Вопросы для экзамена по дисциплине «Безопасность операционных систем»

- 3-й курс -

1. Операционные системы. Назначение и функции операционных систем (ос).

ОС управляет всеми устройствами компьютерной системы (процессорами, оперативной памятью, дисками, клавиатурой, монитором, принтерами, сетевыми устройствами и др.) и обеспечивает пользователя удобным интерфейсом для работы с аппаратурой.

 

Общепринятого определения Операционной системы, вообще говоря, нет.

Обычно ОС определяется через ее функции.

 

Под ОС обычно понимают комплекс управляющих и обрабатывающих программ, который, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой - предназначен для наиболее эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

 

Другими словами, две основные функции (назначение) ОС:

1)  предоставлять пользователю некую расширенную виртуальную машину, с которой легче работать (легче программировать), чем непосредственно с аппаратурой реального компьютера или реальной сети;

Для пользователя (приложения) работа с различными ресурсами (процессор, память, диски, периферийные устройства) выглядит так, как будто эти ресурсы находятся в его полном распоряжении, при этом в одной системе может выполняться одновременно несколько приложений, каждое со своим собственным набором ресурсов. В этом смысле говорят, что ОС реализует виртуальную машину, предоставляя приложениям средства многозадачности.

2)  управлять ресурсами вычислительной системы.

 

Поэтому в специальной литературе ОС представляется всегда двояко:

1)  как расширенная виртуальная машина и

2)  как система управления ресурсами.

Функции ос

   прием от пользователя (оператора) заданий или команд, сформулированных на соответствующих языках, и их обработка;

   загрузка в ОП программ и их исполнение;

   инициация программы (передача ей управления);

  прием и исполнение программных запросов на запуск, приостановку, остановку других программ; организация взаимодействия между задачами;

   идентификация всех программ и данных;

   обеспечение работы системы управления файлами и/или систем управления БД;

   обеспечение режима мультипрограммирования (многозадачности);

   планирование и диспетчеризация задач;

   обеспечение функций по организации и управлению операциями ввода/вывода;

   удовлетворение жестким ограничениям на время ответа в режиме реального времени (для соответствующих ОС);

   управление памятью, организация виртуальной памяти;

   организация механизмов обмена сообщениями и данными между выполняющимися программами;

  защита одной программы от влияния другой; обеспечение сохранности данных;

   аутентификация, авторизация и другие средства обеспечения безопасности;

   предоставление услуг на случай частичного сбоя системы;

   обеспечение работы систем программирования;

   параллельное исполнение нескольких задач.

 

Функции ОС автономного компьютера обычно группируются в соответствии с типами локальных ресурсов, которыми управляет ОС. Такие группы называют подсистемами.

Наиболее важные

      подсистема управления процессами,

      подсистема управления памятью,

      подсистема управления файлами,

      подсистема управления внешними устройствами,

      подсистема пользовательского интерфейса,

      подсистема защиты данных и администрирования.

 

Замечание. Часто под ОС обычно понимается то ПО, которое запускается в режиме ядра (привилегированном режиме, режиме супервизора).

2. История (этапы) развития ОС. Современные ОС.

2. История развития и поколения ОС

Первоначально поколения ОС определялись в соответствии с элементной базой компьютеров, на которых ОС ставилась, но очень скоро к этому классификационному признаку добавились характеристики организации вычислительного процесса, программного обеспечения, области использования, и классификация практически сразу потеряла четкость и приобрела черты исторического экскурса. Ниже эта история кратко приводится так, как она сложилась.

● Первый период (1945 -1955)

Появляются первые ламповые вычислительные устройства (1946-48гг.). В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа, а не использование компьютеров для решения практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. Не было никакого другого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм.

● Второй период (1955 - 1965)

Новый период в развитии вычислительной техники, появление полупроводниковых элементов. Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. Именно в этот период произошло разделение персонала на программистов и операторов.

В эти годы появились первые алгоритмические языки, а следовательно, и первые системные программы - компиляторы. Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий.

● Третий период (1965 - 1980)

Происходит переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что обеспечивает гораздо большие возможности новому поколению компьютеров.

События здесь развивались практически параллельно, и различные машины и ОС благополучно сосуществовали.

Ключевые события этого периода в развитии ОС:

• реализация программной совместимости и создание семейства программно-совместимых машин;

• реализация идеи мультипрограммирования.

Это – период мейнфреймов. Определения мейнфрейма довольно размыты. Мейнфрейм – это большая (или достаточно большая) машина, как правило занимающая отдельное помещение. В России мэйнфреймы подразделялись на класс больших (как по мощности, так и по размерам) машин и малых машин (поменьше).

Создание семейств программно-совместимых машин и OS/360. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360. Построенное в начале 60-х годов, это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/производительность. Вскоре идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.

Наиболее ярким представителем начала этого периода является OS/360.

Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно сложными. Они состояли из многих миллионов ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. В каждой новой версии операционной системы исправлялись одни ошибки и вносились другие.

Однако, несмотря на необозримые размеры и множество проблем, OS/360 и другие ей подобные операционные системы машин третьего поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей.

Идея программной совместимости присутствует во всех современных ОС.

Реализация мультипрограммирования. Мультипрограммирование - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. В зависимости от алгоритма мультипрограммирования различают несколько классов ОС. Для ОС рассматриваемого этапа характерными являются пакетный режим и далее – режим разделения времени.

•• Пакетный режим – Batch Option

Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу. При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом.

Этот режим реализован в первых версиях OS/360. В начале 70-х в последующих версиях системы реализован и режим разделения времени.

Другое нововведение - спулинг (spooling). Спулинг в то время определялся как способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел.

•• Режим разделения времени – Time Sharing Option (TSO)

Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени ОС третьего поколения, нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины.

Изначально этот режим появился в ходе развития OS/360. Чуть позже появляется ОС Unics – прототип современных юниксоподобных систем – и начинается развитие линейки Unix. Одновременно создаются машины меньших размеров с несколько меньшими возможностями – PDP 11, VAX и др., производимые компаниями DEC, HP и др. Именно на них и ставится новая ОС. В России класс этих машин носил название “малых ЭВМ”.

•• Эволюция вычислительных систем этого периода

Последний потомок порожденного IBM 360 (и OS/360) семейства мейнфреймов, – IBM 390 (и OS/390).

Машины этого семейства, а также малые машины были сняты с производства примерно к нулевым годам, однако в отдельных системах используются и по сей день.

В отличие от других систем, мэйнфрейм специально предназначен для автоматического решения бизнес-задач с разнообразными рабочими нагрузками в соответствии с заданным уровнем сервиса. Мэйнфреймы IBM – это серверы высочайшего класса, которые используются различными компаниями для хостинга коммерческих баз данных, обработки транзакций и выполнения комплексных приложений, требующих непревзойденных показателей по устойчивости, целостности, безопасности и степени готовности.

Лидером в производстве мейнфреймов является фирма IBM, которой и принадлежит данное определение.

● Четвертый период (1980 - настоящее время)

Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра ПК.

К этому времени было создано множество различных настольных компьютеров (Commodore, Atari, ZX Spectrum и т.д.), базирующихся на платформах, не составлявших единого стандарта – фактически это были игрушки. Дальнейшее развитие как компьютеров, так и ОС пошло по трем, а затем четырем направлениям: проприетарные ОС компаний Microsoft и Аpple и системы Unix и Linux .

•• Первая ОС для настольных компьютеров – CP/M компании Digital Research, прародитель MS-DOS. CP/M – "духовный наследник” UNIX, однако в принципе это самостоятельная ОС.

Первым действительно коммерческим и массовым ПК стал IBM PC (81 г.).

Компания Digital Research отказалась предоставить IBM свою OC, и IBM обратилась к компании Microsoft, представленной Биллом Гейтсом. Microsoft создал ОС MS-DOS – почти точную копию CP/M. Однопрограммная однопользовательская ОС MS-DOS широко использовалась для компьютеров, построенных на базе микропроцессоров Intel 8088, а затем 80286, 80386 и 80486.

Далее линейка IBM PC продолжила свое развитие, – вплоть до современных компьютеров -наследников IBM PC и ОС Windows 7. Это – проприетарные операционные системы.

•• В 1983 г. выходит в свет первый ПК линейки Macintosh – линейки проприетарных компьютеров с собственной ОС.

Начиная с версии OS X (2000 г.) Mac OS переходит на ядро Unix FreeBSD, т.е. проприетарная разработка приобретает ряд особенностей Unix. До 2006 г. Macintosh использовал только свою ОС с возможностью установки на свои ПК ОС Linux. C переходом на микропроцессоры Intel компьютеры Macintosh получили возможность для установки ОС Windows и запуска соответствующего программного обеспечения (возможна как автономная установка Windows наряду с Mac OS, так и установка специальных приложений.

•• В 90-х годах появляется версия Unix для ПК.

К настоящему времени существует масса версий Unix – от от свободно распространяемых, для компьютеров средней ценовой категории, до проприетарных, для мощных дорогих серверов (например, ОС Solaris). В целом ОС имеет прежде всего статус серверной, а также встраиваемой (в мобильные устройства и гаджеты).

•• Чуть позже появляется юниксоподобная ОС Linux – открытая свободно распространяемая ОС.

Linux, развиваясь, остается открытой некоммерческой системой, позиционируясь как настольная, серверная и встраиваемая. В силу некоммерческого характера эта ОС наиболее распространена как встраиваемая.

•• С середины 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС. К началу 90-х практически все ОС стали сетевыми, способными поддерживать работу с разнородными клиентами и серверами. Появились специализированные сетевые ОС, предназначенные исключительно для выполнения коммуникационных задач (например, система IOS компании Cisco Systems, работающая в маршрутизаторах).

Приведенная периодизация весьма условна, однако она сложилась исторически и воспроизводится в отечественных обзорах.

“Четвертый период” по длительности превосходит все предшествующие (хотя вычислительная техника совершенствовалась по крайней мере с неменьшей скоростью, чем прежде) и не завершен и поныне, хотя там можно выделить ряд ключевых решений. Это объясняется тем, что такая периодизация просто потеряла смысл. Достаточно серьезная систематизация информации о современном положении дел в области вычислительной техники – отдельный труд, причем скорость изменений в этой области может превзойти скорость создания такого труда.

Согласно статистике, наиболее распространенной являются ОС семейства Windows, затем с большим отрывом следует Mac OS, и, наконец, ОС Linux. Для традиционных настольных ОС это представляется справедливым, однако не дает оснований делать прогнозы.