Операционные системы

2. Цели Mach

ОС Mach значительно  изменилась со времени ее первой реализации в виде RIG. Цели проекта также изменились со временем. На текущий момент основные цели выглядят так:

1. Обеспечение базовых функций для создания других операционных систем (например, UNIX).
2. Поддержка больших разреженных адресных пространств.
3. Обеспечение прозрачного доступа к сетевым ресурсам.
4. Поддержка параллелизма как в системе, так и в приложениях.
5. Обеспечение переносимости Mach на различные типы компьютеров.

3. Основные  концепции Mach

      Микроядро Mach было разработано в качестве основы, на базе которой можно эмулировать UNIX и другие ОС. Эта эмуляция осуществляется программным уровнем, который работает вне ядра, в пользовательском пространстве (рис. 6.1). Следует отметить, что несколько эмуляторов могут работать одновременно, так что можно выполнять программы 4.3BSD, System V и MS-DOS на одной машине в одно и то же время.

      Ядро Mach, подобно другим микроядрам, обеспечивает управление процессами, управление памятью, коммуникации и функции ввода-вывода. Функции управления файлами, каталогами и другие традиционные для операционных систем функции выполняются в пользовательском пространстве. Идея построения ядра Mach состоит в обеспечении механизмов, необходимых для работы системы, но стратегия использования этих механизмов реализуется на уровне пользовательских процессов.

Ядро управляет  пятью главными абстракциями:

1. Процессы
2. Нити
3. Объекты памяти
4. Порты
5. Сообщения

Рис. 6.1. Абстрактная модель эмуляции UNIX на основе Mach

Кроме этого, ядро работает и с некоторыми другими  абстракциями, или связанными с указанными, или менее важными.

      Процесс - это, в основном, среда, в которой происходит выполнение. Он имеет адресное пространство, содержащее текст программы и данные, и обычно один или более стеков. Процесс - это базисная единица для распределения ресурсов. Например, коммуникационный канал всегда принадлежит одному процессу.

Нить в Mach является единицей выполнения. Она имеет счетчик команд и набор регистров, связанных с ней. Каждая нить является частью точно одного процесса. Процесс, состоящий из одной нити, подобен традиционному (например, как в UNIX) процессу.

      Концепцией, уникальной для Mach, является введение понятия объект памяти (memory object), представляющий собой структуру данных, которая может быть отображена в адресное пространство процесса. Объекты памяти занимают одну или несколько страниц и образуют основу для системы управления виртуальной памятью Mach. Когда процесс ссылается на объект памяти, который не представлен в физической памяти, это вызывает страничное прерывание. Как и в других ОС, ядро перехватывает страничное прерывание. Однако в отличие от других систем, ядро Mach для загрузки отсутствующей страницы посылает сообщение серверу пользовательского режима, а не самостоятельно выполняет эту операцию.

      Межпроцессное взаимодействие в Mach основано на передаче сообщений. Для того, чтобы получить сообщение, пользовательский процесс просит ядро создать защищенный почтовый ящик, который называется порт. Порт хранится внутри ядра и способен поддерживать очередь упорядоченного списка сообщений. Очереди не имеют фиксированной длины, но в целях управления потоком для каждого порта отдельно устанавливается пороговое значение в n сообщений, так что всякий процесс, пытающийся послать еще одно сообщение в очередь длины n, приостанавливается для того, чтобы дать порту возможность очиститься.

      Процесс может предоставить другому процессу возможность посылать (или получать) сообщения в один из принадлежащих ему портов. Такая возможность реализуется в виде мандата (capability), который включает не только указатель на порт, но и список прав, которыми другой процесс обладает по отношению к данному порту (например, право выполнить операцию ПОСЛАТЬ - SEND). Все коммуникации в Mach используют этот механизм.

4. Сервер Mach BSD UNIX

      Как уже было сказано выше, разработчики системы Mach модифицировали Berkeley UNIX для работы в пользовательском пространстве в форме прикладной программы. Такая структура имеет несколько преимуществ по сравнению с монолитным ядром. Во-первых, система упрощается за счет разделения на часть, которая выполняет управление ресурсами (ядро), и часть, которая обрабатывает системные вызовы (UNIX-сервер), и ею становится легче управлять. Такое разделение напоминает разделение труда в операционной системе VM/370 мейнфреймов IBM, где ядро эмулирует набор "голых" 370-х машин, на каждой из которых реализована однопользовательская операционная система.

