1. Wielodostępne systemy operacyjne
Nowoczesne systemy operacyjne są w większości systemami wielodostępnymi, które pozwalają pracować jednocześnie wielu użytkownikom za pośrednictwem terminali podłączonych bezpośrednio do komputera lub poprzez sieć komputerową.
Artukuł ten stanowi wprowadzenie do problematyki, którą przedstawimy w dalszych artykułach. Przedstawiamy tu ogólną charakterystykę wielodostępnych systemów operacyjnych. Uzasadniamy też wybór systemu Linux jako reprezentanta tej klasy systemów w naszych rozważaniach. Na koniec charakteryzujemy sesję użytkownika w systemie Linux, opisując sposób autoryzacji użytkowników, atrybuty użytkownika oraz interfejs tekstowy i graficzny systemu.
Systemy operacyjne można podzielić najogólniej na dwie kategorie:
- systemy specjalnego przeznaczenia,
- systemy ogólnego przeznaczenia.
- systemy sterowania procesami przemysłowymi czy złożonymi urządzeniami w czasie rzeczywistym,
- systemy przetwarzania transakcji.
Systemy ogólnego przeznaczenia pozwalają wykorzystywać system komputerowy do różnych celów w zależności od potrzeb użytkowników
Można wśród nich wyróżnić:
- systemy dla indywidualnego użytkownika,
- systemy wsadowe,
- systemy wielodostępne.
Podstawowe informacje dotyczące systemów operacyjnych zostały zamieszczone w podręczniku Informatyka 1 [1]. Niniejszy podręcznik poświęcamy omówieniu w sposób bardziej szczegółowy złożonych zagadnień występujących w systemach wielodostępnych. Zagdnienia te przedstawimy posługując się przykładem systemu Linux.
(1.1) Cele i zadania
Każdy system operacyjny ma do spełnienia dwa podstawowe cele:
- zapewnienie wygodnej pracy użytkownikom,
- efektywne zarządzanie zasobami systemu komputerowego.
Osiągnięcie powyższych celów wiąże się z realizacją określonych zadań obejmujących:
- zarządzanie zadaniami,
- zarządzanie pamięcią operacyjną i pomocniczą,
- zarządzanie systemem wejścia-wyjścia,
- zarządzanie plikami,
- pracę sieciową,
- ochronę zasobów,
- komunikację z użytkownikami.
(1.2) Interfejsy programowe
System operacyjny udostępnia swoje usługi użytkownikom i ich programom poprzez interfejsy programowe.
Funkcje systemowe stanowią interfejs pomiędzy programami a jądrem systemu operacyjnego. Umożliwiają programom korzystanie z usług jądra i sprzętu komputerowego bez naruszania bezpieczeństwa systemu.
Programy systemowe tworzą z kolei interfejs dla użytkowników. W jego skład wchodzą między innymi tekstowe interpretery poleceń oraz programy tworzące interfejs graficzny systemu. Programy systemowe umożliwiają użytkownikom wykonywanie typowych operacji dotyczących manipulowania plikami, przetwarzania ich zawartości, tworzenia i wykonywania programów, komunikacji czy informowania o stanie systemu.
2. Charakterystyka systemu Linux
System Linux zdobywa coraz większe uznanie dużej grupy użytkowników. O jego sukcesie decyduje wiele czynników a między innymi:
- efektywność i stabilność systemu,
- powszechna dostępność bez jakichkolwiek opłat licencyjnych,
- bogaty zestaw oprogramowania umożliwiający szeroki zakres zastosowań,
- możliwość pracy na wielu platformach sprzętowych przy stosunkowo niewielkich wymaganiach,
- możliwość łatwej współpracy z innymi popularnymi systemami operacyjnymi,
- bogata dokumentacja w wersji elektronicznej,
- dostępność kodu żródłowego.
(2.1) Historia systemu Linux
System Linux jest dziełem wielu programistów z całego świata. Podstawy systemu stworzył Linus Torvalds, student uniwersytetu w Helsinkach, który w 1991 roku napisał pierwszą wersję jądra systemu. Wzorował się przy tym na akademickim systemie Minix i zachował z nim znaczną zgodność. Linux został udostepniony w Internecie na zasadach licencji GPL (ang. General Public License). System wzbudził duże zainteresowanie programistów, co zapoczątkowało jego burzliwy rozwój.
Projekt systemu Linux jest dość ściśle związany z projektem GNU, który zakładał opracowanie darmowego darmowego systemu operacyjnego wzorowanego na Unixie. W ramach projektu powstało wiele pakietów oprogramowania, które są obecnie dostepne w systemie Linux.
Twórcy Linuxa nie korzystali bezpośrednio z kodu systemu Unix. Linux został jednak zaprojektowany zgodnie ze standardem POSIX 1003.1, który definiuje interfejsy programowania i narzędzi systemowych dla systemu Unix.
(2.2) Najważniejsze cechy systemu
Linux jest systemem nowoczesnym, ponieważ wielu programistów wciąż pracuje nad rozwojem jądra systemu oraz bogatego zestawu programów usługowych. O jego nowoczesnosci decydują przede wszystkim cechy wymienione poniżej:
- wielodostęp,
- wielozadaniowość, czyli praca z podziałem czasu procesora pomiędzy wiele zadań,
- wieloprzetwarzanie, czyli praca wieloprocesorowa,
- możliwość uruchamiania zadań w łagodnym czasie rzeczywistym,
- obsługa różnych typów systemów plików,
- obsługa różnych protokołów sieciowych,
- obsługa różnych formatów plików wykonywalnych,
- wykorzystanie współdzielonych bibliotek.
(2.3) Struktura systemu
Systemy Unix i Linux mają strukturę warstwową przedstawioną na rys. 1.1.
 |
| Rys. 1.1 Warstwowa struktura systemów Unix |
Warstwa programów obsługi urządzeń komunikuje się bezpośrednio ze sprzętem komputerowym, więc musi uwzględniać specyficzne cechy tego sprzętu. Programy obsługi muszą być napisane w języku programowania niskiego poziomu oddzielnie dla każdej platformy sprzętowej. Cała reszta systemu została zaimplementowana w języku C.
Jądra systemów Unix i Linux są monolityczne. Chociaż można w nich wyróżnić funkcjonalne części składowe, to stanowią one jeden program i korzystają ze wspólnych struktur danych. Takie rozwiązanie zapewnia największą efektywność systemu. Do podstawowych zadań jądra należy:
- zarządzanie procesami,
- zarządzanie pamięcią,
- zarządzanie plikami,
- zarządzanie urządzeniami wejścia-wyjścia.
Kod jądra Linuxa może być podzielony fizycznie na kilka części:
- jądro podstawowe,
- moduły jądra, dołączane dynamicznie.
Modularność jądra pozwala na elastyczne dostosowywanie jego funkcji do zmieniających się wymagań bez konieczności ponownej kompilacji całego kodu. Moduły mogą zawierająć programy obsługi nowych urządzeń podłączonych do systemu lub interfejsy programowe różnych typów systemów plików.
3. Sesja użytkownika w systemie Linux
(3.1) Autoryzacja użytkowników
System Linux przeznaczony jest dla wielu użytkowników, którzy mogą w dodatku pracować jednocześnie. Pociąga to za sobą konieczność autoryzacji dostępu do systemu i ochrony zasobów każdego użytkownika. Użytkownik musi być zarejestrowany w systemie i posiadać własne konto, zabezpieczone hasłem dostępu. Autoryzacja oparta jest na sprawdzaniu nazw i haseł.
System poprosi najpierw o wpisanie starego hasła, a nastepnie o dwukrotne wprowadzenie nowego hasła. Zwykły użytkownik może oczywiście zmienić wyłącznie hasło do swojego konta. Administrator może wywołać polecenie passwd z nazwą dowolnego użytkownika, aby zmienić jego hasło.
System Linux po uruchomieniu nie jest bezpośrednio dostępny dla użytkowników, tylko oczekuje na ich zgłoszenia. Zgłaszając się do systemu, użytkownik podaje swoją nazwę i hasło. System dokonuje autoryzacji poprzez:
- sprawdzenie, czy użytkownik o podanej nazwie jest zarejestrowany w systemie w pliku /etc/passwd,
- zakodowanie podanego hasła,
- porównanie z zakodowanym hasłem przechowywanym przez system w pliku /etc/shadow.
W każdym systemie istnieje konto uprzywilejowanego użytkownika o nazwie root i identyfikatorze UID = 0, określanego jako nadzorca (ang. supervisor), superużytkownik (ang. superuser) lub zwyczajowo root. Konto to jest przeznaczone dla administratora systemu, który dysponuje nieograniczonymi uprawnieniami. Jednym z jego zadań jest zakładanie kont nowym użytkownikom. Może w tym celu wykorzystać polecenie systemowe useradd.
useradd [opcje] użytkownik
Atrybuty nowego konta podaje się poprzez opcje wywołania lub odpowiadając na pytania działającego programu.Użytkownik może zmienić swoje hasło posługując się poleceniem passwd.
passwd [użytkownik]
System poprosi najpierw o wpisanie starego hasła, a nastepnie o dwukrotne wprowadzenie nowego hasła. Zwykły użytkownik może oczywiście zmienić wyłącznie hasło do swojego konta. Administrator może wywołać polecenie passwd z nazwą dowolnego użytkownika, aby zmienić jego hasło.
