Операционная система WINDOWS

Лекция №5 Операционная система WINDOWS С переходом на персональные компьютеры с процессором 80386 и с увеличенной памятью на смену Norton Commander и DOS пришла операционная среда Windows. Принципиально важной особенностью Windows является многозадачность и возможность обмена данными между работающими программами. В настоящее время существует несколько различающихся направлений в семействе ОС Windows: • Windows NT/2000; • Windows XP; • Windows 2003 Server. Каждое направление состоит из некоторого числа модификаций версий Windows, что позволяет выделить две области применения: 1) версии персональные, такие как Windows XP Home Edition; 2) версии для рабочих станций сетей, Windows 2000 Professional, Windows XP Professional; 3) версии для серверов сетей, Windows 2000 Server, Windows 2000 Advanced Server, Windows 2000 Datacenter Server, Windows 2003 Server Среди общего числа версий ОС Windows есть преемники принципиально нового направления, технологии NT (New Technology, разрабатываемой Microsoft с 1989 г.). К ОС технологии NT предъявляется ряд повышенных, в сравнении с потребительскими версиями Windows, требований, таких как поддержка многопроцессорных систем, вытесняющая многозадачность, работа с виртуальной памятью, защищенная файловая система и др. К ним относятся все версии операционных систем Windows 2000 и Windows XP. Системные файлы этих модификаций Windows одинаковы, как и ядро ОС. Они различаются между собой по числу поддерживаемых процессоров, объему поддерживаемой физической памяти, одновременному числу сетевых подключений и наличием дополнительных сетевых сервисов. В сравнении с предыдущими версиями (Windows 95/98/ME), у ОС технологии NT имеется ряд существенных отличий. Первое принципиальное отличие технологии NT состоит в повышении надежности работы ядра системы и исключении возможности зависания ОС из-за зависания или некорректной работы пользовательской программы. Второе принципиальное отличие технологии NT— возможность использования не только файловых систем из предыдущих версий Windows, называемых FAT16 и FAT32, но и значительно более безопасной и надежной файловой системы NTFS (NTFile System). Использование NTFS повышает безопасность компьютера, так как эта файловая система допускает защиту данных (файлов и папок) путем их шифрования и возможности установки запрета на доступ к ним. Кроме этого, NTFS обеспечивает более высокую степень сжатия информации и полную поддержку разделов и файлов большого размера. Третье существенное отличие технологии NT заключается в том, что на одном компьютере можно запускать не только версии Windows 2000/ХР, но и более ранние версии Windows 95/98/МЕ. Для этого используется конфигурация с двойной загрузкой, и на этапе загрузки компьютера можно выбрать ту операционную систему, которая требуется в этом сеансе работы. Общая структура ОС Windows XP Windows XP имеет модульную структуру, в которой код ОС и драйверы выполняются в привилегированном режиме процессора (режиме ядра), обеспечивающим полный доступ ко всей аппаратной части компьютера, а пользовательские приложения выполняются в непривилегированном режиме процессора, называемом пользовательским режимом ОС без прямого доступа к оборудованию компьютера. Упрощенная структура Windows XP представлена на рис. 3.4. В режиме ядра работают следующие компоненты. 1. Уровень абстрагирования от оборудования {Hardware Abstraction Layer, HAL). Его задачей является отделение ОС от особенностей конкретных реализаций в аппаратном обеспечении ПК, т.е. от различий в материнских платах, модификациях процессоров, наборах микросхем и др. Благодаря этому уровню управление подсистемами прерываний, прямого доступа к памяти, системными шинами, таймерами для ядра ОС является одинаковыми. Уровень HAL реализован в системном файле Hal.dll 2. Ядро содержит наиболее часто вызываемые низкоуровневые функции ОС, планирование и распределение ресурсов между процессами, их переключение и синхронизацию. В обязанности ядра входит также управление прерываниями и обработка ошибочных ситуаций при функционировании ОС. Код ядра Windows XP не разделяется на потоки, находится только в оперативной памяти и не может быть выгружен на диск. Код ядра Windows XP находится в системном файле Ntoskrnl.exe. 3 Драйверы устройств представляют собой подпрограммы, транслирующие вызовы, поступившие от пользовательских программ в запросы обработки данных для конкретных устройств. Значительное число драйверов устройств входит в состав Windows XP (они располагаются в подкаталоге /system32/drivers системного каталога и имеют тип файла *.sys, например, драйвер дисковой подсистемы находится в файле (disk.sys), а для нестандартных периферийных устройств драйверы находится в комплектах поставки. 