Введение
Эта книга — не о конкретной операционной системе и даже не о конкретном типе операционных систем. В ней операционные системы (ОС) рассматриваются с самых общих позиций, а описываемые фундаментальные концепции и принципы построения справедливы для большинства ОС.
Действительно, различия между существующими ОС не столь существенны, как это может показаться на первый взгляд. Разработчики операционных систем живут в едином мире без жестких границ, не препятствующих миграции хорошо зарекомендовавших себя концепций и механизмов из одной системы в другую. В результате в подавляющем большинстве ОС нам встречаются одни и те же принципы управления ресурсами компьютера: мультипрограммирование и мультипроцессирование, виртуальная память и свопинг, отображаемые в память файлы и удаленный вызов процедур. Это позволяет при изучении ОС эффективно использовать подход «от общего к частному», отделяя детали реализации от основополагающей идеи.
С другой стороны, авторы старались избегать сухого академического изложения материала. Принципиальные положения иллюстрируются примерами механизмов конкретных ОС, как правило, наиболее распространенных или тех, которые стали вехами на пути развития вычислительной техники: UNIX, OS/360, Windows NT, MS-DOS, NetWare, OS/2.
Эту книгу авторы рассматривают как своего рода дополнение и продолжение своей предыдущей книги (Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Олифер В. Г., Олифер Н. А. — СПб: Питер, 1999). Такая взаимосвязь объясняется тем, что для понимания работы сети необходимо знать не только устройство транспортной инфраструктуры сети (именно этим вопросам посвящена предыдущая книга), но и принципы организации сетевых служб операционных систем, которые рассматриваются в данной книге.
В первую очередь эта книга адресуется студентам и аспирантам различных специальностей направления «Информатика и вычислительная техника» как учебное пособие по курсам «Операционные системы» и «Организация вычислительных процессов». В основу книги положен многолетний опыт одного из авторов по преподаванию указанных курсов на кафедре вычислительной техники в МИРЭА.
Кроме того, книга может быть полезна и для специалистов: программистов, которые хотят более эффективно использовать системные средства, сетевых администраторов, которым нужны знания принципов работы ОС для оптимизации операционной сетевой среды, специалистам по коммуникационному оборудованию, создающим транспортную инфраструктуру сети. Авторы убедились в этом, проводя в течение ряда лет курсы в Московском ценре информационных технологий для специалистов-практиков, повышавших свою квалификацию в области операционных систем.
И наконец, книга может заинтересовать всех, кто имеет дело с компьютерами и хочет больше узнать о том, как устроены современные операционные системы.
Первые три главы вводят читателя в проблематику операционных систем. После рассмотрения основных этапов эволюции ОС обсуждается назначение современной операционной системы. Затем исследуются функциональная и структурная организация ОС, а также основные подсистемы и компоненты, используемые для управления как локальными, так и разделяемыми сетевыми ресурсами. При этом рассматриваются классическая многослойная организация ОС с монолитным ядром, а также микроядерная архитектура.
Следующие пять глав (с четвертой по восьмую) посвящены концепциям и механизмам управления локальными ресурсами компьютера: процессором, памятью и внешними устройствами. Изучаются понятия процесса и потока, различные дисциплины планирования и диспетчеризации, применяемые в системах пакетной обработки, разделения времени и реального времени. Достаточно подробно рассматриваются различные схемы реализации механизма прерываний и его роль в организации вычислительного процесса.
Методы управления памятью рассматриваются в исторической ретроспективе — от самых простых схем с фиксированными разделами до современной сегментно-страничной организации памяти. Детально исследуются концепции виртуальной памяти и кэширования данных.
При рассмотрении файловой системы и внешних устройств применяется современных подход, согласно которому файловая система является неотъемлемой частью подсистемы ввода-вывода, состоящей из драйверов различного уровня, объединенных общим менеджером. В качестве примеров используются наиболее распространенные файловые системы, такие как ufs, NTFS и FAT. Изучаются такие важные функции файловых систем, как устойчивость к сбоям и отказам, а также контроль доступа к хранимым данным.
Управление локальными ресурсами тесно связано с аппаратными средствами организации вычислительного процесса. Шестая глава полностью посвящена подробному описанию такого рода средств, встроенных в процессоры семейства Pentium. На примере этого процессора показано взаимодействие программных и аппаратных средств компьютера при планировании процессов и потоков, распределении памяти, защите данных на разных уровнях.
В последних трех главах рассматриваются сетевые функции ОС. Сначала обсуждается концепция распределенных вычислений, типы многозвенных приложений и средства их реализации — системы передачи сообщений и удаленного вызова процедур. Теоретические схемы иллюстрируются конкретными механизмами, такими как сокеты Беркли и механизмы Sun RPC и DCE RPC. Концепция распределенных вычислений широко используется при изучении сетевой файловой службы, одного из основных компонентов любой сетевой ОС. Рассматриваются различные протоколы взаимодействия клиентской и серверной частей файловой службы, такие как NFS, SMB, FTP и NCP. Далее изучаются назначение и архитектура службы каталогов как центрального элемента современной ОС. Отдельный раздел посвящен проблеме взаимодействия сетевых служб в гетерогенной среде с использованием методов трансляции, мультиплексирования и инкапсуляции протоколов.
Завершает книгу глава, посвященная сетевой безопасности. Она включает описание основных угроз, возникающих при работе в сети, и различных подходов, используемых для защиты данных. Рассматриваются базовые технологии сетевой безопасности: шифрование, аутентификация, авторизация, цифровая подпись, цифровые сертификаты, аудит, защищенный канал. Совместная работа различных технологий безопасности иллюстрируется на примере интегрированной системы защиты данных Kerberos.
В конце каждой главы даются выводы, а также приводятся задачи и упражнения. Книга снабжена индексным указателем и списком рекомендуемой литературы.