Будакова Е.А. Учебное пособие Современные информационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

пользователя с вычислительной системой. Программное обеспечение

вычислительной машины функционирует на нескольких связанных между

собой уровнях, образуя иерархию, в которой каждый последующий уровень

базируется на программном обеспечении предшествующих уровней.

Системное программное обеспечение - это программное обеспечение,

включающее операционные системы, сетевое программное обеспечение,

сервисные программы, а также средства разработки программ. Основой

системного программного обеспечения

является операционная система.

Операционные системы (ОС) различают по особенностям реализации

внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера,

особенностям использованных методов проектирования, типам аппаратных

платформ, сферам применения и др.

Обобщенная характеристика современной операционной системы для

вычислительной машины, являющейся узлом вычислительной сети, - сетевая,

многопользовательская, многозадачная и даже многопроцессорная. Всем этим

критериям соответствуют наиболее

распространенные операционные системы

семейства Windows, выпускаемые компанией Microsoft для персональных

компьютеров начиная с 2000 г. Включение сетевого ядра в операционные

системы персональных компьютеров в первую очередь связано с развитием и

массовым использованием глобальной сети Internet.

Сетевое программное обеспечение является составной частью системного

программного обеспечения и предназначено для управления общими ресурсами

в распределенных вычислительных системах. Общими

ресурсами, как правило,

являются сетевые накопители на магнитных и оптических дисках, принтеры,

сканеры и др. аппаратные средства. Кроме этого, к общим ресурсам относятся

программы и данные.

К сетевому программному обеспечению, помимо операционных систем,

поддерживающих работу вычислительной машины в сетевых конфигурациях

(сетевые операционные системы), также относятся отдельные сетевые

программы (пакеты), используемые

совместно с операционными системами, не

имеющими сетевого ядра.

Основные функции сетевой ОС:

- управление каталогами и файлами является одной из первоочередных

функций сетевой операционной системы, обслуживаемых специальной сетевой

файловой подсистемой. Пользователь получает от этой подсистемы

возможность обращаться к файлам, физически расположенным в сервере или в

другой станции данных, применяя привычные для

локальной работы языковые

средства;

− управление ресурсами включает запросы и предоставление ресурсов;

коммуникационные функции обеспечивают адресацию, буферизацию,

маршрутизацию;

- защита от несанкционированного доступа возможна на любом из

следующих уровней: ограничение доступа в определенное время, и (или) для

определенных станций, и (или) определенное число раз; ограничение

совокупности доступных конкретному пользователю директорий; ограничение

для конкретного пользователя списка возможных действий (например, только

чтение файлов); пометка файлов символами типа "только чтение", "скрытность

при просмотре списка файлов";

− обеспечение отказоустойчивости определяется наличием в сети

автономного источника питания, отображением или дублированием

информации в дисковых накопителях. Отображение заключается в хранении

двух копий данных на двух дисках, подключенных к одному контроллеру, а

дублирование означает подключение каждого из этих двух дисков к разным

контроллерам;

- управление сетью. Основные функции управления сетью реализуются в

ПО, поддерживающем протоколы управления такие, как ICMP и SNMP или

протокол ISO для семиуровневой модели CMIP (Common Management

Information Protocol).

В настоящее время выбор среди ОС происходит преимущественно между

тремя основными системами - UNIX, Windows NT, Novell Netware.

ОC UNIX применяют преимущественно в крупных корпоративных сетях,

поскольку эта система характеризуется высокой надежностью, возможностью

легкого масштабирования сети. В Unix имеется ряд команд и поддерживающих

их программ

для работы в сети. Во-первых, это команды ftp, telnet,

реализующие файловый обмен и эмуляцию удаленного узла на базе протоколов

TCP/IP. Во-вторых, протокол, команды и программы UUCP, разработанные с

ориентацией на асинхронную модемную связь по телефонным линиям между

удаленными Unix-узлами в корпоративных и территориальных сетях.

Структуру UNIX проще всего представить в виде двух слоев (

рисунок 44).

Первым является ядро. Оно непосредственно взаимодействует с железом и

обеспечивает переносимость всего остального ПО на компьютеры с разным

аппаратным обеспечением. Ядро предоставляет программам определенный

набор системных API, с помощью которых производятся создание процессов,

управление ими, их взаимодействие и синхронизация, а также файловый

ввод/вывод. Вторым слоем является программное обеспечение, прикладное или

системное: командный интерпретатор, графическая оболочка и т. д.