4. Исполняющая подсистема (NT Executive) состоит из микроядра и подсистем диспетчеризации управления программами и доступом к виртуальной памяти, окнам и графической подсистеме. Виртуальная память предоставляет пользовательским программам виртуальные адреса адресного пространства процессов и соответствующие физические страницы оперативной памяти ПК. Графическая подсистема предназначена для создания оконного интерфейса, рисования элементов управления, расположенных в окнах. К исполняющей подсистеме относятся системные файлы Ntknlpa.exe, Kernel32.dll, Advapi32.dll, User32.dll, Gdi32.dll. ОС Windows XP в значительной мере использует возможности процессоров, совместимых с семейством Intel x86. В их аппаратной архитектуре предусматривается четыре уровня привилегий выполнения кода программ от 0-го наивысшего привилегированного, до 4-го пользовательского режима с ограниченным набором команд процессора. Программы режима ядра ОС Windows XP функционируют в нулевом, защищенном и привилегированном режиме, а все остальные пользовательские программы работают в менее привилегированных режимах, таким образом, находясь под контролем у программ режима ядра Операции, недоступные в пользовательском режиме, приложения (а также многие подсистемы самой Windows XP, которые не работают в режиме ядра) обращаются к системным вызовам ядра ОС, которые также называют Win32 API. В состав этого API входит более 250 функций, обращение к которым осуществляется при помощи системных вызовов, основанных па подпрограммах ядра ОС. Все вызовы Win32 API обслуживаются как системными службами NT, так и модулем NT Executive – исполняющей системы Windows XP. Модуль NT Executive представляет собой несколько программных потоков, которые выполняются в режиме ядра. Код практически всех подсистем этого модуля находится в файле ntoskrnl.exe, кроме подсистемы Win32, код которой расположен в файле win32k.sys, и уровня абстрагирования от оборудования HAL, который содержится в файле hal.dll. NT Executive сосредоточивает все самые важные части ОС, которые следует рассмотреть подробнее. Микроядро отвечает за выделение памяти для приложений и распределение процессорного времени, то есть, фактически, за реализацию многозадачности. Для этого в состав микроядра входит так называемый планировщик потоков (threads scheduler), который назначает каждому из потоков один из 32 уровней приоритета. Уровень 0 зарезервирован для системы. Уровни от 1 до 15 назначаются исполняемым программам, а уровни от 16 до 31 могут назначаться только администраторами. Планировщик делит все процессорное время на кванты фиксированного размера. При этом каждый программный поток выполняется только в течение отведенного ему времени, и если к окончанию кванта он не освобождает процессор, планировщик в принудительном порядке приостанавливает этот поток и меняет программное окружение процесса, настраивая его на выполнение другого потока, обладающего тем же приоритетом. Микроядро также осуществляет всю работу, связанную с обработкой программных и аппаратных прерываний. Диспетчеризация управления программами состоит из следующего набора системных программ. Диспетчер ввода-вывода — интегрирует добавляемые в систему драйверы устройств в операционную систему Windows ХР. Диспетчер объектов — служит для управления всеми разделяемыми ресурсами компьютера. В момент обращения приложения или службы к какому-либо ресурсу диспетчер объектов сопоставляет этому ресурсу объект (к примеру, окно) и отдает приложению дескриптор (№ окна) этого объекта. Используя дескриптор, приложение взаимодействует с объектом, совершая в его отношении различные операции. Монитор системы безопасности следит при этом за тем, чтобы с объектом выполнялись только разрешенные действия. Диспетчер процессов — предоставляет интерфейс, при помощи которого другие компоненты Windows NT Executive, а также приложения пользовательского режима могут манипулировать