Windows 2000 История Принципы

линию NT).
Основные цели системы:
переносимость
безопасность
соответствие POSIX
поддержка многопроцессорности
расширяемость
поддержка интернационализации
совместимость приложений

с MS-DOS и MS-Windows.
Использует архитектуру микроядра.
Доступна в нескольких версиях - Professional, Server, Advanced Server, National Server.
В 1996 году было продано больше лицензий на NT server, чем лицензий на UNIX

technology” (NT), которая поддерживала бы и OS/2, и POSIX APIs.
Первоначально

NT должны была использовать OS/2 API как свое естественное окружение, однако в процессе разработки NT была изменена и стала использовать Win32 API, что отражает популярность Windows 3.0.

обеспечивает базовые системные сервисы.
Поверх ядра реализованы несколько серверных подсистем, работающих

в пользовательском режиме.
Модульная структура позволяет добавлять новые подсистемы окружения без модификации ядра.
Переносимость — Windows 2000 может быть перенесена с одной аппаратной архитектуры на другую со сравнительно небольшими изменениями.
Написана на C и C++.
Код, зависящий от процессора, изолирован в динамически линкуемую библиотеку (DLL), называемую “уровень абстрагирования от аппаратуры”- “hardware abstraction layer” (HAL).

виртуальной памяти and и программные защитные механизмы – для ресурсов

ОС.
Совместимость— приложения, которые следуют IEEE 1003.1 (POSIX) – стандарту, могут компилироваться для Windows 2000 без изменений в исходном тексте.
Производительность — подсистемы Windows 2000 могут взаимодействовать друг с другом с помощью высокопроизводительной передачи сообщений.
Прерывание низкоприоритетных потоков позволяет системе быстро реагировать на внешние события.
Спроектирована для симметричного мультипроцессирования.
Поддержка интернационализации (i18n) и локализации (l10n) — поддерживает различные языки и “культуры” с помощью NLS API.

режим – набор подсистем
Подсистемы окружения эмулируют различные ОС.
Подсистемы защиты

реализуют различные функции безопасности.

исполнение никогда не прерывается.
Четыре основных функции:
Планирование потоков
Обработка прерываний и

исключений
Низкоуровневая синхронизация процессов
Восстановление после отказов электропитания
Ядро объектно-ориентированное, использует два набора объектов.
Объекты-диспетчеры управляют диспетчеризацией и синхронизацией (события, mutex’ы, семафоры, потоки, таймеры).
Управляющие объекты (асинхронные вызовы процедур, прерывание, нотификация об электропитании, состояние электропитания, профилирование.)

памяти, информацию (например, базовый приоритет) и тесную связь с одним

или несколькими процессами.
Потоки – единицы исполнения, планируемые диспетчером ядра.
Каждый поток имеет свое собственное состояние, включая приоритет, связь с процессором и статистическую информацию.
Поток может быть в следующих состояниях: ready, standby, running, waiting, transition, and terminated.

выполнения потоков. Приоритеты разбиты на два класса:
Класс real-time содержит потоки

с приоритетами от 16 до 31.
Класс variable содержит потоки с приоритетами от 0 до 15.
Характеристики стратегии приоритетов Windows 2000.
Хорошее время ответа для потоков, использующих мышь и окна.
Дает возможность потокам, связанным с вводом-выводом, обеспечивать занятость устройств ввода-вывода.

состояние ready или wait, когда поток завершается, оибо когда приложение

изменяет приоритет потока или связь с процессором.
Real-time потокам отдается предпочтение при выделении процессора; но ОС не гарантирует, что поток начнет выполняться в течение какого-либо определенного интервала времени. (такой подход известен как soft real-time.)

прерывания генерируеются аппаратурой и программным обеспечением (NB: в ОС введены

средства обработки исключений!).
Исключения, которые не могут быть обработаны программно, обрабатываются диспетчером исключений ядра ОС.
Диспетчер прерываний в ядре обрабатывает прерывание либо путем вызова подпрограммы, обслуживающей прерывание (например, драйвера устройства), либо путем вызова внутренней подпрограммы ядра.
Ядро использует блокировщики (spin locks), находящиеся в основной памяти, для взиамного исключения процессов.

