Эволюция ОС

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.

Второй период (1955 - 1965)

С середины 50-х годов начался новый период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. Именно в этот период произошло разделение персонала на программистов и операторов, эксплуатационников и разработчиков вычислительных машин.

В эти годы появились первые алгоритмические языки, а следовательно и первые системные программы - компиляторы. Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий.

Третий период (1965 - 1980)

Следующий важный период развития вычислительных машин относится к 1965-1980 годам. В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что дало гораздо большие возможности новому, третьему поколению компьютеров.

Для этого периода характерно также создание семейств программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360. Построенное в начале 60-х годов это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/произ-водительность. Вскоре идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.

Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Такие операционные системы должны были бы работать и на больших, и на малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством разнообразной периферии, в коммерческой области и в области научных исследований. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно сложными "монстрами". Они состояли из многих миллионов ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. В каждой новой версии операционной системы исправлялись одни ошибки и вносились другие.

Однако, несмотря на необозримые размеры и множество проблем, OS/360 и другие ей подобные операционные системы машин третьего поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей. Важнейшим достижением ОС данного поколения явилась реализация мультипрограммирования. Мультипрограммирование - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом.

Другое нововведение - спулинг (spooling). Спулинг в то время определялся как способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел.

Наряду с мультипрограммной реализацией систем пакетной обработки появился новый тип ОС - системы разделения времени. Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины.

Четвертый период (1980 - настоящее время)

Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса миникомпьютеров типа PDP-11, но вот цена у них существенно отличалась. Если миникомпьютер дал возможность иметь собственную вычислительную машину отделу предприятия или университету, то персональный компьютер сделал это возможным для отдельного человека.

Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения, это положило конец кастовости программистов.

На рынке операционных систем доминировали две системы: MS-DOS и UNIX. Однопрограммная однопользовательская ОС MS-DOS широко использовалась для компьютеров, построенных на базе микропроцессоров Intel 8088, а затем 80286, 80386 и 80486. Мультипрограммная многопользовательская ОС UNIX доминировала в среде "не-интеловских" компьютеров, особенно построенных на базе высокопроизводительных RISC-процессоров.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.

В сетевых ОС пользователи должны быть осведомлены о наличии других компьютеров и должны делать логический вход в другой компьютер, чтобы воспользоваться его ресурсами, преимущественно файлами. Каждая машина в сети выполняет свою собственную локальную операционную систему, отличающуюся от ОС автономного компьютера наличием дополнительных средств, позволяющих компьютеру работать в сети. Сетевая ОС не имеет фундаментальных отличий от ОС однопроцессорного компьютера. Она обязательно содержит программную поддержку для сетевых интерфейсных устройств (драйвер сетевого адаптера), а также средства для удаленного входа в другие компьютеры сети и средства доступа к удаленным файлам, однако эти дополнения существенно не меняют структуру самой операционной системы.

Мультипрограммный режим имеет в ЭВМ аппаратную и программную поддержку:

• аппаратная:
• контроллеры устройств ввода-вывода, которые могут работать параллельно с процессором;
• система прерывания;
• аппаратные средства системы защиты программ и данных в микропроцессоре;
• и т.п.;
• программная:
• мультизадачная операционная система (ОС);
• системные программы, управляющие работой устройств ввода-вывода и специализированных средств вычислительной системы.

Управляющая программа (ОС), реализуя мультипрограммный режим, должна распределять (в том числе динамически) ресурсы системы (время процессора, оперативную и внешнюю память, устройства ввода-вывода и т.д.) между параллельно выполняемыми программами, чтобы обеспечить увеличение пропускной способности компьютера с учетом ограничений на ресурсы и требований по срочности выполнения отдельных программ.

Производительность мультипрограммной ЭВМ оценивается количеством задач, выполненных в единицу времени (пропускная способность) и временем выполнения каждой программы Т_i.

Виртуальное адресное пространство (virtual address space) процесса - это набор адресов, которые могут использовать потоки процесса, оно равно четырем гигабайтам (232 байт), два из которых предназначены для использования программой, а другие два зарезервированы для ОС.
Во время выполнения потока диспетчер памяти при помощи аппаратных средств транслирует (отображает) виртуальные адреса в физические, по которым данные хранятся на самом деле. Посредством контроля над процессом отображения ОС может гарантировать, что процессы не будут пересекаться друг с другом и не повредят ОС.

