Сетевые операционные системы (Обзор сетевых операционных систем)

Содержание:

Введение

В современном мире значительную часть стала занимать ЭВМ. Компьютеры используются во всех сферах деятельности: медицине, науке, образовании, коммерческой деятельности и т.п., способствуя более быстрой и верной обработки информации, ее хранению и передачу. Общение пользователя и компьютера происходит посредством операционной системы, а сетевые операционные системы помогаю расширить возможности для хранения, обработки данных и совместного их использования. Тема данной курсовой интересна тем, что в современном обществе все активнее происходят процессы глобализации. Все большее количество пользователей объединяется в разнообразные сети. За взаимодействие этих процессов и отвечают сетевые операционные системы. Они постоянно эволюционируют, адаптируясь под растущие запросы общества. Поэтому данная тема интересна и актуальна.

Целью данной курсовой работы является исследовать понятие «сетевые операционные системы». Актуальность темы связанна с потребностью улучшения характеристик операционных систем, повышения качества работы и упрощения взаимодействия.

Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:

- определить понятие «операционной системы», ее функции и назначение, так как эти понятия являются базовыми и для сетевых операционных систем;

- рассмотреть развитие операционных систем, так как именно в историческом разрезе видно постепенное усложнение ее структуры и причины появления сетевых операционных систем;

- раскрыть понятие сетевой операционной системы;

- привести классификацию сетевых операционных систем, более полно раскрывающей возможности их применения;

- описать структуру сетевых операционных систем для более наглядного изображения их сущности, свойств и функций;

- рассмотреть наиболее известные сетевые операционные системы с их достоинствами и недостатками, так как это подчеркивает актуальность данного исследования.

В главе первой решаются первые две задачи, во второй третья, четвертая и пятая, а в заключительной третьей выполняется последняя.

Объектом являются сетевые операционные системы, а предметом – использование научных трудов ученых и программистов для описание основных свойств, характеристик и функций сетевых операционных систем.

В данной работе использованы работы таких авторов как Гордеев А. В. (Операционные системы: Учебник для вузов, 2007 г.); Кондратьев, В.К. (Введение в операционные системы : учебное пособие, 2007 г.), Борисов Р., Лобан А. (Информатика. Базовый курс, 2019г.); Таненбаум Э. С., Херберт Б. (Современные операционные системы, 2015г.); Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. (Сетевые операционные системы. Учебное пособие. 2015). Труды этих авторов используются много лет используются для ведения лекций и освещения определенных задач. Так же используются и другие ресурсы: лекции Назарова С.В. (Эффективность современных операционных систем // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2017г), Котенко В. Н. (Операционные системы. Курс лекций. – 2015.), В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов.(Организация сетевого администрирования (лекции - Структура сетевой операционной системы); Кондратьев, В.К. (Введение в операционные системы : учебное пособие ) надежность их определяет издатель – крупные институты и университеты. Их исследования базируются на трудах вышеупомянутых авторов.

Итак, для достижения поставленной цели первоначально необходимо раскрыть понятие операционной системы.

Глава 1. Операционная система: понятие, функции и эволюция.

1.1. Понятие операционной системы

«Операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных (системными принято называть такие программы, которые используются всеми остальными программами) управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, а с другой стороны, предназначены для наиболее эффективного расходования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений» [Гордеев А. В. Операционные системы: Учебник для вузов. — 2-е изд. — СПб.: Питер, 2007. — 416 с.- C.13].

Назначение операционной системы – облегчение процесса взаимодействия пользователя и техники.

Выделяют следующие основные функции [Кондратьев, В.К. Введение в операционные системы : учебное пособие / Кондратьев В.К. — Москва : Евразийский открытый институт, 2007. — 231 с.— URL: https://book.ru/book/906551 (дата обращения: 03.07.2019).- C.39]:

• Выполнение по запросу программ достаточно простых действий, являющихся общими для большинства программ и часто встречающихся почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
• Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.
• Стандартный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).
• Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 с2]).
• Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.
• Обеспечение пользовательского интерфейса.
• Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.

Дополнительные функции [Кондратьев, В.К. Введение в операционные системы : учебное пособие / Кондратьев В.К. — Москва : Евразийский открытый институт, 2007. — 231 с.— URL: https://book.ru/book/906551 (дата обращения: 03.07.2019).- C.39]:

• Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
• Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.
• Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.
• Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основанная на разграничении доступа к ресурсам.
• Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация [Гордеев А. В. Операционные системы: Учебник для вузов. — 2-е изд. — СПб.: Питер, 2007. — 416 с.C.14].
• Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.
• Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа.

Из функций вытекают и соответствующие требования к операционным системам [Назаров С.В. Эффективность современных операционных систем // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2017. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-sovremennyh-operatsionnyh-sistem (дата обращения: 03.07.2019).].

Основное требование - функциональная полнота, которая зависит от предметной области использования системы и определяется выполнением основных функции эффективного управления ресурсами и обеспечения удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Современная операционная система поддерживает мультипрограммный вычислительный процесс, как правило, виртуальную память, возможно свопинг, требуемый интерфейс для приложении и, возможно для пользователя, высокую степень защиты, удобство работы, а также выполнять многие другие необходимые функции и услуги[Кондратьев, В.К. Введение в операционные системы : учебное пособие / Кондратьев В.К. — Москва : Евразийский открытый институт, 2007. — 231 с.— URL: https://book.ru/book/906551 (дата обращения: 03.07.2019).]. Кроме того, к операционной системе предъявляется другие важные эксплуатационные требования.

Эффективность - это степень соответствия системы своему назначению, техническое совершенство и экономическая целесообразность. На эффективности операционной системы влияет много различных факторов, среди которых основными являются архитектура, многообразие ее функции, качество программного кода, аппаратная платформа (компьютер) и др. Эти вопросы рассмотрены ниже[Назаров С.В. Эффективность современных операционных систем // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2017. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-sovremennyh-operatsionnyh-sistem (дата обращения: 03.07.2019).].

Надежность и отказоустойчивость, то есть система должна быть защищена от внутренних и внешних сбоев и отказов. Если возникает ошибка в программе или аппаратуре система должна обнаружить ее, попытаться исправить ее или свести к минимуму ущерб. Это свойство операционной системы определяются архитектурными решениями, положенными в ее основу, а также отлаженностью программного кода (основные отказы и сбои операционной системы в основном обусловлены программными ошибками в ее модулях)

Безопасность (защищенность), то есть операционная система должна защищать приложения и пользователей и от воздействия чужих ошибок, и попыток злонамеренного вмешательства (несанкционированного доступа). Это свойство особенно важно для сетевых операционных систем [Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.c.27].

Предсказуемость, то есть запуская свою программу в системе, пользователь должен иметь основанное на опыте работы с этой программной приблизительное представление, когда ему ожидать выдачи результатов. Требования со стороны приложении, как правило, могут быть сформулированы и достаточно полно учтены [В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview (дата обращения 04.07.19)].

Расширяемость, то есть операционная система может быть расширяемой, если при ее создании руководствовались принципами модульности, функциональной избыточности, функциональной избирательности и параметрической универсальности.

Переносимость, то есть код операционной системы должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа на аппаратную платформу другого типа.

