Тема 45 Назначение и функции операционной системы. Раздел 7 Сетевые операционные системы

В настоящее время мы являемся свидетелями небывалого расцвета операционных систем, поэтому для их изучения сейчас для студентов открываются огромные возможности: выпускаются новые ОС для настольных компьютеров, кластеров компьютеров и параллельных вычислений, мобильных устройств, облачных вычислений. Бесспорным лидером в данной области является корпорация Microsoft, выпустившая менее чем за 10 недавних лет целую серию ОС семейства Windows: Windows XP, Windows 2003, Windows Vista (2007), Windows 2008, Windows 2008 High-Performance Computing (HPC), Windows 7, Windows 8. Развиваются также диалекты ОС Linux (Red Hat, Fedora, Mandrake, Ubuntu, SuSE и др.– сотни диалектов). Linux – операционная система типа UNIX, ядро которой свободно распространяется с исходными кодами. Фирма Sun (в 2010 г. вошедшая в состав фирмы Oracle) разрабатывает и выпускает ОС Solaris – одну из наиболее современных ОС типа UNIX с развитой поддержкой параллельного программирования, новыми видами файловых систем, отличающуюся своей повышенной надежностью.

Это лишь некоторые ОС. Существует также много других операционных систем. В США и Канаде, как известно, весьма популярны компьютеры семейства Macintosh фирмы Apple (коротко – Mac) со своей операционной системой MacOS, являющейся законодателем мод в области графических пользовательских интерфейсов (GUI) и обмена мультимедийной информацией (например, речевого ввода). Назовем также ОС фирмы IBM для суперкомпьютеров и компьютеров общего назначения (mainframes). В настоящее время многие из ОС (или их крупные части, например, ядро) доступны с открытым исходным кодом. По традиции, еще с начала 1990-х гг., ядро ОС Linux распространяется свободно, с исходными кодами, что вызвало, целую волну работ по созданию новых диалектов Linux, а также по разработке новых ОС для мобильных устройств на базе ядра Linux (например, ОС Google Android) Корпорация Microsoft положила начало этому движению в 2003 г., когда была объявлена академическая программа Windows Embedded (внедренный) Shared Source – был открыт исходный код Windows для встроенных систем.

А в 2006 г. произошло и вовсе невероятное доселе в программистском мире событие – Microsoft открыла "святую святых", исходный код ядра ОС Windows семейства NT (NT/2000/XP/2003/2008/7) и предоставила в распоряжение университетов и академических организаций Windows Research Kernel (WRK) – самодокументированный исходный код "исследовательского" ядра Windows. Теперь каждый студент, преподаватель и исследователь имеют возможность изучать систему Windows "изнутри" и даже развивать ее, но только для целей обучения и исследований, а не для коммерции. Фирма Sun (ныне – Oracle) положила начало аналогичной инициативе для ОС Solaris – несколько лет назад был начат проект Open Solaris. Результаты этого академического проекта используются при выпуске новых версий коммерческой ОС Solaris. Также интенсивно развиваются ОС для мобильных устройств. Еще несколько лет назад наиболее используемыми ОС в этой области были ОС семейства Symbian. Однако сейчас ОС Microsoft Windows Mobile и Google Android активно теснят Symbian с рынка.

ОС для облачных вычислений – принципиально новый вид ОС, отражающий современную тенденцию к организации вычислений как облачных (cloud computing).Облако – это метафора Интернета. При облачных вычислениях пользователь со своего компьютера получает платный доступ через Интернет к Web-сервисам, работающим на компьютерах мощных центров обработки данных (например, на серверах Microsoft). При этом не только используемое программное обеспечение (в виде набора Web-сервисов), но и сами обрабатываемые данные пользователя хранятся на серверах "облачного" центра обработки данных. На своем компьютере пользователь имеет лишь простой и удобный и не требующий больших ресурсов "облачный" Web-интерфейс. Наиболее распространенной ОС для облачных вычислений является в настоящее время Microsoft Windows Azure. Крупные фирмы открывают исходные коды своих операционных систем, привлекая молодых талантливых специалистов интересными проектами ОС с открытым исходным кодом, так как им необходимы молодые программисты и новые интересные идеи, которые позволят сделать ОС еще более мощными, масштабируемыми, удобными, эффективными, надежными и безопасными.

