Алгоритмы синхронизации (алгоритмы корректной организации взаимодействия процессов) (стр. 4 )

3. Процессор устанавливает бит готовности команды. В следующих шагах процессор не задействован.

4. Когда контроллер замечает, что бит готовности команды установлен, он устанавливает бит занятости.

5. Контроллер анализирует код команды в регистре управления и обнаруживает, что это команда вывода. Он берет данные из регистра входных данных и инициирует выполнение команды.

6. После завершения операции контроллер обнуляет бит готовности команды.

7. При успешном завершении операции контроллер обнуляет бит ошибки в регистре состояния, при неудачном завершении команды – устанавливает его.

8. Контроллер сбрасывает бит занятости.

При необходимости вывода новой порции информации все эти шаги повторяются. Если процессор интересует, корректно или некорректно была выведена информация, то после шага 4 он должен в цикле считывать информацию из порта регистра состояний до тех пор, пока не будет сброшен бит занятости устройства, после чего проанализировать состояние бита ошибки.

Как видим, на первом шаге (и, возможно, после шага 4) процессор ожидает освобождения устройства, непрерывно опрашивая значение бита занятости. Такой способ взаимодействия процессора и контроллера получил название polling или, в русском переводе, способа опроса устройств. Если скорости работы процессора и устройства ввода-вывода примерно равны, то это не приводит к существенному уменьшению полезной работы, совершаемой процессором. Если же скорость работы устройства существенно меньше скорости процессора, то указанная техника резко снижает производительность системы и необходимо применять другой архитектурный подход.

Для того чтобы процессор не дожидался состояния готовности устройства ввода-вывода в цикле, а мог выполнять в это время другую работу, необходимо, чтобы устройство само умело сигнализировать процессору о своей готовности. Технический механизм, который позволяет внешним устройствам оповещать процессор о завершении команды вывода или команды ввода, получил название механизма прерываний .

Логические принципы организации ввода-вывода

Структура системы ввода-вывода

В области технического обеспечения удалось выделить несколько основных принципов взаимодействия внешних устройств с вычислительной системой, т. е. создать единый интерфейс для их подключения, возложив все специфические действия на контроллеры самих устройств. Тем самым конструкторы вычислительных систем переложили все хлопоты, связанные с подключением внешней аппаратуры, на разработчиков самой аппаратуры, заставляя их придерживаться определенного стандарта.

Похожий подход оказался продуктивным и в области программного подключения устройств ввода-вывода. Мы можем разделить устройства на относительно небольшое число типов, отличающихся по набору операций, которые могут быть ими выполнены, считая все остальные различия несущественными. Мы можем затем специфицировать интерфейсы между ядром операционной системы, осуществляющим некоторую общую политику ввода-вывода, и программными частями, непосредственно управляющими устройствами, для каждого из таких типов. Более того, разработчики операционных систем получают возможность освободиться от написания и тестирования драйверов, передав эту деятельность производителям самих внешних устройств. Фактически мы приходим к использованию принципа уровневого или слоеного построения системы управления вводом-выводом для операционной системы.

Два нижних уровня этой слоеной системы составляет hardware: сами устройства, непосредственно выполняющие операции, и их контроллеры, служащие для организации совместной работы устройств и остальной вычислительной системы. Следующий уровень составляют драйверы устройств ввода-вывода, скрывающие от разработчиков операционных систем особенности функционирования конкретных приборов и обеспечивающие четко определенный интерфейс между hardware и вышележащим уровнем – уровнем базовой подсистемы ввода-вывода, которая, в свою очередь, предоставляет механизм взаимодействия между драйверами и программной частью вычислительной системы в целом.

10. Особенности взаимодействия процессов, выполняющихся на разных операционных системах. Функции сетевых частей операционных систем.

Все цели объединения компьютеров в вычислительные сети не могут быть достигнуты без организации взаимодействия процессов на различных вычислительных системах. Будь то доступ к разделяемым ресурсам или общение пользователей через сеть – в основе всего этого лежит взаимодействие удаленных процессов, т. е. процессов, которые находятся под управлением физически разных операционных систем.

