Сети и сетевые операционные системы. Сетевые и распределенные операционные системы. Понятие протокола. Структура сетевой операционной системы
Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. Каждый компьютер в сети в значительной степени автономен, поэтому под сетевой операционной системой 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 - это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.
В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить несколько частей (рис 8.1.):
Средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между процессами, планирования и диспетчеризации процессов, управления процессорами в мультипроцессорных машинах, управления периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных ОС.
Средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование - серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; ведение справочников имен сетевых 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 ОС (редиректор). Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо.
Коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., то есть является средством транспортировки сообщений.
В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его операционной системе может отсутствовать либо клиентская, либо серверная части.
На (рис 8.2) показано взаимодействие сетевых компонентов. Здесь компьютер 1 выполняет роль "чистого" клиента, а компьютер 2 - роль "чистого" сервера, соответственно на первой машине отсутствует серверная часть, а на второй - клиентская. На рисунке отдельно показан компонент клиентской части - редиректор. Именно редиректор перехватывает все запросы, поступающие от приложений, и анализирует их. Если выдан запрос к ресурсу данного компьютера, то он переадресовывается соответствующей подсистеме локальной ОС, если же это запрос к удаленному ресурсу, то он переправляется в сеть. При этом клиентская часть преобразует запрос из локальной формы в сетевой формат и передает его транспортной подсистеме, которая отвечает за доставку сообщений указанному серверу. Серверная часть операционной системы компьютера 2 принимает запрос, преобразует его и передает для выполнения своей локальной ОС. После того, как результат получен, сервер обращается к транспортной подсистеме и направляет ответ клиенту, выдавшему запрос. Клиентская часть преобразует результат в соответствующий формат и адресует его тому приложению, которое выдало запрос.
На практике сложилось несколько подходов к построению сетевых операционных систем (рис. 8.3)
Первые сетевые ОС представляли собой совокупность существующей локальной ОС и надстроенной над ней сетевой оболочки. При этом в локальную ОС встраивался минимум сетевых функций, необходимых для работы сетевой оболочки, которая выполняла основные сетевые функции. Примером такого подхода является использование на каждой машине сети операционной системы MS DOS (у которой начиная с ее третьей версии появились такие встроенные функции, как блокировка файлов и записей, необходимые для совместного доступа к файлам). Принцип построения сетевых ОС в виде сетевой оболочки над локальной ОС используется и в современных ОС, таких, например, как LANtastic или Personal Ware.
Однако более эффективным представляется путь разработки операционных систем, изначально предназначенных для работы в сети. Сетевые функции у ОС такого типа глубоко встроены в основные модули системы, что обеспечивает их логическую стройность, простоту эксплуатации и модификации, а также высокую производительность. Примером такой ОС является система Windows NT фирмы Microsoft, которая за счет встроенности сетевых средств обеспечивает более высокие показатели производительности и защищенности информации по сравнению с сетевой ОС LAN Manager той же фирмы (совместная разработка с IBM), являющейся надстройкой над локальной операционной системой OS/2.
Существует два типа распределенных операционных систем. Мультипроцессорная операционная система (multiprocessor operating system) управляет ресурсами мультипроцессора. Мулътикомпъютерная операционная система (multicomputeroperating system) разрабатывается для гомогенных мультикомпьютеров. Функциональность распределенных операционных систем в основном не отличается от функциональности традиционных операционных систем, предназначенных для компьютеров с одним процессором за исключением того, что она поддерживает функционирование нескольких процессоров. Поэтому давайте кратко обсудим операционные системы, предназначенные для обыкновенных компьютеров с одним процессором.
Операционные системы для однопроцессорных компьютеров
Операционные системы традиционно строились для управления компьютерами с одним процессором. Основной задачей этих систем была организация легкого доступа пользователей и приложений к разделяемым устройствам, таким как процессор, память, диски и периферийные устройства. Говоря о разделении ресурсов, мы имеем в виду возможность использования одного и того же аппаратного обеспечения различными приложениями изолированно друг от друга. Для приложения это выглядит так, словно эти ресурсы находятся в его полном распоряжении, при этом в одной системе может выполняться одновременно несколько приложений, каждое со своим собственным набором ресурсов. В этом смысле говорят, что операционная система реализует виртуальную машину (virtual machine), предоставляя приложениям средства мультизадачности.
Важным аспектом совместного использования ресурсов в такой виртуальной машине является то, что приложения отделены друг от друга. Так, невозможна ситуация, когда при одновременном исполнении двух приложений, А и В, приложение А может изменить данные приложения В, просто работая с той частью общей памяти, где эти данные хранятся. Также требуется гарантировать, что приложения смогут использовать предоставленные им средства только так, как предписано операционной системой. Например, приложениям обычно запрещено копировать сообщения прямо в сетевой интерфейс. Взамен операционная система предоставляет первичные операции связи, которые можно использовать для пересылки сообщений между приложениями на различных машинах.
Следовательно, операционная система должна полностью контролировать использование и распределение аппаратных ресурсов. Поэтому большинство процессоров поддерживают как минимум два режима работы. В режиме ядра (kernelmode) выполняются все разрешенные инструкции, а в ходе выполнения доступна вся имеющаяся память и любые регистры. Напротив, в пользовательском режиме (user mode) доступ к регистрам и памяти ограничен. Так, приложению не будет позволено работать с памятью за пределами набора адресов, установленного для него операционной системой, или обращаться напрямую к регистрам устройств. На время выполнения кода операционной системы процессор переключается в режим ядра. Однако единственный способ перейти из пользовательского режима в режим ядра — это сделать системный вызов, реализуемый через операционную систему. Поскольку системные вызовы — это лишь базовые службы, предоставляемые операционной системой, и поскольку ограничение доступа к памяти и регистрам нередко реализуется аппаратно, операционная система в состоянии полностью их контролировать.
Существование двух режимов работы привело к такой организации операционных систем, при которой практически весь их код выполняется в режиме ядра. Результатом часто становятся гигантские монолитные программы, работающие в едином адресном пространстве. Оборотная сторона такого подхода состоит в том, что перенастроить систему часто бывает нелегко. Другими словами, заменить или адаптировать компоненты операционной системы без полной перезагрузки, а возможно и полной перекомпиляции и новой установки очень трудно. С точки зрения открытости, проектирования программ, надежности или легкости обслуживания монолитные операционные системы — это не самая лучшая из идей.
Более удобен вариант с организацией операционной системы в виде двух частей. Одна часть содержит набор модулей для управления аппаратным обеспечением, которые прекрасно могут выполняться в пользовательском режиме. Например, управление памятью состоит в основном из отслеживания, какие блоки памяти выделены под процессы, а какие свободны. Единственный момент, когда мы нуждаемся в работе в режиме ядра, — это установка регистров блока управления памятью.
Вторая часть операционной системы содержит небольшое микроядро (microkernel), содержащее исключительно код, который выполняется в режиме ядра. На практике микроядро должно содержать только код для установки регистров устройств, переключения процессора с процесса на процесс, работы с блоком управления памятью и перехвата аппаратных прерываний. Кроме того, в нем обычно содержится код, преобразующий вызовы соответствующих модулей пользовательского уровня операционной системы в системные вызовы и возвращающий результаты. Такой подход приводит к организации, показанной на рис. 1.8.
Использование микроядра дает нам разнообразные преимущества. Наиболее важное из них состоит в гибкости: поскольку большая часть операционной системы исполняется в пользовательском режиме, относительно несложно заменить один из модулей без повторной компиляции или повторной установки всей системы. Другой серьезный плюс заключается в том, что модули пользовательского уровня могут в принципе размещаться на разных машинах. Так, мы можем установить модуль управления файлами не на той машине, на которой он управляет службой каталогов. Другими словами, подход с использованием микроядра отлично подходит для переноса однопроцессорных операционных систем на распределенные компьютеры.
У микроядер имеется два существенных недостатка. Во-первых, они работают иначе, чем существующие операционные системы, а попытки поменять сложившееся «статус-кво» всегда встречают активное сопротивление («если эта операционная система подходила для моего деда — она подойдет и для меня»). Во-вторых, микроядро требует дополнительного обмена, что слегка снижает производительность. Однако, зная как быстры современные процессоры, снижение производительности в 20 % вряд ли можно считать фатальным.
Мультипроцессорные операционные системы
Важным, но часто не слишком очевидным расширением однопроцессорных операционных систем является возможность поддержки нескольких процессоров, имеющих доступ к совместно используемой памяти. Концептуально это расширение несложно. Все структуры данных, необходимые операционной системе для поддержки аппаратуры, включая поддержку нескольких процессоров, размещаются в памяти. Основная разница заключается в том, что теперь эти данные доступны нескольким процессорам и должны быть защищены от параллельного доступа для обеспечения их целостности.
Однако многие операционные системы, особенно предназначенные для персональных компьютеров и рабочих станций, не могут с легкостью поддерживать несколько процессоров. Основная причина такого поведения состоит в том, что они были разработаны как монолитные программы, которые могут выполняться только в одном потоке управления. Адаптация таких операционных систем под мультипроцессорные означает повторное проектирование и новую реализацию всего ядра. Современные операционные системы изначально разрабатываются с учетом возможности работы в мультипроцессорных системах.
Многопроцессорные операционные системы нацелены на поддержание высокой производительности конфигураций с несколькими процессорами. Основная их задача — обеспечить прозрачность числа процессоров для приложения. Сделать это достаточно легко, поскольку сообщение между различными приложениями или их частями требует тех же примитивов, что и в многозадачных однопроцессорных операционных системах. Идея состоит в том, что все сообщение происходит путем работы с данными в специальной совместно используемой области данных, и все что нам нужно — это защитить данные от одновременного доступа к ним. Защита осуществляется посредством примитивов синхронизации.
Мультикомпьютерные операционные системы
Мультикомпьютерные операционные системы обладают гораздо более разнообразной структурой и значительно сложнее, чем мультипроцессорные. Эта разница проистекает из того факта, что структуры данных, необходимые для управления системными ресурсами, не должны больше отвечать условию легкости совместного использования, поскольку их не нужно помещать в физически общую память. Единственно возможным видом связи является передача сообщений (messagepassing). Мультикомпьютерные операционные системы в основном организованы так, как показано на рис. 1.9.
Каждый узел имеет свое ядро, которое содержит модули для управления локальными ресурсами — памятью, локальным процессором, локальными дисками и т. д. Кроме того, каждый узел имеет отдельный модуль для межпроцессорного взаимодействия, то есть посылки сообщений на другие узлы и приема сообщений от них.
Поверх каждого локального ядра лежит уровень программного обеспечения общего назначения, реализующий операционную систему в виде виртуальной машины, поддерживающей параллельную работу над различными задачами. На деле, как мы сейчас кратко рассмотрим, этот уровень может даже предоставлять абстракцию мультипроцессорной машины. Другими словами, он предоставляет полную программную реализацию совместно используемой памяти. Дополнительные средства, обычно реализуемые на этом уровне, предназначены, например, для назначения задач процессорам, маскировки сбоев аппаратуры, обеспечения прозрачности сохранения и общего обмена между процессами. Другими словами, эти средства абсолютно типичны для операционных систем вообще.
Множество аспектов проектирования мультикомпьютерных операционных систем одинаково важны для любой распределенной системы. Основная разница между мультикомпьютерными операционными системами и распределенными системами состоит в том, что в первом случае обычно подразумевается, что аппаратное обеспечение гомогенно и полностью управляемо. Множество распределенных систем, однако, строится на базе существующих операционных систем.
Понятие протокола
Протокол — набор правил, благодаря которым возможна передача данных между компьютерами. Эти правила работают в рамках модели ISO/OSI и не могут отступать от нее ни на шаг, поскольку это может повлечь за собой несовместимость оборудования и программного обеспечения. Каждый уровень модели ISO/OSI обладает своими особенностями, и реализовать все особенности в рамках одного протокола невозможно.
Мало того, это даже невыгодно,поскольку значительную часть логики можно разрабатывать на уровне аппаратного обеспечения, что приводит к ускорению работы с данными. Исходя из этих соображений, было разработано множество узкоиаиравленных протоколов, каждый из которых с максимальной отдачей и быстродействием выполняет свою задачу. Протоколы могут быть двух типов: низкоуровневые и высокоуровневые. • Низкоуровневые протоколы появились достаточно давно и с тех пор не претерпели никаких кардинальных изменений. За длительное время использования таких протоколов в них были найдены и устранены всевозможные «дыры» и ошибки. ПРИМЕЧАНИЕ Низкоуровневые протоколы реализуются на аппаратном уровне, что позволяет добиться их максимального быстродействия. • Что касается высокоуровневых протоколов, то они постоянно разрабатываются и совершенствуются. В этом нет ничего плохого, даже наоборот: всегда существует возможность придумать новый, более эффективный, способ передачи данных. Как правило, высокоуровневые протоколы реализуются в виде драйверов к сетевому оборудованию для работы в разных операционных системах. Существует множество различных протоколов, каждый из которых имеет своп особенности. Одни протоколы узконаправленные, другие имеют более широкое применение. Каждая компания разрабатывает свой собственный стек (набор) протоколов.
Хотя разные стеки протоколов изначально несовместимы, существуют дополнительные протоколы, представляющие собой «мосты» между стеками. Благодаря этому в одной операционной системе можно работать с несколькими несовместимыми между собой протоколами. Стоит также упомянуть тот факт, что не все протоколы можно использовать в одинаковых условиях. Иногда применение одного протокола выгодно для небольшое группы компьютеров и крайне невыгодно для большого количества компьютерен, с несколькими маршрутизаторами и подключением к Интернету.