Файл: Сетевые операционные системы (Условия, предъявляемые к сетевым ос).pdf

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

В современном компьютерном мире широко распространены домашние сети, сети малого офиса, сети крупных компании, Дата-центр (ЦОД/ЦХОД) т.д. С развитием компьютерных сетей совершенствуются и развиваются сетевые операционные системы. На данный момент существует огромное множество операционных систем различных видов, отличающимися: аппаратными платформами, методами реализации и областями применения. Это обуславливает и значительные функциональные различия этих ОС. Если взять для рассмотрения конкретную операционную систему, то набор выполняемых функций зачастую определить не так просто — функция, которая сегодня выполняется внешним по отношению к ОС компонентом, на следующий день будет ее неотъемлемой частью и наоборот. Поэтому при изучении ОС важно из всего разнообразия выделить функции, свойственные всем операционным системам. Сетевая операционная система похожа на операционную систему автономного компьютера — представляет собой комплекс взаимосвязанных программ, обеспечивающий удобство работы пользователям и программистам путем обеспечения им некоторой виртуальной вычислительной системы, и дает эффективный способ распределения ресурсов между радом выполняемых в сети процессов.

Компьютерная сеть — это набор компьютеров, связанных коммуникационной системой и снабженных ПО (программным обеспечением), позволяющий пользователям, находящимся в сети, получить доступ к ресурсам этого набора компьютеров. В состав сети могут входить компьютеры разных видов, которыми могут быть: персональные компьютеры, ноутбуки, сервера в разном исполнении (начиная от обычных tower серверов и заканчивая большими блэйд-серверами, подключенными к коммутаторам через fibre channel). Коммуникационная система может включать: патч-корды (оптика, медь), маршрутизаторы коммутаторы, повторители и другие устройства, обеспечивающие передачу информации между компьютерами в сети. Сеть обеспечивает пользователю возможность работать со своим компьютером как с автономным и прибавляет к этому возможность доступа к ресурсам (информационным и аппаратным) других компьютеров сети. В организации сетевой работы ОС играет роль интерфейса, скрывающего от пользователя детали низкоуровневых программно-аппаратных средств сети. Например, вместо адресов компьютеров сети, таких как физический(МАС) и сетевой (IP), ОС компьютерной сети позволяет использовать удобные символьные имена. В результате пользователь получает понятный набор разделяемых ресурсов.

Цель исследования – произвести технический обзор коммерческих и свободно распространяемых сетевых ОС, для того чтобы произвести анализ их возможностей и определить области применения. 

Предмет исследования - возможности современных сетевых ОС и их основные характеристики.

Задачи исследования:

Изучить: основные понятия, функции, состав и принципы работы сетевых операционных систем; архитектуры современных сетевых операционных систем; особенности построения и функционирования современных сетевых операционных системы; принципы управления ресурсами в сетевой операционной системе;

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

1.1 Основы построения сетевой операционной системы

1.1.1 Условия, предъявляемые к сетевым ос

Одной из основных задач любой, в том числе и сетевой, ОС является управление распределением ресурсов. Она должна управлять использованием ресурсов вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть, например, пропускная способность или скорость реакции(реактивность) системы. Управление ресурсами содержит решение общих задач, не зависящих от ресурса: планирование использования ресурса, а именно - определение приоритетного процесса, объема ресурса, который необходимо выделить; мониторинг состояния ресурса, то есть поддержание набора оперативной информации о степени занятости ресурса.

Сетевая операционная система (СОС) позволяет распределять ресурсы не только локально, но и в рамках сети объединяющей машины со своими средствами межсетевого взаимодействия. Обязательным условием является программная поддержка для сетевых интерфейсных устройств, а также средства удаленного подключения к компьютерам, находящимся в сети и средства для удаленного доступа к ресурсам. Тем не менее эти дополнения существенно не меняют структуру операционной системы. На нынешнем уровне развития компьютерных технологий наличие у ОС возможностей сетевого взаимодействия – это необходимость.

Характеристики сетевой ОС.

Сегодня на рынке представлен огромный выбор компьютеров, что влечет за собой разнообразие операционных систем: для рабочих станций (напр. под управлением Windows NT (Windows 7,8,8.1,10), UNIX-подобные (Ubuntu, Centos, Debian), серверов предприятия (напр. под управлением Windows NT (Windows Server 2008,2008r2,2012,2012r2,2016), UNIX-подобные (Ubuntu Server, Debian, Centos), маршрутизаторов и сетевых устройств(RouterOS). К этим системам предъявляются различные требования по функциональности и производительности. Желательно, если они будут иметь определенный набор характеристик, который мог обеспечить им совместную работу c различными ОС:

1. Многопроцессорность: симметричная (распределение нагрузки между процессорами), асимметричной (один процессор выполняет один процесс). [7,39]
2. Многозадачность: Многозадачная ОС управляет ресурсами, разделяемыми несколькими одновременно выполняющимися конкурирующими программами. В зависимости от заложенного алгоритма, многозадачность подразделяется на несколько типов управления разделением процессорного времени. Основные виды многозадачности – вытесняющая (Система выделяет квант времени процессу или нити, затем происходит прерывание их выполнения и выделяет квант времени следующему процессу или нити) и кооперативная (процесс самостоятельно определяет в какой момент времени необходимо вернуть ОС управление, примером является ожидание ввода с клавиатуры). [7,48]
3. Многонитеевость: Позволяет производить вычисления параллельно, в рамках одного процесса. С точки зрения программирования нить – информация о состоянии (контексте) процесса. Нить создается и используется таким образом, что несколько процессов (нитей) может выполняться в рамках одного кода, но с использованием разных данных об окружении (контекстах). В большинстве случаев многонитевость применяется при написании серверных приложений, которым необходимо взаимодействовать единообразно с заранее неизвестным количеством пользователей. [7,63]