1. Взаимодействие удаленных процессов принципиально отличается от ранее рассмотренных случаев. Общей памяти у различных компьютеров физически нет. Удаленные процессы могут обмениваться информацией, только передавая друг другу пакеты данных определенного формата (в виде последовательностей электрических или электромагнитных сигналов, включая световые) через некоторый физический канал связи или несколько таких каналов, соединяющих компьютеры. Поэтому в основе всех средств взаимодействия удаленных процессов лежит передача структурированных пакетов информации или сообщений.

2. При взаимодействии локальных процессов и процесс–отправитель информации, и процесс-получатель функционируют под управлением одной и той же операционной системы. При организации сети можно обеспечить прямую связь между всеми вычислительными комплексами, соединив каждый из них со всеми остальными посредством прямых физических линий связи или подключив все комплексы к общей шине (по примеру шин данных и адреса в компьютере). Однако такая сетевая топология не всегда возможна по ряду физических и финансовых причин. Поэтому во многих случаях информация между удаленными процессами в сети передается не напрямую, а через ряд процессов-посредников, "обитающих" на вычислительных комплексах, не являющихся компьютерами отправителя и получателя и работающих под управлением собственных операционных систем. Однако и при отсутствии процессов-посредников удаленные процесс-отправитель и процесс-получатель функционируют под управлением различных операционных систем, часто имеющих принципиально разное строение.

3. Протяженные сетевые линии связи подвержены разнообразным физическим воздействиям, приводящим к искажению передаваемых по ним физических сигналов (помехи в эфире) или к полному отказу линий (мыши съели кабель). Даже при отсутствии внешних помех передаваемый сигнал затухает по мере удаления от точки отправления, приближаясь по интенсивности к внутренним шумам линий связи. Промежуточные вычислительные комплексы сети, участвующие в доставке информации, не застрахованы от повреждений или внезапной перезагрузки операционной системы. Поэтому вычислительные сети должны организовываться исходя из предпосылок ненадежности доставки физических пакетов информации.

4. При организации взаимодействия удаленных процессов участники этого взаимодействия должны иметь уникальные адреса в рамках всей сети.

5. Физическая линия связи, соединяющая несколько вычислительных комплексов, является разделяемым ресурсом для всех процессов комплексов, которые хотят ее использовать. Если два процесса попытаются одновременно передать пакеты информации по одной и той же линии, то в результате интерференции физических сигналов, представляющих эти пакеты, произойдет взаимное искажение передаваемых данных. Для того чтобы избежать возникновения такой ситуации (race condition!) и обеспечить эффективную совместную работу вычислительных систем, должны выполняться условия взаимоисключения, прогресса и ограниченного ожидания при использовании общей линии связи, но уже не на уровне отдельных процессов операционных систем, а на уровне различных вычислительных комплексов в целом.

Формальный перечень правил, определяющих последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты различных вычислительных систем, лежащие на одном уровне, мы и будем называть сетевым протоколом .

Всю совокупность вертикальных и горизонтальных протоколов (интерфейсов и сетевых протоколов ) в сетевых системах, построенных по "слоеному" принципу, достаточную для организации взаимодействия удаленных процессов, принято называть семейством протоколов или стеком протоколов. Сети, построенные на основе разных стеков протоколов, могут быть объединены между собой с использованием вычислительных устройств, осуществляющих трансляцию из одного стека протоколов в другой, причем на различных уровнях слоеной модели

Уровни OSI:

Уровень 1 – физический. Этот уровень связан с работой hardware. На нем определяются физические аспекты передачи информации по линиям связи, такие как: напряжения, частоты, природа передающей среды, способ передачи двоичной информации по физическому носителю, вплоть до размеров и формы используемых разъемов. В компьютерах за поддержку физического уровня обычно отвечает сетевой адаптер.

Уровень 2 – канальный. Этот уровень отвечает за передачу данных по физическому уровню без искажений между непосредственно связанными узлами сети. На нем формируются физические пакеты данных для реальной доставки по физическому уровню. Протоколы канального уровня реализуются совместно сетевыми адаптерами и их драйверами (понятие драйвера рассматривалось в лекции 13).

Уровень 3 – сетевой. Сетевой уровень несет ответственность за доставку информации от узла-отправителя к узлу-получателю. На этом уровне частично решаются вопросы адресации, осуществляется выбор маршрутов следования пакетов данных, решаются вопросы стыковки сетей, а также управление скоростью передачи информации для предотвращения перегрузок в сети.

