Фундамент информационной системы

Тема контрольной работы

«Фундамент информационной системы»

Введение

В истории человечества столетия принято именовать в соответствии с наиболее значимым технологическим прорывом, который имел место в это время. Конечно, все слышали о Бронзовом, Железном и Золотом веках. Прошедшее столетие называют Индустриальным веком, а век настоящий претендует стать Информационным.

Еще 15-20 лет назад мировая экономика имела дело исключительно с материальными ресурсами. Именно из-за них в прошлом веке произошли две мировые войны, множество локальных конфликтов, гражданских войн и революций. Земля и природные ресурсы (нефть, уголь, руда, минералы, лес), а также труд людей и мощь машин были необходимыми условиями роста национального валового продукта во всех странах мира. Это же составляло и суть основных фондов корпораций и предприятий.

100-200 лет назад природные ресурсы были главными источниками национального богатства. Потом «первую скрипку» играл капитал в виде денег, недвижимости и машин, а сегодня «материальный капитал» уступает место «капиталу интеллектуальному», лежащему в основе «информационной экономики».

В наше время знания и информация стали первичным сырьем экономики и ее важнейшей продукцией. Умение управлять интеллектуальным капиталом становится основной экономической задачей бизнеса.

Почему знания и так тесно связанная с ними информация составляют основу современной экономики? Отбросив множество доводов, остановимся лишь на некоторой цифровой интерпретации.

Рассмотрим, например, такой продукт, как микросхемы (чипы), без которых сегодня уже мало какая индустрия обходится. То, что стоимость всех продаваемых микросхем превышает стоимость выплавленной за такой же период той же стали, говорить не приходится. Если, например, Украина зарабатывает на производстве стали $5-6 млрд. в год, то доходы Тайваня на производстве чипов на порядок больше. Но суть даже не в этом. Если рассмотреть те чипы, которые изготавливаются из обыкновенного песка, то дороже всего обходится их проектирование и создание производящих их конвейеров, т. е. ценится интеллектуальное, а не материальное или физическое содержимое.

Каждые $6 из 9, затрачиваемых при производстве пары джинсов, тратятся на информацию, а не на покраску куска ткани, покрой и пошив «штанов». Адвокат или эксперт берут сотни долларов за час своей работы, оплачивая не свой стол, бумагу или компьютер. Это плата за их профессионализм (знания). Примеров эффективного использования знаний и информации можно приводить бесчисленное множество.

Сегодня даже деньги теряют свою физическую осязаемость, превращаясь в виртуальные купюры. Как это ни печально, знания воплощаются и в «умные бомбы», и в другие средства уничтожения людей.

Все современные компании стремятся быть интеллектуальными. Это уже неоспариваемый факт. Скептики скажут: «Без еды, одежды, домов, автомобилей не обойтись, и их не заменит никакая информация и знания о них». Конечно, нет. Крупнейший капиталист наших дней, председатель правления Microsoft Билл Гейтс тратит огромные средства на содержание роскошного особняка и модных автомобилей. Кстати, стал он таким именно благодаря производству интеллектуальной продукции. Значит, потребность в ней есть.

Индустриальная революция, начавшая индустриальный век, не отменила сельское хозяйство, потому что людям просто нужна пища. Информатизация не отменит легкую и пищевую промышленности, так как нам по-прежнему нужны джинсы, банки с пивом и колбаса. Не отменит и тяжелую промышленность, и автомобили, и самолеты. К сожалению, не отменит и производство вооружений.

1. Компьютеры и серверы

1.1 Путь в полсотни лет

Первым компьютером принято считать электронную вычислительную машину (ЭВМ) ENIAC, созданную Эккертом и Мочли в 1946 году. Она весила около 30 тонн и содержала более 18 тыс. электронных ламп (сравните: современные процессоры содержат более 10 млн. транзисторов, весят сотни граммов и имеют объем в несколько десятков кубических сантиметров). Это первое вычислительное устройство было действительно цифровым: данные представлялись не в виде измеряемой физической величины (например, напряжения, как в аналоговых устройствах), а кодировались с помощью двух цифр - 0 и 1.

Промежуточные результаты вычислений ENIAC сохранялись в небольшой, но быстродействующей электронной памяти, а программирование производилось установкой переключателей в положение «включено-выключено» на панели управления. Устройства ввода-вывода строились на основе механических деталей.

В 1952 году в Киеве академиком С. А. Лебедевым была создана самая быстродействующая в Европе ЭВМ, известная как БЭСМ.

В 1948 году Шокли и Бардиным в США был изобретен полупроводниковый прибор, получивший название «транзистор». Именно транзистор был основным элементом компьютеров второго поколения (до середины 60-х годов). Применение транзисторов в компьютерах позволило резко уменьшить габариты, массу, потребляемую мощность, а также повысить быстродействие и надежность вычислительных систем.

Третье поколение - это компьютеры на микросхемах с малой степенью интеграции (начало 70-х годов). (Микросхема была изобретена в 1958 году Дж. Килби в США). Первая ЭВМ на микросхемах IBM 360 была выпущена в США в 1965 году. В СССР большие ЭВМ (мэйнфреймы) третьего поколения были представлены серией ЕС (ЕС-1022 - ЕС-1060), которые были аналогами IBM 360 и IBM 370.

С середины 70-х годов и по настоящее время используются компьютеры четвертого поколения (на микропроцессорах). Микропроцессор представляет собой микросхему с большой степенью интеграции, которая объединяет арифметическое и логическое устройства. Первый микропроцессор Intel 4004 был выпущен в США в 1971 году, а первый персональный компьютер Apple на базе микропроцессора от компании Motorola появился только в 1976 году. Именно этот персональный компьютер имел большой коммерческий успех и положил начало компьютерам Macintosh (Mac).

В 1981 году появился и первый компьютер фирмы IBM, который получил название IBM PC. Он был сделан на базе 16-разрядного микропроцессора Intel 8088, а размер его оперативной памяти составлял 1 Мб. Фактически он стал стандартом персонального компьютера архитектуры PC. В 1983 году на базе Intel 8088 был выпущен компьютер IBM PC/XT, содержащий жесткий диск. Сейчас IBM-совместимые компьютеры составляют 90 % всех производимых в мире персональных компьютеров (ПК).

Начиная с начала 90-х годов, идет безудержная гонка за увеличение частоты процессоров. Сегодня частота процессоров Pentium и AMD уже составляет более 3000 МГц (3 ГГц), в то время как этот параметр для первых ПК составлял десятки МГц.

1.2 Персональные компьютеры

ПК получили наибольшее распространение, находясь на 90 % рабочих мест офисов. В состав стандартной конфигурации ПК входят:

- системный блок;

- монитор;

- клавиатура;

- мышь.

Системный блок включает в себя следующие базовые устройства, обеспечивающие работу компьютера:

- процессор;

- микросхемы (чипы) оперативной памяти (внутренняя память);

- накопители на гибких и жестких магнитных дисках (внешняя память);

- платы расширений (графическая, сетевая, звуковая и др.);

- дисковод CD-ROM;

- источник питания и др.

При этом основные устройства компьютера (процессор, чипы, платы расширений) размещены на материнской плате, на которой находится чипсет (набор микросхем), обеспечивающий связь всех элементов материнской платы.

К периферийным устройствам ПК относятся устройства ввода и вывода информации. Клавиатура, мышь, накопители на гибких дисках, модем, сканер, световое перо, джойстик, трекбол, микрофон - это устройства ввода символьной, командной и речевой информации в ПК.

Обработанная ПК информация передается на устройства вывода: монитор, принтер, плоттер, накопители на гибких магнитных дисках, сменные дисководы, звуковые колонки, встроенный динамик, модем.

1.3 Международные экологические стандарты для мониторов

Low Radiation. На многих мониторах можно увидеть надпись Low Radi-ation, что значит «слабое излучение».

Energy Star ЕРА. Стандарт американского ведомства по охране окружающей среды предписывает неработающим мониторам потребление мощности максимум 30 Вт. Способы экономии не указываются.

MPR-II. Наименее требовательная из норм шведского Совета по измерительной технике и испытаниям (SWEDAC) ограничивает максимальный уровень электрических и магнитных полей.

