Сетевые операционные системы

Кроме заголовка объекта, каждый объект имеет тело объекта, формат и содержание которого уникально определяется типом этого объекта; у всех объектов одного и того же типа одинаковый формат тела. При создании объекта исполнительная часть может оперировать данными в телах всех объектов этого типа.

4. Процессы и нити

В разных ОС процессы реализуются по-разному. Эти различия заключаются в том, какими структурами данных представлены процессы, как они именуются, какими способами защищены друг от друга и какие отношения существуют между ними. Процессы Windows NT имеют следующие характерные свойства:

• Процессы Windows NT реализованы в форме объектов, и доступ к ним осуществляется посредством службы объектов.
• Процесс Windows NT имеет многонитевую организацию.
• Как объекты-процессы, так и объекты-нити имеют встроенные средства синхронизации.
• Менеджер процессов Windows NT не поддерживает между процессами отношений типа "родитель-потомок".

В любой системе понятие "процесс" включает следующее:

• исполняемый код,
• собственное адресное пространство, которое представляет собой совокупность виртуальных адресов, которые может использовать процесс,
• ресурсы системы, такие как файлы, семафоры и т.п., которые назначены процессу операционной системой.
• хотя бы одну выполняемую нить.

Адресное пространство каждого процесса защищено от вмешательства в него любого другого процесса. Это обеспечивается механизмами виртуальной памяти. Операционная система, конечно, тоже защищена от прикладных процессов. Чтобы выполнить какую-либо процедуру ОС или прочитать что-либо из ее области памяти, нить должна выполняться в режиме ядра. Пользовательские процессы получают доступ к функциям ядра посредством системных вызовов. В пользовательском режиме выполняются не только прикладные программы, но и защищенные подсистемы Windows NT.

В Windows NT процесс - это просто объект, создаваемый и уничтожаемый менеджером объектов. Объект-процесс, как и другие объекты, содержит заголовок, который создает и инициализирует менеджер объектов. Менеджер процессов определяет атрибуты, хранимые в теле объекта-процесса, а также обеспечивает системный сервис, который восстанавливает и изменяет эти атрибуты.

В число атрибутов тела объекта-процесса входят:

• Идентификатор процесса - уникальное значение, которое идентифицирует процесс в рамках операционной системы.
• Токен доступа - исполняемый объект, содержащий информацию о безопасности.
• Базовый приоритет - основа для исполнительного приоритета нитей процесса.
• Процессорная совместимость - набор процессоров, на которых могут выполняться нити процесса.
• Предельные значения квот - максимальное количество страничной и нестраничной системной памяти, дискового пространства, предназначенного для выгрузки страниц, процессорного времени - которые могут быть использованы процессами пользователя.
• Время исполнения - общее количество времени, в течение которого выполняются все нити процесса.

Напомним, что нить является выполняемой единицей, которая располагается в адресном пространстве процесса и использует ресурсы, выделенные процессу. Подобно процессу нить в Windows NT реализована в форме объекта и управляется менеджером объектов.

Объект-нить имеет следующие атрибуты тела:

• Идентификатор клиента - уникальное значение, которое идентифицирует нить при ее обращении к серверу.
• Контекст нити - информация, которая необходима ОС для того, чтобы продолжить выполнение прерванной нити. Контекст нити содержит текущее состояние регистров, стеков и индивидуальной области памяти, которая используется подсистемами и библиотеками.
• Динамический приоритет - значение приоритета нити в данный момент.
• Базовый приоритет - нижний предел динамического приоритета нити.
• Процессорная совместимость нитей - перечень типов процессоров, на которых может выполняться нить.
• Время выполнения нити - суммарное время выполнения нити в пользовательском режиме и в режиме ядра, накопленное за период существования нити.
• Состояние предупреждения - флаг, который показывает, что нить должна выполнять вызов асинхронной процедуры.
• Счетчик приостановок - текущее количество приостановок выполнения нити.

Кроме перечисленных, имеются и некоторые другие атрибуты.

Как видно из перечня, многие атрибуты объекта-нити аналогичны атрибутам объекта-процесса. Весьма сходны и сервисные функции, которые могут быть выполнены над объектами-процессами и объектами-нитями: создание, открытие, завершение, приостановка, запрос и установка информации, запрос и установка контекста и другие функции.

5. Алгоритм планирования процессов и нитей

В Windows NT реализована вытесняющая многозадачность, при которой операционная система не ждет, когда нить сама захочет освободить процессор, а принудительно снимает ее с выполнения после того, как та израсходовала отведенное ей время (квант), или если в очереди готовых появилась нить с более высоким приоритетом. При такой организации разделения процессора ни одна нить не займет процессор на очень долгое время.

