Willkommen zur Vorlesung. Betriebssysteme. Sommer 2008, CS Universität Ulm Prof. Dr. Peter Schulthess Institut für Verteilte Systeme

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1 Willkommen zur Vorlesung Betriebssysteme Sommer 2008, CS 5250 Universität Ulm Prof. Dr. Peter Schulthess Institut für Verteilte Systeme

2 A. Vorschau A.1 Organisation Vorlesung 3 SWS: (ab ): - Dienstag, bis Uhr im Raum O28/H21 und - Mittwoch, bis Uhr im Raum O28/H21 Übungen 1 SWS: (14-tägig): - unregelmässig abwechselnd mit Vorlesung, Dienstags oder Mittwochs, - Ausgabe & Besprechung von Übungsblättern. Prüfungsrelevanz: - schriftliche oder mündliche Prüfung (je nach Teilnehmerzahl), 8 CP? - Zuordnung: praktische und technische Informatik. - Für Bachelorstudiengang Vorlesungsunterlagen: - sukzessive unter: - Folienaustausch mit Prof. Dr. M. Schöttner, Universität Düsseldorf, - Namenskonvention: BS_A1_06_Intro.pdf 2 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess Vorlesungstitel Kapitel# Versions# Kapitelinhalt Dateiformat

3 A.2 Beispiele von Betriebssystemen Unix/Linux: - portables Betriebssystem (ursprünglich für PDP11), - später für für Workstations, Server und Mainframes, - allgemeines Prozesskonzept, (virtuelle) Dateien, & - X-Window als graphische Bedieneroberfläche, - Vernetzung über Samba/RPC/NFS/TCP/IP,... - viele Varianten: Linux, BSD Unix, Solaris, & - geschrieben in der Sprache C bzw. C++, - Standardisierungsgremien (POSIX), - viele Dienstprogramme, . Microsoft Windows: - Bill Gates, Microsoft. - Entstanden aus MSDOS. - für IA32 und AMD64 Rechner. - C-Schnittstelle zum Betriebssystem. - Mehrprogrammbetrieb, 32-/64-Bit Adressen. - Vernetzung TCP/IP, Netbeui & Novell Netware. - Windows NT/2000/XP/Vista für Workstations und Server. 3 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

4 MVS: für IBM Mainframes. - ungeeignet für Arbeitsplatzrechner. - variantenreiche Jobkontrollsprache. - System-Betreuung nur durch Spezialisten im Rechenzentrum, - MVS = Multiple Virtual Storage (mehrfach virtualisierter Speicher). VMS: - VMS = Virtual Machine System. - virtueller Speicher; hochentwickeltes Dateisystem. - viele VMS-Konzepte sind in Windows NT eingeflossen. - Eingeführt 1978 für Mainframe-Rechner von Digital Equipment. - Vernetzung über DecNet; flexible Anbindung von Unix & Mac Systemen. OS/2 (IBM): - für IA32-Rechner. - gedacht als Nachfolger von MS-DOS. - dann aber verdrängt durch Windows NT. - LAN- und Presentation Manager (GUI). - Mehrprogrammbetrieb; 32-Bit Adressen. - Seit 2005 ecomstation gennant (Serenity Systems). 4 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

5 Macintosh OS (1984): - erste marktgängige Bedieneroberfläche mit Desktop Symbolik. - für Arbeitsplatzrechner mit x86 / PowerPC CPUs. - halbwegs objektorientiert; für Grafik & DTP. - Xerox-Star Lisa (1985) Macintosh. - ursprünglich OS & Toolbox im ROM. - Später OS X basiert auf Mach-Kern. Oberon System: - Wirth & Gutknecht, ETH Zürich. - kleines Betriebssystem für PCs und Ceres-Workstations (1+3) - Oberon als typsichere objektorientierten Entwurfssprache, - automatische Freispeichersammlung, - kooperatives Multi-Tasking. Plurix/Rainbow (VS Ulm): - Schnellstart-Option, - Programmierung in Java. - schlankes verteiltes Betriebssystem, - spekulative Transaktionen statt Prozesse. - PC-Cluster mit Distributed Shared Memory. 5 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

6 A.3 Definition & Motivation A.3.1 Was ist ein Betriebssystem: Unbekannter Autor: An operating system is the software that breathes life into a computer. Unsere Definition: Das Betriebssystem macht den Anwendungen die Betriebsmittel zugänglich; insbesondere Rechenleistung, Speicher und Kommunikationswege. DIN 66029, 1978: Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. Operating System, Système d' éxploitation 6 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

7 A.3.2 Betriebsmittel: Die Anwendungsprogramme stehen im Wettbewerb um die im System vorhandenen Betriebsmittel (BM, Resourcen): - Nutzung gleichzeitig, abwechselnd oder nacheinander, - Prüfung von Nutzungberechtigung, - Suchdienste & Navigation. Physikalische Betriebsmittel => - Peripheriegeräte, - Hauptspeicher, - Datenpfade, - CPU... Logische Betriebsmittel: - Bildschirmfenster => - Namen & Adressen, - Dateien, -... Unterstützung für die Systemverwaltung. 7 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

8 A.3.3 BS als Brücke zwischen der Hardware und den Anwendern Schema aus "Road Map to A/UX": - Mnemonische Operatorbefehle, - Aufrufe über Laufzeitbibliotheken, - Kern über ein System API aufrufen, - Vergabestrategien/Policies im Kern, - Hardwarespezifische Treiber separat. BS-Teile: - Befehlsinterpreter/Bedieneroberfläche, - Betriebssystemkern, - Treiber. Sichtweise auf das Betriebssystem: - abstrakte Maschine (top-down), - Ressourcenverwalter (bottom-up), - Schichtung in einzelne Funktionsebenen... Treiber Programme Befehlsinterpreter Treiber System-Call interface Kern Hardware Treiber Treiber 8 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

9 A.3.4 Entwurfsziele & -konflikte Sicherheit: Schutz der Nutzerdaten vor Diebstahl & Manipulation, Schutz der Resourcen vor Missbrauch (Bot-Netze). Zuverlässigkeit: Geschützt vor Angriffen, Hardware- & Programmfehlern, Dauerbetrieb auch unter hoher Belastung, Dauerhaftigkeit der gespeicherten Daten, korrekte Resultate der Berechnungen. Akzeptanz durch Benutzer & Betreiber: Einfache Bedienung auch durch ungeübte Nutzer und Programmierer, Kurze Antwortzeiten und aussagekräftige Fehlermeldungen, Erwartungen der Nutzer berücksichtigen, Einfache Administrierung. Universalität & Flexibilität: Breites Spektrum von Anwendungsfeldern und Dienstfunktionen, Auch alte Programme sollen weiterhin laufen, Server, Desktoprechner, mobile Systeme, Unterstützung für viele Gerätetypen. 9 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

10 Effizienz: Mobilisierung der Leistungsgrenzen der vorliegenden Hardware, Geringe Verluste an Rechenleistung im Betriebssystem, Kostengünstiger Betrieb und Programmierung, Vergleichsweise geringer Stromverbrauch, Massvolle Hardware-Anforderungen. Schlanker Systementwurf: Klare Algorithmen, Datenstrukturen und Modularisierung, Geringer Einarbeitungsaufwand (Teachability), Überschaubare trusted Codebase, keine Fatware. Zielkonflikte: Sicherheitsüberprüfungen verbrauchen Rechenzeit und erschweren die Bedienung, Funktionen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit bringen mehr Komplexität und neue Risiken, Graphische Bedieneroberflächen verbrauchen CPU-Zeit, Speicher & Bildschirmfläche, Ein flexibel einsetzbares System enthält im Einzelfall brachliegende Module und Optionen, Gegenseitige Abschottung von Subsystemen verschlechtert Durchsatz & Antwortzeiten, Ein überschaubarer Systementwurf erleichtert der Konkurrenz den Nachbau. 10 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

11 A.3.5 Nutzen aus BS-Kenntnissen BS-Konzepte sind in Anwendungsprogrammen wiederverwendbar : - vom OS angebotene Dienste müssen nicht selber programmiert werden, - oder geben ein Vorbild ab (Caching-Strategien, Verzeichnisse...). Betriebssysteme bieten Lösungen für: - Abstraktion der Betriebsmittel, - Speicherverwaltung, - Adressenkonzepte, - Nebenläufigkeit, - Koordination, - Sicherheit,... BS-Schnittstellen auch für die Anwendungsentwicklung wichtig: - oft in sprachspezifische Bibliotheken gekapselt (Laufzeitumgebung), - direkte Systemaufrufe oft effizienter und mit zusätzliche Funktionalität. Verständnis der Vorgänge im BS erleichtert: - optimale Systemkonfiguration und Systemerweiterung, - effiziente Programmierung und Betriebsorganisation, - Einschätzung der Risiken. Disks Objects Files Lineare Devices 11 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

