Общая модель файловой системы
Функционирование любой файловой системы можно представить многоуровневой моделью (рисунок 2.36), в которой каждый уровень предоставляет некоторый интерфейс (набор функций) вышележащему уровню, а сам, в свою очередь, для выполнения своей работы использует интерфейс (обращается с набором запросов) нижележащего уровня.
Рис. 2.36. Общая модель файловой системы
Задачей символьного уровня является определение по символьному имени файла его уникального имени. В файловых системах, в которых каждый файл может иметь только одно символьное имя (например, MS-DOS), этот уровень отсутствует, так как символьное имя, присвоенное файлу пользователем, является одновременно уникальным и может быть использовано операционной системой. В других файловых системах, в которых один и тот же файл может иметь несколько символьных имен, на данном уровне просматривается цепочка каталогов для определения уникального имени файла. В файловой системе UNIX, например, уникальным именем является номер индексного дескриптора файла (i-node).
На следующем, базовом уровне по уникальному имени файла определяются его характеристики: права доступа, адрес, размер и другие. Как уже было сказано, характеристики файла могут входить в состав каталога или храниться в отдельных таблицах. При открытии файла его характеристики перемещаются с диска в оперативную память, чтобы уменьшить среднее время доступа к файлу. В некоторых файловых системах (например, HPFS) при открытии файла вместе с его характеристиками в оперативную память перемещаются несколько первых блоков файла, содержащих данные.
Следующим этапом реализации запроса к файлу является проверка прав доступа к нему. Для этого сравниваются полномочия пользователя или процесса, выдавших запрос, со списком разрешенных видов доступа к данному файлу. Если запрашиваемый вид доступа разрешен, то выполнение запроса продолжается, если нет, то выдается сообщение о нарушении прав доступа.
На логическом уровне определяются координаты запрашиваемой логической записи в файле, то есть требуется определить, на каком расстоянии (в байтах) от начала файла находится требуемая логическая запись.
При этом абстрагируются от физического расположения файла, он представляется в виде непрерывной последовательности байт. Алгоритм работы данного уровня зависит от логической организации файла. Например, если файл организован как последовательность логических записей фиксированной длины l, то n-ая логическая запись имеет смещение l((n-1) байт. Для определения координат логической записи в файле с индексно-последовательной организацией выполняется чтение таблицы индексов (ключей), в которой непосредственно указывается адрес логической записи.
Рис. 2.37. Функции физического уровня файловой системы
Исходные данные:
V - размер блока
N - номер первого блока файла
S - смещение логической записи в файле
Требуется определить на физическом уровне:
n - номер блока, содержащего требуемую логическую запись
s - смещение логической записи в пределах блока
n = N + [S/V], где [S/V] - целая часть числа S/V
s = R [S/V] - дробная часть числа S/V
На физическом уровне файловая система определяет номер физического блока, который содержит требуемую логическую запись, и смещение логической записи в физическом блоке. Для решения этой задачи используются результаты работы логического уровня - смещение логической записи в файле, адрес файла на внешнем устройстве, а также сведения о физической организации файла, включая размер блока. Рисунок 2.37 иллюстрирует работу физического уровня для простейшей физической организации файла в виде непрерывной последовательности блоков. Подчеркнем, что задача физического уровня решается независимо от того, как был логически организован файл.
После определения номера физического блока, файловая система обращается к системе ввода-вывода для выполнения операции обмена с внешним устройством. В ответ на этот запрос в буфер файловой системы будет передан нужный блок, в котором на основании полученного при работе физического уровня смещения выбирается требуемая логическая запись.
Обзор сетевых операционных систем
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.
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.
Операционные системы рабочих станций фирмы Novell
После продажи компанией Novell операционной системы UnixWare компании Santa Cruz Operations в ассортименте операционных систем, предлагаемых Novell для установки на рабочих станциях, остались система DOS 7 и система Personal Ware, построенная на основе DOS 7. Кроме этого, Novell предлагает большое количество сетевых оболочек, состоящих из драйверов коммуникационных протоколов, редиректора и пользовательской утилиты, для большинства популярных настольных ОС: OS/2, Windows 3.1, Macintosh (оболочки для Windows NT и Windows 95 должны появиться в ближайшее время).
Создает новый процесс, наследующий некоторые
Процессы могут быть приостановлены и возобновлены с помощью программного управления. Каждый процесс имеет счетчик, наращиваемый вызовом Suspend и уменьшаемый вызовом Resume, которые могут блокировать и разблокировать его. Когда счетчик равен 0, то процесс может выполняться. Наличие счетчика позволяет избежать гонок.
Вызовы Priority и Assign позволяют программисту управлять тем, как и где нити выполняются в многопроцессорной системе. Планирование CPU выполняется на основе приоритетов, так что программист может определять, какие нити более важные, а какие - менее важные.
Первый вызов,
<
<
<
<
Определение операционной системы
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.
Организация программного обеспечения ввода-вывода
Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей.
Ключевым принципом является независимость от устройств. Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска.
Очень близкой к идее независимости от устройств является идея единообразного именования, то есть для именования устройств должны быть приняты единые правила.
Другим важным вопросом для программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок. Вообще говоря, ошибки следует обрабатывать как можно ближе к аппаратуре. Если контроллер обнаруживает ошибку чтения, то он должен попытаться ее скорректировать. Если же это ему не удается, то исправлением ошибок должен заняться драйвер устройства. Многие ошибки могут исчезать при повторных попытках выполнения операций ввода-вывода, например, ошибки, вызванные наличием пылинок на головках чтения или на диске. И только если нижний уровень не может справиться с ошибкой, он сообщает об ошибке верхнему уровню.
Еще один ключевой вопрос - это использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач. Большинство операций физического ввода-вывода выполняется асинхронно - процессор начинает передачу и переходит на другую работу, пока не наступает прерывание. Пользовательские программы намного легче писать, если операции ввода-вывода блокирующие - после команды READ программа автоматически приостанавливается до тех пор, пока данные не попадут в буфер программы. ОС выполняет операции ввода-вывода асинхронно, но представляет их для пользовательских программ в синхронной форме.
Последняя проблема состоит в том, что одни устройства являются разделяемыми, а другие - выделенными. Диски - это разделяемые устройства, так как одновременный доступ нескольких пользователей к диску не представляет собой проблему. Принтеры - это выделенные устройства, потому что нельзя смешивать строчки, печатаемые различными пользователями. Наличие выделенных устройств создает для операционной системы некоторые проблемы.
Для решения поставленных проблем целесообразно разделить программное обеспечение ввода-вывода на четыре слоя (рисунок 2.30):
Обработка прерываний,
Драйверы устройств,
Независимый от устройств слой операционной системы,
Пользовательский слой программного обеспечения.
Рис. 2.30. Многоуровневая организация подсистемы ввода-вывода
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.
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.
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.
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.
Основной и резервные контроллеры домена
В домене должен находится сервер, выполняющий роль основного контроллера домена (primary domain controller). Этот контроллер хранит первичную копию базы данных учетной информации пользователей домена. Все изменения, производимые в учетной информации, сначала производятся именно в этой копии. Основной контроллер домена всегда существует в единственном экземпляре. Пользователь, который администрирует домен, не должен явно задавать имя компьютера, который выполняет роль основного контроллера, утилита, в помощью которой осуществляется администрирование (в Windows NT это User Manager for Domains), должна по имени домена самостоятельно, в соответствии с заранее разработанным протоколом провести диалог с основным контроллером домена и сделать нужные изменения в его базе данных.
Кроме основного контроллера в домене могут существовать несколько резервных контроллеров (backup domain controllers). Эти контроллеры хранят реплики базы учетных данных. Все резервные контроллеры в дополнение к основному могут обрабатывать запросы пользователей на логический вход в домен.
Резервный контроллер домена решает две задачи:
Он становится основным контроллером при отказе основного.
Уменьшает нагрузку на основной контроллер по обработке логических входов пользователей.
Если сеть состоит из нескольких сетей, соединенных глобальными связями, то в каждой сети должен быть по крайней мере один резервный контроллер домена.
Обычный сервер (не основной или резервный контроллер домена) может быть членом домена, а может и не быть. Если он принимает участие в домене, то он пользуется учетной информацией, хранящейся на контроллере домена. Если же нет - то доступ ко всем его ресурсам имеют только пользователи, которые заведены в базе учетной информации этого сервера.
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
Основные подходы к реализации взаимодействия сетей
Основные проблемы при организации взаимодействия различных сетей связаны с тем, что эти сети используют различные стеки коммуникационных протоколов. В каждом конкретном стеке протоколов, будь то стек DoD или Novell NetWare, средства, реализующие какой-либо уровень, обеспечивают интерфейс для вышележащего уровня своей системы и пользуются услугами интерфейсных функций нижележащего уровня. Например, средства реализации протокола Novell IPX в сервере предоставляют интерфейсные услуги протоколу NCP для приема запросов от рабочих станций и пересылки им ответов. В свою очередь протокол IPX пользуется интерфейсными функциями драйвера сетевого адаптера Ethernet, чтобы передать пакет для отправки в сеть.
Если бы в компьютерном мире существовал только один стек протоколов, то у независимых разработчиков сетевого и программного обеспечения не было бы никаких проблем: сетевые адаптеры вместе со своими драйверами подходили бы к любой сетевой ОС за счет единого интерфейса между канальным и сетевым уровнями, разработчики транспортных средств новых ОС могли бы использовать существующие реализации протокола сетевого уровня, а разработчики сетевых приложений использовали бы единый API для обращения к сервисным услугам прикладного уровня ОС.
