Что такое модульная структура windows

Обновлено: 07.07.2024

Когда встаёт вопрос как работает Windows, мы подразумеваем тот факт, что речь идёт о ОС семейства Microsoft различных поколений, в принципе работы которых, конечно, немало общего. Не будет ошибкой, если мы вычленим основные четыре функции любой современной операционной системы, и посмотрим, как Windows с ними справляется. В этой статье приводится формальное описание работы операционной системы семейств Windows, приводится список основных компонентов системы. Я покажу, как Windows управляет программами и работает с оборудованием и расскажу о понятиях процесс , поток и др. Статья не для профессионалов (разве можно описать как работает Windows в ЕДИНСТВЕННОЙ статье?) и поможет начинающему получить общее представление о принципе работы Windows.

ВНИМАНИЕ! СТАТЬЯ НЕ ЗАКОНЧЕНА. МАТЕРИАЛЫ ДОБАВЛЯЮТСЯ ПО МЕРЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОКОНЧАТЕЛЬНОГО ИНТЕРФЕЙСА БЛОГА.СПАСИБО ЗА ПОНИМАНИЕ.

Чем занимается операционная система?

Любой работающий компьютер есть связка четырёх типов программного обеспечения: операционная система, программы и приложения, драйверы и BIOS Вот основные функции операционной системы, которые определяют её место среди прочих программных оболочек.

Компоненты Windows, или из чего Windows состоит

Как работает Windows блочно можно отобразить так:

Из схемы видно, что основными компонентами любой операционной системы являются три блока:

Как работает Windows: программная оболочка = Shell

А для программ шелл это команды и процедуры, которые эти программы могут вызывать: печать информацию через принтер, читать данные из баз, отображать что-то на экране.

Как работает Windows : Ядро

Ядро состоит из двух компонентов:

Что здесь нужно запомнить? Логика работы ясна уже из описания: исполнительные службы Windows работают с оборудованием при помощи самого HAL и драйверов для конкретного устройства. Такой принцип работы устанавливается незаметно для глаз пользователя в момент установки Windows на компьютер. В тот самый момент, когда мы видим строки состояния установки компонентов и служб/программ, и строится структура слоя HAL на основе процессора, который в материнской плате вашей машины установлен. То есть привычные процессы во время установки Windows предстают теперь в таком свете:

загрузка шелл пользовательского интерфейса

приглашение к компиляции HAL

Как работает Windows: Данные конфигурации

И когда установленная программа запускается, перед появлением какого-либо окна она сначала посмотрит реестр и прочитает эти файлы, и только потом уже запуск приложения можно считать успешным.

Как Windows управляет программами?

Как видите, потоков может быть несколько. Это называется многопоточность/мультипоточность: например, окна браузеров могут запускаться в нескольких вкладках или нескольких отдельных окнах. Выражаясь технически, в обоих случаях речь идёт о нескольких разных процессах браузер.exe.

Windows XP имеет модульную структуру (рис. 2.20), в которой код операционной системы и драйверы выполняются в привилегированном режиме процессора (режиме ядра), обеспечивающем полный доступ ко всей аппаратной части компьютера, а пользовательские приложения выполняются в непривилегированном режиме процессора – пользовательском режиме без прямого доступа к оборудованию компьютера. В режиме ядра работают следующие компоненты.

1. Уровень абстрагирования от оборудования (Hardware Abstraction Layer, HAL). Его задачей является отделение операционной системы от особенностей конкретных реализаций в аппаратном обеспечении компьютера, т. е. от различий в материнских платах, в модификациях процессоров, в наборах микросхем и др. Благодаря этому уровню управление подсистемами прерываний, прямого доступа к памяти, системными шинами и таймерами для ядра операционной системы является одинаковым. Уровень HAL реализован в системном файле Hal.dll.

Рис. 2.20. Упрощенная структура Windows XP

2. Ядро операционной системы. Ядро содержит наиболее часто вызываемые низкоуровневые функции операционной системы: планирование и распределение ресурсов между процессами, их переключение и синхронизацию. В обязанности ядра входит также управление прерываниями и обработка ошибочных ситуаций при функционировании операционной системы. Код ядра Windows XP не разделяется на потоки, а находится только в оперативной памяти и не может быть выгружен на диск. Код ядра Windows XP находится в системном файле Ntoskrnl. exe.

3. Драйверы устройств. Драйверы представляют собой подпрограммы, транслирующие вызовы, поступившие от пользовательских программ в запросы обработки данных для конкретных устройств. Значительное число драйверов входит в состав Windows XP (они располагаются в подкаталоге Isystem32l drivers системного каталога и имеют тип файла *.sys, например, драйвер дисковой подсистемы находится в файле disk.sys), а для нестандартных периферийных устройств драйверы находятся в комплектах поставки.

