Musterlösung der Klausur

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1 Matrikelnummer: FB Informatik und Mathematik Prof. R. Brause Musterlösung der Klausur Betriebssysteme SS 2007 Vorname: Max Nachname: Musterfrau Matrikelnummer: Geburtsdatum: Studiengang: Bitte tragen Sie auf jeder Seite Ihre Matrikelnummer ein und überprüfen Sie diese Klausur auf Vollständigkeit (13 Seiten!). Tragen Sie auf dem Deckblatt Ihre Daten in Druckbuchstaben ein. Als Hilfsmittel ist ein nicht programmierbarer Taschenrechner zugelassen. Verwenden Sie ausschließlich die beigefügten Blätter. Sollten diese nicht ausreichen, so wenden Sie sich bitte an die Aufsicht. Alle weiteren Hilfsmittel (z. B. Handys, Bücher, eigenes Papier, etc...) sind verboten. Die Benutzung gilt als Täuschungsversuch und führt zum Ausschluss von der Klausur. Die maximale Bearbeitungszeit beträgt 240 Minuten. Die Punktzahl jeder Aufgabe entspricht der geschätzten Bearbeitungszeit in Minuten. Viel Erfolg!!! Seite 1 von 13

2 Aufgabe 1: Multiple-Choice Aufgaben 6 Punkte Jede richtige Antwort gibt einen Punkt, jede falsche einen negativen. Pro Frage ist mindestens eine Antwort richtig. i. Wie viele Schnittstellen hat eine virtuelle Maschine? keine höchtens eine genau eine mindestens eine nichts davon stimmt ii. Wodurch wird Trashing ausgelöst? zu wenig Plattenspeicher begrenzter Hauptspeicher Verwendung von Windows-Systemen insbesondere bei I/O-lastigen Jobs (Drucker etc.) nichts davon stimmt iii. Buddy-Systeme sind besonders gut, weil... bessere Kooperation von Prozessen einfache Implementierung schnellere Speicherfreigabe schnellere Speicherzuweisung es gibt keine Vorteile Seite 2 von 13

3 Matrikelnummer: iv. Welche Scheduling-Methode wurde für das folgende Gantt-Diagramm verwendet? Earliest Scheduling Latest Scheduling First Scheduling keine von diesen v. Wie ist der Speedup definiert? Alte Zeit Neue Zeit 1 T par T seq nur im Grenzwert bei Tpar = 0! T seq T par T seq T par T seq 0 nur im Grenzwert bei Tpar = 0! vi. Welche Eigenschaften beinhaltet das Socket-Modell? lokale Interprozesskommunikation möglich einfache Form der verbindungslosen Kommunikation kann nur zwischen Server und Client stattfinden punktorientierte Kommunikation nichts von dem Genannten Seite 3 von 13

4 Aufgabe 2: Scheduling 35 Punkte Folgende 5 Stapelaufträge treffen praktisch zeitgleich bei ihrem Computersystem ein. Ihr Computer verfügt über einen Prozessor. Die Aufträge werden von einem Round-Robin Scheduler sortiert. Die Ankunftsreihenfolge ist C-A-B-D-E. Die Zeit für einen Prozesswechsel wird vernachlässigt. Prozess A B C D E Zeitdauer a) Berechnen Sie die durchschnittliche Verweilzeit, wenn die Zeitscheiben gegenüber den Ausführungszeiten vernachlässigbar klein sind. Reihenfolge, in der die Jobs fertig werden: A : 1 ZE * 5 Jobs =5 B : 1 ZE * 4 Jobs +A = 9 E : 1 ZE * 4 Jobs +A = 9 D : 1 ZE * 2 Jobs +B = 11 C: 2 ZE * 1 Job +D =13 Zeiteinheit = ZE Summe = 47, also mittl. Verweilzeit = 47/5 = 9,4 b) Berechnen Sie die durchschnittliche Verweilzeit, wenn eine Zeitscheibe genau eine Zeiteinheit beträgt. FIFO-Reihenfolge ist C A B D E Also benötigt A: 2, B: 7, E: 9, D: 11, C: 13 Einheiten. Summe =42, mittlere Verweilzeit also 42/5 = 8,4. Seite 4 von 13

5 Matrikelnummer: c) Wieso unterscheiden sich die beiden Ergebnisse aus a) und b)? Begründen Sie dies. Der Unterschied ergibt sich aus dem frühen Ausscheiden von A aus der Abarbeitung: anstatt 5 braucht A nur noch 2 Zeiteinheiten. Durch die endlichen Zeitscheiben in b) ist es plötzlich wichtig, wann der Job angekommen ist; in a) ist durch die unendlich kleine Zeitscheibe und die schnelle Umschaltung die Reihenfolge irrelevant. Aufgabe 3: Hardware-Software-Migration 12 Punkte a) Was versteht man unter Hardware-Software-Migration? Geben Sie auch ein Beispiel an. Wenn eine Dienstleistung in mehrere Schichten aufgeteilt werden kann, so ist es möglich, eine Schicht durch Hardware und eine darauf aufbauende Dienstleistung durch Softwareschichten zu realisieren. Soll eine SW-Schicht in der Ausführungszeit beschleunigt werden, kann die Grenze zwischen der Hardwareschicht und der Software verschoben werden, indem die Dienstleistungen der SW-Schicht ebenfalls von der Hardware mitausgeführt werden und die Hardware die Schnittstellen der SW-Schicht anbietet. Programm in Java-Code Java-Code / Maschinencode CPU- Hardware Vor der Migration der SW-Schicht Schicht Programm in Java-Code Microcodeund CPU-Hardware In die Hardware migrierte SW- b) Wodurch wird Hardware-Software-Migration überhaupt erst möglich? Erläutern Sie dieses Konzept und seine Voraussetzungen. Die Migration wird erst durch die Existenz einer eigenständigen Schicht möglich, die zu einer virtuellen oder realen Maschine migrieren kann. Dies bedeutet, dass vor und nach der Migration die selben Schnittstellen zwischen den Schichten existieren müssen. c) Wann ist eine Software-Lösung zu bevorzugen, wann eine Hardware- Realisierung? SW-Lösung: schnell realisierbar, leichtere Fehlersuche, gut wartbar, preiswert, aber langsam: für sich ändernde Aufgaben HW-Lösung: schnell, aber in allen anderen Eigenschaften schlechter als SW- Lösung: für zeitkritische, feste Aufgaben Seite 5 von 13

6 Aufgabe 4: Echtzeitsysteme 20 Punkte a) Was versteht man unter einem Echtzeitbetriebssystem? Welche Faktoren spielen hier eine Rolle? weiche Echtzeitsysteme: wünschenswerte maximale Ausführungszeite. Ein Überschreiten wird aber toleriert. harte Echtzeitsystem: garantierte maximale Ausführungszeit, sonst drohen harte (technische, finanzielle, haftungsrechtliche, wirtschaftliche,...) Konsequenzen. b) Welches ist die wichtigste Schedulingstrategie in einem Echtzeitbetriebssystem? Begründen Sie Ihre Antwort. Beschreiben Sie auch die Funktionsweise dieser Strategie. Wichtigste Strategie ist das rate-monotonic-scheduling, da bewiesen werden kann, dass es immer dann zu einer akzeptablen Lösung führt, wenn überhaupt eine Lösung für die Menge der Anforderungen existiert. Dazu erhalten alle Tasks eine Priorität, die proportional zu ihrer Ausführungsfrequenz ist. D. h. Task mit hohen Ausführungsraten erhalten auch eine hohe Priorität. c) Vergleichen Sie die Scheduling-Strategien Minimal Processing Time First und Rate-Monotonic Scheduling. Beschreiben Sie diese beiden Strategien. Benennen Sie Vor- und Nachteile. a) Minimal Processing Time First : Ordne die Tasks nach ihren Ausführungslängen; kurze Tasks werden bevorzugt. Vorteil:mehr Tasks werden abgearbeitet. Nachteil: Nicht alle Tasks kommen dran. b) Rate-Monotonic Scheduling : Ordne die Tasks nach ihren Ausführungsfrequenzen; häufige Tasks haben höhere Priorität. Vorteil: Wenn ein Schedul existiert, wird er damit realisiert. Nachteil: Wichtige, aber seltene Tasks werden nicht ausgeführt. Also müssen sie künstlich eine höhere Priorität erhalten: Prioritätsumkehr. Seite 6 von 13

7 Aufgabe 5: RAID-Systeme Matrikelnummer: Punkte a) Gegeben sind 5 Festplatten die mittels RAID-0 in einem Verbund organisiert sind. Die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Platte betrage p = 0,05%. Wie groß ist die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems? Das System fällt genau dann aus, wenn eine oder mehr Platten defekt sind , ,0025 Ws, dass keine Platte ausfällt b) Es befinden sich 6 baugleiche Festplatten in einem RAID-1 Verbund. Dabei sind je 3 Platten gruppiert. Wie groß ist die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems, wenn die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Platte wieder p = 0,05% beträgt? Das System fällt genau dann aus, wenn in einer Gruppe alle 3 Platten funktionsunfähig sind. 1 ( 1 0, Ws, dass nicht alle 3 Platten ausfallen 6 3 ) c) Sie haben 7 Festplatten in einem RAID-2 Verbund organisiert. Das System kann 2 Fehler korrigieren. Wie groß ist die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems? Da unser System 2 Fehler korrigierend ist, entsteht ein Totalausfall, wenn mehr als 2 Platten defekt sind. 1 1 p 7 Ws keine Platte defekt 7 1 p 1 p 6 7 Ws eine Platte defekt 2 p2 1 p 5 Ws zwei Platten defekt Seite 7 von 13

8 Aufgabe 6: Virtuelle Adressen 20 Punkte Gegeben seien die folgenden 4 virtuellen 16-Bit Speicheradressen in Hexadezimaldarstellung: a) 75B4 b) 8AC6 c) 5B3E d) 1E9C Die Adresse sind von links nach rechts kodiert. Das erste Bit wird nicht benutzt. Die nächsten 3 Bits kodieren den jeweiligen Index in der Basis-Seitentabelle, die weiteren 3 Bits den Index in der entsprechenden Tafel. Die übrigen 9 Bits bilden den Offset. Bestimmen Sie Anhand der folgenden Abbildung die zu a), b), c) und d) gehörenden physikalischen Adressen. Geben Sie diese in Hexadezimaldarstellung an. Seite 8 von 13

9 Matrikelnummer: Lösung Aufgabe 6 - a) 75B A E B B 4 b) 8AC CC C 6 c) 5B3E CC E d) 1E9C Fehler! Die Adresse existiert nicht Aufgabe 7: Dateistrukturen 30 Punkte Ihr System erreicht die Zugriffsfolge auf die Schlüssel 7, 4, 15, 12, 21, 1, 36, 43, 14 eines Dateisystems. a) Zeichnen Sie für die gegebene Zugriffsfolge eine Baumstruktur entsprechend eines zweistufigen, index-sequentiellen Dateizugriffs. Gehen Sie davon aus, dass ein Behälter maximal 3 Schlüssel Speichern kann. Seite 9 von 13

10 b) Gegeben sei ein leerer B*-Baum mit m = 4. Fügen sie die oben beschriebene Schlüsselfolge in den Baum ein. Benutzen Sie hierfür das in der Vorlesung vorgestellte Verfahren. Zeichnen Sie nach jeder Einfüge- Operation den vollständigen Baum. Wie viele Schlüssel enthält jeder innere Knoten (ausgenommen die Wurzel und die Blätter) mindestens bzw. höchstens? Ein innerer Behälter enthält mindestens 1 und höchstens 3 Schlüssel. Seite 10 von 13

11 Aufgabe 8: Sicherheit Matrikelnummer: Punkte a) Was ist der Unterschied zwischen ACL, dem capability-orientierten Ansatz und rollenbasierten Zugriffsrechten? ACL: Pro Objekt gibt es eine Liste aller Zugriffsberechtigen und ihrer Rechte cap.or.: Pro Benutzer gibt es eine Liste, in der alle Objekte und die Zugriffsrechte darau notiert sind. Rollenbasiert: Die ist eine Abstraktion eines Benutzers; also eine Liste mit allen Objekten und den Zugriffsrechten, die ein Benutzer hat, wenn er diese Rolle annimmt. a) Welche Art der Zugriffsrechtskontrolle realisiert das Kerberos-System? Das Kerberos-System beruht auf einer service-orientierten Zugriffsverwaltung auf Daten. Vor jeder Serviceanfrage wird geprüft, ob und welche Rechte der Nutzer für den Service hat. Dies läßt sich sowohl mit ACLs als auch mit Cap.or. Methoden durchführen, so dass es vom Konzept her keine Präferenz für eine der oben genannten Arten gibt. b) Was ist ein Buffer-overflow-Angriff und wie funktioniert er? Kann man ihn durch geeignete Zugriffsrechte verhindern? Ein Buffer-overflow-Angriff benutzt Softwarefehler beim Kopieren von Argumentpuffern, bei dem übergrosse Argumentzeichenketten auf dem Stack (oder heap) abgelegt werden und dabei wichtige Pointer (Rücksprung-addressen, Stackpointer etc.) überschreiben. Der Rücksprung erfolgt dann in den Argumentpuffer hinein, in dem der Angriffscode steht und so das Wirtsprogramm benutzt, um seine Funktionen zu erfüllen. Setzt man die Zugriffsrechte entsprechend (nicht-ausführbar für Stack, Heap und Programmdaten, nicht-schreibbar für ausführbaren Code) so kann man diesen Angriff abwehren. Die Verwendung einer besseren Kopierprozedur für Argumente unterstützt dies noch. Seite 11 von 13

12 Aufgabe 9: Race Conditions 10 Punkte import sys static a, d, f: Integer var e, b, c, g: Integer def berechne(i, j): var a e = 5 + g g = a a = b + c a = 1; b = 100; c = b + 4; berechne(4,5) print a print e - Pseudo-Code 1 - import sys static a, d, f: Integer var e, b, c, g: Integer def berechne(j, i): b = 4 e = 5 + b + j g = a a = b + c i a = 1; b = 182; c = g + 9; berechne(4,5) print a print c - Pseudo-Code 2 - a) Was versteht man unter einer race condition? Bei welchem der beiden obigen Codesegmente können race conditions auftreten, wenn es in mehreren Threads gleichzeitig ausgeführt wird? Begründen Sie Ihre Antwort. Ein Fehler im Programmablauf tritt auf, wenn ein Prozess einen anderen überholt (race condition). Diese Situation kann nur entstehen, wenn beide Prozesse asynchron auf den gleichen Daten arbeiten. Race conditions sind deshalb besonderes problematisch, da sie nur sporadisch auftreten, d. h. Nicht reproduzierbar sind. Im Pseudo-Code 2 kann es zu race conditions kommen, da hier assynchron auf der globalen Variable a gearbeitet wird. Diese Variable ist global zwischen allen Instanzen des Programms, da sie als static deklariert wurde, im Unterschied zu den Variablen e,b,c,g, die global nur innerhalb des Threads wirken, aber nicht von einem anderen Thread gelesen oder geschrieben werden können. Zwar ist a auch in Pseudo-Code 1 global, aber sie wird durch Var a lokal ausgeblendet, so dass sie immer nur zu a=1 verändert werden kann. Seite 12 von 13

13 Matrikelnummer: b) Ergänzen Sie den Code geeignet, so dass race conditions vermieden werden. Begründen Sie Ihr Vorgehen. Um eine race condition zu verhindern, setzen wir Semaphoren ein. Diese sichern einen kritischen Abschnitt dahingehend ab, dass niemals zwei oder mehr Prozesse gleichzeitig diesen Code-Abschnitt durchlaufen können. Dazu ergänzen wir den Pseudo-Code 2 folgendermaßen: import sys static a, d, f: Integer var e, b, c, g: Integer def berechne(j, i): b = 4 e = 5 + b + j g = a a = b + c i P(s) a = 1; b = 182; c = g + 9; berechne(4,5) print a V(s) print c Die Operation P(s) muss vor a = 1 kommen, da hier lesend auf a zugegriffen wird, und V(s) muss nach print a kommen, da hier das eigene Ergebnis ausgegeben wird, was vorher nicht verändert werden sollte. Seite 13 von 13

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