Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры ОС

Операционные системы, основанные на концепции микроядра, в высокой степени удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к современным ОС, обладая переносимостью, расширяемостью, надежностью и создавая хорошие предпосылки для поддержки распределенных приложений. За эти достоинства

приходится платить снижением производительности, и это является основным недостатком микроядерной архитектуры.

Высокая степень переносимости обусловлена тем, что весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре, поэтому для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений и все они логически сгруппированы вместе.

Расширяемость присуща микроядерной ОС в очень высокой степени. В традиционных системах даже при наличии многослойной структуры нелегко удалить один слой и поменять его на другой по причине множественности и размытости интерфейсов между слоями. Добавление новых функций и изменение существующих требует хорошего знания операционной системы и больших затрат времени. В то же время ограниченный набор четко определенных интерфейсов микроядра открывает путь к упорядоченному росту и эволюции ОС. Добавление новой подсистемы требует разработки нового приложения, что никак не затрагивает целостность микроядра. Микроядерная структура позволяет не только добавлять, но и сокращать число компонентов операционной системы, что также бывает очень полезно. Например, не всем пользователям нужны средства безопасности или поддержки распределенных вычислений, а удаление их из традиционного ядра чаще всего невозможно. Обычно традиционные операционные системы позволяют динамически добавлять в ядро или удалять из ядра только драйверы внешних устройств — ввиду частых изменений в конфигурации подключённых к компьютеру внешних устройств подсистема ввода-вывода ядра допускает загрузку и выгрузку драйверов «на ходу», но для этого она разрабатывается особым образом (например, среда STREAMS в UNIX или менеджер ввода-вывода в Windows NT). При микроядерном подходе конфигурируемость ОС не вызывает никаких проблем и не требует особых мер — достаточно изменить файл с настройками начальной конфигурации системы или же остановить не нужные больше серверы в ходе работы обычными для остановки приложений средствами.

Использование микроядерной модели повышает надежность ОС. Каждый сервер выполняется в виде отдельного процесса в своей собственной области памяти и таким образом защищен от других серверов операционной системы, что не наблюдается в традиционной ОС, где все модули ядра могут влиять друг на друга. И если отдельный сервер терпит крах, то он может быть перезапущен без останова или повреждения остальных серверов ОС. Более того, поскольку серверы выполняются в пользовательском режиме, они не имеют непосредственного доступа к аппаратуре и не могут модифицировать память, в которой хранится и работает микроядро. Другим потенциальным источником повышения надежности ОС является уменьшенный объем кода микроядра по сравнению с традиционным ядром — это снижает вероятность появления ошибок программирования.

Модель с микроядром хорошо подходит для поддержки распределенных вычислений, так как использует механизмы, аналогичные сетевым: взаимодействие клиентов и серверов путем обмена сообщениями. Серверы микроядерной ОС могут работать как на одном, так и на разных компьютерах. В этом случае при получении сообщения от приложения микроядро может обработать его самостоятельно и передать локальному серверу или же переслать по сети микроядру, работающему на другом компьютере. Переход к распределенной обработке требует ми-

нимальных изменений в работе операционной системы — просто локальный транспорт заменяется на сетевой.

Производительность. При классической организации ОС (рис. 3.12, я) выполнение системного вызова сопровождается двумя переключениями режимов, а при микроядерной организации (рис. 3.12, б) — четырьмя. Таким образом, операционная система на основе микроядра при прочих равных условиях всегда будет менее производительной, чем ОС с классическим ядром. Именно по этой причине микроядерный подход не получил такого широкого распространения, которое ему предрекали.

