1/45
PB153
OPERAČNÍ SYSTÉMY
A JEJICH ROZHRANÍ
Principyvýstavby OS
04
2/45
 Existuje řada přístupů a implementací
● jedno velké monolitické jádro
● modulární, hierarchický přístup
● malé jádro a samostatné procesy
 Struktura mnoha OS je poznamenána historií OS
a původními záměry, které se mohou od
současného stavu radikálně lišit
VNITŘNÍ STRUKTURA OS
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
3/45
PŘÍKLAD: MS-DOS
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
application program
resident system program
MS-DOS device drivers
ROM BIOS device drivers
4/45
 Při programování pro OS MS-DOS využíváme služeb
● spuštěných rezidentních programů
● např. ovladač myši (poskytuje služby na INT 33h)
● operačního systému
● např. přístup k souborům (INT 21h)
● BIOSu
● např. nastavení grafického režimu (INT 10h)
● přímo HW
● např. přímo zápis do videopaměti pro zobrazení dat
PŘÍKLAD MS-DOS (2)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
5/45
 Změna fontů v textovém režimu (bez využití služeb BIOSu, OS, přímo HW)
asm cli;
outport(0x3c4,0x0402);
outport(0x3c4,0x0704);
outport(0x3ce,0x0204);
outport(0x3ce,0x0005);
outport(0x3ce,0x0406);
for(i=0;i<=254;i++)
{ for(j=0;j<=15;j++)
{p=MK_FP(0xa000,32*i+j);
*p=font[y]; y++; } }
outport(0x3c4,0x0302);
outport(0x3c4,0x0304);
outport(0x3ce,0x0004);
outport(0x3ce,0x1005);
outport(0x3ce,0x0e06);
asm sti;
PŘÍKLAD MS-DOS (3)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
6/45
 Hlavní cíl návrhu
● maximální možná funkcionalita v co nejmenším
prostoru
 Výsledek
● modulová architektura není aplikovaná
● i když MS-DOS má jistou strukturu, jeho rozhraní a
jednotlivé komponenty nejsou důsledně separovány a
uspořádány
PŘÍKLAD MS-DOS (4)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
7/45
 Také omezen hardwarem
● vznik v polovině 70. let
 OS Unix sestává ze 2 částí
● systémové programy
● jádro
● vše, co se nachází pod rozhraním volání systému a nad
fyzickým hardware
● obstarává plnění funkcí z oblastí systému souborů, plánování
CPU, správy paměti, …
● vrstvová architektura sice existuje, ale hodně funkcí je na jedné
úrovni
PŘÍKLAD UNIX
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
8/45
PŘÍKLAD UNIX (2)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
(the users)
shells and commands
compilers and interpreters
system libraries
signals terminal
handling
character I/O system
terminal drivers
file system
swapping block I/O
system
disk and tape drivers
CPU schelduling
page replacement
demand paging
virtual memory
system-call interface to the kernel
kernel interface to the hardware
terminal controllers
terminals
device controllers
disks and tapes
memory controllers
physical memory
9/45
PŘÍKLAD: UNIX (3)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
10/45
 V roce 1979 koupil
Microsoft licenci na
Unix verze 7 od
AT&T.
 V roce 1987 předal
Microsft Xenix firmě
SCO.