После краткого вводного обзора перейдем к основным понятиям и их определениям. Прежде всего, дадим определение операционной системы. Основные цели работы операционной системы следующие. Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности выполнения пользовательских программ. 1. Для пользователя самое главное – чтобы его программа работала, вела себя предсказуемо, выдавала необходимые ему правильные результаты, не давала сбоев, не подвергалась внешним атакам. Операционная система (ОС, в англоязычном варианте - operating system) – базовое системное программное обеспечение, управляющее работой компьютера и являющееся посредником (интерфейсом ) между аппаратурой (hardware ), прикладным программным обеспечением (application software) и пользователем компьютера (user). Фактически операционная система с точки зрения пользователя– это, как бы продолжение аппаратуры, надстройка над ней, обеспечивающая более удобное, надежное и безопасное использование компьютеров и компьютерных сетей.

Основные цели работы операционной системы (продолжение): 2. Таким образом ОC обеспечивает максимальную полезность и эффективность использования компьютера и его ресурсов, обрабатывает прерывания, защищает компьютер от сбоев, отказов и хакерских атак. Эта деятельность ОС может быть не столь заметной для пользователя, но она осуществляется постоянно. Обеспечение удобства, эффективности, надежности, безопасности использования сетевых, дисковых и других внешних устройств, подключенных к компьютеру. 2. Особая функция ОС, без которой невозможно использовать компьютер, - это работа с внешними устройствами. Например, ОС обрабатывает любое обращение к жесткому диску, обеспечивая работу соответствующего драйвера (низкоуровневой программы для обмена информацией с диском) и контроллера (специализированного процессора, выполняющего команды ввода-вывода с диском). Любая "флешка", вставленная в USB-слот компьютера, распознается операционной системой, получает свое логическое имя (в системе Windows – в виде буквы, например, G) и становится частью файловой системы компьютера на все время, пока она не будет извлечена (демонтирована).

Основные цели работы ОС (продолжение): Особо важная функция современных ОС обеспечения безопасности, надежности и защиты данных. 4. Следует учитывать, что компьютер и операционная система работают в сетевом окружении. В сети, а особенно в глобальной сети, постоянно возможны и фактически происходят атаки хакеров и их программ, ставящие своей целью нарушение работы компьютера, "взлом" конфиденциальных данных пользователя, хранящихся на нем, похищение логинов, паролей, использование компьютера как "робота" для рассылки реклам или вирусов и др. В связи с этим в 2002 г. фирма Microsoft объявила инициативу по надежным и безопасным вычислениям (Trustworthy computing initiative), целью которой является повышение надежности и безопасности всего программного обеспечения, прежде всего – операционных систем.

Компьютерная система состоит из следующих обобщенных компонентов: Аппаратура (hardware) компьютера, основные части которой: 1. – центральный процессор (Central Processor Unit - CPU ), выполняющий команды (инструкции) компьютера; 2. – память (memory),хранящая данные и программы, и 3. – устройства ввода - вывода, или внешние устройства (input- output devices, I/O devices ), обеспечивающие ввод информации в компьютер и вывод результатов работы программ в форме, воспринимаемой пользователем-человеком или другими программами. Операционная система (operating system): 1. –системное программное обеспечение, управляющее использованием аппаратуры компьютера различными программами и пользователями.

