Афонин П.Н. Информационные таможенные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

загрузка програм мы в оп ератив ную память, запуск программы, вывод

результатов на периферийное устройство.

Негативной особенностью работы вычислительной системы того

времени являлся пр остой процессора в ожидании, пока оператор запустит

очередную программу. Для решения этой проблемы были разработаны

первые системы пакетной обработ ки, которые ав то м ат из и р ов а ли всю

последовательность действий оператора по организации вычислительного

процесса. Оператор составлял пакет заданий, которые в дальнейшем без его

участия последовательно запускались на выполнение управляющей

программой – монитором. Ранние системы пакетной обработки значительно

сократили затраты времени на вспомогательные действия по организации

вычислительного процесса.

В 1965-1975 годах в технической базе вычислительных машин

произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа

транзисторов к ин тегральны м микросхемам. Этот период характерен также

бурным развитием операционных систем. В этот период были реализованы

практически все основные механизмы, присущие современным

операционным системам: мультипрограммирование,

мультипроцессирование, поддержка многотерминального

многопользовательского режима, виртуальная память, файловые системы,

разграничение доступа и сетевая работа. Революционн ым событием данн ого

этапа явилась промышленная реализация мультипрограммирования.

Мультипрограммирование было реализовано в двух вариантах – в

системах пакетной обработки и разделения времени. В мультипрограммном

пакетном режиме процессор не простаивал, пока одна программа вы полняла

операцию ввода – вывода (как это происходило при последовательном

выполнении программ в системах ранней пакетной обработки), а

переключался на другую готовую к выполнению программу.

Другой вариант мультипрограммных систем – сист ем ы разделения

времени. Этот вариант рассчитан на многотерминальные системы, когда

каждый пользователь работает за своим терминалом. К этому времени можно

констатировать существенное изменение в распределении функций между

аппаратными и программными средствами компьютер а. Операционные

системы становились неотъемлемыми элементами комп ьютер ов, играя роль

"продолжения" аппаратуры.

Реализация мультипрограммирования потребовала внесения очень

важных изменений в аппаратуру компьютера. В процессорах появился

привилегированный и пользовательский режимы работы, специальные

регистры для быстрого переключения с одной программы на другую,

средства защиты областей памяти, а также развитая система прерываний.

В привилегированном режиме, предназначенном для работы

программных модулей операционной системы, процессор м ог выполнять все

команды, в том числе и те и з ни х, которые позволяли осущ ествлять

распределение и защиту ресурсов компьютера. Программам, работающим в

пользовательском режиме, некоторые команды процессора были не

доступны.

Система прерываний позволяла синхронизировать работу различных

устройств компьютера, работающих параллельно и асинхронно, таких как

каналы ввода – вывода, диски, принтеры и т. п. Е ще одной важной

тенденцией этого периода является создание семейств программно-

совместимых машин и операционных систем для них. Примерами семейств

программно-совместимых машин, построенных на интегральных

микросхемах, являются серии машин IBM/360 и IBM370 (аналоги этих

семейств отечественного производства – машины серии ЕС), PDP-11

(отечественные аналоги – СМ-3, СМ-4, СМ-1420). Вскоре идея программно-

совместимых машин стала общепризнанной.

В начале 70-х годов появились первые сетевые операционн ые

системы, которые позволяли не только р ас ср ед о то чи т ь пользов ате л ей , но и

организовать распределенное хранение и обработку данных между

несколькими компьютерами, связанными электрическими связями.

В 1969 году подразделение Пентагона, Агентство перспективных

исследовательских проектов (ARPA – Advanced Research Project Agency)

инициировало работы по объединению суперкомпьютеров оборонных и

научно-исследовательских центров в единую сеть. Эта сеть получила

название ARPANET и явилась отправной точкой для создания самой

известной ныне глобальной сети – Интернета. Сеть ARPANET объединила

компьютеры разных типов, работавшие под управлением различных

операционных систем с добавленными модулями, реализующими

коммуникационные протоколы, общие для всех компьютеров сети.

К середине 70-х годов наряду с мэйнфреймами широкое

распространение получили мини-комп ьютеры, такие как PDP-11, Nova, HP.

Мини-компьютеры первыми использовали преимущества больших

интегральных схем, позволившие реализовать достаточно мощные функции

при сравнительно невысокой стоимости компьютера. Д ос туп ность мини-

компьютеров и вследствие этого их распространенность на предприятиях

послужили мощным стимулом для создания локальных сетей.