4. Исполняющая подсистема (NT Executive). Модуль NT Executive состоит из микроядра и подсистем диспетчеризации управления программами с доступом к виртуальной памяти, окнам и графической подсистеме. Виртуальная память предоставляет пользовательским программам виртуальные адреса адресного пространства процессов и соответствующие физические страницы оперативной памяти компьютера. Графическая подсистема предназначена для создания оконного интерфейса, рисования элементов управления, расположенных в окнах. К исполняющей подсистеме относятся системные файлы Ntkrnlpa.exe, Kernel32.dll, Advapi32.dll, User32.dll, Gdi32.dll.

Операционная система Windows XP в значительной мере использует возможности процессоров, совместимых с семейством Intel x86. В их аппаратной архитектуре предусматривается четыре уровня привилегий выполнения кода программ от 0-го наивысшего привилегированного до 4-го пользовательского режима с ограниченным набором команд процессора. Программы режима ядра операционной системы Windows XP функционируют в нулевом, защищенном и привилегированном режиме, а остальные пользовательские программы работают в менее привилегированных режимах, находясь под контролем программ режима ядра.

Недоступные в пользовательском режиме операции и приложения обращаются к системным вызовам ядра операционной системыWin32 API. В состав API входит более 250 функций, обращение к которым осуществляется при помощи системных вызовов, основанных на подпрограммах ядра операционной системы. Все вызовы Win32 API обслуживаются как системными службами NT, так и модулем NT Executive – исполняющей системы Windows XP. Модуль NT Executive представляет собой несколько программных потоков, которые выполняются в режиме ядра. Код практически всех подсистем этого модуля находится в файле ntoskrnl.exe (кроме подсистемы Win32, код которой расположен в файле win32k.sys) и уровне абстрагирования от оборудования HAL, который содержится в файле hal.dll. В модулеNT Executive сосредоточены все самые важные части операционной системы.

Микроядро отвечает за выделение памяти для приложений и распределение процессорного времени, т. е. за реализацию многозадачности. Для этого в состав микроядра входит планировщик потоков (threads scheduler), который назначает каждому из потоков один из 32 уровней приоритета. Уровень 0 зарезервирован для системы. Уровни от 1-го до 15-го назначаются исполняемым программам, а уровни от 16-го до 31-го могут назначаться только администраторами. Планировщик делит все процессорное время на кванты фиксированного размера. При этом каждый программный поток выполняется только в течение отведенного ему времени, и если по окончании кванта он не освобождает процессор, планировщик в принудительном порядке приостанавливает этот поток и меняет программное окружение процесса, настраивая его на выполнение другого потока, обладающего тем же приоритетом. Микроядро также осуществляет всю работу, связанную с обработкой программных и аппаратных прерываний.

5. Диспетчеризация управления программами. Модуль состоит из следующего набора системных программ:

взаимодействует с объектом, совершая в его отношении различные операции. Монитор системы безопасности следит при этом за тем, чтобы с объектом выполнялись только разрешенные действия;

Процесс функционирования Windows XP условно подразделяется на три фазы: процесс начальной нагрузки, штатный режим работы и завершение работы. Для загрузки Windows XP используется следующий минимальный набор файлов:

– файлы, располагающиеся в системном подкаталоге /system32: Ntoskrnl.exe, Hal.dll, разделы реестра SYSTEM;

– файлы, располагающиеся в системном подкаталоге /system32/drivers: (необходимые драйверы устройств).

Процесс загрузки компьютера начинается с процедуры начального тестирования оборудования (POST – Power-On Self Test). Код, выполняющий POST, зашит в базовой системе ввода-вывода (BIOS) каждого компьютера, при включении питания ему передается управление. Если в процессе тестирования обнаруживаются какие-либо ошибки, то BIOS генерирует коды ошибок (POSTcodes), которые отличаются для BIOS разных производителей, и звуковые коды. Если процедура POST завершается успешно, то BIOS передает управление главной загрузочной записи (MBR – Master Boot Record) и первая «аппаратная» стадия загрузки компьютера, когда процесс зависит только от аппаратуры компьютера, завершается.

Далее загрузочная запись, оперируя данными о разбиении жесткого диска на логические тома, передает управление исполняемому коду, загрузчику Ntldr, расположенному в загрузочном секторе.Загрузчик переходит в защищенный режим и производит необходимые для успешного функционирования манипуляции с памятью, кроме этого, Ntldr имеет модули, позволяющие работать с файловой системой и некоторыми другими базовыми ресурсами системы. Все другие действия выполняются с помощью вызова прерываний BIOS.

– инициализация диспетчера памяти;

– инициализация диспетчера объектов;

– установка системы безопасности;

– настройка драйвера файловой системы;

– загрузка и инициализация диспетчера ввода-вывода;

– загрузка системных сервисов, которые реализуют взаимодействие с пользователем.

В состав системных сервисов входят следующие модули:

– Smss.exe (диспетчер сеансов) – модуль управляет другими сервисами и службами Windows; запускает: Win32 (Csrss) и некоторые системные утилиты, выполняемые на этапе загрузки; реализует графический пользовательский интерфейс и запуск процессов Csrss.exe иWinLogon.exe;

– Csrss.exe – модуль предназначен для организации взаимодействия между компьютером и пользователем;

– Lsass.exe – служба, запускаемая WinLogon.exe и отвечающая за безопасность системы (предоставляет возможность пользователю зарегистрироваться в системе).