Компоненты ОС (продолжение): Прикладное программное обеспечение (applications software) – программы, предназначенные для решения различных классов задач. 4. К ним относятся, в частности, компиляторы, обеспечивающие трансляцию программ с языков программирования, например, C++, в машинный код (команды); CУБД; графические библиотеки, игровые программы, офисные программы. Прикладное программное обеспечение образует следующий, более высокий уровень, по сравнению с ОС, и позволяет решать на компьютере различные прикладные и повседневные задачи. Пользователи (users) – люди и другие компьютеры. 4. Отнесение пользователя-человека к компонентам компьютерной системы - вовсе не шутка, а реальность: любой пользователь фактически становится частью вычислительной системы в процессе своей работы на компьютере, так как должен подчиняться определенным строгим правилам, нарушение которых приведет к ошибкам или невозможности использования компьютера.

Компьютер часто используется в сети и другие компьютеры в сети также могут играть роль пользователей (клиентов ) по отношению к данному компьютеру, выступающему в роли сервера, используемого, например, для хранения файлов или выполнения больших программ. Девизом фирмы Sun Microsystems еще в 1982 г., при ее создании, стал афоризм " The network is the computer " (Сеть – это компьютер). Эту истину следует помнить всем пользователям компьютеров и их операционных систем и шире использовать возможности компьютерных сетей, распределяя различные функции между ее различными компьютерами (или хостами – hosts, как на компьютерном сленге принято называть компьютеры в сети). Изолированный от сети компьютер ныне – это "каменный век". Отсюда – неразрывная связь операционных систем и сетей. Сегодня существует большое количество разных типов операционных систем, отличающихся областями применения, аппаратными платформами и методами реализации. Естественно, это обуславливает и значительные функциональные различия этих ОС. Рассмотрим общие принципы и функциональные возможности ОС.

Еще раз дадим определение операционной системы. Операционная система компьютера это комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователями, с одной стороны, и аппаратурой компьютера, с другой стороны. В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций: 1. предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенную виртуальную машину, с которой удобней работать и которую легче программировать; 2. управление ресурсами компьютера с целью повышения эффективности его использования.

ОС как виртуальная машина Для того чтобы успешно решать свои задачи, современный пользователь или даже прикладной программист может обойтись без досконального знания аппаратного устройства компьютера. Ему не обязательно быть в курсе того, как функционируют различные электронные блоки и электромеханические узлы компьютера. Рядовому пользователю достаточно уметь работать с графическим интерфейсом, находить на рабочем столе или в папках нужные файлы и запускать приложения на выполнение. Программист может писать программы, не зная систему команд процессора, так как операционная система предоставляет ему в распоряжение мощные высокоуровневые языковые средства. Так, например, при работе с диском программисту, пишущему приложение для работы под управлением ОС, достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Последовательность действий при работе с файлом заключается в его открытии, выполнении одной или нескольких операций чтения или записи и последующего закрытия файла. Такие частности, как используемая при записи частотная модуляция или текущее состояние двигателя, механизма перемещения магнитных головок чтения/записи, не должны волновать программиста.

Архитектура большинства компьютеров на уровне машинных команд очень неудобна для использования прикладными программами. Именно операционная система скрывает от программиста большую часть особенностей аппаратуры и предоставляет возможность простой и удобной работы с требуемыми файлами. Если бы программист работал непосредственно с аппаратурой компьютера, без участия ОС, то для организации чтения блока данных с диска программисту пришлось бы использовать более десятка команд с указанием множества параметров: номера блока на диске, номера сектора на дорожке и т. п. А после завершения операции обмена с диском он должен был бы предусмотреть в своей программе анализ результата выполненной операции. Учитывая, что контроллер диска способен распознавать более двадцати различных вариантов завершения операции, можно считать программирование обмена с диском на уровне аппаратуры не самой тривиальной задачей. Не менее обременительной выглядит и работа пользователя, если бы ему для чтения файла с терминала потребовалось задавать числовые адреса дорожек и секторов.

Операционная система избавляет программистов не только от необходимости напрямую работать с аппаратурой дискового накопителя, предоставляя им простой файловый интерфейс, но и берет на себя все другие рутинные операции, связанные с управлением разнообразными аппаратными устройствами компьютера: физической памятью, таймерами, принтерами и т. д. В теории операционных систем слово «виртуальный», часто используется для обозначения объектов, с точки зрения пользователя или пользовательской программы обладающих свойствами, которыми они в действительности не обладают. Так, виртуальная машина подобно реальному компьютеру управляется командами, но это уже команды другого, более высокого уровня: удалить файл с определенным именем, запустить на выполнение некоторую прикладную программу, повысить приоритет задачи, вывести текст из файла на печать. В результате работы операционной системы реальная машина, способная выполнять только небольшой набор элементарных действий, определяемых ее системой команд, превращается в виртуальную машину, выполняющую широкий набор значительно более мощных функций.

Таким образом, назначение ОС состоит в предоставлении пользовател ю/программисту некоторой усовершенствованной (часто говорят расширенной) виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальный компьютер или реальную сеть. При разработке ОС широко применяется абстрагирование, которое является важным методом упрощения и позволяет сконцентрироваться на взаимодействии высокоуровневых компонентов системы, игнорируя детали их реализации. В этом смысле ОС представляет собой интерфейс между пользователем и компьютером. ОС- как система управления ресурсами Но не только удобный интерфейс предоставляет ОС, но и является механизмом, распределяющим ресурсы компьютера. К числу основных ресурсов вычислительных систем относятся: процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Процесс (задача) это единица вычислительной работы, создаваемая операционной системой в момент запуска программы на выполнение.

Иногда процесс кратко определяют просто как программу в стадии выполнения. Однако не следует путать понятия «программа» и «процесс». Программа является статическим объектом представляющим собой файл с кодами и данными, которые могут быть записаны на разных типах носителей на листке бумаги, перфокартах, магнитном диске или в оперативной памяти. Процесс это динамический объект, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или сама операционная система решают «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы. Например, ОС может создать процесс в ответ на команду пользователя run prg1.exe, где prg1.exe это имя файла, в котором хранится код программы. В общем случае нет однозначного соответствия между процессами и программами. Один и тот же программный файл может породить несколько параллельно выполняемых процессов, а процесс может в ходе своего выполнения сменить программный файл и начать выполнять другую программу.

Во многих современных ОС когда рассматриваются многозадачные ОС, поддерживающие мультипрограммирование для обозначения минимальной единицы работы ОС используют термин «нить», или «поток», при этом изменяется суть термина «процесс». В настоящее время в большинстве ОС определены два типа единиц работы. Более крупная единица работы, обычно носящая название процесса, или задачи, требует для своего выполнения нескольких более мелких работ, для обозначения которых используют термины «поток, или «нить. В данном случае будем придерживаться упрощенного толкования, для обозначения выполняемой программы - термин «процесс». Основное назначение ОС -- управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования. Например, мультипрограммная ОС организует одновременное выполнение сразу нескольких процессов на одном компьютере, поочередно переключая процессор с одного процесса на другой, исключая простои процессора, вызываемые обращениями процессов к вводу-выводу. ОС также отслеживает и разрешает конфликты, возникающие при обращении нескольких процессов к одному и тому же устройству ввода-вывода или к одним и тем же данным.

Критерий эффективности, в соответствии с которым ОС организует управление ресурсами компьютера, может быть различным. Например, в одних системах важен такой критерий, как пропускная способность вычислительной системы, в других время ее реакции. Очевидно, что ОС, построенные в соответствии с разными критериями эффективности, будут по-разному организовывать вычислительный процесс. Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач: планирование ресурса то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) 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.

