Операционные системы и сети ЭВМ Operating Systems and Networking Лекция 26

(C) В.О. Сафонов, 2007
Linux: Ввод и вывод
Система файлов Linux , ориентированная на устройства, осуществляет доступ к дисковой памяти с помошью двух кэшей:
Данные хранятся в кэше страниц, который объединен с системой виртуальной памяти
Метаданные хранятся в буферном кэше, причем каждый кэш индексируется блоком диска.
Linux разбивает устройства на три класса:
Блочные устройства допускают произвольный доступ к полностью независимым блокам данных фиксированного размера
Символьные устройства включают большую часть всех других устройств; они не нуждаются в поддержке функциональности обычных файлов.
Сетевые устройства взаимодействуют с сетевой системой ядра

(C) В.О. Сафонов, 2007
Блочная структура драйверов устройств

(C) В.О. Сафонов, 2007
Блочные устройства
Обеспечивают основной интерфейс ко всем дисковым устройствам в системе.
Блочный буферный кэш служит для двух основных целей:
Как буферный пул для активного ввода-вывода
Как кэш для завершенного ввода-вывода
Менеждер запросов управляет чтением и записью содержимого буферов с помощью драйвера блочного устройства.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Символьные устройства
Драйвер устройства, которое не поддерживает произвольный доступ к фиксированным блокам данных.
Драйвер символьного устройства должен зарегистрировать набор функций, реализующих разнообразные требуемые операции ввода-вывода.
Ядро не выполняет почти никакой предварительной обработки запроса на чтение или запись в файл символьного устройства, но просто передает данный запрос драйверу устройства.
Основное исключение из этого правила – это особый набор драйверов символьных устройств, которые реализуют доступ к терминальным устройствам – для них ядро поддерживает стандартный интерфейс.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Взаимодействие процессов
Как и UNIX, Linux информирует процессы о наступлении событий с помощью сигналов.
Существует ограниченный набор сигналов, и они не могут нести какую-либо информацию: только факт, что сигнал имеет место, доступен процессу.
Ядро Linux не использует сигналы для коммуникации процессов, исполняемых в режиме ядра. Коммуникация внутри ядра осуществляется с помощью структур планировщика – states (состояния) и wait.queue (очередь ожидания).

(C) В.О. Сафонов, 2007
Передача данных между процессами
Механизм конвейера (pipe) позволяет дочернему процессу наследовать коммуникационный канал от процесса-родителя. Данные, записываемые с одного конца конвейера, могут быть прочитаны на другом конце.
Общая память обеспечивает очень быстрый способ коммуникации; любые данные, записанные одним процессом в регион общей памяти, могут быть немедленно прочитаны любым другим процессом, который отобразил этот регион в свое адресное пространство.
Однако с целью синхронизации общая память должна использоваться в сочетании с каким-либо другим комуникационным механизмом.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Объект в общей памяти
Объект в общей памяти используется как файл откачки для регионов общей памяти, так же как файл может быть использован для откачки информации из региона, отображаемого в память.
Отображения в общую память перенаправляют отказы страниц в регион памяти, занятый разделяемым объектом.
Разделяемые объекты помнят свое содержимое, даже если в данный момент никакие процессы не отображают их в свои виртуальные пространства памяти.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Структура сети
Работа в сети – ключевая область функциональности в Linux.
Сетевая система Linux поддерживает основные Интернет-протоколы для коммуникаций UNIX - UNIX.
Она также реализует протоколы, характерные для ОС, отличных от UNIX, в частности, протоколы, используемые в сетях PC, таких как Appletalk и IPX.
Внутри сетевая система Linux реализована в виде трех уровней абстракции:
Сокетный интерфейс
Драйверы протоколов
Драйверы сетевых устройств