К сожалению, в реальном мире компьютерных сетей существует несколько стеков протоколов, уже завоевавших свое место под солнцем и не собирающихся его уступать. Например, если на предприятии используются мейнфреймы IBM, то они скорее всего используют протоколы сетевой архитектуры SNA и аппаратуру Token Ring. Использование компьютеров DEC с операционной системой VAX означает, что используются протоколы DECnet и Ethernet. Сети локальных компьютеров используют чаще всего протоколы Novell NetWare, Banyan VINES, IBM LAN Server или Microsoft LAN Manager с аппаратурой Ethernet, Token Ring или ARCnet.
Существование многих стеков протоколов не вносит никаких проблем до тех пор, пока не появляется потребность в их взаимодействии, то есть потребность в доступе пользователей сети NetWare к мейнфрейму IBM или пользователей графических рабочих станций UNIX к компьютеру VAX.
В этих случаях проявляется несовместимость близких по назначению, но различных по форматам данных и алгоритмам протоколов.
Общность различных стеков протоколов проявляется только на нижних уровнях - физическом и канальном. Здесь в настоящее время почти нет проблем для взаимодействия, так как большинство стеков могут использовать общие протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI. Исключение составляют только мейнфреймы IBM, которые на нижнем уровне в основном используют протоколы типа ведущий-ведомый с синхронной передачей данных, ориентированные на иерархическую соподчиненную структуру мейнфрейм - групповой контроллер - терминалы. Да и соединение двух компьютеров, использующих на нижнем уровне различные протоколы, а на верхних - одинаковые не составляет проблемы - эта задача решается аппаратно с помощью транслирующего моста или маршрутизатора.
Сложнее обстоит дело с сопряжением сетей, использующие различные протоколы верхних уровней, начиная с сетевого. Задачи согласования протоколов верхних уровней решить труднее из-за большей сложности этих протоколов и их разнообразия - чем большим интеллектом обладает протокол, тем больше у него аспектов и граней, по которым он может отличаться от своего собрата по функциональному назначению. Сложно осуществить трансляцию транспортных протоколов (таких, как IP и IPX), но гораздо сложнее совместить протоколы верхнего, прикладного уровня, с помощью которых клиенты получают сервис у серверов.
Если рассмотреть наиболее часто используемый в сетях сервис, а именно, файловый сервис, то различия в протоколах файлового сервиса в первую очередь связаны с различиями структур файловых систем. Например, пользователю MS-DOS непривычны приемы монтирования файловой системы UNIX в одно дерево, он хочет работать с разрозненными файловыми системами отдельных носителей, отображенными на буквы английского алфавита. Команды, используемые при работе с различными файловыми системами, также различны как по названию, так и по содержанию. Кроме того, даже для одной файловой системы в различных операционных системах предусмотрены различные удаленные сервисы.
В ОС UNIX можно работать с удаленной файловой системой с помощью символьных команд протокола прикладного уровня FTP, переписывая файлы с удаленной машины на локальную по одному, а можно работать с протоколом NFS, который обеспечивает монтирование удаленной системы в локальную и требует других команд и приемов. Поэтому проблемы, возникающие на верхних уровнях, гораздо сложнее, чем проблемы замены заголовка пакета на канальном уровне.
Рис. 3.13. Два основных варианта согласования протоколов
а - трансляция протоколов; б - мультиплексирование стеков протоколов
Для организации взаимодействия различных сетей в настоящее время используется два подхода.
Первый подход связан с использованием так называемых шлюзов, которые обеспечивают согласование двух стеков протоколов путем преобразования (трансляции) протоколов (рисунок 3.13,а). Шлюз размещается между взаимодействующими сетями и служит посредником, переводящим сообщения, поступающие от одной сети, в формат другой сети.
Второй подход заключается в том, что в операционные системы серверов и рабочих станций встраиваются несколько мирно сосуществующих наиболее популярных стеков протоколов. Такая технология получила название мультиплексирования стеков протоколов. За счет ее использования либо клиентские запросы используют стек протоколов той сети, к которой относятся нужные серверы, либо серверы подключают стек протоколов, соответствующий поступившему клиентскому запросу (рисунок 3.13,б).
Взаимодействие компьютеров, принадлежащих разным сетям, напоминает общение людей, говорящих на разных языках. Для достижения взаимопонимания они также могут использовать два подхода: пригласить переводчика (аналог шлюза), или перейти на язык собеседника, если они им владеют (аналог мультиплексирования стеков протоколов).
Каждый из подходов имеет свои преимущества и недостатки, на которых мы остановимся позже.
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.
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.
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.
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.
Отображаемые в память файлы
По сравнению с доступом к памяти, традиционный доступ к файлам выглядит запутанным и неудобным. По этой причине некоторые ОС, начиная с MULTICS, обеспечивают отображение файлов в адресное пространство выполняемого процесса. Это выражается в появлении двух новых системных вызовов: MAP (отобразить) и UNMAP (отменить отображение). Первый вызов передает операционной системе в качестве параметров имя файла и виртуальный адрес, и операционная система отображает указанный файл в виртуальное адресное пространство по указанному адресу.
Предположим, например, что файл f имеет длину 64 К и отображается на область виртуального адресного пространства с начальным адресом 512 К. После этого любая машинная команда, которая читает содержимое байта по адресу 512 К, получает 0-ой байт этого файла и т.д. Очевидно, что запись по адресу 512 К + 1100 изменяет 1100 байт файла. При завершении процесса на диске остается модифицированная версия файла, как если бы он был изменен комбинацией вызовов SEEK и WRITE.
В действительности при отображении файла внутренние системные таблицы изменяются так, чтобы данный файл служил хранилищем страниц виртуальной памяти на диске. Таким образом, чтение по адресу 512 К вызывает страничный отказ, в результате чего страница 0 переносится в физическую память. Аналогично, запись по адресу 512 К + 1100 вызывает страничный отказ, в результате которого страница, содержащая этот адрес, перемещается в память, после чего осуществляется запись в память по требуемому адресу. Если эта страница вытесняется из памяти алгоритмом замены страниц, то она записывается обратно в файл в соответствующее его место. При завершении процесса все отображенные и модифицированные страницы переписываются из памяти в файл.
Отображение файлов лучше всего работает в системе, которая поддерживает сегментацию. В такой системе каждый файл может быть отображен в свой собственный сегмент, так что k-ый байт в файле является k-ым байтом сегмента. На рисунке 2.38,а изображен процесс, который имеет два сегмента-кода и данных.
Предположим, что этот процесс копирует файлы. Для этого он сначала отображает файл-источник, например, abc. Затем он создает пустой сегмент и отображает на него файл назначения, например, файл ddd.
С этого момента процесс может копировать сегмент-источник в сегмент-приемник с помощью обычного программного цикла, использующего команды пересылки в памяти типа mov. Никакие вызовы READ или WRITE не нужны. После выполнения копирования процесс может выполнить вызов UNMAP для удаления файла из адресного пространства, а затем завершиться. Выходной файл ddd будет существовать на диске, как если бы он был создан обычным способом.
Хотя отображение файлов исключает потребность в выполнении ввода-вывода и тем самым облегчает программирование, этот способ порождает и некоторые новые проблемы. Во-первых, для системы сложно узнать точную длину выходного файла, в данном примере ddd. Проще указать наибольший номер записанной страницы, но нет способа узнать, сколько байт в этой странице было записано. Предположим, что программа использует только страницу номер 0, и после выполнения все байты все еще установлены в значение 0 (их начальное значение). Быть может, файл состоит из 10 нулей. А может быть, он состоит из 100 нулей. Как это определить? Операционная система не может это сообщить. Все, что она может сделать, так это создать файл, длина которого равна размеру страницы.
Рис. 2.38. (а) Сегменты процесса перед отображением файлов в адресное пространство; (б) Процесс
после отображения существующего файла abc в один сегмент и создания нового сегмента для файла ddd
Вторая проблема проявляется (потенциально), если один процесс отображает файл, а другой процесс открывает его для обычного файлового доступа. Если первый процесс изменяет страницу, то это изменение не будет отражено в файле на диске до тех пор, пока страница не будет вытеснена на диск. Поддержание согласованности данных файла для этих двух процессов требует от системы больших забот.
Третья проблема состоит в том, что файл может быть больше, чем сегмент, и даже больше, чем все виртуальное адресное пространство.Единственный способ ее решения состоит в реализации вызова MAP таким образом, чтобы он мог отображать не весь файл, а его часть. Хотя такая работа, очевидно, менее удобна, чем отображение целого файла.
Отправка и получение сообщений
Конечной целью создания портов является возможность отправки в них сообщений. В этом разделе поясняется, как сообщения отправляются, как получаются и что они содержат. Mach поддерживает один системный вызов для отправки и получения сообщений. Этот вызов содержится внутри библиотечной процедуры, называемой mach_mes. Она имеет семь параметров и большое количество опций. Чтобы дать представление о ее сложности, нужно отметить, что существует 35 различных кодов возврата ошибочных ситуаций. Ниже дается упрощенный обзор некоторых возможностей этой процедуры. К счастью, она используется в функциях, генерируемых чаще компилятором заглушек (stub compiler), а не вручную.