Рисунок 44 – Структура ОС UNIX

Ядро системы (рисунок 45). Оно позволяет всем остальным программам

общаться с периферийными устройствами, регулирует доступ к файлам,

управляет память и процессами. Ядро - это связной, к которому обращаются

посредством системных вызовов (запрашивая какую-то услугу). Связь эта - не

односторонняя: ядро может и возвращать в случае необходимости какие-то

данные. Основным достоинством ядра является

строгая стандартизация

системных API. За счет этого во многом достигается переносимость кода

между разными версиями UNIX и абсолютно различным аппаратным

обеспечением.

Все обращения к ядру системы можно разделить на две категории:

программа вызывает подсистему управления файлами или подсистему

управления процессами. Первая отвечает за все, что связано с файлами:

управление, размещение, доступ. Процессы

же - это, в общем случае, любые

запущенные программы. Поэтому подсистема управления процессами служит

для их жизнеспособности, синхронизации и управления. Важно так же и то,

что файловая подсистема и подсистема управления процессов могут общаться

друг с другом: любой процесс может вызывать системные API для работы с

файлами. Преимущество UNIX состоит в том, что эти

API универсальны. Вот

самые главные из них: open, close, read, write, stat, chown, chmod (они служат

для управления атрибутами файлов, информации о владельце и прав доступа)

и др.

Рисунок 46 - Ядро ОС UNIX

Подсистема управления файлами - почти единственная из всех работает с

драйверами, которые являются модулями ядра. "Почти", потому что есть еще и

сетевая подсистема, которая работает, например, с драйвером сетевой карты и

с драйверами различных современных сетевых устройств. Обмен данными с

драйверами может проходить двумя способами: с помощью буфера или

потока. Суть первого метода заключается в том, что для информации

выделяется кэш, в который заносится необходимый блок данных. Далее

информация из кэша передается к драйверу. Драйвер - единственный элемент

ядра, способный управлять периферийными устройствами. Но подсистема

управления файлами может взаимодействовать с драйвером и

через поток.

Поток представляет собой посимвольную передачу данных драйверу. Следует

отметить, что способ взаимодействия с драйвером определяется не

пользователем и не приложением. Он является характеристикой того

устройства, которым управляет драйвер. Очевидно, что потоковое общение

позволяет взаимодействовать более оперативно, чем общение через буфер.

Ведь на заполнение буфера тратится время и, следовательно,

возрастает время

отклика.

Теперь более подробно рассмотрим подсистему управления процессами.

Она отвечает за синхронизацию и взаимодействие процессов, распределение

памяти и планирование выполнения процессов. Для всех этих целей в

подсистему управления процессами включены три модуля, которые наглядно

продемонстрированы на схеме. Хорошим примером взаимодействия

подсистем управления файлами и процессами является загрузка файла на

исполнение.

Чуть выше мы перечисляли системные API для управления файлами.

Теперь рассмотрим вызовы, служащие для работы с процессами: fork (создает

новый процесса), exec (выполняет процесс), exit (завершает исполнение

процесса), wait (один из способов синхронизации), brk (управляет памятью,

выделенной процессу), signal (обработчики исключений) и др.

Следующие два модуля являются очень важными в понимании всей

подсистемы управления процессами. Первый -

модуль распределения памяти,

позволяет избежать нехватки оперативной памяти. Хотя механизм свопинга и

файлов подкачки (технически правильно это, кстати, называется виртуальной

памятью) уже ни для кого не секрет, в тени остается другой факт:

операционная система (в лице описываемой подсистемы) может либо

скидывать все данные, относящиеся к конкретному процессу, на диск, либо

скидывать

страницы памяти (страничное замещение). Таким образом, модуль

распределения памяти выполняет очень важную функцию - он определяет

какому процессу сколько выделить памяти.

Второй модуль - планировщик. Его задача не менее важна. UNIX -

мультизадачная ОС, то есть одновременно может выполняться множество

процессов. Мы, однако, знаем, что в фиксированный момент времени на одном

процессоре может выполняться

только одна команда. Именно поэтому нужен

виртуальный рефери, который будет определять, какому процессу исполняться

сейчас, а какому - через секунду. На практике же планировщик переключает

контекст, то есть перед тем, как остановить исполнение какого-то процесса, он

запоминает состояние регистров, памяти и т. д., а уже после этого запускает

другой процесс в

его собственном адресном пространстве. И еще один тонкий

момент: каждый запущенный процесс "думает", что он единственный.

Дополнительно существует механизм приоритетов. Очевидно, чем выше

приоритет, тем быстрее начнет исполняться процесс. Процессы могут также

обмениваться между собой информацией. В случае их синхронного

взаимодействия синхронизацию осуществляет модуль взаимодействия

(например, функция wait).

Последний уровень - аппаратный контроль. На данном уровне происходит

обработка прерываний и

связь ядра с железом. Здесь следует отметить лишь

пару моментов, во-первых, прерывания могут "прерывать" работу процессора и

требовать внимания к себе (после этого процессор без проблем возвращается к

выполнению оставленных процессов), а, во-вторых, обработку прерываний

осуществляют специальные функции ядра.

К основным функциям ядра ОС UNIX принято относить следующие:

- Инициализация

системы - функция запуска и раскрутки. Ядро системы

обеспечивает средство раскрутки (bootstrap), которое обеспечивает загрузку

полного ядра в память компьютера и запускает ядро.

- Управление процессами и нитями - функция создания, завершения и

отслеживания существующих процессов и нитей ("процессов", выполняемых на

общей виртуальной памяти). Поскольку ОС UNIX является мультипроцессной

операционной системой, ядро обеспечивает разделение между

запущенными

процессами времени процессора (или процессоров в мультипроцессорных

системах) и других ресурсов компьютера для создания внешнего ощущения

того, что процессы реально выполняются в параллель.

- Управление памятью - функция отображения практически

неограниченной виртуальной памяти процессов в физическую оперативную

память компьютера, которая имеет ограниченные размеры. Соответствующий

компонент ядра обеспечивает разделяемое использование одних и

тех же

областей оперативной памяти несколькими процессами с использованием

внешней памяти.

- Управление файлами - функция, реализующая абстракцию файловой

системы, - иерархии каталогов и файлов. Файловые системы ОС UNIX

поддерживают несколько типов файлов. Некоторые файлы могут содержать

данные в формате ASCII, другие будут соответствовать внешним устройствам.

В файловой системе хранятся объектные файлы, выполняемые файлы и

т.д.

Файлы обычно хранятся на устройствах внешней памяти; доступ к ним

обеспечивается средствами ядра. В мире UNIX существует несколько типов

организации файловых систем. Современные варианты ОС UNIX

одновременно поддерживают большинство типов файловых систем.

- Коммуникационные средства - функция, обеспечивающая возможности

обмена данными между процессами, выполняющимися внутри одного

компьютера (IPC - Inter-Process Communications), между процессами,

выполняющимися в разных

узлах локальной или глобальной сети передачи

данных, а также между процессами и драйверами внешних устройств.

- Программный интерфейс - функция, обеспечивающая доступ к

возможностям ядра со стороны пользовательских процессов на основе

механизма системных вызовов, оформленных в виде библиотеки функций.

ОС Windows NT включает серверную (Windows NT) и клиентскую

(Windows NT Workstation) части и, тем самым, обеспечивает работу в сетях

"клиент/сервер". Windows NT обычно применяют в средних по масштабам

сетях.

На рисунке 47 приведена общая

архитектура Windows NT и ее

компонентов. Элементы над разделительной линией представляют собой

процессы пользовательского режима, а под ней располагаются процессы

операционной системы, выполняемые ядром. Потоки пользовательского

режима выполняются в защищенном адресном пространстве. Однако, во время

их выполнения в режиме ядра, они получают доступ к системному

пространству. Таким образом, системные процессы, процессы сервера

(службы), подсистема среды или пользовательское приложение имеют свое

собственное адресное пространство.

Рисунок 47 - Архитектура Windows NT и ее компонентов

Компоненты режима ядра Windows NT спроектированы на основе

принципов построения объектно-ориентированных систем. Вместо этого для

передачи параметров, доступа и/или модификации структур данных они

используют формальный интерфейс. Вместе с тем, несмотря на повсеместное

использование объектов для представления разделяемых системных ресурсов,

Windows NT не является объектно-ориентированной системой в

точном смысле

этого понятия, поскольку основная часть кода системы написана на Си из

соображений обеспечения высокой скорости выполнения и переносимости.

В режиме ядра выполняются следующие компоненты ОС:

− исполняемая часть NT которая включает управление памятью,

процессами, потоками, безопасностью, вводом/выводом, межпроцессорными

обменами;

− ядро Windows NT выполняет низкоуровневые функции операционной

системы: диспетчеризация потоков, прерываний и исключений, синхронизация

процессоров. Ядро также включает набор процедур и базовых объектов,

используемый исполняемой частью для создания высокоуровневых

конструкций;

− слой абстракции от оборудования (HAL - Hardware Abstraction Layer),

изолирует ядро, драйверы устройств и исполняемую часть NT от аппаратных

платформ, на которых должна работать операционная система;

− драйверы устройств включают как файловую систему, так и аппаратные

драйверы, которые транслируют пользовательские вызовы функций

ввода/вывода в запросы физических устройств ввода/вывода;

− функции графического интерфейса пользователя работают с окнами,

элементами управления и рисунками.