Во-вторых, за счет помещения UNIX'а в пользовательское пространство его можно сделать  в высокой степени машинно-независимым. Все машинно-зависимые части могут  быть удалены из UNIX'а и скрыты внутри ядра Mach.

      В-третьих, как уже было упомянуто выше, несколько  ОС могут работать одновременно. Например, на процессоре Intel 386 Mach может выполнять  программу UNIX и программу MS-DOS одновременно. Аналогично возможно одновременное  тестирование новой экспериментальной ОС и работа с основной ОС.

      В-четвертых, в систему могут быть введены  операции реального времени, потому что все традиционные препятствия  для работы в реальном времени, такие  как, например, запрет прерываний на время  обновления критических таблиц, могут быть либо исключены, либо перенесены в пользовательское пространство. Ядро может быть тщательно структурировано, для того чтобы не препятствовать работе приложений реального времени. Наконец, такое построение системы может быть использовано для обеспечения лучшей защиты между процессами, если она нужна. Если каждый процесс работает со своей версией UNIX'а, то для одного процесса очень трудно что-либо разузнать о файлах другого процесса.  
 

3. Сетевые продукты фирмы Novell

1. История и версии сетевой  ОС NetWare

      Novell - это крупнейшая фирма, которой  принадлежит, согласно различным  источникам, от 65% до 75% рынка сетевых  операционных систем для локальных  вычислительных сетей. Наибольшую  известность фирма Novell приобрела  благодаря своим сетевым операционным системам семейства NetWare. Эти системы реализованы как системы с выделенными серверами.

Основные усилия Novell были затрачены на создание высокоэффективной  серверной части сетевой ОС, которая  за счет специализации на выполнении функций файл-сервера обеспечивала бы максимально возможную для данного класса компьютеров скорость удаленного доступа к файлам и повышенную безопасность данных. Для серверной части своих ОС Novell разработала специализированную операционную систему, оптимизированную на файловые операции и использующую все возможности, предоставляемые процессорами Intel x386 и выше. За высокую производительность пользователи сетей Novell NetWare расплачиваются стоимостью - выделенный файл-сервер не может использоваться в качестве рабочей станции, а его специализированная ОС имеет весьма специфический API, что требует от разработчиков дополнительных серверных модулей особых знаний, специального опыта и значительных усилий.

      Для рабочих станций Novell выпускает две  собственные ОС со встроенными сетевыми функциями: Novell DOS 7 с входящей в нее сетевой одноранговой компонентой Personal Ware, а также ОС UnixWare, являющейся реализацией UNIX System V Release 4.2 со встроенными возможности работы в сетях NetWare. (Осенью этого года права на систему UnixWare проданы компании Santa Cruz Operations.) Для популярных ОС персональных компьютеров других производителей Novell выпускает сетевые оболочки с клиентскими функциями по отношению к серверу NetWare.

      Первоначально операционная система NetWare была разработана фирмой Novell для сети Novell S-Net, имеющей звездообразную топологию и патентованный сервер с микропроцессором Motorola MC68000. Когда фирма IBM выпустила персональные компьютеры типа PC XT, Novell решила, что NetWare может быть легко перенесена в архитектуру микропроцессоров семейства Intel 8088, и тогда она сможет поддерживать практически все имеющиеся на рынке сети персональных компьютеров.

Первая  версия NetWare была выпущена фирмой Novell в начале 1983 года.

В 1985 году появилась  система Advanced NetWare v1.0, которая расширяла функциональные возможности операционной системы сервера.

Версия 1.2 системы Advanced NetWare, выпущенная также в 1985 году, стала первой операционной системой для процессора Intel 80286, работающей в защищенном режиме.

Версия 2.0 системы Advanced NetWare, выпущенная в 1986 году, отличалась от предыдущих версий более высокой производительностью и возможностью объединения разнородных на канальном уровне сетей. Полностью используя возможности защищенного режима процессора 80286, Advanced NetWare обеспечила такую производительность сети, которая была недоступна операционным системам, работающим в реальном режиме и ограниченным 640 Кбайтами памяти. Версия 2.0 впервые обеспечила возможность подключения к одному серверу до четырех сетей с различной топологией, таких как Ethernet, ArcNet и Token Ring.