процессами и потоками. Во время работы диспетчер процессов сопоставляет каждому процессу и потоку идентификатор процесса (PID — Process Identifier) и потока (TID — Thread Identifier) соответственно, а также таблицу адресов и таблицу дескрипторов. Диспетчер виртуальной памяти — служит для управления и организации подсистемы памяти, позволяет создавать таблицы адресов для процессов и следит за корректностью использования адресного пространства приложениями (то есть, следит за общим доступом к памяти и осуществляет защиту страниц в режиме копирования при записи). Диспетчер виртуальной памяти также обеспечивает возможность загрузки в оперативную память исполняемых файлов и файлов динамических библиотек. Диспетчер виртуальной памяти представляет физическую память для пользовательских приложений таким образом, что каждому процессу выделяются отдельные 4 Гбайта виртуального адресного пространства, из которых младшие 2 Гбайта используются непосредственно процессом по своему усмотрению, а старшие 2 Гбайта отводятся под нужды системы, причем они общие для всех процессов. Каждый процесс работает в своем изолированном адресном пространстве и не знает о других работающих процессах. Обмениваться данными процессы могут через разделяемую память, которая может быть спроецирована на виртуальное адресное пространство нескольких процессов, и таким образом они смогут взаимодействовать друг с другом. Другими сломами, главная задача диспетчера виртуальной памяти — организация логической памяти, размер которой больше размера физической, установленной на компьютере. Этот трюк достигается благодаря тому, что страницы памяти, к которым долго не было обращений, и которые не имеют атрибута неперемещаемых, сохраняются диспетчером в файле pagefile.sys на жестком диске и удаляются из оперативной памяти, освобождая ее для других приложений. В момент, когда происходит обращение к данным, находящимся в перемещенной на винчестер странице диспетчер виртуальной памяти незаметно для приложения копирует страницу обратно в оперативную память, и только затем обеспечивает доступ к ней. Этот механизм обеспечивает выделение дополнительной памяти программам, которые нуждаются в ней, и при этом следит за тем, чтобы все работающие в системе программы обладали достаточным объемом физической памяти для того, чтобы продолжать функционирование. Диспетчер кэша применяется для кэшированного чтения и записи и позволяет существенно ускорить работу таких устройств, как винчестеры и др. При этом наиболее востребованные файлы дублируются диспетчером кэша в оперативной памяти компьютера, и обращение к ним обслуживается с использованием этой копии, а не оригинала, расположенного на сравнительно медленном долговременном носителе. Кэш и Windows XP является единым для всех логических дисков, вне зависимости от используемой файловой системы. Кроме того, он является динамическим, а это значит, что диспетчер управляет его размерами в завиисимости от доступного объема свободной физической памяти в каждый конкретный момент. Диспетчеры окон и графики выполняют все функции, связанные с пересылкой системных сообщений и отображением информации на экране. Процесс функционирования Windows XP можно разделить на три фазы: процесс начальной нагрузки, штатный режим работы и завершение работы. Процесс начальной загрузки Для загрузки Windows XP необходим следующий минимальный набор файлов, расположенных: 1) в корневом каталоге загрузочного диска • Ntldr • Boot.ini • Bootsect.dos (необходим только при использовании мультизагрузки) • Ntdetect.com 2) в системном подкаталоге Isystemil • Ntoskrnl.exe • Hal.dll • разделы реестра SYSTEM 3) в системном подкаталоге /system/drivers • необходимые драйверы устройств Процесс загрузки компьютера начинается с процедуры начального тестирования оборудования (POST—Power-On Self Test). Код, выполняющий POST, зашит в базовой системе ввода-вывода (BIOS) каждого компьютера, и именно ему передается управление при включении питания. Если в процессе тестирования обнаруживаются какие-либо ошибки, то BIOS генерирует коды ошибок (POSTcodes), которые отличаются для BIOS разных производителей, и звуковые коды. Если процедура РОST завершается успешно, то BIOS передает управление главной загрузочной записи (MBR — Master Boot Record) первичного жесткого диска системы, и можно сказать, этим