12 A.4 Voraussichtlicher Inhalt 1. Vorschau 1.1 Einordnung & Organisation 1.2 Beispiele von Betriebssystemen 1.3 Definition & Motivierung 1.4 Inhalt 1.5 Literatur 2. Einführung in Betriebssysteme 2.1 Geschichte 2.2 Arten von Betriebssystemen 2.3 Aufgaben eines Betriebssystems 3. Betriebssystemorganisation 3.1 Monolithische Betriebssysteme 3.2 Geschichtete Architekturen 3.3 Mikrokern Systeme 3.4 Virtuelle Maschinen 3.3 Client/Server Architekturen 4. Hauptspeicher 4.1 Einführung 4.2 Anforderungen 4.3 Partitionen im Hauptspeicher 4.4 Laufzeitkeller bzw. Stack 4.5 Speicherverwaltung 4.6 Auslagern von Speicher 4.7 Automatische Freispeichersammlung 5. Virtueller Speicher 5.1 Grundprinzip 5.2 Segmentierung 5.3 Paging 5.4 Beispiele: Linux & Windows NT 6. Nebenläufigkeit 6.1 Terminologie 6.2 Prozesse 6.3 Thread Varianten 6.4 Prozess- bzw. Threadumschaltung 6.5 Scheduling (Probleme & Strategien) 6.6 Beispiele: Linux & Windows NT 12 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

13 7. Synchronisierung 7.1 Ausgangssituation 7.2 Kritische Abschnitte 7.3 Wechselseitiger Ausschluss (TestAndSet, Semaphore, Monitore) 7.4 Klassische Problemstellungen 7.5 Verklemmungen 8. Plattenspeicher 8.1 Aufbau einer Festplatte 8.2 Festplatten-Scheduling 8.3 Festplattenorganisation bei PCs 8.4 Freispeicherverwaltung 8.5 Speicherallokation 9. Datei- & Verzeichnissysteme 9.1 File Allocation Table (FAT) 9.2 Unix Dateissysteme (EXT2) 9.3 NTFS = New Techn. File System 9.4 Dateisysteme mit Fehlererholung 9.5 Limitierung der Plattennutzung 9.6 Disk Caching 9.7 Redundanz & Spiegelung 10. Ein-/Ausgabe 10.1 Ausgangssituation 10.2 Unterbrechungen 10.3 E/A-Software (Pufferung, Treiber...) 10.4 Beispiel: Treiberarchitektur Linux 10.5 Beispiel: Treiber in Windows NT 11. Interprozesskommunikation 11.1 Kommunikation über Dateien 11.2 Signale in Unix 11.3 Pipes 11.4 Sockets 11.5 LPC in Windows NT 12. Benutzerschnittstellen 12.1 Befehlsinterpreter 12.2 X Window 12.3 Microsoft Windows (Events) 13. Sicherheitsaspekte 13.1 Zugangskontrolle 13.2 Zugriffskontrolle 13.3 Angriffsformen 13.4 Fallstudie: IA32 Protected Mode 13 Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

14 A.5 Literatur Allgemeine Literatur: - Tanenbaum Andrew: Moderne Betrieb systeme, Prentice Hall, Pearson Studium, Stallings William: Betriebssysteme, Prentice Hall, Pearson Studium, 4. Auflage, (nur noch als englische Version Operating Systems erhältlich, 5.Aufl., 2005) - Silberschatz, Galvin: Operating System Concepts, 7. Aufl., Addison-Wesley, Jürgen Nehmer, Peter Sturm: Systemsoftware. Grundlagen moderner Betriebssysteme, dpunkt-verlag, Heidelberg, Traub, Stefan: Verteilte PC-Betriebssysteme, Teubner Verlag Microsoft Windows: - M. Russinovich, D. Solomon: Microsoft Windows Internals, Microsoft Press, 4 t. Ed., Helen Custer: Inside the Windows NT file system, Microsoft Press, Windows Interna: Unix/Linux: - Bovet, Daniel & Cesati Marco: Understanding the Linux Kernel, 3. Auflage, O reilly, J. Corbet, A. Rubini & Greg Kroah-Hartman: Linux Device Drivers, 3. Ed., O Reilly, E. Ehses, L.Köhler, P.Reimer, H.Stenzel, F.Viktor: Betriebssysteme, Pearson, München, Betriebssysteme, Sommer 2008, Verteilte Systeme, Uni Ulm, P. Schulthess

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