Литература • Конспект • Стальнов А. Ф. , Исай А. Н. , Федоров И. А. , Баранова Ж. М. , Дудич И. Ю. Операционные системы. Учебное пособие. Смоленск. Изд-во ВА войсковой ПВО ВС РФ. 2012. • Иртегов Д. В. Введение в операционные системы. – СПб. : БХВ-Петербург, 2007. 1
Вопрос № 1 Назначение и основные функции операционных систем 2
ГОСТ 19. 781 -83 Операционная система – система программ, предназначенная для обеспечения определенного уровня эффективности вычислительной системы за счет автоматизированного управления ее работой и предоставляемых пользователям определенного рода услуг 3
Операционная система – это упорядоченная последовательность системных управляющих программ совместно с необходимыми информационными массивами, предназначенная для планирования исполнения пользовательских программ и управления всеми ресурсами вычислительной машины (программами, данными, аппаратурой, оператором и другими распределяемыми и управляемыми объектами) с целью предоставления возможности пользователям эффективно (в некотором смысле) решать задачи, сформулированные в терминах вычислительной системы 4
Основные функции ОС 1. Загрузка пользовательских программ в оперативную память и их исполнение 2. Управление памятью 3. Обеспечение работы с устройствами долговременной памяти 4. Предоставление более или менее стандартизованного доступа к различным периферийным устройствам, таким как терминалы, модемы, печатающие устройства или двигатели, поворачивающие антенны РЛС 5. Предоставление некоторого пользовательского интерфейса 5
Дополнительные функции ОС 6. Параллельное (или псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач 7. Организация взаимодействия задач друг с другом 8. Организация межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов 9. Защита системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ 10. Аутентификация, авторизация и другие средства обеспечения безопасности 6
Вопрос № 2 Классификация операционных систем 7
Способы классификации ОС 1. По количеству пользователей 2. По числу процессов 3. По типу доступа пользователя к ЭВМ 4. По типу средств вычислительной техники 5. По поддерживаемым режимам работы ЭВМ 6. По функциональным возможностям 8
По количеству пользователей l Однопользовательские l Многопользовательские 9
По числу процессов l Однозадачные l Многозадачные 10
По типу доступа пользователя к ЭВМ l Системы с пакетной обработкой l Системы разделения времени l Системы реального времени 11
По типу средств вычислительной техники l Однопроцессорные l Многопроцессорные l Сетевые l Распределенные 12
Режимы работы ЭВМ 1. Однопрограммный 2. Однопользовательский многопрограммный (многопрограммный) 3. Мнопользовательский многопрограммный (многопрограммный) 4. Система виртуальных машин 13
Классификация ОС по поддерживаемым режимам работы ЭВМ 1. Однопользовательские однозадачные (однозадачные) 2. Однопользовательские многозадачные (многозадачные) 3. Многопользовательские многозадачные (многопользовательские) 4. Монитор виртуальных машин 14
Вопрос № 3 Основные принципы построения операционных систем 15
1. Принцип модульности 2. Принцип функциональной избирательности 3. Принцип генерируемости 4. Принцип функциональной избыточности 5. Принцип виртуализации 6. Принцип независимости программ от внешних устройств 7. Принцип совместимости 8. Принцип открытой и наращиваемой ОС 9. Принцип мобильности (переносимости) 10. Принцип обеспечения безопасности вычислений 16
Вопрос № 4 Характеристика ресурсов операционной системы и способов их использования 17
18
Требования к организации использования ресурсов 1. Повышение эффективности использования ресурсов 2. Повышение качества обслуживания пользователей 19
Способы использования ресурсов Монопольный Совместный Попеременный Виртуальный Параллельный 20
Вопрос № 5 Понятие и задачи управления ресурсами 21
Функции диспетчеров ресурсов 1. Отслеживание состояния ресурса 2. Определение получателя ресурса 3. Выделение ресурса 4. Освобождение ресурса 22
FIFO (First In – First Out ) 23
LIFO (Last In – First Out ) 24
Круговой циклический алгоритм 25
26 26
27
Вопрос № 6 Понятие процесса и потока. Диаграмма состояний процесса 28
ГОСТ 19. 781 -83 Процесс – это система действий, реализующая определенную функцию в вычислительной системе и оформленная так, что управляющая программа вычислительной системы может перераспределять ресурсы этой системы в целях обеспечения мультипрограммирования. 31
Состояния процесса 1. Активное • выполнения • готовности к выполнению • блокирования или ожидания 2. Пассивное 32
33
Вопрос № 7 Назначение и типы прерываний 32
Существует три типа операционных системах: прерываний в • Внешние (асинхронные); • Внутренние (синхронные); • Программные. 33
Внешние прерывания • Прерывания от таймера • Прерывания от внешних устройств (прерывания по вводу/выводу) • Прерывания по нарушению питания • Прерывания с пульта оператора вычислительной системы • Прерывания от другого процессора или другой вычислительной системы 34
• Деление на нуль • Ошибки защиты памяти • Обращения по несуществующему адресу • Попытка выполнить привилегированную инструкцию в пользовательском режиме 35
Вопрос № 8 Механизм прерываний 36
Элементы механизма обработки прерываний 1. Установление факта прерывания и идентификация прерывания 2. Запоминание состояния прерванного процесса 3. Аппаратная передача управления подпрограмме обработки прерывания 4. Сохранение информации о прерванной программе 5. Обработка прерывания 6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу 7. Возврат в прерванную программу 37
38
Функции механизма прерываний 1. Распознавание или классификация прерываний 2. Передача управления соответственно обработчику прерываний 3. Корректное возвращение к прерванной программе 39
40
Дисциплины обслуживания прерываний • с относительными приоритетами • с абсолютными приоритетами • по принципу стека 41
Элементы механизма обработки прерываний 1. Установление факта прерывания и идентификация прерывания 2. Запоминание состояния прерванного процесса 3. Аппаратная передача управления подпрограмме обработки прерывания 4. Сохранение информации о прерванной программе 5. Обработка прерывания 6. Восстановление информации, относящейся к прерванному процессу 7. Возврат в прерванную программу 42
43
44
Вопрос № 9 Диспетчеризация процессов и задач. Стратегии планирования процессов 45
Диспетчеризацией называются динамического планирования. задачи Стратегия планирования определяет какие процессы должны выполниться для достижения поставленной цели. Различают два класса дисциплин обслуживания – бесприоритетные и приоритетные. 48
49
Дисциплина FCFS (First Come - First Served) 50
SJN (Shortest Job Next) SRT (Shortest Remaining Time ) 51
Дисциплина RR (Round Robin) 52
Вопрос № 10 Задачи управления памятью 51
Особенности памяти как ресурса 1. Допускает параллельное использование различными заданиями 2. Включает два уровня: оперативную и внешнюю память 3. Любое задание требует для своего выполнения определенного объема оперативной памяти 4. От организации использования памяти зависит производительность ЭВМ 52
Задачи управления оперативной памятью 1. Учет наличия свободного пространства памяти 2. Распределение памяти 3. Выделение памяти 4. Освобождение памяти 53
Вопрос № 11 Способы распределения памяти 54
Память и отображения, виртуальное адресное пространство Логическое (символьное) имя Пространство имен программы Виртуальное адресное пространство Система программирования Виртуальный адрес Операционная система Физическая память компьютера Ячейка оперативной памяти (физический адрес) 55
VV < V P VV = V P VV > V P 56
Простое непрерывное распределение и распределение с перекрытием (оверлейные структуры) 57
Способы выделения памяти под новый раздел • первый подходящий участок • самый неподходящий участок 58
Вопрос № 12 Механизмы реализации виртуальной памяти 59
Сегментный способ организации виртуальной памяти 62
63
Дисциплины замещения • FIFO (first in – first out) • LRU (least recently used) • LFU (least frequently used) • random 64
65
Для сегментного метода организации виртуальной памяти программу необходимо разбивать на части и уже каждой такой части выделять физическую память. Естественным способом разбиения программы на части является разбиение ее на логические элементы – так называемые сегменты. Каждый сегмент размещается в памяти как до определенной степени самостоятельная единица. Логически обращение к элементам программы в этом случае будет представ ляться как указание имени сегмента и смещения относительно начала этого сег мента. Физически имя (или порядковый номер) сегмента будет соответствовать некоторому адресу, с которого этот сегмент начинается при его размещении в па мяти, и смещение должно прибавляться к этому базовому адресу. 66
Страничный способ организации виртуальной памяти 67
paging file swap-файл 68
(Рр, i) (Рv, i) 69
70
При страничном способе организации виртуальной памяти все фрагменты программы, на которые она разбивается (за исключением последней ее части), получаются одинаковыми. Одинаковыми полагаются и единицы памяти, которые мы предоставляем для размещения фрагментов программы. Эти одинаковые части называют страницами и говорят, что память разбивается на физические страницы, а программа – на виртуальные страницы. Часть виртуальных страниц задачи размещается в опе ративной памяти, а часть – во внешней. Обычно место во внешней памяти, в ка честве которой в абсолютном большинстве случаев выступают накопители на магнитных дисках (поскольку они относятся к быстродействующим устройст вам с прямым доступом), называют файлом подкачки или страничным файлом (paging file). 71
Сегментно-страничный способ организации виртуальной памяти 72
73
При сегментно страничном способе организации виртуальной памяти программа разбивается на логически законченные части – сегменты – и виртуальный адрес содержит ука зание на номер соответствующего сегмента. Вторая составляющая виртуально го адреса – смещение относительно начала сегмента – в свою очередь, может состоять из двух полей: виртуальной страницы и индекса. Другими словами, по лучается, что виртуальный адрес теперь состоит из трех компонентов: сегмент, страница, индекс. 74
Выводы Естественным способом разбиения программы на части является разбиение ее на логические элементы – так называемые сегменты. Для решения проблемы замещения (определения того сегмента, который должен быть либо перемещен во внешнюю память, либо просто замещен новым) используются дисциплины, называемые “дисциплинами замещения”. Следующим способом разрывного размещения задач в памяти стал способ, при котором все фрагменты задачи одинакового размера и длины, кратной степени двойки, чтобы операции сложения можно было заменить операциями конкатенации (слияния). Это – страничный способ организации виртуальной памяти. Существенным недостатком страничной адресации является то, что программы разбиваются на страницы случайно, без учета логических взаимосвязей, имеющихся в коде. Для того чтобы избежать этого недостатка, постаравшись сохранить достоин ства страничного способа распределения памяти, был предложен еще один спо соб – сегментно страничный. Правда, за счет дальнейшего увеличения наклад ных расходов на его реализацию. 75
Вопрос № 13 Понятие и функции файловой системы 74
Файловая система • совокупность всех файлов на диске • наборы структур данных, используемых для управления файлами • комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами 77
Функции файловой системы • Создание, удаление, переименование файлов • Обеспечение программного интерфейса для приложений • Отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных • Работа с не дисковыми периферийными устройствами как с файлами • Обмен данными между файлами, между устройствами, между файлом и устройством • Защита файлов от несанкционированного доступа • Обеспечение устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств 78
Вопрос № 14 Логическая организация файловой системы 79
Типы файлов • обычные файлы • каталоги • специальные файлы • именованные конвейеры • отображаемые в память файлы • и др. 80
Иерархическая структура файловой системы 81
Иерархическая структура файловой системы 82
Data Учебные материалы win. com Proba. txt _setup. dll OS_0_01_Lek. doc Иерархия систем. vsd файловых 83
/1 курс/main. ехе /2 курс/321/main. e xe 84
321/main. exe 85
86
87
• Атрибуты файлов • тип файла • владелец файла • создатель файла • пароль для доступа к файлу • информация о разрешенных операциях доступа к файлу • время создания, последнего доступа и последнего изменения • текущий размер файла • максимальный размер файла 88
• Атрибуты файлов • признак "скрытый файл" • признак "системный файл" • признак "архивный файл" • признак "двоичный/символьный" • признак "временный" • признак блокировки • длина записи в файле • указатель на ключевое поле в записи • длина ключа 89
• Структура каталога 90
• Способы логической организации файлов 91
• Способы логической организации файлов 92
• Способы логической организации файлов 93
Выводы 1. Основной целью управления данными является организация их хранения, обеспечение правильного доступа к ним и выдача информации о данных. С целью распределения функций между системными программами пользователей в ОС выделяют два уровня управления данными: физический и логический. Базовым элементом этой модели является файл. Для организации и управления файлами создаются соответствующие файловые системы, предоставляющие возможность иметь дело с логическим уровнем структуры данных и операций, выполняемых над ними в процессе их обработки. 2. Файловая система играет роль промежуточного слоя, экранирую щего все сложности физической организации долговременного хранилища данных, и создающего для программ более простую логическую модель этого хранилища, а также предоставляя им набор удобных в использовании 94 команд для манипули рования файлами.
