Основные принципы построения операционных систем

Одним из наиболее важных принципов построения ОС является принцип модульности. Под модулемоперационной системы в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфей­сами. По своему определению модуль предполагает возможность относительно легкой замены его на другой при наличии заданных интерфейсов. Способы обособления составных частей ОС в отдельные модули могут существенно различаться, но чаще всего разделение происходит именно по функциональному признаку. В зна­чительной степени разделение системы на модули определяется используемым методом проектирования ОС (снизу вверх или наоборот). Особо важное значение при построении ОС имеют реентерабельные программные модули, так как они позволяют более эффективно использовать ресурсы вычислительной системы (под реентерабельностью понимают свойство программы, позволяющее одновременно выполнять эту программу нескольким процессам). Достижение реентерабельности реализует­ся различными способами. В некоторых системах реентерабельность программы получают автоматически благодаря неизменяемости кодовых частей программ при исполнении (из-за особенностей системы команд машины), а также автома­тическому распределению регистров, автоматическому отделению кодовых час­тей программ от данных и помещению последних в системную область памяти. Естественно, что для этого необходима соответствующая аппаратная поддержка. В других случаях это достигается программистами за счет использования специ­альных системных модулей. Принцип модульности отражает технологические и эксплуатационные свойства системы. Наибольший эффект от его использования достижим в случае, когда принцип распространен одновременно на операционную систему, прикладные программы и аппаратуру.

В ОС выделяется некоторая часть важных программных модулей, которые должны постоянно находиться в оперативной памяти для более эффективной организации вычис­лительного процесса. Эту часть в ОС называют ядром операционной системы, так как это действительно основа системы. При формировании состава ядра необходимо учитывать два про­тиворечивых требования. Во-первых, в состав ядра должны войти наиболее часто исполь­зуемые системные модули. Во-вторых, количество модулей должно быть таковым, чтобы объем памяти, занимаемый ядром, был бы не слишком большим. В состав ядра, как правило, входят модули управления системой прерываний, средства по переводу процессов из состояния выполнения в состояние ожидания, готовности и об­ратно, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и процессор. Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагающихся в оперативной памяти, может быть много других системных программных модулей, которые получили название транзитных. Транзитные программные модули операционной системы загружаются в оперативную память только при необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими транзитными модулями. В качестве синонима термина «транзитный» иногда используется термин «диск-резидентный».

Основное положение принципа генерируемости ОС определяет такой способ исходного пред­ставления центральной системной управляющей программы ОС (ее ядра и ос­новных компонентов, которые должны постоянно находиться в оперативной па­мяти), который позволял бы настраивать эту системную часть исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых задач. Эта процедура проводится редко, перед достаточно про­тяженным периодом эксплуатации ОС. Процесс генерации осуществляется с по­мощью специальной программы-генератора и соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные возможности сис­темы и конфигурацию машины. В результате генерации получается полная вер­сия ОС. Сгенерированная версия ОС представляет собой совокупность систем­ных наборов модулей и данных. Упомянутый выше принцип модульности положительно проявляется при гене­рации ОС. Он существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигура­цию вычислительного комплекса.

Принцип функциональной избыточности учитывает возможность проведения одной и той же работы раз­личными средствами. В состав ОС может входить несколько модулей супервизора, управляющих тем или другим видом ресурса, несколько систем управления файлами, различные средства организации коммуникаций между вычисли-тельными процессами. Это позволяет пользователям быстро и наиболее адекватно адаптировать ОС к опре­деленной конфигурации вычислительного комплекса, обеспечить максимально эф­фективную загрузку технических средств и получить максимальную производительность при решении конкретного класса за­дач.

Принцип виртуализации позволяет представить структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов (мониторов) и использовать единую централизован­ную схему распределения ресурсов. Наиболее естественным и законченным проявлением концепции виртуальности является понятие виртуальной машины. По сути, любая операционная система, являясь средством распределения ресурсов и организуя по определенным прави­лам управление процессами, скрывает от пользователя и его приложений реаль­ные аппаратные и иные ресурсы, заменяя их некоторой абстракцией. В результа­те пользователи видят и используют виртуальную машину как некое устройство, способное воспринимать их программы, написанные на определенном языке программирования, выполнять их и выдавать результаты. При таком языковом представлении пользователя совершенно не интересует реальная конфигурация вычислительного комплекса, способы эффективного использования его компонен­тов и подсистем. Он мыслит и работает в терминах используемого им языка и тех ресурсов, которые ему предоставляются в рамках виртуальной ма­шины. Обычно виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит ар­хитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представле­нии выступают с новыми или улучшенными характеристиками, часто упрощаю­щими работу с системой. Характеристики могут быть произвольными, но чаще всего пользователи желают иметь собственную «идеальную» по архитектурным характеристикам машину в следующем составе:

1. Единообразная по логике работы память (виртуальная) практически неогра­ниченного объема. Организация работы с информацией в такой памяти производится в терминах обработки данных (в терминах работы с сегментами данных на уровне выбранного пользователем языка программи­рования);

2. Произвольное количество процессоров (виртуальных), способных работать па­раллельно и взаимодействовать во время работы. Способы управления про­цессорами, в том числе синхронизация и информационные взаимодействия, реализованы и доступны пользователям на уровне используемого языка в терминах управления процессами;

3. Произвольное количество внешних устройств (виртуальных), способных ра­ботать с памятью виртуальной машины параллельно или последовательно, асинхронно или синхронно по отношению к работе того или иного виртуаль­ного процессора, который инициирует работу этих устройств;

4. Информация, передаваемая или хранимая на виртуальных устройствах, не ограничена допус­тимыми размерами. Доступ к такой информации осуществляется на основе либо последовательного, либо прямого способа доступа в терминах соответст­вующей системы управления файлами. Предусмотрено расширение инфор­мационных структур данных, хранимых на виртуальных устройствах.

Степень приближения к «идеальной» виртуальной машине может быть большей или меньшей в каждом конкретном случае. Чем больше виртуальная машина, реализуемая средствами ОС на базе конкретной аппаратуры, приближена к «иде­альной», и, следовательно, чем больше ее архитек­турно-логические характеристики отличны от реально существующих, тем боль­ше степень виртуальности у полученной пользователем машины. Одним из аспектов виртуализации является организация возможности выполне­ния в данной ОС приложений, которые разрабатывались для других ОС. Други­ми словами, речь идет об организации нескольких операционных сред. Реализация этого принципа позволяет такой ОС иметь очень сильное преимущество перед аналогичными ОС, не имеющими такой воз­можности.

Принцип независимости программ от внешних устройств реализуется сейчас в подавляющем большинстве современных ОС. Этот принцип заключается в том, что связь программ с конкретны­ми устройствами производится не на уровне трансляции программы, а в период планирования ее исполнения. В результате перекомпиляция при работе про­граммы с новым устройством, на котором располагаются данные, не требуется. Указанный принцип позволяет осуществлять операции управления внешними устройствами одинаково и независимо от их конкретных физических характеристик. Напри­мер, программе, содержащей операции обработки последовательного набора дан­ных, безразлично, на каком носителе эти данные будут располагаться. Смена носителя и данных, размещаемых на них (при неизменности структурных харак­теристик данных), не привнесет каких-либо изменений в программу, если в систе­ме реализован принцип независимости.

Одним из аспектов принципа совместимости является способность ОС выполнять програм­мы, написанные для других ОС или для более ранних версий данной операцион­ной системы, а также для другой аппаратной платформы. Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уров­не исходных текстов приложений. Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и запустить ее на выполне­ние под другой ОС. Для этого необходимы: совместимость на уровне команд про­цессора, совместимость на уровне системных вызовов и даже на уровне библио­течных вызовов, если они являются динамически связываемыми. Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора в составе системного программного обеспечения, а также совмести­мости на уровне библиотек и системных вызовов. При этом необходима пере­компиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый модуль. Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, осно­ванными на разных архитектурах. Для того, чтобы одна машина выполняла про­граммы другой машины, она должна работать с машинными командами, которые ей изначально непонятны. Выходом в таких случаях является использование так называе­мых прикладных сред или эмуляторов. Учитывая, что основную часть програм­мы, как правило, составляют вызовы библиотечных функций, прикладная среда имитирует библиотечные функции целиком, используя заранее написанную биб­лиотеку функций аналогичного назначения, а остальные команды эмулирует каждую по отдельности. Одним из средств обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов является их соответствие стандартам POSIX. Использование стандар­тов POSIX позволяет создавать программы, которые впоследствии могут легко переноситься из одной системы в другую.