Когда физической памяти не хватает, диспетчер памяти выгружает часть содержимого памяти на диск. При обращении потока по виртуальному адресу, соответствующему переписанным на диск данным, диспетчер памяти снова загружает эти данные с диска в память.
В Windows NT код ОС располагается в верхней части виртуального адресного пространства, а пользовательский код и данные - в нижней. Можно выгружать всю пользовательскую память. Код пользовательского режима не может производить запись и чтение системной памяти.
Часть системной памяти, называемая невыгружаемым (резидентным) пулом (nonpaged pool), никогда не выгружается на диск и используется для хранения некоторых объектов и других важных структур данных. Другая часть системной памяти, которая может быть выгружена на диск, называется выгружаемым (нерезидентным) пулом (paged pool).

Кроме центрального процессора и оперативной памяти, компьютерные системы обычно оснащаются теми или иными внешними устройствами. Прежде всего среди таких устройств следует упомянуть механизмы взаимодействия с пользователем, а также долговременные запоминающие устройства - диски, ленточные накопители и т.д.

С функциональной точки зрения, внешние устройства, подключаемые к современным компьютерам, можно разделить на следующие категории:

• устройства внешней памяти
• устройства последовательного ввода/вывода: печатающие устройства, телетайпы, терминалы и т.д.
• векторные и растровые графические терминалы
• позиционные устройства ввода: мыши, планшеты-дигитайзеры, световые перья и т.д.
• сетевые адаптеры
• устройства звукового ввода/вывода
• устройства графического ввода/вывода: сканнеры или видеодекодеры (ввод), плоттеры, графические принтеры или видеокодеры (вывод)
• специализированная контрольно-измерительная аппаратура

Базовыми понятиями мультипрограммного режима функционирования ЭВМ являются процесс и ресурс [[12]]

В строгом понимании процесс - это система действий, реализующая определенную функцию в вычислительной системе и оформленная так, что управляющая программа вычислительной системы может перераспределять ресурсы этой системы в целях обеспечения мультипрограммирования. То есть процесс - это некоторая деятельность, связанная с исполнением программы на процессоре.

Процесс может находиться в следующих состояниях:

• порождение - подготавливаются условия для первого исполнения на процессоре;
• активное состояние - исполнение программы на центральном процессоре;
• готовность (Ready) - программа не исполняется, но для исполнения предоставлены все необходимые в текущий момент ресурсы, кроме центрального процессора;
• исполнение программы на каком-либо другом устройстве компьютера, например, устройстве ввода/вывода, имеющем собственные средства управления;
• ожидание (Wait) - программа не исполняется по причине занятости какого-либо ресурса;
• окончание - нормальное или аварийное завершение исполнения программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются.

Время между порождением и окончанием процесса называется интервалом существования процесса.

Понятие ресурса строго не определено. Будем считать, что всякий потребляемый объект (независимо от формы его существования), обладающий некоторой практической ценностью для потребителя, является ресурсом [12].

Ресурсы различаются по запасу выделяемых единиц ресурса и бывают в этом смысле исчерпаемыми и неисчерпаемыми. К исчерпаемым ресурсам относится, например, центральный процессор. В качестве неисчерпаемого ресурса можно представить, например, память, выделяемую программе, если рассматривать ее как совокупность всех имеющихся в компьютере запоминающих устройств. В то же время, запоминающее устройство, состоящее только из оперативной памяти с единственным трактом записи/считывания, представляет собой исчерпаемый ресурс.

Исчерпаемость ресурса, как правило, приводит к конфликтам среди потребителей этого ресурса. Для регулирования конфликтов ресурсы должны распределяться между потребителями по каким-то правилам, в наибольшей степени их удовлетворяющим.

Вначале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации — ISO, ITU-Т и некоторые другие — разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Ореп System Interconnection) или моделью ОSI.

Модель ОSI определя­ет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указы­вает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель ОSI была разработана на основании большого опыта, полученного при создании компьютер­ных сетей, в основном глобальных, в 70-е годы. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.

В модели ОSI (рис, 18) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимо­действия сетевых устройств.

Модель ОSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуе­мые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реали­зуют, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень.

Рассмотрим пример передачи данных с помощью модели OSI. После формирования сообщения, которое необходимо передать, прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительному уровню. Протокол представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требу­емые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию — заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для протоко­ла представительного уровня машины-адресата. Полученное в результате сообще­ние передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т. д. (Некоторые реализации протоколов помещают служебную ин­формацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце, в виде так называемого «концевика».) Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передает его по линиям связи машине-адресату. К этому моменту сообщение «обрастает» заголовками всех уровней (рис. 17).

