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1 Proseminar Speicher- und Dateisysteme ( ) Bernd Ihnen

2 Übersicht 2/20 Einleitung Betriebssysteme/ Übersicht Mikrokernel Monolithischer Kernel Vergleich der Kernel Fallbeispiel Linux Kernelaufbau Dateisytemeinbindung Caches Schichtenarchitektur von NFS (Kurze) Übersicht Kernelarchitektur Minix Zusammenfassung

3 Einleitung 3/20 Webbrowser programm Weitere Programme Software Hardware Benutzungsschnittstelle Betriebssystem Benutzungsschnittstelle Benutzermodus/ User-Mode Kernelmodus/ Kernel-Mode Gemäß DIN wird ein Betriebssystem wie folgt definiert: Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften dieser Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und die insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. Bild geändert: Moderne Betriebssysteme, 3. Aufl. S. 30 (A.S. Tanenbaum)

4 Einleitung 4/20 Benutzer-Modus Betriebssystem Kernel-Modus Hardware Ringaufbau eines x86-prozessors: Ringe 1-3 im User-Mode aktiv Haben zunehmend weniger Zugriffsrechte auf die Hardware Kommunikation erfolgt z.b. durch Gates Wichtige Konzeptionskomponenten: Abstraktion und Modularisierung Bildquelle:

5 Verschiedene Kernelarchitekturen 5/20 Monolithischer Kernel Mikro-Kernel Hybrid-Kernel Hält sämtliche Betriebssystemkomponenten im Kernel-Modus Hält möglichst wenige Betriebssystemkomponenten im Kernel-Modus Variable Architektur zwischen Idealtypen Bsp.: Linux Bsp.: Minix, L 4 inux Bsp.: Windows/ Mac OS X Verweis auf weitere Architekturen (z.b. Exokernel, Client-Server-Modelle, Virtuelle Maschinen ) => Moderne Betriebssysteme von A. Tanenbaum Bild geändert:

6 Übersicht Mikrokernel 6/20 Bild geändert:

7 Übersicht Monolithischer Kernel 7/20 Bild geändert:

8 Vergleich der Kernel 8/20 Mikro-Kernel Monolithischer Kernel Vorteile: Hohe Ausfallsicherheit Klares Schnittstellendesign Kapselung der Komponenten Performancegewinn Nachteile: Grundsätzlicher Geschwindigkeitsverlust durch Moduswechsel Hoher Synchronisationsaufwand Ausfallrisiko bei Absturz einer Systemkomponente Probleme beim Austausch von Systemkomponenten Bild geändert:

9 Übersicht 9/20 Einleitung Betriebssysteme/ Übersicht Mikrokernel Monolithischer Kernel Vergleich der Kernel Fallbeispiel Linux Kernelaufbau Dateisytemeinbindung Caches Schichtenarchitektur von NFS (Kurze) Übersicht Kernelarchitektur Minix Zusammenfassung

10 Linux - Kernelaufbau 10/20 Benutzer-Modus Betriebssystem Kernel-Modus Hardware Posix-Standard im Virtual File System definiert: Welche Bibliotheksfunktionen angeboten werden müssen Parameter Was durchgeführt werden muss, um gewünschte Ergebnisse zu erzielen Cache: Im Speicher implementiert Speichert (Teile von) Dateien zwischen Ermöglicht schnelleren Zugriff auf Dateien Ziel: Flexibilität, Stabilität und Ausrichtung auf verteilte Dateisysteme Bild geändert:

11 Exkurs: Linux - Dateisystemeinbindung 11/20 Dateistruktur in Linux entstammt einer Wurzel, weitere Dateisysteme werden eingehängt Festplatte / DVD / Festplatte / a b x y z a b/ c d c d x y z p q r p q r Ext2-Dateisystem von Linux Boot Blockgruppe 0 Blockgruppe 1 Blockgruppe 2 Blockgruppe 3 Blockgruppe 4 Superblock Gruppendeskiptor Block-Bitmap I-Node-Bitmap I-Nodes Datenblöcke Superblock enthält Informationen über Aufbau des Dateisystems (auch Anzahl I-Nodes) I-Nodes beschreiben genau eine Datei, enthalten Verwaltungsinformationen einer Datei und Informationen über Blocklokation Bild geändert: Moderne Betriebssysteme, 3. Aufl. S. 901 und S. 909 (A.S. Tanenbaum)