завершается первая «аппаратная» стадия загрузки компьютера (весь процесс зависит только от аппаратуры компьютера, но не от установленного программного обеспечения). На второй стадии загрузочная запись, оперируя данными о разбиении жесткого диска на логические тома, передает управление исполняемому коду, расположенному в загрузочном секторе. В ОС Windows XP этим кодом является загрузчик ОС Ntldr. Первое, что делает загрузчик, это переходит в защищенный режим и производит необходимые для успешного функционирования в этом режиме манипуляции с памятью. Кроме функций, позволяющих работать с памятью, Ntldr имеет также несколько модулей, позволяющих работать с некоторыми другими базовыми ресурсами системы, в первую очередь с файловой системой. Все другие действия выполняются с помощью вызова прерываний BIOS. После первичной инициализации загрузчик предоставляет пользователю возможность выбрать операционную систему, которая будет загружена, из списка систем, установленных на компьютере (то есть, Ntldr выводит на экран надпись OS Loader K5.0 и приглашение выбрать операционную систему; это сообщение выводится только в том случае, если в файле boot.ini зарегистрировано более одной ОС), после чего, если выбрана Windows XP, начинает загрузку файлов ОС. После выбора операционной системы загрузчик запускает Ntdetect.com. Этот компонент считывает из CMOS-памяти системную дату и время, после чего производит поиск и распознавание аппаратных средств, подключенных в данный момент к компьютеру. Завершив работу, Ntdetect возвращает управление и собранную им информацию обратно в Ntldr. Далее загружается и инициализируется ядро Ntoskrnl.exe и уровень абстрагирования от оборудования Hal.dll. При своей инициализации ядро производит ряд действий в следующей последовательности: • инициализация диспетчера памяти; • инициализация диспетчера объектов; • установка системы безопасности; • настройка драйвера файловой системы; • загрузка и инициализация диспетчера ввода-вывода (обычно — самая длительная фаза); • последняя стадия—загрузка системных сервисов, которые, собственно, и реализуют взаимодействие с пользователем. Список основных системных сервисов следующий. 1) Smss.exe—диспетчер сеансов. Он управляет другими сервисами и службами Windows, в том числе запускает Win32 (Csrss) и некоторые системные утилиты, выполняемые на этапе загрузки. Еще две важные функции – это реализация графического пользовательского интерфейса и запуск процессов Csrss. exe и WinLogon.exe. Этот диспетчер запускается, тем не менее, в самом конце загрузки. 2) Csrss.exe – данный модуль предназначен, главным образом, для организации взаимодействия между компьютером и пользователем. 3) Lsass.exe — служба, запускаемая WinLogon.exe и отвечающая за безопасность системы. Она предоставляет возможность пользователю зарегистрироваться в системе, и только после того, как в системе зарегистрировался хотя бы один пользователь, загрузка считается успешной. Уже после загрузки операционной системы пользователь, чтобы доказать, что он тот, за кого себя выдает, должен пройти процедуру аутентификации, то есть ввести собственное регистрационное имя (или на жаргоне—логин) и пароль. Заметим, что данные действия при пониженных требованиях к безопасности могут быть настроены по умолчанию. Процедура подключения к системе позволяет определить, кем является пользователь и обладает ли он правом входа и работы с системой. Эту процедуру выполняет служба WinLogon. При этом в системе происходят следующие события: 1) процесс WinLogon отображает на экране фон рабочего стола (к этому моменту объект рабочего стола уже создан, но еще не отображается), а также приглашение к вводу пользователем логина и пароля, введенные данные передаются подсистеме безопасности; 2) подсистема безопасности обращается к базе данных SAM (Security Accounts Manager) и проверяет, обладает ли пользователь полномочиями работы с системой; Если пользователь является авторизированным пользователем системы, то подсистема безопасности формирует для него идентификатор доступа, который вместе с управлением передает обратно процессу WinLogon. Процесс WinLogon посредством обращения к подсистеме Win32 создает новый процесс для пользователя и прикрепляет ему только что созданный идентификатор доступа. Каждый процесс, в дальнейшем создаваемый пользователем, отмечается