Уровень 4 – транспортный. Регламентирует передачу данных между удаленными процессами. Обеспечивает доставку информации вышележащим уровням с необходимой степенью надежности, компенсируя, быть может, ненадежность нижележащих уровней, связанную с искажением и потерей данных или доставкой пакетов в неправильном порядке. Наряду с сетевым уровнем может управлять скоростью передачи данных и частично решать проблемы адресации.

Уровень 5 – сеансовый. Координирует взаимодействие связывающихся процессов. Основная задача – предоставление средств синхронизации взаимодействующих процессов. Такие средства синхронизации позволяют создавать контрольные точки при передаче больших объемов информации. В случае сбоя в работе сети передачу данных можно возобновить с последней контрольной точки, а не начинать заново.

Уровень 6 – уровень представления данных. Отвечает за форму представления данных, перекодирует текстовую и графическую информацию из одного формата в другой, обеспечивает ее сжатие и распаковку, шифрование и декодирование.

Уровень 7 – прикладной. Служит для организации интерфейса между пользователем и сетью. На этом уровне реализуются такие сервисы, как удаленная передача данных, удаленный терминальный доступ, почтовая служба и работа во Всемирной паутине (Web-браузеры).

Организация взаимодействия удаленных процессов требует от сетевых частей операционных систем поддержки определенных протоколов. Сетевые средства связи обычно строятся по "слоеному" принципу (уровни OSI). Формальный перечень правил, определяющих последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты различных вычислительных систем, лежащие на одном уровне, называется сетевым протоколом. Каждый уровень слоеной системы может взаимодействовать непосредственно только со своими вертикальными соседями, руководствуясь четко закрепленными соглашениями – вертикальными протоколами или интерфейсами. Вся совокупность интерфейсов и сетевых протоколов в сетевых системах, построенных по слоеному принципу, достаточная для организации взаимодействия удаленных процессов, образует семейство протоколов или стек протоколов.

11. Защитные механизмы операционных систем. Организация идентификации и аутентификации, авторизации и аудита.

Идентификация и аутентификация

Наиболее распространенным способом контроля доступа является процедура регистрации. Обычно каждый пользователь в системе имеет уникальный идентификатор. Идентификаторы пользователей применяются с той же целью, что и идентификаторы любых других объектов, файлов, процессов. Идентификация заключается в сообщении пользователем своего идентификатора. Для того чтобы установить, что пользователь именно тот, за кого себя выдает, то есть что именно ему принадлежит введенный идентификатор, в информационных системах предусмотрена процедура аутентификации (authentication, опознавание, в переводе с латинского означает "установление подлинности"), задача которой - предотвращение доступа к системе нежелательных лиц.

Обычно аутентификация базируется на одном или более из трех пунктов:

· то, чем пользователь владеет (ключ или магнитная карта);

· то, что пользователь знает (пароль);

· атрибуты пользователя (отпечатки пальцев, подпись, голос).

Пароли, уязвимость паролей

Наиболее простой подход к аутентификации - применение пользовательского пароля.

Когда пользователь идентифицирует себя при помощи уникального идентификатора или имени, у него запрашивается пароль. Если пароль, сообщенный пользователем, совпадает с паролем, хранящимся в системе, система предполагает, что пользователь легитимен. Пароли часто используются для защиты объектов в компьютерной системе в отсутствие более сложных схем защиты.

Недостатки паролей связаны с тем, что трудно сохранить баланс между удобством пароля для пользователя и его надежностью. Пароли могут быть угаданы, случайно показаны или нелегально переданы авторизованным пользователем неавторизованному.

Есть два общих способа угадать пароль. Один связан со сбором информации о пользователе. Люди обычно используют в качестве паролей очевидную информацию (скажем, имена животных или номерные знаки автомобилей).

Другой способ - попытаться перебрать все наиболее вероятные комбинации букв, чисел и знаков пунктуации (атака по словарю).

Несмотря на все это, пароли распространены, поскольку они удобны и легко реализуемы.

Шифрование пароля

Для хранения секретного списка паролей на диске во многих ОС используется криптография. Система задействует одностороннюю функцию, которую просто вычислить, но для которой чрезвычайно трудно (разработчики надеются, что невозможно) подобрать обратную функцию.

