Сетевые операционные системы. Кравченко Т.Н.

Понятие операционной системы

Операционная система - часть системного программного обеспечения.

Системное программное обеспечение (ПО) - совокупность программ, управляющих ресурсами компьютера, обеспечивающих запуск прикладных программ и взаимодействие пользователя с компьютером. Системное ПО включает в себя операционную систему (ОС), специализированные сетевые программные средства и  сервисные программы (утилиты) для решения конкретных системных задач.

Сетевая ОС составляет основу любой вычислительной сети. Под сетевой ОС в широком смысле понимается совокупность операционных систем отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам-протоколам. В узком смысле сетевая ОС - операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.

Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями используемых методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

Современные ОС являются многозадачными и многопользовательскими.

Многозадачность означает, что в системе одновременно могут выполняться несколько задач, совместно использующих ресурсы компьютера. Следовательно, многозадачные ОС должны включать средства управления совместно используемыми ресурсами, такими как оперативная память, файлы и внешние устройства.

В зависимости от использованного при разработке критерия эффективности многозадачность может быть реализована системами следующих трех типов:

1) Системы пакетной обработки (например, ОС ЕС). Предназначались в основном для задач вычислительного характера. Главным критерием эффективности являлось решение максимального числа задач в единицу времени. Для этого формируется пакет задач, причем для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие разные требования к ресурсам,  чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств компьютера; так,  например, желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом/выводом.

2) Системы разделения времени (например, UNIX). Каждой задаче выделяется только часть процессорного времени, то  есть происходит поочередное выполнение всех запущенных задач. Общая производительность при этом ниже, чем в случае  пакетной обработки, так как задачи выполняются в том порядке, который определяется пользователем, а не в том, который "выгоден" системе. Зато время выполнения для всех задач оказывается приемлемым для пользователя.

3) Системы реального времени (например, QNX) применяются для управления различными техническими объектами (например, спутниками, технологическими линиями), и в тех случаях, когда обработка данных должна выполняться в том же темпе, что и поступление этих данных (например, кардиомониторы, гидроакустические системы). Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа.  Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство - реактивностью.

Некоторые ОС могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки называют фоновым.

Поддержка многопользовательского режима определяется по числу одновременно работающих пользователей и подразделяется на однопользовательские системы (MS DOS)  и многопользовательские (UNIX, Windows NT). Многопользовательские системы, в отличие от однопользовательских, обладают более развитой системой защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей, а также совместного доступа к разделяемым между ними ресурсам.

Структура сетевой ОС

В сетевой ОС отдельного компьютера можно выделить следующие составные части:

  • средства  управления локальными ресурсами  компьютера. Выполняют функции диспетчеризации задач, распределения оперативной памяти между задачами, управления периферийными устройствами и т. д.
  • средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование (серверная часть). Эти средства обеспечивают, в частности, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; ведение справочников ресурсов; обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных; управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам.
  • средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использования (клиентская часть). Выполняет распознавание и распределение в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей; прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных  и удаленных запросов неразличимо.
  • коммуникационные средства. Обеспечивают адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута, проверку правильности передачи, управление коммуникационными устройствами, то есть обеспечивают обмен сообщениями в сети.

В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его ОС может отсутствовать либо клиентская, либо серверная часть.

Если выполнение каких-либо серверных функций является основным назначением узла сети (например, предоставление файлов, организация совместного использования принтера), то такой узел является сервером. Сервер может быть выделенным и невыделенным. Если сервер выделенный,  то он не может использоваться в качестве рабочей станции.

Классификация сетей на основе используемых сетевых ОС

В соответствии с функциями, выполняемыми узлами сети, и распределением их серверной и клиентской частей, выделяют следующие классы сетей:

  • Одноранговые сети. Все узлы имеют одинаковые возможности доступа к ресурсам друг друга. На  всех узлах устанавливаются типовые ОС,  предоставляющие узлу возможности как клиента,  так и сервера. Такие ОС называются одноранговыми. Примерами одноранговых ОС являются Windows 2000 Professional, Windows XP, Windows NT Workstation.

Функциональная избыточность одноранговых сетей даст возможность администраторам сетей управлять ресурсами в соответствии с выбранной политикой. Например, можно превратить один из узлов в "сервер", ограничив его функции только обслуживанием запросов клиентов. Аналогично, запретив другим  пользователям доступ к ресурсам  какого-либо узла, этот узел можно превратить в "чистого" клиента. При этом одноранговая сеть становится похожей на сеть с выделенным сервером, но при этом  между этими сетями остается принципиальное различие, заключающееся в отсутствии в одноранговой сети специализированной  ОС, которая является обязательным элементом сети на основе сервера. Одноранговые сети используются чаще всего для небольших рабочих групп. Число узлов в такой сети обычно не превышает десяти.