Ядро NTOSKRNL.EXE выполняет большинство основных операций NT,

определяющих порядок использования процессора: диспетчеризация потоков;

диспетчеризация и обработка исключений; cинхронизация работы процессоров;

обеспечение базовых объектов ядра, которые используются исполняемой

частью (и в некоторых случаях экспортируются в режим пользователя).

Объекты ядра. Одна из функций ядра

- обеспечение низкоуровневой базы

для хорошо определенных примитивов операционной системы, которые

обеспечивают работу компонентов высшего уровня. Ядро изолирует само себя

от остальной части ОС, что позволяет вынести принятие политических

решений из ядра, за исключением диспетчеризации потоков. Ядро использует

набор простейших объектов, называемых объектами ядра, позволяющих

управлять работой центрального процессора и порядком

создания

вычисляемых объектов. Большинство вычисляемых объектов включает в себя

один или более объектов ядра, включая определенные ядром атрибуты. Один из

наборов объектов называется объектами управления и включает объект

процесса ядра, объект АРС, объект процедуры отложенного вызова DPC

(Deferred Procedure Call) и несколько объектов, используемых системой

ввода/вывода (например, объект обработки прерывания).

Другой набор объектов

ядра - объекты диспетчеризации, включает

объекты синхронизации потоков, поток ядра, mutex, объекты события,

семафора, таймера, таймера ожидания и ряд других.

Поддержка оборудования. Другой главнейшей задачей ядра является

абстрагирование (или изоляция) исполняемой части и драйверов устройств от

различий микропроцессорных платформ, на которых способна работать

Windows NT: х86 и Alpha AXP. Специфичные для архитектуры функции (такие,

как контекстное

переключение потока) реализованы в ядре. Функции, которые

могут отличаться от машины к машине, реализованы в составе HAL.

Ядро поддерживает набор интерфейсов, семантически идентичных для

всех архитектур. Некоторые из интерфейсов реализованы по-разному для

разных архитектур, однако, и идентичны внешне интерфейсы реализованы с

помощью специфичного для архитектуры кода. Независимый от архитектуры

интерфейс может быть вызван на любой машине, и его семантика будет той же,

несмотря на то, зависит ли

код от архитектуры или нет. Некоторые интерфейсы

ядра (например, процедуры синхронизации SMP) реализованы в HAL,

поскольку их реализация может изменяться даже внутри одного семейства

компьютеров. В качестве примера зависящего от архитектуры кода можно

назвать также поддержку кэша центрального процессора.

Загружаемый модуль ядра HAL обеспечивает низкоуровневый интерфейс

с аппаратной платформой, что позволяет скрыть такие

зависимые от

аппаратуры детали, как интерфейс ввода/вывода, контроллеры прерываний,

механизм обмена данными между процессорами - любые аппаратно-зависимые

и специфические для архитектуры функции.

Драйверы устройств. Драйверы устройств - это загружаемые модули,

которые работают в режиме ядра, обеспечивая интерфейс между системой

ввода/ вывода и соответствующим оборудованием. Названия этих модулей

обычно имеют расширение .SYS. Все

они, как правило, написаны на Си (иногда

С++) с использованием вызовов процедур HAL и могут быть переносимыми на

уровне двоичного кода между платформами, поддерживаемыми NT. Имеется

несколько типов драйверов устройств:

Поскольку установка драйверов устройств является единственным

способом добавить к системе пользовательский код, работающий в режиме

ядра, то некоторые программисты могут рассматривать написание

драйверов

устройств как способ доступа к внутренним функциям и структурам данных

операционной системы, недоступным из пользовательского режима.

Подсистема Win32. Главные компоненты подсистемы Win32 - процесс

подсистемы среды и драйвер режима ядра. Процесс подсистемы среды

поддерживает:

− консольные (текстовые) окна;

− создание и удаление процессов и потоков;

− работу виртуальной 16-разрядной DOS машины;

− иные функции (GetTempFile, DefineDosDevice, ExitWindowsEx и др.).

Драйвер режима ядра поддерживает:

− менеджер окон, который управляет отображением окон, выводом на

экран, вводом с клавиатуры, от мыши и других устройств, а также передачей

пользовательских сообщений приложениям;

− интерфейс графических устройств GDI (Graphical Device Interface),

библиотека функций для вывода на графические устройства, для рисования

текста, линий, фигур и манипуляций графическими

объектами;

− зависимые от устройств драйверы графики, принтера и видеопорта;

− несколько библиотек DLL, которые транслируют документированные

функции Win32 API в соответствующие недокументированные вызовы

NTOSKRNL.EXE и WIN32K.SYS.