(3.2) Atrybuty użytkownika
System przechowuje w pliku /etc/passwd następujące atrybuty każdego zarejestrowanego użytkownika:
| nazwa | - | nazwa jednoznacznie identyfikująca konto użytkownika, |
| identyfikator użytkownika UID | - | numer jednoznacznie identyfikujący użytkownika w systemie, |
| identyfikator grupy GID | - | numer grupy, do której należy użytkownik, |
| katalog domowy | - | prywatny katalog użytkownika, w którym może bezpiecznie przechowywać swoje pliki, zabezpieczone przed dostępem innych użytkowników, |
| powłoka logowania | - | nazwa interpretera poleceń, który jest uruchamianypo zalogowaniu użytkownika. |
System dzieli użytkowników na grupy, aby zwiększyć w ten sposób możliwość różnicowania uprawnień do uruchamiania programów i korzystania z plików. Informacje o członkach poszczególnych grup przechowywane są w pliku /etc/group.
(3.3) Środowisko graficzne X Window
Standardowym środowiskiem graficznym systemu Unix jest system X Window. Jego aktualna wersja określana jest nazwą X11 Release 6. Linux dysponuje darmową wersją tego środowiska o nazwie XFree86, która zachowuje pełną zgodność z wersją X11.
Po zalogowaniu do systemu użytkownik pracujący przy konsoli komputera może uruchomić środowisko graficzne poleseniem STARTx. System operacyjny uruchamia wtedy serwer systemu X Windows o nazwie X dostosowany do parametrów karty graficznej komputera.
Uruchamianiem i zarządzaniem oknami w środowisku graficznym zajmuje się program menedżera okien. Obecnie coraz większą popularność zdobywają systemy aktywnego pulpitu takie, jak KDE i GNOME. Rys. 1.2 prezentuje przykładowy wygląd pulpitu GNOME.
Rys. 1.2 System aktywnego pulpitu GNOME
Jednym z najważniejszych programów jest program emulacji terminalu, który pozwala otworzyć okno z uruchomionym interpreterem poleceń. Użytkownik uzyskuje w ten sposób możliwość uruchamiania programów, które nie korzystają wprost z okienkowego interfejsu graficznego. Najpopularniejszym emulatorem terminalu jest obecnie program xterm, który stał się praktycznie standardem we wszystkich wersjach systemu Unix i wszystkich dystrybucjach Linuxa. Na rys. 1.3 prezentujemy przykładowe okno programu xterm z uruchomionym interpreterem bash.
Rys. 1.3 Okno emulatora terminalu xterm
Systemy oferują na ogół również inne emulatory terminalu specyficzne dla konkretnej implementacji systemu X Window. Na przykład system aktywnego pulpitu GNOME zawiera własny emulator o nazwie GNOME Terminal, który można uruchomić z poziomu menu lub poleceniem gnome-terminal.
Innym przydatnym programem jest graficzny menedżer plików, który umożliwia oglądanie zawartości katalogów, manipulację plikami, przeglądanie i edycję zawartości plików. Jednym z takich programów jest GNU Midnight Commander pokazany na rys. 1.4.
Rys. 1.4 Program menedżera plików GNU Midnight Commander
(3.4) Dokumentacja w formie elektronicznej
Dokumentacja standardowych programów usługowych, funkcji systemowych i dodatkowego oprogramowania dostępna jest w postaci odpowiednio sformatowanych plików dla programów man oraz info. Dostępne są zbiory tekstów znane pod ogólną nazwą HOWTO opisujące rozwiązania najczęściej spotykanych problemów.
4. Bibliografia
(4.1) Bibliografia podstawowa
- Dąbrowski W., Nowak S., Michalak G.: Informatyka 1,Ośrodek Kształcenia Na Odległość, Politechnika Warszawska 2001,
- Silberschatz A., Galvin P.B.:Podstawy systemów operacyjnych, WNT 2000 (rozdziały: 1, 3, 22),
- Petersen R.: Arkana Linux, Wydawnictwo RM 1997 (rozdział: 1, 3, 4).
(4.2) Bibliografia uzupełniająca:
- Główny serwer projektu Linux : www.linux.org
- Grupy dyskusyjne (USENET) :
- Serwery polskich Grup Użytkowników Linux-a (Linux User Groups)
W dziale źródła/C++ znajdują się przykładowe programy do tego i pozostałych artykułów z tego cyklu.
Wszelkie pytania proszę kierować na adres L.Fronczyk@elka.pw.edu.pl
Autor: A. Wielgus i dr Z. Jaworski
Licencja: Creative Commons