3 Die Windows-Systemarchitektur

Transkript

1 3.1 Modularer Aufbau 75 3 Die Windows-Systemarchitektur Die Systemarchitektur ist wesentlich für die Stabilität eines Betriebssystems verantwortlich. Mit Windows NT wurde deshalb auch bewusst eine neue Architektur gegenüber Windows 3.x/9x entworfen. Insgesamt konnte Windows NT dem Anspruch an hohe Ausfallsicherheit gerecht werden. Ein anderes Problem das vor allem bei Servern kritisch ist sind die Down-Zeiten des Systems. Hier hat sich bei Windows 2000 einiges getan. Die Anzahl an Neustarts nach Konfigurationsänderungen ist deutlich zurückgegangen, manche Applikation verlangt dies aber weiterhin. 3.1 Modularer Aufbau Windows 2000 ist stark modular aufgebaut. Der interne Aufbau ist zwar eher für Softwareentwickler interessant, hilft aber beim Verständnis des Gesamtsystems, vor allem auch im Hinblick auf den Einsatz von Treibern. Abbildung 3.1: Aufbau von Windows 2000 Die einzelnen Schichten liegen zwischen Hardware und den Anwendungsprogrammen, die der Benutzer ablaufen lässt. Sie haben folgende Bedeutung: Subsysteme Subsysteme Die Subsysteme führen Programme aus, die speziell für Windows 2000 geschrieben wurden und für den Benutzer als Teil des Be-

2 76 3 Die Windows-Systemarchitektur triebssystems gelten. Es gibt auch Subsysteme für POSIX und OS/2, die aber nur eine geringe Bedeutung haben. Dienste Treiber Kernel HAL Ausführende Dienste Dies ist die oberste Schicht im geschützten Kernel-Modus. Hier werden grundlegende Ein- und Ausgabeprozesse erledigt. Wichtige Bestandteile sind: - Dateisystem- und I/O-Manager - Sicherheitsmonitor - Powermanagement - Speichermanagement - Plug&Play-Steuerung - IPC-(Interprozess-Kommunikation)-Manager Gerätetreiber Gerätetreiber sind spezielle Programme, die den Zugriff auf Hardwareerweiterungen erlauben. Sie werden meist von den Hardwareherstellern geliefert. Für viele Standardgeräte bringt Windows Treiber mit. Mikrokernel Der Mikrokernel steuert den Prozessor und die elementarsten Abläufe bei der Prozesskommunikation. Hier werden Ausnahmefehler abgefangen (das heißt Blue Screens erzeugt) und die Threads der Programme aufgeteilt. Hardware-Abstraction-Layer Um möglichst hardwareunabhängig zu sein, ist diese unterste Schicht für eine Abstraktion des Prozessors zuständig. Damit können leichter Windows 2000-Applikationen geschrieben werden, die auf verschiedenen Prozessoren laufen. Bedeutung der Kernelemente Um zu verstehen, was mit den einzelnen Bezeichnungen gemeint ist, kann ein kleiner Ausflug in die Prozessorwelt helfen. Intel- Prozessoren lassen sich in verschiedenen Modi betreiben. Der sogenannte Ring-0-Modus ist für privilegierte Anwendungen reserviert. Die Daten in einigen Registern des Prozessors können nicht verändert werden, wenn der Prozessor im normalen Ring-3-Modus betrieben wird, in dem Anwendungsprogramme laufen. So kann ein Programm das System nicht völlig zum Absturz bringen, da der übergeordnete Prozess in den geschützten Ring-0 wechseln kann Applikationen

3 3.2 Innere Struktur Windows Executive 77 können dies nicht. Dies ist übrigens eine der Situationen, in denen Windows die Applikation kontrolliert: die berüchtigte Fehleranzeige»Allgemeine Schutzverletzung«erscheint. Der in Abbildung 3.1 gezeigte Aufbau teilt sich in zwei Bereiche: Der Benutzermodus läuft im Ring-3 ab, der Kernel-Modus in Ring-0. Entsprechend hoch sind die Ansprüche an die Entwickler von Gerätetreibern verhalten sich diese Programme fehlerhaft, hat das Betriebssystem nur noch wenige Schutzmöglichkeiten. Fehler auf dieser Ebene führen auch zu einer bekannten Erscheinung dem Blue Screen. 3.2 Innere Struktur Windows Executive Die innere Struktur des im Kernel-Modus betriebenen Kerns teilt sich in hardwarenahe und hardwareferne Teile. Durch die Teilung ist eine Adaption auf neue Hardware einfacher. HAL Der Hardware Abstraction Layer ist die unterste Schicht von Windows zur Hardware. Hier wird direkt auf den verwendeten Prozessor und bestimmte Besonderheiten der Hardware bezug genommen beispielsweise auch auf Abweichungen von der PC-Architektur. HAL selbst ist als DLL mit dem Namen HAL.DLL ausgeführt. Hersteller komplexer Server liefern einen eigenen HAL. Der Vorteil ist die Abstraktion der Gerätetreiber Anbieter von Steckkarten mit Gerätetreibern müssen diese nur ein Mal entwickeln und können sie auf allen Systemen einsetzen egal welcher HAL eingesetzt wird. Allerdings ist es möglich, das Gerätetreiber den HAL umgehen und direkt auf Hardware zugreifen. Der Kernel Der Mikrokernel ist ein Kernbestandteil des Betriebssystems. Damit soll gesichert werden, dass nur ein möglichst kleiner Teil des gesamten Systems im geschützten Modus abläuft. Dies dient der Stabilität. Je mehr Teile in den geschützten Bereich überführt werden, desto unsicherer wird das Gesamtsystem, denn mehr Code bedeutet immer auch mehr Fehlerquellen. Mit dem Mikrokernel werden nun elementare Prozesse geschützt abgewickelt, die große Masse der Vorgänge läuft aber in den Subsystemen ab. Der Kernel steuert den Prozessor. Hier werden die von Applikationen angeforderten Prozessorleistungen aufgeteilt (wenn mehrere Prozessoren verfügbar sind) oder so gesteuert, dass die Verteilung korrekt Der Mikrokernel

4 78 3 Die Windows-Systemarchitektur verläuft (Multitasking). Der Kernel ist dafür verantwortlich, dass alle Prozessoren gleichmäßig beschäftigt werden. Auch die Einhaltung von Prioritäten wird hier entschieden. Der Kernel stellt weiterhin Schnittstellen und bestimmte interne Objekte zur Verfügung, die beispielsweise für die Interruptbehandlung verantwortlich sind. Der Kernel selbst ist für Anwender unsichtbar. Er wird nur aktiv (mit Bildschirmausgaben), wenn der grafische Teil des Startprozesses noch nicht gestartet wurde oder im Fehlerfall (Ausgabe des Blue Screen). Gerätetreiber Gerätetreiber sind sicher für viele Anwender und Administratoren ein rotes Tuch. Fehler sind nicht durch die Schutzmechanismen des Betriebssystems abfangbar. Leider gibt es hier kaum Selbsthilfe. Vorteile verspricht aber das neue Windows Driver Model (WDM), das in den aktuellen und zukünftigen Windows-Versionen einheitliche Treiber erlaubt. Dadurch können Hersteller sich auf wenige Treiber konzentrieren und diese (hoffentlich) stabiler machen. WDM erlaubt die einfachere Entwicklung von Multimedia-Anwendungen, da spezielle Funktionen für Streaming-Anwendungen (Video, Audio, MPEG etc.) zur Verfügung stehen. Objekt-Manager Objekte sind im Windows-Kern Abbildungen für Ressourcen. Das Betriebssystem verwaltet diese Objekte, das heißt, sie werden auf Anforderung erzeugt, ein Zeiger (so genanntes Handle) darauf erstellt und nach der Benutzung gelöscht. Prozess-Manager Der Prozess-Manager verwaltet Prozesse und Threads. Auch dies erfolgt mit Objekten, die folgerichtig Prozess- und Thread-Objekte genannt werden. Jedes Programm, das startet, muss mindestens ein Prozess-Objekt verwenden. Viele Prozesse werden im Task-Manager angezeigt, einige können aber auch unsichtbar ablaufen.

5 3.2 Innere Struktur Windows Executive 79 Abbildung 3.2: Die Prozessliste Speichermanager Der Speichermanager teilt Anwendungen Speicher (RAM) zu und ü- berwacht dessen Verwendung. Falls der physische Hauptspeicher nicht ausreicht, wird Speicher in der Auslagerungsdatei angefordert sogenannter virtueller Speicher. Der Speichermanager heißt deshalb auch Virtual Memory Manager (VMM). Prozesskommunikation Die Kommunikation zwischen Prozessen und Applikationen übernimmt die Prozesskommunikation, ausgeführt durch Local Procedure Call (LPC). Dies ist das Gegenstück zum Dienst Remote Procedure Call (RPC) und dient der Vermittlung zwischen externen Programmen und intern ablaufenden Prozessen.