ТСО-92. «Ужесточенный» вариант стандарта MPR-II (предложен шведским профсоюзом служащих). ТСО-92 включает последующие испытания на электрическую и противопожарную безопасность.

ТСО-95. Спецификация ТСО-95 расширяет требования ТСО-92. Ограничения на электрические и магнитные поля не превышают требований ТСО-92, однако допустимые нормы распространены на компьютеры в целом, включая устройства и клавиатуру.

ТСО-99. Спецификация, содержащая повышенные требования к электромагнитной и экологической безопасности электронных устройств.

Vesa DPMS. Display Power Management System определяет унифицированную процедуру для энергосбережения и ступенчатого выключения монитора в три приема: начиная с активного режима (On) к резервному (Standby), через режим ожидания (Suspend) до режима отключения (Off).

1.4 Серверы

1.4.1 Общие сведения

Информационная система (ИС) предприятия обслуживает потоки данных, используемых различными подразделениями (отделами). Это информация о технологических процессах, документах, товарно-материальных ценностях, аналитические и статистические сведения об управленческой деятельности, о трудовых и других ресурсах, бухгалтерские отчеты и т. д. Кроме того, предприятию необходим доступ к электронной почте и Интернету, распределенная обработка данных, управление сетями, защита информации, обмен сообщениями и многое другое. И здесь без центральных компьютеров, с помощью которых обеспечивается управление ИС, называемых серверами, просто не обойтись.

Как правило, основным классификационным признаком серверов является «масштаб», например, говорят о серверах масштаба предприятия, отдела, рабочей группы. Хотя, конечно же, это деление условно. Для сервера масштаба предприятия важными являются показатели вычислительной мощности, емкости подсистем хранения данных, пропускной способности внутренних и внешних шин. К этим серверам предъявляются наиболее высокие требования по отказоустойчивости и времени восстановления работоспособности после сбоя.

Аппаратно серверы - это те же ПК, хотя и есть некоторые принципиальные отличия. Это, прежде всего, многопроцессорность, специальные стойки жестких дисков, возможность горячей замены жизненно важных компонентов (процессоров, дисков, блоков питания, вентиляторов, контроллеров и модулей памяти).

Проектирование серверного парка начинается с анализа прикладных задач, динамики роста количества задач, их разнообразия и объемов, что позволяет задать требования к надежности, масштабируемости и модульности.

Очевидно, что когда говорят о модульности, то понимают не отдельный сервер, очень похожий на системный блок обычного настольного ПК, пусть даже увеличенный в несколько раз («толстый» сервер). Для серверов модульного исполнения существует промышленный стандарт - это 19-дюймовые (482,6 мм) шкафы-стойки (rackmount) (рис. 3). Указанный размер измеряется по передней стенке устройства: сервера, сетевого концентратора или коммутатора, источника бесперебойного питания («тонкие» серверы).

Появление аппаратных серверов обусловило и появление программных серверов, которые выполняют все действия по обработке информации по запросу с рабочих станций. Как правило, на аппаратном сервере устанавливается серверная программа, а на рабочих станциях - клиентское программное обеспечение. Очень часто, когда разговор едет о типе сервера, то аппаратный и программный сервер совпадают, если на аппаратном сервере устанавливается только один программный сервер. На самом же деле на одном аппаратном сервере может устанавливаться несколько программных серверов.

1.4.2 Некоторые типы серверов

Файловый сервер. Обеспечивает совместное использование дискового пространства и размещенных на нем данных (файлов, программ). Основными факторами, определяющими вычислительную мощь файлового сервера, являются: производительность дисковой системы и сетевых интерфейсов, объем оперативной памяти, быстродействие файловой системы и производительность процессора.

При эксплуатации файлового сервера особое внимание уделяют созданию отказоустойчивого дискового RAID-массива, а также протоколам кэширования данных, как с точки зрения ОС, так и внутри контроллера дискового массива. Одним из главных аспектов, определяющих производительность и надежность файлового сервера, является файловая система (см. далее).

Разновидностями файлового сервера можно назвать FTP- и Web-серверы, как правило, отображающие статические данные (страницы).

SQL-сервер. В основу работы этого сервера положен тривиальный принцип: клиентская станция посылает запрос к базе данных. Этот запрос обрабатывается средствами сервера, после чего результаты запроса возвращаются клиенту. При этом все операции по управлению данными, контролю их целостности и связанности обеспечивает программное обеспечение сервера. На сервере выполняются все операции по вычислению и обработке данных. Если при файл-серверной архитектуре обработка данных выполняется на рабочих (клиентских) станциях, то в клиент-серверной эта нагрузка ложится на одну систему - сервер.

NNTP- и E-mail-серверы. Сервер конференций (NNTP Server) служит для совместного доступа пользователей к некой структурированной информации (конференции), упорядоченной по тематике и времени. Его принципиальное отличие от сервера электронной почты (E-mail Server) в том, что процесс обсуждения происходит публично и круг общения практически не ограничен. NNTP Server можно признать частным случаем файлового сервера - достаточно представить себе, что это система с единственным клиентом (ПО промежуточного слоя), размещенным на ней же. Сервер электронной почты обеспечивает доставку и отправку электронных писем адресатам.

Терминальный сервер. В общем, ничем не отличается от SQL-сервера или файлового сервера. Его особенностью являются повышенные требования к пропускной способности сетевого интерфейса при пересылке коротких пакетов. К частному случаю терминального сервера можно отнести работу нагруженного Web-сервера, выполняющего одновременно значительное число приложений.

1.5 Ноутбуки

Портативные, или мобильные компьютеры, которые называют ноутбуками, кроме размеров, имеют еще некоторые особенности, отличающие их от настольных ПК. Так, стандартами для них стали карты расширения формата PCMCIA/PC Card и автономный источник питания - аккумуляторные батареи.

Достаточно условно ноутбуки можно разделить на три группы:

- все в одном. К этому сегменту относят компьютеры, имеющие внутри себя все, что может понадобиться для полноценной работы, включая дисковод для дискет, жесткий диск и CD/DVD-дисковод. Большинство таких ноутбуков имеют 12- или 14-дюймовый жидко-кристаллический дисплей. Вес таких ноутбуков составляет около 3 кг;

- тонкие и легкие. Эти портативные компьютеры весят менее 2 кг. Отсутствующий диск или дисковод является опциальным устройством, которое подключается специальным кабелем. Размер дисплея уменьшен до 9 дюймов, а батареи имеют меньшее число ячеек;

- меганоутбуки. Они пришли на смену настольным компьютерам и максимально приближены к ним не только по возможностям, но и по размерам.

Аккумуляторные батареи обеспечивают ноутбук электропитанием, позволяя выполнять работу в автономном режиме и при отсутствии электросети. Как правило, в ноутбуках применяются батареи трех типов (табл. 1), подзаряжаемых постоянным напряжением. В современных ноутбуках имеется возможность отслеживать точное состояние батареи. Это достигается за счет так называемых «умных» батарей на основе двухпроводного интерфейса System Management Bus.

Таблица 1. Основные характеристики аккумуляторных батарей ноутбуков

Характеристика	Ni-Cad (никель-кадмиевые)	Ni-MH (никель-металл-гидридные)	Li-Ion (литий-ионные)
Напряжение, В	1,2	1,2	3,6
Время жизни, количество циклов	1000	800	1000
Саморазрядка, % в месяц	15	20	6

1.6 Карманные персональные компьютеры

В конце 90-х годов появились карманные портативные компьютеры (КПК), по-английски называемые PDA (Personal Digital Assistant - персональный цифровой помощник). В названиях моделей КПК используются также слова pocket (карманный, или карманник) и handheld (наладонный, или наладонник), например, Compaq і РАО Н3130 Pocket PC или HP Jornada 720 Handheld PC.

КПК позволяют хранить и быстро находить адреса и телефонные номера, использовать календарь-ежедневник, вести расчеты с помощью калькулятора и делать короткие записи - все то, что выполняет органайзер. Кроме того, они позволяют обрабатывать тексты, таблицы, вести учет доходов и расходов, работать с электронной почтой и получать доступ в Интернет, а также можно их использовать в качестве электронной книги, карманного словаря, справочника, путеводителя, фотоальбома, аудиоплейера, диктофона. В КПК предусмотрена возможность синхронизации содержимого его памяти с настольным компьютером или ноутбуком.

