Операционные системы в сетях с выделенными серверами
В сетях с выделенными серверами устанавливаются специальные варианты сетевых ОС, которые оптимизированы для работы в роли серверов и называются серверными ОС. Пользовательские компьютеры в этих сетях работают под управлением клиентских ОС.
Серверные ОС призваны повысить эффективность серверных операций, что особенно важно в крупных сетях (десятки, сотни и тысячи пользователей), где интенсивность запросов к общим ресурсам очень велика и сервер должен справляться с этим потоком запросов без больших задержек. Поэтому серверные ОС имеют ряд отличий от клиентских ОС:
- поддержка мощных аппаратных платформ, в том числе мультипроцессорных;
- поддержка большого числа одновременно выполняемых процессов и сетевых соединений;
- включение в состав ОС средств централизованного администрирования сети (справочной службы, службы аутентификации и авторизации пользователей* сети);
- широкий набор сетевых служб (например, файловый сервис, сервис печати, сервис удаленного доступа).
*Аутентификация – проверка легальности пользователей, а авторизация – определение прав пользователя в отношении доступа к ресурсам ВС.
В больших сетях наряду с отношениями клиент-сервер сохраняется необходимость и в одноранговых связях, поэтому такие сети строятся по гибридной схеме (рис. 2.4).
Компания Microsoft выпускает два варианта одной и той же ОС: клиентскую (Windows 2000 Professional) и серверную (Windows 2000 Server).
Рис. 2.4. Схема гибридной сети
Архитектура операционной системы
Любая сложная система должна иметь понятную и рациональную структуру, то есть разделяться на части – модули, имеющие вполне законченное функциональное назначение с четко оговоренными правилами взаимодействия. Ясное понимание роли каждого отдельного модуля существенно упрощает работу по модификации и развитию системы. Напротив, сложную систему без хорошей структуры чаще проще разработать заново, чем модернизировать.
Функциональная сложность операционной системы неизбежно приводит к сложности ее архитектуры, под которой понимают структурную организацию ОС на основе различных программных модулей. Обычно в состав ОС входят исполняемые и объектные модули стандартных для данной ОС форматов, библиотеки разных типов, модули исходного текста программ, программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода), конфигурационные файлы, файлы документации, модули справочной системы и т. д.
Большинство современных ОС представляют собой структурированные модульные системы, способные к развитию, расширению и переносу на новые платформы. Какой-либо единой архитектуры ОС не существует, но существуют универсальные подходы к структурированию ОС.
Принципы построения ОС
Каждая ОС является сложной и уникальной программной системой. Однако в их основу положены общие принципы перечисленные ниже.
· Принцип модульности. Предусматривает построение ОС из функционально законченных модулей. Выполнение модулей ОС не должно зависеть от их расположения в памяти. Перед размещением модуля в памяти производится его настройка под фактические адреса. Существенную роль при этом играют способы адресации процессора и алгоритм распределения памяти, реализованный в ОС.
· Принцип функциональной избирательности. В ОС выделяются наиболее важные и часто используемые модули, которые являются основой системы. Эту часть называют ядром ОС. Модули ядра выполняют такие базовые функции ОС, как управление процессами, памятью, устройствами ввода-вывода, системой прерываний. Модули ядра постоянно находятся в оперативной памяти и называются резидентными. Остальные системные модули хранятся на жестком диске и называются транзитными.
· Принцип генерируемости. Позволяет настроить ядро и остальные компоненты ОС исходя из конкретной конфигурации ЭВМ и круга решаемых задач. Процедура настройки называется инсталляцией.
· Принцип функциональной избыточности. Обеспечивает возможность выполнения одной и той же операции различными способами и средствами, что определяет универсальность и гибкость ОС.
· Принцип независимости программ от внешних устройств. Позволяет осуществлять обмен данными и управление внешними устройствами независимо от их характеристик. Это достигается за счет того, что связь программ с конкретными устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период ее исполнения. Например, программе, выполняющей обработку последовательного набора данных, безразлично, какой носитель будет использоваться для их хранения. Непосредственное управление обменом данных между системой и внешними устройствами выполняют специальные программы, называемые драйверами.
· Принцип совместимости. ОС должна иметь средства для выполнения прикладных программ, написанных для других ОС. Следует различать совместимость на уровне двоичных кодов и на уровне исходных текстов. Понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других ОС.
· Принцип расширяемости (открытой и наращиваемой ОС). Аппаратные средства компьютера устаревают за несколько лет, а ОС может использоваться десятилетиями (например, ОС UNIX). Поэтому необходимо чтобы в ОС можно было легко внести изменения и дополнения, не нарушая ее целостности. Изменения ОС обычно заключаются в приобретении ею новых свойств, например поддержке новых типов внешних устройств или новых сетевых технологий. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС. Взаимодействие модулей осуществляется только через функциональный интерфейс.
