Эта книга - не о конкретной системе и даже не о конкретном типе операционных систем. Она рассматривает фундаментальные концепции и принципы построения, справедливые для большинства известных на сегодня операционных систем. В первую очередь эта книга рекомендуется студентам и аспирантам различных специальностей направления "Информатика и вычислительная техника" как учебное пособие по курсам "Операционные системы" и "Организация вычислительных процессов". Кроме того, она может быть полезна специалистам: программистам, сетевым администраторам и профессионалам по коммуникационному оборудованию. И, наконец, книга может заинтересовать всех, кто имеет дело с компьютерами и хочет больше узнать о том, как устроены современные операционные системы. Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов "Информатика и вычислительная техника". Краткое содержание Введение 10 Глава 1. Эволюция операционных систем 13 Глава 2. Назначение и функции операционной системы 29 Глава 3. Архитектура операционной системы 57 Глава 4. Процессы и потоки 87 Глава 5. Управление памятью 162 Глава 6. Аппаратная поддержка мультипрограммирования на примере процессора Pentium 215 Глава 7. Ввод-вывод и файловая система 253 Глава 8. Дополнительные возможности файловых систем 335 Глава 9. Концепции распределенной обработки в сетевых ОС 380 Глава 10. Сетевые службы 416 Глава 11. Сетевая безопасность 468 Приложение. Модель ISO/OSI . 514 Ответы к задачам и упражнениям . 519 Рекомендуемая литература 525 Алфавитный указатель 527 Содержание Введение 10 Для кого эта книга 10 Структура книги 11 От издательства 12 Глава 1. Эволюция операционных систем 13 Появление первых операционных систем 13 Появление мультипрограммных операционных систем для мэйнфреймов 15 Операционные системы и глобальные сети 18 Операционные системы мини-компьютеров и первые локальные сети 19 Развитие операционных систем в 80-е годы 20 Особенности современного этапа развития операционных систем 24 Выводы 27 Задачи и упражнения . 28 Глава 2. Назначение и функции операционной системы 29 Операционные системы для автономного компьютера 29 ОС как виртуальная машина 30 ОС как система управления ресурсами 31 Функциональные компоненты операционной системы автономного компьютера 32 Управление процессами 33 Управление памятью 34 Управление файлами и внешними устройствами 35 Защита данных и администрирование 37 Интерфейс прикладного программирования 38 Пользовательский интерфейс 39 Сетевые операционные системы 39 Сетевые и распределенные ОС 40 Два значения термина "сетевая ОС" 41 Функциональные компоненты сетевой ОС 42 Сетевые службы и сетевые сервисы 43 Встроенные сетевые службы и сетевые оболочки 45 Одноранговые и серверные сетевые операционные системы 48 ОС в одноранговых сетях 48 ОС в сетях с выделенными серверами 50 Требования к современным операционным системам 52 Выводы 54 Задачи и упражнения 55 Глава 3. Архитектура операционной системы 57 Ядро и вспомогательные модули ОС 57 Ядро в привилегированном режиме 60 Многослойная структура ОС 64 Аппаратная зависимость и переносимость ОС 68 Типовые средства аппаратной поддержки ОС 69 Машинно-зависимые компоненты ОС 71 Переносимость операционной системы 72 Микроядерная архитектура 74 Концепция 74 Преимущества и недостатки микроядерной архитектуры 76 Совместимость и множественные прикладные среды 79 Двоичная совместимость и совместимость исходных текстов 79 Трансляция библиотек 80 Способы реализации прикладных программных сред 81 Выводы 84 Задачи и упражнения 86 Глава 4. Процессы и потоки .87 Мультипрограммирование . 87 Мультипрограммирование в системах пакетной обработки 88 Мультипрограммирование в системах разделения времени 91 Мультипрограммирование в системах реального времени 92 Мультипроцессорная обработка 93 Планирование процессов и потоков .. 96 Понятия "процесс" и "поток" 97 Создание процессов и потоков 100 Планирование и диспетчеризация потоков 103 Состояния потока 105 Вытесняющие и невытесняющие алгоритмы планирования 107 Алгоритмы планирования, основанные на квантовании . . . 110 Алгоритмы планирования, основанные на приоритетах 113 Смешанные алгоритмы планирования 116 Планирование в системах реального времени 119 Моменты перепланировки 121 Мультипрограммирование на основе прерываний 124 Назначение и типы прерываний 124 Механизм прерываний 125 Программные прерывания 129 Диспетчеризация и приоритезация прерываний в ОС . 129 Функции централизованного диспетчера рерываний на примере Windows NT …. 131 Процедуры обработки прерываний и текущий процесс 135 Системные вызовы 136 Синхронизация процессов и потоков 140 Цели и средства синхронизации 140 Необходимость синхронизации и гонки 142 Критическая секция 144 Блокирующие переменные 145 Семафоры 148 Тупики 150 Синхронизирующие объекты ОС 153 Сигналы 156 Выводы 157 Задачи и упражнения 159 Глава 5. Управление памятью 162 Функции ОС по управлению памятью 162 Типы адресов 163 Алгоритмы распределения памяти 170 Распределение памяти фиксированными разделами 171 Распределение памяти динамическими разделами 172 Перемещаемые разделы 174 Свопинг и виртуальная память . 