Совместимость, которую следует различать на уровне двоичных кодов и на уровне исходных текстов. Кроме того, понятие совместимости включает также поддержку пользовательских интерфейсов других операционных систем [Назаров С.В. Эффективность современных операционных систем // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2017. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-sovremennyh-operatsionnyh-sistem (дата обращения: 03.07.2019).].

Удобство - средства операционной системы должны быть простыми и гибкими, а логика ее работы ясна пользователю.

Масштабируемость, то есть операционная система позволяет управлять компьютером с различным числом процессоров, обеспечивая линейное (или почти такое) возрастание производительности при увеличении числа процессоров. В этом случае реализуется симметричная многопроцессорная обработка. С масштабируемостью связано понятие кластеризации - объединения в систему двух (и более) многопроцессорных компьютеров. Правда, кластеризация направлена не столько на масштабируемость, сколько на обеспечение высокой готовности системы [Назаров С.В. Эффективность современных операционных систем // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2017. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-sovremennyh-operatsionnyh-sistem (дата обращения: 03.07.2019).].

Различают три режима операционной системы в соответствии с условиями применения [Борисов Р., Лобан А. Информатика. Базовый курс. – Litres, 2019. – 302 сc 44]:

- Пакетной обработки (операционная система последовательно выполняет собранные в пакет задания, при этом пользователь не контактирует с ЭВМ, получая лишь результаты вычислений).

- Разделения времени (операционная система одновременно выполняет несколько задач, допуская обращение каждого пользователя к ЭВМ).

- Реального времени (операционная система обеспечивает управление объектами в соответствии с принимаемыми входными сигналами, при этом время отклика ЭВМ с операционной системой реального времени на возмущающее воздействие должно быть минимальным [Кондратьев, В.К. Введение в операционные системы : учебное пособие / Кондратьев В.К. — Москва : Евразийский открытый институт, 2007. — 231 с.— URL: https://book.ru/book/906551 (дата обращения: 03.07.2019).]).

Итак, раскрыв понятие «операционная система», ее назначение и функции, рассмотрим процесс развития (эволюцию) данных систем, так как это позволяет глубже понять сущность основных достижений этой отрасли, осознать существующие тенденции и правильно оценить перспективность тех или иных направлений развития.

1.2. Эволюция операционных систем

Предшественником операционной системы следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы свели к минимуму физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволили избежать частого программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.) [Назаров С.В. Эффективность современных операционных систем // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2017. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-sovremennyh-operatsionnyh-sistem (дата обращения: 03.07.2019).].

История операционной системы насчитывает примерно полвека и во многом определялась и определяется развитием элементной базы и вычислительной аппаратурой .

Первое поколение - 40-е годы. Первые цифровые вычислительные машины без операционной системы. Вычислительный процесс решается программистом с пульта управления [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 сC.6].

Второе поколение - 50-е годы. Появление прообраза операционной системы - мониторные системы, реализующие систему пакетной обработки заданий. Необходимость оптимально использовать дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 сC.7]. Пакетный режим предполагает очередь программ на исполнение, причём операционная система может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

Третье поколение - 1965-1980 г.г. Переход к интегральным схемам. IBM/360. Реализованы практически все основные концепции, присущие современным операционным системам: 

- Разделение времени и многозадачность. Разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ потребовалось уже при пакетном режиме. Эта необходимость проявилась еще острее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Так как скорость ввода с клавиатуры (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) приводило к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов.[Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 с- C.8]

Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких, как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие, как массивные вычисления) — в пакетном режиме [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 сC.7].

- Разделение полномочий. Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, которые позволяют избежать возможности модификации исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой (содержащей ошибку или злонамеренно подготовленной) программы, а также модификации самой операционной системы прикладной программой. Эта концепция была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора — «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).

- Реальный масштаб времени — синхронизация исполнения программ с внешними физическими процессами, что позволило создавать системы, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и (или) в режиме разделения времени)[Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сC.9]. Такие операционные системы получили название «Операционные системы с планированием в реальном масштабе времени» или сокращенно ОСРВ.

- Файловые системы и структуры. Постепенная замена носителей с последовательным доступом (перфолент, перфокарт и магнитных лент) накопителями произвольного доступа (на магнитных диск).

Реализация мультипрограммирования потребовала внесения очень важных изменений в аппаратуру компьютера: привилегированный и пользовательский режимы, средства защиты областей памяти, развитой системы прерываний [Кондратьев, В.К. Введение в операционные системы : учебное пособие / Кондратьев В.К. — Москва : Евразийский открытый институт, 2007. — 231 с.— URL: https://book.ru/book/906551 (дата обращения: 03.07.2019).].

Четвертое поколение - конец 70-х. Создан рабочий вариант стека протоколов TCP/IP. В 1983 году он был стандартизирован. Независимость от производителей, гибкость и эффективность, доказанные успешной работой Интернет, сделала этот стек протоколов основным стеком для большинства операционных систем.

Начало 80-х. Появление персональных компьютеров. Бурный рост локальных сетей. Поддержка сетевых функций стала необходимым условием [Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.].

80-е годы. Приняты основные стандарты на коммуникационные технологии локальных сетей: Ethernet, Token Ring, FDDI. Это позволило обеспечить совместимость сетевых ОС на нижних уровнях.

Начало 90-х. Практически все операционные системы стали сетевыми. Появились специализированные сетевые операционные системы (например IOS, работающая в маршрутизаторах [Назаров С.В. Эффективность современных операционных систем // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2017. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-sovremennyh-operatsionnyh-sistem (дата обращения: 03.07.2019).])

Последнее десятилетие. Особое внимание корпоративным сетевым операционным системам, для которых характерны высокая степень масштабируемости, поддержка сетевой работы, развитые средства обеспечения безопасности, способность работать в гетерогенной среде, наличие средств централизованного администрирования [Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.].

Итак, определив понятие операционная система, ее функции, назначение и развитие, выделим, что они являются базовыми для раскрытия определения сетевых операционных систем. Сетевые операционные системы возникли из операционных систем и унаследовали их функции и структуру. Об этом расскажем далее.

Глава 2. Сетевые операционные системы

2.1 Понятие и виды сетевых операционных систем

«Под сетевой операционной системой в широком смысле понимается совокупность операционных систем отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам – протоколам» [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 сC. 17].

Сетевая же операционная система - это операционная система со встроенными возможностями для работы в компьютерных сетях. К таким возможностям можно отнести [Назаров С.В. Эффективность современных операционных систем // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2017. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-sovremennyh-operatsionnyh-sistem (дата обращения: 03.07.2019).]:

1. поддержку сетевого оборудования
2. поддержку сетевых протоколов
3. поддержку протоколов маршрутизации
4. поддержку фильтрации сетевого трафика
5. поддержку доступа к удалённым ресурсам, таким как принтеры, диски и т. п. по сети
6. поддержку сетевых протоколов авторизации
7. наличие в системе сетевых служб, позволяющих удалённым пользователям использовать ресурсы компьютера

Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. «В узком смысле сетевая ОС - это операционная система отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети»[Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сC.10].

Главные задачи сетевой операционной системы - разделение ресурсов сети и администрирование сети. Отсюда сетевые операционные системы делят на сетевые операционные системы для серверов и сетевые операционные системы для пользователей.