КПК все чаще используются вместе с мобильным телефоном, через который можно получить доступ в Интернет, а также редактировать, читать и отправлять текстовые SMS-сообщения (короткие сообщения) по сети GSM.

По способу ввода информации КПК можно разделить на две группы:

- клавиатурные, у которых для ввода информации и управления командами используется небольшая клавиатура. Некоторые из клавиатурных моделей тоже используют перо в качестве заменителя компьютерной мыши;

- перьевые, у которых для ввода текста применяется стилус - подобное ручке перо. В нижней части экрана этих КПК расположена или виртуальная клавиатура, или область рукописного ввода текста - граффити. В первом случае для ввода текста нужно нажимать пером на изображения клавиш, а во втором - писать на экране символы по определенным правилам.

Как и обычный компьютер, КПК имеет операционную систему (ОС). На сегодняшний день существует три основных ОС для КПК: Palm OS, Microsoft Windows СЕ, Symbian EPOC32 (см. далее).

Кроме ОС, на КПК устанавливается определенный набор программ:

- адресная книга;

- ежедневник;

- блокнот;

- калькулятор;

- список заданий;

- программы распознавания рукописного текста;

- программы передачи, обмена и синхронизации данных с другими устройствами;

- текстовый и табличный редакторы;

- программа для работы с почтой;

- программа для просмотра Web-страниц;

- игры и др.

Некоторые из этих программ представляют собой ограниченные («усеченные») версии тех, которые используются на настольных ПК. КПК поддерживают русский язык с помощью специальных программ, например PaPiRUS и PiLoc, обеспечивающих поддержку русского языка в PalmOS.

1.7 Tablet PC

В конце 2002 года в Нью-Йорке был официально представлен персональный компьютер нового поколения - Tablet PC. Это решение для «мобильных сотрудников», проводящих свой рабочий день в движении. Основной особенностью этих компьютеров, работающих под управлением специальной операционной системы Windows ХР Tablet PC Edition, являются широкие возможности рукописного ввода на основе технологии Digital Ink.

Платформа Tablet PC отличается не только очень точными функциями распознавания рукописного текста (английский, французский, немецкий, японский, корейский и китайский языки), но и позволяет манипулировать записями, сделанными пользователем от руки. Для создания рукописных записей служит специальное программное обеспечение Microsoft Windows Journal. К числу особенностей Tablet PC нужно отнести и средства доступа к беспроводным локальным сетям (большинство моделей Tablet PC поддерживают стандарт 802.11 и другие протоколы, в частности Bluetooth).

Сегодня в продаже можно найти модели Tablet PC от Acer, FIC, Fujitsu, Hewlett-Packard, Motion Computing, NEC, Tatung, Toshiba и ViewSonic. Они поставляются в двух основных вариантах: с интегрированной и съемной клавиатурой. Устройства первого типа могут быть собраны в конфигурацию, близкую к ноутбукам.

2. Операционные системы

2.1 Назначение и принцип работы

Операционная система (ОС) - это совокупность программных средств, обеспечивающих управление устройствами компьютера и взаимодействие приложений, как между собой, так и между устройствами и пользователями. ОС можно назвать программным продолжением устройства компьютера. Она скрывает от пользователя сложные подробности взаимодействия с аппаратурными средствами, образуя «прослойку» (интерфейс) между ними. В результате этого люди освобождаются от очень трудоемкой работы по организации взаимодействия с устройствами компьютера.

ОС образует автономную среду, не зависящую ни от одного из языков программирования и в то же время совместимую с любым из них. Любая же прикладная программа связана с ОС и может эксплуатироваться только на тех компьютерах, где имеется аналогичная системная среда. Прикладные программные средства, разработанные в среде одной ОС, не могут быть использованы для работы в среде другой ОС, если нет специального комплекса программ (конвертера, преобразователя), позволяющего это сделать.

Типы пользовательских интерфейсов

Интерфейс пользователя - это комплекс программных средств, обеспечивающий взаимодействие пользователя с вычислительной системой. Интерфейсы отличаются по способу доступа к командным файлам программ:

- командный в виде строки (текстовый) интерфейс. Для управления компьютером в командную строку вводится с клавиатуры команда, например, имя исполняемого файла программы или специально зарезервированные служебные слова. Данный тип интерфейса в качестве основного имеют все разновидности ОС, например MS-DOS, UNIX. Как дополнительное средство данный тип интерфейса имеют все виды программных оболочек (Norton Commander, DOS Navigator и др.) и Windows;

- графический полноэкранный интерфейс. Он имеет, как правило, в верхней части экрана систему меню с подсказками. Меню часто бывает выпадающим (ниспадающим). Данный интерфейс является основным для всех видов программных оболочек - Norton Commander, DOS Navigator, Windows Commander, Disk Commander;

- графический многооконный интерфейс. Представляет собой рабочий стол, на котором находятся пиктограммы (значки или иконки программ). Все операции выполняются, как правило, с помощью мыши. Указатель мыши подводят к значку программы и ее запуск осуществляют щелчком левой кнопки мыши по значку. Этот тип интерфейса реализован в MacOS, Windows, OS/2.

2.2 Функции

При включении компьютера ОС автоматически загружается с жесткого диска в оперативную память и занимает в ней определенное место. Этот процесс называется загрузкой ОС. Визуально для пользователя общение с компьютером - это общение с интерфейсом ОС, которая выступает в роли посредника между пользователем, программами и устройствами компьютера, корректирует их действия и распределяет ресурсы.

В функции ОС входит:

- «диалог» с пользователем;

- ввод-вывод и управление данными;

- планирование и организация процесса обработки программ;

- распределение ресурсов (оперативной памяти, процессора, внешних устройств);

- запуск программ на выполнение;

- всевозможные вспомогательные операции обслуживания;

- передача информации между различными внутренними устройствами;

- программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, дисковых накопителей, принтера и др.).

2.3 Составные части и функции

В составе ОС можно выделить следующие части:

- базовый модуль (ядро). Управляет файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами. К основным функциям ядра операционной системы относятся:

- инициализация системы (загрузка ядра в оперативную память и его запуск);

- управление процессами (создание, завершение и отслеживание существующих процессов);

- управление памятью (отображение виртуальной памяти процессов в физическую оперативную память компьютера, которая имеет ограниченные размеры);

- управление файлами (создание модели файловой системы - иерархии каталогов и файлов);

- коммуникационные средства (обмен данными между процессами, выполняемыми внутри одного компьютера, в различных узлах локальной или глобальной сети передачи данных;

- программный интерфейс (доступ к возможностям ядра со стороны пользовательских процессов).

- командный процессор. Расшифровывает и исполняет любые действия или команды пользователя, поступающие в систему;

- драйверы периферийных устройств. Обеспечивают согласованность работы периферийных устройств с ОС. Драйвер - это программа, обеспечивающая взаимодействие ОС с устройством ПК или периферийным устройством. В функции драйвера входит обработка прерываний устройства, управление очередью запросов к нему, преобразование запросов в команды управления устройством;

- дополнительные сервисные программы (утилиты). Служат для выполнения вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров (диагностики тестирования аппаратных и программных средств, оптимизации использования дискового пространства, восстановления разрушенной на магнитном диске информации и т. п.).

2.4 Классификация ОС

Существующие ОС могут различаться особенностями управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), типами аппаратных платформ и рядом других компонентов.

ОС делятся на:

- многозадачные и однозадачные;

- многопользовательские и однопользовательские;

- с многопотоковой (многонитевой) обработкой и без нее;

- многопроцессорные и однопроцессорные.

2.4.1 Одно- и многозадачные

По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

- однозадачные;

- многозадачные.

Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, файлами, а также средства общения с пользователем. Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов: невытесняющая и вытесняющая многозадачность. При вытесняющей многозадачности планирование процессов сосредоточено в ОС, а при невытесняющей многозадачности - распределено между ОС и прикладными программами (приложениями). При невытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не отдаст управление ОС для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс.