Рис. 8.3. Граф состояний нити

В ОС Windows NT нить в ходе своего существования может иметь одно из шести состояний (рисунок 8.3). Жизненный цикл нити начинается в тот момент, когда программа создает новую нить. Запрос передается NT executive, менеджер процессов выделяет память для объекта-нити и обращается к ядру, чтобы инициализировать объект-нить ядра. После инициализации нить проходит через следующие состояния:

• Готовность. При поиске нити на выполнение диспетчер просматривает только нити, находящиеся в состоянии готовности, у которых есть все для выполнения, но не хватает только процессора.
• Первоочередная готовность (standby). Для каждого процессора системы выбирается одна нить, которая будет выполняться следующей (самая первая нить в очереди). Когда условия позволяют, происходит переключение на контекст этой нити.
• Выполнение. Как только происходит переключение контекстов, нить переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока либо ядро не вытеснит ее из-за того, что появилась более приоритетная нить или закончился квант времени, выделенный этой нити, либо нить завершится вообще, либо она по собственной инициативе перейдет в состояние ожидания.
• Ожидание. Нить может входить в состояние ожидания несколькими способами: нить по своей инициативе ожидает некоторый объект для того, чтобы синхронизировать свое выполнение; операционная система (например, подсистема ввода-вывода) может ожидать в интересах нити; подсистема окружения может непосредственно заставить нить приостановить себя. Когда ожидание нити подойдет к концу, она возвращается в состояние готовности.
• Переходное состояние. Нить входит в переходное состояние, если она готова к выполнению, но ресурсы, которые ей нужны, заняты. Например, страница, содержащая стек нити, может быть выгружена из оперативной памяти на диск. При освобождении ресурсов нить переходит в состояние готовности.
• Завершение. Когда выполнение нити закончилось, она входит в состояние завершения. Находясь в этом состоянии, нить может быть либо удалена, либо не удалена. Это зависит от алгоритма работы менеджера объектов, в соответствии с которым он и решает, когда удалять объект. Если executive имеет указатель на объект-нить, то она может быть инициализирована и использована снова.

Диспетчер ядра использует для определения порядка выполнения нитей алгоритм, основанный на приоритетах, в соответствии с которым каждой нити присваивается число - приоритет, и нити с более высоким приоритетом выполняются раньше нитей с меньшим приоритетом. В самом начале нить получает приоритет от процесса, который создает ее. В свою очередь, процесс получает приоритет в тот момент, когда его создает подсистема той или иной прикладной среды. Значение базового приоритета присваивается процессу системой по умолчанию или системным администратором. Нить наследует этот базовый приоритет и может изменить его, немного увеличив или уменьшив. На основании получившегося в результате приоритета, называемого приоритетом планирования, начинается выполнение нити. В ходе выполнения приоритет планирования может меняться.

Windows NT поддерживает 32 уровня приоритетов, разделенных на два класса - класс реального времени и класс переменных приоритетов. Нити реального времени, приоритеты которых находятся в диапазоне от 16 до 31, являются более приоритетными процессами и используются для выполнения задач, критичных ко времени.

Каждый раз, когда необходимо выбрать нить для выполнения, диспетчер прежде всего просматривает очередь готовых нитей реального времени и обращается к другим нитям, только когда очередь нитей реального времени пуста. Большинство нитей в системе попадают в класс нитей с переменными приоритетами, диапазон приоритетов которых от 0 до 15. Этот класс имеет название "переменные приоритеты" потому, что диспетчер настраивает систему, выбирая (понижая или повышая) приоритеты нитей этого класса.

Алгоритм планирования нитей в Windows NT объединяет в себе обе базовых концепции - квантование и приоритеты. Как и во всех других алгоритмах, основанных на квантовании, каждой нити назначается квант, в течение которого она может выполняться. Нить освобождает процессор, если:

• блокируется, уходя в состояние ожидания;
• завершается;
• исчерпан квант;
• в очереди готовых появляется более приоритетная нить.

Использование динамических приоритетов, изменяющихся во времени, позволяет реализовать адаптивное планирование, при котором не дискриминируются интерактивные задачи, часто выполняющие операции ввода-вывода и недоиспользующие выделенные им кванты. Если нить полностью исчерпала свой квант, то ее приоритет понижается на некоторую величину. В то же время приоритет нитей, которые перешли в состояние ожидания, не использовав полностью выделенный им квант, повышается. Приоритет не изменяется, если нить вытеснена более приоритетной нитью.

Для того, чтобы обеспечить хорошее время реакции системы, алгоритм планирования использует наряду с квантованием концепцию абсолютных приоритетов. В соответствии с этой концепцией при появлении в очереди готовых нитей такой, у которой приоритет выше, чем у выполняющейся в данный момент, происходит смена активной нити на нить с самым высоким приоритетом.

В многопроцессорных системах при диспетчеризации и планировании нитей играет роль их процессорная совместимость: после того, как ядро выбрало нить с наивысшим приоритетом, оно проверяет, какой процессор может выполнить данную нить и, если атрибут нити "процессорная совместимость" не позволяет нити выполняться ни на одном из свободных процессоров, то выбирается следующая в порядке приоритетов нить.

6. Сетевые средства

Средства сетевого взаимодействия Windows NT направлены на реализацию взаимодействия с существующими типами сетей, обеспечение возможности загрузки и выгрузки сетевого программного обеспечения, а также на поддержку распределенных приложений.