Итак, вызов mach_mes используется и для отправки и для получения сообщений. Он может отослать сообщение в порт, а затем вернуть управление вызвавшей mach_mes функции немедленно, так что она может модифицировать буфер сообщения, не влияя на посланные данные. Он может также использоваться для попытки получения сообщения из порта, причем, если порт пуст, он либо блокирует вызвавшую нить, либо отказывается от попытки по истечении некоторого тайм-аута. Наконец, можно объединять операции отправки и получения, сначала отсылая сообщение, а затем блокируя нить до получения ответа. В последнем режиме вызов mach_mes можно использовать для реализации RPC.
Типичный вызов функции mach_mes выглядит так:
mach_mes( &hdr, options, send_size, rcv_size, rcv_port, timeout, notify_port);
Первый параметр, hdr, является указателем на сообщение, которое нужно отослать или на место, куда нужно поместить приходящее сообщение, или на то и другое. Сообщение начинается с фиксированного заголовка, непосредственно за которым следует тело сообщения. Эта структура показана на рисунке 6.11.
Детали формата сообщения будут рассмотрены ниже, а сейчас необходимо отметить, что заголовок содержит имя права доступа для порта назначения. Эта информация нужна ядру, так как ядро из нее узнает о том, куда нужно отправить сообщение. Когда выполняется операция только ПОЛУЧИТЬ, заголовок не заполняется, так как он будет полностью переписан пришедшим сообщением.
Второй параметр, options, содержит бит, определяющий, что сообщение должно быть отправлено, и другой бит, который говорит о том, что оно должно быть получено. Если оба бита включены, то выполняется RPC. Еще один бит разрешает тайм-аут, величина которого указана в параметре timeout в миллисекундах. Если требуемая операция не может быть выполнена за время тайм-аута, то вызов возвращает код ошибки. Если часть ПОСЛАТЬ вызова RPC не выполняется за отведенное время (например, порт назначения заполнен в течение слишком большого времени), то часть ПОЛУЧИТЬ просто не выполняется.
Рис. 6.11. Формат сообщения Mach
Остальные биты поля options позволяет операции ПОСЛАТЬ, которая не может завершиться немедленно, вернуть управление, а сообщение о статусе завершения посылается на notify_port позже.
Параметры send_size и rcv_size определяют длину отсылаемого сообщения и количество байт, отводимых для хранения приходящего сообщения, соответственно. Rcv_port используется для приема сообщений. Это имя прав доступа порта или набора портов, которые должны получить сообщение.
Теперь рассмотрим формат тела сообщения. Первое слово содержит бит, говорящий о том, является сообщение простым или сложным. Разница состоит в том, что простое сообщение не может содержать прав доступа или защищенных указателей, а сложное может. Простое сообщение требует меньших усилий со стороны ядра и, следовательно, более эффективно. Оба типа сообщения имеют определенную системой структуру, описанную ниже.
Поле Размер сообщения указывает общую длину заголовка и тела сообщения. Эта информация нужна как передающей, так и принимающей сторонам.
Далее идут имена двух мандатов доступа (то есть индексы в списке прав доступа передающей стороны). Первый относится к порту назначения, а второй - к порту ответа.
Последние два поля заголовка ядром не используются. Их могут использовать более высокие по иерархии слои программного обеспечения. По соглашению они используются для указания типа сообщения и кода функции или операции (например, для сервера нужно пояснить, это запрос на чтение или на запись).
Это назначение может измениться в будущем.
Когда сообщение успешно отослано и получено, оно копируется в адресное пространство адресата. Однако может случиться, что порт назначения уже полностью заполнен. Одной из возможностей тогда будет блокирование отправителя и просто ожидание, пока порт не сможет принять сообщение. Другой вариант связан с организацией тайм-аута. В некоторых случаях можно превысить предел максимального числа сообщений для порта.
Следует упомянуть о некоторых вопросах, связанных с приемом сообщений. Во-первых, что делать, если поступившее сообщение имеет длину больше, чем длина буфера? Предусмотрено два варианта: удалить это сообщение или же вернуть вместе с кодом ошибки данный размер, чтобы позволить вызвавшей функцию mach_mes нити повторить передачу с буфером большего размера.
Если существует несколько нитей, блокированных на операции ПОЛУЧИТЬ из одного и того же порта, и сообщение поступает в порт, то системой выбирается одна из них для получения сообщения. Остальные остаются блокированными.
P(S)
: уменьшение S на 1, если это возможно. Если S=0, то невозможно уменьшить S и остаться в области целых неотрицательных значений, в этом случае процесс, вызывающий P-операцию, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также является неделимой операцией.
Рис. 2.5. Реализация критической секции с использованием системных
функций WAIT(D) и POST(D)
В частном случае, когда семафор S может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную. Операция P заключает в себе потенциальную возможность перехода процесса, который ее выполняет, в состояние ожидания, в то время как V-операция может при некоторых обстоятельствах активизировать другой процесс, приостановленный операцией P (сравните эти операции с системными функциями WAIT и POST).
Рассмотрим использование семафоров на классическом примере взаимодействия двух процессов, выполняющихся в режиме мультипрограммирования, один из которых пишет данные в буферный пул, а другой считывает их из буферного пула. Пусть буферный пул состоит из N буферов, каждый из которых может содержать одну запись. Процесс "писатель" должен приостанавливаться, когда все буфера оказываются занятыми, и активизироваться при освобождении хотя бы одного буфера. Напротив, процесс "читатель" приостанавливается, когда все буферы пусты, и активизируется при появлении хотя бы одной записи.
Введем два семафора: e - число пустых буферов и f - число заполненных буферов. Предположим, что запись в буфер и считывание из буфера являются критическими секциями (как в примере с принт-сервером в начале данного раздела). Введем также двоичный семафор b, используемый для обеспечения взаимного исключения. Тогда процессы могут быть описаны следующим образом:
// Глобальные переменные
#define N 256
int e = N, f = 0, b = 1;
void Writer ()
{
while(1)
{
PrepareNextRecord(); /* подготовка новой записи */
P(e); /* Уменьшить число свободных буферов, если они есть */
/* в противном случае - ждать, пока они освободятся */
P(b); /* Вход в критическую секцию */
AddToBuffer(); /* Добавить новую запись в буфер */
V(b); /* Выход из критической секции */
V(f); /* Увеличить число занятых буферов */
}
}
void Reader ()
{
while(1)
{
P(f); /* Уменьшить число занятых буферов, если они есть */
/* в противном случае ждать, пока они появятся */
P(b); /* Вход в критическую секцию */
GetFromBuffer(); /* Взять запись из буфера */
V(b); /* Выход из критической секции */
V(e); /* Увеличить число свободных буферов */
ProcessRecord(); /* Обработать запись */
}
}
Пакет Flex/IP
предназначен для использования в сетях, где требуется доступ пользователей UNIX к ресурсам (принтеры, файлы) NetWare. В качестве коммуникационного транспортного протокола Flex/IP использует широко распространенный в UNIX протокол TCP/IP. На основе этого протокола в UNIX-системах имеются утилиты для передачи файлов в сети, следующие стандарту FTP (File Transfer Protocol). Для интеграции с имеющимися UNIX-системами фирма Novell выбрала путь реализации этих сетевых протоколов на платформе NetWare. Так, поддержка TCP/IP на уровне маршрутизации IP-пакетов представлена в NetWare версии 3.11 как одна из базовых функций. В дополнение к этому пакет Flex/IP предоставляет NetWare-серверу дополнительные функции сервера FTP, доступного любым FTP-клиентам, использующим протокол TCP/IP. Возможности удаленного доступа к файлам NetWare и совместного использования сетевых принтеров, осуществляемые пакетом Flex/IP, позволяют считать этот вариант интеграции NetWare и UNIX весьма эффективным с точки зрения его простоты, надежности и невысокой стоимости.
Функциональные возможности Flex/IP:
File Transfer. Flex/IP реализует FTP-сервер, поддерживающий параллельные FTP-соединения. Любой пользователь UNIX-рабочей станции, имеющий необходимые права доступа, может устанавливать соединения с одним или несколькими NetWare-серверами, просматривать удаленные директории и пересылать файлы в обоих направлениях. Более того, Flex/IP обеспечивает функцию FTP-gateway, давая пользователям UNIX возможность FTP-доступа к другим серверам NetWare (даже не поддерживающим TCP/IP, как, например, в случае с NetWare v2.15).
Sharing printers. В рамках FLex/IP поставляется так называемый "bidirectional print gateway", позволяющий как UNIX-TCP/IP-клиентам использовать принтеры, подключенные к NetWare, так и рабочим станциям NetWare использовать принтеры, подключенные к UNIX-машинам.
Managing NetWare 3.11 Servers from X-Windows. В состав FLex/IP входит X-Window приложение. XCONSOLE, которое позволяет на X-Windows-станции иметь удаленный доступ к консоли NetWare, давая возможность пользователю диагностировать и конфигурировать систему NetWare, не покидая своего рабочего места.
Параллельный поиск
Если на сервере имеется несколько дисковых каналов, то NetWare может параллельно осуществлять поиск данных на нескольких дисках (по одному диску на канал). Это существенно повышает производительность.
PCD
- управляют механизмом кэширования страниц (введены, начиная с процессора i486),
Перемещаемые разделы
Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших либо в сторону младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовывала единую свободную область (рисунок 2.11). В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти переменными разделами, в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется "сжатием". Сжатие может выполняться либо при каждом завершении задачи, либо только тогда, когда для вновь поступившей задачи нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц, а во втором - реже выполняется процедура сжатия. Так как программы перемещаются по оперативной памяти в ходе своего выполнения, то преобразование адресов из виртуальной формы в физическую должно выполняться динамическим способом.