175 Страничное распределение 178 Сегментное распределение 188 Сегментно-страничное распределение 191 Разделяемые сегменты памяти 196 Кэширование данных 198 Иерархия запоминающих устройств 198 Кэш-память 199 Принцип действия кэш-памяти 200 Проблема согласования данных 202 Способы отображения основной памяти на кэш 203 Схемы выполнения запросов в системах с кэш-памятью 207 Выводы 210 Задачи и упражнения 212 Глава 6. Аппаратная поддержка мультипрограммирования на примере процессора Pentium 215 Регистры процессора 215 Привилегированные команды 219 Средства поддержки сегментации памяти 219 Виртуальное адресное пространство 220 Преобразование адресов 223 Защита данных при сегментной организации памяти 225 Сегментно-страничный механизм 231 Средства вызова процедур и задач 235 Вызов процедур 235 Вызов задачи 239 Механизм прерываний 241 Кэширование в процессоре Pentium 244 Буфер ассоциативной трансляции 245 Кэш первого уровня 248 Совместная работа кэшей разного уровня 249 Выводы 251 Задачи и упражнения 251 Глава 7. Ввод-вывод и файловая система 253 Задачи ОС по управлению файлами и устройствами 254 Организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора ............... 254 Согласование скоростей обмена и кэширование данных 255 Разделение устройств и данных между процессами 256 Обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы . 257 Поддержка широкого спектра драйверов и простота включения нового драйвера в систему 257 Динамическая загрузка и выгрузка драйверов 259 Поддержка нескольких файловых систем . 259 Поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода 260 Многослойная модель подсистемы ввода-вывода 261 Общая схема 261 Менеджер ввода-вывода 263 Многоуровневые драйверы 264 Специальные файлы 269 Логическая организация файловой системы 270 Цели и задачи файловой системы 270 Типы файлов 272 Иерархическая структура файловой системы 273 Имена файлов 274 Монтирование 275 Атрибуты файлов 278 Логическая организация файла 279 Физическая организация файловой системы 282 Диски, разделы, секторы, кластеры 282 Физическая организация и адресация файла 286 Физическая организация FAT 290 Физическая организация s5 и ufs 294 Физическая организация NTFS 299 Файловые операции 308 Два способа^организации файловых операций 308 Открытие файла 309 Обмен данными с файлом 312 Блокировки файлов 314 Стандартные файлы ввода и вывода, перенаправление вывода 315 Контроль доступа к файлам 317 Доступ к файлам как частный случай доступа к разделяемым ресурсам 317 Механизм контроля доступа 319 Организация контроля доступа в ОС UNIX 322 Организация контроля доступа в ОС Windows NT 324 Выводы 332 Задачи и упражнения 333 Глава 8. Дополнительные возможности файловых систем 335 Специальные файлы и аппаратные драйверы 335 Специальные файлы как универсальный интерфейс 335 Структурирование аппаратных драйверов 339 Структура драйвера Windows NT 340 Структура драйвера UNIX 344 Отображаемые в память файлы 349 Дисковый кэш 352 Традиционный дисковый кэш 354 Дисковый кэш на основе виртуальной памяти 356 Отказоустойчивость файловых и дисковых систем 357 Восстанавливаемость файловых систем 358 Избыточные дисковые подсистемы RAID 367 Обмен данными между процессами и потоками 373 Конвейеры 374 Именованные конвейеры 375 Очереди сообщений 375 Разделяемая память 376 Выводы 376 Задачи и упражнения 378 Глава 9. Концепции распределенной обработки в сетевых ОС 380 Модели сетевых служб и распределенных приложений . , 380 Способ разделения приложений на части 381 Двухзвенные схемы 381 Трехзвенные схемы 384 Механизм передачи сообщений в распределенных системах 385 Синхронизация 388 Буферизация в примитивах передачи сообщений 391 Способы адресации 393 Надежные и ненадежные примитивы 396 Механизм Sockets ОС UNIX 398 Вызов удаленных процедур 402 Концепция удаленного вызова процедур 402 Генерация стабов 406 Формат сообщений RPC 406 Связывание клиента с сервером 408 Особенности реализации RPC на примере систем Sun RPC и DCE RPC 410 Выводы 413 Задачи и упражнения 414 Глава 10. Сетевые службы 416 Сетевые файловые системы 416 Принципы построения 416 Модель сетевой файловой системы 417 Интерфейс сетевой файловой службы 424 Вопросы1 реализации сетевой файловой системы 427 Размещение клиентов и серверов по компьютерам и в операционной системе 427 Файловые серверы типа stateful и stateless 428 Кэширование 430 Репликация 434 Примеры сетевых файловых служб: FTP и NFS 437 Служба каталогов 442 Назначение и принципы организации 442 Служба каталогов NDS 446 Межсетевое взаимодействие 451 Основные подходы к организации межсетевого взаимодействия 452 Трансляция 454 Мультиплексирование стеков протоколов 456 Инкапсуляция протоколов 462 Выводы 464 Задачи-и упражнения 465 Глава 11. Сетевая безопасность …….. 468 Основные понятия безопасности 469 Конфиденциальность, целостность и доступность данных . 469 Классификация угроз 470 Системный подход к обеспечению безопасности 473 Политика безопасности 474 Базовые технологии безопасности 476 Шифрование 477 Аутентификация, авторизация, аудит 485 Технология защищенного канала 489 Технологии аутентификации 491 Сетевая аутентификация на основе многоразового пароля 491 Аутентификация с использованием одноразового пароля 493 Аутентификация на основе сертификатов 496 Аутентификация информации 501 Система Kerberos 504 Первичная аутентификация 506 Получение разрешения на доступ к ресурсному серверу 508 Получение доступа к ресурсу 509 Достоинства и недостатки 510 Выводы ……………………………. 510 Задачи и упражнения 512 Приложение. Модель ISO/OSI 514 Физический уровень 515 Канальный уровень 516 Сетевой уровень 516 Транспортный уровень 517 Сеансовый уровень 517 Уровень представления 518 Прикладной уровень 518 Ответы к задачам и упражнениям 519 Рекомендуемая литература 525 Алфавитный указатель 527