Принцип открытой и наращиваемой (модифици­руемой, развиваемой) ОС позволяет не только использовать возможности гене­рации, но и вводить в ее состав новые модули, совершенствовать существующие и т. д. Другими словами, необходимо, чтобы можно было легко внести дополне­ния и изменения, если это потребуется, и не нарушить при этом целостность системы. Хорошие возможности для расширения предоставляет подход к структурирова­нию ОС по типу клиент-сервер с использованием микроядерной технологии (см. подраздел 5.2). В соответствии с этим подходом ОС строится как совокупность привилегиро­ванной управляющей программы и набора непривилегированных услуг – «сер­веров». Основная часть ОС остается неизменной, но в то же время могут быть до­бавлены новые серверы или улучшены старые. Этот принцип иногда трактуют как принцип расширяемости системы.

Принцип мобильности (переносимости) заключается в том, что операционная система должна относительно легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа (которая включает наряду с типом процессора также и способ организации всей аппаратуры машины, иначе говоря, архитектуру ВМ) на ап­паратную платформу другого типа. Заметим, что принцип переносимости очень близок принципу совместимости, хотя это и не одно и то же. Написание переносимой ОС аналогично написанию любого переносимого кода. При этом нужно следовать некоторым правилам. Во-первых, большая часть ОС должна быть написана на языке, который имеется на всех машинах или системах, на которые планируется в дальнейшем ее переносить. Это, прежде всего, означает, что ОС должна быть написана на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном, на­пример на языке С. Программа, написанная на ассемблере, не является в общем случае переносимой. Во-вторых, важно минимизировать или, если возможно, исключить те части кода, которые непосредственно взаимодействуют с аппарат­ными средствами. Зависимость от аппаратуры может иметь много форм. Неко­торые очевидные формы зависимости включают прямое манипулирование реги­страми и другими аппаратными средствами. Наконец, если аппаратно-зависимый код не может быть полностью исключен, то он должен быть изолирован в не­скольких хорошо локализуемых модулях. Аппаратно-зависимый код не должен быть распределен по всей системе. Например, можно спрятать аппаратно-зависимую структуру в программно задаваемые данные абстрактного типа. Другие модули системы будут работать с этими данными, а не с аппаратурой, используя набор некоторых функций. Когда ОС переносится, то изменяются только эти данные и функции, которые ими манипулируют. Именно введение стандартов POSIX преследовало цель обеспечить переносимость соз­даваемого программного обеспечения.

Принцип обеспечения безопасности при выполнении вычислений является желательным свойством для любой многопользовательской системы. Правила безопасности определяют такие свойства, как защита ресурсов одного пользователя от других и установление квот по ресурсам для предотвращения захвата одним пользова­телем всех системных ресурсов. Обеспечение защиты информации от несанкци-онированного доступа является обязательной функцией операционных систем. В соответствии со стандартами Национального центра компьютерной безопасности США (NCSC – National Computer Security Center) безопасной считается систе­ма, которая «посредством специальных механизмов защиты контролирует доступ к информации таким образом, что только имеющие соответствующие полно­мочия лица или процессы, выполняющиеся от их имени, могут получить доступ на чтение, запись, создание или удаление информации». Иерархия уровней безопасности отмечает низ­ший уровень безопасности как D, а высший – как А. В класс D попадают системы, оценка которых выявила их несоответствие требо­ваниям всех других классов. Основными свойствами, характерными для систем класса (уровня) С, являются наличие подсистемы учета событий, связанных с безопасностью, и избирательный кон­троль доступа. На уровне С должны присутствовать:

а) средства секретного входа, обеспечивающие идентификацию пользователей путем ввода уникального имени и пароля перед тем, как им будет разрешен доступ к системе;

б) избирательный контроль доступа, позволяющий владельцу ресурса опреде­лить, кто имеет доступ к ресурсу и что он может с ним делать (владелец осуществляет это путем предоставляемых прав доступа пользователю или группе пользо­вателей);

в) средства учета и наблюдения, обеспечивающие возможность обна­ружить и зафиксировать важные события, связанные с безопас-ностью, или любые попытки получить доступ или удалить системные ресурсы;

г) защита памяти, заключающаяся в том, что память инициализи-руется перед тем, как повторно используется.

На этом уровне система не защищена от ошибок пользователя, но поведение его может быть проконтролировано по записям в журнале, составленным средствами наблюдения и аудита. Системы уровня В основаны на помеченных данных и распределении пользо­вателей по категориям, то есть реализуют мандатный контроль доступа. Каждо­му пользователю присваивается рейтинг защиты, и он может получать доступ к данным только в соответствии с этим рейтингом. Этот уровень в отличие от уровня С защищает систему от ошибочного поведения пользователя. Уровень А является самым высоким уровнем безопасности и в допол­нение ко всем требованиям уровня В требует выполнения формального, математически обоснованного доказательства соответствия системы требованиям безопасности.