принадлежащим этому пользователю идентификатором доступа. Таким образом, любые попытки доступа пользователя к ресурсам системы контролируются и отслеживаются. Более того, всегда точно известно, кто инициировал то или иное действие в системе. Благодаря обязательной процедуре подключения к системе упрощается реализация таких механизмов, как аудит системы и квоты на использование ресурсов. Помимо прочих данных, пользовательский идентификатор доступа содержит идентификатор пользователя, а также идентификаторы всех групп, к которым принадлежит данный пользователь. Следует отметить, что, если ОС не загружается корректно, то при нажатии в процессе загрузки ОС Windows XP клавиши F8 происходит переход в расширенное меню запуска, содержащее пункты: • Безопасный режим — загрузка Windows XP с минимальным требуемым количеством системных файлов и драйверов устройств; • Безопасный резким с загрузкой сетевых драйверов — как и предыдущий, но с поддержкой подключения к сети; • Безопасный режим с поддержкой командной строки — такой же режим, как и Безопасный режим, за исключением того, что загружает режим командной строки, а не GUI (Graphical User Interface); • Включить протоколирование загрузки — позволяет записать этапы загрузки ОС Windows XP в файл Ntbtlog. txt; • Включить режим VGA — режим, загружающий драйвер стандартного монитора VGA с разрешением 640 на 480 точек на дюйм и 16 цветами; • Загрузка последней удачной конфигурации — режим, восстанавливающий последнюю неиспорченную копию реестра ОС Windows XP. Файловые системы Windows XP Все операционные системы, как современные, так и давно уже неиспользуемые, имеют одну общую черту — хранение информации в ОС осуществляется подсистемой, называемой файловой системой. Файловая система — это набор спецификаций и соответствующее им программное обеспечение, которое отвечает за создание, удаление, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файлов информации, а также за управление доступом к файлам и за управление ресурсами, которые используются файлами. Файловая система определяет способ организации данных на диске (или на другом носителе). Информация на магнитных дисках размещается и передается блоками. Каждый блок называется сектором и располагается на концентрических дорожках поверхности диска. Группа дорожек одного радиуса, расположенных на поверхностях магнитных дисков, образуют цилиндры. Каждый сектор состоит из поля данных и поля служебной информации, ограничивающей и идентифицирующей его. Размер сектора (объем ноля данных) устанавливается контроллером или драйвером. Физический адрес сектора на диске определяется с помощью трех «координат»: 1. номер цилиндра; 2. номер рабочей поверхности диска; 3. номер сектора на дорожке. Обмен информацией между ОЗУ и дисками физически осуществляется только секторами. Диск может быть разбит на несколько разделов, которые могут использоваться как одной ОС, так и несколькими. На каждом разделе может быть организована своя файловая система. Для организации хотя бы одной файловой системы должен быть определен, по крайней мере один раздел. Разделы могут быть двух типов: 1. первичный; 2. расширенный. Максимальное число первичных разделов – четыре, но обязательно должен быть хотя бы один. Если первичных разделов больше одного, то один должен быть активным, в нем находится загрузчик ОС. На одном диске может быть только один расширенный раздел, который в свою очередь может содержать большое количество подразделов – логических дисков. ОС Windows XP поддерживает работу со следующими файловыми системами: FAT16, FAT32, NTFS. Аббревиатура FAT (File Allocation Table) означает «таблица размещения файлов». Этот термин относится к линейной табличной структуре со сведениями о файлах – именами файлов, их атрибутами и другими данными, определяющими местоположение файлов или их фрагментов в среде FAТ. Элемент FAT определяет фактическую область диска, в котором хранится начало физического файла. В файловой системе FAT логическое дисковое пространство любого логического диска делится на две области: 1) системную область; 2) область данных. Системная область создается при форматировании и обновляется при манипулировании файловой структурой. Область данных содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому, и доступна через пользовательский интерфейс. Системная область состоит из следующих компонентов: • загрузочной записи; • зарезервированных секторов; • таблицы размещения файлов (FAT); • корневого каталога. Таблица размещения файлов представляет собой карту (образ) области данных, в которой описывается состояние каждого участка области данных. Область данных разбивается на кластеры. Один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (только в области данных) объединяются в единый дисковый блок—кластер Кластер — минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу или некорневому каталогу. Например, в FAT16 размер кластера составляет 32 кбайт. Файл или каталог занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что приведет к заметной потере дискового пространства при большом размере кластера. В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (некорневому каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера и системе управления файлами FAT16 используется 16-битовое слово, следовательно, можно хранить информацию максимум о 65536 кластерах. Так как FAT используется при доступе к диску очень интенсивно, она загружается в оперативную память и находится там максимально долго Корневой каталог отличается от обычного каталога тем, что он размещается в фиксированном месте логического диска и имеет фиксированное число элементов. Структура системы файлов является иерархической. Файлам присваиваются первые доступные адреса кластеров и томе. Номер начального кластера файла представляет собой адрес первого кластера, занятого файлом, в таблице размещения файлов. Каждый кластер содержит указатель на следующий кластер, использованный файлом, или индикатор (0xFFFF), указывающий, что данный кластер является последним кластером файла. Файлы на дисках имеют 4 атрибута, которые могут сбрасываться и устанавливаться пользователем. Archive (архивный), System (системный), Hidden (скрытый) и Read-only (только чтение). 32-разрядная файловая система FAT32 обеспечивает оптимальный доступ к жестким дискам, CD-ROM и сетевым ресурсам, повышая скорость и производительность всех операций ввода/вывода. FAT32 представляет собой усовершенствованную версию FAT, предназначенную для использования на томах, объем которых превышает 2 Гбайта. Размер кластера в FAT32 равен 4 кбайт. FAT32 является полностью независимой 32-разрядной файловой системой и содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с FAT16. Принципиальное отличие FAT32 заключается в более эффективном использовании дискового пространства: FAT32 использует кластеры меньшего размера, что приводит к экономии дискового пространства. FAT32 может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись FAT32 позволяет создавать копии критических структур данных, что повышает устойчивость дисков к нарушениям структуры FAT по сравнению с предыдущими версиями. Корневой каталог представляет собой обычную цепочку кластеров, поэтому может находиться в произвольном месте диска, что снимает ограничение на размер корневого каталога. Файловая система NTFS (New Technology File System) содержит ряд значительных усовершенствований и изменений, существенно отличающих ее от других файловых систем. NTFS обладает характеристиками защищенности, поддерживая контроль доступа к данным и привилегии владельца, играющие исключительно важную роль в обеспечении целостности жизненно важных конфиденциальных данных. Папки и файлы NTFS могут иметь назначенные им права доступа вне зависимости от того, являются они общими или нет. Если файл будет скопирован из раздела или тома NTFS в раздел или на том FAT, все права доступа и другие уникальные атрибуты, присущие NTFS, будут утрачены. Форматирование тома для NTFS приводит к созданию нескольких системных файлов и главной таблицы файлов (Master File Table, MFT). MFT содержит информацию обо всех файлах и папках, имеющихся на томе NTFS. NTFS—это объектно-ориентированная файловая система, которая обрабатывает все файлы как объекты с атрибутами. Практически все объекты, существующие на томе, представляют собой файлы, а все что имеется в файле, представляет собой атрибуты, включая атрибуты данных, атрибуты системы безопасности, атрибуты имени файла. Каждый занятый сектор на томе NTFS принадлежит какому-нибудь файлу. Частью файла являются даже метаданные файловой системы (информация, которая представляет собой описание самой файловой системы).