(C) В.О. Сафонов, 2007
Структура сети (прод.)
Наиболее важный набор сетевых протоколов в Linux – это набор протоколов Интернета.
Она обеспечивает маршрутизацию между различными машинами на любом участке сети.
На верхнем уровне протокола маршрутизации поддерживаются UDP-, TCP- и ICMP-протоколы.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Безопасность
Подключаемые аутентифакационные модули (pluggable authentication modules - PAM) доступны в системе Linux.
PAM основана на общей библиотеке, которая может быть использована любыми компонентами, которым требуется аутентифицировать пользователя.
Управление доступом в системах типа UNIX, включая и Linux, осуществляется с помощью уникальных числовых идентификаторов пользователя и группы (uid и gid).
Управление доступом выполняется путем присваивания объектам маски защиты, которая указывает, какие операции (чтение, запись, исполнение) доступны для владельца, группы и всех остальных пользователей.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Безопасность (прод.)
Linux дополняет стандартный механизм UNIX – setuid - двумя способами:
Реализует этот механизм по спецификации POSIX, что позволяет каждому процессу process многократно освобождать и вновь получать свой действующий uid.
Добавлена характеристика процесса, которая предоставляет лишь подмножество полномочий по действующему uid.
Linux обеспечивает другой механизм, который позволяет клиенту выборочно передавать доступ к отдельному файлу некоторому серверному процессу без предоставления ему каких-либо других привилегий.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Windows 2000
История
Принципы проектирования
Компоненты системы
Подсистемы окружения
Файловая система
Работа в сети
Интерфейс программиста

(C) В.О. Сафонов, 2007
Windows 2000
32-битовая многозадачная операционная система для микропроцессоров типа Intel (продолжает линию NT).
Основные цели системы:
переносимость
безопасность
соответствие POSIX
поддержка многопроцессорности
расширяемость
поддержка интернационализации
совместимость приложений с MS-DOS и MS-Windows.
Использует архитектуру микроядра.
Доступна в нескольких версиях - Professional, Server, Advanced Server, National Server.
В 1996 году было продано больше лицензий на NT server, чем лицензий на UNIX

(C) В.О. Сафонов, 2007
История
В 1988 Microsoft приняла решение о разработке переносимой ОС “new technology” (NT), которая поддерживала бы и OS/2, и POSIX APIs.
Первоначально NT должны была использовать OS/2 API как свое естественное окружение, однако в процессе разработки NT была изменена и стала использовать Win32 API, что отражает популярность Windows 3.0.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Принципы проектирования
Расширяемость – многоуровневая архитектура.
Ядро (Executive), исполняемое в защищенном режиме, обеспечивает базовые системные сервисы.
Поверх ядра реализованы несколько серверных подсистем, работающих в пользовательском режиме.
Модульная структура позволяет добавлять новые подсистемы окружения без модификации ядра.
Переносимость — Windows 2000 может быть перенесена с одной аппаратной архитектуры на другую со сравнительно небольшими изменениями.
Написана на C и C++.
Код, зависящий от процессора, изолирован в динамически линкуемую библиотеку (DLL), называемую “уровень абстрагирования от аппаратуры”- “hardware abstraction layer” (HAL).

(C) В.О. Сафонов, 2007
Принципы проектирования (прод.)
Надежность — Windows 2000 использует аппаратную защиту для виртуальной памяти and и программные защитные механизмы – для ресурсов ОС.
Совместимость— приложения, которые следуют IEEE 1003.1 (POSIX) – стандарту, могут компилироваться для Windows 2000 без изменений в исходном тексте.
Производительность — подсистемы Windows 2000 могут взаимодействовать друг с другом с помощью высокопроизводительной передачи сообщений.
Прерывание низкоприоритетных потоков позволяет системе быстро реагировать на внешние события.
Спроектирована для симметричного мультипроцессирования.
Поддержка интернационализации (i18n) и локализации (l10n) — поддерживает различные языки и “культуры” с помощью NLS API.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Архитектура Windows 2000
Многоуровневая система модулей.
Защищенный режим — HAL, ядро, executive.
Пользовательский режим – набор подсистем
Подсистемы окружения эмулируют различные ОС.
Подсистемы защиты реализуют различные функции безопасности.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Схема архитектуры Windows 2000