Рис. 2.11. Распределение памяти перемещаемыми разделами
Хотя процедура сжатия и приводит к более эффективному использованию памяти, она может потребовать значительного времени, что часто перевешивает преимущества данного метода.
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.
Personal Ware
(доступной и в виде отдельного продукта), универсального клиента NetWare (Universal NetWare Client) и стандартные средства сетевого управления.
Сервер одноранговой сети Personal Ware (называемый Personal Ware Server или Desktop Server) обеспечивает легкое в использовании разделение файлов, принтеров, накопителей на CD-ROM для приложений DOS и MS Windows и является эффективным решением для рабочей группы в сети NetWare или для начинающих построение сети пользователей. Сервер Personal Ware не является выделенным.
Универсальный клиент NetWare - оболочка для перенаправления сетевых запросов - обеспечивает доступ к ресурсам файл-серверов под управлением NetWare 2.x, 3.x, 4.x и к серверам Personal Ware. Универсальный клиент реализован как набор VLM-модулей. Унифицированный полный набор сетевых утилит реализован для DOS и MS Windows. Доступ ко всем ресурсам сети осуществляется по единому имени и паролю.
Особенности сетевых возможностей Personal Ware:
сервер Personal Ware может выполняться в защищенном режиме процессора с использованием DPMS;
возможна загрузка DOS с сервера Personal Ware для бездисковых станций на основе стандартной технологии BOOT ROM / DosGen;
Novell DOS 7 включает агента SNMP, MIB (Management Information Base), утилиты для наблюдения и управления разделяемыми ресурсами;
автоматическое переподключение к серверу после его перезагрузки;
база данных о пользователях сети дублируется на всех серверах.
Первая версия NetWare
была выпущена фирмой Novell в начале 1983 года.
В 1985 году появилась система
Первый период (1945 -1955)
Известно, что компьютер был изобретен английским математиком Чарльзом Бэбиджем в конце восемнадцатого века. Его "аналитическая машина" так и не смогла но-настоящему заработать, потому что технологии того времени не удовлетворяли требованиям по изготовлению деталей точной механики, которые были необходимы для вычислительной техники. Известно также, что этот компьютер не имел операционной системы.
Некоторый прогресс в создании цифровых вычислительных машин произошел после второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства. В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. Не было никакого другого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм.
Планирование
Планирование в Mach в значительной степени определяется тем, что она предназначена для работы на многопроцессорных системах. Так как система с одним процессором является частным случаем многопроцессорной системы, мы сконцентрируем свое внимание на планировании в многопроцессорных системах.
Все процессоры многопроцессорной системы могут быть приписаны к некоторому набору процессоров. Каждый процессор относится точно к одному набору. Таким образом, каждый процессорный набор имеет в своем распоряжении несколько процессоров и несколько нитей, которые нуждаются в вычислительной мощности. В обязанности планирующего алгоритма входит работа по назначению нитей процессорам справедливым и эффективным образом. При планировании каждый процессорный набор представляется замкнутым миром со своими собственными ресурсами и со своими потребителями и является независимым от других процессорных наборов.
Такой механизм предоставляет процессам значительный контроль над своими нитями. Процесс может назначить важную нить процессорному набору, состоящему из одного процессора и не имеющему более ни одной прикрепленной нити, что гарантирует, что эта важная нить будет выполняться все время. Он может также динамически перераспределять нити между процессорными наборами во время их работы, балансируя нагрузку. В то время как средний компилятор обычно не использует этот механизм, система управления базами данных или система реального времени может его использовать.
Планирование нитей в Mach основано на приоритетах. Приоритеты - это целые числа от 0 до 31, причем 0 соответствует наивысшему приоритету, а 31 - самому низшему. Каждой нити присваиваются три значения, влияющих на его приоритет. Первое значение - базовый приоритет, который нить может назначить сама с определенными ограничениями. Второе число - это наименьшее числовое значение, которое может принять базовый приоритет. Третье значение - это текущий приоритет, используемый в целях планирования. Он вычисляется ядром путем прибавления к базовому приоритету значения функции, учитывающей использование процессора нитью в последнюю итерацию.
При использовании второй модели, в которой каждой нити пользователя соответствует одна нить ядра, ядро Mach видит С-нити. Каждая нить борется за процессорное время со всеми другими нитями, независимо от того, к какому процессу относится та или иная нить. С каждым процессорным набором связано 32 очереди готовых к выполнению нитей, по одной для каждого значения приоритета (рисунок 6.4). Совокупность этих 32 очередей называется глобальной очередью процессорного набора. С каждой глобальной очередью связано три переменных. Первая переменная - это мьютекс, который используется для блокирования структур данных глобальной очереди. Он используется для того, чтобы гарантировать, что с очередью в данный момент времени работает только один процессор. Вторая переменная является счетчиком количества нитей во всех 32 очередях. Третья переменная-ссылка содержит указание о том, где найти наиболее приоритетную нить. Она позволяет искать наиболее приоритетную нить, начиная с некоторого уровня, не просматривая все пустые очереди наверху.
Помимо глобальной очереди, каждый процессор имеет свою собственную локальную очередь, в которой находятся нити, постоянно приписанные к этому процессору, например, потому, что они являются драйверами устройств ввода-вывода, которые закреплены за этим процессором. Эти нити не стоит помещать в глобальную очередь, так как они могут выполняться только на одном определенном процессоре.
Рис. 6.4. Глобальные очереди на выполнение
для ситуации с двумя процессорными наборами
Основной алгоритм планирования заключается в следующем. Когда нить блокируется, завершается или исчерпывает свой квант, процессор, на котором она выполнялась, прежде всего просматривает свою локальную очередь, на предмет того, есть ли в ней какие-либо нити. Для этого анализируется счетчик нитей, связанный с этой очередью. Если он не равен 0, процессор начинает искать наиболее приоритетную нить, начиная с очереди, указанной в переменной-ссылке. Если локальная очередь пуста, такой же алгоритм применяется для глобальной очереди, с той разницей, что глобальная очередь должна быть заблокирована перед тем, как начать выполнять поиск.
Если ни в одной очереди нет готовых нитей, то запускается и выполняется специальная нить для простоев до тех пор, пока не появится какая-нибудь готовая нить.
Если готовая нить обнаружена, то она получает возможность выполняться в течение одного кванта. По завершении кванта, обе очереди - локальная и глобальная - просматриваются, чтобы узнать, нет ли еще нитей с таким же или более высоким приоритетом, с учетом того, что все нити из локальной очереди имеют более высокий приоритет, чем нити в глобальной очереди. Если подходящий кандидат найден, то происходит переключение нити. Если нет, то активная нить выполняется еще в течение одного кванта. Нить может быть также вытеснена. На многопроцессорной системе длина кванта может быть переменной, в зависимости от числа нитей, которые готовы к выполнению. Увеличение числа готовых нитей и уменьшение числа процессоров укорачивает квант. Такой алгоритм дает хорошее время ответа для коротких запросов, даже если система сильно загружена, и обеспечивает высокую эффективность (длинный квант) для мало загруженных систем.
При каждом тике таймера процессор наращивает приоритетный счетчик текущей нити на небольшую величину. Чем больше становится значение приоритета, тем ниже приоритет нити, и нить в конце концов перемещается в очередь с самым большим номером, то есть с самым низким приоритетом.
В некоторых приложениях над решением одной проблемы работает большое количество нитей, поэтому для них важно иметь возможность управлять планированием в деталях. Mach предоставляет нитям дополнительное средство управления планированием (кроме процессорных наборов и приоритетов). Таким средством является системный вызов, который позволяет нити снижать свой приоритет до абсолютного минимума в течение указанного количества секунд. Это дает возможность выполняться другим нитям. После того как указанный интервал истечет, приоритету возвращается его прежнее значение.
Этот системный вызов имеет другое интересное свойство: он может назвать своего наследника, если захочет.Например, после отсылки сообщения другой нити посылающая нить освобождает процессор и требует, чтобы следующей выполнялась нить-получатель. Этот механизм, называемый планированием с передачами, минует все очереди. Если его использовать с умом, то можно повысить производительность. Ядро также использует этот механизм при некоторых обстоятельствах в качестве оптимизации.
Ядро Mach может быть сконфигурировано так, чтобы реализовывать так называемое аффинное планирование, но обычно такая опция не устанавливается. Когда она установлена, ядро планирует нить на процессор, на котором эта нить последний раз выполнялась в надежде на то, что часть ее адресного пространства все еще сохранилась в кэше данного процессора. Аффинное планирование применимо только для многопроцессорных систем.
Планирование процессов
В системе UNIX System V Release 4 реализована вытесняющая многозадачность, основанная на использовании приоритетов и квантования.
Все процессы разбиты на несколько групп, называемых классами приоритетов. Каждая группа имеет свои характеристики планирования процессов.
Созданный процесс наследует характеристики планирования процесса-родителя, которые включают класс приоритета и величину приоритета в этом классе. Процесс остается в данном классе до тех пор, пока не будет выполнен системный вызов, изменяющий его класс.
В UNIX System V Release 4 возможно включение новых классов приоритетов при инсталляции системы. В настоящее время имеется три приоритетных класса: класс реального времени, класс системных процессов и класс процессов разделения времени. В отличие от ранних версий UNIX приоритетность (привилегии) процесса тем выше, чем больше число, выражающее приоритет. На рисунке 5.2 показаны диапазоны изменения приоритетов для разных классов. Значения приоритетов определяются для разных классов по разному.