      В 1987 году Novell выпустила систему SFT NetWare, в которой были предусмотрены специальные средства обеспечения надежности системы и расширены возможности управления сетью. Такие средства, как учет используемых ресурсов и защита от несанкционированного доступа, позволили администраторам сети определять, когда и как пользователи осуществляют доступ к информации и ресурсам сети. Разработчики впервые получили возможность создавать многопользовательские прикладные программы, которые могут выполняться на сервере в качестве дополнительных процессов сетевой операционной системы и использовать ее функциональные возможности.

      Операционная  система NetWare v2.15 появилась на рынке в декабре 1988 года, добавив в NetWare средства поддержки компьютеров семейства Macintosh. У пользователей Macintosh появилась возможность подключать свои компьютеры в качестве клиентов серверов NetWare, получая доступ к ресурсам сети и осуществляя прозрачный поиск и хранение информации на сервере. При этом на пользователей Macintosh распространяются все основные свойства NetWare, включая устойчивость к сбоям и защиту от несанкционированного доступа.

      В сентябре 1989 года Novell выпустила свою первую версию 32-разрядной операционной системы для серверов с микропроцессором 80386, которая получила название NetWare 386 v3.0. Она обладала значительно более высокой производительностью по сравнению с предыдущими версиями, усовершенствованной системой защиты от несанкционированного доступа, гибкостью в применении, а также поддержкой различных сетевых протоколов. Она отвечала самым передовым требованиям к среде функционирования распределенных прикладных программ.

      В июне 1990 года появилась версия NetWare 386 v.3.1, в которой были усовершенствованы средства обеспечения надежности и управления сетью, повышена производительность, улучшены инструментальные средства для независимых разработчиков.

      В 1991 году фирмой Novell операционные системы  для процессоров 80286 (SFT, Advanced и ELS NetWare) были заменены на более мощную и удобную систему NetWare v2.2, функционально превосходящую предыдущие версии 2.1x.

Одновременно  была выпущена система NetWare v3.11, существенно расширившая возможности NetWare 386. NetWare v3.11 стала первой сетевой операционной системой, обеспечивающей доступ к сетевым ресурсам с рабочих станций DOS, Windows, OS/2, UNIX и Macintosh.

      В 1993 году после длительных испытаний  начались поставки системы NetWare SFT III v3.11. NetWare System Fault Tolerance Level III (SFT III) v3.11 - сетевая операционная система, разработанная специально для использования в системах, требующих наивысшего уровня надежности. В дополнение к средствам повышения надежности, имеющимся в составе NetWare v3.11, SFT III обеспечивает работу двух серверов в "зеркальном" режиме. При этом один из серверов всегда является активным, а второй находится в горячем резерве, обеспечивая у себя такое же состояние памяти и дисков, как и у основного сервера.

В 1993 году фирма Novell выпустила ОС NetWare v4.0, явившуюся во многих отношениях революционно новым продуктом. Эта система была разработана специально для построения вычислительных сетей "масштаба предприятия" с несколькими файл-серверами, большим количеством сетевых ресурсов и пользователей. Одним из основных нововведений явилась служба каталогов NetWare Directory Services (NDS), хранящая в распределенной по нескольким серверам базе данных информацию о всех разделяемых сетевых ресурсах и пользователях, что обеспечило возможность при одном логическом входе в систему получать прозрачный доступ ко всем ресурсам многосерверной сети.

      В сентябре 1993 года Novell выпустила систему  NetWare v3.12, представляющую собой усовершенствованный вариант самой популярной сетевой ОС фирмы Novell - NetWare v3.11. В версии NetWare 3.12 были устранены замеченные за время эксплуатации версии NetWare 3.11 ошибки и добавлены новые средства: усеченная версия электронной почты Global MHS, средства поддержки клиентов Macintosh и клиентская оболочка для DOS и Windows по технологии VLM, позволяющая динамически загружать и выгружать необходимые для рабочей станции сетевые компоненты.