2.4.2 Одно- и многопользовательские

По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

- однопользовательские;

- многопользовательские.

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей.

2.4.3 Одно- и многопроцессные

Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Многопроцессная ОС разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными процессами (нитями).

2.4.4 Одно- и многопроцессорные

Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипро-цессирование.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой:

- асимметричные ОС;

- симметричные ОС.

Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует все процессоры, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

2.5 «Отношение» многозадачных ОС ко времени

Современные многозадачные ОС подразделяются на:

- системы разделения времени

- системы реального времени.

Системы разделения времени предоставляют каждому пользователю терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. В этих системах каждой задаче выделяется только часть процессорного времени. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник или технологический процесс. Критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия).

2.6 Ориентация на аппаратные средства

На свойства ОС непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают ОС персональных компьютеров, мини-компьютеров, мэйнфреймов (больших ЭВМ), кластеров, локальных вычислительных сетей и мобильных устройств.

2.7 Сетевые ОС

NOS - Network Operating System - это ПО, применяемое на каждом ПК, подключенном к сети. Оно управляет доступом к сетевым ресурсам, отвечает за маршрутизацию сообщений в локальной сети, устраняет конфликты при обращении к сетевым устройствам и обеспечивает работу с ОС клиентского ПК. Сетевая ОС обеспечивает совместную работу с файлами и приложениями. Она необходима для управления потоками сообщений между рабочими станциями и серверами.

Обычно известная под названием «серверная ОС» сетевая ОС является «мозгом» всей локальной сети. Каждый компьютер в сети в значительной степени автономен, поэтому под сетевой ОС в широком смысле понимается совокупность ОС отдельных компьютеров, взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделения ресурсов по единым правилам - протоколам. В узком смысле сетевая ОС - это ОС отдельного компьютера, обеспечивающая ему возможность работать в сети.

В сетевой ОС можно выделить несколько частей: • средства управления локальными ресурсами компьютера: функции распределения оперативной памяти между процессами, планирования и диспетчеризации процессов, управления процессорами в мультипроцессорных машинах, управления периферийными устройствами и другие функции управления ресурсами локальных ОС:

- средства предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование - серверная часть ОС (сервер). Эти средства обеспечивают, например, блокировку файлов и записей, что необходимо для их совместного использования, ведение справочников имен сетевых ресурсов, обработку запросов удаленного доступа к собственной файловой системе и базе данных, управление очередями запросов удаленных пользователей к своим периферийным устройствам;

- средства запроса доступа к удаленным ресурсам и услугам и их использования - клиентская часть ОС (редиректор). Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме, а передается в сеть в другой форме, соответствующей требованиям сервера. Клиентская часть также осуществляет прием ответов от серверов и преобразование их в локальный формат, так что для приложения выполнение локальных и удаленных запросов неразличимо;

- коммуникационные средства ОС, с помощью которых происходит обмен сообщениями в сети. Эта часть обеспечивает адресацию и буферизацию сообщений, выбор маршрута передачи сообщения по сети, надежность передачи и т.п., то есть является средством транспортировки сообщений.

В зависимости от функций, возлагаемых на конкретный компьютер, в его операционной системе может отсутствовать либо клиентская, либо серверная части.

Сетевые ОС делятся на две категории:

- одноранговые (peer-to-peer);

- клиент-серверные (client-server).

2.7.1 Одноранговые сетевые ОС

Одноранговые сети подразумевают возможность использования любого компьютера в качестве клиентской станции и сервера одновременно. В сетях этой категории сетевые ОС устанавливаются на каждый компьютер. Таким образом, каждый из компьютеров получает возможность предоставления своих ресурсов и сервисов всем остальным компьютерам в сети. Например, каждый компьютер может предоставить доступ к файлам, размещенным на его дисках и подключенным к нему принтерам.

Одноранговые сетевые ОС способны предоставлять большинство всех тех сервисов и ресурсов, что и клиент-серверные сетевые ОС. Они также характеризуются простотой установки и относительной дешевизной.

Однако одноранговые сети предоставляют меньшую надежность и эффективность, чем полноценные клиент-серверные сети. Более того, производительность одноранговых сетей значительно снижается при увеличении размеров сети и увеличении количества участвующих в сетевых взаимодействиях компьютеров. Эксплуатация и поддержка таких сетей часто являются непростыми задачами. Из-за отсутствия возможностей централизованного управления администраторы вынуждены управлять множеством сервисов на каждой машине отдельно, обеспечивая корректность одновременного функционирования и пользовательских приложений, и серверных компонентов. Такая работа усложняется еще и тем, что пользователи, работающие на каждом из компьютеров, имеют возможности самостоятельного изменения настроек ОС, что зачастую приводит к неработоспособности всего программного обеспечения этой машины.

2.7.2 Клиент-серверные сетевые ОС

В сетях клиент-сервер сетевая ОС работает на компьютерах, называемых серверами. Клиентом в такой сети является любое сетевое устройство, формирующее запросы к серверу для использования его ресурсов и сервисов. Например, рабочие станции пользователей являются клиентами, использующими сервисы и ресурсы серверов. Для обеспечения взаимодействия клиента и сервера на клиенте устанавливается и функционирует клиентское программное обеспечение, поддерживающее общий протокол взаимодействия клиента и сервера.

Серверная ОС управляет множеством аппаратных ресурсов сервера, например, дисками, оперативной памятью, принтерами, модемами. Файловая система сервера тоже является примером серверного ресурса.

В дополнение ко всему перечисленному, серверная ОС предоставляет множество сервисов, включая координацию доступа и совместного использования файлов (с использованием механизмов блокировки файлов и записей) и принтеров, управление памятью сервера, обеспечение безопасности данных и предоставление возможностей сетевого взаимодействия.

Важно понять, что несмотря на то, что в сети с выделенным сервером все компьютеры в общем случае могут выполнять одновременно роли и сервера, и клиента, эта сеть функционально не симметрична: аппаратно и программно в ней реализованы два типа компьютеров - одни, в большей степени ориентированные на выполнение серверных функций и работающие под управлением специализированных серверных ОС, а другие - в основном выполняющие клиентские функции и работающие под управлением соответствующего этому назначению варианта ОС. Функциональная несимметричность, как правило, вызывает и несимметричность аппаратуры - для выделенных серверов используются более мощные компьютеры с большими объемами оперативной и внешней памяти. Таким образом, функциональная несимметричность в сетях с выделенным сервером сопровождается несимметричностью ОС и аппаратной несимметричностью (специализация компьютеров).

2.7.3 Сетевые ОС дня отделов, кампусов и предприятий

Сети отделов (рабочих групп) используются небольшой группой сотрудников, решающих общие задачи. Главной задачей ОС, используемой в сети отдела, является организация разделения ресурсов, таких как приложения, данные, лазерные принтеры и, возможно, низкоскоростные модемы. Обычно сети отделов имеют один или два файловых сервера и не более чем 30 пользователей. Чаще всего это сеть с выделенным сервером NetWare 3, 4, 5 или Windows NT/2000, или же одноранговая сеть, например сеть Windows for Workgroups.

Сети кампусов соединяют несколько локальных сетей отделов внутри отдельного здания или внутри одной территории предприятия. Службы такой сети обеспечивают взаимодействие между сетями отделов, доступ к базам данных предприятия, доступ к факс-серверам, высокоскоростным модемам и высокоскоростным принтерам.

Сети предприятия (корпоративные сети) объединяют все компьютеры всех территорий отдельного предприятия. В таких сетях пользователям предоставляется доступ к информации и приложениям, находящимся в других рабочих группах, других отделах и подразделениях.

