Windows NT - ОС нового поколения

На данный момент мировая компьютерная индустрия развивается очень стремительно .Производительность систем возрастает ,а следователь- но возрастают возможности обработки больших объёмов данных . Операционные системы класса MS-DOSа уже не справляются с таким потоком данных и не могут целиком использовать ресурсы современных ком-
пьютеров .Поэтому в последнее время происходит переход на более мощные и наиболее совершенные операционные системы класса UNIX , примером ко- торых и является Windows NT ,выпущенная корпорацией Microsoft . Прежде чем начать говорить о Windows NT я хотел бы предложить статью из еженедельника ComputerWeek Moscow от 1-7 февраля 1996 ,кото- рая выражает мнение производителей компьютерных систем по вопросу о перспективности Windows NT :
“ Производители компьютеров возлагают
большие надежды на NT . Производители готовы обрушить на рынок лавину рабочих станций и серверов с предварительно установленными Windows NT и Gibraltar , новым серверным ПО для Internet . Microsoft не публикует данные об инсталирован- ной базе NT ,однако утверждает ,что более 40 компаний собираются исполь- зовать NT Workstation в качестве ОС более чем на 10.000 ПК .К тому же ,по данным нескольких консалтинговых фирм , в месяц продаётся более 30.000 копий ОС NT Server .Эти цифры заставляют задуматься о том ,как бы не опоздать . “Спору нет ,NT - это удача Microsoft “ , - считает Мариса Хейнс ,на- чалник отдела маркетинга продуктов MIPS - NT компании NEC Technologies . Вот почему Compaq , Dell ,Gateway 2000 ,NEC ,NetFrame и другие производи- тели компьютеров представляют новые NT - системы . 11 декабря NEC перешла в наступление одновременно на рынке сер- веров и настольных компьютеров , выпустив RISC server 2250 и RISC station 2250 .Стоимость систем - от 5500 до 23500 US$ , их конфигурация может включать в себя два микропроцессора Mips R4400 с тактовой частотой 250 Мгц .RISC station компании NEC имеет встроенные средства обработки трёх- мерных графических приложений ,написанных на OpenGL,и предназначаются для применения в области САПР и мультимедиа - приложений . RISC server , определяемый как коммуникационный сервер общего назначения ,поддержи- вают пакет Microsoft BackOffice . В промышленных кругах говорят ,что NEC готовит ещё ряд серверов с установленным ПО Gibraltar ,которые она собирается выпустить на рынок в начале этого года . ”Скоро мы подробнее узнаем об этих планах “, - уверена Хейнс . Компания NetFrame последовала примеру NEC и забросила NetWare . Она только что приступила к выпуску Cluster Server 8500 - четырёхканального многопроцессорного сервера с высокой отказоустойчивостью .Его минималь- ная цена - 31900 US$ .
-2- “Ходит много разговоров об отказоустойчивых NT - серверах ,но се- годня только мы поставляем такие системы “ , - заявил Кевин Кин , начальник отдела маркетинга продукции компании NetFrame . По крайней мере один реселлер NetFrame - корпорация Lantec - с эн- тузиазмом ожидает новые серверы .” У нас много контрактов на NT , - гово- рит Джерри Бил ,ведущий инженер сервисной службы Lantec , - NetFrame по- может нам частично удовлетворить эти заказы “. Тем временем Compaq ,Dell и Getway готовят NT - серверы на базе микропроцессоров Pentium Pro компании Intel .Ожидается ,что NT станет ве- дущей ОС для Pentium Pro ,поскольку Windows 95 содержит 16- ти разрядный код и работает на Pentium Pro не так быстро ,как полностью 32-ух разрядная NT .В 1996 году объём продаж NT будет нарастать ,скорее всего ,как снежный ком . “ Далее я постараюсь наиболее кратко рассказать о внутреннем уст- ройстве Windows NT и о взаимодействие её внутренних модулей . Когда пользователь впервые видит операционную систему Microsoft Windows NT ,ему в глаза бросается отчётливое внешнее сходство с полюбив- шимся интерфейсом системы Windows 3.x .Однако это видимое сходство яв- ляется лишь незначительной частью Windows NT . Windows NT является 32-ух разрядной операционной системой с при- оритетной многозадачностью . В качестве фундаментальных компонентов в состав операционной системы входят средства обеспечения безопасности и развитый сетевой сервис .Windows NT также обеспечивает совместимость со многими другими операционными и файловыми системами , а также с сетями. Windows NT способна функционировать как на компьютерах , оснащенных CISC - процессорами со сложной системой команд ( complex instruction set computing ), так и на компьютерах с RISC - процессорами , имеющими сокра- щённый набор инструкций ( reduced instruction set computing ) . Операционная система Windows NT также поддерживает высокопроизводительные системы с мультипроцессорной конфигурацией . Знакомым в Windows NT является только внешний облик .За графичес- ким пользовательским интерфейсом скрываются мощные возможности . При- водя обзорные сведения по составляющим Windows NT компонентам я поста- раюсь более детально рассмотреть некоторые из них .