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых, в конечном счете, и определяют облик ОС в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Например, применяемый алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, может ли ОС использоваться как система разделения времени, система пакетной обработки или система реального времени. Задача организации эффективного совместного использования ресурсов несколькими процессами является весьма сложной, и сложность эта порождается в основном случайным характером возникновения запросов на потребление ресурсов. В мультипрограммной системе образуются очереди заявок на обслуживание от одновременно выполняемых программ к разделяемым ресурсам компьютера: процессору, странице памяти, к принтеру, к диску. Операционная система организует обслуживание этих очередей по разным алгоритмам: в порядке поступления, на основе приоритетов, путем кругового обслуживания и т.д.

Анализ и определение оптимальных дисциплин обслуживания заявок является предметом специальной области прикладной математики теории массового обслуживания. Эта теория иногда используется для оценки эффективности тех или иных алгоритмов управления очередями в операционных системах. Очень часто в ОС реализуются и эмпирические алгоритмы обслуживания очередей, прошедшие проверку практикой. Таким образом, управление ресурсами составляет важную часть функций любой ОС, в особенности мультипрограммной. В отличие от функций расширенной машины, большинство функций управления ресурсами выполняется операционной системой автоматически и прикладному программисту недоступно. Функциональные компоненты операционной системы автономного компьютера Функции операционной системы автономного компьютера обычно группируются либо в соответствии с типами локальных ресурсов, которыми управляет ОС, либо в соответствии со специфическими задачами, применимыми ко всем ресурсам.

Такие группы функций часто называют подсистемами. К подсистемам управления ресурсами относятся подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами. Подсистемами, общими для всех ресурсов, являются подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования. Управление процессами- подсистема управления процессами Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информационные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресурсах вычислительной системы, а также о фактически выделенных ему ресурсах. Таким образом, процесс можно также определить как некоторую заявку на потребление системных ресурсов. Чтобы процесс мог быть выполнен, ОС должна назначить ему область оперативной памяти, в которой будут размещены коды и данные процесса, а также предоставить ему необходимое процессорное время. Кроме того, процессу может понадобиться доступ к таким ресурсам, как файлы и устройства ввода-вывода.

В информационные структуры процесса часто включаются вспомогательные данные, характеризующие историю пребывания процесса в системе (например, какую долю времени процесс потратил на операции ввода-вывода, а какую на вычисления), его текущее состояние (активное или заблокированное), степень привилегированности процесса (значение приоритета). Данные такого рода могут учитываться операционной системой при принятии решения о предоставлении ресурсов процессу. В мультипрограммной операционной системе одновременно может существовать несколько процессов. Часть процессов порождается по инициативе пользователей и их приложений, такие процессы обычно называют пользовательскими. Другие процессы, называемые системными, инициализируются самой операционной системой для выполнения своих функций. Поскольку процессы часто одновременно претендуют на одни и те же ресурсы, то в обязанности ОС входит поддержание очередей заявок процессов на ресурсы, например очереди к процессору, к принтеру, к последовательному порту.

Совокупность всех областей оперативной памяти, выделенных операционной системой процессу, называется адресным пространством процесса. Говорят, что каждый процесс работает в своем адресном пространстве, имея в виду защиту адресных пространств, реализуемую ОС. Одним из наиболее тщательно защищаемых ресурсов процесса являются области оперативной памяти, в которой хранятся коды и данные процесса. Защищаются и другие типы ресурсов, такие как файлы, внешние устройства и т. д. Операционная система может не только защищать ресурсы, выделенные одному процессу, но и организовывать их совместное использование, например разрешать доступ к некоторой области памяти нескольким процессам. Важной задачей операционной системы является защита ресурсов, выделенных данному процессу, от остальных процессов.

Контекст процесса – эта информация о состоянии ОС, которая идентифицируется состоянием регистров и программного счетчика, режимом работы процессора, указателями на открытые файлы, информацией о незавершенных операциях ввода-вывода, кодами ошибок выполняемых данным процессом системных вызовов и т. д. На протяжении периода существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо восстановить состояние его операционной среды. Состояние операционной среды восстанавливается по контексту процесса. Говорят, что при смене процесса происходит переключение контекстов. Операционная система берет на себя также функции синхронизации процессов, позволяющие процессу приостанавливать свое выполнение до наступления какого-либо события в системе, например завершения операции ввода-вывода, осуществляемой по его запросу операционной системой.

