Файл: Сетевые операционные системы..pdf

Идеи, заложенные в основу UNIX, оказали огромное влияние на развитие компьютерных операционных систем. В настоящее время UNIX-системы признаны одними из самых исторически важных операционных систем.

Коммерциализация UNIX привела к тому, что патенты и лицензии на исходный код системы оказываются в руках нескольких компаний: SCO, Novell, Sun Microsystems, IBM [24].

Широкое использование ОС UNIX в университетах, с одной стороны, и невозможность ее свободного распространения, с другой стороны, приводит к тому, что в 1984 году создается проект GNU (GNU Not Unix) и некоммерческая организация Free Software Foundation (FSF). Целью проекта является разработка программного обеспечения свободного от коммерческих лицензий и создание на его основе свободно распространяемой UNIX-подобной операционной системы.

Основное отличие UNIX-подобных систем от других операционных систем заключается в том, что это изначально многопользовательские многозадачные системы. То есть в один и тот же момент времени сразу множество людей может выполнять множество вычислительных задач (процессов), рис. 6.

Рис. 6. Интерфейс UNIX

Даже популярную во всём мире систему Microsoft Windows нельзя назвать полноценной многопользовательской системой, так как кроме как на некоторых серверных версиях, в один и тот же момент за одним компьютером с Windows может работать только один человек. В Unix может работать сразу много людей, при этом каждый из них может выполнять множество различных вычислительных процессов, которые будут использовать ресурсы именно этого компьютера [13].

Вторая колоссальная заслуга Unix в её мультиплатформенности. Ядро операционной системы написано таким образом, что его легко можно приспособить практически под любой микропроцессор, а не только под популярное семейство i-386 (i-686).

Операционные системы UNIX имеет характерные особенности:

– использование простых текстовых файлов для настройки и управления системой;

– широкое применение утилит, запускаемых из командной строки;

– взаимодействие с пользователем посредством виртуального устройства – терминала;

– представление физических и виртуальных устройств и некоторых средств межпроцессового взаимодействия в виде файлов;

– использование конвейеров из нескольких программ, каждая из которых выполняет одну задачу [16].

UNIX обеспечивает легкость, эффективность и гибкость программного обеспечения, имеет несколько полезных функций:

– основная цель системы - это выполнять широкий спектр заданий и программ;

– интерактивное окружение, которое позволяет вам связываться напрямую с компьютером и получать немедленно ответы на ваши запросы и сообщения;

– многопользовательское окружение, которое позволяет вам разделять ресурсы компьютера с другими пользователями без уменьшения производительности. Этот метод называется разделением времени. Система UNIX взаимодействует с пользователями поочередно, но так быстро, что кажется, что взаимодействует со всеми пользователями одновременно;

– многозадачное окружение, которое позволяет вам выполнять более одного задания в одно и тоже время.

Система UNIX имеет 4 основных компонента:

– ядро - это программа, которая образует ядро операционной системы; она координирует внутренние функции компьютера (такие как размещение системных ресурсов);

– shell - это программа, которая осуществляет связь между пользователем и ядром операционной системы, интерпретируя и выполняя команды. Так как она читает выполненный ввод и посылает пользователю сообщения, то описывается как интерактивная;

– commands - это имена программ, которые компьютер должен выполнить. Пакеты программ называются инструментальными средствами. Система UNIX обеспечивает инструментальными средствами для таких заданий как создание и изменение текста, написание программ, развитие инструментария программного обеспечения, обмен информацией с другими посредством компьютера;

– file system - файловая система - это набор всех файлов, возможных для вашего компьютера. Она помогает вам легко сохранять и отыскивать информацию.

GNU/Linux.

Появление ядра Linux связано с появлением в 1985 году ОС MINIX. Эта система была разработана под руководством Эндрю Танненбаума для обучения студентов и представляла собой упрощенный вариант системы System V. Именно на базе этой ОС финский студент Линус Торвальдс разрабатывает ядро Linux [23]. Цель разработки Linux – получить ядро UNIX-подобной системы свободное от исходного кода, защищенного коммерческими патентами и лицензиями.

В результате в 1991 году появляется первая версия GNU/Linux - ОС, использующей ядро Linux и свободное ПО проекта GNU. В отличие от большинства других систем, GNU/Linux не имеет единой «официальной» комплектации. GNU/Linux поставляется в виде большого количества так называемых дистрибутивов, в которых различные наборы программ проекта GNU соединяются с ядром Linux и другими программами. Наиболее известными дистрибутивами GNU/Linux являются Debian, Ubuntu, Red Hat, CentOS, Fedora, Slackware, Mandriva, SuSE, Gentoo. Из дистрибутивов российских разработчиков наиболее известен ALT Linux.

FreeBSD.

В 1993 году благодаря усилиям энтузиастов из Калифорнийского университета Беркли появляется свободный от коммерческих лицензий вариант BSD системы - FreeBSD. В отличие от Linux FreeBSD полноправная ОС, состоящая из ядра и системного ПО, необходимого для организации интернет-сервера [25]. На настоящий момент существует несколько систем на базе FreeBSD: NetBSD, OpenBSD.

Mac OS.

Перечень UNIX-подобных систем не ограничивается GNU/Linux и FreeBSD. В 1999 году на базе микроядра Mach и программного обеспечения FreeBSD фирма Apple выпустила операционную систему Mac OS X, и организовала условно открытый проект Darwin с целью переноса Mac OS на платформу Intel.

 Основные характеристики UNIX-подобных операционных систем:

– переносимость (в настоящий момент поддерживается несколько десятков аппаратных платформ);

– вытесняющая многозадачность;

– изолированность адресных пространств виртуальной памяти;

– поддержка одновременной работы многих пользователей;

– поддержка вычислительных сетей (TCP/IP, IPX);

– поддержка сетевых файловых систем NFS, GFS;

– поддержка RAID-массивов, LVM, сетевых хранилищ данных (NAS);

– поддержка асинхронных процессов;

– иерархическая, журналируемая файловая система;

– поддержка независимых от устройств операций ввода-вывода (через специальные файлы устройств);

– стандартный интерфейс для программ (программные каналы, IPC);

– встроенные средства учета использования системы.

Операционная система UNIX занимает лидирующие позиции как платформа для:

– серверов и сервисов интернет;

– виртуализации и построения облачных систем (Cloud System);

– встраиваемых систем сетевого оборудования;

– суперпроизводительных вычислительных систем

– мобильных вычислительных устройств.

2.4. Операционная система FreeBSD

FreeBSD – свободная операционная система семейства UNIX, потомок AT&T Unix по линии BSD, созданной в университете Беркли.

Данная операционная система характеризуется исключительным набором сетевых функций, высокой производительностью, наличием средств обеспечения информационной безопасности и совместимости с другими операционными системами - вот те современные возможности FreeBSD, которые зачастую всё ещё отсутствуют в других, даже лучших коммерческих, операционных системах.

FreeBSD является идеальной платформой для построения Internet или Intranet сервера. Эта система предоставляет надёжные даже при самой интенсивной нагрузке сетевые службы, и эффективное управление памятью, что позволяет обеспечивать приемлемое время отклика для тысяч одновременно работающих пользовательских задач.

FreeBSD предоставляет продвинутые возможности сетевой операционной системы для устройств и встраиваемых платформ, от hi-end устройств на основе Intel до аппаратных платформ Arm, PowerPC и, вскоре, MIPS. От почтовых и веб-устройств до маршрутизаторов, серверов времени и беспроводных точек доступа производители по всему миру полагаются на встроенное окружение сборки и кросс-сборки и продвинутые возможности FreeBSD в качестве основы для своих встраиваемых продуктов. А лицензия открытого исходного кода Беркли позволяет им решать, как много из своих локальных изменений они хотели бы внести обратно.