рис. 17 Вложенность сообщений различного уровня

Когда сообщение по сети поступает на машину-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и пе­редает сообщение вышележащему уровню.

Наряду с термином сообщение (message) существуют и другие термины, приме­няемые сетевыми специалистами для обозначения единиц данных в процедурах обмена. В стандартах ISO для обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее название протокольный блок данных (ProtocolData, Un&, PDU). Для обозначения, блоков данных определенных уровней-часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet), дейта­грамма (datagram), сегмент (segment).

В модели OSI различаются два основных стека протоколов. В протоколах с ус­тановлением соединения (connection-oriented) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать неко­торые параметры протокола, которые они будут использовать при обмене данны­ми. После завершения диалога они должны разорвать это соединение. Телефон — это пример взаимодействия, основанного на установлении соединения.

рис. 18 Модель OSI

В стеке TCP/IP определены 4 уровня (рис. 5S). Каждый из этих уровней несет на себе некоторую нагрузку по решению основной задачи — организации надежной и производительной работы составной сети, части которой построены на основе раз­ных сетевых технологий.

Уровень межсетевого взаимодействия

Стержнем всей архитектуры является уровень межсетевого взаимодействия, который реализует концепцию передачи пакетов в режиме без установления соединений, то есть дейтаграммным способом. Именно этот уровень обеспечивает возможность пере­мещения пакетов по сета, используя тот маршрут, который в данный момент является наиболее рациональным. Этот уровень также называют уровнем internet, указывая тем самым на основную его функцию — передачу данных через составную сеть.

Основным протоколом сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке является протокол IP (Internet Protocol). Этот протокол изначально проектировался как про­токол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества ло­кальных сетей) объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально исполь­зуя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низко­скоростных линий связи. Так каш протокол IP является дейтаграммным протоколом, он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Ccmtrol Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена инфор­мацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщает о невозможности доставки па­кета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фраг­ментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т. п.

Основной уровень

Поскольку на сетевом уровне не устанавливаются соединения, то нет никаких га­рантий, что все пакеты будут доставлены в место назначения целыми и невреди­мыми или придут в том же порядке, в котором они были отправлены. Эту задачу — обеспечение надежной информационной связи между двумя конечными узлами — решает основной уровень стека TСР/IР, называемый также транспортным.

На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Trans­mission Control Protofcol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между уда­ленными прикладными процессами за счет образования логических соединений. Этот протокол позволяет равноранговым объектам на компьютере-отправителе и компьютере-получателе поддерживать обмен данными в дуплексном режиме. TCP позволяет без ошибок доставить сформированный на одном из компьютеров поток байт в любой другой компьютер, входящий в составную сеть. TCP делит поток байт на части — сегменты и передает их ниже лежащему уровню межсетевого вза­имодействия. После того как эти сегменты будут доставлены средствами уровня 1 межсетевого взаимодействия в пункт назначения, протокол TCP снова соберет их в непрерывный поток байт.

Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и главный протокол уровня межсетевого взаимодействия IP, и вы­полняет только функции связующего звена (мультиплексора) между сетевым про­токолом и многочисленными службами прикладного уровня или пользовательскими процессами.

Прикладной уровень

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые системой пользова­тельским приложениям. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и служб прикладного уровня. Прикладной уровень реализуется программными системами, построенными в архитектуре клиент-сервер, базирующимися на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трех уровней, протоколы прикладно­го уровня занимаются деталями конкретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети. Этот уровень постоянно расширяется за счет присоединения к старым, прошедшим многолетнюю эксплуатацию сетевым служ­бам типа Telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP сравнительно новых служб таких, напри­мер, как протокол передачи гипертекстовой информации HTTP.

Уровень сетевых интерфейсов

Идеологическим отличием архитектуры стека TCP/IP от многоуровневой органи­зации других стеков является интерпретация функций самого нижнего уровня — уровня сетевых интерфейсов. Протоколы этого уровня должны обеспечивать ин­теграцию в составную сеть других сетей, причем задача ставится так: сеть TCP/IP должна иметь средства включения в себя любой другой сети, какую бы внутрен­нюю технологию передачи данных эта сеть не использовала. Отсюда следует, что этот уровень нельзя определить раз и навсегда. Для каждой технологии, включаемой в составную сеть подсети, должны быть разработаны собственные интерфейс­ные средства. К таким интерфейсным средствам относятся протоколы инкапсуляции IP-пакетов уровня межсетевого взаимодействия в кадры локальных технологий.

Уровень сетевых интерфейсов в протоколах TCP/IP не регламентируется, но он поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, lOOVG-AnyLAN, для глобальных сетей — протоколы соединений «точка-точка» SLIP и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов Х.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии АТМ в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкап­суляции IP-пакетов в ее кадры.

Группа процессов включает в себя один или более процессов и существует, пока в группе присутствует хотя бы один процесс. Каждый процесс обязательно включен в какую-нибудь группу. При рождении нового процесса он попадает в ту же группу процессов, в которой находится его родитель. Процессы могут мигрировать из группы в группу по своему желанию или по желанию другого процесса (в зависимости от версии UNIX). Многие системные вызовы могут быть применены не к одному конкретному процессу, а ко всем процессам в некоторой группе. Поэтому то, как именно следует объединять процессы в группы, зависит от того, как предполагается их использовать. Чуть позже мы поговорим об использовании групп процессов для передачи сигналов.

Рис. 13-14.1. Иерархия процессов в UNIX

В свою очередь, группы процессов объединяются в сеансы, образуя, с родственной точки зрения, некие кланы семей. Понятие сеанса изначально было введено в UNIX для логического объединения групп процессов, созданных в результате каждого входа и последующей работы пользователя в системе. С каждым сеансом, поэтому, может быть связан в системе терминал, называемый управляющим терминалом сеанса, через который обычно и общаются процессы сеанса с пользователем. Сеанс не может иметь более одного управляющего терминала, и один терминал не может быть управляющим для нескольких сеансов. В то же время могут существовать сеансы, вообще не имеющие управляющего терминала.

Каждая группа процессов в системе получает собственный уникальный номер. Узнать этот номер можно с помощью системного вызова getpgid(). Используя его, процесс может узнать номер группы для себя самого или для процесса из своего сеанса. К сожалению, не во всех версиях UNIX присутствует данный системный вызов. Здесь мы сталкиваемся с тяжелым наследием разделения линий UNIX'ов на линию BSD и линию System V, которое будет нас преследовать почти на всем протяжении данной темы. Вместо вызова getpgid() в таких системах существует системный вызов getpgrp(), который возвращает номер группы только для текущего процесса.

Организационные единицы (OU), или подразделения, могут содержать пользователей, группы, компьютеры, принтеры и общие папки, а также другие OU.

OU - это минимальная "единица" администрирования, права управления которой можно делегировать некоторому пользователю или группе.

С помощью OU можно обеспечить локальное администрирование пользователей (создание, модификация и удаление учетных записей) или ресурсов

Примечание:

Организационные единицы и подразделения - это термины-синонимы; мы будет чаще использовать понятие организационная единица, говоря о структуре каталога Active Directoryи его дереве, и подразделение - когда речь идет об администрировании Active Directory, делегировании управления и т. д.

В каталоге Active Directoryорганизационные единицы представляют собой объекты типа "контейнер" и отображаются, как мы увидим позже, в окне оснастки Active Directoryпользователи и компьютеры (Active DirectoryUsers and Computers) как папки.

Их основное назначение - группирование объектов каталога с целью передачи административных функций отдельным пользователям.

Дерево OU может отображать реальную структуру организации - административную, функциональную и т. п. При этом учитываются иерархия полномочий ответственных работников и необходимые функции управления. Каждый доменов дереве или лесе может иметь свою, совершенно независящую от других структуру организационных единиц.

Организационная единица - минимальная структурная единица, которой можно назначить собственную групповую политику, т. е. определить разрешения на доступ к ней (и подчиненным OU), конфигурационные настройки и т. п. Однако OU не является структурным элементом безопасности (т. е. нельзя, скажем, назначить подразделению некоторые права доступа к определенному объекту), а служит только для группирования объектов каталога.

Для назначения полномочий и разрешений доступа к ресурсам следует применять группы безопасности (security groups).

Примечание:

Параметры безопасности групповой политики, назначенной некоторому подразделению, позволяют "сужать" область действия этой политики. Предположим, например, что в подразделении имеется несколько групп безопасности. По умолчанию групповая политика распространяется на всех членов подразделения. Однако можно сделать так, что эта политика будет действовать только на определенную группу (группы) и игнорироваться остальными группами подразделения. Подробнее об этом мы будем говорить в последующих уроках.

Вот несколько рекомендаций по выбору решения (организовать ли в сети несколько доменов или делить её на организационные единицы):