(C) В.О. Сафонов, 2007
Основа для executive и подсистем.
Отказы страниц исключены; исполнение никогда не прерывается.
Четыре основных функции:
Планирование потоков
Обработка прерываний и исключений
Низкоуровневая синхронизация процессов
Восстановление после отказов электропитания
Ядро объектно-ориентированное, использует два набора объектов.
Объекты-диспетчеры управляют диспетчеризацией и синхронизацией (события, mutex’ы, семафоры, потоки, таймеры).
Управляющие объекты (асинхронные вызовы процедур, прерывание, нотификация об электропитании, состояние электропитания, профилирование.)
Системные компоненты - ядро

(C) В.О. Сафонов, 2007
Ядро – процессы и потоки
Процесс имеет адресное пространство в виртуальной памяти, информацию (например, базовый приоритет) и тесную связь с одним или несколькими процессами.
Потоки – единицы исполнения, планируемые диспетчером ядра.
Наждый поток имеет свое собственное состояние, включая приоритет, связь с процессором и статистическую информацию.
Поток может быть в следующих состояниях: ready, standby, running, waiting, transition, and terminated.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Ядро - планирование
Диспетчер использует 32-уровневую схему приоритетов для определения порядка выполнения потоков. Приоритеты разбиты на два класса:
Класс real-time содержит потоки с приоритетами от 16 до 31.
Класс variable содержит потоки с приоритетами от 0 до 15.
Характеристики стратегии приоритетов Windows 2000.
Хорошее время ответа для потоков, использующих мышь и окна.
Дает возможность потокам, связанным с вводом-выводом, обеспечивать занятость устройств ввода-вывода.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Ядро – планирование (прод.)
Планирование выполняется, кодга поток переходит в состояние ready или wait, когда поток завершается, оибо когда приложение изменяет приоритет потока или связь с процессором.
Real-time потокам отдается предпочтение при выделении процессора; но ОС не гарантирует, что поток начнет выполняться в течение какого-либо определенного интервала времени. (такой подход известен как soft real-time.)

(C) В.О. Сафонов, 2007
Windows 2000: уровни запросов на прерывания

(C) В.О. Сафонов, 2007
Ядро – обработка прерываний
Ядро обеспечивает обработку прерываний, если исключения и прерывания генерируеются аппаратурой и программным обеспечением (NB: в ОС введены средства обработки исключений!).
Исключения, которые не могут быть обработаны программно, обрабатываются диспетчером исключений ядра ОС.
Диспетчер прерываний в ядре обрабатывает прерывание либо путем вызова подпрограммы, обслуживающей прерывание (например, драйвера устройства), либо путем вызова внутренней подпрограммы ядра.
Ядро использует блокировщики (spin locks), находящиеся в основной памяти, для взиамного исключения процессов.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Executive — менеджер объектов
Windows 2000 использует объекты для всех своих служб и представления сущностей; менеджер объектов управляет использованием всех объектов.
Генерирует object handle (ссылку на объект)
Выполняет проверки безопасности.
Следит за тем, какие процессы используют каждый объект.
Объекты управляются стандартным набором методов: create, open, close, delete, query name, parse, security.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Executive — именование объектов
Модуль executive поддерживает именование объектов. Имя может быть постоянным или временным.
Имена объектов структурируются, как имена путей доступа к файлам в MS-DOS или UNIX.
Реализованы объекты-символические ссылки, которые подобны символическим ссылкам в UNIX и дают возможность иметь несколько синонимов для одного файла.
Процесс получает ссылку на объект при его создании, при открытии уже существующего объекта, при получении скопированной ссылки от другого процесса, либо путем наследования ссылки от процесса-родителя.
Каждый объект защищен списком управления доступом.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Executive — менеджер виртуальной памяти
При проектировании менеджера виртуальной памяти предполагалось, что процессор поддерживает для отображения виртуальных адресов в физические механизм страничной организации, прозрачный кэш для многопроцессорных систем, а также алиасы для виртуальных адресов.
VM – менеджер в Windows 2000 использует страничную организацию с размером страницы 4 KB.
Используется двухуровневая схема выделения памяти.
На первом шаге резервируется часть адресного пространства процесса.
На втором шаге данное выделение поддерживается выделением пространства в файле откачки (paging file).

(C) В.О. Сафонов, 2007
Распределение виртуальной памяти

(C) В.О. Сафонов, 2007
Менеджер виртуальной памяти (прод.)
Трансляция виртуальных адресов в Windows 2000 использует несколько структур данных.
Каждый процесс имеет справочник страниц (page directory), содержащий 1024 элемента справочника страниц размером по 4 байта.
Каждый элемент справочника страниц ссылается на таблицу страниц, которая содержит 1024 элемента таблицы страниц (page table entries - PTEs) размером по 4 байта.
Каждый PTE ссылается на фрейм страницы (4 KB) в физической памяти.
Ссылка на элемент всегда занимает 10 битов (0..1023).
Это свойство используется при трансляции виртуальных адресов в физические.
Станица может находиться в следующих состояниях: valid, zeroed, free standby, modified, bad.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Трансляция виртуальных адресов в физические
10 битов для page directory entry, 10 битов для page table entry, 12 битов для смещения в байтах на странице.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Элемент таблицы страниц файла откачки
5 битов для защиты страницы, 20 битов для адреса фрейма страницы, 4 бита для выбора файла откачки, 3 бита для описания состояния страницы. V = 0

(C) В.О. Сафонов, 2007
Executive — менеджер процессов
Обеспечивает сервисы для создания, удаления и использования потоков и процессов.
Связи родительских процессов с дочерними и иерархии процессов обрабатываются конкретной подсистемой окружения, которая владеет данным процессом.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Executive — локальный вызов процедуры (LPC)
LPC передает запросы и результаты между клиентским и серверным процессами на локальной машине.
В частности, он используется для запросов к сервисам различных подсистем ОС.
При создании канала для LPC должно быть указано сообщение одного из трех типов.
Первый тип – маленькие сообщения, до 256 байтов; в качестве промежуточной памяти используется очередь сообщений порта, и сообщения копируются от ного процесса к другому.
Второй тип – во избежании копирования больших сообщений, передаются ссылки на разделяемые объекты, содержащие сообщения.
Третий тип - быстрый LPC – используется графическими подсистемами Win32.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Executive — менеджер ввода-вывода
Менеджер ввода-вывода отвечает за:
Файловые системы
Управление кэш-памятью
Драйверы устройств
Сетевые драйверы
Следит за тем, какие файловые системы загружены, и управляет буферами для запросов на ввод-вывод.
Взаимодействует с менеджером виртуальной памяти для обеспечения ввода-вывода в файлы, отображаемые в память.
Управляет кэш-менеджером, который обеспечивает кэширование для всей системы ввода-вывода.
Поддерживает как синхронные, так и асинхронные операции, обеспечивает тайм-ауты для драйверов, имеет механизмы для вызова одного драйвера другим драйвером.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Файловый ввод-вывод

(C) В.О. Сафонов, 2007
Executive — Монитор безопасности
Объектно-ориентированная архитектура Windows 2000 обеспечивает использование единого механизма для контроля доступа во время выполнения и аудита всех объектов системы.
Каждый раз, когда процесс получает ссылку на объект, монитор безопасности проверяет маркер безопасности процесса и список управления доступом к объекту для проверки того, имеет ли процесс необходимые права.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Executive – Менеджер Plug-and-Play
Менеджер Plug-and-Play (PnP) используется для распознавания изменений в конфигурации оборудования и адаптации к ним (установки соответствующих драйверов).
Когда добавляются новые устройства (например, PCI или USB), менеджер PnP загружает соответствующий драйвер.
Менеджер PnP также следит за ресурсами, используемыми каждым устройством.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Подсистемы окружения
Над executive надстраиваются процессы пользовательского режима, обеспечивающие исполнение программ, разработанных для других ОС.
Windows 2000 использует подсистему Win32 как основное операционное окружение; Win32 используется для запуска всех процессов. Она также обеспечивает средства работы с мышью, клавиатурой и средства графики.
Окружение MS-DOS обеспечивается приложением Win32, называемым virtual dos machine (VDM), процессом пользовательского уровня, для которого поддерживается страничная организация и диспетчеризация, как и для всех других потоков.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Подсистемы окружения (прод.)
Окружение для 16-битовых Windows:
Обеспечивается VDM, которая содержит подсистему Windows on Windows.
Предоставляет процедуры ядра Windows 3.1 для менеджера окон и функций GDI.
Подсистема POSIX спроектирована для исполнения POSIX-приложений, следующих POSIX.1 – стандарту, который базируется на модели UNIX.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Подсистемы окружения (прод.)
Подсистема OS/2 выполняет OS/2 - приложения.
Подсистема входа и безопасности аутентифицирует пользователей, входящих в систему Windows 2000. Требуется, чтобы пользователи имели имя учетной записи и пароль.
- Пакет аутентификации аутентифицирует всех пользователей, которые пытаются осуществить доступ к какому-либо объекту системы. Windows 2000 использует Kerberos как пакет аутентификации по умолчанию.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Система файлов
Фундаментальная структура системы файлов Windows 2000 (NTFS) – том (volume).
Создается утилитой администрирования диска.
Основан на логическом диске (partition).
Может занимать часть диска, целый диск или распределяться по нескольким дискам.
Все метаданные, такие как информация о томе, хранятся в обычном файле.
NTFS использует кластеры как базовую единицу выделения дисковой памяти.
Кластер – число секторов диска, размер которгого – степень двойки.
Поскольку размер кластера меньше, чем в FAT16, внутренняя фрагментация уменьшается.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Система файлов – внутреннее представление
NTFS использует логические номера кластеров 0 logical cluster numbers (LCNs) в качестве дисковых адресов.
Файл в NTFS – не просто байтовый поток, как в MS-DOS или в UNIX, но это структурированный объект, состоящий из атрибутов.
Каждый файл в NTFS описывается одной или несколькими записями в массиве, хранящемся в специальном файле, называемом Master File Table (MFT).
Каждый файл в томе NTFS имеет уникальный идентификатор (ID), называемый ссылкой на файл - file reference.
64-битовое число, состоящее из 48-битового номера файла и 16-битового номера последовательности.
Может использоваться для выполнения внутренних проверок целостности.
Пространство имен NTFS организовано в иерархию директорий; индексный корень (index root) содержит верхний уровень B+ - дерева.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Файловая система - Восстановление
Все изменения структуры данных в файловой системе выполняются как транзакции, для которых используется журнал.
Перед тем, как структура данных изменяется, транзакция заноситв журнал специальную запись, которая содержит информацию для повторного выполнения (redo) и отмены (undo) данного изменения.
После изменения структуры данных в журнал заносится информация об успешном выполнении операции.
В случае порчи информации файловая система может быть восстановлена до целостного состояния с использованием журнальных записей.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Файловая система – восстановление (прод.)
Эта схема не гарантирует, что все данные пользовательского файла могут быть восстановлены в случае порчи информации, а гарантирует лишь, что все структуры данных о файлах в системе (метаданные) не повреждены и отражают какое-либо целостное состояние данных до порчи информации.
Журнал хранится в третьем файле метаданных каждого тома.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Файловая система - Безопасность
Безопасность тома NTFS реализована на основе объектной модели Windows 2000.
Каждый файловый объект имеет дескриптор безопасности, хранящийся в записи MFT.
Данный атрибут содержит маркер доступа владельца файла, а также список управления доступом, устанавливающий права каждого пользователя для доступа к данному файлу.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Управление томами и устойчивость к сбоям
FtDisk, дисковый драйвер Windows 2000, устойчивый к сбоям, обеспечивает несколько способов объединения нескольких SCSI-дисков в один логический том.
Логически конкатенирует диски, образуя один логический том (набор дисков тома – volume set).
Обработка нескольких частей тома по принципу round-robin для формирования “полосатого множества” (stripe set), также называемого RAID уровня 0, или “disk striping”).
Вариант: stripe set with parity, или RAID уровня 5.
Зеркальное отображение дисков (Disk mirroring), или RAID уровня 1, - это надежная схема, использующая множество “зеркал” (mirror set) — две секции одного размера на разных частях диска с идентичным содержимым.
Для обработки запорченных дисковых секторов, FtDisk использует аппаратный метод, называемый предохранением секторов (sector sparing), а NTFS использует программный метод, называемый повторным отображением кластеров (cluster remapping).

(C) В.О. Сафонов, 2007
Том, размещаемый на двух дисках

(C) В.О. Сафонов, 2007
Stripe Set на двух дисках

(C) В.О. Сафонов, 2007
Stripe Set With Parity на трех дисках

(C) В.О. Сафонов, 2007
Mirror Set на двух дисках

(C) В.О. Сафонов, 2007
Файловая система - сжатие
Для сжатия файла NTFS разделяет данный файла на модули сжатия (compression units) - блоки по 16 смежных кластерах.
Для не смежно расположенных файлов NTFS использует другой метод экономии памяти.
Кластеры, содержащие только нули, фактически не хранятся на диске.
Вместо этого, в последовательности виртуальных номеров кластеров оставлены пропуски, информация о которых хранится в элементе MFT для данного файла.
При чтении из файла, если найден пропуск в нумерации виртуальных кластеров, NTFS просто заполняет нулями соответствующую часть буфера.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Файловые системы – точки повторного анализа (reparse points)
Точки повторного анализа при обращении вызывают генерацию кода ошибки. Они содержат информацию для менеджера ввода-вывода, какие действия выполнять дальше.
Точки повторного анализа могут быть использованы для обеспечения функциональности монтирования, как в UNIX.
Они могут быть также использованы для доступа к файлам, которые перенесены в отдельно размещаемую память.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Сетевые средства
Windows 2000 поддерживает как одноранговую связь, так и клиент-серверную связь в сетях; она также содержит средства для управления сетями.
Для описания сетевых средств в Windows 2000, будем ссылаться на два внутренних интерфейса:
NDIS (Network Device Interface Specification) — отделяет сетевые адаптеры от транспортных протоколов, так чтобы каждый из них можно было изменить, не оказывая влияния на другой.
TDI (Transport Driver Interface) — обеспечивает, чтобы каждая из компонент уровня сеанса могла использовать любой транспортный механизм.
Windows 2000 реализует транспортные протоколы как драйверы, который могут быть динамически добавлены к системе или удалены из нее.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Сетевые средства – Протоколы
Протокол “server message block” (SMB) используется для передачи через сеть запросов на ввод-вывод. Он имеет четыре типа сообщений:
Session control
File
Printer
Message
Система Network basic Input/Output system (NetBIOS) - сетевой интерфейс с абстрагированием от аппаратуры. Используется для:
Установки логических имен в сети.
Установления логической последовательности сеансов между двумя логическими именами в сети.
Поддержки надежной передачи данных для сеанса с помощью запросов NetBIOS или SMB.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Сетевые средства – протоколы (прод.)
NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface): протокол по умолчанию для одноранговых сетей Windows 95 и Windows for Workgroups; используется для совместного использования ресурсов в подобных сетях.
Windows 2000 использует протокол Интернета TCP/IP для соединения с различными ОС и аппаратными платформами.
PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol) используется для коммуникации между модулями Remote Access Server, работающими на машинах под Windows 2000, соединенных через Интернет.
Протокол NWLink соединяет сети NetBIOS и Novell NetWare.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Сетевые средства – протоколы (прод.)
Протокол Data Link Control (DLC) используется для доступа к mainframe-компьютерам IBM и принтерам HP, непосредственно подсоединенным к сети.
Системы на базе Windows 2000 могут взаимодействовать с компьютерами Macintosh с помощью протокола Apple Talk, если сервер в сети, работающий под Windows 2000, использует пакет Windows 2000 Services for Macintosh.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Сетевые средства – механизмы распределенной обработки
Windows 2000 поддерживает распределенные приложения с помощью именованных NetBIOS, именованных конвейеров (pipes), mailslots, Windows Sockets, Remote Procedure Calls (RPC) и Network Dynamic Data Exchange (NetDDE).
NetBIOS могут взаимодействовать через сеть, используя NetBEUI, NWLink или TCP/IP.
Именованные конвейеры – это механизм передачи сообщений через сетевую коннекцию. Они именуются с использованием uniform naming convention (UNC).
Mailslots – это механизм передачи сообщений без непосредственного использования коннекции, основанный на приложениях типа поиска компонент в сети.
Winsock, API для реализации сокетов под Windows, - это интерфейс уровня сеанса, который обеспечивает стандартизованный интерфейс для многших транспортных протоколов, которые могут иметь различные схемы адресации.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Механизмы распределенной обработки (прод.)
Механизм RPC в Windows 2000 следует широко используемому стандарту Distributed Computing Environment для RPC - сообщений, так что прогнаммы, использующие RPC для Windows 2000, имеют высокую степень переносимости.
RPC – сообщения посылаются с использованием NetBIOS, или Winsock в сетях TCP/IP, или именованные конвейеры в сетях LAN Manager.
Windows 2000 предоставляет Microsoft Interface Definition Language для описания имен, аргументов и результатов удаленных процедур.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Сетевые средства – перенаправления и серверы
В Windows 2000 приложение может использовать API для ввода-вывода Windows 2000 для доступа к файлам удаленного компьютера, как к локальным файлам, при условии, что на удаленном компьютере исполняется MS-NET server.
Перенаправитель (redirector) - это объект клиентской стороны, который пересылает запросы на ввод-вывод удаленных файлов. Эти запросы затем удовлетворяются сервером.
Для повышения производительности и обеспечения безопасности, перенапрпавители и серверы выполняются в режиме ядра.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Доступ к удаленному файлу
Приложение вызывает менеджер ввода-вывода для запроса на открытие файла (предполагается, что имя файла – в стандартном формате UNC).
Менеджер ввода-вывода конструирует пакет запроса на ввод-вывод.
Менеджер ввода-вывода распознает, что это запрос к удаленному файлу, и вызывает специальный драйвер, называемый Multiple Universal Naming Convention Provider (MUP).
MUP посылает пакет запроса на ввод-вывод асинхронно всем зарегистрированным перенаправителям.
Перенаправитель, который может удовлетворить данный запрос, отвечает MUP.
Для того, чтобы не задавать тот же вопрос перенаправителям в будущем, MUP использует кэш-память для запоминания того, какой перенаправитель может работать с этим файлом.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Доступ к удаленному файлу (прод.)
Перенаправитель посылает сетевой запрос удаленной системе.
Сетевые драйверы удаленной системы получают запрос и передают его драйверу сервера.
Драйвер сервера перепоручает этот запрос драйверу соответствующей файловой системы.
Соответствующий драйвер вызывается для доступа к данным.
Результаты возвращаются драйверу сервера, который пересылает данные перенаправителю, передавшему запрос.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Сетевые средства - Домены
Windows NT использует концепцию домена (domain) для управления глобальными правами доступа между группами.
Домен – это группа машин, использующих Windows NT Server, которые используют одну и ту же политику безопасности и одну и ту же пользовательскую базу данных.
Windows 2000 обеспечивает три модели установки доверительных связей.
Однонаправленную - A доверяет B
Двунаправленную, или транзитивную - A доверяет B, B доверяет C, следовательно, A, B, C доверяют друг другу
Перекрестную (Crosslink) – допускает, чтобы аутентификация миновала иерархию, с целью сокращения аутентификационного трафика.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Разрешение имен в сетях TCP/IP
В сети IP разрешение имен – это процесс преобразования имени компьютера в IP-адрес.
Например, www.bell-labs.com преобразуется в 135.104.1.14
Windows 2000 обеспечивает несколько методов разрешения имен:
Windows Internet Name Service (WINS)
broadcast name resolution
domain name system (DNS)
a host file
an LMHOSTS file