Хранятся только кодированные пароли. В процессе аутентификации представленный пользователем пароль кодируется и сравнивается с хранящимися на диске. Таким образом, файл паролей нет необходимости держать в секрете.

Авторизация

После успешной регистрации система должна осуществлять авторизацию (authorization) - предоставление субъекту прав на доступ к объекту. Средства авторизации контролируют доступ легальных пользователей к ресурсам системы, предоставляя каждому из них именно те права, которые были определены администратором, а также осуществляют контроль возможности выполнения пользователем различных системных функций. Система контроля базируется на общей модели, называемой матрицей доступа.

Различают дискреционный (избирательный) способ управления доступом и полномочный (мандатный).

При дискреционном доступе, подробно рассмотренном ниже, определенные операции над конкретным ресурсом запрещаются или разрешаются субъектам или группам субъектов. С концептуальной точки зрения текущее состояние прав доступа при дискреционном управлении описывается матрицей, в строках которой перечислены субъекты, в столбцах - объекты, а в ячейках - операции, которые субъект может выполнить над объектом.

Полномочный подход заключается в том, что все объекты могут иметь уровни секретности, а все субъекты делятся на группы, образующие иерархию в соответствии с уровнем допуска к информации. Иногда это называют моделью многоуровневой безопасности, которая должна обеспечивать выполнение следующих правил.

· Простое свойство секретности. Субъект может читать информацию только из объекта, уровень секретности которого не выше уровня секретности субъекта. Генерал читает документы лейтенанта, но не наоборот.

· *-свойство. Субъект может записывать информацию в объекты только своего уровня или более высоких уровней секретности. Генерал не может случайно разгласить нижним чинам секретную информацию.

Большинство операционных систем реализуют именно дискреционное управление доступом.

Матрица доступа - Модель безопасности, в которой по столбцам хранится:

· Список прав доступа

· Мандаты возможностей(список допустимых операций)

· Другие способы контроля доступа

Аудит системы защиты

Аудит, таким образом, заключается в регистрации специальных данных о различных типах событий, происходящих в системе и так или иначе влияющих на состояние безопасности компьютерной системы. К числу таких событий обычно причисляют следующие:

· вход или выход из системы;

· операции с файлами (открыть, закрыть, переименовать, удалить);

· обращение к удаленной системе;

· смена привилегий или иных атрибутов безопасности (режима доступа, уровня благонадежности пользователя и т. п.).

Если фиксировать все события, объем регистрационной информации, скорее всего, будет расти слишком быстро, а ее эффективный анализ станет невозможным. Следует предусматривать наличие средств выборочного протоколирования как в отношении пользователей, когда слежение осуществляется только за подозрительными личностями, так и в отношении событий. Слежка важна в первую очередь как профилактическое средство. Можно надеяться, что многие воздержатся от нарушений безопасности, зная, что их действия фиксируются.

Помимо протоколирования, можно периодически сканировать систему на наличие слабых мест в системе безопасности. Такое сканирование может проверить разнообразные аспекты системы:

· короткие или легкие пароли;

· неавторизованные set-uid программы, если система поддерживает этот механизм;

· неавторизованные программы в системных директориях;

· долго выполняющиеся программы;

· нелогичная защита как пользовательских, так и системных директорий и файлов. Примером нелогичной защиты может быть файл, который запрещено читать его автору, но в который разрешено записывать информацию постороннему пользователю;

· потенциально опасные списки поиска файлов, которые могут привести к запуску "троянского коня";

· изменения в системных программах, обнаруженные при помощи контрольных сумм.

12. История семейства операционных систем UNIX/Linux. Генеалогия семейства операционных систем и некоторые известные версии UNIX. Операционные системы фирмы Microsoft. Отличия семейства UNIX/Linux от операционных систем Windows.

История Unix

Операционная система UNIX была создана еще до эры коммерческого софта. Она писалась инженерами, как система "для себя". Поэтому в нее были заложены передовые на то время концепции. В дальнейшем своем развитии при добавлении новых черт, обычно считалось, что делать нужно "правильно". Т. е. например если нужно было выбирать из двух решений, одно из которых было с инженерной точки зрения "неправильным", например повышало производительность сегодня, но могло принести затруднения в дальнейшем, как правило, такое решение отвергалось и выбиралось "правильное" решение, пусть и с определенной потерей производительности.