Для реализации сложных программных комплексов полезно бывает организовать их работу в виде нескольких параллельных процессов, которые периодически взаимодействуют друг с другом и обмениваются некоторыми данными. Так как операционная система защищает ресурсы процессов и не позволяет одному процессу писать в память или читать из памяти другого процесса, то для оперативного взаимодействия процессов ОС должна предоставлять особые средства, которые называют средствами межпроцессного взаимодействия. Таким образом, подсистема управления процессами ОС выполняет следующие действия: распределяет процессорное время между несколькими одновременно выполняемыми в системе процессами; занимается созданием и уничтожением процессов; обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами; поддерживает синхронизацию процессов; реализует взаимодействие между процессами.

Управление памятью Способность ОС к «экранированию» сложностей реальной аппаратуры очень ярко проявляется в одной из основных подсистем ОС файловой системе. Операционная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла. Файл это простая неструктурированная последовательность байтов. Файл имеет символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги, которые, в свою очередь, образуют группы каталоги более высокого уровня. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, создание нового файла, вывод содержимого на внешнее устройство (например, на дисплей), изменение и сохранение содержимого. Набор данных файлов за частую разбросан случайным образом по цилиндрам и поверхностям дисков. С помощью файловой системы, пользователь получает удобную иерархическую структуру файлов и каталогов.

Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов, с которыми работает пользователь или прикладной программист, в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа. При выполнении своих функций файловая система тесно взаимодействует с подсистемой управления внешними устройствами, которая по запросам файловой системы осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью. Подсистема управления внешними устройствами, называемая также подсистемой ввода-вывода, исполняет роль интерфейса ко всем устройствам, подключенным к компьютеру. Спектр этих устройств очень обширен. Номенклатура выпускаемых накопителей на жестких, гибких и оптических дисках, принтеров, сканеров, мониторов, плоттеров, модемов, сетевых адаптеров и более специальных устройств ввода-вывода, таких как, например, аналого- цифровые преобразователи, может насчитывать сотни моделей.

Эти модели могут существенно отличаться набором и последовательностью команд, с помощью которых осуществляется обмен информацией с процессором и памятью компьютера, скоростью работы, кодировкой передаваемых данных, возможностью совместного использования и множеством других деталей. Программа, управляющая конкретной моделью внешнего устройства и учитывающая все его особенности, обычно называется драйвером этого устройства (от английского drive управлять, вести). Драйвер может управлять единственной моделью устройства, например принтером Deskjet 3420 компании Hewlett-Packard, или же группой устройств определенного типа, например любыми Hayes- совместимыми модемами. Для пользователя очень важно, чтобы ОС включала как можно больше разнообразных драйверов, так как это гарантирует возможность подключения к компьютеру большого числа внешних устройств различных производителей. От наличия подходящих драйверов во многом зависит успех операционной системы на рынке (например, отсутствие многих необходимых драйверов внешних устройств было одной из причин сравнительно низкой популярности OS/2).

Созданием драйверов устройств занимаются как разработчики конкретной ОС, так и специалисты компаний, выпускающих внешние устройства. Операционная система должна поддерживать хорошо определенный интерфейс между драйверами и остальной частью ОС, чтобы разработчики из компаний-производителей устройств ввода-вывода могли поставлять вместе со своими устройствами драйверы для данной операционной системы. Прикладные программисты могут пользоваться интерфейсом драйверов при разработке своих программ, но это не очень удобно такой интерфейс обычно представляет собой низкоуровневые операции, обремененные большим количеством деталей. Поддержание высокоуровневого унифицированного интерфейса прикладного программирования к разнородным устройствам ввода- вывода является одной из наиболее важных задач ОС.

