Открытые системы: история и эволюция

Общие ссылки
по открытым системам
1. http://www.intuit.ru/department/se/pposix/
2. http://www.intuit.ru/department/se/posix2/
3. http://www.ecolan.ru/terms.htm
4. http://www.opennet.ru/standard.shtml
5.http://www.opengroup.org/certification/idx/posix.html

История вопроса

Когда сетевая обработка стала реальностью, пользователи начали обращать внимание на совместимость и возможность интеграции как на необходимые атрибуты открытых систем
ISO в 1977-78 годах развернула интенсивные работы по созданию стандартов взаимосвязи в сетях открытых систем
На основе архитектуры SNA в ходе этих работ была создана семиуровневая модель взаимосвязи открытых систем OSI - Open Systems Interconnection Basic Reference Model

Модель взаимосвязи открытых систем описывает общие принципы взаимосвязи открытых систем и используется в качестве основы для разработки стандартов ISO
Тогда же впервые было введено определение открытой информационной системы.

HP
Открытая система - это совокупность разнородных компьютеров, объединенных сетью, которые могут работать как единое интегрированное целое, независимо от того:
· где они расположены;
· как в них представлена информация;
· кем они изготовлены;
· под управлением какой операционной системы они работают

7 уровней ISO

Физический уровень
Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Канальный уровень
В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с совершенно определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Сетевой уровень
Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Начнем их рассмотрение на примере объединения локальных сетей.

Транспортный уровень
На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека — прикладному и сеансовому — передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное — способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Сеансовый уровень
Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительский уровень
Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень
Прикладной уровень (Application layer) — это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Соответствие функций модели OSI

Сетезависимые и независимые уровни

NIST
Открытая система - это система, которая способна взаимодействовать с другой системой посредством реализации международных стандартных протоколов.
Открытыми системами являются как конечные, так и промежуточные системы. Однако открытая система не обязательно может быть доступна другим открытым системам. Эта изоляция может быть обеспечена или путем физического отделения или путем использования технических возможностей, основанных на защите информации в компьютерах и средствах коммуникаций

IEEE POSIX 1003.0
Открытая система - это система, реализующая открытые спецификации на интерфейсы, службы и форматы данных, достаточные для того, чтобы обеспечить:
· возможность переноса (мобильность) прикладных систем, разработанных должным образом, с минимальными изменениями на широкий диапазон систем;
· совместную работу (интероперабельность) с другими прикладными системами на локальных и удаленных платформах;
· взаимодействие с пользователями в стиле, облегчающем последним переход от системы к системе (мобильность пользователей).

В 1982 году был сделан первый RISC-процессор

Это событие не вызвало в то время больших откликов, однако оно в значительной степени определило развитие открытых систем до конца десятилетия и играет решающую роль и сегодня

RISC архитектура обеспечила существенное повышение производительности микропроцессоров
RISC архитектура предоставила аппаратную базу для реализации эффективной переносимости программ для процессоров разных производителей

RISC процессоры вне зависимости от конкретных реализаций, принадлежащих различным производителям, имеют ряд общих, особенностей

Большинство машинных команд исполняется за один машинный цикл
Регистровая архитектура: все команды обработки выбирают операнды и помещают результаты только в регистрах

Обращение к ОЗУ производится только командами чтения/записи
Конвейерная обработка команд, которая позволяет исполнять несколько команд одновременно
Простой фиксированный формат команд с небольшим количеством методов адресации ОЗУ

Наличие быстродействующей памяти: любая RISC машина имеет, по крайней мере, 32 регистра общего назначения и большую кэш-память
Упрощенный набор команд, из которого исключены многоцикловые команды, предназначенные для реализации сложных функций, что обеспечивает предельно короткий машинный цикл и высокое быстродействие аппаратуры.

Характерная для архитектуры RISC элементарность набора команд позволяет приблизить эффективность программ, написанных на языках высокого уровня, к эффективности программ в машинном коде и автоматизировать процесс настройки программ для их оптимизации

Использование стандартных компиляторов сделало возможным обеспечить на уровне языков высокого уровня эффективную мобильность программ
RISC процессоры обеспечили идеальные условия и для массового внедрения операционной системы (ОС) UNIX

С появлением мощных RISC-микропроцессоров с 32-х разрядной архитектурой UNIX проявила себя как наиболее перспективная открытая операционная среда.
Исторически OC UNIX оказалась самым жизненным вариантом для создания общей базы переносимости.
Она удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к открытым системам.

Прикладные программы, создаваемые для работы в UNIX, при определенных условиях могут иметь весьма высокую переносимость как в другие UNIX-подобные системы, так, во многих случаях, и в системы, удовлетворяющие стандартам на интерфейсы

Одна из причин рассматривать систему UNIX в качестве базовой ОС для использования в открытых системах состоит в том, что эта ОС почти целиком написана на языке высокого уровня, модульна и относительно гибка

OC UNIX составлена из основных компонентов, включающих ядро, инструментальные утилиты и оболочку
Ядро, составляющее сердцевину UNIX`a, состоит из относительно маленького набора программ, предоставляющих системные ресурсы и непосредственно взаимодействующих с аппаратурой

УТИЛИТЫ
Утилиты - программы внешнего по отношению к ядру уровня - выполняют основные действия по обработке данных, обращаясь в определенной последовательности к процедурам ядра
Отдельные утилиты, решающие простые задачи, могут объединяться с другими утилитами для выполнения более сложных действий

ОБОЛОЧКА
Оболочка предоставляет пользовательский интерфейс и действует в точности так же, как и любая другая программа
Поскольку она не интегрирована в ядро, ее можно разработать заново при изменении требований.

Хотя OC UNIX машинно-независима, программы, которые реализуют некоторые службы, и часть кода зависят от аппаратуры

Прикладные системы, использующие особенности конкретной версии UNIX, также как в MS-DOS, реализационно зависимы.

Привлекательный аспект, связанный с OC UNIX, также состоит в том, что компания AT&T готова предоставлять лицензии на нее.

Однако это приводит также и к появлению множества различных и несовместимых реализаций
Не все поставщики выбирали лицензионные продукты, останавливаясь вместо этого на разработке систем подобных UNIX с различной степенью совместимости

Деятельность ряда организаций, таких как UniForum, POSIX и X/Open, направлена на поиск общего функционального ядра, которое позволило бы достичь переносимости между различными системами

Понятие подхода
Открытых Систем

IEEE POSIX 1003.0
Открытая система - это система, реализующая открытые спецификации на интерфейсы, службы и форматы данных, достаточные для того, чтобы обеспечить:
- возможность переноса (мобильность) прикладных систем, разработанных должным образом, с минимальными изменениями на широкий диапазон систем;
- совместную работу (интероперабельность) с другими прикладными системами на локальных и удаленных платформах;
- взаимодействие с пользователями в стиле, облегчающем последним переход от системы к системе (мобильность пользователей)

Ключевой момент в этом определении - использование термина "открытая спецификация", что в свою очередь определяется как "общедоступная спецификация, которая поддерживается открытым, гласным согласительным процессом, направленным на постоянную адаптацию новой технологии, и соответствует стандартам"

Согласно этому определению, открытая спецификация не зависит от конкретной технологии, т.е. не зависит от конкретных технических или программных средств или продуктов отдельных производителей.

Открытая спецификация одинаково доступна любой заинтересованной стороне
Более того, открытые спецификации находятся под контролем общественного мнения, так что все заинтересованные стороны могут принимать участие в ее развитии

Общие свойства
открытых систем
• расширяемость/масштабируемость -extensibility/scalability,
• мобильность (переносимость) - portalility,
• интероперабельность (способность к взаимодействию с другими системами) - interoperability,
• дружественность к пользователю, в т.ч. - легкая управляемость - driveability.

В идеале, в мире открытых систем:
любые прикладные программы должны исполняться на любых системах,
персонал должен либо очень мало, либо практически совсем не переучиваться при переходе от одной среды к другой
все системы должны иметь возможность связываться друг с другом для свободного распространения и обмена информацией

Архитектура открытой системы оказывается иерархическим описанием ее внешнего облика и каждого компонента с точки зрения:
• пользователя (пользовательский интерфейс),
• проектировщика системы (среда проектирования),
• прикладного программиста (системы и инструментальные средства /среды программирования),
• системного программиста (архитектура ЭВМ),
• разработчика аппаратуры (интерфейсы оборудования).

Подход открытых систем пользуется успехом только потому, что обеспечивает преимущества для разного рода специалистов, связанных с областью компьютеров

Для пользователя открытые системы обеспечивают следующее:
• новые возможности сохранения сделанных вложений благодаря свойствам эволюции, постепенного развития функций систем, замены отдельных компонентов без перестройки всей системы

освобождение от зависимости от одного поставщика аппаратных или программных средств, возможность выбора продуктов из предложенных на рынке при условии соблюдения поставщиком соответствующих стандартов открытых систем

дружественность среды, в которой работает пользователь, мобильность персонала в процессе эволюции системы;
• возможность использования информационных ресурсов, имеющихся в других системах (организациях).

Проектировщик информационных систем получает:
• возможность использования разных аппаратных платформ;
• возможность совместного использования прикладных программ, реализованных в разных операционных системах;
• развитые средства инструментальных сред, поддерживающих проектирование;
• возможности использования готовых программных продуктов и информационных ресурсов.

Разработчики общесистемных программных средств имеют:
• новые возможности разделения труда, благодаря повторному использованию программ(reusability);
• развитые инструментальные среды и системы программирования;
• возможности модульной организации программных комплексов благодаря стандартизации программных интерфейсов.

Открытые Системы и объектно-ориентированный подход

Основные свойства открытых систем хорошо поддерживаются объектно-ориентированным подходом к реализации системы

Мобильность.
Инкапсуляция позволяет хорошо скрыть машинно-зависимые части системы, которые должны быть реализованы заново при переходе на другую платформу.
При этом гарантируется, что остальная часть системы не потребует изменений.
При реализации новых машинно-зависимых частей многое может быть взято из уже существующей системы благодаря механизму наследования

Расширяемость.
Наследование позволяет сэкономить значительные средства при расширении системы, поскольку многое не нужно создавать заново, а некоторые новые компоненты можно получить, лишь слегка изменив старые.
Кроме повторного использования, увеличивается также надежность, поскольку используются уже отлаженные компоненты.
Возможность конструирования абстрактных типов данных для создания новых средств - обеспечивается самим понятием класса, объединяющего похожие объекты с одинаковым набором операций

Интероперабельность.
Способность системы взаимодействовать с другими системами хорошо поддерживается принципом посылки сообщения и соответствующими понятиями полиморфизма и динамического связывания
В сообщении объекту (возможно удаленному) передается имя действия, которое должно быть им выполнено, и некоторые дополнительные аргументы сообщения

Как это действие выполнять - знает и решает только сам объект - получатель сообщения.
От него только требуется выдать в ответ результат.
Совершенно очевидно, что разные объекты будут по-разному реагировать на одинаковые сообщения (полиморфизм)

Кроме того, очень удобно выбирать способ реализации в последний момент - при ответе на сообщение, в зависимости от текущего состояния системы (динамическое связывание).
Для того, чтобы разные системы могли обмениваться сообщениями, необходима либо единая трактовка всех типов данных, в том числе абстрактных, либо индивидуальная процедура преобразования сообщения для каждой пары неодинаковых взаимодействующих систем

Простота понятия абстрактных типов данных в объектно-ориентированных системах существенно облегчает разработку такой процедуры

Дружественность.
Удобство взаимодействия человека с системой требует от последней наличия всех трех вышеуказанных качеств.
Мобильность необходима ввиду быстрой смены старых и появления новых устройств, в частности, средств мультимедиа.
Расширяемость требуется для разработки программной поддержки новых парадигм общения человека с машиной.
Интероперабельность просто рассматривает человека как другую систему, с которой открытая система должна уметь взаимодействовать

Стандарты Открытых Систем

Стандарты не нужны, ибо…
они изначально бессмысленны, так как их авторы не пишут компьютерных программ;
они сковывают инициативу программистов;
программисты всегда договорятся и без стандартов.

Это бред, ибо …
Интуитивно считается, что ГОСТ имеет силу закона, нарушение которого преследуется; POSIX - совокупность требований, следование которым - дело исключительно добровольное.
ГОСТ действует вплоть до отмены (многим, наверное, приходилось слышать выражение "ГОСТ никто не отменял"); в преамбуле к POSIX говорится, что если стандарт не пересматривался в течение 5 лет, это означает, что рассматриваемые в нем вопросы, скорее всего, потеряли актуальность, и его можно считать отмененным автоматически;
ГОСТ анонимен; во вводной части POSIX приводится список тех лиц, которые участвовали в разработке этого стандарта, а также дается адрес, по которому можно направлять запросы по интерпретации; говорится также, что ответ на каждый запрос подвергается процедуре согласования (иными словами, авторы стандарта договариваются между собой, прежде чем дать ответ).

В настоящее время в мире существует несколько авторитетных сообществ, занимающихся выработкой стандартов открытых систем.
Однако исторически и, по-видимому, до сих пор наиболее важной деятельностью в этой области является деятельность комитетов POSIX

Первая рабочая группа POSIX (Portable Operating System Interface) была образована в IEEE в 1985 г. на основе UNIX-ориентированного комитета по стандартизации /usr/group (ныне UniForum)

Однако постепенно тематика работы рабочих групп POSIX (а со временем их стало несколько) расширилась настолько, что стало возможным говорить не о стандартной ОС UNIX, а о POSIX-совместимых операционных средах, имея в виду любую операционную среду, интерфейсы которых соответствуют спецификациям POSIX

Сейчас функционируют и регулярно выпускают документы следующие рабочие группы POSIX

POSIX 1003.0.
Рабочая группа, выпускающая "Руководство по POSIX-совместимым средам Открытых Систем".
Это руководство содержит сводную информацию о работе и текущем состоянии документов всех других рабочих групп POSIX, а также других тематически связанных организаций, связанных со стандартизацией интерфейсов Открытых Систем.
POSIX 1003.1.
Интерфейсы системного уровня и их привязка к языку Си.
В документах этой рабочей группы определяются обязательные интерфейсы между прикладной программой и операционной системой. С выпуска первой версии этого документа началась работа POSIX, и он в наибольшей степени связан с ОС UNIX, хотя в настоящее время интерфейсы 1003.1 поддерживаются в любой операционной среде, претендующей на соответствие принципам Открытых Систем

POSIX 1003.2. Shell и утилиты.
Рабочая группа специфицирует стандартный командный язык shell, основанный главным образом на Bourne shell, но включающий некоторые черты Korn shell.
Кроме того, в документах этой рабочей группы специфицировано около 80 утилит, которые можно вызывать из процедур shell или прямо из прикладных программ.
В документах серии 1003.2a описываются дополнительные средства, позволяющие пользователям работать с системой с помощью только ASCII-терминалов.
POSIX 1003.3.
Общие методы проверки совместимости с POSIX.
Целью рабочей группы является разработка методологии проверки соответствия реализаций стандартам POSIX.
Документы рабочей группы используются в различных организациях при разработке тестовых наборов.

POSIX 1003.4.
Средства, предоставляемые системой для прикладных программ реального времени.
В соответствии с определением 1003.4, системой реального времени считается система, обеспечивающая предсказуемое и ограниченное время реакции.
Работа ведется в трех секциях: файловые системы реального времени, согласованные многопотоковые (multithread) архитектуры, а также в секции, занимающейся такими вопросами, как семафоры и сигналы.
POSIX 1003.5.
Привязка языка Ада к стандартам POSIX.
В документах этой рабочей группы определяются правила привязки программ, написанных на языке Ада, к системным средствам, определенным в POSIX 1003.1.

POSIX 1003.6.
Расширения POSIX, связанные с безопасностью.
Разрабатываемый набор стандартов базируется на критериях министерства обороны США и будет определять безопасную среду POSIX.
POSIX 1003.7.
Расширения, связанные с администрированием системы.
Стандарт, разрабатываемый рабочей группой, будет определять общий интерфейс системного администрирования, в частности, разнородных сетей. Отправной точкой является модель OSI.

POSIX 1003.8.
Прозрачный доступ к файлам.
Будут обеспечены интерфейсы и семантика прозрачного доступа к файлам, распределенным в сети.
Работа основывается на анализе существующих механизмов: NFS, RFS, AFS и FTAM.
POSIX 1003.9.
Привязка языка Фортран.
Определяются правила привязки прикладных программ, написанных на языке Фортран, к основным системным средствам.

POSIX 1003.10.
Общие черты прикладной среды суперкомпьютеров (Application Environment Profile - AEP).
POSIX 1003.11.
Общие черты прикладной среды обработки транзакций (On-line Transaction Processing Application Environment - OLTP).

POSIX 1003.12.
Независимые от протоколов коммуникационные интерфейсы.
Разрабатываются два стандартных набора интерфейсов для независимых от сетевых протоколов коммуникаций "процесс-процесс".
Результаты должны обеспечивать единообразную работу с TCP/IP, OSI и другими системами коммуникаций.
POSIX 1003.13.
Общие черты прикладных сред реального времени. POSIX 1003.14.
Общие черты прикладных сред мультипроцессоров.
Помимо прочего, должны быть предложены соответствующие расширения стандартов других рабочих групп.

POSIX 1003.15.
Расширения, связанные с пакетной обработкой.
Определяются интерфейсы пользователя и администратора и сетевые протоколы для пакетной обработки.
POSIX 1003.16.
Привязка языка Си.
Задача проекта, выполняемого реально рабочей группой 1003.1, состоит в выработке правил привязки международного стандарта языка Си (ISO 9989) к независимым от языка интерфейсам, определяемым POSIX 1003.1-1990 (ISO 9945-1).