· Принцип переносимости (мобильности). Код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа. Аппаратные платформы различаются не только типом процессора, но и архитектурой всего компьютера. переносимые ОС имеют несколько вариантов реализации для разных платформ, т. е. являются многоплатформенными.
· Принцип надежности и отказоустойчивости. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС. Важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких как дисковые массивы (RAID) или источники бесперебойного питания.
· Принцип максимальной производительности. ОС должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. На производительность ОС влияет архитектура ОС, многообразие функций, качество программирования кода, аппаратная платформа, на которой работает ОС.
· Принцип обеспечения безопасности вычислений. Операционная система должна защищать данные и другие ресурсы ВС от несанкционированного доступа, обладать средствами защиты ресурсов одних пользователей от других пользователей.
Виды программных модулей
Под модулем, в общем случае, понимают функционально законченный элемент программы, выполненный в соответствии с межмодульными интерфейсами. Модуль имеет средства сопряжения с подобными элементами данной или другой программы и предполагает легкий способ модификации и замены при наличии заданных интерфейсов. Разделение ОС на модули происходит именно по функциональному признаку.
Модули, в особенности системные, могут использоваться как программные ресурсы и могут быть разделены несколькими выполняющимися процессами. Различают привилегированные, непривилегированные и реентерабельные программные модули.
Привилегированные модули, работают в привилегированном режиме при отключенной системе прерываний. Т.е. никакие внешние события не могут прервать работу модуля, и он непрерывно выполняется от начала до конца. Такой модуль может выступать как попеременно разделяемый ресурс. Структура привилегированного модуля приведена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Структура привилегированного модуля
Непривилегированные модули – это обычные программные модули, которые могут быть прерваны во время своей работы. В общем случае их нельзя считать разделяемыми, поскольку после прерывания его в рамках одного вычислительного процесса и вызова его вновь из другого процесса, промежуточные результаты прерванных вычислений могут быть утеряны.
Реентерабельные (reenterable) – повторно прерываемые модули допускают повторное многократное прерывание своего исполнения и повторный запуск из других процессов.
На рис. 3.2 приведен пример использования реентерабельного модуля В процессами А и С. Опишем состояние процессов в каждый из моментов времени Т1-Т6:
Т1 – модуль А обращается к модулю В;
Т2 – при выполнении модуля В, поступил запрос на прерывание от внешнего устройства (модуля С). Приоритет у процесса С выше, чем у А и В, поэтому модуль В временно прекращает свою работу и управление передается модулю С для обработки поступившего запроса;
Т3 – во время работы модуль С обратился к модулю В;
Т4 – модуль С получает результат своего запроса от модуля В;
Т5 – завершается обслуживание внешнего устройства и управление передается модулю В. Далее модуль В завершает процесс, инициированный модулем А, используя значения переменных, сохраненных в момент прерывания Т2;
Т6 – модуль В завершает свою работу и результат передается модулю А.
| А |
| В |
| С |
| T1 |
| T2 |
| T3 |
| T4 |
| T5 |
| T6 |
| T |
| T |
| T |
Рис. 3.2. Использование реентерабельного модуля В процессами А и С
Принцип реентерабельности достигается за счет отделения кода программы от данных. При каждом обращении к модулю ему выделяется новая область памяти под данные. Выделение памяти может реализовано 2 способами: статическим и динамическим. Структура реентерабельного модуля при наиболее распространенном динамическом способе выделения памяти приведена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Структура реентерабельного модуля
В головной части реентерабельного модуля из системной привилегированной секции осуществляется запрос на получение в системной области памяти блока ячеек, необходимого для размещения всех текущих данных. При этом на вершину стека помещается указатель на начало области данных и ее объем. В этой системной области памяти располагаются текущие переменные реентерабельного модуля.
В конце привилегированной секции система прерываний включается, поэтому работа центральной (основной) части реентерабельного модуля может быть прервана. Если прерывания не было, то в третьей секции модуля осуществляется запрос на освобождение использованного блока системной памяти. Если же во время работы центральной секции возникает прерывание и к этому же реентерабельному модулю обращается другой процесс, то для нового процесса заказывается новый блок памяти и системной области памяти. На вершину стека записывается новый указатель. Возможно многократное повторное вхождение в реентерабельный модуль до тех пор, пока в соответствующей системной области памяти есть место.
При статическом способе выделения памяти для фиксированного числа процессов заранее резервируются области памяти для хранения переменных реентерабельных модулей: для каждого процесса – своя область памяти. Чаще всего в качестве таких процессов выступают процессы ввода/вывода и речь идет о реентерабельных драйверах, управляющих параллельно несколькими однотипными устройствами.
Кроме реентерабельных существуют еще и повторно входимые модули (reentrance). Повторно входимые модули состоят из привилегированных секций и повторное обращение к ним возможно только после завершения работы какой-нибудь из секций. Т.е. в таких модулях четко определены все допустимые точки входа для прерывания модуля. Повторно входимые модули встречаются чаще, чем реентерабельные.