служб и представления сущностей; менеджер объектов управляет использованием всех объектов.
Генерирует

object handle (ссылку на объект)
Выполняет проверки безопасности.
Следит за тем, какие процессы используют каждый объект.
Объекты управляются стандартным набором методов: create, open, close, delete, query name, parse, security.

быть постоянным или временным.
Имена объектов структурируются, как имена путей доступа

к файлам в MS-DOS или UNIX.
Реализованы объекты-символические ссылки, которые подобны символическим ссылкам в UNIX и дают возможность иметь несколько синонимов для одного файла.
Процесс получает ссылку на объект при его создании, при открытии уже существующего объекта, при получении скопированной ссылки от другого процесса, либо путем наследования ссылки от процесса-родителя.
Каждый объект защищен списком управления доступом.

что процессор поддерживает для отображения виртуальных адресов в физические механизм

страничной организации, прозрачный кэш для многопроцессорных систем, а также алиасы для виртуальных адресов.
VM – менеджер в Windows 2000 использует страничную организацию с размером страницы 4 KB.
Используется двухуровневая схема выделения памяти.
На первом шаге резервируется часть адресного пространства процесса.
На втором шаге данное выделение поддерживается выделением пространства в файле откачки (paging file).

несколько структур данных.
Каждый процесс имеет справочник страниц (page directory), содержащий

1024 элемента справочника страниц размером по 4 байта.
Каждый элемент справочника страниц ссылается на таблицу страниц, которая содержит 1024 элемента таблицы страниц (page table entries - PTEs) размером по 4 байта.
Каждый PTE ссылается на фрейм страницы (4 KB) в физической памяти.
Ссылка на элемент всегда занимает 10 битов (0..1023).
Это свойство используется при трансляции виртуальных адресов в физические.
Станица может находиться в следующих состояниях: valid, zeroed, free standby, modified, bad.

10 битов для page table entry, 12 битов для смещения

в байтах на странице.

битов для адреса фрейма страницы, 4 бита для выбора файла

откачки, 3 бита для описания состояния страницы. V = 0

потоков и процессов.
Связи родительских процессов с дочерними и иерархии процессов

обрабатываются конкретной подсистемой окружения, которая владеет данным процессом.

между клиентским и серверным процессами на локальной машине.
В частности, он

используется для запросов к сервисам различных подсистем ОС.
При создании канала для LPC должно быть указано сообщение одного из трех типов.
Первый тип – маленькие сообщения, до 256 байтов; в качестве промежуточной памяти используется очередь сообщений порта, и сообщения копируются от ного процесса к другому.
Второй тип – во избежании копирования больших сообщений, передаются ссылки на разделяемые объекты, содержащие сообщения.
Третий тип - быстрый LPC – используется графическими подсистемами Win32.

Драйверы устройств
Сетевые драйверы
Следит за тем, какие файловые системы загружены, и

управляет буферами для запросов на ввод-вывод.
Взаимодействует с менеджером виртуальной памяти для обеспечения ввода-вывода в файлы, отображаемые в память.
Управляет кэш-менеджером, который обеспечивает кэширование для всей системы ввода-вывода.
Поддерживает как синхронные, так и асинхронные операции, обеспечивает тайм-ауты для драйверов, имеет механизмы для вызова одного драйвера другим драйвером.

механизма для контроля доступа во время выполнения и аудита всех

объектов системы.
Каждый раз, когда процесс получает ссылку на объект, монитор безопасности проверяет маркер безопасности процесса и список управления доступом к объекту для проверки того, имеет ли процесс необходимые права.

в конфигурации оборудования и адаптации к ним (установки соответствующих драйверов).
Когда

добавляются новые устройства (например, PCI или USB), менеджер PnP загружает соответствующий драйвер.
Менеджер PnP также следит за ресурсами, используемыми каждым устройством.

разработанных для других ОС.
Windows 2000/XP/Vista/7 использует подсистему Win32 как основное

операционное окружение; Win32 используется для запуска всех процессов. Она также обеспечивает средства работы с мышью, клавиатурой и средства графики.
Окружение MS-DOS обеспечивается приложением Win32, называемым virtual dos machine (VDM), процессом пользовательского уровня, для которого поддерживается страничная организация и диспетчеризация, как и для всех других потоков.