После загрузки операционной системы пользователь должен пройти процедуру аутентификации – ввести собственное регистрационное имя (логин) и пароль. Процедура подключения к системе позволяет определить, обладает ли пользователь правом входа и работы с системой. Эту процедуру выполняет служба WinLogon. При этом в системе происходят следующие события:

– процесс WinLogon отображает на экране фон рабочего стола и приглашение к вводу пользователем логина и пароля. Введенные данные передаются подсистеме безопасности;

– подсистема безопасности обращается к базе данных SAM (Security Accounts Manager) и проверяет, обладает ли пользователь полномочиями работы с системой.

Если пользователь является авторизированным пользователем системы, то подсистема безопасности формирует для негоидентификатор доступа, который вместе с управлением передает обратно процессу WinLogon. Процесс WinLogon посредством обращения к подсистеме Win32 создает новый процесс для пользователя и прикрепляет ему идентификатор доступа. Каждый процесс, в дальнейшем создаваемый пользователем, отмечается принадлежащим ему идентификатором доступа, поэтому доступ пользователя к ресурсам системы контролируется и отслеживается. Благодаря обязательной процедуре подключения к системе упрощается реализация механизмов: аудит системы и квоты на использование ресурсов. Пользовательский идентификатор доступа содержит идентификатор пользователя, а также идентификаторы всех групп, к которым принадлежит данный пользователь.

Если операционная система не загружается корректно, то при нажатии в процессе загрузки Windows XP клавиши F8 происходит переход в расширенное меню запуска, содержащее пункты:

– Безопасный режим – загрузка Windows XP с минимальным требуемым количеством системных файлов и драйверов устройств;

– Безопасный режим с загрузкой сетевых драйверов –загрузка Windows XP с минимальным требуемым количеством системных файлов и драйверов устройств с поддержкой подключения к сети;

– Безопасный режим с поддержкой командной строки – загрузка Windows XP с минимальным требуемым количеством системных файлов и драйверов устройств с загрузкой режима командной строки;

– Включить протоколирование загрузки – режим позволяет записать этапы загрузки Windows XP в файл Ntbtlog. txt;

– Включить режим VGA – режим, загружает драйвер стандартного монитора VGA с разрешением 640 на 480 точек на дюйм и 16 цветами;

– Загрузка последней удачной конфигурации – режим, восстанавливает последнюю неиспорченную копию реестра Windows XP.

Практическая часть:

Установить Windows XP на виртуальную машину с образа, полученного от преподавателя. (название виртуальной машины должна иметь формат Windows XP Иванов Иван)
Изучить теорию по структуре ОС.

Контрольные вопросы к защите:

1. Каковы минимальные требования к аппаратной платформе, которые рекомендует Microsoft для установки Windows XP?

Архитектура ОС Windows (в данном разделе она излагается, следуя главным образом [ Кастер ] и [ Руссинович ] ), претерпела ряд изменений в процессе эволюции. Первые версии системы имели микроядерный дизайн, основанный на микроядре Mach , которое было разработано в университете Карнеги-Меллона. Архитектура более поздних версий системы микроядерной уже не является.

Высокая модульность и гибкость первых версий Windows NT позволила успешно перенести систему на такие отличные от Intel платформы, как Alpha (корпорация DEC), Power PC (IBM) и MIPS ( Silicon Graphic). Более поздние версии ограничиваются поддержкой архитектуры Intel x86.

Упрощенная схема архитектуры, ориентированная на выполнение Win32-приложений, показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Упрощенная архитектурная схема ОС Windows

ОС Windows состоит из компонентов, работающих в режиме ядра, и компонентов, работающих в режиме пользователя. Несмотря на миграцию системы в сторону монолитного ядра она сохранила некоторую структуру. В схеме, представленной на рис. 1.4, отчетливо просматриваются несколько функциональных уровней, каждый из которых пользуется сервисами более низкого уровня.

Задача уровня абстрагирования от оборудования (hardware abstraction layer, HAL) - скрыть аппаратные различия аппаратных архитектур для потенциального переноса системы с одной платформы на другую. HAL предоставляет выше лежащим уровням аппаратные устройства в абстрактном виде, свободном от индивидуальных особенностей. Это позволяет изолировать ядро, драйверы и исполнительную систему ОС Windows от специфики оборудования (например, от различий между материнскими платами).

Ядром обычно называют все компоненты ОС, работающие в привилегированном режиме работы процессора или в режиме ядра. Корпорация Microsoft называет ядром (kernel) компонент, находящийся в невыгружаемой памяти и содержащий низкоуровневые функции операционной системы, такие, как диспетчеризация прерываний и исключений, планирование потоков и др. Оно также предоставляет набор процедур и базовых объектов, применяемых компонентами высших уровней.