Со времени появления ОС Unix такой унифицированный интерфейс в большинстве операционных систем строится на основе концепции файлового доступа. Эта концепция заключается в том, что обмен с любым внешним устройством выглядит как обмен с файлом, имеющим имя и представляющим собой неструктурированную последовательность байтов. В качестве файла может выступать как реальный файл на диске, так и алфавитно-цифровой терминал, печатающее устройство или сетевой адаптер. Здесь мы опять имеем дело со свойством операционной системы подменять реальную аппаратуру удобными для пользователя и программиста абстракциями. Защита данных и администрирование Безопасность данных вычислительной системы обеспечивается средствами отказоустойчивости ОС, направленными на защиту от сбоев и отказов аппаратуры и ошибок программного обеспечения, а в многопользовательских ОС также средствами защиты от несанкционированного доступа. В последнем случае ОС защищает данные от ошибочного или злонамеренного поведения пользователей системы.

Первым рубежом обороны при защите данных от несанкционированного доступа является процедура логического входа. Операционная система должна убедиться, что в систему пытается войти пользователь, вход которого разрешен администратором. Функции защиты ОС вообще очень тесно связаны с функциями администрирования, так как именно администратор определяет права пользователей при их обращении к разным ресурсам системы файлам, каталогам, принтерам, сканерам и т. п. Кроме того, администратор ограничивает возможности пользователей в выполнении тех или иных системных действий. Например, пользователю может быть запрещено выполнять процедуру завершения работы ОС, устанавливать системное время, завершать чужие процессы, создавать учетные записи пользователей, изменять права доступа к некоторым каталогам и файлам. Администратор может также урезать возможности пользовательского интерфейса, убрав, например, некоторые пункты из меню операционной системы, выводимого на дисплей пользователя.

Важным средством защиты данных являются функции аудита ОС, заключающиеся в фиксации всех событий, от которых зависит безопасность системы. Например, попытки удачного и неудачного логического входа в систему, операции доступа к некоторым каталогам и файлам, использование принтеров и т. п. Список событий, которые необходимо отслеживать, определяет администратор ОС. Поддержка отказоустойчивости операционной системы реализуется операционной системой, как правило, на основе резервирования. Чаще всего в функции ОС входит поддержание нескольких копий данных на разных дисках или разных дисковых накопителях. Резервируются также принтеры и другие устройства ввода-вывода. При отказе одного из избыточных устройств операционная система должна быстро и прозрачным для пользователя образом произвести реконфигурирование и продолжить работу с резервным устройством. Особым случаем обеспечения отказоустойчивости является использование нескольких процессоров, то есть мультипроцессирование, когда система продолжает работу при отказе одного из процессоров, хотя и с меньшей производительностью.

Поддержка отказоустойчивости также входит в обязанности системного администратора. В состав ОС обычно входят утилиты, позволяющие администратору выполнять регулярные операции резервного копирования для быстрого восстановления важных данных. Интерфейс прикладного программирования Прикладные программисты используют в своих приложениях обращения к ОС, когда для выполнения тех или иных действий им требуется особый, привилегированный статус, которым обладает только операционная система. Например, в большинстве современных ОС все действия, связанные с управлением аппаратными средствами компьютера, может выполнять только ОС. Поэтому для того, чтобы, скажем, установить таймер или получить дополнительную память, приложению нужно обратиться к ОС.

Помимо функций, связанных с аппаратными ресурсами, ОС предоставляет прикладному программисту набор функций ОС, которые упрощают написание приложений. Функции такого типа реализуют универсальные действия, часто требующиеся в различных приложениях, такие, например, как обработка текстовых строк. Эти функции в принципе могут быть выполнены и самим приложением (что и делается в тех случаях, когда качество системной процедуры не устраивает прикладного программиста), однако часто более предпочтительным является использование уже готовых, отлаженных процедур, включенных в состав операционной системы. Возможности операционной системы доступны прикладному программисту в виде набора функций, называющегося интерфейсом прикладного программирования (Application Programming Interface, API). От конечного пользователя эти функции скрыты за оболочкой алфавитно-цифрового или графического пользовательского интерфейса.