Сетевые операционные системы, а следовательно, и сети делятся на два класса: одноранговые и двухранговые (Рисунок 1) в зависимости от того, как распределены функции между компьютерами сети [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сC. 13]. Последние чаще называют сетями с выделенными серверами.

Рисунок 1. Одноранговые и двухранговые сетевые операционные системы [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 с- C.17]

Компьютер играет роль сервера, когда предоставляет свои ресурсы другим пользователям сети. При этом компьютер, обращающийся к ресурсам другой машины, определяется как клиент. Таким образом, компьютер, работающий в сети, может выполнять функции либо клиента, либо сервера, либо совмещать обе эти функции .

Компьютер называется выделенным сервером, если выполнение каких-либо серверных функций является его основным назначением (например, предоставление файлов в общее пользование всем остальным пользователям сети или организация совместного использования факса, или предоставление всем пользователям сети возможности запуска на данном компьютере своих приложений). Он называется файл-сервером, факс-сервером, принт-сервером, сервером приложений и т.д в зависимости от того, какой ресурс сервера является разделяемым [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сC.13].

На выделенных серверах желательно устанавливать операционные системы, специально оптимизированные для выполнения тех или иных серверных функций. Поэтому в сетях с выделенными серверами чаще всего используются сетевые операционные системы, в состав которых входит нескольких вариантов операционных систем, отличающихся возможностями серверных частей. К примеру, сетевая ОС Novell NetWare имеет серверный вариант, оптимизированный для работы в качестве файл-сервера, и варианты оболочек для рабочих станций с различными локальными операционными системами, причем эти оболочки выполняют исключительно функции клиента. Другим примером операционной системы, направленной на построение сети с выделенным сервером, является операционная система Windows NT [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 с C.22]. В отличие от NetWare, оба варианта данной сетевой операционной системы - Windows NT Server (для выделенного сервера) и Windows NT Workstation (для рабочей станции) - могут поддерживать функции и клиента и сервера. Однако, серверный вариант Windows NT имеет больше возможностей для предоставления ресурсов своего компьютера другим пользователям сети, так как может выполнять более широкий набор функций, поддерживает большее количество одновременных соединений с клиентами, реализует централизованное управление сетью, имеет более развитые средства защиты.

Выделенный сервер не принято использовать в качестве компьютера для выполнения текущих задач, не связанных с его основным назначением, так как это может уменьшить производительность его работы как сервера. В связи с такими соображениями в операционной системе Novell NetWare на серверной части возможность выполнения обычных прикладных программ вообще не предусмотрена, то есть сервер не содержит клиентской части, а на рабочих станциях отсутствуют серверные компоненты. Однако в других сетевых операционных системах работа на выделенном сервере клиентской части вполне возможно. Например, под управлением Windows NT Server могут запускаться обычные программы локального пользователя, которые могут потребовать выполнения клиентских функций операционной системы при появлении запросов к ресурсам других компьютеров сети. При этом рабочие станции, на которых установлена операционная система Windows NT Workstation, могут выполнять функции невыделенного сервера [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 с- C.14].

Сети с выделенным сервером функционально не симметрична [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 с- C.22] (несмотря на то, что все компьютеры в общем случае могут выполнять одновременно роли и сервера, и клиента): аппаратно и программно в ней реализованы два типа компьютеров - одни, в большей степени ориентированные на выполнение серверных функций и работающие под управлением специализированных серверных операционных систем, а другие - в основном выполняющие клиентские функции и работающие под управлением соответствующего этому назначению варианта операционной системы. Функциональная несимметричность, как правило, вызывает и несимметричность аппаратуры - для выделенных серверов используются более мощные компьютеры с большими объемами оперативной и внешней памяти [В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview -(дата обращения 03.07.2019]. Таким образом, функциональная несимметричность в сетях с выделенным сервером сопровождается несимметричностью операционных систем (специализация ОС) и аппаратной несимметричностью (специализация компьютеров).

В одноранговых сетях все компьютеры равны в правах доступа к ресурсам друг друга. Каждый пользователь может по своему желанию объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут его эксплуатировать. В таких сетях на всех компьютерах устанавливается одна и та же операционная система, которая предоставляет всем компьютерам в сети равные возможности [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сC.14].

В одноранговых сетях также может возникнуть функциональная несимметричность: одни пользователи не желают разделять свои ресурсы с другими, и в таком случае их компьютеры выполняют роль клиента, за другими компьютерами администратор закрепил только функции по организации совместного использования ресурсов, а значит они являются серверами, в третьем случае, когда локальный пользователь не возражает против использования его ресурсов и сам не исключает возможности обращения к другим компьютерам, операционная система, устанавливаемая на его компьютере, должна включать и серверную, и клиентскую части. В отличие от сетей с выделенными серверами, в одноранговых сетях отсутствует специализация операционных систем, все вариации реализуются средствами конфигурирования одного и того же варианта операционной системы [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 с- C.23].

Одноранговые сети проще в организации и эксплуатации, но они применяются в основном для объединения небольших групп пользователей, не нуждающихся в больших требованиях к объемам хранимой информации, ее защищенности от несанкционированного доступа и к скорости доступа. К этим характеристикам более подходящими являются двухранговые сети, где сервер лучше решает задачу обслуживания пользователей своими ресурсами, так как его аппаратура и сетевая операционная система специально спроектированы для этой цели.

Данная классификация общепринятая, однако ниже расскажем об еще одном делении сетевых операционных систем.

2.2 Операционные системы для рабочих групп и для сетей масштаба предприятия

Сетевые операционные системы имеют разные свойства в зависимости от того, предназначены они для сетей масштаба рабочей группы (отдела), для сетей масштаба кампуса или для сетей масштаба предприятия [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сC.17].

Сети отделов - используются небольшой группой сотрудников, решающих общие задачи. Главной целью такой сети является разделение локальных ресурсов (приложения, данные, лазерные принтеры и модемы). Сети отделов обычно не разделяются на подсети.

Обычно сети отделов имеют один или два файловых сервера и не более чем 30 пользователей. Задачи управления на уровне отдела относительно просты: добавление новых пользователей; устранение простых отказов; инсталляция новых узлов; установка новых версий программного обеспечения. Операционные системы сетей отделов применяются давно и достаточно отлаженные. Такая сеть обычно использует одну или максимум две сетевые операционные системы. Это сеть с выделенным сервером, например, Windows NT или NetWare, или же одноранговая сеть, например, сеть Windows [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 с-C.24].

Следующим шагом в эволюции сетей является объединение локальных сетей нескольких отделов в единую сеть здания или группы зданий – сеть кампусов

Сети кампусов - соединяют несколько сетей отделов внутри отдельного здания или внутри одной территории предприятия [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сC.17]. Эти сети - все еще локальные, хотя и могут покрывать территорию в несколько квадратных километров. Сервисы такой сети включают взаимодействие между сетями отделов, доступ к базам данных предприятия, доступ к факс-серверам, высокоскоростным модемам и высокоскоростным принтерам. При этом глобальные соединения не требуются. Сервисы, предоставляемые операционной системой сетей кампусов: разделением файлов и принтеров; предоставление доступа к серверам других типов, например, к факс-серверам и к серверам высокоскоростных модемов; доступ к корпоративным базам данных, независимо от того, располагаются ли они на серверах баз данных или на миникомпьютерах. Очень часто сеть кампуса соединяет разнородные компьютерные системы, здесь начинаются проблемы интеграции. Например, инженерный отдел может использовать операционную систему UNIX и сетевое оборудование Ethernet, отдел продаж может использовать операционные среды DOS/Novell и оборудование Token Ring [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 с- C.25].