Windows on Windows.
Предоставляет процедуры ядра Windows 3.1 для менеджера окон

и функций GDI.
Подсистема POSIX спроектирована для исполнения POSIX-приложений, следующих POSIX.1 – стандарту, который базируется на модели UNIX.

и безопасности аутентифицирует пользователей, входящих в систему Windows 2000. Требуется,

чтобы пользователи имели имя учетной записи и пароль.
- Пакет аутентификации аутентифицирует всех пользователей, которые пытаются осуществить доступ к какому-либо объекту системы. Windows 2000 использует Kerberos как пакет аутентификации по умолчанию.

(volume).
Создается утилитой администрирования диска.
Основан на логическом диске (partition).
Может занимать часть

диска, целый диск или распределяться по нескольким дискам.
Все метаданные, такие как информация о томе, хранятся в обычном файле.
NTFS использует кластеры как базовую единицу выделения дисковой памяти.
Кластер – число секторов диска, размер которгого – степень двойки.
Поскольку размер кластера меньше, чем в FAT16, внутренняя фрагментация уменьшается.

cluster numbers (LCNs) в качестве дисковых адресов.
Файл в NTFS –

не просто байтовый поток, как в MS-DOS или в UNIX, но это структурированный объект, описываемый атрибутами.
Каждый файл в NTFS описывается одной или несколькими записями в массиве, хранящемся в специальном файле, называемом Master File Table (MFT).
Каждый файл в томе NTFS имеет уникальный идентификатор (ID), называемый ссылкой на файл - file reference.
64-битовое число, состоящее из 48-битового номера файла и 16-битового номера последовательности.
Может использоваться для выполнения внутренних проверок целостности.
Пространство имен NTFS организовано в иерархию директорий; индексный корень (index root) содержит верхний уровень B+ - дерева.

выполняются как транзакции, для которых используется журнал.
Перед тем, как структура

данных изменяется, транзакция заноситв журнал специальную запись, которая содержит информацию для повторного выполнения (redo) и отмены (undo) данного изменения.
После изменения структуры данных в журнал заносится информация об успешном выполнении операции.
В случае порчи информации файловая система может быть восстановлена до целостного состояния с использованием журнальных записей.

данные пользовательского файла могут быть восстановлены в случае порчи информации,

а гарантирует лишь, что все структуры данных о файлах в системе (метаданные) не повреждены и отражают какое-либо целостное состояние данных до порчи информации.
Журнал хранится в третьем файле метаданных каждого тома.

модели Windows 2000.
Каждый файловый объект имеет дескриптор безопасности, хранящийся в

записи MFT.
Данный атрибут содержит маркер доступа владельца файла, а также список управления доступом, устанавливающий права каждого пользователя для доступа к данному файлу.

устойчивый к сбоям, обеспечивает несколько способов объединения нескольких SCSI-дисков в

один логический том.
Логически конкатенирует диски, образуя один логический том (набор дисков тома – volume set).
Обработка нескольких частей тома по принципу round-robin для формирования “полосатого множества” (stripe set), также называемого RAID уровня 0, или “disk striping”).
Вариант: stripe set with parity, или RAID уровня 5.
Зеркальное отображение дисков (Disk mirroring), или RAID уровня 1, - это надежная схема, использующая множество “зеркал” (mirror set) — две секции одного размера на разных частях диска с идентичным содержимым.
Для обработки запорченных дисковых секторов, FtDisk использует аппаратный метод, называемый предохранением секторов (sector sparing), а NTFS использует программный метод, называемый повторным отображением кластеров (cluster remapping).

на модули сжатия (compression units) - блоки по 16 смежных

кластерах.
Для не смежно расположенных файлов NTFS использует другой метод экономии памяти.
Кластеры, содержащие только нули, фактически не хранятся на диске.
Вместо этого, в последовательности виртуальных номеров кластеров оставлены пропуски, информация о которых хранится в элементе MFT для данного файла.
При чтении из файла, если найден пропуск в нумерации виртуальных кластеров, NTFS просто заполняет нулями соответствующую часть буфера.

при обращении вызывают генерацию кода ошибки. Они содержат информацию для

менеджера ввода-вывода, какие действия выполнять дальше.
Точки повторного анализа могут быть использованы для обеспечения функциональности монтирования, как в UNIX.
Они могут быть также использованы для доступа к файлам, которые перенесены в отдельно размещаемую память.

связь в сетях; она также содержит средства для управления сетями.
Для

описания сетевых средств в Windows 2000, будем ссылаться на два внутренних интерфейса:
NDIS (Network Device Interface Specification) — отделяет сетевые адаптеры от транспортных протоколов, так чтобы каждый из них можно было изменить, не оказывая влияния на другой.
TDI (Transport Driver Interface) — обеспечивает, чтобы каждая из компонент уровня сеанса могла использовать любой транспортный механизм.
Windows 2000 реализует транспортные протоколы как драйверы, который могут быть динамически добавлены к системе или удалены из нее.

передачи через сеть запросов на ввод-вывод. Он имеет четыре типа

сообщений:
Session control
File
Printer
Message
Система Network basic Input/Output system (NetBIOS) - сетевой интерфейс с абстрагированием от аппаратуры. Используется для:
Установки логических имен в сети.
Установления логической последовательности сеансов между двумя логическими именами в сети.
Поддержки надежной передачи данных для сеанса с помощью запросов NetBIOS или SMB.

по умолчанию для одноранговых сетей Windows 95 и Windows for

Workgroups; используется для совместного использования ресурсов в подобных сетях.
Windows 2000 использует протокол Интернета TCP/IP для соединения с различными ОС и аппаратными платформами.
PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol) используется для коммуникации между модулями Remote Access Server, работающими на машинах под Windows 2000, соединенных через Интернет.
Протокол NWLink соединяет сети NetBIOS и Novell NetWare.

для доступа к mainframe-компьютерам IBM и принтерам HP, непосредственно подсоединенным

к сети.
Системы на базе Windows 2000 могут взаимодействовать с компьютерами Macintosh с помощью протокола Apple Talk, если сервер в сети, работающий под Windows 2000, использует пакет Windows 2000 Services for Macintosh.

с помощью именованных NetBIOS, именованных конвейеров (pipes), mailslots, Windows Sockets,

Remote Procedure Calls (RPC) и Network Dynamic Data Exchange (NetDDE).
NetBIOS могут взаимодействовать через сеть, используя NetBEUI, NWLink или TCP/IP.
Именованные конвейеры – это механизм передачи сообщений через сетевую коннекцию. Они именуются с использованием uniform naming convention (UNC).
Mailslots – это механизм передачи сообщений без непосредственного использования коннекции, основанный на приложениях типа поиска компонент в сети.
Winsock, API для реализации сокетов под Windows, - это интерфейс уровня сеанса, который обеспечивает стандартизованный интерфейс для многших транспортных протоколов, которые могут иметь различные схемы адресации.

используемому стандарту Distributed Computing Environment для RPC - сообщений, так

что прогнаммы, использующие RPC для Windows 2000/XP/Vista/7, имеют высокую степень переносимости.
RPC – сообщения посылаются с использованием NetBIOS, или Winsock в сетях TCP/IP, или именованные конвейеры в сетях LAN Manager.
Windows 2000 предоставляет Microsoft Interface Definition Language для описания имен, аргументов и результатов удаленных процедур.

использовать API для ввода-вывода Windows 2000 для доступа к файлам

удаленного компьютера, как к локальным файлам, при условии, что на удаленном компьютере исполняется MS-NET server.
Перенаправитель (redirector) - это объект клиентской стороны, который пересылает запросы на ввод-вывод удаленных файлов. Эти запросы затем удовлетворяются сервером.
Для повышения производительности и обеспечения безопасности, перенапрпавители и серверы выполняются в режиме ядра.

открытие файла (предполагается, что имя файла – в стандартном формате

UNC).
Менеджер ввода-вывода конструирует пакет запроса на ввод-вывод.
Менеджер ввода-вывода распознает, что это запрос к удаленному файлу, и вызывает специальный драйвер, называемый Multiple Universal Naming Convention Provider (MUP).
MUP посылает пакет запроса на ввод-вывод асинхронно всем зарегистрированным перенаправителям.
Перенаправитель, который может удовлетворить данный запрос, отвечает MUP.
Для того, чтобы не задавать тот же вопрос перенаправителям в будущем, MUP использует кэш-память для запоминания того, какой перенаправитель может работать с этим файлом.