Рис. 3.12.Смена режимов при выполнении системного вызова

Серьезность этого недостатка хорошо иллюстрирует история развития Windows NT. В версиях 3.1 и 3.5 диспетчер окон, графическая библиотека и высокоуровневые драйверы графических устройств входили в состав сервера пользовательского режима, и вызов функций этих модулей осуществлялся в соответствии с микроядерной схемой. Однако очень скоро разработчики Windows NT поняли, что такой механизм обращений к часто используемым функциям графического интерфейса существенно замедляет работу приложений и делает данную операционную систему уязвимой в условиях острой конкуренции. В результате в версию Windows NT 4.0 были внесены существенные изменения — все перечисленные выше модули были перенесены в ядро, что отдалило эту ОС от идеальной микроядерной архитектуры, но зато резко повысило ее производительность.

Этот пример иллюстрирует главную проблему, с которой сталкиваются разработчики операционной системы, решившие применить микроядерный подход, — что включать в микроядро, а что выносить в пользовательское пространство. В идеальном случае микроядро может состоять только из средств передачи сообщений, средств взаимодействия с аппаратурой, в том числе средств доступа к механизмам привилегированной защиты. Однако многие разработчики не всегда жестко придерживаются принципа минимизации функций ядра, часто жертвуя этим ради повышения производительности. В результате реализации ОС образуют некоторый спектр, на одном краю которого находятся системы с минимально возможным микроядром, а на другом — системы, подобные Windows NT, в которых микроядро выполняет достаточно большой объем функций.

115. Прикладные сервисы Internet: электронная почта, телеконференции, почтовые списки, передача файлов.

Все прикладные сервисы сети Internet можно разделить на три группы: интерактивные, прямого обращения и отложенного чтения.

К группе интерактивных сервисов относятся такие, где требуется немедленная реакция от получателя информации, т.е. получаемая информация, в сущности, является запросом.

Сервисы прямого обращения характеризуются тем, что информация по запросу возвращается немедленно.

Наиболее распространенными являются сервисы отложенного чтения, например электронная почта. Для них основным признаком служит та особенность, что запрос и получение информации могут быть достаточно заметно разделены во времени (это определяется актуальностью информации на момент ее получения). Сервисы отложенного чтения наиболее универсальны и наименее требовательны к ресурсам ЭВМ и линиям связи.

Существует и другой подход к делению услуг, предоставляемых сетью Internet. Они делятся на две категории: услуги по обмену информацией между абонентами сети и услуги, связанные с использованием баз данных сети. Все эти сервисы относятся к сервисам верхнего уровня стека TCP/IP. Они в наибольшей степени интересуют пользователей, поскольку осуществляют и контролируют те функции, ради которых используется Internet и благодаря которым эта сеть стала удобным, дружественным и многофункциональным средством общения. Рассмотрим наиболее распространенные услуги сети.

Электронная почта (e-mail). К числу наиболее популярных прикладных сервисов Internet принадлежит, электронная почта (ЭП). Эффективность, простота использования и скорость (E-mail сообщения могут передаваться и достигать адресата через весь земной шар за считанные минуты) сделали этот сервис наиболее распространенным.

В настоящее время предлагается множество различных пакетов программ для организации системы ЭП, в том числе в локальных сетях. Если ЛКС через шлюз связана с сетью более высокого уровня, что практически повсеместно распространено, то можно пользоваться услугами ЭП в более широком масштабе. Наиболее распространенными системами ЭП являются Microsoft Mail, Microsoft Exchange, Lotus cc: Mail. В качестве основного протокола работы с ЭП используется SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, простой протокол передачи почты) - протокол прикладного уровня. Он обеспечивает достоверную и надежную передачу сообщений между произвольными узлами сети Internet.

SMTP-протокол в своей работе использует TCP как транспортный протокол. В сети Internet, как правило используются SMTP-серверы в качестве почтовых ящиков, промежуточных пунктов пересылки сообщений. Они принимают поступающую почту и затем самостоятельно переправляют ее адресату (это процесс ретрансляции почтовых сообщений).

Любое почтовое сообщение состоит из конверта (заголовка) сообщения и тела сообщения. Конверт содержит информацию, необходимую для доставки и обработки сообщения. Тело сообщения содержит информацию, которую отправитель передает получателю. Структура конверта обычно определяется локальным почтовым программным обеспечением. В конверте содержится информация о структуре и составе передаваемых данных, дате формирования сообщения, имени и адресе отправителя, имени и адресе получателя (или группы получателей), теме сообщения и др.

Система электронной почты в Internet универсальна: сети, построенные на совершенно разных принципах и протоколах, могут обмениваться электронными письмами из Internet, получая тем самым доступ к другим ресурсам сети.

Практически все сервисы Internet, использующиеся обычно как сервисы прямого доступа (on-line), имеют интерфейс к электронной почте. Поэтому если пользователь не располагает доступом в Internet в режиме on-line, он может получить большую часть информации, хранящейся в этой сети, посредством дешевой электронной почты.

В Internet есть возможность отправки как текстовых, так и двоичных файлов. На размер почтового сообщения в сети накладывается ограничение: он не должен превышать 64 Килобайт.

Система адресации электронной почты в Internet, называемая также стандартом RFS-822 (по названию документа, в котором она описана), принята во многих других сетях. Стандарт RFS-822 определяет уровень поддержки обмена электронной почтой между локальными сетями, связанными линиями передачи по протоколу TCP/IP. Имеются соглашения о преобразовании адресов на межсетевых шлюзах, если осуществляется обмен сообщениями между сетью Internet и сетями, не поддерживающими стандарт RFS-822.

Скорость доставки электронных писем сильно зависит от используемого механизма передачи. В Internet существуют два механизма передачи. Первый основан на протоколе UUCP и реализует пакетный режим передачи off-line, характерный для дейтаграммных сетей. Письмо передается по сети от узла к узлу программами Sendmail, и возможны задержки в каждом узле. Это дополнительный способ передачи. Основной (второй) механизм передачи базируется на протоколе SMTP семейства протоколов TCP/IP в сети коммутации пакетов. Он реализует передачу почты в режиме on-line: на время передачи между отправителем и получателем создается виртуальный канал, и письмо пересылается в течение нескольких секунд, при этом вероятность потери или подмены письма минимальна.

Обычный алгоритм работы почтовой программы таков: сначала предпринимается попытка отправить письмо немедленно (по протоколу SMTP); если это не получилось из-за неудачи в получении связи с узлом назначения, письмо попадает в очередь (в соответствии с протоколом UUCP), и время его задержки будет определяться загруженностью сети. Оптимальное время доставки сообщения по протоколу UUCP составляет 5 - 10 минут.

ЭП имеет те же достоинства (простота, дешевизна, возможность подписи и зашифровки письма, возможность пересылки нетекстовой информации) и недостатки (негарантированное время пересылки, возможность несанкционированного доступа со стороны третьих лиц,

неинтерактивность), что и для обычной почты. Но существенными преимуществами ЭП являются следующие: слабая зависимость стоимости пересылки письма от расстояния, гораздо меньшее время доставки электронных писем, более высокая надежность шифрования писем.

В качестве примера рассмотрим специальный пакет программ Mircosoft Mail, представляющий собой универсальную систему корпоративной электронной почты, обеспечивающую: создание почтового отделения (ПчО) для управления почтовыми услугами; регистрацию и подключение пользователей к ПчО; формирование сообщений пользователями, их пересылку и обслуживание (хранение, сортировку, поиск, создание шаблонов документов, просмотр, редактирование, сопровождение комментариями и т.п.); конфиденциальность информации и т.д.

Прием-передача сообщений производятся в среде Mail автоматически. Программа СПУЛЕР опрашивает исходящий и входящий буферы с заранее установленной периодичностью, причем динамику процессов можно наблюдать по изменению вида значков - этикеток сообщений на экране дисплея. Для формирования ответа - уведомления - необходимо, чтобы полученное сообщение было открытым или выделено в папке "Входящие". При желании такой ответ можно разослать циркулярно.

В электронной почте Microsoft Mail предусмотрено создание и использование папок, представляющих собой подкаталоги, по которым сортируется полученная корреспонденция. Имеются два вида папок: общие и личные. Общие папки создаются на компьютере с установленным ПчО для совместного использования членами рабочей группы пользователей сети. В личных папках пользователей обычно хранится конфиденциальная информация, и доступ к ним устанавливается самими пользователями. Внутри любой папки может быть проведена сортировка сообщений по различным признакам: срочности, тематике, датам получения, адресам отправителей. Личные папки создаются на компьютерах рабочей группы пользователей сети автоматически при установке электронной почты, причем формируются три типа папок: входящие, отправленные и удаленные. Удаление папок производится путем выделения требуемой папки и нажатия кнопки Delete (удалить).

Система новостей UseNet, почтовые списки, передача файлов

Система новостей UseNet (телеконференции) - второй по распространенности сервис Internet, представляющий собой распределенную систему ведения дискуссий, механизм распространения сетевых новостей. Эта система обеспечивает ведение дискуссий (телеконференций) по выбранной теме, осуществляет фильтрацию статей по ключевым словам, тиражирование и рассылку подписчикам статей. В отличие от электронной почты в системе новостей необходимо централизованное хранение статей на UseNet-серверах, так как к банку статей должны иметь доступ все пользователи сети, подсоединенные к этому серверу.

Система UseNet работает по протоколу прикладного уровня NNTP (Network News Transport Protocol, протокол передачи новостей). Он работает поверх транспортного протокола TCP/IP и используется для обеспечения связи между серверами, работающими с программным обеспечением UseNet, и, следовательно, взаимодействия участников дискуссий по модели клиент-сервер. В первое время для передачи пакетов новостей (как и для передачи электронной почты) использовался протокол UUCP (Unix-to-Unix Copy). Он и сейчас применяется, но активно вытесняется более быстрым и гибким протоколом NNTP.

В системе телеконференций (ТК) принцип электронной почты получил дальнейшее развитие. Если в системе ЭП сообщения адресуются "один к одному" и каждому пользователю предоставляется индивидуальный "почтовый ящик", то в системе ТК адресация осуществляется по принципу "один ко всем" и на всех участников ТК выделяется один ящик.

Механизм распространения сетевых новостей достаточно прост: каждый узел сети, получивший новое сообщение, передает его тем узлам, с которыми он обменивается новостями. Следовательно, посланное пользователем сообщение распространяется, многократно дублируясь, по сети, достигая за короткие сроки всех участников телеконференций USENET во всем мире.

Новости разделены по иерархически организованным тематическим группам. Имя каждой группы состоит из имен подуровней иерархии, разделенных точками, причем более общий уровень пишется первым. Имеются глобальные иерархии и иерархии, локальные для какой-либо организации, страны или сети. Набор групп, получаемых локальным сервером USENET, определяется администратором этого сервера и наличием этих групп на других серверах, с которыми обменивается новостями локальный сервер. Обычно сервер получает: все глобальные иерархии; группы, локальные для страны, в которой сервер расположен; группы, локальные для организации, где функционирует сервер. К различным иерархиям применимы различные нормы и правила работы с ними. Это касается прежде всего языка сообщений. В группы российской иерархии relcom сообщения лучше писать по-русски, в то время как в группы локальной иерархии comp следует писать только по-английски.

Список конференций USENET включает тысячи тем, поэтому важно знать правила, в соответствии с которыми устанавливаются иерархические имена конференции. Эти имена уточняют принадлежность конференции к определенному тематическому разделу - иерархии. Часто темы пресекаются, и многие статьи отправляются сразу в несколько конференций.

В число основных иерархий конференций, составляющих "большую семерку" и присутствующих на всех крупных системах сети ТК USENET, входят:

- comp - конференции по вопросам, связанным с компьютерами и программированием;

- misc - темы, не входящие ни в один из основных классов или относящиеся сразу к нескольким;

- news - вопросы по программам обмена новостями и развитию системы телеконференции;

- rec - вопросы на темы отдыха, хобби, увлечений;

- sci - конференции для дискуссий и обмена опытом по различным научным дисциплинам;

- soc - вопросы общественной жизни;

- talk - конференции, ориентированные на обсуждение спорных вопросов по любой тематике.