12 Linux - Caches 12/20 System Call Virtual File System (-Switch) Memory Map (bietet einheitliche Schnittstelle gemäß POSIX-Standard für Zugriffe auf die Dateisysteme, die dadurch verschiedene Formate haben können) Page Cache Directory Cache I-Node Cache NFS Coda FS enthält mindestens Seitenangaben und Benutzerstruktur der virtuellen Dateien Filesystems enthält konkrete -harte- Pfadangaben zu Dateien enthält die I-Node- Einträge der jüngst zugegriffenen Dateien Buffer Cache erste Abstraktionsschicht über der Hardware - enthält Informationen der Speicherblöcke (Gerätenummer, Blocknummer, Größe des im Puffer gehaltenen Datenblocks) Device-Driver Hardware Bild geändert:

13 Linux Schichtenarchitektur bei NFS 13/20 NFS (Network File System) fasst Dateisysteme auf verschiedenen Rechnern zusammen System Call Virtual File System V-Node (virtuelle I-Node) Server-Kernel Virtual File System Local FS 1 Local FS 2 NFS- Client NFS- Server Local FS 1 Lokal FS 2 Buffer Cache Buffer Cache Driver Driver Driver Driver Nachricht Nachricht an an Server Server Nachricht Nachricht vom vom Client Client Local Hard Disk Client-Kernel Local Hard Disk Bild geändert: Moderne Betriebssysteme, 3. Aufl. S. 920 (A.S. Tanenbaum)

14 Übersicht 14/20 Einleitung Betriebssysteme/ Übersicht Mikrokernel Monolithischer Kernel Vergleich der Kernel Fallbeispiel Linux Kernelaufbau Dateisytemeinbindung Caches Schichtenarchitektur von NFS (Kurze) Übersicht Kernelarchitektur Minix Zusammenfassung

15 Übersicht Kernelaufbau bei Minix 15/20 Mikrokernelaufbau bei MINIX Layer 4 User Process Shell, Commands, Daemons, Layer 3 Server Process Process Manager, File System, Network Server, Information Server, Benutzermodus/ Usermode Layer 2 Device Drivers Input/ Output Devices Layer 1 Kernel System Task, Clock Task Kernelmode Entwickler: Andrew S. Tanenbaum Entstand durch Re-Implementierung eines UNIX-Systems mit dem Ziel ein einfaches Mikrokernel-System zu Lehrzwecken anzubieten. Kontrast zu Linux mit Monolithischem Kernel Bild geändert:

16 Übersicht 16/20 Einleitung Betriebssysteme/ Übersicht Mikrokernel Monolithischer Kernel Vergleich der Kernel Fallbeispiel Linux Kernelaufbau Dateisytemeinbindung Caches Schichtenarchitektur von NFS (Kurze) Übersicht Kernelarchitektur Minix Zusammenfassung

17 Zusammenfassung 17/20 Betriebssystem Hardware + Software zum Zugriff auf die Hardware Trennung in Kernel-Modus und Benutzer-Modus Geringere Zugriffsrechte auf Hardware im Benutzer-Modus Benutzer-Modus Betriebssystem Kernel-Modus Mikrokernelarchitektur (Minix, L 4 inux) Für das Betriebssystem essenzielle Komponenten arbeiten im Kernel-Modus, alle anderen im Benutzer-Modus. Vorteil: Hohe Ausfallsicherheit, klares Schnittstellendesign Hardware Monolithischen Kernel (Linux) Alle Komponenten arbeiten im Kernel-Modus Vorteil: Performance Hybrid-Kernel (Windows, Mac OS X) Mischform

18 Zusammenfassung 18/20 Linux arbeitet grundsätzlich mit Monolithischem Kernel (Aufweichung z.b. durch FUSE => User-Mode) Betriebssystemkomponenten modular aufgebaut Virtual File System ermöglicht Verwendung verschiedener Dateisysteme durch Einhaltung von POSIX-Standard Caches/ Buffer erlauben Zwischenspeicherung von Dateien (Page/ Buffer), deren Pfadangaben (Directory) oder deren Metadaten (z.b. I-Node, Gerätenummer, ) Einfache verteilte Dateisystemeinbindung durch NFS (Network File System) Minix Stellt durch konsequentem Mikro-Kernel Kontrastarchitektur dar

19 Quellenangabe 19/20 Bildquellen: Header: Genutzte Bilder: Moderne Betriebssysteme, 3. Aufl. S. 30 (A.S. Tanenbaum) Moderne Betriebssysteme, 3. Aufl. S. 901 und S. 909 (A.S. Tanenbaum) Moderne Betriebssysteme, 3. Aufl. S. 920 (A.S. Tanenbaum)

20 Ende 20/20 Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!

Betriebssystemschichten (11.03.2011)

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