Задачи ,поставленные при создании Windows NT Система Windows NT не является дальнейшим развитием ранее сущес- твовавших продуктов . Её архитектура создавалась с нуля с учётом предъяв- ляемых к современной операционной системе требований . Особенности но- вой системы ,разработанной на основе этих требований ,перечислены ниже . · Стремясь обеспечить совместимость (compatible) новой операционной сис- темы ,разработчики Windows NT сохранили привычный интерфеис Windows и реализовали поддержку существующих файловых систем (таких ,как FAT ) и различных приложений (написанных для MS - Dos ,OS/2 1.x ,Windows 3.x и POSIX ).Разработчики также включили в состав Windows NT средства рабо-
-3- ты с различными сетевыми средствами . · Достигнута переносимость (portability) системы ,которая может теперь ра- ботать как на CISC , так и на RISC - процессорах .К CISC относятся Intel - совместимые процессоры 80386 и выше ;RISC представлены системами с процессорами MIPS R4000 , Digital Alpha AXP и Pentium серии P54 и выше . · Масштабируемость (scalability) означает , что Windows NT не привязана к однопроцессорной архитектуре компьютеров ,а способна полностью испо- льзовать возможности , предоставляемые симметричными мультипроцес- сорными системами .В настоящее время Windows NT может функциониро- вать на компьютерах с числом процессоров от 1 до 32 . Кроме того , в слу- чае усложнения стоящих перед пользователями задач и расширения предъ- являемых к компьютерной среде требований ,Windows NT позволяет легко добавлять более мощные и производительные серверы и рабочии станции к корпоративной сети .Дополнительные преимущества даёт использование
единой среды разработки и для серверов ,и для рабочих станций . · Windows NT имеет однородную систему безопасности (security) ,удовлетво- ряющую спецификациям правительства США и соответствующую стандарту безопастности В2 .В корпоративной среде критическим приложениям обес-
печивается полностью изолированное окружение . · Распределённая обработка ( distributed processing ) означает ,что Windows NT имеет встроенные в систему сетевые возможности . Windows NT также позволяет обеспечить связь с различными типами хост - компьютеров бла- годаря поддержке разнообразных транспортных протоколов и использова- нию средств “клиент-сервер” высокого уровня ,включая именованные кана- лы ,вызовы удалённых процедур (RPC - remote procedure call ) и Windows - сокеты . · Надёжность и отказоустойчивость (reliability and robustness) обеспечивают- архитектурными особенностями ,которые защищают прикладные програм- мы от повреждения друг другом и операционной системой .Windows NT ис- пользует отказоустойчивую структурированную обработку особых ситуаций на всех архитектурных уровнях ,которая включает восстанавливаемую фай- ловую систему NTFS и обеспечивает защиту с помощью встроенной систе- мы безопасности и усовершенствованных методов управления памятью . · Возможности локализации ( allocation) представляют средства для работы во многих странах мира на национальных языках ,что достигается примене- нием стандарта ISO Unicod ( разработан международной организацией по стандартизации ). · Благодаря модульному построению системы обеспечивается расширяе- мость (insibility) Windows NT ,что ,как будет показано в следующем разде- ле ,позволяет гибко осуществлять добавление новых модулей на различные уровни операционной системы .
Архитектурные модули Windiws NT Как показано на следующем рисунке ,Windows NT представляет из се- модульную (более совершенную ,чем монолитная )операционную систему ,ко- торая состоит из отдельных взаимосвязанных относительно простых модулей. Основными модулями Windows NT являются (перечислены в порядке следова- ния от нижнего уровня архитектуры к верхнему ) : уровень аппаратных абст- ракций HAL (Hardware Abstraction Layer ) ,ядро (Kernel ) , исполняющая систе-
-4- ма (Executive) ,защищенные подсистемы (protected subsystems) и подсистемы среды (environment subsystems ).