Процессы системного класса используют стратегию фиксированных приоритетов. Системный класс зарезервирован для процессов ядра. Уровень приоритета процессу назначается ядром и никогда не изменяется. Заметим, что пользовательский процесс, перешедший в системную фазу, не переходит при этом в системный класс приоритетов.
Процессы реального времени также используют стратегию фиксированных приоритетов, но пользователь может их изменять. Так как при наличии готовых к выполнению процессов реального времени другие процессы не рассматриваются, то процессы реального времени надо тщательно проектировать, чтобы они не захватывали процессор на слишком долгое время. Характеристики планирования процессов реального времени включают две величины: уровень глобального приоритета и квант времени. Для каждого уровня приоритета имеется по умолчанию своя величина кванта времени. Процессу разрешается захватывать процессор на указанный квант времени, а по его истечении планировщик снимает процесс с выполнения.
Плоская модель памяти
NetWare работает в защищенном режиме CPU (protected mode), используя все преимущества 386, 486 процессоров и Pentium, связанные с 32-разрядной адресацией памяти.
В защищенном режиме память адресуется непрерывным диапазоном адресов. Эта так называемая "плоская" (flat) модель памяти делает управление памятью более удобным и гибким. В этом случае нет необходимости переключать сегменты памяти, так как вся память состоит из одного сегмента. При работе в "реальном" режиме CPU отдельная операция по выделению памяти ограничена размером 64 К, так как 64 К - это максимальный размер сегмента. Работа в 32-разрядном режиме значительно повышает скорость выполнения всех компонентов и модулей ОС.
Почтовые системы Microsoft Mail и система коллективной работы Microsoft Exchange
Компания Microsoft предлагает в настоящее время три системы обработки сообщений - Microsoft Mail Server 3.2, Microsoft Mail Server 3.5 и Microsoft Exchange. Почтовая система Microsoft Mail 3.2 выпускается достаточно давно и состоит из почтового агента передачи сообщений (Message Transfer Agent, MTA), работающего на выделенном персональном компьютере под управлением MS-DOS или OS/2, и почтовых клиентов, которые могут работать в локальной сети под управлением DOS, Windows, OS/2 или Macintosh. Кроме этого, на любом невыделенном компьютере располагается база данных почтовой системы - почтовое отделение (Post Office, PO). В почтовую систему входят также шлюзы к другим типам почтовых систем, в том числе к системам, основанным на стандарте X.400, системам обмена сообщениями мейнфреймов PROFS и SNADS, почтовой системе SMTP сетей TCP/IP, системе обмена сообщений MHS фирмы Novell и некоторым другим. Все эти шлюзы работают на выделенных компьютерах под управлением DOS.
Недавно компания Microsoft объявила о выпуске новой версии почтовой системы Microsoft Mail Server 3.5, включающей новую версию многозадачной программы-агента передачи сообщений (Multitasking Message Transfer Agent, MMTA), которая работает в среде ОС Windows NT Server. Таким образом, старый вариант MMTA переводится из OS/2 в родную среду Windows NT. Кроме этого, новый пакет включает новые административные утилиты, позволяющие усовершенствовать управление почтовыми ящиками пользователей, личными адресными книгами и глобальными списками адресов.
Интеграция Microsoft Mail с Windows NT Server является частью стратегии Microsoft по обеспечению возможности функционирования в рамках одной организации двух систем - Microsoft Mail и Microsoft Exchange Server. Exchange Server предназначен не только для поддержки почтового обмена сообщениями, но и содержит надстройки для организации работы в группе. Система Microsoft Mail Server 3.5 полностью совместима с клиентским ПО Microsoft Exchange, которое вошло в комплект поставки Windows 95. Для использования этого ПО совместно с почтовыми отделениями Microsoft Mail не требуется дополнительных лицензий.
Система Microsoft Exchange интегрирует электронную почту, планирование работы пользователей, электронные формы, средства разделение документов и содержит некоторые приложения, например, отслеживание активности покупателей. По сути, это объединение электронной почты и системы разделения информации на основе технологии клиент-сервер. Система состоит из сервера Microsoft Exchange Server и клиентов для различных популярных операционных систем. Система организует для своих клиентов доступ к различным источникам информации, например, к серверам баз данных, на основе механизма обмена сообщениями в технологии store-and-forward, присущей почтовым системам. Сервер поддерживает не только локальные, но и глобальные связи, а также обеспечивает шифрацию передаваемых сообщений по алгоритму LSA.
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.
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).
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.
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.
Поддержка мультипроцессирования
В версию NetWare 4.1 средства поддержки многопроцессорных платформ не попали, хотя Novell объявила о своей трехэтапной стратегии внедрения средств мультипроцессирования еще на конференции BrainShare'94. Эту стратегию Novell назвала распределенной параллельной обработкой (Distributed Parallel Processing, DPP).
На первой стадии Novell будет поддерживать симметричные аппаратные платформы не совсем симметричным способом. Схематически этот вариант представлен на рисунке 7.4. Ядро системы и существующие модули NLM будут выполняться постоянно на одном из процессоров системы, в то время как модули, занимающиеся обработкой ввода-вывода (например, драйверы сетевых адаптеров, диска), и специально разработанные NLM будут динамически распределяться между остальными процессорами.
Рис. 7.4. Первая стадия стратегии Novell по внедрению распределенной
параллельной обработки (Byte, 02, 1995)
В настоящее время первая стадия поддержки мультипроцессорных платформ реализована Novell в версии NetWare 4.1 SMP, которая поставляется только производителями некоторых симметричных мультиплексоров, например, компанией Tricord.
Подсистема буферизации
Любой запрос на ввод-вывод к блок-ориентированному устройству преобразуется в запрос к подсистеме буферизации, которая представляет собой буферный пул и комплекс программ управления этим пулом.
Буферный пул состоит из буферов, находящихся в области ядра. Размер отдельного буфера равен размеру блока данных на диске.
С каждым буфером связана специальная структура - заголовок буфера, в котором содержится следующая информация:
Данные о состоянии буфера:
занят/свободен,
чтение/запись,
признак отложенной записи,
ошибка ввода-вывода.
Данные об устройстве - источнике информации, находящейся в этом буфере:
тип устройства,
номер устройства,
номер блока на устройстве.
Адрес буфера.
Ссылка на следующий буфер в очереди свободных буферов, назначенных для ввода-вывода какому-либо устройству.
Упрощенный алгоритм выполнения запроса к подсистеме буферизации приведен на рисунке 5.14. Данный алгоритм реализуется набором функций, наиболее важные из которых рассматриваются ниже.
Функция bwrite - синхронная запись. В результате выполнения данной функции немедленно инициируется физический обмен с внешним устройством. Процесс, выдавший запрос, ожидает результат выполнения операции ввода-вывода. В данном случае в процессе может быть предусмотрена собственная реакция на ошибочную ситуацию. Такой тип записи используется тогда, когда необходима гарантия правильного завершения операции ввода-вывода.
Функция bawrite - асинхронная запись. При таком типе записи также немедленно инициируется физический обмен с устройством, однако завершения операции ввода-вывода процесс не дожидается. В этом случае возможные ошибки ввода-вывода не могут быть переданы в процесс, выдавший запрос. Такая операция записи целесообразна при поточной обработке файлов, когда ожидание завершения операции ввода-вывода не обязательно, но есть уверенность в повторении этой операции.
Функция bdwrite - отложенная запись. При этом передача данных из системного буфера не производится, а в заголовке буфера делается отметка о том, что буфер заполнен и может быть выгружен, если потребуется освободить буфер.
Функции bread и getblk - получить блок. Каждая из этих функций ищет в буферном пуле буфер, содержащий указанный блок данных. Если такого блока в буферном пуле нет, то в случае использования функции getblk осуществляется поиск любого свободного буфера, при этом возможна выгрузка на диск буфера, содержащего в заголовке признак отложенной записи. В случае использования функции bread при отсутствии заданного блока в буферном пуле организуется его загрузка в какой-нибудь свободный буфер. Если свободных буферов нет, то также производится выгрузка буфера с отложенной записью. Функция getblk используется тогда, когда содержимое зарезервированного блока не существенно, например, при записи на устройство данных, объем которых равен одному блоку.
Рис. 5.14. Упрощенная схема выполнения запросов подсистемой буферизации
Таким образом, за счет отложенной записи в системном буферном пуле задерживается некоторое число блоков данных. При возникновении запроса к внешней памяти просматривается содержимое буферного пула. При этом вероятность обнаружения данных в системном пуле достаточно велика. Это обусловлено объективными свойствами пространственной и временной локальности данных. В соответствии с описанным алгоритмом буферизации, в системном буферном пуле оседает наиболее часто используемая информация. Таким образом, система буферизации выполняет роль кэш-памяти по отношению к диску. Кэширование диска уменьшает среднее время доступа к данным на диске, однако при этом снижается надежность файловой системы, так как в случае внезапной потери питания или отказа диска может произойти потеря блоков, содержащихся в системном буфере. Этот недостаток частично компенсируется регулярной (каждую секунду) принудительной записью всех блоков из системной области на диск.
Выше был описан механизм старого буферного кэша, использовавшегося в предыдущих версиях UNIX System V в качестве основного дискового кэша. В UNIX System V Release 4 используется новый механизм, основанный на отображении файлов в физическую память.Однако старый механизм кэширования также сохранен, так как новый кэш используется только для блоков данных файлов, но непригоден для кэширования административной информации диска, такой как inode, каталог и т.д.