Любой компьютер, полноценно подключенный к Internet, имеет доступ к новостям USENET, однако новости USENET распространяются и по другим сетям.

Удобство работы с новостями существенно зависит от способа их получения. В Internet программа-клиент абонента может напрямую получать новости с сервера USENET, и тогда между просмотром списка сообщений, содержащихся в группе, и чтением этих сообщений нет задержки. Если же пользование новостями идет через электронную почту, то абонент сначала получает список статей, а уже потом принимает по электронной почте заказанные им из этого списка статьи. Это весьма неудобный и устаревший способ работы с новостями USЕNET.

Почтовые списки. Иначе они называются списками рассылки (Mailing Listc). Это практически единственный сервис, не имеющий собственного протокола и программы-клиента и работающий только через электронную почту. Это очень простой и полезный сервис. Идея его организации заключается в следующем: в сети выделяется адрес электронной почты, который является общим адресом многих пользователей-подписчиков определенного списка рассылки. Каждый список рассылки посвящается какой-то конкретной теме. Пользователи-подписчики могут посылать свои сообщения по общему адресу, и тогда эти сообщения рассылаются всем, кто подписался на данный список рассылки. Имеются общедоступные почтовые списки, а некоторые списки имеют ограничения на участие в них.

По своим задачам, которые призван решать такой сервис, почтовые списки похожи на сетевые новости USЕNET (телеконференции). Однако имеются и существенные отличия. Основные из них:

- статьи в сетевых новостях по прошествии определенного периода времени стираются и становятся недоступны, а сообщения, распространяемые по электронной почте по списку рассылки, всегда будут прочитаны подписчиком, дождавшись его в почтовом ящике;

- списки рассылки более управляемы и конфиденциальны, так как администратор списка контролирует набор подписчиков и следит за содержанием сообщений. Каждый список рассылки ведется какой-то организацией, которая имеет полный контроль над ним. В системе USENET сетевые новости никому не принадлежат и потому менее управляемы;

- для работы со списком рассылки обычно достаточно доступа к электронной почте, подписчиками могут быть пользователи, не имеющие доступа к новостям USENET;

- передача сообщений по спискам рассылки может осуществляться быстрее, так как они передаются абонентам напрямую, а не по цепочке между серверами USENET.

Списки рассылки создаются организациями для оповещения своих клиентов, пользователей своей продукции и вообще лиц, заинтересованных в выпуске новых продуктов или передаче новостей компании. Они требуются также, когда обсуждается какой-то вопрос, интересующий слишком малый круг людей, чтобы заводить для него отдельную группу в новостях USENET.

Передача файлов. Это один из первых широко используемых сервисов Internet, в основе которого лежит протокол передачи файлов FTР (File Transfer Protocol), обеспечивающий доступ к файлам в файловых архивах. FTP - это стандартная программа, работающая по протоколу ТСР. Она обеспечивает передачу файлов между компьютерами, взаимодействующими в сетях ТСР/IP: на одном из них работает программа-сервер, а на другом пользователь запускает программу-клиент, которая соединяется с сервером и передает или получает по протоколу FTP-файлы.

FTP - сервис прямого доступа, требующий подключения компьютера в сеть Internet. Однако возможен доступ и через электронную почту, для чего имеются серверы, которые по запросу могут прислать по электронной почте запрашиваемые файлы. При этом запрос может довольно долго ждать своей очереди. Есть и другое неудобство: большие файлы при отсылке делятся сервером на части ограниченного размера, посылаемые отдельными письмами; в случае потери хотя бы одного письма, остальные принятые письма, принадлежащие запрашиваемому файлу, окажутся ненужными.