Модульная структура Windows NT Краткое описание модульной структуры Windows NT представлено да- лее .Дальнейший материал посвящён детальному рассмотрению каждого из компонентов Windows NT ,начиная с уровня аппаратных абстракций HAL ,кото- рый распологается между аппаратными средствами компьютера и остальной частью операционной системы . · Уровень аппаратных абстракций виртуализирует аппаратные интерфейсы , обеспечивая тем самым независимость остальной части операционной сис- темы от конкретных аппаратных особенностей .Подобный подход позволяет обеспечить легкую переносимость Windows NT с одной аппаратной плат- формы на другую . · Ядро является основой модульного строения системы и координирует вы-
-5- полнение большинства базовых операций Windows NT . Этот компонент специальным образом оптимизирован по занимаемому объёму и эффек- тивности функционирования .Ядро отвечает за планирование выполнения потоков , синхронизацию работы нескольких процессоров , обработку аппа- ратных прерываний и исключительных ситуаций . · Исполняющая система включает в свой состав набор программных конст- рукций привилегированного режима ( kernel - mode ) , представляющих ба- зовый сервис операционной системы подсистемам среды . Исполняющая система состоит из нескольких компонентов ; каждая из них предназначена для поддержки определённого системного сервиса . Так , один из компо- нентов - монитор безопасности (Security Reference Monitor) - функциониру- ет совместно с защищёнными подсистемами и обеспечивает реализацию модели безопасности системы . · Подсистемы среды представляют собой защищённые серверы пользова- тельского режима (user-mode) ,которые обеспечивают выполнение и под- держку приложений ,разработанных для различного операционного окруже- ния (различных операционных систем ) . Примером подсистем среды могут служить подсистемы Win32 и OS/2 .
Уровень аппаратных абстракций Уровень аппаратных абстракций ( HAL ) представляет собой создавае- мый производителями аппаратных средств слой программного обеспечения, который скрывает (или абстрагирует ),особенности и различия аппаратуры от верхних уровней операционной системы .Таким образом,благодаря обеспечи- ваемому HALом фильтру ,различные аппаратные средства выглядят аналогич- но с точки зрения операционной системы ; снимается необходимость специ - альной поднастройки операционной системы под используемое оборудова - ние . При создании уровня аппаратных абстракций ставилась задача подго- товки процедур ,которые позволяли бы единственному драйверу конкретного устройства поддерживать функционирование этого устройства для всех платформ . HAL ориентирован на большое число разновидностей аппаратных платформ с однопроцессорной архитектурой ; таким образом для каждого из аппаратных вариантов не требуется отдельной версии операционной сис- темы . Процедуры HAL называются как средствами операционной системы (включая ядро) , так и драйверами устройств .При работе с драйверами уст- ройств уровень аппаратных абстракций обеспечивает поддержку различных технологий ввода - вывода (вместо традиционной ориентации на одну аппа- ратную реализацию или требующей значительных затрат адаптации под каж- дую новую аппаратную платформу ). Уровень аппаратных абстракций позволяет также “скрывать” от осталь- ных уровней операционной системы особенности аппаратной реализации симметричных мультипроцессорных систем .
Ядро
-6- Ядро (Kernel) является “сердцем ” Windows NT и работает в тесном контакте с уровнем аппаратных абстракций . Этот модуль , в первую очередь , занимается планированием действий компьютерного процессора . В случае если компьютер содержит несколько процессоров , ядро синхронизирует их работу с целью достижения максимальной производительности системы . Ядро осуществляет диспетчеризацию нитей управления (threads ,иног- да называются подзадачами ,ответвлениями или потоками ), которые являют- ся основными объектами в планируемой системе .Нити управления определя- ются в контексте процесса ;процесс включает адресное пространство , набор
доступных процессу объектов и совокупность выполняемых в контексте про- цесса нитей управления . Объектами являются управляемые операционной системой ресурсы . Ядро производит диспетчеризацию нитей управления таким образом , чтобы максимально загрузить процессоры системы и обеспечить первооче-
редную обработку нитей с более высоким приоритетом . ( Всего существует 32 значения приоритета ,которые сгруппированы в два класса приоритетов : real-time и variable ).Подобный подход позволяет достичь максимальной эф- фективности операционной системы . Под компоненты исполняющей системы , такие как диспетчер ввода - вывода и диспетчер процессов , используют ядро для синхронизации дейст- вий .Они также взаимодействуют с ядром для более высоких уровней абст- ракции ,называемых объектами ядра ;некоторые из этих объектов экспорти- руются внутри пользовательских вызовов интерфейса прикладных программ (API) . Ядро управляет двумя типами объектов . · Объекты диспетчеризации (dispatcher objects) характеризуются сигнальным состоянием ( signaled или nonsignaled ) и управляют диспетчеризацией и синхронизацией системных операций .Эти объекты включают события , му- танты ,мутэксы ,семафоры , нити управления и таймеры ( events , mutants , mutexes ,semaphores ,threads ,timers ). · Управляющие объекты ( control objects ) используются для операций управ- ления ядра , но не воздействуют на диспетчеризацию или синхронизацию . Управляющие объекты включают в себя асинхронные вызовы процедур , прерывания ,уведомления и состояния источника питания ,процессы и про- фили (asynhcronous procedure calls , interupts ,power notifies, power statuses,processes ,profiles).