К признакам корпоративных ОС могут быть отнесены также следующие особенности:

- поддержка приложений. Вычислительная часть общих для корпорации программных систем может быть слишком объемной и «неподъемной» для рабочих станций клиентов, поэтому приложения будут выполняться более эффективно, если их наиболее сложные в вычислительном отношении части перенести на специально предназначенный для этого мощный компьютер - сервер приложений. Сервер приложений должен базироваться на мощной аппаратной платформе (мультипроцессорные системы, часто на базе RISC-процессоров, специализированные кластерные архитектуры). ОС сервера приложений должна обеспечивать высокую производительность вычислений, а, значит, поддерживать многонитевую обработку, вытесняющую многозадачность, мультипроцессирование, виртуальную память и наиболее популярные прикладные среды;

- справочная служба. Корпоративная ОС должна обладать способностью хранить информацию обо всех пользователях и ресурсах таким образом, чтобы обеспечивалось управление ею из одной центральной точки. База данных, хранящая справочную информацию, предоставляет все то же многообразие возможностей и порождает все то же множество проблем, что и любая другая крупная база данных;

- безопасность. Особую важность для ОС корпоративной сети приобретают вопросы безопасности данных, так как в крупномасштабной сети объективно существует больше возможностей для несанкционированного доступа. Кроме того, корпоративные бизнес-приложения работают с данными, которые имеют жизненно важное значение для успешной работы корпорации в целом. И для защиты таких данных в корпоративных сетях наряду с различными аппаратными средствами используется весь спектр средств защиты, предоставляемый ОС: избирательные или мандатные права доступа, сложные процедуры аутентификации пользователей, программная шифрация.

3. Краткая характеристика семейств ОС настольных систем и серверов

DOS. Наиболее ярким представителем дисковой ОС является система MS-DOS от Microsoft, появившаяся в 1981 году. В настоящее время существуют версии 6.22 и 7.0 (в составе Windows 9х), а также ее разновидности других фирм-разработчиков (DR DOS, PC DOS). Сегодня эта ОС уже практически забыта, она актуальна для компьютеров с процессорами х286 и х386. Имеет текстовый интерфейс пользователя и, как следствие этого, требует знания синтаксиса написания команд. Является 16-разрядной однозадачной операционной системой.

OS/2. ОС OS/2 разработана фирмой IBM для персональных компьютеров на основе системной прикладной архитектуры, ранее используемой для больших ЭВМ. OS/2 обеспечивает поддержку графического интерфейса пользователя, одновременную работу нескольких приложений, многопоточную обработку нескольких задач одного приложения, 32-разрядную обработку данных, сжатие данных при записи на магнитные диски и защиту памяти.

Важной особенностью операционной системы OS/2 является высокопроизводительная файловая система HPFS (High Perfomance File System), имеющая преимущества для серверов баз. Поддерживается многопроцессорная обработка (до 16 процессоров). Версия OS/2 Warp работает с мультисредой и имеет встроенный доступ в Интернет, систему распознавания речи VoiceType, интегрированную версию Lores Notes Mail для передачи почты через Интернет.

Windows. В нашей стране эта ОС получила наибольшее распространение. Далее в этом разделе кратко представлены различные ОС, появляющиеся на рынке в хронологической последовательности.

ОС Windows 3.1 пришла на смену MS-DOS. Она имела графический пользовательский интерфейс, облегчающий работу пользователей. Это была однозадачная и 16-разрядная система. Версия Windows 3.11 for Workgroups могла использоваться в одноранговых сетях и была ориентирована на рабочие группы.

Windows 95 представляет собой универсальную высокопроизводительную многозадачную и многопотоковую ОС. В отличие от оболочки Windows 3, эта операционная система не нуждается в установке на компьютере операционной системы DOS. Это 32-разрядная ОС с расширенными сетевыми возможностями, обеспечивающая эффективный обмен информацией между отдельными программами и предоставляющая пользователю широкие возможности работы с мультимедиа, обработки текстовой, графической, звуковой и видеоинформации.

Эта ОС обеспечивает работу пользователя в сети, предоставляя встроенные средства поддержки для обмена файлами и меры по их защите, возможность совместного использования принтеров, факсов и других общих ресурсов. Windows 95 позволяет отправлять сообщения электронной почтой, факсимильной связью, поддерживает удаленный доступ. Применяемый в Windows 95 защищенный режим не позволяет прикладной программе в случае сбоя нарушить работоспособность системы, надежно предохраняет приложения от случайного вмешательства одного процесса в другой, обеспечивает определенную устойчивость к вирусам.

Windows NT 3.51 и Windows NT 4 (NT от англ. New Technology) - это первые многозадачные ОС Microsoft, предназначенные для архитектуры клиент-сервер и использования различных протоколов транспортного уровня сетевой ОС. Она имеет 32-разрядную архитектуру и обеспечивает возможность каждой абонентской системы в сети быть сервером или клиентом, совместную работу группы пользователей, адресацию оперативной и внешней памяти большего размера и поддержку мультипроцессорной обработки.

Windows 98 отличается от Windows 95 тем, что в ней ОС объединена с браузером Internet Explorer посредством интерфейса, выполненного в виде Web-браузера. Кроме этого, в ней улучшена совместимость с новыми аппаратными средствами компьютера, она одинаково удобна как для использования на настольных, так и на портативных компьютерах.

Windows 2000 - это семейство ОС для делового использования на самых разнообразных компьютерах - от портативных до серверов.

Windows 2000 Professional - это надежная ОС для настольных и переносных компьютеров, которая может использоваться на предприятиях любого размера. Она основана на технологии NT, обеспечивает высочайшую надежность и улучшенную управляемость, упрощая администрирование рабочих станций. Интегрированные возможности сети Интернет, а также широкая поддержка мобильных компьютеров и аппаратных устройств позволяют бизнес-пользователям легко подключаться к сети Интернет и работать в ней в любом месте и в любое время.

Серверные продукты Windows 2000 предлагают принципиально новый уровень интеграции ОС с основанными на стандартах сетевыми службами, Web-службами, службами каталогов, приложений, файлов и печати, а также мощными функциями сквозного управления и обеспечения надежности. В него входят следующие программные продукты:

- Windows 2000 Server - многофункциональная сетевая ОС для предприятий любого размера;

- Windows 2000 Advanced Server - ОС для электронной коммерции и бизнес-приложений;

- Windows 2000 Datacenter Server - ОС для бизнес-инфраструктур, требующих наивысшей степени масштабируемости, а также доступности.

Windows Millennium Edition (Windows Me) - это ОС, продолжающая линейку Windows 9х для персональных компьютеров. Возможности мультимедиа в ней включают удобную обработку и общий доступ к файлам цифровых фотографий, цифрового и аналогового видео и цифровой музыки; использование качественной графики и звука в компьютерных играх.

Высокая степень доступности, простота и наличие развитых справочных средств делают Windows Me наиболее надежной операционной системой для домашнего компьютера. Эта ОС предоставляет эффективные и многообразные средства доступа к Интернету. Она упрощает создание домашней сети и обеспечивает общий доступ к подключению Интернета, принтерам и другим устройствам.

И наконец, самая актуальная на момент выхода в свет этой книги версия Windows - это Windows ХР которая также является семейством:

- Windows ХР Ноте Edition ориентирована на пользователей домашних ПК, ее отличает новое внешнее оформление, которое упрощает и делает более эффективным выполнение ежедневных задач. Для пользователей стали доступны усовершенствованные возможности работы с цифровыми изображениями и музыкальными записями как при работе на локальном ПК, так и при обмене ими через Интернет;

- предназначенная для корпоративных пользователей ОС Windows ХР Professional обеспечивает высокий уровень масштабируемости и надежности. При этом среди ее отличительных особенностей можно выделить более высокий уровень безопасности, включая возможность шифрования файлов и папок с целью защиты корпоративной информации, поддержку мобильных устройств для автономной работы и подключение к компьютеру в удаленном режиме. Встроенная поддержка высокопроизводительных многопроцессорных систем, возможность работы с серверами Microsoft Windows Server будут необходимы для решения задач бизнеса;

- 64-разрядная Windows ХР 64-Bit Edition создана для семейства 64-разрядных процессоров Intel Itanium. Она обеспечивает поддержку дополнительной памяти, увеличивает скорость операций ввода-вывода, расширяет возможности для вычислений переменных с плавающей точкой. Это достаточно мощная платформа для технических и аналитических разработок, также проведения финансового и статистического анализа.