Пользовательский слой программного обеспечения
Хотя большая часть программного обеспечения ввода-вывода находится внутри ОС, некоторая его часть содержится в библиотеках, связываемых с пользовательскими программами. Системные вызовы, включающие вызовы ввода-вывода, обычно делаются библиотечными процедурами. Если программа, написанная на языке С, содержит вызов
count = write (fd, buffer, nbytes),
то библиотечная процедура write будет связана с программой. Набор подобных процедур является частью системы ввода-вывода. В частности, форматирование ввода или вывода выполняется библиотечными процедурами. Примером может служить функция printf языка С, которая принимает строку формата и, возможно, некоторые переменные в качестве входной информации, затем строит строку символов ASCII и делает вызов write для вывода этой строки. Стандартная библиотека ввода-вывода содержит большое число процедур, которые выполняют ввод-вывод и работают как часть пользовательской программы.
Другой категорией программного обеспечения ввода-вывода является подсистема спулинга (spooling). Спулинг - это способ работы с выделенными устройствами в мультипрограммной системе. Рассмотрим типичное устройство, требующее спулинга - строчный принтер. Хотя технически легко позволить каждому пользовательскому процессу открыть специальный файл, связанный с принтером, такой способ опасен из-за того, что пользовательский процесс может монополизировать принтер на произвольное время. Вместо этого создается специальный процесс - монитор, который получает исключительные права на использование этого устройства. Также создается специальный каталог, называемый каталогом спулинга. Для того, чтобы напечатать файл, пользовательский процесс помещает выводимую информацию в этот файл и помещает его в каталог спулинга. Процесс-монитор по очереди распечатывает все файлы, содержащиеся в каталоге спулинга.
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.
Понятие виртуальной памяти
Уже достаточно давно пользователи столкнулись с проблемой размещения в памяти программ, размер которых превышал имеющуюся в наличии свободную память. Решением было разбиение программы на части, называемые оверлеями. 0-ой оверлей начинал выполняться первым. Когда он заканчивал свое выполнение, он вызывал другой оверлей. Все оверлеи хранились на диске и перемещались между памятью и диском средствами операционной системы. Однако разбиение программы на части и планирование их загрузки в оперативную память должен был осуществлять программист.
Развитие методов организации вычислительного процесса в этом направлении привело к появлению метода, известного под названием виртуальная память. Виртуальным называется ресурс, который пользователю или пользовательской программе представляется обладающим свойствами, которыми он в действительности не обладает. Так, например, пользователю может быть предоставлена виртуальная оперативная память, размер которой превосходит всю имеющуюся в системе реальную оперативную память. Пользователь пишет программы так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная память большого объема, но в действительности все данные, используемые программой, хранятся на одном или нескольких разнородных запоминающих устройствах, обычно на дисках, и при необходимости частями отображаются в реальную память.
Таким образом, виртуальная память - это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих пользователям писать программы, размер которых превосходит имеющуюся оперативную память; для этого виртуальная память решает следующие задачи:
размещает данные в запоминающих устройствах разного типа, например, часть программы в оперативной памяти, а часть на диске;
перемещает по мере необходимости данные между запоминающими устройствами разного типа, например, подгружает нужную часть программы с диска в оперативную память;
преобразует виртуальные адреса в физические.
Все эти действия выполняются автоматически, без участия программиста, то есть механизм виртуальной памяти является прозрачным по отношению к пользователю.
Наиболее распространенными реализациями виртуальной памяти является страничное, сегментное и странично-сегментное распределение памяти, а также свопинг.
Понятия "internetworking" и "interoperability"
До недавнего времени проблемы межсетевого взаимодействия не очень волновали отечественных пользователей и системных администраторов. Они уютно себя чувствовали в замкнутом мире IBM PC совместимых компьютеров, сетей Novell и сетевых адаптеров Ethernet, хотя в "большом" мире многие фирмы, в том числе и Novell, успешно продавали различные средства межсетевой связи. Однако пора монокультурного развития отечественных сетей заканчивается, организации приобретают различную технику, например, бизнес-серверы Hewlett-Packard, графические станции Sun или Silicon Graphics, мини-компьютеры AS-400 фирмы IBM и другую не менее достойную аппаратуру с разнообразными операционными системами, поэтому проблемы, характерные для западных корпоративных сетей, постепенно становятся актуальными и для нас.
Прежде, чем приступить к рассмотрению межсетевого взаимодействия, уточним, что понимается под термином "сеть". Этот термин может употребляться в широком смысле (сеть - это совокупность связанных между собой компьютеров) и в узком смысле (сеть - это совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий - шина, звезда, кольцо, и использующих для передачи пакетов один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии).
Каждая сеть имеет свой номер, который используется на сетевом уровне при выполнении маршрутизации. Когда две или более сетей организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия обычно называют межсетевым взаимодействием (internetworking). Для обозначения составной сети в англоязычной литературе часто также используются термины интерсеть (internetwork или internet). Интерсеть обеспечивает только передачу пакетов, не занимаясь их содержанием.
Так как понятие "номер сети" определяется на сетевом уровне, то оно является относительным, то есть, если в одном компьютере установлено программное обеспечение, поддерживающее несколько протоколов сетевого уровня (например, TCP и SPX), то данный компьютер может принадлежать нескольким сетям.
При рассмотрении вопросов межсетевого взаимодействия часто используется еще один англоязычный термин - interoperability. В то время как термин internetworking обозначает взаимодействие сетей на нижних уровнях, непосредственно связанных с транспортировкой пакетов, в понятие interoperability входит обеспечение согласования верхних уровней стека коммуникационных протоколов, реализуемых серверами и редиректорами операционных систем и некоторыми сетевыми приложениями.
Порождение процессов
Порождение процессов в системе UNIX происходит следующим образом. При создании процесса строится образ порожденного процесса, являющийся точной копией образа породившего процесса. Сегмент данных и сегмент стека отца действительно копируются на новое место, образуя сегменты данных и стека сына. Процедурный сегмент копируется только тогда, когда он не является разделяемым. В противном случае сын становится еще одним процессом, разделяющим данный процедурный сегмент.
После выполнения системного вызова fork оба процесса продолжают выполнение с одной и той же точки. Чтобы процесс мог опознать, является ли он отцом или сыном, системный вызов fork возвращает в качестве своего значения в породивший процесс идентификатор порожденного процесса, а в порожденный процесс NULL. Типичное разветвление на языке C записывается так:
if( fork() ) { действия отца }
else { действия сына }
Идентификатор сына может быть присвоен переменной, входящей в контекст процесса-отца. Так как контекст процесса наследуется его потомками, то дети могут узнать идентификаторы своих старших братьев, так образом сумма знаний наследуется при порождении и может быть распространена между родственными процессами. Наследуются все характеристики процесса, содержащиеся в контексте.
На независимости идентификатора процесса от выполняемой процессом программы построен механизм, позволяющий процессу придти к выполнению другой программы с помощью системного вызова exec.
Таким образом в UNIX порождение нового процесса происходит в два этапа - сначала создается копия процесса-родителя, то есть дублируется дескриптор, контекст и образ процесса. Затем у нового процесса производится замена кодового сегмента на заданный.
Вновь созданному процессу операционная система присваивает целочисленный идентификатор, уникальный за весь период функционирования системы.
Порты
Основой всех коммуникаций в Mach является структура данных ядра, называемая порт. В сущности порт представляет собой защищенный почтовый ящик. Когда нить одного процесса хочет взаимодействовать с нитью другого процесса, то нить-отправитель записывает сообщение в такой порт, а нить-получатель извлекает его оттуда. Каждый порт имеет средства защиты, которые гарантируют, что только процессы, имеющие соответствующие права, могут передавать и получать через него сообщения.
Порт поддерживает взаимодействие подобно конвейерам (pipes) в UNIX. Порт, который может быть использован для отправки запроса от клиента серверу, не может использоваться для отправки ответа от сервера клиенту. Для этого нужен второй порт. У каждого порта может быть только один процесс, читающий из него сообщения, и несколько процессов, пишущих в порт.
Порты поддерживают надежный и последовательный обмен сообщениями. Если нить посылает сообщения в порт, то система гарантирует, что оно будет доставлено. Сообщения никогда не теряются из-за ошибок, переполнения или других причин (по крайней мере, если нет отказов аппаратуры). Также гарантируется, что сообщения, отправленные одной нитью, будут получены в том же порядке. Если же две нити пишут в один и тот же порт попеременно, то система не дает никаких гарантий о последовательности сообщений, так как в ядре сообщения буферизуются. В отличие от конвейера, порты поддерживают поток не байтов, а сообщений. Несколько сообщений никогда не соединяются вместе в одно сообщение.
Структура порта показана на рисунке 6.8.
Рис 6.8. Структура порта
Когда порт создается, выделяется 64 байта из пространства ядра и они используются до тех пор, пока порт не разрушен, либо явно, либо косвенно, при определенных обстоятельствах, например, когда не окажется в наличии ни одного процесса, который использует этот порт. Порт содержит поля, указанные на рисунке 6.8, а также еще несколько второстепенных.
Сами сообщения хранятся не в порте, а в другой структуре данных ядра, называемой очередь сообщений.
Порт содержит счетчик, в котором хранится текущее количество сообщений, находящихся в очереди, и максимально возможное число сообщений в очереди. Если порт относится к какому-либо набору портов, то порт хранит указатель на структуру данных набора портов. Как уже было кратко упомянуто выше, процесс может предоставить другим процессам права на использование его портов. По различным причинам ядро должно знать, сколько прав каждого типа предоставлено, поэтому порт хранит их количество.