К наиболее важным событиям 80-х годов можно отнести разработку

стека ТСР/IP, становление Интер нета, стандартизацию технологий

локальных сетей, появление персональных компьютеров и операционных

систем для них.

Рабочий вариант стека протоколов TCP/IP был создан в конце 70-х

годов. Этот стек представлял собой набор общих протоколов для

разнородной вычислительной среды и предназначался для связи

экспериментальной сети ARPANET с другими "сателлитными" сетями. В

1983 году стек протоколов TCP/IP был принят Министерством обороны

США в качестве военного стандарта.

Персональные компьютеры с точки зрения архитектуры ничем не

отличались от класса мини-компьютеров типа PDP-11, но их стоимость бы ла

существенно ниже. Компьютер ы стали широко испо льзов аться

неспециалистами, что требовало разработки "дружественного" программного

обеспечения. Персональные компьютеры послужили также мощным

катализатором для бурного роста локальных сетей. В 80-е годы были

приняты основные стандарты на коммуникационные технологии для

локальных сетей: в 1980 году – Ethernet, в 1985 – Token Ring, в конце 80-х –

FDDI.

В 90-е годы набл юдался переход к широкомасш табном у

использованию интегрированных сетевых ресурсов, к распределенной

технологии обработке и хранения данных.

Повышенный уровень угроз, существующих при передаче данных по

сетям, осо бенно по публичн ым, таким как Интернет, определило на

современном этапе приоритетность средств обеспечения информационной

безопасности.

Переход мировой экономики к использованию систем распределенной

обработки и хранения данных определяет и современные черты т аможни –

виртуальной информационно-электронной т амож ни , с использованием

электронных документов, компьютерной техники и космической

информациологии, увязанных в единую автоматизированную

информационную систему.

В начале 80-х годов в наиболее развитых странах мира таможенные

службы были вынуждены ускоренными темпами осуществлять переход от

индивидуальных вычислительных средств и локальны х сетей к созданию

корпоративных информационных систем управления. Так, например, одной

из реализованных в 1984 г. автоматизированных систем в США является

автоматизированная коммерческая система таможни ACS (Automated

Commercial System). ACS – очень большая и сложная система с более чем 380

млн записей ( в информационной базе), которая обслуживает приблизительно

1200 торговых пользователей, 4 других (кроме США) страны, 40 других

агентств, 10 000 как в и нтерактив ном , так и в п акетном режиме.

Подкомпоненты ACS интегрируются на уровне единых баз данных. Файлы

системы ежемесячно возрастают на более чем 500 тыс. записей, и 3 млн уже

существующих записей требуют ежедневной модифи кации.

В конце 80-х годов во Франции была разработана и использована в

таможенной службе информационная система SOFIX. Эта сис те ма реализует

следующие функц ионал ьные принципы тамож ни: ведение манифесто в

(общего докумен та на товар, перемещ ае мы й одним транспортны м

средством); декларирование товаров на импорт и экспорт; заведение

информации, необходимой для составления декларации; управление

таможенными складами; автоматический подсчет сборов и пошлин; ведение

товарной номенклатуры; ведение тарифного регулирования для каждой

позиции товарной номенклатуры; ведение и актуализация таблиц

нормативно-справочной информ ации.

В настоящее время таможни США и Канады получают и обрабатывают

электронным способом соответственно 95 и 85% деклараций, а в Австралии

и Филиппинах 98% операций таможенного оформления и контроля

осуществляется в безбумажной форме.

В России начало периода системной информатизации таможенной

службы пришлось на 90-е годы XX века.

ТЕМА 1.2. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТАМОЖЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ:

СОСТАВ И ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Неотъемлемой составляющей программного обеспечение

информационных таможенных технологий является системное программное

обеспечение, реализованное в виде операционной системы.

1.2.1. Назначение и функции операционной системы

Операционная система (ОС) компьютера представляет собой комплекс

взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между

приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой с другой

стороны. В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы

функций:

• предоставление пользователю или программисту вместо реальной

аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины, с которо й

удобней работать и которую легче программировать;

• повышение эффективности использования компьютера путем

рационального управления его р есурсам и в соответствии с некоторыми

критерием.