Для разработчиков приложений все особенности конкретной операционной системы представлены особенностями ее API. Поэтому операционные системы с различной внутренней организацией, но с одинаковым набором API-функций кажутся им одной и той же ОС, что упрощает стандартизацию операционных систем и обеспечивает переносимость приложений между внутренне различными ОС, соответствующими определенному стандарту на API. Например, следование общим стандартам API Unix, одним из которых является стандарт Posix, позволяет говорить о некоторой обобщенной операционной системе Unix, хотя многочисленные версии этой ОС от разных производителей иногда существенно различаются внутренней организацией. Приложения выполняют обращения к API-функциям с помощью системных вызовов. Способ, которым приложение получает услуги операционной системы, очень похож на вызов подпрограмм. Информация, нужная ОС и состоящая обычно из идентификатора команды и данных, помещается в определенное место памяти, в регистры и/или стек.

Затем управление передается операционной системе, которая выполняет требуемую функцию и возвращает результаты через память, регистры или стеки. Если операция проведена неуспешно, то результат включает индикацию ошибки. Реализация системных вызовов зависит от структурной организации ОС, которая, в свою очередь, тесно связана с особенностями аппаратной платформы. Кроме того, она зависит от языка программирования. При использовании ассемблера программист устанавливает значения регистров и/или областей памяти, а затем выполняет специальную инструкцию вызова сервиса или программного прерывания для обращения к некоторой функции ОС. При применении языков высокого уровня функции ОС вызываются тем же способом, что и написанные пользователем подпрограммы, требуя задания определенных аргументов в определенном порядке.

Пользовательский интерфейс Операционная система должна предоставлять удобный интерфейс не только для прикладных программ, но и для человека, работающего за терминалом. Этот человек может быть конечным пользователем, администратором ОС или программистом. В ранних операционных системах пакетного режима функции пользовательского интерфейса были сведены к минимуму и не требовали наличия терминала. Команды языка управления заданиями набивались на перфокарты, а результаты выводились на печатающее устройство. Современные ОС поддерживают развитые функции пользовательского интерфейса для интерактивной работы за терминалами двух типов: алфавитно-цифровыми и графическими. При работе за алфавитно-цифровым терминалом пользователь имеет в своем распоряжении систему команд, возможности которой отражают функциональные возможности данной ОС.

Обычно командный язык ОС позволяет запускать и останавливать приложения, выполнять различные операции с файлами и каталогами, получать информацию о состоянии ОС (количество работающих процессов, объем свободного пространства на дисках и т. п.), администрировать систему. Команды могут вводиться не только в интерактивном режиме с терминала, но и считываться из так называемого командного файла, содержащего некоторую последовательность команд. Программный модуль ОС, ответственный за чтение отдельных команд или же последовательностей команд из командного файла, иногда называют командным интерпретатором. Ввод команды может быть упрощен, если ОС поддерживает графический пользовательский интерфейс. В этом случае пользователь для выполнения нужного действия с помощью мыши выбирает на экране нужный пункт меню или графический символ. Массовый непрофессиональный пользователь в основном применяет графический оконный интерфейс, в то время как профессионалы задействуют оба в зависимости от решаемых задач: более мощный по функциональным возможностям интерфейс командной строки, когда нужно достичь достаточно специфического и тонкого эффекта, и графический интерфейс для рутинных операций.

1)В.Г. Олифер, Н.А. Олифер Компьютерные сети, 3-е издание, 2009г. 2) В.Г. Олифер, Н.А. Олифер Сетевые Операционные системы, 2002г.