Ядро и HAL являются аппаратно-зависимыми и написаны на языках Си и ассемблера. Верхние уровни написаны на языке Си и являются машинно-независимыми .

Исполнительная система (executive) обеспечивает управление памятью, процессами и потоками, защиту, ввод-вывод и взаимодействие между процессами. Драйверы устройств содержат аппаратно-зависимый код и обеспечивают трансляцию пользовательских вызовов в запросы, специфичные для конкретных устройств. Подсистема поддержки окон и графики реализует функции графического пользовательского интерфейса (GUI), более известные как Win-32-функции модулей USER и GDI

В пространстве пользователя работают разнообразные сервисы (аналоги демонов в Unix), управляемые диспетчером сервисов и решающие системные задачи. Некоторые системные процессы (например, обработка входа в систему) диспетчером сервисов не управляются и называются фиксированными процессами поддержки системы. Пользовательские приложения ( user applications ) бывают пяти типов: Win32, Windows 3.1, MS-DOS, POSIX и OS/2 1.2. Среду для выполнения пользовательских процессов предоставляют три подсистемы окружения: Win32, POSIX и OS/2. Таким образом, пользовательские приложения не могут вызывать системные вызовы ОС Windows напрямую, а вынуждены обращаться к DLL подсистем (краткое определение dll имеется в приложении).

Основные компоненты ОС Windows реализованы в следующих системных файлах, находящихся в каталоге system32:

Как показано на рис. 2.34, Windows NT представляет собой модульную операционную систему, которая состоит из отдельных взаимосвязанных относительно простых модулей.

Рис. 2.34. Модульная структура Windows NT

Основными модулями Windows NT являются (перечислены в порядке следования от нижнего уровня архитектуры к верхнему) — уровень аппаратных абстракций HAL (Hardware Abstraction Layer), ядро (Kernel), исполняющая система (Executive), защищенные подсистемы (protected subsystems) И подсистемы среды (environment subsystems).

Уровень аппаратных абстракций обеспечивает независимость остальной части операционной системы от конкретных аппаратных особенностей. Подобный подход позволяет обеспечить легкую переносимость Windows NT с одной аппаратной платформы на другую.

Ядро является основой модульного строения системы и координирует выполнение большинства базовых операций Windows NT. Этот компонент специальным образом оптимизирован по занимаемому объему и эффективности функционирования. Ядро отвечает за планирование выполнения потоков, синхронизацию работы нескольких процессоров, обработку аппаратных прерываний и исключительных ситуаций.

Исполнительная система включает в свой состав набор программных конструкций привилегированного режима (kernel mode), представляющих базовый сервис операционной системы подсистемам среды. Исполняющая система состоит из нескольких компонент, каждая из них предназначена для поддержки определенного системного сервиса. Так, одна из компонент — монитор безопасности (Security Reference Monitor) — функционирует совместно с защищенными подсистемами и обеспечивает реализацию модели безопасности системы.

Подсистемы среды представляют собой защищенные серверы пользовательского режима (user-mode), которые обеспечивают выполнение и поддержку приложений, разработанных для различного операционного окружения (различных операционных систем). Примером подсистем среды могут служить подсистемы Win32 и OS/2.

Уровень аппаратных абстракций (HAL) представляет собой создаваемый производителями аппаратных средств слой программного обеспечения, который скрывает (или абстрагирует) особенности и различия аппаратуры от верхних уровней операционной системы. Таким образом, благодаря обеспечиваемому HAL фильтру, различные аппаратные средства выглядят аналогично с точки зрения операционной системы; снимается необходимость специальной настройки операционной системы под используемое оборудование.

При создании уровня аппаратных абстракций ставилась задача подготовки процедур, которые позволяли бы единственному драйверу конкретного устройства поддерживать функционирование этого устройства для всех платформ. HAL ориентирован на большое число разновидностей аппаратных платформ с однопроцессорной архитектурой; таким образом для каждого из аппаратных вариантов не требуется отдельной версии операционной системы.

Процедуры HAL называются как средствами операционной системы (включая ядро), так и драйверами устройств. При работе с драйверами устройств уровень аппаратных абстракций обеспечивает поддержку различных технологий ввода-вывода (вместо традиционной ориентации на одну аппаратную реализацию или требующей значительных затрат адаптации под каждую новую аппаратную платформу).

Уровень аппаратных абстракций позволяет также «скрывать» от остальных уровней операционной системы особенности аппаратной реализации симметричных мультипроцессорных систем.

Ядро (Kernel) работает в тесном контакте с уровнем аппаратных абстракций. Этот модуль, в первую очередь, занимается планированием действий процессора. В случае, если компьютер содержит несколько процессоров, ядро синхронизирует их работу с целью достижения максимальной производительности системы.

Ядро осуществляет диспетчеризацию потоков (threads — нитей управления, иногда называемых подзадачами, ответвлениями), которые являются основными объектами планирования в системе. Потоки определяются в контексте процесса; процесс включает адресное пространство, набор доступных процессу объектов и совокупность выполняемых в контексте процесса потоков управления. Объектами являются управляемые операционной системой ресурсы.