Сети предприятия (корпоративные сети) -объединяют все компьютеры всех территорий отдельного предприятия. Они могут покрывать город, регион или даже континент. В таких сетях пользователям предоставляется доступ к информации и приложениям, находящимся в других рабочих группах, других отделах, подразделениях и штаб-квартирах корпорации.

Корпоративные сети используют глобальные связи (WAN links) для соединения локальных сетей или отдельных компьютеров. Наряду с базовыми сервисами, связанными с разделением файлов и принтеров, сетевая операционная система, которая разрабатывается для корпораций, должна поддерживать более широкий набор сервисов, в который обычно входят: почтовая служба; средства коллективной работы; поддержка удаленных пользователей; факс-сервис; обработка голосовых сообщений; организация видеоконференций и т.п. Многие существующие методы и подходы к решению традиционных задач сетей меньших масштабов для корпоративной сети оказались непригодными. Особое значение приобрели задачи преодоления гетерогенности – в сети появились многочисленные шлюзы, обеспечивающие согласованную работу различных операционных систем и сетевых системных приложений. Выделяют следующие признаки корпоративных ОС[Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 с- C.17]:

1. Поддержка приложений. В корпоративных сетях выполняются сложные приложения, требующие для выполнения большой вычислительной мощности. Такие приложения разделяются на несколько частей, их наиболее сложные в вычислительном отношении части переносят на специально предназначенный для этого мощный компьютер – сервер приложений. Сервер приложений должен базироваться на мощной аппаратной платформе (мультипроцессорные системы, часто на базе RISCпроцессоров, специализированные кластерные архитектуры). Операционная система сервера приложений должна обеспечивать высокую производительность вычислений, а значит поддерживать многонитевую обработку, вытесняющую многозадачность, мультипроцессирование, виртуальную память и наиболее популярные прикладные среды (UNIX, Windows, MSDOS, OS/2). Хорошая поддержка универсальных приложений, например, в Windows NT позволяет ей претендовать на место в мире корпоративных продуктов [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 сC.26].

2. Справочная служба. Корпоративная ОС должна обладать способностью хранить информацию обо всех пользователях и ресурсах таким образом, чтобы обеспечивалось управление ею из одной центральной точки. Эта информация организуется в виде базы данных. Данные из этой базы могут быть востребованы системами управления и администрирования. Такая база позволяет осуществлять различные операции поиска, сортировки, модификации и т.п., что очень сильно облегчает жизнь, как администраторам, так и пользователям. Но при этом приходится расплачиваться решением проблем распределённости, репликации и синхронизации [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 с-C.27]. В идеале сетевая справочная информация должна быть реализована в виде единой базы данных, а не представлять собой набор баз данных. Например, в Windows NT имеется по крайней мере пять различных типов справочных баз данных [Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.:

• Главный справочник домена (NT Domain Directory Service) – хранит информацию о пользователях, которая используется при организации их логического входа в сеть.
• Данные о тех же пользователях могут содержаться и в другом справочнике, используемом электронной почтой Microsoft Mail. Еще три базы данных поддерживают разрешение низкоуровневых адресов: 3. WINS – устанавливает соответствие Netbios-имен IP-адресам;
• справочник DNS – сервер имен домена – оказывается полезным при подключении NT-сети к Internet, и наконец; 5. справочник протокола DHCP используется для автоматического назначения IP-адресов компьютерам сети. Ближе к идеалу находятся справочные службы, поставляемые фирмой Banyan (продукт Streettalk III) и фирмой Novell (NetWare Directory Services), предлагающие единый справочник для всех сетевых приложений. Наличие единой справочной службы для сетевой операционной системы – один из важнейших признаков ее корпоративности.

3. Безопасность. Особую важность для ОС корпоративной сети приобретают вопросы безопасности данных [Проскуряков А. Компьютерные сети. Основы построения компьютерных сетей и телекоммуникаций. – Litres, 2019 201c.33]. В крупномасштабной сети объективно существует больше возможностей для несанкционированного доступа из-за: децентрализации данных и большой распределённости "законных" точек доступа; большого числа пользователей, благонадежность которых трудно установить; большого числа возможных точек несанкционированного подключения к сети. Для защиты данных в корпоративных сетях наряду с различными аппаратными средствами используется весь спектр средств защиты, предоставляемый операционной системой: избирательные или мандатные права доступа; сложные процедуры аутентификации пользователей; программная шифрация.

Таким образом, операционные системы разделяют в зависимости от функций, которые они выполняют и от свойств, которыми они обладают. Далее рассмотрим саму структуру сетевых операционных систем.

2.3 Структура сетевых операционных систем

В сетевой операционной системе отдельной ЭВМ можно выделить несколько частей [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сC.11].

1) Средства управления локальными ресурсами компьютера, такими как 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 операционных систем[Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 с C.18].

2) Средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование - серверная часть операционной системы (сервер). Они обеспечивают, например, блокировку файлов и записей (это необходимо для их совместного использования [В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview - дата обращения 03.07.2019]); 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 операционной системы. Данная 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 [Проскуряков А. Компьютерные сети. Основы построения компьютерных сетей и телекоммуникаций. – Litres, 2019 201c.Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 с]

4) Коммуникационные средства операционной системы, с помощью которых происходит обмен сообщениями между сетевыми операционными системами в сети. Данная часть является средством транспортировки сообщений, то есть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п..

Рисунок 2. Структура сетевой операционной системы [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сC.10]

Все множество сетевых операционных систем можно разбить на две группы [Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 сC.18]:

1) Одни сетевые операционные системы представляли собой совокупность неспециализированной (General) операционной системы и надстройки, добавляющей к ней сетевые функции (Рисунок 2).

2) Однако более эффективным являются операционные системы, изначально предназначенные для работы в сети. Сетевые функции у них встроены в основные модули системы, что обеспечивает их логическую стройность, простоту эксплуатации и модификации, а также высокую производительность.

Рисунок 3. Варианты построения сетевых ОС [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сС.12]

Как видно из структуры, сетевые операционные системы это – операционные системы с добавлением сетевых функций.

Операционные системы прошли длительный путь развития от монолитных систем к хорошо структурированным модульным системам, способным к развитию, расширению и обладающие хорошей переносимостью. Архитектура операционной системы является основным критерием по ее значительности влияния на производительность и масштабируемость.

Монолитные системы

общем случае "структура" монолитной системы представляет собой отсутствие структуры (Рисунок 3[Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.]). Операционная система представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызывать другие, когда ей это нужно. При этом, каждая процедура системы имеет хорошо определенный интерфейс, и каждая может вызвать любую другую при необходимости. 

Рисунок 4. Монолитная операционная система

Монолитная операционная система собирается из программных модулей и затем компилируется как единая система. Как программа такая сетевая операционная система может и быть модульной, но на практике взаимодействие ее процедур происходит в единой области видимости и любая процедура может вызвать любую.