 Koncem 80. let byl
Xenix pravděpodobně
nejrozšířenějším OS
unixového typu podle
počtu strojů, na
kterých běžel
XENIX
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
11/45
PŘÍKLAD OS/2
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
application application application
application-programming interface API extension
subsystemsubsystemsubsystem
system
kernel
• memory management
• task dispatching
• device management
device driver device driver device driver device driver
12/45
 OS se dělí do jistého počtu vrstev (úrovní)
 Každá vrstva je budována na funkcionalitě
nižších vrstev
 Nejnižší vrstva (0) je hardware
 Nejvyšší vrstva je uživatelské rozhraní
 Pomocí principu modulů jsou vrstvy vybírány tak,
aby každá používala funkcí (operací) a služeb
pouze vrstvy n – 1
HIERARCHICKÁ VRSTVOVÁ ARCHITEKTURA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
13/45
HIERARCHICKÁ ARCHITEKTURA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
new
operations
existing
operations
hidden
operations
layer M
layer M - 1
14/45
 Řeší problém přílišné složitosti velkého systému
● Provádí se dekompozice velkého problému na několik
menších zvládnutelných problémů
 Každá úroveň řeší konzistentní podmnožinu funkcí
 Nižší vrstva nabízí vyšší vrstvě „primitivní“ funkce
(služby)
 Nižší vrstva nemůže požadovat provedení služeb
vyšší vrstvy
 Používají se přesně definovaná rozhraní
● Jednu vrstvu lze uvnitř modifikovat, aniž to ovlivní
ostatní vrstvy – princip modularity
HIERARCHICKÁ STRUKTURA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
15/45
 Výhodou je modularita OS
 Nevýhodou je především vyšší režie a tím pomalejší
vykonávání systémových volání
 Protože efektivita hraje v jádře OS významnou roli je
třeba volit kompromis
● pouze omezený počet úrovní pokrývající vyšší
funkcionalitu
● příklad: první verze Windows NT měly hierarchickou
strukturu s řadou vrstev, avšak pro zvýšení výkonu OS
bylo ve verzi NT 4.0 rozhodnuto přesunout více
funkcionality do jádra a sloučit některé vrstvy
HIERARCHICKÁ STRUKTURA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
16/45
PŘÍKLAD: LINUX
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
17/45
 Klasický OS (non-process kernel OS)
● OS je prováděn jako samostatná entita v privilegovaném režimu
● procesy – jen uživatelské programy
 Služba se provádí jako součást jádra
 Služba se provádí v rámci procesů
● obecně lze celý OS provádět v kontextu uživatelského procesu
● Leží v jeho adresovém prostoru
● přerušení (volání služby OS) vyvolává implicitně pouze přepnutí
režimu procesoru (z uživatelského do privilegovaného), ne změnu
kontextu
● k přepínání kontextu procesů dochází jen tehdy, je-li to nutné z
hlediska plánování
● pro volání procedur v rámci jádra se používá samostatný zásobník
● program a data OS jsou ve sdíleném adresovém prostoru a sdílí je
všechny uživatelské procesy
PROVÁDĚNÍ SLUŽEB V KLASICKÉM OS
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
18/45
 OS je souhrnem systémových procesů
 Jádro tyto systémové procesy separuje,
ale umožňuje jim synchronizaci a komunikaci
 Snaha o provádění co nejmenší části kódu
v privilegovaném režimu procesoru
 V krajním případě je jádro pouze ústředna
pro přepojování zpráv
 Takové řešení OS je snadno implementovatelné
na multiprocesorových systémech
 Malé jádro - mikrojádro
SLUŽBY V PROCESOVĚ KONSTRUOVANÉM OS
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
19/45
 Microkernel System Structure
 Malé jádro OS plnící pouze několik málo nezbytných
funkcí
● primitivní správa paměti (adresový prostor)
● komunikace mezi procesy – Interprocess
communication (IPC)
 Většina funkcí z jádra se přesouvá do „uživatelské“
oblasti
● ovladače HW zařízení, služby systému souborů,
virtualizace paměti …
● mezi uživatelskými procesy se komunikuje předáváním
zpráv
STRUKTURA S MIKROJÁDREM
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
20/45
 Výhody mikrojádra
● snadná přenositelnost OS, jádro je malé
● vyšší spolehlivost (moduly mají jasné API a jsou snadněji
testovatelné)
● vyšší bezpečnost (méně kódu OS běží v režimu jádra)
● flexibilita (jednodušší modifikace, přidání, odebrání modulů)
● všechny služby jsou poskytovány jednotně (výměnou zpráv)
 Nevýhoda mikrojádra
● zvýšená režie
● volání služeb je nahrazeno výměnou zpráv mezi procesy
STRUKTURA S MIKROJÁDREM (2)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
21/45
MIKROJÁDRO A MONOLITICKÉ JÁDRO
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
Unix
Server
Application
IPC
Device
Driver
File
Server
Application
Basic IPC. Virtual Memory, ScheldulingDevice Drivers, Dispatcher, …
Scheduler, Virtual Memory
IPC, File System
VFS
user
mode
kernel
mode
Hardware Hardware
Monolithic Kernel based
Operating System
Microkernel based
Operating System
System Call
22/45
 Klasickým příkladem OS s mikrojádrem je Mach
vytvořený v 80. letech
 Na přístupu Mach je založen např. Tru64 UNIX nebo
realtimový OS QNX
 Windows NT používají hybridní strukturu
● jádro má vrstevnou strukturu a zajišťuje komunikaci
aplikace se „servery“
● pro jednotlivé typy aplikací (Win32, OS/2, POSIX)
existují „servery“ běžící v uživatelském režimu
MACH
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
23/45
PŘÍKLAD: WINDOWS NT
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
kernel
WIN32
application
WIN32
server
OS/2
server
POSIX
server
OS/2
application
POSIX
application
24/45
 Další vývoj těchto subsystémů
● OS/2 subsystém naposled ve Windows 2000
● POSIX subsystém je v novějších Windows (ne
variantách Home apod.) k dispozici ve formě
„Subsystem for Unix-based Applications“ (SUA)
● Do Windows 8. Od Windows 8.1 odstraněno.
● Win32 se nyní jmenuje Windows API
● A zahrnuje také API na 64bitových systémech
PŘÍKLAD: WINDOWS NT (pokr.)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
25/45
 Do linuxového jádra můžeme při běhu přidávat
kód – moduly
● LKM – Loadable Kernel Module
 Přesto je Linuxové jádro monolitické
● Moduly běží stejně jako zbytek jádra v privilegovaném
režimu
● Jde o modularitu kódu jádra ne o modulární
architekturu jádra (mikrojádro)
LINUX: MODULARITA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
26/45
 LKM umožňují:
● Přidávat funkčnost za běhu
● Např. připojení nového USB zařízení
● Snižují paměťové nároky jádra
● Nahráváme jen moduly, které potřebujeme
● Oproti speciálně zkompilovanému jádru však mají vyšší
režii
LINUX: MODULARITA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
27/45
 insmod, rmmod, lsmod, modinfo, depmod,
modprobe
LINUX: MODULARITA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
28/45
 Linux moduly obvykle nepodepisuje
 Ale všímá si licence …
LINUX: MODULARITA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
29/45
Podepisování modulů v Linuxu
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
30/45
 Podepisování k dispozici od roku 2004
● Ale nevyužíváno často a nebylo součástí standardního
jádra do verze 3.7
 Prosazuje RedHat (Fedora)
● Aby umožnil tzv. Bezpečný Boot (Secure Boot)
 2 základní režimy
Podepisování modulů v Linuxu
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
31/45
 /dev/kmem
● Možnost přímo číst/měnit paměť jádra za běhu
● Přístupné pouze pro administrátora, přesto
nebezpečné
● V řadě distribucí už /dev/kmem nenajdeme
 LKM
● Běží v privilegovaném režimu procesoru jako zbytek
jádra
● Možnost změny chování jádra
● Rootkity
LINUX: MODIFIKACE JÁDRA ZA BĚHU
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
32/45
 Nejjednodušší způsob jak implementovat rootkit
je modifikovat tabulku rutin obsluhujících
systémová volání (sys_call_table) a navázat se
na volání jako open, readdir, …
 Snaha omezit možnost LKM modifikovat tabulku
systémových volání
 Dnes není tento symbol exportován a není tak
možné ho v LKM přímo použít a získat tak
ukazatel na tabulku
LINUX: TABULKA SYSTÉMOVÝCH VOLÁNÍ
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
33/45
 Do jádra Windows můžeme za běhu vkládat
ovladače
 Ty běží v privilegovaném režimu jádra
WINDOWS: MODULARITA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
34/45
WINDOWS: MODULARITA (PŘ.)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
35/45
OVLADAČE VE WINDOWS XP
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
36/45
OVLADAČE A NOVĚJŠÍ WINDOWS
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
37/45
PODPISY VYŽADOVÁNY U 64BITOVÝCH SYSTÉMŮ
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
38/45
 U Windows nejde při podepisování o čistotu jádra
či licence
 Jde především o
● Spolehlivost systému – tj. kvalitu kódu běžícího v
privilegovaném režimu
● A s tím související bezpečnost jádra/systému
● DRM (!)
 User mode drivers – snaha snížit množství kódu
běžící přímo v jádře
PODPISY OVLADAČŮ
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
39/45
 Tradičně býval OS napsaný v symbolickém
strojovém jazyku (assembleru)
 OS se stále častěji píší v běžných
programovacích jazycích vysoké úrovně (obvykle
C/C++)
● lze naprogramovat rychleji
● výsledek je kompaktnější
● OS je srozumitelnější a lze ho snadněji ladit
● je snadněji přenositelný na jinou architekturu
IMPLEMENTACE SYSTÉMU
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
40/45
 Operační systém je navržen tak, aby mohl běžet na jisté třídě
architektur / sestav počítače
 OS musí být konfigurovatelný na konkrétní sestavu
 Program SYSGEN
● Získává informace týkající se konkrétní konfigurace konkrétního
hardwarového systému
 Bootování
● Spuštění činnosti počítače zavedením jádra a předáním řízení
na vstupní bod jádra pro spuštění činnosti
 Bootstrap program
● Program uchovávaný v ROM, který je schopný nalézt jádro, zavést
ho do paměti a spustit jeho provedení
SYSTEM GENERATION (SYSGEN)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
41/45
 Řídí BIOS
● provede se inicializace HW komponent
● na základě uložené konfigurace zjistíme z kterého
zařízení se má OS zavést
● v případě pevného disku se spustí kód uložený
v Master Boot Recordu (MBR)
● tento kód například zjistí, která partition je aktivní a spustí boot
sektor této partition. Kód uložený v boot sektoru načte soubory
s jádrem OS do paměti
● nebo např. LILO/Grub umožní interaktivně vybrat který OS
bude zaveden (bootsektor které partition se má spustit?; kde je
soubor s jádrem OS?)
● tento kód může být delší než je délka MBR, musí pak být
uložen v jiné oblasti disku
BOOTOVÁNÍ IBM PC
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
42/45
 BIOS kontroluje HW
 Z vybraného zařízení se získá a spustí zavaděč
(„boot loader“)
● Např. se z pevného disku přečte prvních 512 bajtů
(tzv. MBR) a spustí se tento „kód“ (fáze 1).
PŘÍKLAD: BOOTOVÁNÍ LINUXU (IBM PC)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
43/45
HLAVNÍ ZAVÁDĚCÍ ZÁZNAM
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
Struktura MBR
Adresa
Popis
Délka
v bajtechHex Oct Dec
0000 0000 0 Kód zavaděče
440
(max 446)
01B8 0670 440 Volitelná délka disku 4
01BC 0674 444 Obvykle nuly; 0x0000 2
01BE 0676 446
Tabulka primárnách oddílů
(4 položky po 16 bajtech, IBM schéma oddílů)
64
01FE 0776 510 55h
Signatura MBR;
0xAA55
2
01FF 0777 511 Aah
Celková délka MBR: 446 + 64 + 2 = 512
44/45
 Spuštění zavadeče
● Ve volitelné fázi 1.5 se zavede kód pro přístup k disku
(BIOS nemusí plně umět).
● Ve fázi 2 se zavede zbytek kódu zavaděče.
 Výběr OS a parametrů
● GRUB je schopen pracovat s ext2, ext3, ext4
souborovými systémy
● LILO souborové systémy nezná a pracuje s přímými
adresami souborů na disku
PŘÍKLAD: BOOTOVÁNÍ LINUXU (IBM PC) - POKRAČOVÁNÍ
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
45/45
VÝBĚR OS - GRUB
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
46/45
 Spuštění jádra
● Z disku je přečten obraz jádra
● Tento obraz se dekomprimuje
● Provede se základní inicializace (např. tabulka stránek
paměti)
● Spustí se jádro (volá se funkce start_kernel())
 Jádro
● Nastaví systém (ovladače přerušení, inicializace
zařízení a ovladačů zařízení) a spustí plánovač.
● Vytvoří proces Init (číslo procesu 1) – např. /sbin/init
BOOTOVANÍ LINUXU (IBM PC)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
47/45
 MBR je limitován velikostí disku 2TB
● 32 bitů pro počet sektorů x 512 bitů na sektor
 Intel vyvinul nový standard GUID partition table
● GPT
● Redundance: tabulka na začátku a konci disku
● Chránící MBR položka (oddíl EEh přes celý disk)
● Minimálně 128 položek pro oddíly
 Podporováno na většině dnešních OS
● GPT nepodporuje Win XP (32 + 64 bit) a Win Server
2003 (32 bit)
GPT
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
48/45
GUID jednotlivých oddílů
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
Zdroj:
Wikipedia (GPT)
49/45
 Snaha o bezpečné zavedení OS
● Ochrana samotného zavádění komponent OS
● Prevence rootkitů (bootkitů)
 Součást tzv. bezpečného bootu
● Bezpečnost i dalších komponent (už. programů)
Bezpečný boot (secure boot)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
Secure Boot is a technology where the system firmware checks that the
system boot loader is signed with a cryptographic key authorized by a
database contained in the firmware. With adequate signature verification
in the next-stage boot loader(s), kernel, and, potentially, user space, it is
possible to prevent the execution of unsigned code.
Zdroj: Fedora 18. UEFI Secure Boot Guide
50/45
Bezpečný boot ve Windows 8
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
Zdroj: MSDN
51/45
Bezpečný boot ve Fedora Linux (18+)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
• Shim: This is signed by the UEFI signing service. We do not have control
over this key. The shim contains the Fedora Boot CA public key.
• GRUB: This is signed by the "Fedora Boot Signer" key, which chains off
the Fedora Boot CA key. GRUB doesn't contain any keys, it calls into shim
for its verification.
• Kernel: This is also signed by the Fedora Boot Signer. The kernel contains
the public key used to sign kernel modules.
• Kernel Modules: These are signed with a private key generated during
build. This key is not saved, a new key is used with each kernel build.
Zdroj: Fedora 18. UEFI Secure Boot Guide
 Postupné zavádění komponent
● Shim, Grub, jádro, moduly jádra
52/45
Bezpečný boot – boj proti malware?
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
LINUX VENDOR Red Hat will pay Verisign to sign Fedora 18 so it can work with
Microsoft's UEFI Secure Boot.
Microsoft has ordered all PC makers shipping Windows 8 PCs to have its UEFI
Secure Boot feature enabled, which poses a significant hurdle for users should they
want to install a different operating system. Now the Red Hat sponsored Fedora
project has said it intends to pay Verisign $99 to sign its software.
Microsoft's intention with UEFI Secure Boot is to only allow trusted software to interact
with PC hardware, including bootloaders and drivers. However many observers have
pointed out that the company can also use this requirement to make it extremely
difficult for users to install alternative operating systems.
…
While Verisign will be receiving $99 from Fedora and presumably the Ubuntu project
and other Linux distributions, it is Microsoft that is the real winner, so far, since it is
clear that UEFI Secure Boot will hurt not just Linux distributions but any operating
systems that don't have the resources to sign everything to meet Microsoft's
unilaterally imposed security regime.
Zdroj: http://www.theinquirer.net/inquirer/news/2181774/red-hat-pay-verisign-sign-fedora-microsofts-uefi-secure-boot
53/45
Výukovou pomůcku zpracovalo
Servisní středisko pro e-learning na MU
http://is.muni.cz/stech/
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