Ядро производит диспетчеризацию потоков управления таким образом, чтобы максимально загрузить процессоры системы и обеспечить первоочередную обработку потоков с более высоким приоритетом. Всего существует 32 значения приоритетов, которые сгруппированы в два класса: real-time и variable. Подобный подход позволяет достичь максимальной эффективности операционной системы.

Подкомпоненты исполняющей системы, такие, как диспетчер ввода-вывода и диспетчер процессов, используют ядро для синхронизации действий. Они также взаимодействуют с ядром для более высоких уровней абстракции, называемых объектами ядра; некоторые из этих объектов экспортируются внутри пользовательских вызовов интерфейса прикладных программ (API).

Ядро управляет двумя типами объектов.

Объекты диспетчеризации (dispatcher objects) характеризуются сигнальным состоянием (signaled или nonsignaled) и управляют диспетчеризацией и синхронизацией системных операций. Эти объекты включают события, мутанты, мутэксы, семафоры, потоки управления и таймеры (events, mutants, mutexes, semaphores, threads, timers).

Управляющие объекты (control objects) используются для операций управления ядра, но не воздействуют на диспетчеризацию или синхронизацию.

Управляющие объекты включают в себя асинхронные вызовы процедур, прерывания, уведомления и состояния источника питания, процессы и профили (asynhcronous procedure calls, in- terupts, power notifies, power statuses, processes, profiles).

Исполнительная система (Executive), в состав которой входит ядро и уровень аппаратных абстракций HAL, обеспечивает общий сервис системы, который могут использовать все подсистемы среды. Каждая группа сервиса находится под управлением одной из отдельных составляющих исполняющей системы:

• диспетчера объектов (Object Manager);
• диспетчера виртуальной памяти (Virtual Memory Manager);
• диспетчера процессов (Process Manager);
• средства вызова локальных процедур (Local Procedure Call Facility);
• диспетчера ввода-вывода (I/O Manager);
• мониторов безопасности (Security Reference Monitor).

Монитор безопасности совместно с процессором входа в

систему (Logon) и защищенными подсистемами реализует модель безопасности Windows NT.

Верхний уровень исполняющей системы называется системным сервисом (System Services). Показанный на рис. 2.30 системный сервис представляет собой интерфейс между подсистемами среды пользовательского режима и привилегированным режимом.

Диспетчер кэша. Архитектура ввода-вывода содержит единственный диспетчер кэша (Cache Manager), который осуществляет кэширование для всей системы ввода-вывода. Кэширование (Caching) — метод, используемый файловой системой для увеличения эффективности. Вместо непосредственной записи и считывания с диска часто используемые файлы временно сохраняются в кэш-памяти; таким образом, работа с этими файлами выполняется в памяти. Операции с данными, находящимися в памяти, производятся значительно быстрее операций с данными на диске.

Диспетчер кэша использует модель отображения файла, которая интегрирована с диспетчером виртуальной памяти Windows NT. Диспетчер кэша обеспечивает службу кэширования для всех файловых систем и сетевых компонентов, функционирующих под управлением диспетчера ввода-вывода. В зависимости от объема доступной оперативной памяти диспетчер кэша может динамически увеличивать или уменьшать размер кэш-па- мяти. Когда процесс открывает файл, который уже находился в кэше, диспетчер кэша просто копирует данные из кэша в виртуальное адресное пространство.

Диспетчер кэша поддерживает службы типа замедленной записи (lazy write) и замедленной фиксации (lazy commit), которые могут значительно увеличить эффективность файловой системы. В процессе замедленной записи изменения регистрируются в кэше файловой структуры, обеспечивающем более быстрый доступ. Позднее, когда загрузка центрального процессора снижена, диспетчер кэша заносит изменения на диск. Замедленная фиксация подобна замедленной записи. Вместо немедленной маркировки транзакции как успешно завершившейся, переданная информация кэшируется и позднее в фоновом режиме записывается в журнал файловой системы.

Драйверы файловой системы. В архитектуре ввода-вывода Windows NT управление драйверами файловой системы осуществляет диспетчер ввода-вывода. Windows NT допускает использование множества файловых систем. Для обеспечения совместимости снизу вверх с операционными системами MS DOS, Windows 3.x и OS/2 Windows NT поддерживает файловые системы FAT и HPFS.

Кроме того, Windows NT также поддерживает NTFS — новую файловую систему, разработанную специально для использования с Windows NT. NTFS обеспечивает ряд возможностей, включая средства восстановления файловой системы, поддержку Unicode, длинных имен файлов и поддержку для POSIX.

Архитектура ввода-вывода Windows NT не только поддерживает традиционные файловые системы, но и обеспечивает функционирование сетевых серверов в качестве драйверов файловой системы. С точки зрения диспетчера ввода-вывода, нет разницы между работой с файлом, размещенным на удаленном компьютере сети, и работой с файлом на локальном жестком диске. Серверы могут быть загружены и выгружены динамически так же, как и любые другие драйверы; на одном компьютере может одновременно находиться большое число серверов.

Сетевые драйверы. Следующим типом драйверов, присутствующих в качестве компонента в архитектуре ввода-вывода, являются сетевые драйверы. Windows NT включает интегрированные возможности работы с сетями и поддержку для распределенных приложений. Серверы функционируют как драйверы файловой системы и выполняются на уровне интерфейса поставщика или ниже.

Драйверы транспортного протокола общаются с серверами через уровень, называемый интерфейсом транспортного драйвера (TDI — Transport Driver Interface). Windows NT включает следующие транспортные средства:

• протокол управления передачей/межсетевой протокол ТСР/ IP, который обеспечивает возможность работы с широким диапазоном существующих сетей;
• NBF, потомок расширенного интерфейса пользователя NetBIOS (NetBEUI), который обеспечивает совместимость с существующими локальными вычислительными сетями на базе LAN Manager, LAN Server и MS-Net;
• управление передачей данных (DLC — Data Link Control), которое обеспечивает интерфейс для доступа к мэйнфрэй- мам и подключенным к сети принтерам;
• NWLink, реализация IPX/SPX, обеспечивающая связь с Nowell NetWare.

В нижней части сетевой архитектуры находится драйвер платы сетевого адаптера. Windows NT в настоящее время поддерживает драйверы устройств, выполненные в соответствии со спецификацией NDIS (Network Device Inerface Specification) версии 3.0. NDIS предоставляет гибкую среду обмена данными между транспортными протоколами и сетевыми адаптерами. NDIS 3.0 позволяет отдельному компьютеру иметь несколько установленных в нем плат сетевых адаптеров. В свою очередь, каждая плата сетевого адаптера может поддерживать несколько транспортных протоколов для доступа к различным типам сетевых станций.

Модель безопасности Windows NT представлена монитором безопасности (Security Reference Monitor), а также двумя другими компонентами: процессором входа в систему (Logon Process) и безопасными защищенными подсистемами.

В многозадачной операционной системе, каковой является Windows NT, приложения совместно используют ряд ресурсов системы, включая память компьютера, устройства ввода-вывода, файлы и процессор(ы) системы. Windows NT включает набор компонентов безопасности, которые гарантируют, что приложения не смогут обратиться к этим ресурсам без соответствующего разрешения.

Процесс входа в систему в Windows NT предусматривает обязательный вход в систему безопасности для идентификации пользователя. Каждый пользователь должен иметь бюджет и использовать пароль для обращения к этому бюджету.

Прежде чем пользователь сможет обратиться к любому ресурсу компьютера из Windows NT, он должен войти в систему через процесс входа в систему для того, чтобы подсистема безопасности могла распознать имя пользователя и пароль. Только после успешного установления подлинности монитор безопасности выполняет процедуру проверки правильности доступа для определения права пользователя на обращение к этому объекту.

Защищенность ресурсов — одна из особенностей, предоставляемая моделью безопасности. Задачи не могут обращаться к чужим ресурсам (типа памяти) иначе, чем через применение специальных механизмов совместного использования.

Windows NT также предоставляет средства контроля, которые позволяют администратору фиксировать действия пользователей.

Управление памятью Windows NT. Windows NT Workstation 3.51 по существу представляет собой операционную систему сервера, приспособленную для использования на рабочей станции. Этим обусловлена архитектура, в которой абсолютная защита прикладных программ и данных берет верх над соображе-

Рис. 2.35. Модель памяти Windows NT ниями скорости и совместимости. Чрезвычайная надежность Windows NT обеспечивается ценой высоких системных затрат, поэтому для получения приемлемой производительности необходимы быстродействующий ЦП и по меньшей мере 16-Мбайт ОП. В системе Windows NT безопасность нижней памяти достигается за счет отказа от совместимости с драйверами устройств реального режима. В среде Windows NT работают собственные 32-разрядные NT- прикладные программы, а также большинство прикладных программ Windows 95/98. Так же, как и Windows 95/98, система Windows NT позволяет выполнять в своей среде 16-разрядные Windows- и DOS-программы.

Схема распределения памяти Windows NT отличается от распределения памяти системы Windows 95/98 (рис. 2.35). Собственным прикладным программам выделяется 2 Гбайт особого адресного пространства, от границы 64 Кбайт до 2 Гбайт (первые 64 Кбайт полностью недоступны). Прикладные программы изолированы друг от друга, хотя могут общаться через буфер обмена Clipboard, механизмы DDE и OLE.

