Skripta Počítače a programování

okamžiku vzniku určité
události a ukončení procesu. Jinak je na běh procesu rozdělen na úroveň uživatelskou a
supervizorovou, tj. rozdělení na část, kdy proces interpretuje instrukce programu a kdy pro
proces pracuje jádro (proces použil některé volání jádra). Mátoha je stav procesu po žádosti o
jeho ukončení, kdy systém ještě nezrušil pro daný proces všechny odpovídající položky v
tabulkách jádra a v co nejkratší době tak učiní.
Odkládací oblast může být také využívána uživatelem pro zefektivnění opakovaného
spouštění procesu nad týmž programem. Soubor, ve kterém je program v systému souborů
uložen, má v tomto případě nastaven tzv. t-bit. T-bit nastavujeme příkazem
$ chmod u+t soubor
kde "soubor" je jméno souboru s programem. Jádro po skončení procesu, který
interpretuje program soubor okopíruje obsah souboru s programem do odkládací oblasti a toto
umístění si poznamená. Při opětném spuštění programu jádro využívá přímého kontaktu s
textem programu v odkládací paměti, takže doba spuštění se tím zkrátí.
Uživatel přihlášený do systému je vlastníkem všech procesů, které interaktivně spustil.
V případě, že se nejedná o privilegovaného uživatele, jádro při spouštění zjišťuje přístupová
práva k souboru, v němž je program uložen. Nemá-li uživatel přístupová práva pro provádění
46 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
(x-bit), program nemlže být spuštěn. Dále je možné, že může program spustit, ale využívá
některé volání jádra, na které má oprávnění pouze superuživatel. V tomto případě proces
nebude pracovat správně. Je ale běžné, že systém umožní v rámci spuštěného programu
privilegovanou akci, a sice tak, že v místě nastaveného bitu proveditelnosti je namísto
označení 'x' označení 's' (tzv. nastavení s-bitu), např.:
# chmod g,o+s soubor
Princip je v tom, že je uživatel v akci regulován programem, který vlastní superuživatel.
Nastavením s-bitu může také obyčejný uživatel dát k dispozici kontrolované manipulace se
svými daty ostatním uživatelům.
Proces je v době běhu v paměti rozdělen na tři části - segmenty. Textový segment
obsahuje instrukce programu a v datovém segmentu jsou datové struktury programu. Pokud
není řečeno jinak, UNIX považuje textový segment za část, která není v době běhu procesu
měnitelná a je-li vytvořeno několik procesů s odkazem na tentýž program (např. editor vi(1),
program getty(8), příkazový interpret sh(1) atd.), běžící procesy sdílí tentýž textový segment.
Každý takový nově vzniklý proces proto požaduje přidělení operační paměti pouze pro datový
segment a zásobník.
Procesy jsou sdružovány do skupin, které nazýváme rodiny procesů. Každý proces má
právo prohlásit se (pomocí volání jádra setpgrp(2)) za vedoucího skupiny (otce rodiny), a tím
se osamostatnit od rodiny, do které dosud patřil. Každý shell se po přihlášení uživatele
prohlašuje za otce rodiny, osamostatňuje se tak a všichni jeho synové (nezaloží-li si také svoji
rodinu) jsou s ním existenčně spjati. Ukončí-li totiž otec rodiny svoji činnost, všichni jeho
synové umírají také (pokud nejsou v supervizorovém režimu). V řádkové komunikaci u
terminálu může uživatel příkazovým řádkem končícím na znak '&' vytvořit proces, který běží,
a uživatel může zadávat další příkazy, tj. vytvářet další procesy, např.
$ cc velkyprog.c &
159
$
(překlad programu v jazyce C), kde vypsané číslo je PID vzniklého procesu. Pokud ale
ještě před dokončením takového procesu dá pokyn k odhlášení, ukončí tak činnost nejen
procesu pro sh (příkazový interpret), ale také procesu pro cc, syn je násilně přerušen. Syna
prohlásíme za samostatného příkazem
$ nohup cc velkyprog.c &
a po odhlášení běží proces cc až do regulérního ukončení.