Unix. ОС Unix была создана в Bell Telephone Laboratories. Это многозадачная ОС, способная обеспечить одновременную работу очень большого количество пользователей. Один мощный сервер может обслуживать запросы большого количества пользователей. При этом необходимо администрирование только одной системы. Кроме того, система способна выполнять большое количество различных функций, в частности, работать как вычислительный сервер, как сервер базы данных, как сетевой сервер, поддерживающий важнейшие службы сети и т. д.

Несмотря на разнообразие версий UNIX, основой всего семейства являются принципиально одинаковая архитектура и ряд стандартных интерфейсов. Имея в своем распоряжении набор утилит, каждая из которых решает узкую специализированную задачу, можно конструировать из них сложные комплексы.

Достаточно популярной является ОС FreeBSD, которая базируется на ОС BSD версии 4.4, разработанной группой CSRG из Калифорнийского университета в Беркли. По мнению многих специалистов, она превосходит Windows NT по надежности и производительности. FreeBSD - очень неприхотливая система, которая сможет превратить старый х486 компьютер в DNS-сервер. Наличие исходных кодов для всей системы и большинства приложений обеспечивает гибкую настройку системы под любые задачи: от разработки программ для автоматизации работы предприятия до автоматического управления спутниковой антенной. В новой версии FreeBSD 4.7 обновлены «базовые» программы, такие как GCC и Sendmail, добавлено несколько новых драйверов, а также устранены выявленные проблемы с безопасностью.

Linux. В 1991 году финский студент Линус Торвальдс по электронной почте разослал первый прототип своей ОС и призвал откликнуться на его работу всех, кому она нравится или нет. С этого момента многие программисты стали поддерживать Linux, добавляя драйверы устройств, разрабатывая разные приложения и др. В настоящее время Linux - очень мощная и бесплатная система.

Линус Торвальдс разработал не саму ОС, а ее ядро, подключив уже имеющиеся компоненты. Сторонние компании, увидев хорошие перспективы для развития своего бизнеса, довольно скоро стали насыщать ОС утилитами и прикладным ПО. Недостаток такого подхода – отсутствие унифицированной и продуманной процедуры установки системы, и это до сих пор является одним из главных сдерживающих факторов для более широкого распространения Linux. И, тем не менее, эта ОС из года в год отвоевывает у известных мировых производителей сетевых ОС все большую долю рынка.

В настоящее время имеется множество дистрибутивов этой ОС (http://www.linux.ru) даже на русском языке. О некоторых из них расскажем несколько подробнее.

RedHat Linux - это самый знаменитый дистрибутив, который одинаково хорошо подходит для установки как на домашний или офисный компьютер, так и на мощный сервер. Red Hat Linux 8.0 включает удобную программу для установки и полный набор приложений - игры, офисные пакеты и др. RedHat Linux может «соседствовать» с MS Windows как на одном компьютере, так и в локальной сети, а офисный пакет OpenOffice позволяет без проблем открывать, редактировать и сохранять документы в форматах DOC и XLS.

В новой версии особое внимание уделено пользовательскому интерфейсу - графический интерфейс RedHat BluecurveTM обеспечивает единый внешний вид для всех приложений, улучшена организация главного меню, чтобы упростить доступ к самым нужным приложениям и утилитам, также переработаны системные утилиты для удобной настройки дисплея, звуковой карты, внешних устройств.

Mandrake Linux - это популярная ОС, предназначенная для платформ Intel Pentium, AMD Athlon и PowerPC. Разработчики Mandrake Linux 9.0 (Dolphin) постарались сделать систему, которая бы отвечала всем потребностям мощного полнофункционального Linux-сервера, но в то же время не забыли о простых пользователях, которым нужен удобный и элегантный графический интерфейс и, конечно, офисные пакеты, совместимые форматами MS-Office, приложения для работы в интернете, графические редакторы, МРЗ-плейеры и т.п.

ASPLinux 7.3 поставляется в нескольких вариантах (Deluxe Edition, Standard Edition и Express Edition). Эти поставки различаются количеством CD.

BeOS. Эта ОС ассоциируется с созданием и обработкой мультимедиа-информации (аудио- и видеозаписи, трехмерная графика). Наличие бесплатной «облегченной» версии, истинная многозадачность, отличная поддержка многопроцессорных ПК, высокая производительность и удобство работы - ее сильные стороны.

К недостаткам BeOS относят небольшое количество прикладного ПО, недостаточное количество драйверов для аппаратных устройств, плохая документированность.

Mac OS. Ориентирована исключительно на компьютеры Мае от Apple. Очень проста в работе и обслуживании, система полностью интегрирована с аппаратным обеспечением, многие технологии изначально реализованы на уровне ОС. Приложений для нее значительно меньше, чем для Windows. Решения на базе Mac OS на порядок дороже решений, основанных на платформе Intel.

4. Операционные системы КПК

Основная масса карманных компьютеров использует всего три ОС - Palm OS, EPOC и Windows СЕ различных версий, причем Pocket PC условно можно считать новой версией Windows СЕ.

Palm OS - ОС, используемая в КПК производства Palm Computing, а также на всех лицензированных клонах этой платформы, выпускаемых компаниями Symbol, IBM, Qualcomm. Особенностью этой ОС является ее строгая привязка к определенной платформе, типу процессора, объему памяти, экрану и т. д. Именно в таких аппаратных ограничениях и заключается ее сила. Так, благодаря ориентации только на одну платформу, скорость работы КПК Palm намного выше, чем у конкурирующих систем. Ядро Palm OS поддерживает режим многозадачности, хотя сама ОС не может использовать эти функции. Все модели КПК, работающие под управлением Palm OS, могут синхронизировать информацию с большинством персональных информационных диспетчеров для настольных ПК с помощью программного обеспечения HotSync.

ОС EPOC, используемая во всех моделях карманных компьютеров, выпущенных компанией Psion PLC, разрабатывается фирмой Sym-bian. Это многозадачная оконная ОС, которая поддерживает работу с цветными экранами. Скорость ее работы выше, чем у Windows СЕ, что объясняется строгой привязкой EPOC к аппаратному обеспечению. ОС Windows СЕ задумывалась Microsoft как облегченная версия Windows 95, рассчитанная на использование в портативных компьютерах. Изначально ориентированная на самые различные аппаратные платформы и процессоры Windows СЕ позволяет легко менять конфигурации портативных устройств и применяется не только в PDA, но и в ноутбуках, автомобильных компьютерах, Web-планшетах.

В отличие от Palm OS EPOC многофункциональна, имеет модульную основу и широкие возможности расширения. И именно из-за ее многофункциональности и некоторой громоздкости для мобильных устройств PDA под управлением Windows СЕ несколько медленней тех, на которых установлена EPOC. Эта ОС от Microsoft является многозадачной, может работать с мультимедийными данными и цветными экранами. Недостатком этой ОС являются завышенные требования к оперативной памяти и неприспособленность стандартного интерфейса Windows под нужды мобильных пользователей.

На основе Windows СЕ исключительно для КПК была разработана Pocket PC - программно-аппаратная платформа, сочетающая в себе операционное ПО и ряд новых, ранее недоступных для карманных ПК функций. К их числу относится функция мультимедиа, позволяющая с помощью специальной версии Windows Media Player воспроизводить потоковое аудио и видео, а также проигрывать файлы формата МРЗ, функция чтения электронных книг с помощью программы Reader. Кроме того, пользователям доступны и облегченные версии практически всего офисного ПО Microsoft - Word, Excel, Internet Explorer, Outlook, Money и т. д.

5. Файловые системы

5.1 Общие сведения

С понятием файловой системы тесно связано понятие файловой структуры жесткого диска и других накопителей. Под файловой структурой диска понимают, как размещаются корневой каталог, подкаталоги, файлы, операционные системы (ОС), а также какие для них выделены области на жестком диске.

Файловая система - это совокупность всех каталогов и файлов на жестком диске. К файловой системе имеет доступ также и любая прикладная программа, для чего во всех языках программирования имеются специальные процедуры. Файловая система является сердцевиной всего программного обеспечения компьютера.

В связи с организацией хранения файлов на жестких дисках во всех современных файловых системах выделяется некоторый базовый уровень, обеспечивающий работу с файлами, представляющими набор прямо адресуемых в адресном пространстве файла блоков. Прежде чем говорить о файловых системах, рассмотрим, что же собой представляют файлы и как они «организованы» при хранении на различных носителях.

5.2 Файлы

5.2.1 Типы

Сам по себе компьютер не обладает знаниями, все эти знания сосредоточены в выполняемых на нем программах, в общем именуемые, как программное обеспечение (ПО). Сфера применения компьютера определяется созданным для него ПО, например, для компьютера в отделе кадров - программа автоматизированного учета персонала, в бухгалтерии - программа бухгалтерского учета, в отделе маркетинга - программа управления маркетингом и т. д. Любая программа использует и оперирует файлами, хранящимися в папках на различных носителях: жестких дисках, дискетах, CD-ROM, сменных носителях. Это могут быть рабочие, служебные и справочные файлы программы, файлы данных и документов.

Файл (англ. file - папка) - это совокупность данных, хранящаяся на носителе, имеющая имя, пересылаемая и обрабатываемая как единое целое. Файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. В файлах могут храниться тексты, документы, программы, рисунки и т. д.

К характеристикам файла относятся имя, расширение, размер в байтах, время создания (время и дата) и атрибут (архивный, только для чтения, системный и скрытый).

Файл служит учетной единицей информации в операционной системе (ОС). Любые действия с информацией в ОС осуществляются именно над файлами: запись на диск, печать, считывание с носителя и др.

5.2.2 Области применения

Прежде всего файлы применяются для хранения текстовых данных: документов, текстов программ и т. д. Такие файлы обычно образуются и модифицируются с помощью различных текстовых редакторов. Структура текстовых файлов обычно очень проста: это либо последовательность записей, содержащих строки текста, либо последовательность байтов, среди которых встречаются специальные символы (например, символы конца строки).

Одним словом, файловые системы обычно обеспечивают хранение слабо структурированной информации, оставляя дальнейшую структуризацию прикладным программам. В перечисленных выше случаях использования файлов это даже хорошо, потому что при разработке любой новой прикладной системы, опираясь на простые, стандартные и сравнительно дешевые средства файловой системы, можно реализовать те структуры хранения, которые наиболее естественно соответствуют специфике данной прикладной области.

5.2.3 Именование

Правила именования файлов, способ доступа к данным, хранящимся в файле, и структура этих данных зависят от конкретной системы управления файлами и, возможно, от типа файла. Все современные файловые системы поддерживают многоуровневое именование файлов за счет поддержания дополнительных файлов со специальной структурой - каталогов (в терминах Windows - папок). Каждый каталог содержит имена каталогов и файлов, содержащихся в нем, т. е. полное имя файла состоит из списка имен вложенных каталогов и имени файла. Разница между способами именования файлов в разных файловых системах состоит в том, с чего начинается эта цепочка имен.

5.2.4 Защита файлов

Файловые системы являются общим хранилищем файлов, к которым имеют доступ пользователи. Поэтому возникает проблема авторизации доступа к файлам. В общем виде подход состоит в том, что по отношению к каждому зарегистрированному пользователю данной вычислительной системы для каждого существующего файла указываются действия, которые разрешены или запрещены данному пользователю.

5.2.5 Многопользовательский доступ

Если операционная система поддерживает многопользовательский режим, то вполне реальна ситуация, когда два или более пользователей одновременно пытаются работать с одним и тем же файлом. Если все эти пользователи собираются только читать файл, ничего страшного не произойдет. Но если хотя бы один из них будет изменять файл, для корректной работы этой группы требуется взаимная синхронизация.

Исторически в файловых системах применялся следующий подход. В операции открытия файла (первой и обязательной операции, с которой должен начинаться сеанс работы с файлом), кроме прочих параметров, указывался режим работы (чтение или изменение). Если к моменту выполнения этой операции от имени некоторой программы файл уже находился в открытом состоянии от имени другой программы, то, в зависимости от особенностей системы, первой программе сообщается о невозможности открытия файла в желаемом режиме либо она блокируется до тех пор, пока вторая программа не выполнит операцию закрытия файла.

5.3 Папки (каталоги)

На компьютере имеется огромное множество файлов, число которых может достигать до нескольких сотен тысяч. Понятно, что если бы все они были записаны на жесткий диск, то при попытке просмотреть их и, тем более, найти среди них файл с конкретным именем возникнут серьезные трудности. Поэтому без своеобразного справочника файлов с указанием месторасположения на диске просто не обойтись. В каждом каталоге хранятся файлы, объединенные каким-либо смысловым признаком, например файлы относящие к какой-то тематике.

В общем случае, каталог (папка) - это такой же файл, но в нем в качестве информации хранятся сведения о других файлах и каталогах. Все ограничения, существующие для имен файлов, распространяются, естественно, и на имена каталогов, причем в имени каталога расширение, как правило, отсутствует.

6. Краткая характеристика файловых систем

FAT 16. Файловая система FAT (File Allocation Table) работает с единицами дискового пространства, называемыми кластерами, включающими один или несколько секторов жесткого диска. Минимальный размер кластера - 512 байт, а максимальный - 32 Кбайта. Таблица FAT идентифицирует записи, соответствующие дисковым кластерам, при помощи 16-разрядных чисел, т. е. в таблице можно разместить не более 65 536 записей (216). Не сложно подсчитать, что при максимальном размере кластера в 32 Кбайта максимальный раздел дискового тома будет составлять 2 Гбайта.

В FAT один файл должен занимать как минимум один кластер. Это приводит к тому, что при размере файла 10 Кбайт и размере 32 Кбайта файл займет кластер, т. е. 22 Кбайт будут потеряно безвозвратно. Тоже самое относится и к файлу размером 40 Кбайт. В этом случае будет занято два кластера, один полностью (32 Кбайта) и часть второго 8 Кбайт, а 24 Кбайта окажутся «не у дел».

Как правило, имя файла состоит из двух частей - имени и расширения. Полное имя файла строится следующим образом: [имя_диска:] [путь\] имяфайла. V дисков могут быть имена А:, В: - для гибких дисков (дискет); С:, D:, Е: и т. д. вплоть до Z: - для жестких дисков и их логических разделов, дисков CD-ROM и других сменных носителей.

Имя файла в MS DOS может содержать от одного до восьми символов, а расширение - до трех включительно, это обуславливается особенностями файловой системы FAT 16. Имя и расширение отделяются друг от друга точкой. Расширение является необязательным параметром и в принципе может отсутствовать.

В названии файлов могут использоваться прописные и строчные латинские буквы (причем MS DOS не проводит различия между большими и маленькими буквами, т. е. символ G и символ q в названии файла будут восприняты совершенно одинаково), символы $ & # @! °/° ^л 0 {}[]-_ ^и цифры. Недопустимо использование символов ? *.,:; = + / \ | < > и символа кавычек.

FAT 32. На смену FAT16 пришла FAT32. Принципиальным отличием FAT32 от FAT16 в том, что она идентифицирует записи, соответствующие дисковым кластерам, при помощи 32-разрядных чисел, т. е. максимальное количество записей становится равным 4 294 967 296 (232). Это позволило обеспечить поддержку дискового раздела до 2 Тбайт. Во всем остальном FAT32 «повторяет» FAT 16.

Имя файла в ОС Windows 9Х, NT, 2000, ХР длина имени файла вместе с расширением может достигать 255 символов. Нельзя использовать символы ? *: / \ | < ? и символы кавычек. Это сделано для повышения наглядности имени файла. WINDOWS 9Х различает прописные и строчные буквы при создании файла, но игнорирует регистр при обращении к файлу.

В Windows 9х для совместимости с ранними версиями MS-DOS введено понятие короткого имени, или DOS. Формируется оно следующим образом. Если имя файла в WINDOWS 9Х соответствует всем требованиям имени DOS, то имя DOS будет в точности соответствовать имени WINDOWS 9Х, только большие буквы станут маленькими. Если имя WINDOWS 9Х имеет большую длину, чем допустимо в DOS, то короткое имя будет сформировано чаще всего так: от имени будет оставлено 6 символов, к нему будет добавлено ~1, а расширение также будет усечено до трех символов. Если в имени WINDOWS 9Х встречаются символы, запрещенные в DOS, то они будут заменены на _ (символ подчеркивания).