Исполняющая система Windows NT Исполняющая система ( Executive ) , в состав которой входит ядро и уровень аппаратных абстракций HAL , обеспечивает общий сервис системы , который могут использовать все подсистемы среды . Каждая группа сервиса находится под управлением одной из отдельных составляющих исполняющей системы : · диспетчера объектов (Object Manager) · диспетчера виртуальной памяти (Virtual Memory Manager); · диспетчера процессов (Process Manager)
-7- · средства вызова локальных процедур (Local Procedure Call Facility); · диспетчера ввода - вывода (E/O Maneger); · мониторы безопасности (Security Reference Monitor). Монитор безопасности совместно с процессором входа в сиситему ( Logon ) и защищёнными подсистемами реализует модель безопасности Windows NT . Верхний уровень исполняющей системы называется системным серви- сом (System Services ) . Показанный на следующем рисунке системный сервис представляет собой интерфейс между подсистемами среды пользовательско- го режима и привилегированным режимом .
Диспетчер кэша Архитектура ввода - вывода содержит единственный диспетчер кэша (Cache Manager),который осуществляет кэширование для всей системы вво- да - вывода .Кэширование (Caching) - метод ,используемый файловой систе- мой для увеличения эффективности .Вместо непосредственной записи и счи- тывания с диска ,часто используемые файлы временно сохраняются в кэш - памяти ;таким образом ,работа с этими файлами выполняется в памяти . Опе-
-8- рации с данными ,находящимися в памяти , производятся значительно быст- рее операций с данными на диске . Диспетчер кэша использует модель отображения файла,которая интег- рированна с диспетчером виртуальной памяти Windows NT .Диспетчер кэша обеспечивает службу кэширования для всех файловых систем и сетевых ком- понентов ,функционирующих под управлением диспетчера ввода - вывода. В зависимости от объёма доступной оперативной памяти диспетчер кэша мо -жет динамически увеличивать или уменьшать размер кэша .Когда процесс открывает файл ,который уже находился в кэше ,диспетчер кэша просто копи- рует данные из кэша в виртуальное адресное пространство . Диспетчер кэша поддерживает службы типа ленивой записи ( lazy write) и ленивой фиксации (lazy commit), которые могут значительно увеличить эффективность файловой системы . В процессе ленивой записи изменения регистрируются в кэше файловой структуры ,обеспечивающем более быстрый доступ .Позднее ,когда загрузка центрального процессора снижена , диспет- чер кэша заносит изменения на диск .Ленивая фиксация подобна ленивой за- писи .Вместо немедленной маркировки транзакции как успешно завершив- шейся ,переданная информация кэшируется и позднее в фоновом режиме за- писывается в журнал файловой системы .
Драйверы файловой системы В архитектуре ввода - вывода Windows NT управление драйверами файловой системы осуществляет диспетчер ввода - вывода . Windows NT до- пускает использование множества файловых систем , включая существующие файловые системы типа FAT . Для обеспечения совместимости снизу вверх с операционными системами MS-Dos , Windows 3.x и OS/2 , Windows NT под - держивает файловые системы FAT и HPFS . Кроме того ,Windows NT также поддерживает NTFS - новую файловую систему ,разработанную специально для использования с Windows NT . NTFS обеспечивает множество возможностей , включая средства восстановления файловой системы , поддержку Unicode ,длинных имён файлов и поддержку для POSIX . Архитектура ввода - вывода Windows NT не только поддерживает тра- диционные файловые системы ,но и обеспечивает функционирование сете- вого редактора и сервера в качестве драйверов файловой системы . С точки зрения диспетчера ввода - вывода , нет никакой разницы между работой с файлом ,сохранённым на удалённом компьютере сети ,и работой с файлом на локальном жёстком диске . Редиректоры и серверы могут быть загружены и выгружены динамически ,так же как и любые другие драйверы ;на одном ком- пьютере может одновременно находиться большое число редиректоров и серверов .