Komunikace procesů je na základní úrovni zajištěna zasíláním signálů. Signály jsou
číslovány od 1, přitom např. přerušení z klávesnice odpovídá signálu č. 2. Např. proces sh
může poslat svému synu, jehož PID zná, signál č. 2 takto
$ kill -2 159
Jméno příkazu přitom odpovídá dřívějšímu významu použití signálu. Zaslat procesu
signál totiž znamenalo proces ukončit. Výchozí reakce procesu na příchod různých signálů
jsou dnes stanoveny a nemusí to být vždy ukončení. Proces ale může reakci na příchod
signálu měnit, může např. pouze provézt určitou akci a pokračovat dál v činnosti, nebo signál
ignorovat, anebo provést určitou akci a svoji činnost ukončit. Závisí to na způsobu použití
volání jádra signal(2). Proces posílá jinému procesu signál voláním jádra kill(2). Musí ale
znát PID procesu, kterému signál posílá.
Komunikace dvou procesů na úrovni přenosu dat je možná pomocí roury, kdy procesy
pracují podle schématu
PRODUCENT | KONZUMENT
Počítače a programování 1 47
tak, že proces PRODUCENT předává svá výstupní data na vstup procesu
KONZUMENT.
Schéma odpovídá zápisu spojení dvou procesů v příkazovém řádku. Spojení je
provedeno tak, že standardní výstup procesu PRODUCENT je přepnut do části paměti pro
rouru a standardní vstup procesu KONZUMENT je na tutéž paměť napojen jako proces, který
z roury data čte. Roura pracuje sekvenčně způsobem FIFO, KONZUMENT dostává nejprve
data, která PRODUCENT do roury zapsal jako první. Po příkazovém řádku
$ ls | wc -l
nebude výstup procesu ls (seznam souborů) vypisován na obrazovku terminálu, ale
bude zapisován do vytvořené roury a proces wc (příkaz s volbou "-l" počítá řádky
standardního vstupu) bude zpracovávat data čtená z roury. Jádro zajistí pozastavení procesu
PRODUCENT, je-li roura plná, anebo procesu KONZUMENT, je-li roura prázdná.
PRODUCENT uzavírá rouru znakem konce souboru (CTRL-d) a KONZUMENT po přečtení
konce souboru také, čímž roura zaniká.
Komunikace procesů pomocí roury je omezena na procesy, které jsou v přímém
příbuzenském vztahu. Takto nemohou např. spolupracovat procesy vytvořené různými
uživateli. Tento a další problémy při komunikaci procesů řeší část systému nazývaná jako IPC
(Interprocess Communication).
V rámci IPC je možné vytvářet a používat pojmenovanou routu, kdy je roura vytvořena
trvale a spojena se jménem souboru (zvláštního typu). Dále je v IPC možné, aby dva
libovolné procesy spolupracovaly na úrovni předávání zpráv, je možné, aby sdílely data
svých datových oblastí, a konečně je využitelný mechanizmus Dijkstrových semaforů. IPC ale
řeší situaci nejen v rámci jednoho výpočetního systému, ale pomocí schránek také v sítích.
4.3.5 Jádro
Jádro (kernel) je programové vybavení, které pracuje na počítači bez jakékoliv další
programové podpory. e velkým rozhraním mezi uživatelem a technickým vybavením
výpočetního systému. Zajišťuje realizaci odkazů uživatelů nebo procesů na periferie a vůbec
všechny technické zdroje počítače. Dále udržuje a podporuje v činnosti systém souborů a
běžící procesy.
Uživatelská úroveň je jádrem podporována přes rozhraní volání jádra. Stručně řečeno,
program používá volání funkce, která je voláním jádra, a program tak vstupuje do režimu
obsluhy jádrem (proces vstupuje do supervizorové úrovně). Činnost jádra v okamžiku, kdy
zajišťuje určitou akci vyžádanou procesem, je jiným procesem nepřerušitelná. Vzhledem k
časové prodlevě, po kterou proces v supervizorové úrovni zůstává, není vhodný pro řízení
procesů v reálném čase. Snaha vyřešit problém reálného času je dlouholetá, její výsledky se
zatím odrážejí v operačním systému HP-UX od firmy HEWLETT PACKARD, kde je jádro
upraveno tak, aby doba strávená v supervizorové úrovni procesu byla minimalizována. Jiným
příkladem úpravy operačního systému UNIX pro reálný čas je LynxOS rovněž americké
firmy Lynx Real-Time Systems. I verze UNIX SYSTEM V.4 má podle dokumentace možnost
práce procesů v reálném čase. Praktické zkušenosti ale ukazují, že jde prozatím o úpravu
jádra, která nemá reálné využití (interakce ostatních uživatelů se výrazně zpomalí). SVID3
práci v reálném čase už ale zahrnuje.