Многоуровневые системы

При структуризации от монолитных систем переходят к многоуровневым. Уровни образуются группами функций операционной системы - файловая система, управление процессами и устройствами и т.п. Каждый уровень может взаимодействовать только со своим непосредственным соседом - выше- или нижележащим уровнем. Прикладные программы или модули самой операционной системы передают запросы вверх и вниз по этим уровням (Рисунок 4)[Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.].

 

Рисунок 5. Многоуровневая ОС

[В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview]

Несмотря на то, что такой структурный подход на практике обычно работал неплохо, сегодня он все больше рассматривается монолитным, старые операционные системы UNIX с многоуровневой структурой сейчас характеризуются как операционные системы с монолитными ядрами. В системах, имеющих многоуровневую структуру было сложно удалить один слой и заменить его другим из-за множественности и размытости интерфейсов между слоями. Чтобы добавить новые функции и изменить существующие требовалось хорошие знания операционной системы и масса времени. Когда стало очнвидно, что операционные системы должны иметь возможности развития и расширения, монолитный подход сменился моделью клиент-сервер с тесно связанной с ней концепция микроядра.

Модель клиент-сервер и микроядра

По отношению к структурированию операционной системы, идея использования взаимодействия клиент-сервер и микроядра состоит в разбиении ее на несколько процессов - серверов, выполняющих отдельный набор сервисных функций - например, управление памятью, управление файловой системой[Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.]. Каждый сервер выполняется в пользовательском режиме. Клиент, которым может быть либо другой компонент операционной системы, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая сообщение на сервер. Ядро операционной системы (называемое здесь микроядром), работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу, сервер выполняет операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения (Рисунок 5). 

 

Рисунок 6. Модель клиент-сервер и микроядра

[В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview - дата обращения 03.07.2019]

Данный подход изменил вертикальное распределение функций операционной системы на горизонтальное. Компоненты, лежащие выше микроядра, взаимодействуют друг с другом непосредственно, хотя и используют сообщения, пересылаемые через микроядро. Данное свойство микроядерных систем позволяет использовать их в распределенных средах. При получении сообщения микроядро может его обработать или переслать другому процессу. Так как для микроядра все равно, поступило ли сообщение от локального или удаленного процесса, подобная схема передачи сообщений является удобной основой удаленных вызовов процедур (RPC - remote procedure calls)[Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.]. Микроядро занимается основной функцией операционной системы – управлением ресурсами. Часто оно берет на себя функции взаимодействия с аппаратурой, хотя приоритетно в рамках микроядра выделять машиннозависимые функции в отдельные подмодули для улучшения переносимости. Различные варианты реализации модели клиент-сервер в структуре операционной системы могут существенно различаться по объему работ, выполняемых в режиме ядра. С одной стороны находится разрабатываемая фирмой IBM на основе микроядра Mach операционная система Workplace OS, которая придерживается чистой микроядерной доктрины, состоящей в том, что все несущественные функции операционной системы должны выполняться не в режиме ядра, а в непривилегированном (пользовательском) режиме. С другой - Windows NT, в составе которой имеется исполняющая система (NT executive), работающая в режиме ядра и выполняющая функции обеспечения безопасности, ввода-вывода и другие.

Микроядерный подход при проектировании архитектуры операционной системы требует ответа на вопрос, какие функции ее следует оставить в ядре, а какие вынести из него. Модули, содержащиеся в ядре, нельзя заменить без его перекомпиляции. При этом если само микроядро является плохо структурированным, то замена одного его модуля на другой (например, замена планировщика задач) может стать очень трудной задачей. Вынос за пределы ядра не основных и динамически изменяемых функций хотя и делает операционную систему хорошо масштабируемой и более надежной (ядро обычно выступает как единый домен сбоев, в то время как гибель внешнего сервера операционная система может пережить безболезненно), это сказывается на ее производительности. 

В состав микроядра обычно не включают сетевые функции, пользовательский интерфейс, файловую систему, а лишь основные функции управления, но несмотря на это в настоящее время именно операционные системы, построенные с использованием модели клиент-сервер и концепции микроядра, в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным сетевым операционным системам. Преимущества этого подхода следующие[Кручинин А. Операционные системы. – Litres, 2017.-URL: https://books.google.ru/books?id=g_TXCwAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=false – (дата обращения 05.07.2019);]:

• Весь машинно-зависимый код изолирован в микроядре, поэтому для переноса системы на новый процессор требуется меньше изменений и все они логически сгруппированы вместе, что обуславливает высокую степень переносимости и совместимости.

• Позволяет легко перестраивать специализацию операционной системы, так как такие системы (построенная на микроядре), выполняют свои серверные подсистемы в режиме пользователя, как обычные прикладные программы, что позволяет изменять и добавлять серверы, не влияя на целостность микроядра.

• Надежность микроядерной архитектуры выше, чем у монолитной, так как микроядро проще тестировать[В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)]. При этом тестирование выполняется в привилегированном, защищенном режиме процессоров, что при сбое внешних служб, выполняющихся в отдельных виртуальных машинах в непривилегированном режиме, не приведет к обвалу системы в целом. Микроядро, обладающее небольшим набором API (API - Application Programming Interface), увеличивает шансы получения качественных программ.

• Поддержка распределенных и сетевых приложений хорошо вписывается в концепцию микроядра, основанном на горизонтальному разделению служб операционной системы.

Помимо достоинств использования микроядерного подхода существуют также и недостатки, основным из которых на практике является снижение быстродействия на локальных задачах - замедление скорости выполнения системных вызовов при передаче сообщений через микроядро по сравнению с классическим подходом[В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview]. 

При описании структуры сетевой операционной системы, нельзя не упомянуть о ее основных ресурсах и службах и способах управления ими.

2.4. Основные ресурсы и службы сетевых операционных систем и способы управления ими.

Важнейшая функция операционной системы - организация рационального использования всех аппаратных и программных ресурсов системы. К основным ресурсам относят: процессоры, память (виртуальная память), внешние устройства.

«Процесс - абстракция, описывающая выполняющуюся программу. Для операционной системы процесс представляет собой единицу выполнения и динамически изменяющуюся заявку на потребление системных ресурсов»[Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.- C.28]. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов: распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами.

Сетевая операционная система реализует в этой подсистеме удаленное межпроцессное взаимодействие, работу процессов с удаленными ресурсами.

Планирование процессов

Планирование процессов включает в себя решение следующих задач[Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-C.33]: 

1) определение момента времени для смены выполняемого процесса

2) выбор процесса на выполнение из очереди готовых процессов

3) переключение контекстов "старого" и "нового" процессов

Существует большое количество различных алгоритмов планирования процессов, которые по-разному решают данные задачи. Они обеспечивают различное качество мультипрограммирования и преследуют различные цели.

Процедур планирования процессов существует два основных типа - вытесняющие (preemptive) и невытесняющие (non-preemptive)[Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- C.22]. 