− NTDLL.DLL - это специальная система поддержки DLL - библиотек.

Она содержит два типа функций.

− Первая группа функций обеспечивает интерфейс к службам NT,

которые могут быть вызваны из пользовательского режима. Существует более

200 таких функций, например NtCreateFile, NtSetEvent и т.д. Для каждой из

них

имеется точка входа в NTDLL.DLL с тем же именем. Внутренний код функции

содержит специфичные для архитектуры команды, которые вызывают переход

в режим ядра для обращения к реальным службам NT, код которых содержится

в NTOSKRNL.EXE.

− Вторая группа функций содержит большое количество функций

поддержки: загрузчик исполняемых модулей, коммуникационные функции для

процессов подсистемы Win32, библиотека функций

реального времени

пользовательского режима, диспетчер вызовов асинхронных процедур АРС

(Asynchronous Procedure Call) пользовательского режима, диспетчер

исключений.

ОС Novell Netware состоит из серверной части и оболочек Shell,

размещаемых в клиентских узлах. Предоставляет пользователям возможность

совместно использовать файлы, принтеры и другое оборудование. Содержит

службу каталогов, общую распределённую базу данных пользователей и

ресурсов сети. Эту ОС чаще применяют

в небольших сетях.

На рисунке 48 представлена укрупненная структурная схема ОС NetWare.

Рисунок 48 - Структурная схема ОС NetWare

Ядро ОС NetWare загружается в ОП файлового сервера из-под DOS

(программа SERVER.EXE). Программа SERVER.EXE выполняет следующие

действия.

1 Читает из каталога DOS файл STARTUP.NCF и интерпретирует

закодированные в нем операторы. Этот небольшой текстовый файл обычно

содержит следующие команды:

- оператор загрузки (load) NLM-модуля DOMAIN.NLM (только для версии

4.х); этот модуль читается из каталога DOS и обеспечивает защиту оперативной

памяти файлового сервера,

- оператор загрузки NLM-модуля драйвера жесткого диска, например

ISADISK.DSK; после этого становится доступной файловая система NetWare,

- может быть некоторые SET-команды, например, указание максимального

уровня вложенности каталогов файловой системы NetWare.

2 Монтирует том SYS файлового сервера

и открывает каталог SYSTEM на

этом томе.

3 Читает из каталога SYSTEM конфигурационный файл AUTOEXEC.NCF

и интерпретирует закодированные в нем операторы. Этот небольшой текстовый

файл обычно содержит следующие группы команд:

- некоторые SET-команды, например, обеспечивающие переход на летнее

и зимнее время,

- SET-команды, определяющие Bindery-контексты в дереве NDS (только

для версии 4.х),

- операторы, указывающие имя

файлового сервера и внутренний номер

сети,

- операторы загрузки драйверов сетевых адаптеров (например,

NE2000.LAN) и их связи с протоколом IPX,

- операторы загрузки некоторых дополнительных NLM-модулей.

Далее устанавливаются значения SET-параметров, принятые по

умолчанию. Изменяя SET-параметры, можно оптимизировать работу

операционной системы. Эти параметры следует изменять с помощью SET-

команд, которые можно включать в конфигурационные файлы STARTUP.NCF

и AUTOEXEC.NCF или вводить с консоли файлового сервера.

В процессе функционирования ядро выполняет также роль диспетчера

нитей (задач) операционной системы. Каждая нить или связана с каким-либо

NLM-модулем, или представляет внутреннюю задачу ОС. NLM-модуль - это

исполняемый файл ОС NetWare 3.х и 4.х.

Системная база данных сетевых ресурсов является частью операционной

системы и

играет роль надежного хранилища системной информации о

объектах, их свойствах (атрибутах), значениях этих свойств.

NetWare поддерживает возможность описания различных типов объектов:

пользователей, групп, файловых серверов, очередей печати, серверов печати и

т.д. Каждый из этих типов объектов имеет свой набор свойств. Например,

объект "пользователь" характеризуется следующими атрибутами: пароль,

балансовый счет, список

групп, участником которых является пользователь, и

т.д. Значением атрибута (свойства) является та совокупность данных, которая

содержится в полях этого атрибута. Системная база данных представляет собой

множество файлов, хранящихся на томе SYS файлового сервера. В NetWare 3.х

и 4.х эти базы организованы по-разному. В NetWare 3.х она представлена в виде

БД Bindery, а в

NetWare 4.х - в виде глобального сетевого каталога NDS. NDS

стала мощным средством управления большими корпоративными сетями.