4.3.6 Uživatelé
Uživatel je poslední entita, která souvisí se základy operačního systému UNIX. V době,
kdy je v systému přihlášen, je uživatel reprezentován akcemi, které vykonává pomocí skupiny
48 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
procesů. Vzhledem k tomu, že je mu v době přihlášení přidělen nový proces shellu, který sám
sebe prohlásí za otce rodiny, odpovídá uživateli rodina procesů tohoto shellu.
Staticky je uživatel reprezentován všemi soubory, u kterých je označen jako vlastník
(zejména jsou to data začínající jeho domovským adresářem). Dále je to uživatelova
registrace v tabulkách souborů "/etc/passwd" a "/etc/group". V "/etc/passwd" odpovídá
registraci jednoho uživatele 1 řádek souboru. Na řádku jsou uvedeny jednotlivé položky
uživatele oddělené znakem ':'. Např.
...
petr:*:236:50:Petr Nevecny, tel 537973:/usr/petr:/bin/sh
...
První položka na řádku je jméno uživatele. Druhá je jeho heslo, které je zde v
zakódované podobě. V současných systémech je na místě položky hesla, pokud je přístup
heslem chráněn, uveden znak '*' (nebo 'x'), a šifrované heslo je uloženo na jiném, běžně
nesdělovaném místě (např. v "/etc/.secure"). Následující položka je číselná identifikace
uživatele, která je v rámci instalace jedinečná (zde 236). Tato hodnota je např. uložena v i-
uzlu souboru, který uživatel vlastní. Dále následuje identifikace skupiny, do které uživatel
patří (50).
Položka identifikace skupiny koresponduje se souborem "/etc/group", kde je uveden
seznam všech skupin, na každém řádku jedna, např.
...
group::50:jan,petr
...
a položky mají po řadě význam: jméno skupiny, heslo (uvedená skupina je bez hesla),
číselná identifikace a seznam uživatelů patřících do skupiny a oddělených znakem ','. Uživatel
236 tedy patří do skupiny se jménem "group".
Další položka "/etc/passwd" po čísle skupiny je komentář. Následuje cesta k
domovskému adresáři, podle ní shell nastavuje uživateli pracovní adresář v době přihlášení.
Konečně poslední položkou je cesta k programu, který bude spuštěn jako příkazový interpret
pro přihlášení uživatele. Tato položka bývá naplněna buď "/bin/sh" (Bourne shell) nebo
"/bin/csh" (C-shell), anebo kteroukoliv jinou aplikací, která je schopna vést dialog s
uživatelem u terminálu. Výhodou je, že při ukončení činnosti (ať už regulérního nebo z
důvodů havárie programu) je uživatel odhlášen, takže nezůstává po ukončení aplikace v
systému a nemůže neodborným zásahem poškodit uložená data. Je-li v souboru "/etc/passwd"
poslední položka na řádku vynechána (řádek končí znakem ':'), uživateli je standardně
spouštěn program souboru "/bin/sh".
Počítače a programování 1 49
5 Přenos informací a počítačové sítě
Pod pojmem počítačová síť (dále jen síť) si lze představit skupinu uzlů navzájem
propojených komunikačními kanály. Sítě mohou být navzájem propojeny s jinými sítěmi a
mohou také obsahovat podsítě. Uzly sítě mohou být:
► koncová zařízení (například uživatelské počítače, servery),
► sdílená zařízení (např. tiskárny, scannery),
► propojovací zařízení (např. přepínače).
Pro klasifikaci sítí lze použít různá kritéria. Nejčastěji používaná jsou:
► Prostor, který příslušná síť pokrývá (např. lokální sítě, rozlehlé sítě).
► Způsob, jakým jsou navzájem propojeny jednotlivé uzly sítě - síťová topologie
(např. sběrnicová topologie).
► Způsob vysílání datových signálů - technika řízení přístupu k přenosovému médiu
(např. Ethernet).
► Typ přenosové technologie - typ síťové architektury (např. sítě TCP/IP).
► Typ informace, která je přenášena (sítě hlasové, datové, kombinované).
► Způsob správy uživatelských přístupů do sítě (sítě privátní a sítě veřejné).
► Typ fyzických spojů (média) použitých v infrastruktuře sítě (např. sítě s optickými
kabely, sítě s koaxiálními kabely, sítě s kroucenými dvoulinkami).