Среди характерных особенностей операционной системы FreeBSD 11 можно выделить следующие:

– новая система автоматического монтирования ФС (automounter), унифицированная с реализациями из других Unix-систем (macOS, Solaris), использующая совместимый с Solaris формат сопоставления точек монтирования и поддерживающая интеграцию с LDAP. В auto_master добавлен новый тип сопоставления «-media», позволяющий автоматизировать подключение внешних накопителей CD и USB, а также тип «-noauto» для обработки записей noauto в fstab;

– добавлена возможность загрузки с временным rootfs, вместо которого затем монтируется реальный корневой раздел. Процесс непосредственной смены корневого раздела реализован в форме частичного завершения работы с удалением всех процессов, отмонтированием rootfs, монтированием нового rootfs, запуском процесса init и переходом к выполнению скриптов инициализации;

– новая высокопроизводительная реализация системного вызова sendfile, предназначенного для выполнения организации прямой передачи данных между файловым дескриптором и сокетом, поддерживающая отправку файла в сокет в асинхронном режиме без ожидания завершения чтения файла.

– новая версия подсистемы NetMap c поддержкой двунаправленных потоков, поддержкой kqueue, улучшенной пользовательской библиотекой, возможностью эмуляции netmap для любых адаптеров без родной поддержки netmap, интеграцией со стеком VALE (используется в системе виртуализации bhyve);

– усовершенствован гипервизор bhyve, в котором добавлена поддержка новых типов гостевых систем. В настоящее время поддерживается создание хост-систем на базе платформы FreeBSD/AMD64 и запуск гостевых систем c FreeBSD 8+, Linux i386/x64, OpenBSD i386/amd64, NetBSD/amd64, Illumos и Windows Vista/7/8/10/2008r2/2012r2/2016 x64. Отдельно отмечается возможность запуска гостевых систем [18].

Другие улучшения FreeBSD 11:

– улучшена практическая поддержка вычислительных систем с архитектурой NUMA;

– возможность оперативного ведения черного списка сбойных областей памяти вычислительной системы;

– обновление встроенного компилятора Clang до версии 3.8.0. Для технологических платформ amd64 и arm64 по умолчанию задействован отладчик LLDB, развиваемый проектом LLVM;

– в базовой вычислительной системе задействованы варианты программных утилит для непосредственной работы с объектными файлами в формате ELF - addr2line, elfcopy (strip), nm, readelf, size и strings из набора ELF Tool Chain, эквивалентного набору GNU Binutils, но распространяемого под лицензией BSD;

– в TCP-стеке добавлена поддержка определения PLPMTUD (Packetization Layer Path MTU Discovery, RFC 4821), которая отключена по умолчанию. Для включения следует использовать sysctl net.inet.tcp.pmtud_blackhole_detection, net.inet.tcp.pmtud_blackhole_mss и net.inet.tcp.v6pmtud_blackhole_mss;

– большая порция улучшений, связанных с поддержкой различных устройств с процессорами ARM, ARM64 и PowerPC;

– в jail добавлена практическая поддержка монтирования linprocfs и linsysfs;

– в jail добавлена возможность по непосредственного разделению SYSV IPC примитивов, что дает возможность иметь в каждом jail независимую область SYSV IPC;

– для хэширования паролей в функции crypt по умолчанию задействован алгоритм SHA512;

– реализация IPsec расширена поддержкой аппаратных и программных режимов AES;

– при помощи использования Capsicum обеспечен сброс привилегий утилиты ping;

– усилена защита от переполнения стека.

Таким образом, возможностей сетевой операционной системы FreeBSD 11 может в полной мере хватить для организации высокоэффективной сетевой обработки оперативной информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения данной работы были получены следующие результаты. Установлено, что сетевая операционная система представляет собой операционную систему, ориентированную на работу с компьютерной сетью для организации доступа к общим ресурсам для нескольких компьютеров в сети. Главными задачами сетевых операционных систем является разделение ресурсов сети (например, дисковые пространства) и администрирование сети.

В сетевой операционной системе отдельной машины были выделены следующие части: средства управления локальными ресурсами компьютера; средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование; средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использования; коммуникационные средства операционной системы. Сетевая операционная система отличается технологией обработки информации и наличием соответствующих средств операционной системы. На основе информационных потребностей пользователей необходимо подбирать операционную систему.