Сетевые драйверы Следующим типом драйверов ,присутствующих в качестве компонента в архитектуре ввода - вывода ,являются сетевые драйверы .Windows NT вклю- чает интегрированные возможности работы с сетями и поддержку для рас- пределённых приложений .Как показано на следующем рисунке работа с се-
-9- тями обеспечивается рядом сетевых драйверов . Редиректоры и серверы функционируют как драйверы файловой сис- темы и выполняются на уровне интерфейса поставщика или ниже , где нахо- дятся NetBIOS и Windows - сокет . Драйверы транспортного протокола общаются с редиректорами и сер- верами через уровень , называемый интерфейсом транспортного драйвера (TDI - Transport Driver Interface). Windows NT включает следующие транспорт-
ные средства : · Протокол управления передачей / межсетевой протокол TCP/IP , который обеспечивает возможность работы с широким диапазоном существующих сетей . · NBF ,потомок расширенного интерфейса пользователя NetBIOS (NetBEUI ) , который обеспечивает совместимость с существующими локальными вы- числительными сетями на базе LAN Manager ,LAN Server и MS-Net .
· Управление передачей данных (DLC - Data Link Control) , которое обеспечи-вает интерфейс для доступа к мэйнфрэймам и подключённым к сети прин-терам . · NWLink ,реализация IPX/SPX , обеспечивающая связь с Nowell NetWare . В нижней части сетевой архитектуры находится драйвер платы сетево- го адаптера .Windows NT в настоящее время поддерживает драйверы уст-
-10- ройств ,выполненные в соответствии со спецификацией NDIS (Network Device Inerface Specification ) версии 3.0 .NDIS предоставляет гибкую среду обмена данными между транспортными протоколами и сетевыми адаптерами .NDIS 3.0 позволяет отдельному компьютеру иметь несколько установленных в нём плат сетевого адаптера .В свою очередь ,каждая плата сетевого адаптера может поддерживать несколько транспортных протоколов для доступа к раз- личным типам сетевых станций .
Модель безопасности Windows NT Модель безопасности Windows NT представлена монитором безопас- ности (Security Reference Monitor),а также двумя другими компонентами : про- цессором входа в систему (Logon Process) и безопасными защищёнными под- системами . В многозадачной операционной системе , каковой является Windows NT приложения совместно используют ряд ресурсов системы ,включая память компьютера ,устройства ввода - вывода ,файлы и процессор(ы) системы. Windows NT включает набор компонентов безопасности ,которые гарантируют, что приложения не смогут обратиться к этим ресурсам без соответствующего разрешения . Монитор безопасности отвечает за проведение в жизнь политики проверки правильности доступа и контроля ,определённой локальной подсистемой безопасности .Монитор безопасности обеспечивает услуги по подтверждению доступа к объектам ,проверке привилегий пользователя и ге- нерации сообщений как для привилегированного режима ,так и для режима пользователя .Монитор безопасности ,подобно другим частям операционной системы ,выполняется в привилегированном режиме . Процесс входа в систему в Windows NT предусматривает обязатель- ный вход в систему безопасности для идентификации пользователя .Каждый пользователь должен иметь бюджет и должен использовать пароль для обра- щения к этому бюджету . Прежде чем пользователь сможет обратиться к любому ресурсу компьюте- ра с Windows NT ,он должен войти в систему через процесс входа в систему для того ,чтобы подсистема безопасности могла распознать имя пользовате- ля и пароль .Только после успешного установления подлинности монитор без-опасности выполняет процедуру проверки правильности доступа для опреде-ления права пользователя на обращение к этому объекту . Защищённость ресурсов - одна из особенностей ,предоставляемая моделью безопасности .Задачи не могут обращаться к чужим ресурсам (типа памяти) иначе ,чем через применение специальных механизмов совместного использования . Windows NT также предоставляет средства контроля ,которые позво- ляют администратору фиксировать действия пользователей .
Итоги Подводя итоги всему вышеописанному хочу сказать ,что это только маленькая часть всех возможностей , которые заложены в Windows NT .Хочу
-11- кратко перечислить достоинства Windows NT : 1. Это современная ОС ,отвечающая требованиям современной аппаратуры ! 2. Это прекрасно совместимая с другими ОС ! 3. Это многозадачная (мультизадачная) ОС ! 4. Это хорошо защищённая ОС ! 5. И это удобная и надёжная ОС ! Для составления реферата я пользовался материалами еженедельника ComputerWeek Moscow и материалами книги “Ресурсы Windows NT” издатель-ства “BHV - Санкт-Петербург”.