В верхней части каждого 2-Гбайт блока прикладной программы размещен код, воспринимаемый прикладной программой как системные библиотеки DLL кольца 3. На самом деле это просто заглушки, выполняющие перенаправление вызовов, называемые DLL клиентской стороны (client-side DLLs). При вызове большинства функций API из прикладной программы библиотеки DLL клиентской стороны обращаются к локальным процедурам (Local Process Communication — LPC), которые передают вызов и связанные с ним параметры в совершенно изолированное адресное пространство, где содержится собственно системный код. Этот сервер-процесс (server process) проверяет значение параметров, исполняет запрошенную функцию и пересылает результаты назад в адресное пространство прикладной программы. Хотя сервер-процесс сам по себе остается прикладного уровня, он полностью защищен от вызывающей его программы и изолирован от нее.

Между отметками 2 и 4 Гбайт расположены низкоуровневые системные компоненты Windows NT кольца 0, в том числе ядро, планировщик потоков и диспетчер виртуальной памяти. Системные страницы в этой области наделены привилегиями супервизора, которые задаются физическими схемами кольцевой защиты процессора. Это делает низкоуровневый системный код невидимым и недоступным по записи для программ прикладного уровня, но приводит к падению производительности во время переходов между кольцами.

Для 16-разрядных прикладных Windows-программ Windows NT реализует сеансы Windows on Windows (WOW). Windows NT дает возможность выполнять 16-разрядные программы Windows индивидуально в собственных пространствах памяти или совместно в разделяемом адресном пространстве. Почти во всех случаях 16- и 32-разрядные прикладные программы Windows могут свободно взаимодействовать, используя OLE (при необходимости через особые процедуры thunk) независимо от того, выполняются они в отдельной или общей памяти. Собственные прикладные программы и сеансы WOW выполняются в режиме вытесняющей многозадачности, основанной на управлении отдельными потоками. Множественные 16-разрядные прикладные программы Windows в одном сеансе WOW выполняются в соответствии с кооперативной моделью многозадачности. Windows NT может также выполнять в многозадачном режиме несколько сеансов DOS. Поскольку Windows NT имеет полностью 32-разрядную архитектуру, не существует теоретических ограничений на ресурсы GDI И USER.

Структура операционной системы.

Архитектура операционных систем Windows XP и Windows Server 2003 является модульной. Структурно ее можно разделить на две части.
Первая часть работает в режиме ядра (kernel mode) и называется исполнительной системой Windows (Windows executive). Компоненты режима ядра обладают следующими функциональными возможностями:

имеют доступ к оборудованию;
имеют прямой доступ ко всем видам памяти компьютера;
не выгружаются на жесткий диск в файл подкачки;
имеют более высокий приоритет, нежели процессы режима пользователя.

Вторая часть работает в так называемом режиме пользователя (user mode) Эту часть составляют защищенные подсистемы ОС. Особенности процессов пользовательского режима:

не имеют прямого доступа к оборудованию, все запросы на использование аппаратных ресурсов должны быть разрешены компонентом режима ядра;
ограничены размерами выделенного адресного пространства, это ограничение устанавливается выделением процессу фиксированных адресов;
могут быть выгружены из физической памяти в виртуальную на жестком диске;
приоритет процессов данного типа ниже приоритета процессов режима ядра, это предохраняет ОС от снижения производительности или задержек, происходящих по вине приложений.

Защищенные подсистемы.

В Windows два типа защищенных подсистем.

предоставление приложениям стандартного программного интерфейса к функциям ОС;
реализация графического пользовательского интерфейса;
управление пользовательским вводом/выводом.

К подсистемам среды относятся также подсистемы POSIX и OS/2.

2. Внутренние подсистемы. К этому типу относятся подсистемы, выполняющие важные функции ОС. Вот основные.

Подсистема безопасности. Осуществляет регистрацию правил контроля доступа, поддержку базы данных учетных записей пользователей, прием регистрационной информации и инициализацию процесса аутентификации пользователей.
Служба рабочей станции. Предоставляет приложениям механизм доступа к сетевым ресурсам, таким как файлы, папки, принтеры и т. п.
Служба сервера. Обслуживает входящие из сети запросы на доступ к ресурсам компьютера, например, к файлам и папкам.

Исполнительная система и уровень абстрагирования от оборудования.

В состав исполнительной системы входят следующие элементы.