Úkolem sítě je zajistit komunikaci mezi uzly pro přenos informace a pro sdílení
prostředků. Informace jsou na zdrojovém systému formovány do tzv. zpráv. Zprávy kromě
vlastních uživatelských dat obsahují i data režijní (např. adresy), která jsou určena nejen
cílovému systému, ale také systémům mezilehlým, přes které je zpráva přenášena. Přenosové
technologie mají omezen max. objem dat, která mohou být v jedné zprávě přenesena. Pokud
by požadovaná zpráva překročila tento limit, původní zpráva je na vysílací straně rozdělena
na potřebný počet částí, z nichž každá je opatřena nutnými režijními daty. Takto vznikají
základní datové jednotky určené k přenosu, zvané datové pakety.
5.1 Základy propojování prostředků
5.1.1 Referenční model OSI
V průběhu dvacátého století došlo k prudkému rozvoji výpočetní technologie, zejména
vzrostl počet propojení počítačů a počítačových sítí. S tím souvisela potřeba zajistit
vzájemnou bezproblémovou propojitelnost různých systémů pro možnost sdílení jejich
výpočetních zdrojů a vzájemnou komunikaci. Problém kompatibility je řešitelný jen
standardem, popisujícím jednotnou síťovou architekturu pro volně připojitelná koncová
zařízení sítě, tzv. otevřené systémy. Za všech standardů se ustálil vrstvový model předložený
Mezinárodní standardizační organizací (ISO), která publikovala v roce 1984 mezinárodní
normu IS 7498 nazvanou Referenční model OSI (Open Systems Interconnection). Standard
řeší nejenom síťová propojení, ale také formáty a organizaci dat (informace) pro možnost
poskytování distribuovaných informačních služeb.
50 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Pro zajištění kompatibility sítí je nutné, aby komunikující zařízení splňovala řadu
kritérií: mechanická, elektrická, obvodová, protokolová a další. Výše uvedený referenční
model byl zaveden pro sjednocení těchto kritérií a sjednocení popisu kompatibility sítí.
Princip vrstvového řízení datové komunikace vychází z myšlenky rozdělení činností při
komunikaci nejen v horizontálním směru datového řetězce, ale i ve směru vertikálního členění
datových prostředků. Vrstvy referenčního modelu OSI jsou charakterizovány svým účelem –
funkcemi, které jsou na dané vrstvě vykonávány. Důležitou vlastností modelu OSI je, že nemá
platnost jen pro existující systémy a datové řetězce, ale je možné jej použít i pro nové
aplikace. To je zajištěnou jeho otevřeností. Každá z níže popsaných vrstev je do značné míry
nezávislá a může být i nezávisle rozšiřována. Struktura vlastního referenčního modelu OSI je
uvedena na Obrázek 5.1.
Obrázek 5.1: Sedmivrstvá architektura referenčního modelu OSI.
Fyzická vrstva
Fyzická vrstva popisuje elektrické, mechanické, procedurální a funkční specifikace pro
aktivaci, deaktivaci a použití fyzického spojení mezi médiem a komunikujícím zařízením.
Jsou to například: úrovně napětí, časování změn, maximální délka média, použité konektory.
Některé specifikace ve své definici překrývají i linkovou vrstvu, např. Ethernet.
Linková vrstva
Linková (spojová) vrstva definuje způsob spolehlivého přenosu dat přes fyzické síťové
médium. Je zde popsáno fyzické adresování, topologie sítě, nebo způsoby zjišťování chyb v
přenosu. Linková vrstva bývá rozdělována do dvou podvrstev:
► podvrstva logického řízení linky (LLC),
► podvrstva přístupu na médium (MAC).
Důležité je především fyzické adresování na podvrstvě přístupu k médiu. Fyzické
adresy (tzv. MAC adresy) definují, jak jsou identifikována komunikační zařízení na úrovni
linkové vrstvy.
Síťová vrstva
Síťová vrstva poskytuje funkce zajišťující směrování. To je nezbytné pro existenci
různých datových spojů v jedné síti.
aplikační vrstva
prezentační vrstva
relační vrstva
transportní vrstva
síťová vrstva
linková vrstva
fyzická vrstva
7
6
5
4
3
2
1
Počítače a programování 1 51
Transportní vrstva
Transportní vrstva implementuje metody spolehlivého přenosu dat. Mezi její
nejdůležitější funkce patří zejména:
► řízení přenosu mezi komunikujícími zařízeními tak, že vysílající zařízení neodesílá
více dat, než je schopno přijímající zařízení přijmout,
► koncentrování dat z více zdrojů do jediného fyzického spoje metodou multiplexu,
► provoz virtuálních spojů (sestavení, využití a ukončení),
► zajištění detekce a opravy chyb přenosu.
Relační vrstva
Základním úkolem relační vrstvy je sestavení, provoz a ukončení komunikační relace
mezi jednotlivými prvky nadřízené prezentační vrstvy. Komunikační relace je tvořena
vyžádáním služby a odezvou na požadavek služby.
Prezentační vrstva
Úkolem prezentační vrstvy je zajištění kódování, konverze a šifrování dat tak, aby byly
informace čitelné v jiné aplikační vrstvě (realizované na jiném systému).
Aplikační vrstva
Aplikační vrstva slouží přímo uživatelskému programu. Její funkcí je především
identifikace komunikujících partnerů, určení dostupnosti potřebných zdrojů a synchronizace
komunikace.
5.1.2 Informační jednotky přenosu dat
V sítích se při přenosu dat používají jisté jednotky, tzn. balíky dat. Jejich názvosloví
kolísá a je obvykle zaměňováno. Jedná se především o pojmy: rámec, paket, datagram,
segment, zpráva a datová buňka.
Rámec
Rámec je informační jednotka, jejíž zdroj a příjemce leží na linkové vrstvě modelu OSI.
Rámec se skládá ze záhlaví a závěru linkové vrstvy, mezi nimiž jsou umístěna data nadřízené
vrstvy.
Paket
Paket je informační jednotka, jejíž zdroj a příjemce leží na úrovni síťové vrstvy. Paket
je opět ohraničen záhlavím a závěrem, , mezi nimiž jsou umístěna data nadřízené vrstvy.
Datagram
Datagram (často zaměňován za paket) je informační jednotka, jejíž zdroj a příjemce leží
na úrovni síťové vrstvy stejně jako v případě paketu. Rozdíl mezi paketem a datagramem je v
kontextu jejich používání. Pojem datagram se používá tam, kde spojení je již sestaveno, tzn. u
pevných okruhů.
Segment
Segment je informační jednotkou na úrovni transportní vrstvy.
Zpráva
Zpráva je označením datové jednotky, kde zdroj i příjemce leží nad síťovou vrstvou.
52 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Datová buňka
Označuje informační jednotku pevné velikosti, kde zdroj i příjemce leží v linkové
vrstvě. Datová buňka obsahuje pouze záhlaví a data.
5.2 Typy sítí
Počítačové sítě lze dělit podle kritérií uvedených na začátku kapitoly 5.
5.2.1 Sítě podle rozlehlosti
Lokální sítě – LAN (Local Area Network)
Lokální síť (LAN) je síť pokrývající zhruba jednu místnost až jednu budovu
1
(zhruba 5-
100 koncových zařízení). LAN spojuje, především osobní počítače, pracovní stanice, servery
a ostatní zařízení poskytující sdílené služby (např. síťové tiskárny, scannery, atd.).
Vzdálenosti propojení bývají poměrně krátké (řádově desítky metrů). V LAN se používají
také propojovací zařízení pro propojení jednotlivých segmentů sítě a pro její spojení s okolím.
Jsou to zejména
► Rozbočovače (HUB) - zařízení, kde dochází k větvení datového spoje. Data
přicházející z jednoho nebo více směrů jsou předávána do jednoho nebo více jiných
směrů. Z topologického hlediska představuje HUB sběrnici zborcenou do jednoho
bodu.
► Přepínače (switch) - zařízení, ve kterém se, podobně jako v rozbočovači, schází
několik datových spojů. Na rozdíl od rozbočovače dochází v přepínači k
automatické volbě směru odcházejících dat. Data se šíří na základě znalosti
přilehlých síťových segmentů do jednoho určitého spoje, který vede k cílovému
zařízení.
► Směrovače (router) - zařízení, které určuje další uzel, do kterého mají být předána
data na cestě směřující do místa jejich určení. Směrovač tedy propojuje minimálně
dvě podsítě LAN, přičemž určuje cestu pro každý datový paket, který jím prochází.
Metropolitní sítě – MAN (Metropolitan Area Network)
Metropolitní síť (MAN) je síť, která propojuje uživatele určitých geografických oblastí
nebo regionů, které jsou zpravidla rozlehlejší než plochy, které pokrývají sítě lokální, ale
menší než pokrytí sítí rozlehlých (WAN). Pojem MAN má ch