6 Вариант

1. Понятие уровня абстрагирования от аппаратуры. Чего позволяет достигнуть. Как реализуется.

Ядро состоит из набора функций в Ntoskrnl.exe, предоставляющих фундаментальные механизмы, которые используются компонентами исполнительной системы и низкоуровневыми аппаратно-зависимыми средствами поддержки (диспетчеризации прерываний и исключений), различными в каждой архитектуре CPU.

Объекты ядра. Ядро состоит из низкоуровневых, четко определенных и хорошо предсказуемых примитивов и механизмов ОС, позволяющих компонентам исполнительной системы более высокого уровня выполнять свои функции. Ядро отделено от остальной части исполнительной системы; оно реализует системные механизмы и не участвует в принятии решений, связанных с системной политикой. Вне ядра исполнительная система представляет потоки и другие разделяемые ресурсы в виде объектов. Управление этими объектами требует определенных издержек. В ядре можно избежать таких издержек, поскольку оно реализует набор более простых объектов, называемых объектами ядра. Эти объекты позволяют ядру контролировать обработку данных CPU и поддерживают объекты исполнительной системы. Одна из групп объектов ядра, называемых управляющими (control objects), определяет семантику управления различными функциями ОС. В эту группу входят объекты АРС, DPC (deferred procedure call) и несколько объектов, используемых диспетчером ввода-вывода (например, объект прерывания). Другая группа объектов - объекты диспетчера (dispatcher objects) реализует средства синхронизации, позволяющие изменять планирование потоков. В группу таких объектов входят: поток ядра (kernel thread), мьютекс (mutex), событие (event), семафор (semaphore), таймер (timer), ожидаемый таймер (waitable timer) и некоторые другие. С помощью функций ядра исполнительная система создает объекты ядра, манипулирует ими и конструирует более сложные объекты, предоставляемые в пользовательском режиме.

2. Этапы создания процесса. Этап 5: запуск первичного потока. Этап 6: инициализация в контексте нового процесса.

3. Привязка потока к CPU. Диспетчер ядра. События, вызывающие диспетчеризацию потоков. Когда изменяется приоритет поток.

В Windows реализована подсистема вытесняющего планирования на основе уровней приоритета, в которой всегда выполняется поток с наибольшим приоритетом, готовый к выполнению. Однако выбор потока для выполнения может быть ограничен набором CPUs, на которых он может работать. Это явление называется привязкой к CPUs (processor affinity). По умолчанию поток выполняется на любом доступном CPU, но можно изменить привязку к CPUs через Windows-функции планирования, или заданием маски привязки в заголовке образа. Выполняется поток, пока не наступит очередь другого потока с тем же приоритетом (или более высоким, что возможно в многопроцессорной системе). Поскольку в Windows реализован вытесняющий планировщик, то происходит вот что. Как только другой поток с более высоким приоритетом готов к выполнению, текущий поток вытесняется, даже если его квант еще не истек. Фактически поток может быть выбран следующим для выполнения и вытеснен, не успев воспользоваться своим квантом!

4. Защита памяти в Windows. Основные способы защиты памяти. Атрибуты защиты страниц памяти: описание, применение и его поддержка различными аппаратными платформами.

Страницы в адресном пространстве процесса могут быть свободными (free), зарезервированными (reserved) или переданными (committed). Приложения могут резервировать (reserve) адресное пространство и передавать память (commit) зарезервированным страницам по мере необходимости. Резервировать страницы и передавать им память можно одним вызовом. Резервирование адресного пространства позволяет потоку резервировать диапазон виртуальных адресов для последующего использования. Попытка доступа к зарезервированной памяти влечет за собой нарушение доступа, так как ее страницы не спроецированы на физическую память. Для возврата страниц (decommitting) и/или освобождения виртуальной памяти предназначена функция VirtualFree или VirtualFreeEx. Различия между возвратом и освобождением страниц такие же, как между резервированием и передачей: возвращенная память все еще зарезервирована, тогда как освобожденная память действительно свободна и не является ни переданной, ни зарезервированной. Резервирование памяти — операция относительно быстрая и не требующая большого количества ресурсов, поскольку в данном случае не расходуется ни физическая память (драгоценный системный ресурс), ни квота процесса на ресурсы страничного файла (число страниц, передаваемых процессу из страничного файла). При этом нужно создать или обновить лишь сравнительно небольшие внутренние структуры данных, отражающие состояние адресного пространства процесса. Различия между возвратом и освобождением страниц такие же, как между резервированием и передачей: возвращенная память все еще зарезервирована, тогда как освобожденная память действительно свободна и не является ни переданной, ни зарезервированной.

5. Алгоритмы определения прав доступа к объекту.

Для идентификации контекста защиты процесса или потока SRM использует объект, называемый маркером (token), или маркером доступа (access token). В контекст защиты входит информация, описывающая привилегии, учетные записи и группы, сопоставленные с процессом или потоком. В процессе входа в систему (этот процесс рассматривается в конце главы) Winlogon создает начальный маркер, представляющий пользователя, который входит в систему, и сопоставляет его с начальным процессом (или процессами) — по умолчанию запускается Userinit.exe. Так как дочерние процессы по умолчанию наследуют копию маркера своего создателя, все процессы в сеансе данного пользователя выполняются с одним и тем же маркером. Вторым элементом маркера, определяющим, что может делать поток или процесс, которому назначен данный маркер, является список привилегий — прав, сопоставленных с маркером. Примером привилегии может служить право процесса или потока, сопоставленного с маркером, на выключение компьютера. (Подробнее привилегии будут рассмотрены позже.) Поля основной группы маркера по умолчанию и списка управления избирательным доступом (discretionary access-control list, DACL) представляют собой атрибуты защиты, применяемые Windows к объектам, которые создаются процессом или потоком с использованием маркера. Включая в маркеры информацию о защите, Windows упрощает процессам и потокам создание объектов со стандартными атрибутами защиты, так как в этом случае им не требуется запрашивать информацию о защите при создании каждого объекта. Маркер может быть основным (primary token) (идентифицирует контекст защиты процесса) и олицетворяющим (impersonation token) (применяется для временного заимствования потоком другого контекста защиты — обычно другого пользователя). Маркеры олицетворения сообщают уровень олицетворения, определяющий, какой тип олицетворения активен в маркере. Остальные поля маркера служат для информационных нужд.

6. Запрос ввода-вывода к одноуровневому драйверу. Обслуживание прерывания. Завершение обработки запроса ввода-вывода. Синхронизация.

Синхронный и асинхронный ввод-вывод Большинство операций ввода-вывода приложений являются синхронными, т.е. приложение ждет, когда устройство выполнит передачу данных и вернет код статуса по завершении операции ввода-вывода. После этого программа продолжает работу и немедленно использует полученные данные.Перед возвратом управления они должны завершить операцию ввода-вывода.

Асинхронный ввод-вывод позволяет приложению выдать запрос на ввод-вывод и продолжить выполнение, не дожидаясь передачи данных устройством. Этот тип ввода- вывода увеличивает эффективность работы приложения, позволяя заниматься другими задачами, пока выполняется операция ввода-вывода. Для использования асинхронного ввода-вывода вы должны указать при вызове CreateFile флаг FILE_FLAG_OVERLAPPED. Поток должен синхронизировать свое выполнение с завершением обработки запроса на ввод-вывод, отслеживая описатель синхронизирующего объекта (которым может быть событие, порт завершения ввода-вывода или сам объект «файл»), который по окончании ввода-вывода перейдет в свободное состояние.

Быстрый ввод-вывод (fast I/O) — специальный механизм, который позволяет подсистеме ввода-вывода напрямую, не генерируя IRP, обращаться к драйверу файловой системы или диспетчеру кэша. Драйвер регистрирует свои точки входа для быстрого ввода-вывода, записывая их адреса в структуру, на которую ссылается указатель.

Ввод-вывод в проецируемые файлы (mapped tile I/O) — важная функция подсистемы ввода-вывода, поддерживаемая ею совместно с диспетчером памяти. Термин «ввод-вывод в проецируемые файлы» относится к возможности интерпретировать файл на диске как часть виртуальной памяти процесса. Программа может обращаться к такому файлу как к большому массиву, не прибегая к буферизации или дисковому вводу-выводу.

Ввод-вывод по механизму «scatter/gather» Windows также поддерживает особый вид высокопроизводительного ввода-вывода с использованием механизма «scatter/gather»; он доступен через Windows-функции ReadFileScatter и WriteFileGather. Эти функции позволяют приложению в рамках одной операции считывать или записывать данные из нескольких буферов в виртуальной памяти в непрерывную область дискового файла, а не выдавать отдельный запрос ввода-вывода для каждого буфера. Чтобы задействовать такой ввод- вывод, вы должны открыть файл для некэшируемого асинхронного (перекрывающегося) ввода-вывода и выровнять пользовательские буферы по границам страниц.

Пакеты запроса ввода-вывода Пакет хранит информацию, нужную для обработки запроса на ввод-вывод. Когда поток вызывает сервис ввода-вывода, диспетчер ввода-вывода создает IRP для представления операции в процессе ее выполнения подсистемой ввода-вывода. По возможности диспетчер ввода-вывода выделяет память под IRP в одном из двух ассоциативных списков IRP, индивидуальных для каждого процессора и хранящихся в пуле неподкачиваемой памяти. Ассоциативный список малых IRP (small IRP look-aside list) хранит IRP с одним блоком стека (об этих блоках — чуть позже), а ассоциативный список больших IRP (large-IRP look-aside list) — IRP с несколькими блоками стека. После создания и инициализации TRP диспетчер ввода-вывода сохраняет в IRP указатель на объект «файл» вызывающего потока.

7. Операции ввода-вывода на томах. Служба виртуального диска: описание, назначение, архитектура. Служба теневого копирования тома: описание, назначение, архитектура.

Составной том - это динамический том, состоящий из дискового пространства на нескольких физических дисках. Если простой том не является системным или загрузочным томом, то его можно расширить, используя дополнительные диски, и создать составной том. Создать составной том можно также на невыделенном пространстве динамического диска.

Управление составными томами

FtDisk и DMIO отвечают за представление томов, управляемых драйверами файловой системы, и за перенаправление ввода-вывода, адресованного томам, в нижележащие разделы, составляющие тома. B случае простых томов диспетчер томов преобразует смещение в томе в смещение на диске, суммируя смещение в томе со смещением тома от начала диска. Составные тома более сложны, поскольку составляющие их разделы могут быть несмежными и даже находиться на разных дисках. Некоторые типы составных томов используют избыточность данных и требуют еще более сложной трансляции. Таким образом, FtDisk и DMIO должны обрабатывать все запросы ввода-вывода, адресованные составным томам, и определять, на какие разделы следует направлять тот или иной запрос.

B Windows поддерживаются следующие типы составных томов: перекрытые; зеркальные; чередующиеся;RAID-5.

Перекрытый том — единый логический том, состоящий из нескольких (до 32) свободных разделов на одном или нескольких дисках. Перекрытый том удобен для объединения небольших областей свободного дискового пространства в единый том большего объема или для создания из нескольких малых дисков одного большого тома. Если перекрытый том отформатирован для NTFS, его можно расширять, добавляя другие свободные области или диски, и это не влияет на данные, уже хранящиеся на томе.

8. Драйвер ФС NTFS. NTFS и связанные с ней компоненты.

Файловая система должна гарантировать целостность своих метаданных. Для защиты конфиденциальных данных от несанкционированного доступа файловая система должна быть построена на интегрированной модели защиты. Наконец, она должна поддерживать защиту пользовательских данных за счет программной избыточности данных в качестве недорогой альтернативы аппаратным решениям.

Восстанавливаемость B соответствии с требованиями к надежности хранения данных и доступа к ним NTFS обеспечивает восстановление файловой системы на основе концепции атомарной транзакции (atomic transaction). Атомарные транзакции — это метод обработки изменений в базе данных, при котором сбои в работе системы не нарушают корректности или целостности базы данных. Суть атомарных транзакций заключается в том, что некоторые операции над базой данных, называемые транзакциями, выполняются по принципу «все или ничего». NTFS использует атомарные транзакции для реализации возможности восстановления файловой системы. NTFS гарантирует, что транзакция будет либо полностью выполнена, либо отменена, если хотя бы одну из операций не удастся завершить из-за сбоя системы. Защита в NTFS построена на модели объектов Windows. Файлы и каталоги защищены от доступа пользователей, не имеющих соответствующих прав. Открытый файл реализуется в виде объекта «файл» с дескриптором защиты, хранящимся на диске как часть файла. Прежде чем процесс сможет открыть описатель какого-либо объекта, в том числе объекта «файл», система защиты Windows должна убедиться, что у этого процесса есть соответствующие полномочия. Дескриптор защиты в сочетании с требованием регистрации пользователя при входе в систему гарантирует, что ни один процесс не получит доступа к файлу без разрешения системного администратора или владельца файла.

Избыточность данных и отказоустойчивость Восстанавливаемость NTFS действительно гарантирует, что файловая система тома останется доступной, но не дает гарантии полного восстановления пользовательских файлов. Последнее возможно за счет поддержки избыточности данных. Избыточность данных для пользовательских файлов реализуется через многоуровневую модель драйверов Windows, которая поддерживает отказоустойчивые диски. При записи данных на диск NTFS взаимодействует с диспетчером томов, а тот — с драйвером жесткого диска. Диспетчер томов может зеркалировать, или дублировать, данные одного диска на другом и таким образом позволяет при необходимости использовать данные с избыточной копии. Поддержка таких функций обычно называется RAID уровня 1. Диспетчеры томов также могут записывать данные в чередующиеся области (stripes) на три и более дисков, используя один диск для хранения информации о четности. Если данные на одном диске потеряны или стали недоступными, драйвер может реконструировать содержимое диска.

Модуль 6

Вариант 1

1.Общая архитектура ОС UNIX

Рассмотрим два таких неотъемлемых для неё характеристических понятий, как стандартизация и многозадачность:

Стандартизация

Несмотря на многообразие версий UNIX, основой всего семейства являются принципиально одинаковая архитектура и ряд стандартных интерфейсов (в UNIX стандартизовано почти всё – от расположения системных папок и файлов, до интерфейса системных вызовов и списка драйверов базовых устройств). Опытный администратор без особого труда сможет обслуживать другую версию, тогда как для пользователей переход на другую систему и вовсе может оказаться незаметным. Для системных же программистов такого рода стандарты позволяют полностью сосредоточиться на программировании, не тратя время на изучение архитектуры и особенностей конкретной реализации системы.

Многозадачность

В системе UNIX может одновременно выполняться множество процессов (задач), причем их число логически не ограничивается, и множество частей одной программы может одновременно находиться в системе. Благодаря специальному механизму управления памятью, каждый процесс развивается в своем защищенном адресном пространстве, что гарантирует безопасность и независимость от других процессов. Различные системные операции позволяют процессам порождать новые процессы, завершают процессы, синхронизируют выполнение этапов процесса и управляют реакцией на наступление различных событий.

Существует два основных объекта операционной системы UNIX, с которыми приходиться работать пользователю – файлы и процессы. Эти объекты сильно связаны друг с другом, и в целом организация работы с ними как раз и определяет архитектуру операционной системы.

Все данные пользователя хранятся в файлах; доступ к периферийным устройствам осуществляется посредством чтения и записи специальных файлов; во время выполнения программы, операционная система считывает исполняемый код из файла в память и передает ему управление.

С другой стороны, вся функциональность операционная определяется выполнением соответствующих процессов. В частности, обращение к файлам на диске невозможно, если файловая подсистема операционной системы (совокупность процессов, осуществляющих доступ к файлам) не имеет необходимого для этого кода в памяти.

Самый общий взгляд на архитектуру UNIX позволяет увидеть двухуровневую модель системы, состоящую из пользовательской и системной части (ядра). Ядро непосредственно взаимодействует с аппаратной частью компьютера, изолируя прикладные программы (процессы в пользовательской части операционной системы) от особенностей ее архитектуры. Ядро имеет набор услуг, предоставляемых прикладным программам посредством системных вызовов. Таким образом, в системе можно выделить два уровня привилегий: уровень системы (привилегии специального пользователя root) и уровень пользователя(привилегии всех остальных пользователей).

Важной частью системных программ являются демоны. Демон – это процесс, выполняющий определенную функцию в системе, который запускается при старте системы и не связан ни с одним пользовательским терминалом. Демоны предоставляют пользователям определенные сервисы, примерами которых могут служить системный журнал, веб-сервер и т.п.. Аналогом демонов в операционной системе Windows NT и более поздних версиях являются системные службы.

2. Системные вызовы управления процессами

Системный вызов  — это обращение прикладной программы к ядру операционной системы для выполнения какой-либо операции.

Современные операционные системы (ОС) предусматривают разделение времени между выполняющимися вычислительными процессами (многозадачность) и разделение полномочий, препятствующее обращению исполняемых программ к данным других программ и оборудованию. Ядро ОС исполняется в привилегированном режиме работы процессора. Для выполнения межпроцессной операции или операции, требующей доступа к оборудованию, программа обращается к ядру, которое, в зависимости от полномочий вызывающего процесса, исполняет либо отказывает в исполнении такого вызова.

Системный вызов обычно выглядит как вызов подпрограммы или функции из системной библиотеки. Однако системный вызов, как частный случай вызова такой функции или подпрограммы, следует отличать от более общего обращения к системной библиотеке, поскольку последнее может и не требовать выполнения привилегированных операций.

Архитектура современных процессоров предусматривает использование защищённого режима с несколькими уровнями привилегий: приложения обычно ограничены своим адресным пространством таким образом, что они не могут получить доступ или модифицировать другие приложения, исполняемые в операционной системе, либо саму операционную систему, и обычно не могут напрямую получать доступ к системным ресурсам (жёсткие диски, видеокарта, сетевые устройства и т. д.).

Для взаимодействия с системными ресурсами приложения используют системные вызовы, которые дают возможность операционной системе обеспечить безопасный доступ к ним. Системные вызовы передают управление ядру операционной системы, которое определяет, предоставлять ли приложению запрашиваемые ресурсы. Если ресурсы доступны, то ядро выполняет запрошенное действие, затем возвращает управление приложению.

3. Особенности реализации потоков в Linux: реализация таблицы процессов и структуры пользователя.

Реализация потоков в операционной системе Linux уникальна. Для ядра Linux не существует отдельной концепции потоков. В ядре Linux потоки реализованы так же, как и обычные процессы. В ОС Linux нет никакой особенной семантики для планирования выполнения потоков или каких-либо особенных структур данных для представления потоков. Поток— это просто процесс, который использует некоторые ресурсы совместно с другими процессами. Каждый поток имеет структуру и представляется для ядра обычным процессом (который совместно использует ресурсы, такие как адресное пространство, с другими процессами).

В этом смысле Linux отличается от других операционных систем, таких как Microsoft Windows или Sun Solaris, которые имеют явные средства поддержки потоков в ядре (в этих системах иногда потоки называются процессами с быстрым переключением контекста, lightweight process). Название "процесс с быстрым переключением контекста" показывает разницу между философией Linux и других операционных систем. Для остальных операционных систем потоки— это абстракция, которая обеспечивает облегченные, более быстрые для исполнения сущности, чем обычные тяжелые процессы. Для операционной системы Linux потоки — это просто способ совместного использования ресурсов несколькими процессами (которые и так имеют достаточно малое время переключения контекста).

Допустим, у нас есть процесс, состоящий из четырех потоков. В операционных системах с явной поддержкой потоков должен существовать дескриптор процесса, который далее указывает на четыре потока. Дескриптор процесса описывает совместно используемые ресурсы, такие как адресное пространство и открытые файлы. Потоки описываются ресурсами, которые принадлежат только им. В ОС Linux, наоборот, существует просто четыре процесса и, соответственно, четыре обычные структуры

Таблица процессов

Системный планировщик использует таблицу процессов, описанную в заголовочном файле /usr/include/linux/sched.h

Внутри структуры struct task_struct находятся все сведения о состоянии процесса. Они достаточно хорошо прокомментированы. Основными являются следующие сведения:

• Идентификация процесса четко устанавливает его права, которые определяются исходя из эффективных или реальных номеров пользователя и номеров групп. Здесь также содержится идентификатор процесса (PID).

• Приоритет процесса определяет очерёдность его выполнения. Каждый процесс имеет в своем распоряжении определенное время для выполнения. Если это время превышено, он должен прервать работу, перейти в состояние неготовности и ждать, пока до него дойдет очередь в следующий раз. По приоритету процесса ядро может решить, какой процесс будет запущен следующим.

• Учетные сведения (accounting) - это информация о возможности получения доступа к определенной области памяти, которая еще не загружена. При этом аппаратура сообщает об отсутствии страницы, после чего ядро занимается загрузкой этой страницы в память.

• Контрольный терминал - каждый процесс, кроме процессов-демонов, нуждается в контрольном терминале, в который выводятся сообщения стандартного ввода / вывода и ошибки.

4. Механизм планирования процессов в ОС UNIX.

Основной проблемой организации многопользовательского (правильнее сказать, мультипрограммного) режима в любой операционной системе является организация планирования «параллельного» выполнения нескольких процессов. Операционная система должна обладать четкими критериями для определения того, какому готовому к выполнению процессу и когда предоставить ресурс процессора.

Наиболее распространенным алгоритмом планирования в системах разделения времени является кольцевой режим. Основной смысл алгоритма состоит в том, что время процессора делится на кванты фиксированного размера, а процессы, готовые к выполнению, выстраиваются в кольцевую очередь. У этой очереди имеются два указателя — начала и конца. Когда процесс, выполняющийся на процессоре, исчерпывает свой квант процессорного времени, он снимается с процессора, ставится в конец очереди, а ресурсы процессора отдаются процессу, находящемуся в начале очереди. Если выполняющийся на процессоре процесс откладывается (например, по причине обмена с некоторым внешним устройством) до того, как он исчерпает свой квант, то после повторной активизации он становится в конец очереди (не смог доработать — не вина системы). Это прекрасная схема разделения времени в случае, когда все процессы одновременно помещаются в оперативной памяти.

Однако операционная система UNIX всегда была рассчитана на то, чтобы обслуживать больше процессов, чем можно одновременно разместить в основной памяти. Другими словами, часть процессов, потенциально готовых выполняться, размещалась во внешней памяти (куда образ памяти процесса попадал в результате откачки). Для оптимизации работы в этом случае требуется несколько более гибкая схема планирования при разделении ресурсов процессора. В результате было введено понятие приоритета. В операционной системе UNIX на основании значения приоритета процесса определяется, во-первых, возможность процесса пребывать в основной памяти и на равных конкурировать за процессор. Во-вторых, от значения приоритета процесса зависит размер временного кванта, который предоставляется процессу для работы на процессоре при достижении своей очереди. В-третьих, значение приоритета влияет на место процесса в общей очереди процессов.