Справочный монитор защиты (Security Reference Monitor, SRM). Гарантирует выполнение политики защиты на локальном компьютере. Оберегает ресурсы ОС, обеспечивая защиту объектов и аудит доступа к ним.
Диспетчер процессов (Process Manager). Создает и завершает процессы и потоки. Кроме того, приостанавливает и возобновляет исполнение потоков, хранит и выдает информацию о процессах и потоках NT.
Диспетчер межпроцессного взаимодействия (Interprocess Communication Manager, IPC Manager). Обеспечивает взаимодействие между подсистемами режима пользователя и исполнительной подсистемы.
Диспетчер виртуальной памяти (Virtual memory manager, VMM). Реализует виртуальную память - схему управления памятью, которая предоставляет каждому процессу большое собственное адресное пространство и защищает это пространство от других процессов.
Ядро (Kernel). Реагирует на прерывания и исключения, выполняет межпроцессорную синхронизацию и предоставляет набор элементарных объектов и интерфейсов, используемый остальными частями исполнительной системы для реализации объектов более высокого уровня.
Подсистема ввода/вывода (I/O Subsystem). Состоит из группы компонентов, отвечающих за выполнение ввода/вывода на разнообразные устройства. Подробнее подсистема ввода/вывода рассматривается в следующих разделах.
Диспетчер объектов (Object manager). Создает, поддерживает и уничтожает объекты исполнительной системы Windows - абстрактные типы данных, представляющие системные ресурсы.
Диспетчер электропитания (Advanced Configuration and Power Interface Manager, ACPI-manager). Управляет электропитанием устройств, координирует запросы устройств, связанные с изменением режима электропитания.
Диспетчер Plug and Play (PnP-manager). Обеспечивает распознавание PnP-устройств после процесса загрузки ОС, управляет их драйверами, предоставляет интерфейс средствам пользовательского режима для поиска устройств, их установки и удаления, а также остановки и возобновления их работы.
Диспетчер окон и интерфейс графических устройств (Graphic Device Interface, GDI). Управляет отображением окон, обеспечивает прием ввода от клавиатуры и мыши, распределяя информацию приложениям.

Компоненты исполнительной системы реализованы как независимые от аппаратной платформы модули. Это обеспечивается наличием уровня абстрагирования от оборудования и делает ОС максимально переносимой.
Уровень абстрагирования от оборудования (Hardware Abstract Level, HAL). Представляет собой программную прослойку между исполнительной системой Windows и аппаратной платформой, на которой работает ОС. HAL скрывает аппаратно-зависимые детали, такие как интерфейсы ввода/вывода, контроллеры прерываний и механизмы межпроцессорных связей. Вместо того чтобы обращаться к аппаратуре непосредственно, исполнительная система Windows вызывает функции HAL.

Системный реестр Windows.

В операционной системе Windows практически вся конфигурационная информация (приложений, служб, параметров оборудования и т. п.) хранится в системном реестре (System Registry).
Эти компоненты реестра наглядно показаны на рисунке.

Содержимое реестров разных компьютеров может сильно различаться. Оно зависит от устройств, служб и программ, установленных на каждом компьютере

Поддеревья включают разделы. Разделы и подразделы, в свою очередь, могут включать подразделы и параметры. Разделы и параметры могут быть двух типов.

Постоянные - разделы и параметры сохраняются на диске и загружаются после перезагрузки компьютера. Большинство данных, хранящихся в реестре - постоянные.
*Временные - разделы и параметры присутствуют только в оперативной памяти компьютера и не сохраняются на диске. В основном временными являются разделы реестра, хранящие информацию о текущей конфигурации оборудования.

Реестр представляет собой иерархическую структуру, состоящую из поддеревьев, разделов, подразделов и параметров. Для просмотра и редактирования системного реестра Windows предусмотрены две специализированных программы - regedit и regedt32.

Использование реестра компонентами Windows.

Ниже приведены сведения об использовании системного реестра основными компонентами и приложениями Windows.

Организация системного реестра.

Верхний уровень иерархии системного реестра составляют поддеревья. Поддеревья включают разделы. Разделы и подразделы, в свою очередь, могут включать подразделы и параметры.

Поддеревья реестра

Реестр Windows содержит два поддерева: HKEY_LOCAL_MACHINE (хранящее параметры настройки компьютера и общие параметры настройки ПО и ОС) и HKEY_CURRENT_USER (хранящее параметры настройки ПО и ОС текущего пользователя). Однако, чтобы облегчить поиск сведений в реестре, программы редактирования реестра выводят пять поддеревьев, которые перечислены ниже.

Кусты и файлы реестра

Куст реестра

Файлы

Параметры

Каждый раздел реестра содержит элементы данных, называемые параметрами. Некоторые параметры хранят сведения, характерные для отдельного пользователя, другие - применимые ко всем пользователям компьютера.

Каждый параметр имеет три характеристики:

имя параметра - используется приложениями для обращения к конкретному параметру;
тип данных параметра - описывает, данные какого типа хранит параметр;
значение параметра - непосредственно данные, которые могут быть получены при обращении к параметру.

Типы данных для параметров реестра, которые на данный момент поддерживает Windows XP, перечислены в таблице.

Тип данных

Описание

Данные в двоичном формате. Обычно этот тип используется для хранения больших объемов данных, например параметров оборудования

Целое число без знака. На хранение отводится 4 байта, чем определяется минимальное (0) и максимальное (4 294 967 296) хранимое значение. Обычно этот тип используется для хранения числовых величин и значений различных флагов

Набор из нескольких строковых значений. Используется для хранения списков строк. В качестве разделителя элементов списка используются символы возврата каретки или другие разделители

Строка символов. Используется для хранения различных простых неинтерпретируемых строковых значений

Набор массивов данных. Используется для хранения больших бинарных массивов данных. В основном используется для хранения различных параметров аппаратного обеспечения компьютера

Читайте также: