2. Vorlesung Betriebssysteme

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1 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS1213 1/30 2. Vorlesung Betriebssysteme Dr. Christian Baun Hochschule Mannheim Fakultät für Informatik

2 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS1213 2/30 Heute Klassifikationen von Betriebssystemen Einzelprogrammbetrieb und Mehrprogrammbetrieb Einzelbenutzerbetrieb und Mehrbenutzerbetrieb Ein-Prozessor- und Mehr-Prozessor-Betriebssysteme Echtzeitbetriebssysteme Verteilte Betriebssysteme Betriebssystemaufbau (Kernelarchitekturen) Monolithische Kerne Minimale Kerne Hybride Kerne Schalenmodell bzw. Schichtenmodell

3 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS1213 3/30 Klassifikationen von Betriebssystemen Die existierenden Betriebssysteme können nach unterschiedlichen Kriterien klassifiziert werden Einzel-/Mehrprogrammbetrieb Einzel-/Mehrbenutzerbetrieb Ein-/Mehr-Prozessor-Fähigkeit Echtzeitbetrieb Transparenter Zusammenschluss (Single System Image) Kernelarchitektur

4 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS1213 4/30 Einzelprogrammbetrieb und Mehrprogrammbetrieb Einzelprogrammbetrieb (Singletasking) Zu jedem Zeitpunkt läuft nur ein einziges Programm Mehrere gestartete Programme werden nacheinander ausgeführt Mehrprogrammbetrieb (Multitasking) Mehrere Programme können gleichzeitig (bei mehreren CPUs) oder zeitlich verschachtelt (quasi-parallel) ausgeführt werden Die CPU kann nicht nur am Ende eines Programms einem anderen Programm zugeteilt werden, sondern auch zwischen den Programmen wechseln = Timesharing: Mehrere Benutzer arbeiten gleichzeitig am System Task, Prozess, Aufgabe, Auftrag,... Der Begriff Task ist gleichzusetzen mit dem Begriff Prozess oder aus Anwendersicht Aufgabe bzw. Auftrag

5 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS1213 5/30 Warum Mehrprogrammbetrieb (Multitasking)? Beim Mehrprogrammbetrieb laufen mehrere Prozesse nebenläufig Die Prozesse werden in kurzen Abständen, abwechselnd aktiviert Dadurch entsteht der Eindruck der Gleichzeitigkeit Beim Umschalten von einem Prozess zu anderen, entsteht ein Overhead Dennoch bringt Mehrprogrammbetrieb immer Vorteile mit sich Prozesse müssen häufig auf äußere Ereignisse warten Dabei kann es sich um Benutzereingaben, Eingabe/Ausgabe-Operationen von Peripheriegeräten oder einfach das Warten auf eine Nachricht eines anderen Programms handeln Durch Mehrprogrammbetrieb können Prozesse, die auf ankommende s, erfolgreiche Datenbankoperationen, geschriebene Daten auf der Festplatte oder ähnliches warten, in den Hintergrund geschickt werden Andere Prozesse kommen so früher zum Einsatz Der Verwaltungsaufwand (Overhead), der bei der quasiparallelen Abarbeitung von Programmen durch die Programmwechsel entsteht, ist im Vergleich zum Geschwindigkeitszuwachs zu vernachlässigen

6 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS1213 6/30 Einzelbenutzerbetrieb und Mehrbenutzerbetrieb (1/2) Betriebssysteme lassen sich auch nach der Anzahl der gleichzeitig am Computer arbeitenden Benutzer klassifizieren Einzelbenutzerbetrieb (Single-User) Der Computer steht immer nur einem einzigen Benutzer zur Verfügung Es gibt Single-User-Betriebssysteme mit Single- und mit Multitasking Bekannte Beispiele: MS-DOS, Windows 3x/95/98, OS/2, BeOS Mehrbenutzerbetrieb (Multi-User) Mehrere Benutzer können gleichzeitig mit dem Computer arbeiten Benutzer teilen sich die Systemleistung Systemressourcen müssen möglichst gerecht verteilt werden Benutzer müssen (durch Passwörter) identifiziert werden Zugriffe auf Daten/Prozesse anderer Benutzer werden verhindert Bekannte Beispiele: Linux/UNIX, MacOS X,...

7 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS1213 7/30 Einzelbenutzerbetrieb und Mehrbenutzerbetrieb (2/2) Die Desktop/Workstation-Versionen von Windows NT/XP/Vista/7 sind nur halbe Multi-User-Betriebssysteme Verschiedene Benutzer können nur nacheinander am System arbeiten, aber die Daten und Prozesse der Benutzer sind voreinander geschützt Single-User Multi-User Singletasking MS-DOS, Palm OS OS/2, Windows 3x/95/98, Linux/UNIX, MacOS X Multitasking BeOS, MacOS 8x/9x, Windows NT/2000 AmigaOS Terminal Server

8 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS1213 8/30 Betriebssysteme für einen oder mehr Prozessoren Ein-Prozessor-Betriebssysteme Für Computer mit einem Hauptprozessor (CPU) Singletasking-Betriebssysteme sind üblicherweise auch Ein-Prozessor-Betriebssysteme Beispiel: MS-DOS für Intel 80x86 Mehr-Prozessor-Betriebssysteme Für Computer mit mehr als einem Hauptprozessor Jedem gestarteten Prozess wird ein Hauptprozessor zugeteilt Laufen mehr Prozesse, als Hauptprozessoren existieren, werden die Prozesse zeitlich verschachtelt (quasi-parallel) ausgeführt Mehr-Prozessor-Betriebssysteme sind immer auch Multitasking-Betriebssysteme Heute finden sich mehrere Prozessoren fast ausschließlich in Servern. Multicore ist aber in Servern, Workstations, PCs und Laptops Standard

9 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS1213 9/30 Echtzeitbetriebssysteme (Real-Time Operating Systems) Sind Multitasking-Betriebssysteme mit zusätzlichen Echtzeit-Funktionen für die Einhaltung von Zeitbedingungen und die Vorhersagbarkeit des Prozessverhaltens Wesentliches Kriterium von Echtzeitbetriebssystemen: Reaktionszeit und das Einhalten von Deadlines Unterschiedliche Prioritäten werden berücksichtigt, damit wichtige Prozesse innerhalb gewisser Zeitschranken ausgeführt werden Zwei Arten von Echtzeitbetriebssystemen werden unterschieden Harte Echtzeitsysteme Weiche Echtzeitsysteme Aktuelle Desktop-Betriebssysteme können weiches Echtzeitverhalten für Prozesse mit hoher Priorität garantieren Wegen des unberechenbaren Zeitverhaltens durch Swapping, Hardwareinterrupts etc. kann aber kein hartes Echtzeitverhalten garantiert werden

10 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Harte und Weiche Echtzeitsysteme Harte Echtzeitsysteme Zeitvorgaben müssen unbedingt eingehalten werden Verzögerungen können unter keinen Umständen akzeptiert werden Verzögerungen führen zu katastrophalen Folgen und hohen Kosten Ergebnisse sind nutzlos wenn sie zu spät erfolgten Einsatzbeispiele: Schweißroboter, Reaktorsteuerung, ABS, Flugzeugsteuerung, Überwachungssysteme auf der Intensivstation Weiche Echtzeitsysteme Gewisse Toleranzen sind erlaubt Verzögerungen führen zu geringen, akzeptablen Kosten Einsatzbeispiele: Telefonanlage, Parkschein- oder Fahrkartenautomat, Multimedia-Anwendungen wie Audio/Video on Demand

11 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Architekturen von Echtzeitsystemen Micro-Kernel Der Betriebssystemkern selbst läuft als Prozess mit niedrigster Priorität Der Echtzeit-Kernel übernimmt das Scheduling Die Echtzeit-Prozesse besitzen die höchste Priorität = minimale Latenzzeiten Nano-Kernel Vergleichbar mit dem Micro-Kernel-Ansatz Unterschied: Neben dem Echtzeit-Kernel kann eine beliebige Anzahl anderer Betriebssystem-Kernel laufen Pico-Kernel, Femto-Kernel, Atto-Kernel,... Marketingbegriffe der Hersteller von Echtzeitsystemen, um die Winzigkeit ihrer Echtzeit-Kernel hervorzuheben

12 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Einsatzgebiete von Echtzeitbetriebssystemen Typische Einsatzgebiete von Echtzeitbetriebssystemen Mobiltelefone Industrielle Kontrollsysteme Roboter Beispiele für Echtzeitbetriebssysteme QNX VxWorks LynxOS Nucleus Symbian Windows CE

13 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Verteilte Betriebssysteme Verteiltes System Verbindet mehrere Rechner eines Clusters und steuert deren Abläufe Die einzelnen Rechner bleiben den Benutzern transparent verborgen und nur die Sicht eines einzelnen großen Rechners erscheint Prinzip des Single System Image Die Benutzer und deren Anwendungen wissen nicht, das die von ihnen in Anspruch genommenen Dienste auf mehreren Rechnern laufen Sie wissen auch nicht, welcher Dienst auf welchem Rechner läuft

14 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Verteilte Betriebssysteme (1/2) Amoeba Mitte der 1980er Jahre bis Mitte der 1990er Jahre Andrew S. Tanenbaum (Freie Universität Amsterdam) Die Programmiersprache Python wurde ursprünglich für Amoeba entwickelt Inferno Basiert auf dem UNIX-Betriebssystem Plan 9 Bell Laboratories Die Programmierung von Anwendungen erfolgt in der Sprache Limbo, die wie Java Bytecode produziert, der von einer virtuellen Maschine ausgeführt wird Stellt nur minimale Anforderungen an die Hardware Benötigt nur 1 MB Arbeitsspeicher Quelle: Wikipedia

15 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Verteilte Betriebssysteme (2/2) Rainbow Entwicklung der Universität Ulm Konzept eines gemeinsamen Speichers zur Realisierung eines für alle Rechner im Cluster einheitlichen Adressraumes, in welchem Objekte abgelegt werden Für die Anwendungen ist es transparent, auf welchem Rechner im Cluster sich die Objekte physisch befinden Anwendungen können über einheitliche Adressen von jedem Rechner auf gewünschte Objekte zugreifen Sollte sich das Objekt physisch im Speicher eines entfernten Rechners befinden, sorgt Rainbow automatisch und transparent für eine Übertragung und lokale Bereitstellung auf dem bearbeitenden Rechner Sprite University of California, Berkeley (1984 bis 1994) Quelle: Wikipedia

16 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Verteilte Betriebssysteme heute Das Konzept verteilter Betriebssysteme konnte sich nicht durchsetzen Die verteilten Betriebssysteme kamen nicht aus dem Stadium von Forschungsprojekten heraus Etablierte Betriebssysteme konnten nicht verdrängt werden Um Anwendungen für Cluster zu entwickeln, existieren mehrere Bibliotheken, die von der Architektur und Hardware unabhängiges Message Passing bereitstellen Beim Message Passing basiert die Kommunikation auf dem Versenden von Nachrichten Ausgereifte und verbreitete Message Passing Systeme: Parallel Virtual Machine (PVM) Message Passing Interface (MPI) MPI-Tutorial von Stefan Schäfer und Holger Blaar

17 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Betriebssystemaufbau (Kernelarchitekturen) Ein entscheidendes Kriterium für den Aufbau eines Betriebssystems ist die Architektur des eingesetzten Kernel (Kern) Die Architekturen unterscheiden sich darin, ob die Funktionen, die sie dem Benutzer und seinen Anwendungen anbieten, im Kern enthalten sind, oder sich außerhalb des Kerns als Dienste (Server) befinden Funktionen im Kern, haben vollen Hardwarezugriff (Kernelmodus) Funktionen außerhalb des Kerns können nur auf ihren virtuellen Speicher zugreifen (Benutzermodus) Unterschieden werden: Monolithischer Kern Minimaler Kern (Mikrokernel) Hybridkern (Makrokernel) Anwendungen Anwendungen Dienste (Server) Dienste (Server) Anwendungen Monolithischer Kernel Mikrokernel Dienste (Server) Hybridkernel

18 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Monolithische Kerne (1) Monolithische Kerne haben keine geordnete Struktur Sie bestehen aus Funktionen, die sich beliebig gegenseitig aufrufen und beliebig auf interne Daten zugreifen können Der Kern enthält neben den Funktionen für Speicher- und Prozessverwaltung und Prozesskommunikation auch Hardware-Treiber und eventuell Treiber für die unterstützten Dateisysteme Unstrukturiert Aufruf Funktion 1 Funktion 2 Funktion 3 Funktion 5 Systemschnittstelle Systemfunktion 1 Minimale Struktur Hauptfunktion... Systemfunktion n Funktion 3 Hilfsfunktion 1... Hilfsfunktion n Hardwareschnittstelle

19 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Monolithische Kerne (2) Vorteile: Weniger Kontextwechsel als Mikrokernel = höhere Geschwindigkeit Gewachsene Stabilität Mikrokernel sind in der Regel nicht stabiler als monolithische Kerne Nachteile: Abgestürzte Komponenten können im Kernel nicht separat neu gestartet werden und das gesamte System nach sich ziehen Hoher Entwicklungsaufwand für Erweiterungen am Kern, da dieser bei jedem Kompilieren komplett neu übersetzt werden muss Beim Linux-Kernel ist es möglich, Treiber für Hardware und Dateisysteme in Module auslagern Die Module laufen jedoch im Kernelspace und nicht im Userspace Darum ist der Linux-Kernel nach wie vor ein monolithischer Kernel Betriebssysteme mit monolithischem Kern sind u.a: Linux, BSD, MS-DOS, Windows 95/98/ME, MacOS (bis 8.6), OS/2

20 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Minimale Kerne Im Kern befinden sich üblicherweise nur: Notwendigste Funktionen zur Speicher- und Prozessverwaltung Funktionen zur Synchronisation und Prozesskommunikation Gerätetreiber und Dienste (Server), befinden sich außerhalb des Kerns und laufen wie die Anwendungsprogramme auf Benutzerebene Theoretisch sind Mikrokernel durch ihre klaren Schnittstellen und die Austauschbarkeit der Komponenten monolithischen Kernen überlegen In der Praxis ist die Geschwindigkeit von Mikrokerneln durch die vielen Kontextwechsel langsamer Mikrokernel sind in der Entwicklung komplex und unübersichtlich Der Anfang der 1990er Jahre prognostizierte Erfolg der Mikrokernelsysteme ist nicht eingetreten = Diskussion von Linus Torvalds vs. Andrew S. Tanenbaum (1992)

21 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Mikrokernel-Betriebssysteme Betriebssysteme mit Mikrokernel sind u.a: Windows NT (bis 3.5.1) AmigaOS MorphOS Tru64 QNX Neutrino Symbian OS GNU HURD

22 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Monolithischer Kernel vs. Mikrokernel Beim Mikrokernel laufen die Systemkomponenten wie die Anwendungen außerhalb des Kerns in geschützten, abgetrennten Speicherbereichen = Prinzipiell hohe Stabilität und Sicherheit möglich

23 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Hybride Kerne (1/2) Hybride Kerne, auch Hybridkernel oder Makrokernel genannt, sind ein Kompromiss zwischen monolithischen Kernen und minimalen Kernen Hybride Kerne basieren auf dem Konzept der minimalen Kerne, enthalten aber aus Geschwindigkeitsgründen einige Komponenten, die bei minimalen Kernen außerhalb des Kerns liegen Es ist nicht festgelegt, welche Komponenten bei Systemen mit hybriden Kernen zusätzlich in den Kernel einkompiliert sind Die Vor- und Nachteile von hybriden Kernen zeigt Windows NT 4 Das Grafiksystem ist bei Windows NT 4 im Kernel enthalten Vorteil: Steigerung der Performance Nachteil: Fehlerhafte Grafiktreiber führen zu häufigen Abstürzen

24 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Hybride Kerne (2/2) Vorteile: Hybride Kerne bieten eine höhere Geschwindigkeit als minimale Kerne Grund: Weniger Kontextwechsel Die Stabilität hybrider Kerne ist (theoretisch) höher als die monolithischer Kerne Betriebssysteme mit hybriden Kernen sind u.a: Windows NT 3.1, NT 3.5, NT 4.0 Windows 2000, Server 2003, Server 2008 Windows XP, Vista, 7 ReactOS MacOS X BeOS, ZETA, Haiku Plan 9 DragonFly BSD

25 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Linus Torvalds vs. Andrew S. Tanenbaum (1992) 26. August 1991: Linus Torvalds kündigt das Projekt Linux in der Newsgroup comp.os.minix an 17. September 1991: Erste interne Version (0.01) 5. Oktober 1991: Erste offizielle Version (0.02) 29. Januar 1992: Andrew S. Tanenbaum schreibt in der Newsgroup comp.os.minix zum Thema Linux: LINUX is obsolete Linux hat einen monolithischen Kernel = Rückschritt Linux ist nicht portabel genug, weil auf 80386er optimiert und diese Architektur wird demnächst von RISC-Prozessoren abgelöst (Irrtum!) Es folgte eine mehrere Tage dauernde, zum Teil heftig und emotional geführte Diskussion über die Vor- und Nachteile von monolithischen Kernen, minimalen Kernen, Portabilität und freie Software Wer von beiden lag im Nachhinein richtig?

26 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Ein trauriges Kernel-Beispiel HURD Das GNU-Projekt wurde 1983 gegründet, um das GNU-System, ein vollständiges UNIX-Betriebssystem zu entwickeln Das GNU-Betriebssystem besteht aus: GNU Mach, der Mikrokernel GNU Hurd, die Server (Dienste), die auf der Benutzerebene laufen und die Dateisysteme, Protokolle, usw. enthalten GNU Software, die notwendigen Werkzeuge Dazu gehören die GNU Compiler Collection, die Bash und der Editor GNU Emacs Das GNU-Betriebssystem, dass häufig auch einfach als HURD bezeichnet wird, ist noch nicht fertig, da noch nicht alle Server fertig implementiert sind Die GNU Software ist seit Anfang der 1990er Jahre weitgehend fertig Das Betriebssystem ist so weit fertig Es fehlt nur noch der (Mikro-)Kernel mit seinen Server (Diensten)

27 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Ein extremes Kernel-Beispiel Der Web-Server Tux Im Jahr 2000 entwickelte Ingo Molnár von RedHat für den Linux Kernel 2.4.x einen kernel-basierten Web-Server mit dem Namen Tux Vorteil: Ein Web-Server im Kernel, beschleunigt die Auslieferung von statischen(!) Web-Seiten ungemein, da keine Moduswechsel zwischen Benutzermodus und Kernelmodus nötig sind und die Daten direkt aus dem Arbeitsspeicher an die Netzwerkkarte gesendet werden können Nachteil: Die Trennung von Benutzermodus und privilegiertem Kernelmodus besteht nicht ohne Grund Eine komplexe und tendenziell anfällige Software wie ein Web-Server im Kernel ist ein großes Sicherheitsrisiko Angriffe auf den Web-Server könnten zu Systemabstürzen oder gar der vollständigen Kontrollübernahme durch den Angreifer führen In Linux Kernel 2.6.x ist der Web-Server Tux nicht mehr enthalten Was ist wichtiger? Geschwindigkeit oder Sicherheit?

28 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Schalenmodell bzw. Schichtenmodell (2/3) Betriebssysteme werden mit ineinander liegenden Schalen, die von innen nach außen immer abstraktere, mächtigere Funktionen enthalten, logisch strukturiert Dieses Modell heißt Schalenmodell oder Schichtenmodell Das Minimum sind drei Schalen: Die innerste Schale enthält immer die hardwareabhängigen Teile des Betriebssystems. So können Betriebssysteme (theoretisch!) leicht an unterschiedliche Rechnerarchitekturen angepasst werden Die mittlere Schale enthält den Kernel und grundlegende Ein-/Ausgabe-Dienste (Bibliotheken und Schnittstellen) für Geräte und Daten Die äußerste Schale enthält die Anwendungsprogramme und die Benutzerschnittstelle In der Regel stellt man Betriebssysteme mit mehr als drei logischen Schichten (Schalen) dar

29 Jede Schicht (Schale) ist mit einer abstrakten Maschine vergleichbar Die Schichten kommunizieren mit ihren benachbarten Schichten über wohldefinierte Schnittstellen Eine Schicht kann Funktionen der nächsten Schicht nach innen aufrufen und Funktionen der nächsten Schicht nach außen zur Verfügung stellen Alle Funktionen (Dienste), die eine Schicht anbietet, und die Regeln, die dabei einzuhalten sind, heißen Protokoll Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Schalenmodell bzw. Schichtenmodell (2/2)

30 Dr. Christian Baun 2. Vorlesung Betriebssysteme Hochschule Mannheim WS /30 Schalenstruktur von Linux/UNIX Hardware A B C D E A B C D E Kernel (maschinenabhängiger Teil) Kernel (maschinenunabhängiger Teil) Standardbibliothek Shell, Anwendungsprogramme Benutzer (Anwendungsprogramme) Hardwareschnittstelle kernelinterne, hardwareunabhängige Schnitststelle Kernel- / Systemschnittstelle Bibliothekenschnittstelle / C-Schnittstelle Benutzerschnittstelle