Non-preemptive multitasking - невытесняющая многозадачность - это способ планирования процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление планировщику операционной системы для того, чтобы тот выбрал из очереди другой, готовый к выполнению процесс. Программист должен обеспечить "дружественное" отношение своей программы к другим, которые выполняются одновременно с ней, программам, довольно часто отдавая им управление. Крайним проявлением "недружественности" приложения является его зависание, приводящее к общему краху системы. В системах с вытесняющей многозадачностью такие ситуации, как правило, исключены, так как центральный планирующий механизм снимет зависшую задачу с выполнения.

Preemptive multitasking - вытесняющая многозадачность - это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается планировщиком операционной системы, а не самой активной задачей.

Для сетевых операционных систем наиболее рациональным является вытесняющая многозадачность, гарантирующая обработку сетевого взаимодействия со временем реакции приближенным к системам реального времени.

Управление памятью

Память, к которой может иметь доступ сетевая операционная система может быть локальной, разделяемой, распределенной. Для работы со всеми видами памяти в операционной системе создается менеджер памяти[Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.C.36].

Функциями операционной системы по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов, вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

Современная сетевая операционная система должна уметь работать с виртуальной памятью, так как это позволяет добиваться увеличения быстродействия по сравнению с работой с физической памятью и оптимально использовать ресурс[В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)]. 

«Виртуальная память - это совокупность программно-аппаратных средств, позволяющих пользователям писать программы, размер кода и данных которых превосходит имеющуюся оперативную память»[Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-C.54].

Отметим, что наиболее эффективные алгоритмы работы с памятью наиболее сложны в реализации. Сегментно-страничная организация виртуальной памяти с использованием упреждающих алгоритмов подкачки и выталкивания страниц наиболее оптимальны. 

Также необходимо стремиться к оптимальному использованию кэширования данных (Рисунок 6).

 

Рисунок 7. Иерархия ЗУ [Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.C.48]

Управление вводом-выводом

Одной из главных функций операционной системы является управление всеми устройствами ввода-вывода компьютера. Она должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью системы [Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- C.69.].

Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни скрывают особенности аппаратуры от верхних уровней, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей [Кручинин А. Операционные системы. – Litres, 2017.-URL: https://books.google.ru/books?id=g_TXCwAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=false – (дата обращения 05.07.2019);].

Помимо управления вводом-выводом на уровне локальной операционной системы, сетевая также должна уметь работать с сетевыми устройствами, потоком данных от сети к программам, реализовывать множество стеков протоколов с возможностью добавления поддержки новых, без перекомпиляции ядра. Поэтому сетевые функции выносят за пределы микроядер[Кручинин А. Операционные системы. – Litres, 2017.-URL: https://books.google.ru/books?id=g_TXCwAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=false – (дата обращения 05.07.2019)].

Файловая система.

Файловая система локальной операционной системы - часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами[В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)]. 

Современная файловая система имеет многоуровневую структуру: на верхнем уровне располагается так называемый переключатель файловых, обеспечивающий интерфейс между запросами приложения и конкретной файловой системой, к которой обращается это приложение. Переключатель файловых систем преобразует запросы в формат, воспринимаемый уровнем файловых систем.

Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к подсистеме ввода-вывода, которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней файловой системы, т.е. просмотр регистров контроллера. Современная файловая система должна поддерживать возможность работы с дисковыми массивами RAID. 

Базовым компонентом любой сетевой операционной системы является поддержка распределенной файловой системой[Гордеев А. В. Операционные системы: Учебник для вузов. — 2-е изд. — СПб.: Питер, 2007. - C.323]. Файловая система поддерживается одной или более машинами, называемыми файл-серверами. Они перехватывают запросы на чтение или запись файлов, поступающие от других машин (не серверов), называемыми клиентами. Каждый посланный запрос проверяется и выполняется, а ответ отсылается обратно. Файл-серверы обычно содержат иерархические файловые системы, каждая из которых имеет корневой каталог и каталоги более низких уровней. Рабочая станция может подсоединять и монтировать эти файловые системы к своим локальным файловым системам. При этом монтируемые файловые системы остаются на серверах. Также распределенная файловая система должна гарантировать безопасность и надежность не только во время хранения, но и во время передачи данных[В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)].

Таким образом, все чаще разработчики используют микроядерный подход при построении современных операционных систем. От операционной системы отделяются системы управления отдельными ресурсами, а первая, с учетом микроядерного подхода постепенно переходит от управления конкретными устройствами к управлению абстрактными ресурсами[Кручинин А. Операционные системы. – Litres, 2017.-URL: https://books.google.ru/books?id=g_TXCwAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=false – (дата обращения 05.07.2019)]. Сетевые операционные системы эволюционируют в сторону универсализации, все чаще они предоставляют возможность сторонним производителям создавать собственные модули для встраивания в структуру системы, что позволяет реализовывать, как отдельные программные продукты, файловые системы, службы поддержки каталогов, службы печати и т.д.. К примеру, менеджер ввода/вывода ядра Windows NT[Партыка Т. Л., Попов И. И. Операционные системы, среды и оболочки. – Форум, 2012. -C.139.] не обращается к драйверам устройств напрямую, а использует для своей работы драйверы файловых систем, то есть для поддержки новой файловой системы стороннего производителя не нужно перекомпилировать ядро или иным образом включать в работу производителя операционной системы, а достаточно написать драйвер файловой системы, установить его и файловая система становится доступной в рамках операционной системы.

Итак, существует определенная классификация сетевых операционных систем. Она строится в зависимости от свойств, функций и назначения операционной системы. Так же от этого зависит структура сетевой операционной системы. Способы ее организации разделяют на несколько подходов, разобранных выше. Наиболее часто используемым является микроядерный подход. Сегодня не существует систем с чисто классической или микроядерной архитектурой. «В результате операционные системы образуют некоторый спектр, на одном краю которого находятся системы с минимально возможным микроядром, на другом - системы, в которых микроядро выполняет достаточно большой набор функций». [Кручинин А. Операционные системы. – Litres,2017.-URL:https://books.google.ru/books?id=TXCwAAQBAJ&printsec= frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=false – (дата обращения 05.07.2019)]

К тому же сетевые операционные системы представляют собой те же операционные системы, но с углубленными сетевыми функциями. В связи с выше сказанным, существуют разнообразные сетевые операционные системы, о самых популярных из которых расскажем далее.

Глава 3 Обзор сетевых операционных систем.

3.1 Операционная система NetWare фирмы Novell

Novell была одной из первых компаний, которые начали создавать локальные вычислительные сети. Она производила как аппаратные средства, так и программные[В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)].

Однако в последнее время фирма Novell стала ориентироваться на программных средствах локальных вычислительных систем.

Операционная система NetWare фирмы Novell ориентирована на локальную сеть ПЭВМ, совместимых с IBM PC. Эта сетевая операционная система является самостоятельной операционной системой, ядро которой загружается на файловый сервер. На рабочих станциях загружаются модули сетевой операционной системы, обеспечивающие взаимодействия с ее ядром и обмен сообщениями с другими рабочими станциями. При этом на рабочих станциях могут быть использованы различные базовые операционные системы[Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.-C.242].

Сегодня используют несколько версий сетевой операционной системы NetWare Novell.

Сетевую операционную систему Novell NetWare 2.2 в основном применяют для организации небольшой сети на базе файл-сервера с процессором 80286. Операционную систему Novell NetWare 3.11 или 3.12, работающая на процессорах 80386 и выше, в основном используют для создания крупных и надежно работающих сетей. Версия 3.11/3.12 в отличие от 2.2 работает с выделенным файл-сервером и количество рабочих станций, подключенных к одному серверу, может достигать 250. Сетевая операционная система Novell NetWare 4.1 предназначена для создания крупных сетей, состоящих из многих сегментов и содержащих несколько серверов. Количество рабочих станций в данной версии может достигать 1000.

Рассмотрим в виде таблицы:

Таблица 1. Достоинства и недостатки операционной системы Novell NetWare

№	Достоинства системы:	Недостатки системы:
1	хорошо продуманные и мощные службы файлов и печати;	необходимость приобретения отдельного пакета NetWare SMP для организации многопроцессорной обработки;
2	наличие средств оперативного сжатия информации на дисках;	отсутствие простых инструментальных средств разработки приложений;
3	мощные средства администрирования больших многопользовательских, многосерверных сетей Novell;	слабая защита памяти при работе приложений сервера, что затрудняет отладку программ и может привести к краху системы во время ее функционирования.
4	возможность создания сетей с повышенной отказоустойчивостью (пакет NetWare SFT III);
5	большое количество прикладных программ, разработанных независимыми поставщиками;
6	удобная иерархическая структура распределенного каталога.

   [Таблица составлена по Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.; В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)]

Можно выделить следующие функции операционной системы NetWare

• поддержка совместного использования файлов,
• обеспечение доступа к сетевым принтерам,
• предоставление средств для работы с электронной почтой,
• поддержка работы СУБД различных типов,
• обеспечение доступа к файловому серверу со стороны рабочих станций, функционирующих под управлением различных операционных систем[Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- C.244],
• предложение средств, позволяющих объединять удаленные сегменты сети,
• обеспечение "прозрачности" доступа локальных и удаленных пользователей к ресурсам сети,
• предложение средств для надежного хранения данных,
• обеспечение защиты ресурсов сети от несанкционированного доступа,
• поддержка динамически расширяемых многосегментных томов на нескольких дисках файлового сервера[В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)],
• предоставление средств управления ресурсами корпоративных сетей: единый каталог сетевых ресурсов NDS в NetWare 4.1,
• обеспечение передачи и обработки данных с использованием разных протоколов: SPX/IPX, TCP/IP, NetBIOS, AppleTalk,
• поддержка работы суперсерверов в симметричном режиме функционирования (ОС NetWare 4.1 SMP).

3.2 Операционная система Microsoft Windows NT WS/Server 4.0

   Microsoft Windows NT WS/Server 4.0 является уникальной и мощной операционной системой.

   При ее разработке были достигнуты следующие цели[Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.-C.273]:

- надежность,

- производительность,

- переносимость,

- совместимость,

- масштабируемость,

- безопасность.

    Windows NT идеально приспособлена для работы, где требуется повышенная устойчивость  и высокая производительность, в качестве рабочей станции и сетевого сервера. Она является синтезом как предыдущих версий Windows, так и других операционных систем. Эта сетевая операционная система адаптируется под различные типы аппаратного обеспечения без полной переработки. [В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)]Ее важной особенностью является способность работать с существующими приложениями. Достоинства и недостатки системы приведем в виде таблицы:

Таблица 2 Достоинства и недостатки Windows NT

№	Достоинства системы	Недостатки системы:
1	наличие унифицированного графического интерфейса;	слабая гибкость службы каталогов (дом енная модель) по сравнению с аналогичн ыми службами СОС NetWare и Banyan VINES 6.0
		Окончание Таблицы 2
2	простота и удобство использования и администрирования;	сложность системы защиты при управлении доступом внутри доменов и между ними
3	надежность служб файлов и печати
4	развитый интерфейс API (Application Program Interface) прикладного программирования, облегчающий процесс разработки прикладных программ;
5	возможность реализации одно- и многопроцессорной (до 32 процессоров) обработки в одном пакете;	.
6	поддержка различных архитектур процессоров (Intel, Alpha, MIPS и др.).

[Таблица составлена по Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 сВ. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)]

3.3. Операционная система Windows 2000

   Windows 2000 представлена в трех вариантах: Windows 2000 Professional (по-старому - workstation). Высокопроизводительное рабочее место; Server; Windows 2000 Advanced Server (по-старому - Enterprise Server)

Выделяют следующие особенности Windows 2000:

- она является самой простой в использовании из всех когда-либо выпущенных версий Windows, так как в Windows 2000 Professional расширен спектр поддерживаемых устройств, обеспечивающих поддержку средств управления энергопотреблением для мобильных систем, и обладает улучшенным пользовательским интерфейсом;

- в систему добавлены новые “мастера”: “мастер аппаратуры”, позволяющий наиболее простым способом подключать новые устройства в систему, “мастер сетевых соединений”, способствующий более быстрому конфигурированию модемов и сетевых соединений, “мастер принтера”, помогающий быстро подключить принтер;

- появилась поддержка “горячей” смены компонентов. Эту функцию по достоинству оценили владельцы ноутбуков, которые вынуждены перезагружать свои машины при подключении новых устройств;

- в Windows 2000 используется новая файловая система, носящая название NTFS5. Основная отличительная черта данной файловой системы – автоматическое “фоновое” шифрование данных;

- сокращено число необходимых перезагрузок после установки новых свойств в СЕМЬ раз, что означает, что пользователю не приходится перезагружаться для того, чтобы система “восприняла” новые параметры;

- добавлена новая служба быстрого поиска данных, которая позволяет находить необходимые файлы с высокой скоростью, за счет индексации данных;

- установлена новая политика безопасности, что делает систему очень устойчивой к различным сбоям;

- улучшена поддержка сетей, теперь можно, не вдаваясь в детали, получить доступ к сетевым ресурсам не привлекая к этому системного администратора;

- появилась новая возможность – создание сценария установки, что позволяет установить систему на диски разных машин, пользуясь единым сценарием.

Одной из самых популярных на данный момент является сетевая операционная система Windows Server 2003[Ханикат Дж. Знакомство с Microsoft Windows Server 2003 / Пер. с англ. - М.: ИЗдательско-торговый дом "Русская редакция", 2003. C.329], выпущенная, соответственно, в 2003 году.

Эта версия не имеет особых отличий от Windows Server 2000. В основном лишь развивает функции, заложенные в выше указанную ОС. Но стоит отметить, что наиболее важные улучшения перенесла служба каталогов Active Directory: был улучшен пользовательский интерфейс, упрощена функция изменения схемы Active Directory (добавление атрибутов), добавлена возможность переименования домена в службе каталогов.

Вследствие того, что Windows Server 2003 поставляется с уже установленной оболочкой .NET Framework - это позволяет ей выступать в роли сервера да платформы Microsoft .NET без установки дополнительного программного обеспечения[Ханикат Дж. Знакомство с Microsoft Windows Server 2003 / Пер. с англ. - М.: ИЗдательско-торговый дом "Русская редакция", 2003. C.330].