  • Сети на основе сервера. При этом на один из узлов сети устанавливается специализированная серверная ОС. Серверная ОС, помимо расширенного набора сетевых функций, являются оптимизированным вариантом ОС, обеспечивающим высокую производительность. Это обусловлено тем, что при функционировании сети, состоящей из множества узлов, интенсивность запросов к разделяемым ресурсам сервера может быть очень большой, а сервер должен обрабатывать запросы в реальном времени для пользователя.

Отличительными чертами серверных ОС являются:

o                    расширенный набор сетевых служб

o                    наличие эффективных служб защиты и восстановления ОС после сбоя

o                    поддержка большого числа одновременно выполняемых процессов и сетевых соединений

o                    наличие средств информационной безопасности и их соответствие требованиям стандартов

o                    поддержка мощных аппаратных платформ, в том числе многопроцессорных

o                    включение в состав ОС служб централизованного администрирования сети (например, справочной службы, службы мониторинга сети, службы аутентификации пользователей сети).

Примерами серверных ОС являются UNIX, Windows NT Server, Windows  2000 Server, Windows 2003 Server. Компания Microsoft выпускает по две версии одной и той же ОС: одна для сервера, например, Windows NT Server, а другая для обычного узла сети, например, Windows NT Workstation. Эти версии ОС основаны на одном и том же ядре, но отличаются набором служб и  утилит, а также параметрами конфигурации, в том числе устанавливаемыми  по умолчанию.

  • Комбинированные сети. В сети могут одновременно функционировать несколько серверов, решающих различные задачи. Выделенный сервер может использоваться как главный сервер для общего управления сетью, а другой узел может выполнять отдельные серверные функции (например, служить принт-сервером), оставаясь клиентом по отношению к главному серверу.

Построение сетевых ОС

В процессе развития сетевых ОС возникли два подхода к их построению.

1) Первые сетевые ОС представляли собой совокупность существующей локальной ОС и надстроенной над ней сетевой оболочки. При этом локальная ОС включает минимум сетевых функций, достаточный для взаимодействия с оболочкой. Основные задачи сетевого взаимодействия возлагаются на оболочку. Примерами являются MS DOS 7.0+, LANtastic, Personal Ware, OS/2+ LAN Manager.

2) Более эффективным является внедрение сетевых функций в ядро ОС. При этом обеспечивается более высокая производительность, устойчивость, безопасность и простота эксплуатации. Примерами таких ОС являются Unix и ОС семейства Windows.

При рассмотрении структуры ОС и особенностей ее работы пользуются моделями "клиент-сервер" и "режим пользователя - режим ядра".

Модель "клиент-сервер" является удобным средством ясного представления функций того или иного программного элемента в той или иной ситуации. Эта модель предполагает наличие программного компонента - потребителя какого-либо сервиса (клиента), и программного компонента - поставщика этого сервиса (сервера). Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизуется, так что сервер может обслуживать клиентов, реализованных разными способами; главное, чтобы они запрашивали услуги сервера понятным ему способом. Применительно к структурированию ОС модель "клиент-сервер" заключается в разбиении ОС на несколько подсистем, каждая из которых выполняет определенный набор сервисных функций, например, управление памятью, планирование задач. Клиент, которым может быть либо другая подсистема ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис; серверная подсистема выполняет запрошенную функцию и возвращает результаты клиенту.

-Модель "режим пользователя - режим ядра" рассматривает разные режимы работы ОС. В режиме пользователя работают приложения и отдельные системные задачи, например, принт-серверная или файл-серверная подсистемы. Этот режим не имеет непосредственного доступа к аппаратуре и вызывает системные службы через интерфейсы прикладных программ (API). Режим ядра (часто называемого микроядром) является привилегированным, имеет доступ ко всему адресному пространству, всем аппаратным ресурсам компьютера. Микроядро представляет наиболее общие службы ОС, такие как диспетчеризация задач, обработка прерываний распределение памяти; оно также обеспечивает взаимодействие между подсистемами ОС.

Реализация двух режимов работ делает функционирование ОС более надежным и эффективным, обеспечивает защиту данных и безопасное использование оборудования.

Источник: http://kravchenko-t-n.narod.ru/frame3/teor/teor3_2.htm

Категории: