Bakalářská státnice - Informatika - Základy informatiky - ISPS - Architektura počítačů a operačních systémů

zpět: Bakalářská státnice - Informatika - Základy informatiky - obor Správa počítačových systémů

zdroje:

• Přednáška Principy počítačů (David Obdržálek)
• Přednáška Základy operačních systémů
• Architektury počítačů a procesorů (ČWUT)
• Skripta Operační systémy (PDF, Petr Kolář)

Architektury počítače

• von Neumannova architektura
  • koncepce programovatelného počítače
  • ALU, řadič, operační paměť, vstupní zařízení, výstupní zařízení

• Harvardská architektura
  • oddělená paměť pro instrukce a pro data

víceúrovňová organizace počítače:

• mikroprogramová úroveň
• strojový jazyk počítače
• úroveň operačního systému
• úroveň assembleru
• úroveň vyšších programovacích jazyků
• úroveň aplikaních programů

architektura říká:

• z jakých částí se počítač skládá
• význam částí
• jak se jednotlivé části ovládají
• jak spolu části komunikují

architektura zahrnuje:

• základní datové struktury a reprezentace dat
• adresové konvence
• instrukční soubor a registrový model
• řízení chodu, stavy počítače, přerušení
• vstupy a výstupy, přenos dat
• šíře datových cest
• stupeň sdílení
• definice specializovaných jednotek
• paralelismy
• organizace paměti a I/O
• stupeň predikce

Procesory, multiprocesory

wcs:Procesor

• CPU – central processing unit
• CISC (Complex Instruction Set Computer) - komplexní instrukční sady, různé varianty instrukcí
• RISC (Reduced Instruction Set Computer) - jen nejpoužívanější instrukce, jejich optimalizace, komplexnější věci ponechány na kompilátoru
• Post-RISC - využití nových metod a toho nejlepšího z CISC a RISC

• instrukce = řetězec symbolů, které při interpretaci procesorem způsobí jednoznačnou a definovanou změnu stavu stroje

součásti procesoru:

• řadič
• sada registrů
• ALU - aritmeticko-logické jednotky
• FPU - jednotky pro operace v plovoucí řádové čárce
• cache

dělení procesorů:

• 16bit, 32bit, 64bit
• frekvence jádra
• architektury - x86, x86-64, PowerPC, SPARC (Sun Microsystems), MIPS, Alpha, ...

zvyšování výkonu:

• pipeline
• simultánní multithreading - více vláken
• predikce hodnoty a skoků

• SMP (Symmetric multiprocessing) - více procesorů se sdílenou operační pamětí

Sběrnice, protokoly

• struktura sběrnice - datové linky, adresové linky, řídící linky
• synchronní přenos - vznik události je dán hodinovým signálem
• asynchronní přenos - vznik události je určen předcházející událostí

• parametry sběrnice
  • datová šířka - počet přenášených bitů v jednom okamžiku
  • kapacita - počet bitů přenesených za čas
  • rychlost - kapacita sběrnice normovaná k jednotce informace

• řízení požadavků
  • centrální - náhodné, dle pořadí vzniku, prioritní
  • distribuované - kolizní, token bus, prioritní linka - daisy chain

• přenos dat po sběrnici
  • za účasti procesoru: zdroj -> CPU -> cíl
  • bez účasti procesoru
    • dávkový režim - domluva mezi CPU a řadičem na době obsazení sběrnice
    • kradení cyklů - řadič na dobu přenosu "uspí" procesor
    • transparentní režim - řadič rozezná, kdy procesor nepoužívá sběrnici, obvykle nelze větší přenosy najednou
    • DMA (Direct Memory Access) - speciální jednotka pro provádění přenosů

příklady:

• ISA, EISA
• ATA, ATAPI - UltraDMA, Serial-ATA (SATA)
• SCSI (Small Computer System Interface)
• PCI, PCI-X, PCI Express
• AGP (Advanced Graphics Port)
• USB (Universal Serial Bus)
• FireWire (IEEE 1394)
• RS485
• $ I^2C $

příbuzné:

• IrDA
• Bluetooth
• Wi-Fi, WiMAX

Vstupní a výstupní zařízení, přenos dat

• druhy přístupu
  • port - speciální adresový prostor CPU
  • paměťově mapované - mapování do fyzické paměti

charakteristiky zařízení:

• druh - blokové, znakové
• přístup - sekvenční, náhodný
• komunikace - synchronní (na žádost), asynchronní ("nevyžádaná" data)
• sdílení - sdílené (preemptivní, lze odebrat), vyhrazené (nepreemptivní, tiskárna, spooling)
• rychlost
• směr dat - R/W, R/O (CD-ROM), W/O (tiskárna)

přenos dat:

• polling - aktivní čekání na změnu zařízení, přenos provádí CPU
• přerušení - asynchronní přerušení od zařízení, přenos provádí CPU
• DMA (Direct Memory Access)
  • zařízení si samo řídí přístup na sběrnici a přenáší data z/do paměti
  • po skončení přenosu přerušení (oznámení o dokončení)

Technologie dálkového přenosu dat

?? nejsem si jist, co sem má patřit, nejspíš kapitola "Propojovací sítě" z principů počítačů, ostatní věci jsou až v okruhu "Sítě a internetové technologie"

dělení propojovacích sítí:

• statické - spojovací cesty zůstávají neměnné
• dynamické - spojovací cesty vznikají a zanikají - lokální/centrální řízení
  • křížové přepínače (propojovací pole)
  • propojovací sítě s výměnou
  • víceúrovňové propojovací sítě - blokující, neblokující, přestavitelné
  • válcové posouvače

• řízení dynamické sítě
  • centrální / distribuované
  • synchronní / asynchronní časování
  • přepínání zpráv / okruhy / virtuální okruhy

• lineární síť
• hvězdicová topologie
• kruhová síť
• úplný graf
• planární topologie
• hyperkrychle
• stromy

• embedding - logická struktura sítě není vázána s fyzickou strukturou

Velkokapacitní záznamová média, zálohování, technologie ukládání a zabezpečení záznamů

?? co sem patří? informace níže převzaty z předmětu Ochrana informace

Záložní média:

• výměnná média
  • diskety, optické disky
  • streamery (pásková zařízení)
  • DAT - modernější obdoba streamerů
  • výměnné disky
  • WORM disky
• nevýměnná média
  • další disk
  • disk mirroring -> RAID
  • clusterování, duplexing

Typy záloh:

• model Grandfather-Father-Son
• úplná záloha
• rozdílová (diferenciální) záloha - změny oproti poslední úplné
• přírůstková (inkrementální) záloha - změny oproti předchozí přírůstkové

Uložení záložních kopií:

• význačné záložní kopie na vzdálených bezpečných místech - pro případ katastrof
• další zálohy ukládat blízko - pro případ smazání dat a rychlou obnovu - menší "katastrofy"

Obnova provozu:

• cold site - hardware zapojený a připravený v dedikované lokalitě pro případ katastrofy (je třeba nainstalovat SW a nakopírovat data)
• hot site - navíc řipravený software, stačí jen dodat data

další související pojmy:

• CRC (Cyclic redundancy check)
• šifrování

Architektury OS

• monolitická struktura
• virtuální stroje
• mikrojádro
• architektura Windows, Unix

Vztah OS a HW, obsluha přerušení

zjištění změny stavu I/O zařízení:

• asynchronní přerušení - zašle zařízení
• polling - peridická kontrola stavu zařízení

druhy přerušení:

• synchronní - záměrně, výjimky (nesprávné chování procesu) - zpracuje se okamžitě
• asynchronní - vnější událost (např. příchod dat) - zpracuje se po dokončení aktuální instrukce

obsluha přerušení:

• OS se ujme řízení
• uloží se stav CPU (obsah registrů, čítač, ...)
• analyzuje se přerušení, vyvolá se příslušná obsluha (pokud není přerušení blokováno)
• obslouží se přerušení
• obnoví se stav CPU a aplikace pokračuje, popř. může dojít k přeplánování

I/O software (vrstvy):

• uživatelský I/O software
• I/O nezávislý subsystém
• ovladače zařízení
• obsluha přerušení

cíle I/O software:

• nezávislost zařízení - programy nemusí vědět, s jakým přesně pracují
• jednotné pojmenování (/dev)
• připojení (mount) - vyměnitelná zařízení
• obsluha chyb

Procesy, vlákna, plánování

• proces - adresový prostor, prostředky, práva, signály
• vlákno - programový čítač, registry CPU, zásobník
• procesy a vlákna ve Windows a Unix
• stavy procesu - připraven, běžící, blokován, zombie (v Unixu)
• kontext procesu (stav CPU, registry, zásobník, programový čítač aj.)

• plánování
  • preemptivní x nepreemptivní
  • cíle - spravedlnost, efektivnost, doba odpovědi, průchodnost, minimální režie OS
  • kritéria - vázanost procesu na CPU a I/O, proces dávkový/interaktivní, priority, výpadky stránek, skutečný CPU čas
  • priorita = statická + dynamická

• plánovací algoritmy
  • FIFO
  • Round Robin
  • více front se zpětnou vazbou
  • plánování v SMP - fronta CPU čekajících na připravené procesy, afinita procesů k CPU

• plánování ve Windows a Unixu (Linuxu)
• kooperativní multitasking

Synchronizační primitiva, vzájemné vyloučení

• race conditions, vzájemné vyloučení (mutual exclusion), kritická sekce

• aktivní čekání
  • Petersonovo řešení
  • instrukce TSL - spin-lock

• pasivní čekání
  • zámky (mutex)
  • monitory
  • semafory - operace UP a DOWN, čítač
  • zprávy - operace SEND a RECEIVE, zablokování odesílatele/příjemce, adresace proces/mailbox, randez-vous
  • RWL - read-write lock
  • bariéry

• Windows - jednotné funkce pro pasívní čekání, čekání na více primitiv, timeouty
• Unix - OS implementuje semafor, knihovna pthread

Zablokování a zotavení z něj

• prostředky - odnímatelné vs. neodnímatelné
• práce s prostředky - žádost o prostředek, používání, odevzdání
• zablokování množiny procesů

• Coffmanovy podmínky - nutné podmínky pro zablokování
  • vzájemné vyloučení
  • drž a čekej
  • neodnímatelnost
  • čekání do kruhu

• řešení zablokování
  • Pštrosí algoritmus - neřeší se, zablokovaný proces ukončí uživatel
  • detekce a zotavení - modelování žádostí o prostředky orientovaným grafem, odebírání prostředků, zabíjení procesů, rollback procesů

• vyhýbání se zablokování
  • bezpečný stav systému - vždy existuje cesta k uspokojení požadavků procesů
  • bankéřův algoritmus

• prevence
  • spooling
  • drž a čekej
  • čekání do kruhu
  • dvojfázové zamykání

Organizace paměti, alokační algoritmy

Hierarchie paměti:

• registry
• cache
• hlavní paměť - operační, RAM
• pomocná paměť - disk
• zálohovací paměť - často jen sekvenční přístup

• správce paměti (memory manager) - správa, rozdělení a přidělování
• přiřazení adresy - při překladu, při zavádění (relokace), za běhu (dynamicky)
• overlay
• výměna - swapping na disk
• spojité přidělování
• informace o volném místě - bitová mapa, spojový seznam volných bloků
• fragmentace paměti
  • externí - volný prostor rozdělen na malé kousky
  • interní - nevyužití celého přiděleného prostoru
  • sesypání - nelze při statickém přidělení adresy

Alokační algoritmy:

• First-fit - první volný dostatečné velikosti - rychlý
• Next-fit - další volný dostatečné velikosti - rychlejší
• Best-fit - nejmenší volný dostatečné velikosti - pomalý (prohledává celý seznam), zanechává malinké díry
• Worst-fit - největší volný - pomalý (prohledává celý seznam), rozdělí velké díry
• Buddy systém - štěpení, slučování volných bloků

Principy virtuální paměti, stránkování, algoritmy pro výměnu stránek, výpadek stránky, stránkovací tabulky, segmentace

Virtuální paměť: (Virtual memory)

• procesy pracují s virtuální adresou
• mapování adresy na fyzickou - mapovací tabulky
• obraz virtuální paměti (VAP) částečně v RAM a částečně na disku
• iluze větší paměti, ochrana přístupu
• stránkování / segmantace

Stránkování: (Paging)

• VAP rozdělen na stránky, FAP na rámce (úseky stejné délky)
• převod stránkovací tabulkou, příznak existence mapování (výpadek stránky -> synchronní přerušení)
• sdílená paměť - mapování virtuální stránky 2 procesů do jedné fyzické
• víceúrovňové stránkování
• TLB - asociativní paměť, lokalita chování programů (Translation Lookaside Buffer)
• nulaúrovňové stránkování - pouze TLB, řízeno také OS
• inverzní stránkování

Algoritmy pro výměnu stránek: (Page replacement algorithm)

• optimální stránka - nelze implementovat
• NRU (Not Recently Used) - příznaky Accessed a Dirty
• FIFO, druhá šance
• hodiny
• LRU (Least Recently Used) - často používané stránky v posledním krátkém časovém úšeku budou znovu použity, čítač použití stránek
• NFU (Not Frequently Used) - SQ simulace LRU, čítač ke každé stránce

Segmentace: (Segmentation)

• rozdělení programu na segmenty, různé délky segmentů
• VAP dvourozměnrý (segment, offset), FAP jednorozměrný
• segmentová převodní tabulka, příznak existence mapování, výpadek segmentu

Systémy souborů, adresářové struktury

• soubor = pojmenovaná množina souvisejících informací, která leží v pomocné paměti (na disku), abstrakce
• pojmenování souboru
• atributy souborů - jméno, typ, umístění, velikost, ochrana, časy, vlastník, ...
• struktura souborů - sekvence bajtů / sekvence záznamů / strom
• typy souborů - běžné soubory, adresáře, speciální soubory
• přístup - sekvenční, náhodný
• paměťově mapované soubory - pojmenovaná virtuální paměť, práce se souborem instrukcemi pro práci s pamětí
• volné místo na disku - bitmapa / spojový seznam volných bloků

• adresáře - kořen, hierarchická struktura, aktuální adresář, absolutní/relativní cesta
• softlink, hardlink
• implementace adresářů - záznamy pevné velikosti, spojový seznam, B-stromy

• uložení souborů
  • souvislá alokace - souvislý sled bloků
  • spojovaná alokace - blok odkazuje na další
  • indexová alokace - inode (UNIX)

• NTFS - charakteristika, MFT, run list
• ext2/ext3 - struktura, inode, žurnál

plánování pohybu hlav disků:

• FCFS (First-Come, First-Served) - žádné plánování, fronta požadavků, jeden za druhým
• SSTF (Shortest Seek Time First) - krajní žádosti mohou "hladovět"
• LOOK (výtah), C-LOOK (circular LOOK) - pohyb jen jedním směrem, na konci otočka

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks)

• JBOD
• RAID 0 - striping, žádná redundance
• RAID 1 - mirroring, redundance
• RAID 0+1
• RAID 2 - 7-bitový paritní Hammingův kód
• RAID 3 - 1 paritní disk, po bitech na disky
• RAID 4 - 1 paritní disk a striping
• RAID 5 - distribuovaná parita a striping
• RAID 6 - distribuovaná parita a P+Q striping

Bezpečnost, autentifikace, autorizace, přístupová práva

• ochrana - s prostředky OS mohou pracovat pouze autorizované procesy
• bezpečnost - zabraňuje neautorizovanému přístupu do systému

Domény ochrany:

• právo - povolení/zákaz k vykonání nějaké operace
• autorizace - zjištění oprávněnosti požadavku
• doména je množina párů (objekt:práva)
• ACL (Access Control List) - ke každému objektu seznam práv pro uživatele/skupiny
• C-list (Capability list) - ke každému uživateli/skupině seznam práv pro objekty

Autentifikace:

• = identifikace něčím, co uživatel ví, má nebo je
• hesla
• otázka - odpověď
• fyzické tokeny - USB klíče, smart cards
• biometriky

Druhy útoků a obrana proti nim

Cíle útoků:

• důvěrnost dat - zjištění obsahu dat
• celistvost dat - změna obsahu dat
• dostupnost systému - DoS, DDoS

Útočníci:

• náhodný přístup prostým uživatelem - nedbalost, neodbornost
• odborný vnitřní pracovník
• vnitřní programátor
• špionáž

Ztráta dat:

• "Boží" zásah
• HW nebo SW chyby
• lidské chyby

Vnitřní útoky:

• trojský kůň
• login spoofing - falešná přihlašovací obrazovka
• logická bomba
• zadní dvířka (trap door, back door)
• buffer overflow - vykonání podstrčeného kódu, který přetekl vlivem neošetřeného vstupu na zásobník

Vnější útoky:

• virus
• worm - Internetový červ
• mobilní kód - applety, interpretované programy

Obrana:

• zálohování
• bezpečnostní politika
• bezpečnostní programy - antivir, antispam, IDS (Intrusion Detection System)
• filtrování dat - firewally
• šifrování
• ...

Kryptografické algoritmy a protokoly

Cíle kryptografie:

• důvěrnost dat
• celistvost dat
• autentifikace - od koho
• nepopiratelnost

• kryptografický systém: plaintext, ciphertext, šifrovací a dešifrovací klíče, generování klíčů, šifrování, dešifrování
• náhodné posloupnosti - HW generátory, SW generátory, pseudonáhodné generátory
• hashovací funkce
• blokové / proudové šifry
• hybridní šifrování

• symetrické šifrování
  • stejný klíč pro šifrování i dešifrování
  • velká propustnost, rychlé
  • oba klíče musí zůstat utajeny
  • příklady: DES, AES, Blowfish

• asymetrické šifrování
  • veřejný a privátní klíč
  • mnohem pomalejší
  • příklady: RSA, DSA (ElGamal)

• protokol Diffie-Hellman pro výměnu klíčů

útoky na protokoly:

• přehrání zachycené zprávy
• man-in-the-middle
• paralelní spojení
• odražení (reflection)
• prokládání
• chyba typu
• vypuštění jména
• chybné použití šifrovací služby