3.4 Операционная система LANtastic. Общее заключение по Сетевым операционным системам

Сетевая операционная система LANtastik фирмы Artisoft в течение длительного времени являлась лидером на рынке одноранговых ЛВС (по популярности и числу продаж), пока фирма Novell с Personal NetWare и фирма Microsoft c Windows for Workgroups предприняли попытку проникнуть в эту облаcть рынка, созданную фирмой Artisoft. Все эти фирмы предлагают высококачественное программное обеспечение, и потому небезынтересно, который из программных продуктов станет наиболее популярным на рынке.

Операционная система LANtastic обладает рядом качеств, которые позволяют ей прекрасно функционировать, несмотря на то, что она является не самой быстродействующей из сетевых операционных систем для одноранговых ЛВС[Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- C.271]. LANtastic имеет прекрасные возможности разделения принтера. С дополнительными аппаратными средствами, поставляемыми фирмой Artisoft, возможна даже организация звуковой электронной почты в ЛВС. К тому же, операционная система LANtastic требует незначительного объема памяти и имеет средства для разделения накопителей типа CD-ROM. Фирма Artisoft предлагает сетевые адаптеры Ethernet, которые работают особенно хорошо с операционной системой LANtastic. Имеется возможность включения компьютеров Macintosh в ЛВС, управляемую ОС LANtastic. Эта система прекрасно совместима и с Windows. Техническая поддержка ОС LANtastic включает электронную доску объявлений, к которой можно получить доступ посредством модема, и телефонные консультации фирмы Artisoft в отделе поддержки пользователей.

   Все современные операционные системы Microsoft — Windows NT 4.0, Windows 95, Windows 98, Windows 2000, Windows NT Workstation, Windows Vista [Макин Дж.К, Десаи А. Развертывание и настройка Windows Server 2008. - М.:Русская Редакция, 2009. ] — поддерживают так называемые профили пользователя - набор данных, полностью описывающих текущую рабочую среду пользователя. С каждым пользователем связан собственный профиль, позволяющий ему получать при работе с системой ту конфигурацию рабочей среды, которая соответствует специфике именно его деятельности, вне зависимости от других пользователей, работающих за тем же компьютером в другое время. Администратор имеет возможность заранее сформировать пользовательский профиль и тем самым подготовить для сотрудника рабочую среду, в которой тот сможет наиболее продуктивно решать стоящие перед ним задачи. Профили могут храниться на сервере и автоматически загружаться при входе пользователя в систему. Благодаря этому, пользователь имеет одну и ту же рабочую среду на любом компьютере сети. Кроме того, в случае выхода из строя и замены рабочей станции индивидуальные настройки пользователя не будут утеряны. Эффективное использование профилей пользователя существенно снижает затраты на обучение, техническую поддержку, а также сокращает время простоя и повышает продуктивность работы пользователей.

   Применение механизмов системной политики (механизм воздействия на рабочую среду пользователя, основывающихся на особенностях реализации операционных систем Microsoft и конкретных приложений) снижает расходы на сопровождение и поддержку рабочих станций, продлевая время их устойчивой работы[В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)]. Таким образом, используя механизмы системной политики, администратор может ограничить возможности пользователя при работе, как с базовыми функциями системы, так и с конкретными приложениями, что минимизирует риск непреднамеренных или несанкционированных действий пользователя, способных нарушить целостность операционной системы или приложений.

Итак, с развитием общества, развивались и операционные системы. Современные сетевые системы представлены большим разнообразием, удовлетворяющие различные требования пользователей. Наиболее актуальные представители сетевых операционных сетей, их характеристики, достоинства и недостатки описаны выше. Следует помнить, что чем выше операционная система, тем выше требования к компьютеру (величина ОЗУ, дискового пространства, разрядность процессора и т.д.).

Заключение

Целью данной курсовой работы стало исследование понятия «сетевые операционные системы».

Для достижения цели были выполнены следующие задачи:

- определено понятие «операционной системы», ее функции и назначение;

- рассмотрено развитие операционных систем;

- раскрыто понятие сетевой операционной системы;

- приведена классификацию сетевых операционных систем;

- описана структуру сетевых операционных систем для более наглядного изображения их сущности, свойств и функций;

- рассмотрены наиболее известные сетевые операционные системы с их достоинствами и недостатками.

На основании выше сказанного можно сделать следующие выводы:

1. Операционная система является важнейшей составляющей вычислительной техники, она непосредственно отвечает за полноту взаимодействия с пользователем.
2. В процессе эволюции операционная система развилась из простых программ в сложный программно-аппаратный комплекс.
3. В процессе развития возникла необходимость в сетевых операционных системах, что привело к включению сетевых возможностей во все операционные системы.
4. Сетевые операционные системы возникли на базе операционных систем, а разнообразие компьютеров и их назначение привело к различным видам и подходам к организации сети. Наиболее популярным считается микроядерный подход, но и он не оправдывает надежд. Поэтому наиболее часто стали применять комбинированные методы.
5. Обзор существующих сетевых операционных систем показал их возможности и разнообразие использования, а так же стремление к универсализации.

Таким образом, сетевые операционные системы развиваются быстрыми темпами, сохраняя основные базовые функции операционных систем и приобретая новые различные способности. Целью их – стать универсальными операционными системами, сгладив неизбежно возникающие недостатки до минимума.

Список литературы

1. Борисов Р., Лобан А. Информатика. Базовый курс. – Litres, 2019. – 302 с
2. Гордеев А. В. Операционные системы: Учебник для вузов. — 2-е изд. — СПб.: Питер, 2007. — 416 с.;
3. Кондратьев, В.К. Введение в операционные системы : учебное пособие / Кондратьев В.К. — Москва : Евразийский открытый институт, 2007. — 231 с.— URL: https://book.ru/book/906551 (дата обращения: 03.07.2019);
4. Котенко В. Н. Операционные системы. Курс лекций. – 2015.-125 с;
5. Кручинин А. Операционные системы. – Litres, 2017.-URL: https://books.google.ru/books?id=g_TXCwAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=false – (дата обращения 05.07.2019);
6. Макин Дж.К, Десаи А. Развертывание и настройка Windows Server 2008. - М.:Русская Редакция, 2009. - 640 с;
7. Назаров С.В. Эффективность современных операционных систем // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2017. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-sovremennyh-operatsionnyh-sistem (дата обращения: 03.07.2019);
8. Олифер В. Г., Олифер Н. А., Симонович С. В. Сетевые операционные системы. Учебное пособие. Серия. – 2015.- 668 с;

В. С. Данюшенков., О. В. Коршунов. Организация сетевого администрирования (лекции часть 1) / Лекция 2 Структура сетевой операционной системы URL: https://studfiles.net/preview – (дата обращения 03.07.2019)

1. Партыка Т. Л., Попов И. И. Операционные системы, среды и оболочки. – Форум, 2012. – 400с.;
2. Проскуряков А. Компьютерные сети. Основы построения компьютерных сетей и телекоммуникаций. – Litres, 2019 201c.;
3. Таненбаум Э. С., Херберт Б. Современные операционные системы. 4-е изд. – " Издательский дом"" Питер""", 2015.- 1120 с.;
4. Ханикат Дж. Знакомство с Microsoft Windows Server 2003 / Пер. с англ. - М.: ИЗдательско-торговый дом "Русская редакция", 2003. - 464 с.