драйверы удаленной системы получают запрос и передают его драйверу сервера.
Драйвер

сервера перепоручает этот запрос драйверу соответствующей файловой системы.
Соответствующий драйвер вызывается для доступа к данным.
Результаты возвращаются драйверу сервера, который пересылает данные перенаправителю, передавшему запрос.

объекту ядра, называемому XXX, путем вызова функции CreateXXX для получения

(открытия) ссылки (handle) на XXX; ссылка уникальна для данного процесса.
Ссылка может быть закрыта вызовом функции CloseHandle; система может удалить данный объект, если счетчик ссылок на него стал равным нулю.
Windows 2000 три способа совместного использования объекта несколькими процессами.
Дочерний процесс наследует ссылку на объект.
Один процесс дает объекту имя при его создании, а другой процесс открывает данное имя.
Функция DuplicateHandle:
Если известна ссылка на процесс и значение ссылки, то другой процесс может получить ссылку на тот же объект.

все DLL, используемые процессом, и создает первичный поток (primary thread).
Дополнительные

потоки могут создаваться функцией CreateThread.
Каждай DLL или exe-файл, загружаемые в адресное пространство процесса, идентифицируются ссылкой на экземпляр (instance handle).

приоритетов 4)
NORMAL_PRIORITY_CLASS (уровень 8 — типичный для большинства процессов
HIGH_PRIORITY_CLASS (уровень

13)
REALTIME_PRIORITY_CLASS (уровень 24)
Для обеспечения уровней произвыодительности, необходимых для интерактивных программ, Windows 2000 использует специальное правило планирования для процессов с NORMAL_PRIORITY_CLASS.
Windows 2000 различает основной процесс (foreground process), который в данный момент выбран на экране, и фоновые процессы (background processes), которые не выбраны в данный момент.
Когда процесс становится основным, Windows 2000 увеличивает его квант планирования в несколько раз, как правило – в три.

того, связан ли он с вводом-выводом или с процессором.
Для синхронизации

доступа к общим объектам несколькими потоками ядро предоставляет синхронизирующие объекты, такие как семафоры и мьютексы (mutexes).
Кроме того, потоки могут синхронизироваться с использованием функций WaitForSingleObject или WaitForMultipleObjects.
Другой метод синхронизации в Win32 API – критическая секция.

которого планируется по алгоритму, определенному пользователем.
В каждый момент времени разрешено

исполняться только одному волокну, даже на многопроцессорной аппаратуре.
Windows 2000/XP/Vista/7 поддерживает концепцию волокон с целью переноса унаследованных (legacy) UNIX-приложений, написанных на основе модели исполнения волокон.

между процессами путем совместного использования разделяемых объектов ядра.
Альтернативный способ взаимодействия

процессов – передача сообщений; он наиболее популярен для Windows GUI - приложений.
Один поток посылает сообщение другому потоку или окну.
Вместе с сообщением поток может также посылать данные.
Каждый поток Win32 имеет свою входную очередь, из которой данный поток получает сообщения.
Это более надежно, чем общая входная очередь, применяемая в 16-битовой версии Windows, так как при использовании отдельных очередей одно подвисшее приложение не может блокировать другие.

резервирования виртуальную память.
VirtualFree освобождает виртуальную память.
Эти функции дают возможность приложению

запомнить виртуальный адрес, по которому была выделена виртуальная память.
Приложение может использовать память, отобразив файл в свое адресное пространство.
Многоэтапный процесс.
Два процесса совместно используют память, отображая один и тот же файл в свою виртуальную память.

(region) зарезенвированного адресного пространства.
Процесс Win 32 создается с кучей, размер

которой по умолчанию равен 1 MB.
Доступ к ней синхронизирован, с целью защиты структур данных, связанных с распределением памяти в куче, от разрушения при совместном доступе из нескольких потоков.
Поскольку функции, которые основаны на глобальных или статических данных, одычно неправильно работают в многопоточном окружении, предоставлен механизм выделения глобальной, но связанной с конкретным потоком памяти (thread-local storage).
Данный механизм предоставляет как статические, так и динамические методы выделения памяти, связанной с потоком.