(C) В.О. Сафонов, 2007
Разрешение имен (прод.)
WINS состоит из одного или более WINS – серверов, поддерживающих динамическую базу данных о связях между именами и IP-адресами, а также клаентское программное обеспечение для запросов к серверам.
WINS использует Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), который автоматически обновляет адресные конфигурации в базе данных WINS без вмешательства пользователя или системного администратора.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Программный интерфейс – Доступ к объектам ядра.
Процесс получает доступ к объекту ядра, называемому XXX, путем вызова функции CreateXXX для получения (открытия) ссылки (handle) на XXX; ссылка уникальна для данного процесса.
Ссылка может быть закрыта вызовом функции CloseHandle; система может удалить данный объект, если счетчик ссылок на него стал равным нулю.
Windows 2000 три способа совместного использования объекта несколькими процессами.
Дочерний процесс наследует ссылку на объект.
Один процесс дает объекту имя при его создании, а другой процесс открывает данное имя.
Функция DuplicateHandle:
Если известна ссылка на процесс и значение ссылки, то другой процесс может получить ссылку на тот же объект.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Программный интерфейс – Управление процессами
Процесс запускается функцией CreateProcess, которая загружает все DLL, используемые процессом, и создает первичный поток (primary thread).
Дополнительные потоки могут создаваться функцией CreateThread.
Каждай DLL или exe-файл, загружаемые в адресное пространство процесса, идентифицируются ссылкой на экземпляр (instance handle).

(C) В.О. Сафонов, 2007
Управление процессами (прод.)
Планирование в Win32 использует четыре класса приоритетов:
IDLE_PRIORITY_CLASS (уровень приоритетов 4)
NORMAL_PRIORITY_CLASS (уровень 8 — типичный для большинства процессов
HIGH_PRIORITY_CLASS (уровень 13)
REALTIME_PRIORITY_CLASS (уровень 24)
Для обеспечения уровней произвыодительности, необходимых для интерактивных программ, Windows 2000 использует специальное правило планирования для процессов с NORMAL_PRIORITY_CLASS.
Windows 2000 различает основной процесс (foreground process), который в данный момент выбран на экране, и фоновые процессы (background processes), которые не выбраны в данный момент.
Когда процесс становится основным, Windows 2000 увеличивает его квант планирования в несколько раз, как правило – в три.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Управление процессами (прод.)
Ядро динамически изменяет приоритет потока, в зависимости от того, связан ли он с вводом-выводом или с процессором.
Для синхронизации доступа к общим объектам несколькими потоками ядро предоставляет синхронизирующие объекты, такие как семафоры и мьютексы (mutexes).
Кроме того, потоки могут синхронизироваться с использованием функций WaitForSingleObject или WaitForMultipleObjects.
Другой метод синхронизации в Win32 API – критическая секция.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Управление процессами (прод.)
Волокно (fiber) – это код пользовательского режима, исполнение которого планируется по алгоритму, определенному пользователем.
В каждый момент времени разрешено исполняться только одному волокну, даже на многопроцессорной аппаратуре.
Windows 2000 поддерживает концепцию волокон с целью переноса унаследованных (legacy) UNIX-приложений, написанных на основе модели исполнения волокон.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Программный интерфейс – Взаимодействие процессов
Win32 – приложения могут выполнять взаимодействие между процессами путем совместного использования разделяемых объектов ядра.
Альтернативный способ взаимодействия процессов – передача сообщений; он наиболее популярен для Windows GUI - приложений.
Один поток посылает сообщение другому потоку или окну.
Вместе с сообщением поток может также посылать данные.
Каждый поток Win32 имеет свою входную очередь, из которой данный поток получает сообщения.
Это более надежно, чем общая входная очередь, применяемая в 16-битовой версии Windows, так как при использовании отдельных очередей одно подвисшее приложение не может блокировать другие.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Программный интерфейс –
Управление памятью
Виртуальная память:
VirtualAlloc резервирует или согласует для резервирования виртуальную память.
VirtualFree освобождает виртуальную память.
Эти функции дают возможность приложению запомнить виртуальный адрес, по которому была выделена виртуальная память.
Приложение может использовать память, отобразив файл в свое адресное пространство.
Многоэтапный процесс.
Два процесса совместно используют память, отображая один и тот же файл в свою виртуальную память.

(C) В.О. Сафонов, 2007
Управление памятью (прод.)
Куча (heap) в окружении Win32 – это область (region) зарезенвированного адресного пространства.
Процесс Win 32 создается с кучей, размер которой по умолчанию равен 1 MB.
Доступ к ней синхронизирован, с целью защиты структур данных, связанных с распределением памяти в куче, от разрушения при совместном доступе из нескольких потоков.
Поскольку функции, которые основаны на глобальных или статических данных, одычно неправильно работают в многопоточном окружении, предоставлен механизм выделения глобальной, но связанной с конкретным потоком памяти (thread-local storage).
Данный механизм предоставляет как статические, так и динамические методы выделения памяти, связанной с потоком.