Если при использовании порта возникает ошибка, то о ней сообщается путем посылки сообщений на другие порты, чьи права хранятся здесь. Нити могут быть заблокированы при чтении из порта, поэтому в структуру порта включен указатель на список заблокированных нитей. Также важна возможность нахождения прав на чтение из порта (он может быть только один), поэтому такая информация тоже хранится в структуре данных порта. Если порт представляет собой порт процесса, то следующее поле содержит указатель на процесс, к которому порт относится. Если это порт нити, то это поле содержит указатель на структуру данных ядра для нити, и так далее. Имеется также несколько дополнительных полей, не описанных здесь.
Когда нить создает порт, то в ответ она получает целое число, идентифицирующее порт, аналогичное дескриптору файла в UNIX. Это число используется в последовательных вызовах, с помощью которых посылаются сообщения порту или принимаются сообщения от него, для того, чтобы идентифицировать, какой порт нужно использовать. Порты хранятся для процессов, а не для нитей, так что если одна нить создает порт и получает в ответ идентификатор 3, то другая нить того же процесса никогда не получит этот идентификатор при создании порта. Фактически ядро не запоминает информацию о том, какая нить какой порт создала.
Нить может передать права доступа к порту другой нити другого процесса. Ясно, что нельзя проделать это просто помещением соответствующего целого числа в сообщение, так же как и UNIX-процесс не может передать дескриптор файла для стандартного устройства вывода путем записи 1 в конвейер.Используемый для этого механизм защищен ядром, мы обсудим его позже. В данный момент времени важно только знать, что это можно сделать.
На рисунке 6.9 мы видим ситуацию, в которой два процесса, А и В, имеют доступ к одному и тому же порту. Процесс А послал сообщение для данного порта, а процесс В прочитал это сообщение. Заголовок и тело сообщения физически копируются из А в порт, а затем из порта в В.
Рис. 6.9. Передача сообщений через порт
Для удобства порты можно группировать в наборы портов. Порт может относится максимум к одному набору портов. Можно произвести операцию чтения из набора
Права доступа
В первом приближении, для каждого процесса ядро поддерживает таблицу всех портов, к которым он имеет доступ. Эта таблица хранится в ядре, так что пользовательский процесс не может получить к ней доступ. Процесс ссылается на порты, указывая номер их позиции в этой таблице, например, 1, 2 и так далее. Входы этой таблицы содержат указатели на порты и определяют разрешенные над ними действия, и называются мандатами. Назовем таблицу списком прав доступа (списком мандатов).
Каждый процесс имеет ровно один список прав доступа. Когда нить обращается к ядру с запросом на создание для нее порта, ядро делает это и создает запись в таблице прав доступа того процесса, к которому относится данная нить. Вызывающая нить и все другие нити того же процесса имеют равные права доступа. Целое число, возвращаемое нити, чтобы идентифицировать права доступа, является обычно индексом в списке прав. Далее мы будем называть это целое число именем права доступа (именем мандата).
Все нити одного процесса имеют равные права по доступу к портам процесса. Права определяются по отношению к трем возможным операциям: ПОЛУЧИТЬ, ПОСЛАТЬ и ПОСЛАТЬ-ОДИН-РАЗ. Право ПОЛУЧИТЬ дает возможность обладателю этого права прочитать сообщение из порта. Ранее упоминалось, что связи в Mach однонаправленные. Это означает, что в любой произвольный момент только один процесс может иметь право ПОЛУЧИТЬ для данного порта. Мандат с правом ПОЛУЧИТЬ можно передавать другому процессу, но это означает, что он будят изъят у исходного процесса. Таким образом, для каждого порта имеется только один потенциальный получатель.
Мандат с правом ПОСЛАТЬ позволяет его владельцу отсылать сообщения определенному порту. Таким правом могут обладать многие процессы. Эта ситуация является грубым аналогом банковской системы во многих странах: каждый, кто знает номер банковского счета, может положить на него деньги, но только владелец может снять деньги со счета.
Право ПОСЛАТЬ-ОДИН-РАЗ также позволяет отослать сообщение, но только однократно.
После того, как сообщение отослано, ядро отбирает это право. Этот механизм используется для протоколов типа запрос-ответ. Например, клиент хочет, чтобы сервер выполнил какой-то его запрос, поэтому он создает порт для получения ответа. Затем он отсылает сообщение-запрос серверу, содержащее защищенный мандат для порта ответа с правом ПОСЛАТЬ-ОДИН-РАЗ. После того, как сервер отошлет ответ, мандат отзывается из его списка прав доступа, и мандат с таким именем может быть только вновь внесен в список прав в будущем.
Имена прав доступа имеют действие только внутри процесса. Два процесса могут иметь доступ к одному и тому же порту, но использовать для этого разные имена. На рисунке 6.10 оба процесса имеют право посылать сообщения на порт Y, но для процесса А это мандат номер 3, а для процесса В - мандат 4.
Список прав доступа привязан к определенному процессу. Когда этот процесс завершается или уничтожается, его список удаляется. Порты, для которых он содержал право на операцию ПОЛУЧИТЬ, больше не могут использоваться, и они уничтожаются, даже если в них есть недоставленные сообщения.
Если различные нити процесса получают одни и те же права несколько раз, то в списке прав доступа делается только по одной записи. Для того, чтобы фиксировать данные о том, сколько раз присутствует каждое право, ядро использует счетчик ссылок для каждого порта. Когда права доступа удаляются, счетчик ссылок уменьшается. Право удаляется из списка, только когда он становится равным 0. Этот механизм важен, так как различные нити могут получать и отдавать права без уведомления друг друга.
Рис. 6.10. Списки прав доступа
Каждая запись в списке прав может представлять собой одно из четырех значений:
Право для порта.
Право для набора портов.
Нулевая (пустая) запись.
Код, показывающий, что порт, который был здесь записан, теперь не существует.
Первая возможность уже детально пояснена. Вторая позволяет нити читать из набора портов, даже не зная о том, что имя права относится к набору портов, а не к отдельному порту.Пустая запись отмечает неиспользуемую строку списка.
Наконец, четвертая возможность отмечает порты, которые уже не существуют, но для которых права ПОСЛАТЬ еще существуют. Например, когда порт удаляется из-за того, что процесс, имеющий право ПОЛУЧИТЬ для него, завершен, ядро отслеживает все права ПОСЛАТЬ и помечает их как несуществующие. Попытка послать сообщение с нулевым и несуществующим правом приводит к ошибке с соответствующим кодом. Когда все права ПОСЛАТЬ для порта отменены, неважно по каким причинам, ядро может (опционально) отослать сообщение, уведомляющее получателя, что не осталось ни одного отправителя, и можно не ожидать сообщений.
Права доступа к файлу
Определить права доступа к файлу - значит определить для каждого пользователя набор операций, которые он может применить к данному файлу. В разных файловых системах может быть определен свой список дифференцируемых операций доступа. Этот список может включать следующие операции:
создание файла,
уничтожение файла,
открытие файла,
закрытие файла,
чтение файла,
запись в файл,
дополнение файла,
поиск в файле,
получение атрибутов файла,
установление новых значений атрибутов,
переименование,
выполнение файла,
чтение каталога,
и другие операции с файлами и каталогами.
В самом общем случае права доступа могут быть описаны матрицей прав доступа, в которой столбцы соответствуют всем файлам системы, строки - всем пользователям, а на пересечении строк и столбцов указываются разрешенные операции (рисунок 2.35). В некоторых системах пользователи могут быть разделены на отдельные категории. Для всех пользователей одной категории определяются единые права доступа. Например, в системе UNIX все пользователи подразделяются на три категории: владельца файла, членов его группы и всех остальных.
Рис. 2.35. Матрица прав доступа
Различают два основных подхода к определению прав доступа:
избирательный доступ, когда для каждого файла и каждого пользователя сам владелец может определить допустимые операции;
мандатный подход, когда система наделяет пользователя определенными правами по отношению к каждому разделяемому ресурсу (в данном случае файлу) в зависимости от того, к какой группе пользователь отнесен.
Примитивы для управления портами
Mach имеет свыше 20 вызовов для управления портами. Все они вызываются путем отправки сообщения на порт процесса. Наиболее важные из них представлены в таблице 6.6.
Примитивы управления процессами
Mach предусматривает небольшое количество примитивов управления процессами. Большинство из них выполняется путем посылки сообщения ядру через порт процесса. Наиболее важные из этих вызовов приведены в таблице 6.1.
Первые два вызова предназначены для создания и уничтожения процессов. Вызов Create определяет прототип процесса, которым не обязательно является вызывающий процесс. Потомок является копией прототипа, за исключением случая наследования родительского адресного пространства, который определяется заданием параметра. Если адресное пространство не наследуется, то объекты (например, текст, инициализированные данные и стек) могут быть отображены в него позже. Изначально потомок не имеет нитей. Однако он автоматически наследует порты загрузки, процесса и особых ситуаций. Другие порты автоматически не наследуются.
Приоритетные классы процессов
0
Рис. 5.2. Приоритетные классы процессов
Процессы разделения времени были до появления UNIX System V Release 4 единственным классом процессов, и по умолчанию UNIX System V Release 4 назначает новому процессу этот класс. Состав класса процессов разделения времени наиболее неопределенный и часто меняющийся, в отличие от системных процессов и процессов реального времени. Для справедливого распределения времени процессора между процессами, в этом классе используется стратегия динамических приоритетов, которая адаптируется к операционным характеристикам процесса.