ОС делятся по критерию оптимизации на системы:

1. Пакетной обработки: критерий эффективности – максимальное число решенных задач, которые поступают в ОС наборами (пакетами). ОС оптимизирует выполнение задач, а не взаимодействие с пользователем.
2. Реального времени: характеризуется тем, что ее функционирование определено внешними запросами, поступающими в заранее не определенное время. Последний запрос всегда имеет наивысший приоритет выполнения. Это означает, что все остальные задачи, которые были в системе, откладываются, и начинается обработка вновь поступившего запроса. Обработка каждого запроса имеет жесткие временные рамки. [7,95]
3. Разделения времени: в этих системах постулировано. Что каждая задача за некоторое время должна иметь доступ к центральному процессору. Иными словами, в таких ОС существует очередь задач, в которой каждая задача выполняется небольшое, но всегда гарантированное время. Сколько бы задач не ни находилось в системе одновременно, все они будут выполняться в течении некоторого промежутка времени. Каждая задача всегда имеет доступ к ресурсам центрального процессора. [7,101]

Большая часть СОС относится к последним двум типам.

Кроме того, сетевые ОС делятся на СОС с интегрированными сетевыми функциями и на оболочки с сетевыми функциями над локальными ОС.

Набор критериев.

Проанализируем ряд критериев, на основе которого решается, на сколько хорошо конкретная ОС может осуществлять функции сетевой. Основные требования, предъявляемые фирмами к сетевым ОС:

1. Архитектура – какие алгоритмы поддерживает операционная система и какими ресурсами может управлять. Имеется ли возможность запуска на многопроцессорной архитектуре, какие микропроцессорные архитектуры поддерживаются.
2. Производительность – скорость исполнения СОС необходимого класса задач, число одновременных обращений пользовательских процессов которое в состоянии обслужить система.
3. Масштабируемость – количество ресурсов, которыми сможет управлять операционная система.
4. Обеспечение поддержки широкого спектра сетевого оборудования.
5. Надежность – поддержка средствами СОС средств резервирования данных, транзакций, поддержка или нахождение в составе СОС надежной файловой системы.
6. Безопасность – степень защиты информации поддерживаемый СОС, какая система прав доступа поддерживается.
7. Средства администрирования – какой набор утилит используется для администрирования СОС.
8. Поддержка сетевых сред – поддерживает ли СОС физические устройства, работающие с Ethernet, Token ring, оптоволокном и т.п.
9. Поддержка стеков протоколов – на каких и скольких стеках протоколов может работать СОС и поддержка программного обеспечения для работы с данными в рамках глобальной сети Интернет.
10. Сетевая печать – насколько поддерживается средствами СОС принтеров на сервер, очередей на принтер.
11. Приложения – какие приложения включены в стандартную поставку СОС, какую минимальную функциональность гарантирует СОС (это могут быть почтовые сервера и клиенты, сервера печати, файловые серверы, серверы приложений, средства разработки и т.п.).
12. Совместимость – как СОС совместима с уже имеющимися программно-аппаратными комплексами компании.

На основе этого можно сделать заключение, что корректно спроектированная сетевая ОС должна: иметь возможность работать на многопроцессорном ЭВМ (с симметричной многопроцессорностью); в рамках процесса должны поддерживаться нити; уметь работать в режиме многозадачности; иметь возможность работы в многопользовательском режиме.

В каждой конкретной ситуации, при выборе сетевой ОС стоит руководствоваться выводам, на основе набора, приведенного выше.

Структура сетевой ОС

Компьютер с установленной сетевой операционной системой в большей степени автономен. Под сетевой ОС подразумевается совокупность ОС отдельных компьютеров, воздействующих с целью обмена информацией и разделения ресурсов по единым правилам – протоколам. В более узком смысле СОС – это ОС отдельно взятого компьютера, которая обеспечивает его работу в сети.

Рис.1 Структура сетевой ОС

В сетевой операционной системе отдельной машины можно выделить несколько частей (Рисунок 1):

1. Средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между процессами, функции планирования и диспетчеризации процессов, управления процессорами в мультипроцессорных машинах, управления периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных ОС.
2. Средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование - серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования; ведение справочников имен сетевых ресурсов; обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных; управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам.
3. Средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использования - клиентская часть ОС. Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо.
4. Коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями между СОС в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., то есть является средством транспортировки сообщений. 

1.1.2. Архитектура сетевой ос

Основным пунктом по значимости влияния на масштабируемость и производительность операционной системы является ее архитектура. ОС преодолели долгий путь развития – начиная с монолитных систем и заканчивая структурированным модульным системам, способным к расширению, развитию и имеющие отличную переносимость.