NTFS. New Technology File System (NTFS) по сравнению с FAT является более сложной структурой и с более широкими возможностями. Она не хранит всю информацию о расположении файлов в одном месте, сведения о распределении дискового пространства между файлами сохраняются в составе специальных пакетов.

Файловая система NTFS обладает встроенной поддержкой длинных имен и расширяемых атрибутов файлов. Благодаря этому, разделы NTFS могут хранить информацию, связанную с защитой файлов, аудитом доступа к файлам, а также сведения, связанные с правами на владение файлами.

В NTFS можно задавать дисковую квоту, суть которой в том, что пользователю можно назначить определенный размер дискового пространства, который он может использовать для хранения своих файлов.

Новые возможности NTFS версии 5, начиная с Windows 2000, позволяют задействовать архитектуру открытых ключей для шифрования файлов, каталогов или томов с помощью специальной системы шифрования. С помощью возможности монтирования можно подсоединить любой диск в любое место файловой системы.

NTFS поддерживает диски, максимальный размер которых может достигать 16 Экзабайт (экзабайт - это 1 073 741 824 Гбайт). Это практически безграничный размер, который в обозримом будущем на практике вряд ли будет достигнут.

Когда имеет смысл переходить на NTFS? Основными условиями такого перехода является то, в каких целях используется компьютер и каков размер имеющейся оперативной памяти. Во-первых, NTFS работает несколько медленнее, чем FAT, из-за дополнительно загружаемых служб и систем безопасности. Во-вторых, если размер оперативной памяти небольшой, то переходить на NTFS нежелательно.

Если диск или раздел преобразован в формат NTFS, то его нельзя просто преобразовать обратно в формат FAT или FAT 32. Необходимо переформатировать диск или раздел, что приведет к уничтожению всех содержащихся в нем данных, включая программы и личные файлы пользователя.

В табл. 2 приведены данные по совместимости каждой файловой системы с различными ОС и сведения по размерам дисков и файлов.

Таблица 2. Сравнение файловых систем

Характеристика	NTFS	FAT	FAT32
Типы ОС	Windows ХР или 2000. Для Windows NT 4.0 с пакетом обновления версии 4 или более поздней, может получить доступ к некоторым файлам	MS-DOS, любые версии Windows, OS/2	Windows 95 OSR2, Windows 98, Windows ME, Windows 2000, Windows XP
Размер тома	10 Гбайт - 2 Тбайт	1,44 Мбайт -4 Гбайт	512 Мбайт -2 Тбайт
Максимальный размер файла	Ограничен только размером тома	2 Гбайт	4 Гбайт
Использование для дискет	Нет	да	нет
Безопасность	Высокая	низкая	низкая
Требования к размеру оперативной памяти	Высокие	низкие	низкие
Быстродействие	Низкое	высокое	высокое

6.1 Файловая система CD-ROM

Организацию файловой системы на CD-ROM описывает стандарт ISO 9660. Уровень 1 этого стандарта включает форматы файловых систем MS-DOS и HFS (Apple Macintosh), а уровень 2 описывает файловую систему с длинными именами и уровнем вложенности до 32.

Расширение Rock Ridge описывает формат файловой системы UNIX.

Частным случаем CD-R является формат Kodak Photo CD, используемый для многосеансовой записи коллекций фотографий. Photo CD использует формат CD-Bridge, оформленный в файловую систему ISO 9660. Диски Photo CD могут воспроизводиться специальными проигрывателями на бытовой телевизор или считываться компьютерными дисководами CD-ROM.

6.2 Файловая система DVD-Video

Для дисков всех типов (DVD-ROM, DVD-Video, DVD-Audio) используется общая файловая система UDF Bridge Format. Она является комбинацией Micro-UDF и ISO 9660. UDF (Universal Disk Format) - файловая система, разработанная ассоциацией OSTA (Optical Storage Technology Association) на базе стандарта ISO 13346.

Базовой единицей файловой системы DVD-диска являются файлы VOB (Video Object), которые включают в себя не только видео- и аудиоданные, но вспомогательные субизображения и данные по навигации. Каждый VOB-файл построен из ячеек - самых мелких единиц DVD-диска, к которым можно адресоваться при интерактивном просмотре. Они состоят из целого числа групп изображений (MPEG GOP). Ячейки связаны друг с другом навигационными цепочками, определяющими порядок воспроизведения ячеек (переходов между ними) в соответствии с выбранной программой.

6.3 Файловая система MacOS

ОС MacOS, используемая в компьютерах Apple Macintosh, - это иерархическая оптимизированная для работы с дисками больших размеров, а размер кластера даже на многогигабайтных дисках составляет 1-2 Кбайта.

В MacOS у файлов нет трехбуквенных расширений - максимальная длина имени файла - 255 символов.

Но это только пользователю не предоставляется никаких расширений, в действительности роль расширений играет два параметра. Каждый из этих параметров представляет собой обыкновенное 32-битовое число без знака, которое принято для удобства передавать комбинациями из 4 символов ASCII. Этот тип-амфибия очень широко применяется в MacOS для идентификации типов ресурсов, для самых разнообразных дескрипторов в Apple Events, для идентификации содержимого буфера обмена данными.

Параметрами файла являются его тип и сигнатура (подпись). Комбинации этих двух параметров обычно соответствует комплект значков разного разрешения и размера. Тип файла, например, 'TEXT', APPL', 'EPSF', 'PDF ', несет сведения о его формате.

В именах файлов в MacOS можно применять любые символы, кроме двоеточия. Двоеточие в MacOS выполняет примерно ту же функцию, что косая черта разной ориентации выполняет в UNIX или DOS - разделитель в имени файла, позволяющий определить путь к нему.

6.4 Файловые системы UNIX и Linux

Обычные файлы в UNIX состоят как бы из двух частей, разобщенных в пространстве на диске, но обязательно находящихся в одном дисковом разделе. Первая часть - область метаданных, в которой записываются идентификатор диска, сведения об атрибутах файла, а также информация о том, в каких блоках дискового раздела физически размещена область данных файла. Вторая часть содержит те самые последовательности байтов, которые образуют доступный пользователю текст в формате ASCII.

Имя - это атрибут не файла, а файловой системы. И именно для его хранения предназначены файлы особого типа - каталоги (директории в терминах DOS).

Имена файлов, через которые они включаются в файловую систему, фигурируют только в составе каталога, к которому файл приписан, - и больше нигде. И потому удаление файла в UNIX - это операция не с ним самим, а с данными его каталога.

Такой способ организации связи между содержимым файла и его именем называется жесткой ссылкой (hard link). Из него следует, что один и тот же набор данных и метаданных может иметь любое количество имен.

Файловая система ext2fs - типичная представительница UNIX-клана. За счет эффективного кэширования дисковых операций она обеспечивает высокое быстродействие. Но у неё относительно слабая устойчивость к сбоям и отсутствует механизм журнализации (нечто вроде файла логирования (регистрации, протоколирования) дисковых операций, в котором фиксируются не выполненные, а только предстоящие операции с метаданными, что обеспечивает самовосстановление целостности файловой системы после сбоя).

Из файловых систем с поддержкой журнализации наибольшее признание получили ReiserFS, ext3fs, XFS. Для создания любой из этих файловых систем нужно воспользоваться специальной командой.

В общем, Linux похожа на NTFS: есть понятия корневого каталога, подкаталогов и файлов, представляющих собой различные единицы данных. Так как в Linux не используется понятие диск (drive), то ее файловая система монтируется в каталоги внутри корневого каталога. Наборы разрешений и права владения для файлов и каталогов определяют, какими разрешениями обладает пользователь: чтение (read), запись (write) или исполнение (execute).

Для разных целей Linux использует различные каталоги (это имеет место и в Windows). Есть каталоги, которые называются /etc, в них содержатся наиболее важные для Linux конфигурационные файлы; есть каталоги /home, в которых находятся домашние каталоги пользователей. Пользователь с именем root также имеет свой домашний каталог /root