К числу основных ресурсов современных вычислительны х систем

могут быть отнесены такие ресурсы, как процессоры, основная память,

таймеры, наборы данных, различного вида накопители информации,

принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются

между процессорами. Процесс (задача) представляет с обо й ба зовы е понятие

большинства современных ОС и часто кратко определяется как программа в

стадии выполнения. Программа – это статический объект, представляющий

собой файл с кодами и данными. Процесс – это динамический объект,

который возникает в операционной си стеме п осле того, как пользователь или

сама операционная система решает "запустить про грамму на выполнение", то

есть создать новую единицу вычислительной работы.

Управление ресурсами включает решение следующих общих, не

зависящих от типа ресурса задач:

• планирование ресурса – то есть определение, какому пр оцессу, ко гда и в

каком количестве ( если ресурс м ожет выделятся частям и) следует

выделить данный ресурс;

• удовлетворение запросов на ресурсы;

• отслеживание состояния и учет использования ресурса – то есть

поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и

какая доля ресурса уже распределена;

• разрешение конфликтов между процессами.

Наиболее важными подсистемами управлениями ресурсами являются

подсистемы управления процессами, управление памятью, управление

файлами и внешними устройствами, а также общие подсистемы

пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования

Управление процессами. Важнейшей частью ОС является подсистема

управления процессами. Для каждого процесса ОС генерирует системную

информацию о потребностях в ресурсах, а такж е о фактически выделенных

ресурсах.

В мультипрограммной ОС одновременно могут существовать

несколько процессов. Часть процессов, пользовательские, порождается по

инициативе пользователей, другие, системные, ин иц и а ли з ир у ю т ся самой

ОС.

Процессы могут одновременно претендовать на одни и те же ресурсы.

В этом случае ОС поддерживает обслуживание очередей заявок к ресурсам.

Важной задачей ОС является защита ресурсов, выделенных одному

процессу, от остальных процессов. Особенно тщательно защищаемых

ресурсом является память. Память отведен н ая под коды и дан ны е про ц ес са

называется адресным пространством.

ОС берет на себя функции синхронизации проц ессов, позво л яющие

приостанавливать или продолжать процессы при наступлении некоторых

событий.

Для реализации сложных программных комплексов, часто необходимо

организовать его вып олн ение в виде параллельных процессов и как следствие,

ОС должна предоставить средства для межпроцессного взаимодействия.

Управление памятью. Процесс может выполнятся только в том

случае, если его коды и данные (не обязательн о все) находятся в оперативной

памяти.

Одним из наиболее популярных способов управления памятью

является виртуальная память.

Наличие механизма виртуальной памяти позволяет программисту

писать программы так, как будто в его распоря ж ен и и имеется операти вн а я

память большого объема, часто существенно превышающего объем

имеющейся физической памяти. При размещении такой программы в п амяти

подсистема виртуальной памяти производит трансляцию виртуальных

адресов, в физические

Защита памяти – это способность предохранять выполняемую задачу

от ошибочного обращения к памяти, назначенной другим.

Управление файлами и внешними устройствами. ОС "экранирует"

сложность реальной ап паратур ы от программиста. Особенно ярко это

проявляется в файловой системе. ОС организует представление о данн ых,

хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла – неструктурированной

последовательности байтов, имеющей символьное имя. Для удобства работы

файлы группируются в каталоги. Пол ьз о ва те ль может с помощью ОС

выполнять поиск файла по имени, удаление, вывод, изменение и сохранение.

Файловая система выполняет преобразование символьных имен файлов, в

физические адреса на диске (цилиндр, поверхность, сектор)

При выполнении своих функций файловая система тесно

взаимодействует с по дсистемо й управлени я внешним и устройствам и (часто

называется подсистемой ввода-вы вода). Диски, принтеры, сканеры,

мониторы, модемы, сетевые адаптеры и пр. Программа, управляющая

конкретной моделью внешнего устройства, называется драйвером.

Созданием драйверов занимаются как разработчики ОС, так и

специалисты компаний, выпускающих внешние устройства.

Защита данных и адм инистрирован ие. Безопасность данных

вычислительной системы обеспечивается ср едствам и отказоусто йчиво сти

ОС, направленными на защиту от сбоев отказов аппаратуры и ошибок

программного обеспечения, а также средствами защиты от

несанкционированного доступа. В последнем случае ОС защищает данные от

ошибочного или злонамеренного поведения пользователя системы. Функции

защиты ОС тесно связаны с функциями администрирования, так как им ен н о

администратор определяет права пользователей при их обращение к разным

ресурсам системы – файлам, каталогам, принтерам, сканерам и т. п.

Важным средством защиты данных являются функции аудита ОС,

заключающиеся в фиксации всех событий, от которых зависит безо пасность

системы. Например, попытки неудачного входа.

Поддержка отказоустойчивости реализуется ОС на основе, как

правило, на основе резервирования. Особым с лу ч аем резервиров а ни я

является использование нескольких процессоров.

Интерфейс прикладного программирования. Прикладные

программисты используют в своих приложениях обращения к ОС, когда для

выполнения тех или иных действий им требуется особый статус, которым

обладает только ОС. Например, управление аппаратными средствами.

Возможности ОС доступны прикладному программисту в виде набора

функций, называющегося интерфейсом прикладного программирования

(Application Programming Interface, API). Для разра бо тчи ка пр ило же ний все

особенности конкретной ОС представлены особенностями ее API. Поэтому

разные ОС с одинаковым набором API, кажутся им одной и той же ОС. Это

упрощает стандартизацию ОС. Например, стандартом API UNIX является

стандарт Posix.

Сетевые и распределенные ОС. В зависимости от того, какой

виртуальный образ создает ОС для того, чтобы подменить им реальную

аппаратуру, различаются сетевые и распределенные ОС.

Сетевая ОС не полностью скрывает распределенную природу сети, то

есть является виртуальн ой сетью. Работая в сетевой ОС, пользователь хотя и

может запустить задание на любой машине, всегда знает, на какой машине

выполняется его задание. П о умолчанию задание выполняется на той

машине, на которой пользователь сделал логи ческий вход. Часто под сетевой

ОС понимается набор ОС отдельных компьютеров сети.

К основным функциональным компонентам сетевой ОС относятся

средства управления локальными ресурсами и сетевые средства. По следние,

в свою очередь, можно разделить на три компонента: средства

предоставления локальных ресурсов и услуг в общее п ользо вани е –

серверная часть ОС, средства запроса доступа к удаленным ресурсам и

услугам – клиентская часть ОС (редиректор) и транспортные средства ОС,

которые совместно с коммуникац ионн ой системой обеспечиваю т перечу

сообщений между компьютерами сети.

Совокупность серверной и клиентской частей, предоставляющих

доступ к конкретному типу ресурса компьютера через сеть, называется

сетевой службой.

Магистральным направлением развития сетевых ОС является

прозрачность сетевых ресурсов. В идеальном случае сетевая ОС должна

предоставить пользователю сетевые ресурсы в виде ресурсов единой

централизованной виртуальной машины. Для тако й ОС используют

специальное название – распределенная ОС. Пол ьзо в ат ел ь р аспределенной

ОС, вообще говоря, не имеет сведений о том, на какой машине выполняется

его работа. В настоящее время практически все сетевы е ОС еще очень дал еки

от идеала истинной распределенности.

1.2.2.Архитектура операционной системы

Наиболее общим подходом к структуризации ОС является разделение

всех ее модулей на две группы: ядро и вспомогательные модули.

Ядро включает модули, выполняющие основные функции ОС:

управление процессами, управление памятью, управление вводом-выводом и

файловая система, прочие.

Функции ядра, которые могут вызываться приложениями, образуют

интерфейс прикладного программирования API. Ядро работает в

привилегированном режиме, и большая часть его модулей постоянно

находится в памяти (резидентные). Разделение ОС на ядро и

вспомогательные модули облегчает ее расширяемость

К вспомогательным модулям ОС относятся:

• утилиты (Сжатие, архивирование, проверка, дефрагментация и пр.);

• системные обрабатывающие программы (редакторы, отладчики,

компиляторы и пр.);

• программы дополнительных услуг (игры, калькулятор и пр.);

• библиотеки процедур (математических функций и пр.);

• вспомогательные модули ОС загружаются в оперативную память

только на время выполнения (транзитные модули).

Ядро в привилегированном режиме. Современные ОС поддерживают

как минимум два режима:

• пользовательский режим;

• привилегированный режим – режим ядра (kernel mode) – режим

супервизора (supervisor mode).

Ядро выполняет все основные функции – поэтому работает в

привилегированном режиме.