5. Адресное пространство процесса в ОС UNIX.

Адресное пространство ядра обычно совпадает с адресным пространством выполняющегося в данный момент процесса. В этом случае говорят, что ядро расположено в том же контексте, что и процесс. Каждый раз, когда процессу передаются вычислительные ресурсы, система восстанавливает контекст задачи этого процесса, включающий значения регистров общего назначения, сегментных регистров, а также указатели на таблицы страниц, отображающие виртуальную память процесса в режиме задачи. При этом системный контекст остается неизменным для всех процессов.

Специальный регистр (CR3 для Intel) указывает на расположение каталога таблиц страниц в памяти. В SCO UNIX используется только один каталог, независимо от выполняющегося процесса, таким образом значение регистра CR3 не меняется на протяжении жизни системы. Поскольку ядро (код и данные) является частью выполняющегося процесса, таблицы страниц, отображающие старший 1 Гбайт виртуальной памяти, принадлежащей ядру системы, не изменяются при переключении между процессами. Для отображения ядра используются старшие 256 элементов каталога.

При переключении между процессами, однако, изменяется адресное пространство режима задачи, что вызывает необходимость изменения оставшихся 768 элементов каталога. В совокупности они отображают 3 Гбайт виртуального адресного пространства процесса в режиме задачи. Таким образом, при смене процесса адресное пространство нового процесса становится видимым (отображаемым), в то время как адресное пространство предыдущего процесса является недоступным.

Формат виртуальной памяти процесса в режиме задачи зависит, в первую очередь, от типа исполняемого файла, образом которого является процесс. 

Для защиты виртуальной памяти процесса от модификации другими процессами прикладные задачи не могут менять заданное отображение. Поскольку ядро системы выполняется на привилегированном уровне, оно может управлять отображением как собственного адресного пространства, так и адресного пространства процесса.

6. Работа с сетью в ОС UNIX. Сокеты. Типы сокетов. Механизм установления сетевого соединения через сокеты.

Сокет - это конечная точка сетевых коммуникаций. Он является чем-то вроде "портала", через которое можно отправлять байты во внешний мир. Приложение просто пишет данные в сокет; их дальнейшая буферизация, отправка и транспортировка осуществляется используемым стеком протоколов и сетевой аппаратурой. Чтение данных из сокета происходит аналогичным образом.

В программе сокет идентифицируется дескриптором - это просто переменная типа int. Программа получает дескриптор от операционной системы при создании сокета, а затем передаёт его сервисам socket API для указания сокета, над которым необходимо выполнить то или иное действие.

Сокеты подразделяются на несколько типов в зависимости от типа коммуникационного соединения, который они используют. Два основных типа коммуникационных соединений и, соответственно, сокетов представляет собой

• соединение с использованием виртуального канала и

• датаграммное соединение.

Соединение с использованием виртуального канала – это последовательный поток байтов, гарантирующий надежную доставку сообщений с сохранением порядка их следования. Данные начинают передаваться только после того, как виртуальный канал установлен, и канал не разрывается, пока все данные не будут переданы. Примером соединения с установлением виртуального канала является механизм каналов в UNIX, аналогом такого соединения из реальной жизни также является телефонный разговор. Заметим, что границы сообщений при таком виде соединений не сохраняются, т.е. приложение, получающее данные, должно само определять, где заканчивается одно сообщение и начинается следующее. Такой тип соединения может также поддерживать передачу экстренных сообщений вне основного потока данных, если это возможно при использовании конкретного выбранного протокола.

Датаграммное соединение используется для передачи отдельных пакетов, содержащих порции данных – датаграммы. Для датаграмм не гарантируется доставка в том же порядке, в каком они были посланы. Вообще говоря, для них не гарантируется доставка вообще, надежность соединения в этом случае ниже, чем при установлении виртуального канала. Однако датаграммные соединения, как правило, более быстрые. Примером датаграммного соединения из реальной жизни может служить обычная почта: письма и посылки могут приходить адресату не в том порядке, в каком они были посланы, а некоторые из них могут и совсем пропадать.

Установка соединения (сервер)

Установка соединения на стороне сервера состоит из четырёх этапов, ни один из которых не может быть опущен. Сначала сокет создаётся и привязывается к локальному адресу. Если компьютер имеет несколько сетевых интерфейсов с различными IP-адресами, вы можете принимать соединения только с одного из них, передав его адрес функции bind. Если же вы готовы соединяться с клиентами через любой интерфейс, задайте в качестве адреса константу INADDR_ANY. Что касается номера порта, вы можете задать конкретный номер или 0 (в этом случае система сама выберет произвольный неиспользуемый в данный момент номер порта).

На следующем шаге создаётся очередь запросов на соединение. При этом сокет переводится в режим ожидания запросов со стороны клиентов.

Установка соединения (клиент)

На стороне клиента для установления соединения используется функция connect, которая имеет следующий прототип.

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);

Здесь sockfd - сокет, который будет использоваться для обмена данными с сервером, serv_addr содержит указатель на структуру с адресом сервера, а addrlen - длину этой структуры. Обычно сокет не требуется предварительно привязывать к локальному адресу, так как функция connect сделает это за вас, подобрав подходящий свободный порт. Вы можете принудительно назначить клиентскому сокету некоторый номер порта, используя bind перед вызовом connect. Делать это следует в случае, когда сервер соединяется с только с клиентами, использующими определённый порт (примерами таких серверов являются rlogind и rshd).

7. Реализация традиционной файловой системы ОС UNIX. Расположение на диске.

Традиционная файловая система s5

Типы файлов

Файловая система UNIX s5 поддерживает логическую организацию файла в виде последовательности байтов. По функциональному назначению различаются обычные файлы, каталоги и специальные файлы.

Обычные файлы содержат ту информацию, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ, то есть ОС не накладывает никаких ограничений на структуру и характер информации, хранимой в обычных файлах.

Каталог - файл, содержащий служебную информацию файловой системы о группе файлов, входящих в данный каталог. В каталог могут входить обычные, специальные файлы и каталоги более низкого уровня.

Специальный файл - фиктивный файл, ассоциируемый с каким-либо устройством ввода-вывода, используется для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам.

Структура файловой системы

Файловая система s5 имеет иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет каталогов, содержащих информацию о файлах более низкого уровня. Каталог самого верхнего уровня называется корневым и имеет имя root. Иерархическая структура удобна для многопользовательской работы: каждый пользователь локализуется в своем каталоге или поддереве каталогов, и вместе с тем все файлы в системе логически связаны. Корневой каталог файловой системы всегда располагается на системном устройстве (диск, имеющий такой признак). Однако это не означает, что и все остальные файлы могут содержаться только на нем. Для связи иерархий файлов, расположенных на разных носителях, применяется монтирование файловой системы, выполняемое системным вызовом mount.

Физическая организация файла

В общем случае файл может располагаться в несмежных блоках дисковой памяти. Логическая последовательность блоков в файле задается набором из 13 элементов. Первые 10 элементов предназначаются для непосредственного указания номеров первых 10 блоков файла. Если размер файла превышает 10 блоков, то в 11 элементе указывается номер блока, в котором содержится список следующих 128 блоков файла. Если файл имеет размер более, чем 10+128 блоков, то используется 12-й элемент, содержащий номер блока, в котором указываются номера 128 блоков, каждый из которых может содержать еще по 128 номеров блоков файла. Таким образом, 12-й элемент используется для двухуровневой косвенной адресации. В случае, если файл больше, чем 10+128+1282 блоков, то используется 13 элемент для трехуровневой косвенной адресации. При таком способе адресации предельный размер файла составляет 2 113 674 блока. Традиционная файловая система s5 поддерживает размеры блоков 512, 1024 или 2048 байт.

Структуры индексных дескрипторов и каталогов

Вся необходимая операционной системе информация о файле, кроме его символьного имени, хранится в специальной системной таблице, называемой индексным дескриптором (inode) файла. Индексные дескрипторы всех файлов имеют одинаковый размер - 64 байта и содержат данные о типе файла, о физическом расположении файла на диске (описанные выше 13 элементов), размере в байтах, о дате создания, последней модификации и последнего обращения к файлу, о привилегиях доступа и некоторую другую информацию. Индексные дескрипторы пронумерованы и хранятся в специальной области файловой системы. Номер индексного дескриптора является уникальным именем файла. Соответствие между полными символьными именами файлов и их уникальными именами устанавливается с помощью иерархии каталогов.

Каталог представляет собой совокупность записей обо всех файлах и каталогах, входящих в него. Каждая запись состоит из 16 байтов, 14 байтов отводится под короткое символьное имя файла или каталога, а 2 байта - под номер индексного дескриптора этого файла. В каталоге файловой системы s5 непосредственно не указываются характеристики файлов. Все дисковое пространство, отведенное под файловую систему, делится на четыре области:

• загрузочный блок (boot), в котором хранится загрузчик операционной системы;

• суперблок (superblock) - содержит самую общую информацию о файловой системе: размер файловой системы, размер области индексных дескрипторов, число индексных дескрипторов, список свободных блоков и список свободных индексных дескрипторов, а также другую административную информацию;

• область индексных дескрипторов, порядок расположения индексных дескрипторов в которой соответствует их номерам;

• область данных, в которой расположены как обычные файлы, так и файлы-каталоги. Специальные файлы представлены в файловой системе только записями в соответствующих каталогах и индексными дескрипторами специального формата, но места в области данных не занимают.

8. Основной механизм безопасности в ОС UNIX.

В операционной системе UNIX используется достаточно постая модель доступа, основанная на субъект-субъектной модели и статической авторизации. В современных версиях UNIX помимо общей схемы можно также использовать списки доступа.

Пользователи и группы

В UNIX роль номинального субъекта безопасности играет пользователь. Каждому пользователю выдается (обычно — одно) входное имя (login). Каждому входному имени соответствует единственное число, идентификатор пользователя (User IDentifier, UID). Это число и есть ярлык субъекта (номинальный субъект), которым система пользуется для определения прав доступа.

Каждый пользователь входит в одну или более групп. Группа — это список пользователей системы, имеющий собственный идентификатор (Group IDentifier, GID). Поскольку группа объединяет нескольких пользователей системы, в терминах политики безопасности она соответствует понятию множественный субъект. Значит, GID — это ярлык множественного субъекта, каковых у номинального субъекта может быть более одного. Таким образом, одному UID соответствует список GID.

Роль действительного (работающего с объектами) субъекта играет процесс. Каждый процесс снабжен единственным UID: это идентификатор запустившего процесс номинального субъекта, т. е. пользователя. Процесс, порожденный некоторым процессом пользователя, наследует его UID^[1]. Таким образом, все процессы, запускаемые по желанию пользователя, будут иметь его идентификатор. UID учитываются, например, когда один процесс посылает другому сигнал. В общем случае разрешается посылать сигналы «своим» процессам (тем, что имеют такой же UID).

Права доступа

Роль основного объекта доступа в UNIX играют объекты файловой системы. В архитектуре UNIX в файловой системе представлены не только обычные файлы с данными, там присуствуют и специальные файлы для устройств, каналов, сокетов и т. д. Благодаря этому регулирование доступа к файлам позволяет покрыть очень широкий спектр ситуаций доступа и служит основным средством организации политики доступа в UNIX.

В соответствии с субъект-субъектной моделью каждый файл снабжен ярлыком, в котором хранятся идентификаторы номинальных субъектов, которые вправе распоряжаться доступом к данному файлу. В случае UNIX это идентификатор пользователя-владельца (UID) и идентификатор группы-владельца (GID). Обратите внимание, что файл может принадлежать только одной группе, в то время как пользователь может входить в несколько групп.

На уровне файловой системы в UNIX определяется три вида доступа: чтение (read, r), запись (write, w) и использование (execution, x). Право на чтение из файла дает доступ к содержащейся в нем информации, а право записи — возможность ее изменять. Право использования трактуется по-разному в зависимости от типа файла. В случае обычного файла оно означает возможность исполнения файла, т. е. запуска программы или командного сценария, содержащейся в этом файле. Для каталога использование — это возможность доступа к файлам этого каталога (точнее говоря, к атрибутам этих файлов — имени, правам доступа и т. п.).

Ограничения базовой модели доступа и её расширения

Простота системы прав доступа UNIX приводит к некоторым ограничениям. К примеру, стандартными средствами UNIX невозможно создать такое положение вещей, когда одна группа пользователей могла бы только читать из файла, другая — только запускать его, а всем остальным файл вообще не был бы доступен. Другое дело, что такое положение вещей встречается нечасто.

Со временем в различных версиях UNIX стали появляться расширения прав доступа, позволяющие устанавливать права на отдельные объекты системы. Поначалу это были так называемые флаги — дополнительные атрибуты файла, не позволяющие, например, переименовывать его или удалять из него информацию при записи (можно только дописывать). Флаги не устраняют главного недостатка, зато их легко организовать без изменения файловой системы: каждый флаг занимает ровно один бит.

Суперпользователь

Пользователь root (он же суперпользователь) имеет нулевые UID и GID и играет роль доверенного субъекта UNIX. Это значит, что он не подчиняется законам, которые управляют правами доступа, и может по своему усмотрению эти права изменять. Большая часть общезначимых (не принадлежащих конкретным пользователям) компонентов системы доступны для модификации только суперпользователю.