Windows NT с  точки зрения реализации сетевых  средств имеет следующие особенности:

• Встроенность на уровне драйверов. Это свойство обеспечивает быстродействие.
• Открытость - обуславливается легкостью динамической загрузки-выгрузки, мультиплексируемостью протоколов.
• Наличие RPC, именованных конвейеров и почтовых ящиков для поддержки распределенных приложений .
• Наличие дополнительных сетевых средств, позволяющих строить сети в масштабах корпорации: дополнительные средства безопасности централизованное администрирование отказоустойчивость (UPS, зеркальные диски).

Windows NT унаследовала  от своих предшественников редиректор и сервер, протокол верхнего уровня SMB и транспортный протокол NetBIOS (правда, с новым "наполнением" - NetBEUI). Как и в сети MS-NET редиректор перенаправляет локальные запросы ввода-вывода на удаленный сервер, а сервер принимает и обрабатывает эти запросы.

Сначала редиректор и сервер были написаны на ассемблере и располагались над существующим системным программным обеспечением MS-DOS. Новые редиректор и сервер встроены в Windows NT, они не зависят от архитектуры аппаратных средств, на которых работает ОС. Они написаны на С и выполнены как загружаемые драйверы файловой системы, которые могут загружаться или выгружаться в любое время. Они также могут сосуществовать с редиректорами и серверами других производителей.

Реализация редиректора и сервера как драйверов файловой системы делают их частью NT executive. Следовательно, они имеют доступ к специализированным интерфейсам, которые менеджер ввода-вывода обеспечивает для драйверов. Эти интерфейсы, в свою очередь, были разработаны с учетом нужд сетевых компонент. Доступ к интерфейсам драйверов плюс возможности непосредственного вызова кэш-менеджера дают значительный вклад в повышение производительности редиректора и сервера. Многоуровневая модель драйверов менеджера ввода-вывода отражает многоуровневую модель сетевых протоколов. Так как редиректор и сервер являются драйверами, то они могут быть размещены на верхнем уровне, под которым располагаются все необходимые драйверы транспортных протоколов. Такая структура обеспечивает модульность сетевых компонент и создает эффективный путь от уровня редиректора или сервера вниз к транспортному и физическому уровням сети.

Сетевой редиректор обеспечивает средства, необходимые одному компьютеру Windows NT для доступа к файлам и принтерам другого компьютера. Так как он поддерживает SMB-протокол, то он работает с существующими серверами MS-NET и LAN Manager, обеспечивая доступ к системам MS-DOS, Windows и OS/2 из Windows NT. Механизмы безопасности обеспечивают защиту данных Windows NT, разделяемых по сети, от несанкционированного доступа.

Редиректор имеет одну основную задачу: поддержку распределенной файловой системы, которая ведет себя подобно локальной файловой системе, хотя и работает через ненадежную среду (сеть). Когда связь отказывает, редиректор ответственен за восстановление соединения, если это возможно, или же за возврат кода ошибки, чтобы приложение смогло повторить операцию.

Подобно другим драйверам файловой системы, редиректор должен поддерживать асинхронные операции ввода-вывода, если они вызываются. Когда пользовательский запрос является асинхронным, то редиректор должен вернуть управление немедленно, независимо от того, завершилась ли удаленная операция ввода-вывода или нет. При этом редиректор выполняется в контексте этой нити. Вызывающая нить должна продолжить свою работу, а редиректор должен ждать завершения запущенной операции. Есть два варианта решения этой проблемы: или редиректор сам создает новую нить, которая будет ждать, или он может передать эту работу уже готовой нити, существующей в системе. В Windows NT реализован второй вариант.

Редиректор отправляет и получает блоки SMB для выполнения своей работы. Протокол SMB является протоколом прикладного уровня, включающим сетевой уровень и уровень представления.

SMB реализует:

• установление сессии,
• файловый сервис,
• сервис печати,
• сервис сообщений.

Интерфейс, в соответствии с которым редиректор посылает блоки SMB, называется интерфейсом транспортных драйверов (transport driver interface - TDI). Редиректор вызывает функции TDI для передачи блоков SMB различным транспортным драйверам, загруженным в Windows NT. Для вызова функций TDI редиректор должен открыть канал, называемый виртуальной связью (virtual circuit), к машине назначения, а затем послать SMB-сообщение через эту виртуальную связь. Редиректор создает только одну виртуальную связь для каждого сервера, с которым соединена система Windows NT, и мультиплексирует через нее запросы к этому серверу. Транспортный уровень определяет, каким образом реализовать виртуальную связь, и пересылает данные через сеть.

Как и редиректор, сервер Windows NT на 100% совместим с существующими SMB-протоколами MS-NET и LAN Manager. Эта полная совместимость позволяет серверу обрабатывать запросы, исходящие не только от систем Windows NT, но и от других систем, работающих с программным обеспечением LAN Manager. Как и редиректор, сервер выполнен в виде драйвера файловой системы.