Контроль за выполнением критичных инструкций обеспечивается

запретом их выполнения в пользовательском режи ме. Н априм ер, доступ к

памяти (доступ к системным таблицам памяти) разрешен только в

привилегированном режиме. Для упорядочивания прав доступа вводятся

уровни привилегий (например, в Pentium их четыре: 0, 1, 2, 3). Работа с

возможностью переключения в привилегированный режи м приводит к

замедлению работы.

Имеются отступления от классического варианта архитектуры.

Например, специализированная сетевая ОС NetWare использует лишь

привилегированный режим, в котором работает и ядро и

специализированные приложения. При таком построении ОС работает

быстрее, т.к. нет переключения режимов, однако при этом отсутствует

надежная аппаратная защита памяти.

Аппаратная зависимость и переносимость ОС. Типичный набор

средств аппаратной поддержки:

• поддержка привилегированного режима (проверка текущего уровня

привилегированности);

• трансляция адресов (таблицы, указатели);

• переключение процессов (контекст);

• система прерываний (реакция, синхронизация, процедура обработки);

• таймер (регистр, частота «тиков»);

• защита памяти.

Машинно-зависимые компоненты ОС. Для облегчения

переносимости ОС с одной аппаратной платформы на другую аппаратно-

зависимый код локализуют в нескольких модулях ОС. При переносе, в

случае несовпадении системы команд – перепрограммируются только эти

модули. Разработчики стремятся сократить к оличество машинно-зависимых

модулей. Реально разработчики ОС для переносимости ограничиваются

несколькими аппаратными платформами: Pentium, Alpha, DEC, MIPS,

многопроцессорные. К аппаратно зависи мым модулям О С относятся также

низкоуровневые драйверы внешних устройств. В Intel x86/Pentium разработка

машинно-зависимого слоя упрощается за сч ет встроенной в по стоянн ую

память базовой системы ввода-вывода (BIOS)

Переносимость, мобильность ОС. Для обеспечения легкости

переноса ОС на компьютеры разной аппаратной платформы используют:

• язык программирования ОС – высокого уровня;

• минимальный объем машинно-зависимых частей;

• аппаратно-зависимый код в нескольких модулях.

Совместимость. Под совместимост ью понимается способность ОС

выполнять приложения, написанные для других ОС. Различаются:

• двоичная совместимость;

• совместимость на уровне исходных текстов.

Для двоичной совместимости при одинаковых аппаратных платформах,

достаточно:

• вызовы функций API должны поддерживаться;

• внутренняя структура испол няемого файла соответствовать дру г

другу.

Совместимость на уровне исходных текстов достигается наличием у

ОС соответствующего компилятора.

1.2.3. Процессы и потоки, мультипрограммирование

Как указывалось выше, под процессом понимается программа в стадии

выполнения. Процесс можно рассматривать также как единицу работы для

процессора. Для современных типов процессоров существует и более мелкая

единица работы поток или нить. Процесс может породить один и более

потоков.

В чем же состоит принципиальное различие в понятиях процесс и

поток? Процесс рассматривается ОС, как заявка на все виды ресурсов

(память, файлы и пр.), кроме одного – процессорного времени. Поток – это

заявка на процессорное время.

В дальнейшем в качестве единицы работы ОС будут использоваться

понятия процесс и поток. В тех же случаях, когда это не играет

существенной роли, они будут называться задача

Планирование процессов и потоков. Планирование процессов и

потоков включает:

• создание-уничтожение процессов;

• взаимодействие между процессами;

• распределение процессорного времени;

• обеспечение процессов необходимыми ресурсами (единолично,

совместно);

• синхронизация (контроль за возникновением «гонок», блокировок);

• после завершения процесса – «зачистка», т.е. удаление следов

пребывания в системе.

Каждый процесс изолируется от других своим виртуальным адресным

пространством, под которым понимается совокупность адресов, которыми

может манипулировать программный модуль процесса. ОС отображает

виртуальное адресное пространство на отведенную процессу физическую

память.

Для взаимодействия, процессы обращаются к ОС, которая

предоставляет средства общения (конвейеры, почтовы е ящики, разделяемые

секции памяти и др.).

Возможность распараллеливания вычислений в рамках процесса на

потоки повышает эффективность ОС. Механизм распараллеливания

вычислений для одного приложения называется многопоточной обработкой.

Потоки процесса имеют одно виртуальное адресное пространство.