6 80 3 Die Windows-Systemarchitektur Abbildung 3.3: Angaben zum Speichermanagement im Taskmanager I/O-Manager Der I/O-Manager stellt alle Ein- und Ausgabevorgänge zur Verfügung. Hier ist auch das Dateisystem implementiert. Treibern, die darunter liegen, wird eine einheitliche Schnittstelle zur Verfügung gestellt. Ein Gerätetreiber beispielsweise für ein SCSI-Gerät wird deshalb mit allen Dateisystemen funktionieren. Umgekehrt ist die Hardware für den I/O-Manager transparent. Der I/O-Manager selbst ist modular und in Schichten aufgebaut und deshalb sehr flexibel, was den Zugriff auf verschiedene Dateisysteme betrifft. Mit diesem Modell können beispielsweise mehrere Netzwerkprotokolle auf einer Netzwerkkarte ablaufen der I/O-Manager»zerlegt«die Hardwaretreiber praktisch und setzt dann mehrere Protokolltreiber darauf. Sicherheitsmonitor Der Sicherheitsmonitor dient der Kontrolle und Steuerung der»inneren«sicherheit. Sowohl den Kernel- als auch den Benutzerdiensten werden Dienste zur Prüfung der Sicherheit zur Verfügung gestellt. Die Komponente selbst arbeitet im Kernel und führt beispielsweise den Anmeldeprozess aus, der für den Benutzer sichtbare Teil (das Anmeldefenster) wird dagegen im Benutzermodus ausgeführt.

7 3.3 Netzwerkarchitektur 81 Graphical Device Interface Das Graphical Device Interface (GDI) ist unter anderem der Fenstermanager. Hier werden für Programme Fenster erzeugt und verwaltet. Die Platzierung im Kernel und damit treibernah sorgt unter anderem für die hohe Performance der Oberfläche. Neben der Steuerung der Fenster werden aber auch andere grafische Prozesse vom GDI erledigt, beispielsweise Druckprozesse. 3.3 Netzwerkarchitektur Die Netzwerkarchitektur ist fester Bestandteil des Betriebssystems. Sie ist ebenso wie der Kernel modular aufgebaut und erleichtert so die Integration verschiedenster Protokolle und Systeme. Die Netzwerkfunktionen sind Bestandteil des bereits beschriebenen I/O-Managers, für sich genommen aber so komplex, dass eine gesonderte Beschreibung lohnt. Im Band II der Reihe finden Sie dazu noch tiefergehende Ausführungen. Schnittstellen Die Integration in den I/O-Manager hat den Vorteil, dass Zugriffe ü- ber das Netzwerk für den Nutzer (tatsächlich für die von ihm verwendete Applikation) transparent erfolgen. Wenn Sie beispielsweise in Word eine Datei öffnen, muss Word nicht wissen, ob die Datei über das lokale Netzwerk oder von der Festplatte geladen wird. Die Schnittstelle greift auf mehrere Kommunikationssysteme zurück, die spezielle Netzwerkfunktionen bearbeiten: Server; der Serverdienst SERVER.EXE und sein Treiber SRV.SYS empfängt Anrufe des Redirectors und führt diese dann in dem für ihn lokalen System aus. Redirector; ausgeführt als RDR.SYS sorgt der Redirector für die Ausführung von Dateioperationen auf einem entfernten System. Er nimmt dem lokalen Dateisystem also den Aufruf weg und sendet ihn an einen Server-Prozess. Server Redirector Named Pipe File System; Named Pipes dienen dem verbindungsorientierten Datentransfer zwischen zwei Prozessen. Auf Named Pipes greift beispielsweise RPC zurück. Named Pipe File System Mail Slot File System; dies ist eine Weiterentwicklung der Named Pipes und dient unter anderem der Versendung von Broadcasts. Mail Slot File System Programmierschnittstellen; diese dienen als Anlaufpunkt für Applikationen, die explizit Netzwerkfunktionen benötigen. Ein Beispiel Programmierschnittstellen