Вопрос № 15 Файловые системы современных ОС 95
• Непрерывное размещение 96
• Размещение в виде связанного списка кластеров 97
• Использование связанного списка индексов 98
• Простое перечисление номеров кластеров 99
• Файловая система FAT - file allocation table 100
• Структура логического диска FAT • • BR - boot record Res. Secs - reserved sector FAT - file allocation table RDir - root directory 101
• Основная концепция FAT 102
• Структура тома NTFS 103
Выводы 1. Файловая система играет роль промежуточного слоя, экранирую щего все сложности физической организации долговременного хранилища данных, и создающего для программ более простую логическую модель этого хранилища, а также предоставляя им набор удобных в использовании команд для манипули рования файлами. 2. Принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на реальном устройстве описываются физической орга низацией файловой системы. 3. Основ ными критериями эффективности физической организации файлов являются: – скорость доступа к данным; – объем адресной информации файла; – степень фрагментированности дискового пространства; – максимально возможный размер файла. 104
Вопрос № 16 Защита данных 105
Д П i НД П i = 104
Фij P = (P 1, P 2, …, PK) 105
106
107
108
Read Write e. Xecute Delete Change Permissions Take Ownership 109
Вопрос № 17 Защита памяти 110
Защита по граничным адресам 111
Защита по ключам 112
113
Вопрос № 18 Основные понятия безопасности операционных систем 114
Конфиденциальность, целостность и доступность данных Конфиденциальность (confidentiality) Доступность (availability) Целостность (integrity) Угроза Атака Риск 115
Классификация угроз 1. Неумышленные угрозы - ошибочные действия лояльных сотрудников - ненадежная работа программных и аппаратных средств системы 2. Умышленные угрозы - незаконное проникновение в один из компьютеров сети под видом легального пользователя - разрушение системы с помощью программ-вирусов - нелегальные действия легального пользователя - "подслушивание" внутрисетевого трафика 118
Принципы формирования политики безопасности 1. Предоставление каждому сотруднику минимального уровня привилегий 2. Комплексный подход к обеспечению безопасности Баланс надёжности защиты всех уровней Использование средств, которые при отказе переходят в состояние максимальной защиты Принцип единого контрольно-пропускного пункта Принцип баланса возможного ущерба от реализации угрозы и затрат на его предотвращение 3. 4. 5. 6. 119
Вопрос № 19 Базовые технологии безопасности операционных систем 120
Базовые технологии безопасности Аутентификация Авторизация Аудит Технология защищённого канала 121
122
DES – Data Encryption Standard 123
124
125
126
127
128
129
Вопрос № 20 Учетные записи и группы в ОС Windows 130
l l Для входа в систему Windows XP нужно иметь заранее созданную учетную запись. Если рабочая станция включена в рабочую группу, а не в домен, эта учетная запись должна храниться на этой станции. Чтобы войти в домен, необходима учетная запись в этом домене (или в доверенном домене). Учетная запись содержит не только имя и другие данные, идентифицирующие пользователя, но и определяет, каким образом пользователь регистрируется, когда он может входить в систему, какие ресурсы ему доступны и каков его уровень доступа к этим ресурсам. Другими словами, учетная запись определяет все аспекты доступа к компьютеру и в сеть. Кроме того, каждая учетная запись содержит пароль, обеспечивающий ее безопасное использование. 131
Права пользователя определяются не только учетной записью, но и членством в группах. Группа – это совокупность пользователей, выполняющих сходную работу и имеющих примерно одинаковые потребности в ресурсах. Windows XP поддерживает два типа групп. – Глобальные группы. Глобальная группа может содержать учетные записи пользователей только того домена, где она создана. Права доступа к ресурсам других доменов глобальные группы получают в рамках доверительных отношений между доменами. – Локальные группы. Локальная группа может иметь в своем составе как индивидуальных пользователей, так и глобальные группы. Это позволяет объединять в одной локальной группе пользователей из различных доменов и управлять ими коллективно. Права локальной группы распространяются только на тот домен, где она создана. 132
Встроенные группы Группа Тип В группу автоматически включаются Администраторы домена Администраторы (Administrators) Локальная Операторы архива (Backup Operators) Опытные пользователи (Power Users) Пользователи (Users) Гости (Guests) Репликаторы (Replicator) Локальная Никто Локальная Пользователи домена Гости домена, гости Никто 133