Величина приоритета, назначаемого процессам разделения времени, вычисляется пропорционально значениям двух составляющих: пользовательской части и системной части. Пользовательская часть приоритета может быть изменена суперпользователем и владельцем процесса, но в последнем случае только в сторону его снижения.
Системная составляющая позволяет планировщику управлять процессами в зависимости от того, как долго они используют процессор, не уходя в состояние ожидания. Тем процессам, которые потребляют большие периоды времени без ухода в состояние ожидания, приоритет снижается, а тем процессам, которые часто уходят в состояние ожидания после короткого периода использования процессора, приоритет повышается. Таким образом, процессам, ведущим себя не по-джентльменски, дается низкий приоритет, что означает, что они реже выбираются на выполнение. Но процессам с низким приоритетом даются большие кванты времени, чем процессам с высокими приоритетами. Таким образом, хотя низкоприоритетный процесс и не работает так часто, как высокоприоритетный, но зато, когда он наконец выбирается на выполнение, ему отводится больше времени.
Планировщик использует следующие характеристики для процессов разделения времени:
| ts_globpri | содержит величину глобального приоритета; | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ts_quantum | определяет количество тиков системных часов, которые отводятся процессу до его вытеснения; | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ts_tqexp | системная часть приоритета, назначаемая процессу при истечении его кванта времени; | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ts_slpret | системная составляющая приоритета, назначаемая процессу после выхода его из состояния ожидания; ожидающим процессам дается высокий приоритет, так что они быстро получают доступ к процессору после освобождения ресурса; | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ts_maxwaite | максимальное число секунд, которое разрешается потреблять процессу; если этот квант времени истекает до кванта ts_quantum, то, следовательно, считается, что процесс ведет себя по-джентльменски, и ему назначается более высокий приоритет; | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ts_lwait | величина системной части приоритета, назначаемая процессу, если истекает ts_maxwait секунд. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
/p> Для процессов разделения времени в дескрипторе процесса proc имеется указатель на структуру, специфическую для данного класса процесса. Эта структура состоит из полей, используемых для вычисления глобального приоритета:
| ts_timeleft | число тиков, остающихся в кванте процесса; | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ts_cpupri | системная часть приоритета процесса; | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ts_uprilim, ts_upri | верхний предел и текущее значение пользовательской части приоритета. Эти две переменные могут модифицироваться пользователем; | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ts_nice | используется для обратной совместимости с системным вызовом nice. Она содержит текущее значение величины nice, которая влияет на результирующую величину приоритета. Чем выше эта величина, тем меньше приоритет. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В версии SVR4 нет поддержки многонитевой (multithreading) организации процессов на уровне ядра, хотя и есть два системных вызова для организации нитей в пользовательском режиме. Во многих коммерческих реализациях UNIX, базирующихся на кодах SVR4, в ядро включена поддержка нитей за счет собственной модификации исходных текстов SVR4.
Привилегии доступа
В UNIX s5 все пользователи по отношению к данному файлу делятся на три категории: владелец, член группы владельца и все остальные. Группа - это пользователи, которые объединены по какому-либо признаку, например, по принадлежности к одной разработке. Кроме этого, в системе существует суперпользователь, обладающий абсолютными правами по доступу ко всем файлам системы.
Определены также три вида доступа к файлу - чтение, запись и выполнение. Привилегии доступа к каждому файлу определены для каждой из трех категорий пользователей и для каждой из трех операций доступа. Начальные значения прав доступа к файлу устанавливаются при его создании операционной системой и могут изменяться его владельцем или суперпользователем.
Проблема синхронизации
Процессам часто нужно взаимодействовать друг с другом, например, один процесс может передавать данные другому процессу, или несколько процессов могут обрабатывать данные из общего файла. Во всех этих случаях возникает проблема синхронизации процессов, которая может решаться приостановкой и активизацией процессов, организацией очередей, блокированием и освобождением ресурсов.
Рис. 2.3. Пример необходимости синхронизации
Пренебрежение вопросами синхронизации процессов, выполняющихся в режиме мультипрограммирования, может привести к их неправильной работе или даже к краху системы. Рассмотрим, например (рисунок 2.3), программу печати файлов (принт-сервер). Эта программа печатает по очереди все файлы, имена которых последовательно в порядке поступления записывают в специальный общедоступный файл "заказов" другие программы. Особая переменная NEXT, также доступная всем процессам-клиентам, содержит номер первой свободной для записи имени файла позиции файла "заказов". Процессы-клиенты читают эту переменную, записывают в соответствующую позицию файла "заказов" имя своего файла и наращивают значение NEXT на единицу. Предположим, что в некоторый момент процесс R решил распечатать свой файл, для этого он прочитал значение переменной NEXT, значение которой для определенности предположим равным 4. Процесс запомнил это значение, но поместить имя файла не успел, так как его выполнение было прервано (например, в следствие исчерпания кванта). Очередной процесс S, желающий распечатать файл, прочитал то же самое значение переменной NEXT, поместил в четвертую позицию имя своего файла и нарастил значение переменной на единицу. Когда в очередной раз управление будет передано процессу R, то он, продолжая свое выполнение, в полном соответствии со значением текущей свободной позиции, полученным во время предыдущей итерации, запишет имя файла также в позицию 4, поверх имени файла процесса S.
Таким образом, процесс S никогда не увидит свой файл распечатанным. Сложность проблемы синхронизации состоит в нерегулярности возникающих ситуаций: в предыдущем примере можно представить и другое развитие событий: были потеряны файлы нескольких процессов или, напротив, не был потерян ни один файл. В данном случае все определяется взаимными скоростями процессов и моментами их прерывания. Поэтому отладка взаимодействующих процессов является сложной задачей. Ситуации подобные той, когда два или более процессов обрабатывают разделяемые данные, и конечный результат зависит от соотношения скоростей процессов, называются гонками.
Процессы
Процесс в Mach - это, в первую очередь, адресное пространство и набор нитей, которые выполняются в этом адресном пространстве. Таким образом, выполнение связано с нитями, а процессы являются пассивными объектами и служат для сбора всех ресурсов, использующихся группой взаимосвязанных нитей, в удобные контейнеры.
Рисунок 6.2 иллюстрирует процесс в Mach. Кроме адресного пространства и нитей, процесс характеризуется используемыми им портами и некоторыми параметрами. Все порты, показанные на рисунке, имеют специальное назначение. Порт процесса используется для взаимодействия с ядром. Многие из функций ядра процесс может вызывать путем отправки сообщения на порт процесса, а не с помощью системного вызова. Этот механизм используется в Mach всюду для уменьшения количества системных вызовов до возможного минимума. Некоторые из системных вызовов будут далее обсуждены. Вообще говоря, программист может даже не знать, выполняется ли сервис с помощью системного вызова или нет. Всем сервисам, вызываемым как с помощью системных вызовов, так и с помощью передачи сообщений, соответствуют эрзац-процедуры (заглушки, или стабы) в библиотеке. Это именно те процедуры, которые описаны в руководствах и которые вызываются прикладными программами. Эти процедуры генерируются на основании описания сервиса с помощью компилятора MIG (Mach Interface Generator).
Порт загрузки
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.
Прогрессивные DOS-технологии
Novell DOS 7 - первая DOS с драйверами защищенного режима и многозадачностью.
Сервис защищенного режима DPMS (DOS Protected Mode Services) позволяет написанным в соответствии со спецификацией DPMS резидентным программам и драйверам устройств выполняться в защищенном режиме процессора и использовать расширенную (extended) память, сохраняя обычную память (conventional, upper и high) для прикладных программ. Дисковый кэш, дисковый компрессор Stacker, сервер Personal Ware и другие компоненты DOS 7 используют DPMS. DPMS совместим с MS Windows и программами управления памятью третьих фирм.
Novell DOS 7 реализует вытесняющую многозадачность (preemtive multitasking), позволяя нескольким программам DOS выполняться одновременно. Поддерживаются приложения - клиенты DPMI, такие как Lotus 1-2-3 v3.1, Paradox, сессия MS Windows в стандартном режиме. В фоновом режиме могут выполняться и графические программы. Предлагается полный набор программных интерфейсов поддержки многозадачности для разработчиков (разделение памяти, каналы, очереди, семафоры и др.)
Novell DOS 7 включает Stacker, наиболее эффективную и надежную программу сжатия информации на дисках, включая гибкие. Stacker включает утилиты конвертации дисков, обслуживаемых программами MS-DOS Double Space и DR DOS SuperStor. Stacker использует спецификацию DPMS.
В Novell DOS 7 имеется полный набор эффективных утилит, поддерживающих DPMS:
дисковый кэш;
дисковый оптимизатор;
отслеживание удалений файлов и восстановление удаленных файлов;
версии утилит фирмы Fifth Generation для DOS и MS Windows: архивирования файлов Fastback Express и антивирус Search&Destroy.
Novell DOS 7 предлагает различные средства обеспечения безопасности:
загрузка по паролю;
защита жесткого диска;
контроль доступа к ресурсам за определенный период времени;
вход в компьютер и в сеть по единому паролю.
Другие особенности Novell DOS 7:
включает совместимый с MSCDEX доступ к накопителям на CD-ROM, драйвер поддерживает DPMS;
расширенные командные файлы и CONFIG.SYS: условное выполнение, меню, приглашения;
полный электронный справочник по всем возможностям;
утилиты DOS с полноэкранным пользовательским интерфейсом.
Novell DOS 7 - новая версия популярной системы DR DOS 6.0, а продукт Personal NetWare заменил на рынке одноранговых сетей NetWare Lite 1.1.
R
- разрешает или запрещает чтение из кодового сегмента,