Первые версии UNIX были написаны на Ассеблере, затем система была переписана на СИ. Это дало системе уникальную переносимость. На PC UNIX был портирован, а точнее заново написан (Linux) сразу, как только развитие PC, а точнее выпуск PC на процессоре i386, позволило это сделать.

В 1985 году стартовал проект POSIX. Это стандарт на интерфейсы UNIX-подобных ОС. Во многом благодаря наличию такого стандарта, так быстро смог появится на свет и достигнуть зрелости Linux — свободная воплощение UNIX.

Развитие интернета с самого начала и до нашего времени неразрывно связано с серверами под управлением ОС UNIX. Сначала с коммерческими, а теперь все больше и больше со свободными.

С точки зрения коммерциализации развитие UNIX можно разделить на три этапа.

· Некоммерческое распространение в университетах.

· Распространение коммерческих UNIX систем.

· Появление свободных реализаций (Linux, FreeBSD) и вытеснение коммерческих систем (настоящий момент).

До появления системы X Window System UNIX была системой с текстовым интерфейсом, затем добавился графический, но традиционно текстовый интерфейс сохраняет важное значение.

Очень важно то, что UNIX с самого начала был многозадачной и многопользовательской системой. Т. е. на одной машине могут работать сразу несколько пользователей, и выполняться несколько программ одновременно.

Фирменной чертой всех UNIX-подобных ОС была и остается надежность.

Табличка:

Наиболее известные ОС:

Ubuntu, Gentoo, Android, RedHat, Solaris, FreeBSD

OC фирмы Microsoft:

Windows 3.11, Windows 95, Windows 98, Windows ME, Windows 4.0, Windows 2000, Windows 2003, Windows Xp, Windows Vista, Windows 2008, Windows 7, Windows 2008 R2, Windows 8

Сравнение

UNIX

Поскольку UNIX разрабатывалась инженерами и для инженеров, в ее основу была положена концепция toolbox (ящик с инструментами). Что это значит? Это значит, что при создании софта и встроенных утилит для UNIX не делали универсальные программы, каждая из которых выполняла бы внутри себя все, необходимые пользователю действия, а для каждой небольшой задачи создавалась своя утилита, которая выполняла свою задачу, только одну, но делала это хорошо. Дело пользователя было при помощи набора этих утилит выполнить операции, которые ему нужно сделать.

При этом из этого набора утилит можно составлять цепочки и последовательности действий, что позволяет легко автоматизировать рутинные, часто повторяющиеся операции.

Для того, чтобы утилиты могли обмениваться между собой результатами своей работы, в качестве носителя информации был выбран текстовый файл. Для обмена информацией между утилитами были изобретены "pipes" (трубы). При помощи "труб" информация с выхода одной команды может быть передана на вход второй, та ее обрабатывает, выдает свою информацию на выход, которая может быть передана на вход третьей и так далее.

В общем, в результате UNIX позволяет пользователю легко создавать простые программные комплексы, выполняющие повторяющиеся действия как по команде пользователя, так и в автономном режиме.

Такой подход имеет как плюсы, так и недостатки. С одной стороны он дает больший контроль над системой, гибкость в настройке, но при этом повышается порог вхождения в систему, или говоря простыми словами, прежде, чем что нибудь сделать, как правило, нужно изучить основы.

Windows

В Windows доминирует другая концепция. Эта концепция — максимально облегчить вхождение пользователя в задачу. Программы в Windows как правило большие, на каждое действие есть пункт в меню или иконка. В системы программы связываются как правило с большим трудом.

Ухудшает ситуацию о построением комплексов на базе Windows то, что большинство программ — коммерческие и используют свои, бинарные и как правило закрытые форматы данных и файлов. Такой подход превращает компьютер в устройство, которое может выполнять ограниченный изготовителем ПО набор функций, в пределе в этакий своеобразный "тостер", который выполняет только то, что задумал его изготовитель.

Плюс такого подхода — легкость вхождения неподготовленного пользователя. Минус — то, что обманутый кажущейся легкостью пользователь вообще не хочет ничему учиться и не выполнять необходимых действий. На поводу идут и производители софта. Это одна из причин такого обилия документов отформатированных пробелами, пренебрежения безопасностью и как следствие вирусных эпидемий.