспечивают доступ через сеть к файловой системе компьютера, образуют файловую службу. Говорят, что сетевая служба предоставляет пользователям сети некоторый набор услуг. Например, большинство файловых служб может по запросу пользователя или приложения выполнять следующие действия (предоставлять услуги): создавать, удалять, копировать, переименовывать файлы и др. Услуги сетевых служб иногда называют сетевым сервисом (от английского service).
ПРИМЕЧАНИЕ
Термин «service» в технической литературе переводится и как «сервис», и как «услуга», и как «служба». Хотя указанные термины иногда используются как синонимы, следует иметь в виду, что в некоторых случаях различие в значениях этих терминов носит принципиальный характер. Далее в тексте под службой мы будем понимать сетевой компонент, который реализует некоторый набор услуг, а под сервисом — описание того набора услуг, которой предоставляется данной службой.
Каждая служба связана с определенным типом сетевых ресурсов и/или определенным способом доступа к этим ресурсам. Например, служба печати обеспечивает доступ пользователей сети к разделяемым принтерам сети и предоставляет сервис печати, а почтовая служба предоставляет доступ к информационному ресурсу сети — электронным письмам. Способом доступа к ресурсам отличается, например, служба удаленного доступа — она предоставляет пользователям компьютерной сети доступ ко всем ее ресурсам через коммутируемые телефонные каналы. Для получения удаленного доступа к конкретному ресурсу, например, к принтеру, служба удаленного доступа взаимодействует со службой печати. Среди сетевых служб можно выделить такие, которые ориентированы не на простого пользователя, а на администратора. Такие службы предназначены для организации работы сети. Например, централизованная справочная служба, или служба каталогов, предназначена для ведения базы данных о пользователях сети, обо всех ее программных и аппаратных компонентах[2]. Другими примерами сетевых служб, предоставляющих сервис администратору, являются служба мониторинга сети, позволяющая захватывать и анализировать сетевой трафик, служба безопасности, в функции которой может, в частности, входить выполнение процедуры логического входа с проверкой пароля, служба резервного копирования и архивирования.
От того, насколько богатый набор сетевых служб и услуг предлагает операционная система конечным пользователям, приложениям и администраторам сети, зависит ее позиция в общем ряду сетевых ОС.
Сетевые службы по своей природе являются клиент-серверными системами. Поскольку при реализации любого сетевого сервиса естественно возникает источник запросов (клиент) и исполнитель запросов (сервер), то и любая сетевая служба содержит в своем составе две несимметричные части — клиентскую и серверную (рис. 2.2). Сетевая служба может быть представлена в операционной системе либо обоими (клиентской и серверной) частями, либо только одной из них.
Рис. 2.2. Клиент-серверная природа сетевых служб
Обычно говорят, что сервер предоставляет свои ресурсы клиенту, а клиент ими пользуется. Необходимо отметить, что при предоставлении сетевой службой некоторой услуги используются ресурсы не только сервера, но и клиента. Клиент может затрачивать значительную часть своих ресурсов (дискового пространства, процессорного времени и т. п.) на поддержание работы сетевой службы. Например, при реализации почтовой службы на диске клиента может храниться локальная копия базы данных, содержащей его обширную переписку. В этом случае клиент выполняет большую работу при формировании сообщений в различных форматах, в том числе и сложном мультимедийном, поддерживает ведение адресной книги и выполняет еще много различных вспомогательных работ.
Принципиальной же разницей между клиентом и сервером является то, что инициатором выполнения работы сетевой службой всегда выступает клиент, а сервер всегда находится в режиме пассивного ожидания запросов. Например, почтовый сервер осуществляет доставку почты на компьютер пользователя только при поступлении запроса от почтового клиента.
Обычно взаимодействие между клиентской и серверной частями стандартизуется, так что один тип сервера может быть рассчитан на работу с клиентами разного типа, реализованными различными способами и, возможно, разными производителями. Единственное условие для этого — клиенты и сервер должны поддерживать общий стандартный протокол взаимодействия.
Встроенные сетевые службы и сетевые оболочки
На практике сложилось несколько подходов к построению сетевых операционных систем, различающихся глубиной внедрения сетевых служб в операционную систему (рис. 2.3):
q сетевые службы глубоко встроены в ОС;
q сетевые службы объединены в виде некоторого набора — оболочки;
q сетевые службы производятся и поставляются в виде отдельного продукта.
Рис. 2.3. Варианты построения сетевых ОС
Первый подход был характерен для первых сетевых ОС, которые создавались как совокупность уже существующей локальной ОС и надстроенной над ней сетевой оболочки. Сетевая оболочка представляет собой набор согласованных между собой сетевых служб, как правило, оформленных как самостоятельный программный продукт. Сетевые оболочки могут подразделяться на клиентские и серверные. Оболочка, которая преимущественно содержит клиентские части сетевых служб, называется клиентской. Серверная оболочка, как минимум, содержит серверные компоненты двух основных сетевых служб — файловой службы и службы печати.[3]
Однако в дальнейшем разработчики сетевых ОС посчитали более эффективным подход, при котором сетевая ОС с самого начала работы над ней задумывается и проектируется специально для сети. Сетевые функции у этих ОС глубоко встраиваются в основные модули системы, что обеспечивает логическую стройность ОС, а также потенциально более высокую производительность. При таком подходе отсутствует избыточность. Если все сетевые службы хорошо интегрированы и рассматриваются как неотъемлемые части ОС, то все внутренние механизмы такой операционной системы могут быть оптимизированы для выполнения сетевых функций.
Одноранговые и серверные сетевые операционные системы
В зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, они могут выступать в трех разных ролях:
q компьютер, занимающийся исключительно обслуживанием запросов других компьютеров, играет роль выделенного сервера сети;
q компьютер, обращающийся с запросами к ресурсам другой машины, исполняет роль клиентского узла;
q компьютер, совмещающий функции клиента и сервера, является одноранговым узлом.
Очевидно, что сеть не может состоять только из клиентских или только из серверных узлов. Сеть, оправдывающая свое назначение и обеспечивающая взаимодействие компьютеров, может быть построена по одной из трех следующих схем:
q сеть на основе одноранговых узлов — одноранговая сеть;
q сеть на основе клиентов и выделенных серверов — сеть с выделенными серверами;
q сеть, включающая узлы всех типов, — гибридная сеть.
Каждая из этих схем обладает своими достоинствами и недостатками, определяющими их области применения.
ОС в одноранговых сетях
В одноранговых сетях все компьютеры равны в возможностях доступа к ресурсам друг друга (рис. 2.4). Каждый пользователь может по своему желанию объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут его задействовать. В одноранговых сетях на всех компьютерах устанавливается такая операционная система, которая предоставляет всем компьютерам в сети потенциально равные возможности. Сетевые операционные системы такого типа называются одноранговыми ОС. Очевидно, что одноранговые ОС должны включать как серверные, так и клиентские компоненты сетевых служб (на рисунке они обозначены буквами соответственно С и К). Примерами одноранговых ОС могут служить Windows 2000 Professional, Windows XP/Vista.
Рис. 2.4. Одноранговая сеть
При потенциальном равноправии всех компьютеров в одноранговой сети часто возникает функциональная несимметричность. Обычно в сети имеются пользователи, которые не желают предоставлять свои ресурсы для совместной работы. В таком случае серверные возможности их операционных систем не активизируются, и компьютеры исполняют роль «чистых» клиентов (на рисунке неиспользуемые компоненты ОС изображены затемненными).
В то же время администратор может закрепить за некоторыми компьютерами сети только функции по обслуживанию запросов остальных компьютеров, превратив их, таким образом, в «чистые» серверы, за которыми не работают пользователи. В такой конфигурации одноранговые сети становятся похожими на сети с выделенными серверами, но это только внешняя схожесть — между этими двумя типами сетей остается существенное внутреннее различие. Изначально в одноранговых сетях специализация ОС не зависит от того, какую функциональную роль исполняет компьютер — клиента или сервера. Изменение роли компьютера в одноранговой сети достигается за счет того, что функции серверной или клиентской части просто не используются.
Одноранговые сети проще в организации и эксплуатации, по этой схеме работают небольшие сети, в которых количество компьютеров не превышает 10–20. В этом случае нет необходимости в применении централизованных средств администрирования — нескольким пользователям нетрудно договориться между собой о перечне разделяемых ресурсов и паролях доступа к ним.
Однако в больших сетях средства централизованного администрирования, хранения и обработки данных, а особенно защиты данных, становятся необходимыми, и такие средства легче реализовать в сетях с выделенными серверами.
ОС в сетях с выделенными серверами
В сетях с выделенными серверами используются специальные варианты сетевых ОС, которые оптимизированы для роли серверов и называются серверными ОС (рис. 2.5). Пользовательские компьютеры в этих сетях работают под управлением клиентских ОС.
Рис. 2.5. Сеть с выделенными серверами
Специализация операционной системы для работы в качестве сервера является естественным способом повышения эффективности серверных операций. А необходимость такого повышения часто ощущается весьма остро, особенно в крупной сети. При существовании в сети сотен или даже тысяч пользователей интенсивность запросов к общим ресурсам может быть очень большой, и сервер должен справляться с этим потоком запросов без больших задержек. Очевидным решением этой проблемы является использование в качестве сервера компьютера с мощной аппаратной платформой и операционной системой, оптимизированной для серверных функций.
Чем меньше функций выполняет ОС, тем более эффективно можно их реализовать, поэтому для оптимизации серверных операций разработчики ОС вынуждены ущемлять некоторые другие ее функции, причем иногда вплоть до полного их отбрасывания.
Ярким примером такого подхода являются популярные в 90-х годах серверные ОС NetWare 3.x и 4.x компании Novell. Разработчики этих ОС ставили перед собой цель оптимизировать выполнение файлового сервиса и сервиса печати. Для этого они полностью исключили из системы многие элементы, важные для универсальной ОС, в частности, графический интерфейс пользователя, поддержку универсальных приложений, защиту приложений мультипрограммного режима друг от друга, механизм виртуальной памяти. Все это позволило добиться уникальной скорости файлового доступа и вывело семейство NetWare в лидеры серверных ОС того времени.
Однако слишком узкая специализация некоторых серверных ОС является одновременно их слабой стороной. Так, отсутствие в ОС NetWare универсального интерфейса программирования и средств защиты приложений затрудняло ее применение в качестве среды для выполнения приложений, приводило к необходимости включения в сеть других серверных ОС в тех случаях, когда требовалось выполнение функций, отличных от файлового сервиса и сервиса печати. Поэтому разработчики компании Novell в следующих версиях NetWare 5.x и 6.x отказались от функциональной ограниченности и, последовав примеру создателей большинства серверных операционных систем (Windows Server[4] NT/2000/2003, Solaris, Linux, FreeBSD), включили в состав своих серверных ОС все компоненты, позволяющие использовать их в качестве универсального сервера.
В больших сетях наряду с отношениями клиент-сервер сохраняется необходимость и в одноранговых связях, поэтому такие сети чаще всего строятся по гибридной схеме (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Гибридная сеть
Требования к современным операционным системам
Главным требованием, предъявляемым к операционной системе, является выполнение ею основных функций эффективного управления ресурсами и обеспечение удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная ОС, как правило, должна поддерживать мультипрограммную обработку, виртуальную память, свопинг, многооконный графический интерфейс пользователя, а также выполнять многие другие необходимые функции и услуги. Помимо этих требований функциональной полноты, к операционным системам предъявляются не менее важные эксплуатационные требования, которые перечислены далее.
q Расширяемость. В то время как аппаратная часть компьютера устаревает за несколько лет, полезная жизнь операционных систем может измеряться десятилетиями. Примером может служить ОС Unix. Поэтому операционные системы всегда изменяются со временем эволюционно, и эти изменения более значимы, чем изменения аппаратных средств. Изменения ОС обычно заключаются приобретение ею новых свойств, например, поддержке новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Если код ОС написан таким образом, что дополнения и изменения могут вноситься без нарушения целостности системы, то такую ОС называют расширяемой. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс.
q Переносимость. В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которые различаются не только типом процессора, но и способом организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа. Переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, такое свойство ОС называют также многоплатформенностью.
q Совместимость. Существует несколько «долгоживущих» популярных операционных систем (разновидности Unix/Linux, Windows, NetWare), для которых наработана широкая номенклатура популярных приложений. Для пользователя, переходящего по тем или иным причинам с одной ОС на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой операционной системе привычного приложения. Если ОС имеет средства для выполнения прикладных программ, написанных для других операционных систем, то про нее говорят, что она обладает совместимостью с этими ОС. Следует отличать совместимость на уровне двоичных кодов от совместимости на уровне исходных текстов. Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС.
q 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 способны нанести вред ОС. Надежность и отказоустойчивость ОС, прежде всего, определяется архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также качеством ее реализации (отлаженностью кода). Кроме того, важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких, например, как дисковые массивы или источники бесперебойного питания.
q Безопасность. Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа. Чтобы ОС обладала свойством безопасности, она должна, как минимум, иметь в своем составе средства аутентификации — определения легальности пользователей, авторизации — предоставления легальным пользователям дифференцированных прав доступа к ресурсам, аудита — фиксации всех «подозрительных» для безопасности системы событий. Свойство безопасности особенно важно для сетевых ОС. В таких ОС к задаче контроля доступа добавляется задача защиты данных, передаваемых по сети.
q Производительность. Операционная система должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС влияет много факторов, среди которых основными являются архитектура ОС, многообразие функций, качество программирования кода, возможность исполнения ОС на высокопроизводительной (многопроцессорной) платформе.
Выводы
q ОС — это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для повышения эффективности аппаратуры компьютера путем рационального управления его ресурсами, а также для обеспечения удобства пользователя за счет предоставления ему расширенной виртуальной машины.
q К числу основных ресурсов, управление которыми осуществляет ОС, относятся процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Для решения задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых, в конечном счете, и определяют облик ОС.
q Наиболее важными подсистемами ОС являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а также подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.
q Прикладному программисту возможности ОС доступны в виде набора функций, составляющих интерфейс прикладного программирования (API).
q Термин «сетевая операционная система» используется в двух смыслах: во-первых, как совокупность ОС всех компьютеров сети и, во-вторых, как ОС отдельного компьютера, способного работать в сети.
q К основным функциональным компонентам сетевой ОС относятся средства управления локальными ресурсами и сетевые средства. Последние, в свою очередь, можно разделить на три компонента: средства предоставления локальных ресурсов и услуг в общее пользование (серверная часть ОС), средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам (клиентская часть ОС, или редиректор) и транспортные средства ОС (совместно с коммуникационной системой обеспечивают передачу сообщений между компьютерами сети).
q Совокупность серверной и клиентской частей, предоставляющих доступ к конкретному типу ресурса компьютера через сеть, называется сетевой службой. Сетевая служба предоставляет пользователям сети набор услуг — сетевой сервис. Каждая служба связана с определенным типом сетевых ресурсов и/или определенным способом доступа к этим ресурсам. Сетевые службы могут быть либо встроены в ОС, либо реализованы в виде программной оболочки.
q В зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети, они могут выступать в трех разных ролях. Компьютер, занимающийся исключительно обслуживанием запросов других компьютеров, играет роль выделенного сервера сети. Компьютер, обращающийся с запросами к ресурсам другой машины, исполняет роль клиентского узла. Компьютер, совмещающий функции клиента и сервера, является одноранговым узлом.
q Одноранговые сети состоят только из одноранговых узлов. При этом все компьютеры в сети имеют потенциально равные возможности. Одноранговые ОС включают как серверные, так и клиентские компоненты сетевых служб. Одноранговые сети проще в организации и эксплуатации, по этой схеме организуется работа в небольших сетях, в которых количество компьютеров не превышает 10–20.
q В сетях с выделенными серверами используется специальные варианты сетевых ОС, оптимизированные для роли либо серверов, либо клиентов. Для серверных ОС характерны поддержка мощных аппаратных платформ, в том числе мультипроцессорных, широкий набор сетевых служб, поддержка большого числа одновременно выполняемых процессов и сетевых соединений, наличие развитых средств защиты и средств централизованного администрирования сети. Клиентские ОС, в общем случае являясь более простыми, должны обеспечивать удобный пользовательский интерфейс и набор редиректоров, позволяющий получать доступ к разнообразным сетевым ресурсам.
q В число требований, предъявляемых сегодня к сетевым ОС, входят: функциональная полнота и эффективность управления ресурсами, модульность и расширяемость, переносимость и многоплатформенность, совместимость на уровне приложений и пользовательских интерфейсов, надежность и отказоустойчивость, безопасность и производительность.
Задачи и упражнения
1. Поясните определение операционной системы как расширенной машины.
2. В соответствии с определением ОС ее главными функциями являются предоставление услуг пользователю и эффективное управление ресурсами компьютера. Какая их этих двух функций должна была доминировать в мультипрограммных ОС времен IBM/360? А в первых ОС для персональных компьютеров?
3. В чем состоит отличие в виртуальных машинах, предоставляемых операционной системой простому пользователю и прикладному программисту?
4. Сравните интерфейс прикладного программиста с операционной системой и интерфейс системного программиста с реальной аппаратурой. Что можно сказать о разнообразии и мощности интерфейсных функций, имеющихся в распоряжении каждого из них?
5. Назовите абстрактно сформулированные задачи ОС по управлению любым типом ресурса. Конкретизируйте эти задачи применительно к процессору, памяти, внешним устройствам.
6. Вставьте пропущенные определения: «Пользователю … ОС, не требуется знать, на каком из компьютеров сети хранятся файлы, с которыми он работает, а пользователю … ОС эти сведения обычно необходимы».
7. Какие из утверждений верны:
1) «сетевая операционная система» — это совокупность операционных систем всех компьютеров сети;
2) «сетевая операционная система» — это операционная система отдельного компьютера, способного работать в сети;
3) «сетевая операционная система» — это набор сетевых служб, выполненный в виде оболочки.
8. Какой минимум функциональных возможностей надо добавить к локальной ОС, чтобы она стала сетевой?
9. Перечислите основные сетевые службы. Какие из них, как правило, встроены в операционную систему?
10. Какие из утверждений верны:
1) редиректор — клиентская часть сетевой службы;
2) редиректор — модуль, входящий в состав клиентской части сетевой службы, распознающий и перенаправляющий запросы к нужному сетевому серверу или локальной ОС.
11. Поясните значение следующих терминов применительно к сетевым ОС: «сервис», «сервер», «клиент», «служба», «оболочка», «услуга», «редиректор». Какие из них употребляются как синонимы?
12. Может ли сетевая оболочка работать поверх сетевой ОС?
13. В каких случаях может оказаться полезным наличие сразу нескольких серверных (клиентских) частей файловых служб?
14. Какие из следующих утверждений верны:
1) ОС выделенного сервера никогда не содержит клиентских частей сетевых служб;
2) в одноранговых ОС всегда имеются и клиентские, и серверные части сетевых служб;
3) в сетях с выделенными серверами могут поддерживаться одноранговые связи.
15. Может ли выделенный сервер обращаться с запросами к ресурсам клиентских станций?
16. Приведите примеры одноранговых ОС и ОС с выделенным сервером.