Вопросы
для подготовки к экзамену по курсу «Безопасность операционных систем»
Общая характеристика операционных систем
Понятие операционной системы. ОС как расширенная машина. ОС как система управления ресурсами и ее состав.
Поколения ОС и их основные характеристики. Классификация ОС.
Базовая аппаратная поддержка работы ОС
Понятие мультипрограммирования. Базовые термины ОС (пользователь, программа, ресурсы, процесс, контекст процесса).
Концептуальная схема компьютера.
Процессор. Общее устройство и принципы работы. Переключение
процессора с выполнения одной программы на другую.
Централизация управления устройствами. Планирование процессора.
Прерывания. Типы прерываний.
Последовательность и схема обработки прерываний.
Приоритеты и маскирование прерываний. Контроллер прерываний.
Память. Схема основной памяти.
Иерархическая организация памяти.
Распределение и защиты памяти.
Внешние устройства. Понятие многоуровневой схемы управления.
Контроллеры и их функции. Драйвер устройства. Организация связи с контроллером. Прямой доступ к памяти.
Организация работы устройств. Принципы организации хранения данных. Принципиальная схема компьютера.
Интерфейс ОС с прикладными программами.
Файловые системы
Абстрактная модель файлов. Структурные свойства файлов. Базовые операции с файлами. Минимальный набор операций с файлами.
Понятие, компоненты и функции файловой системы. Основные свойства ФС.
Структура последовательных файлов. Методы доступа к файлам: последовательный доступ, прямой доступ, индексно-последовательный доступ.
Логическая структура файловой системы. Директории. Структура директории. Операции над директориями.
Идентификация файлов. Одноуровневые файловые системы. Двухуровневые файловые системы. Иерархические файловые системы.
Основные понятия иерархических файловых систем: родительская, дочерняя, корневая, домашняя и текущая директории.
Идентификация файлов в иерархических системах. Абсолютные и относительные имена.
Процедура преобразования имени файла в ссылку на его местоположение. Модификация логической структуры файловой системы.
Методы связывания файлов.
Монтирование файловых систем, методы монтирования, таблицы монтирования и особенности навигации.
Защита файлов и контроль доступа. Права доступа. Схема организации доступа.
Атрибуты файлов. Типы файлов. Интерфейс и средства управления файловой системой.
Реализация файловой системы. Физические и логические блоки (кластеры). Методы адресации дисковых блоков
Реализация модели файлов: основные управляющие структуры и служебные данные.
Элементы интерфейса процессов с файловой системой. Процедура открытия файла. Учет дискового пространства выделенного файлу.
Выделение дискового пространства и учет блоков. Непрерывная последовательность блоков: структура директории, учет свободного пространства, преобразование текущей позиции файла в адрес блока и смещение внутри блока.
Связанный список, структура директории, учет свободного пространства, преобразование текущей позиции файла в адрес блока и смещение внутри блока.
Связанный список с использованием индекса: структура директории, учет свободного пространства, преобразование текущей позиции файла в адрес блока и смещение внутри блока.
Индексные узлы: структура директории, учет свободного пространства, преобразование текущей позиции файла в адрес блока и смещение внутри блока.
Файловые записи: структура директории, учет свободного пространства, преобразование текущей позиции файла в адрес блока и смещение внутри блока.
Распределение дискового пространства.
Структуры данных ФС в Unix. Структуры данных FAT. Структуры данных NTFS.
Главная файловая таблица. Реализация директорий. Директории FAT, UNIX и NTFS.
Надежность файловой системы. Целостность файловой системы. Типы сбоев.
Средства и методы обеспечения целостности. Алгоритмы восстановления целостности. Предотвращение нарушений целостности.
Производительность файловой системы. Кэширование. Модификация алгоритмов записи и чтения дисковых блоков.
Оптимизация перемещения блока головок. Реализация файловых операций в UNIX: открытие (создание) файла, чтение из файла, запись в файл, закрытие файла.
Принципы реализации процессов.
Ресурсы. Учет ресурсов. Управление работой программы. Понятие процесса. Принципы реализации процессов.
Концепция состояний. Состояния процессов. Блок управления процессом. Служебные структуры данных.
Таблица процессов. Пространство процесса (статическая и динамическая части). Контекст процесса.
Операции над процессами. Одноразовые операции, их свойства и методы реализации, создание и завершение процесса.
Процессы-зомби.
Многоразовые операции. Управление процессами в UNIX. Состояния процессов в UNIX.
Управляющие структуры данных.
Операции над процессами в UNIX (fork, exec, exit).
Переключение контекста. Нити исполнения.
Модель потока и понятие нити исполнения. Состояния нитей и их связь с состояниями процесса.
Методы реализации нитей. Преимущества и проблемы различных методов реализации
Планирование процессов. Уровни планирования. Требования к алгоритмам.
Параметры планирования. Статические и динамические параметры планирования и их использование при краткосрочном и долгосрочном планировании.
Вытесняющее и невытесняющее планирование.
Алгоритмы планирования процессов, их достоинства и недостатки. Алгоритм «Первым пришел -первый обслужен» (FCFS). Алгоритм «Карусель» (RR). Алгоритм «Кратчайшее задание - первое» SJF, прогноз длительности интервала CPU. Оценки среднего времени ожидания и среднего полного времени выполнения.
Гарантированное планирование. Приоритетное планирование. Статические и динамические приоритеты.
Реализация приоритетного планирования. Многоуровневые очереди. Многоуровневые очереди с обратной связью.
Управление памятью
Абстрактная модель памяти. Базовые принципы управления памятью. Схемы управления памятью.
Этапы обработки программ и связывание адресов.
Схема с фиксированными разделами. Базовые принципы. Связывание адресов.
Оверлейная структура программ.
Защита памяти.
Мультипрограммирование с переменными разделами. Базовые принципы. Стратегии выделения памяти. Учет свободных участков памяти.
Фрагментация. Связывание адресов. Свопинг. Защита памяти.
Виртуальная память. Базовые принципы. Преимущества и недостатки схемы. Средства поддержки виртуальной памяти. Модели виртуальной памяти.
Страничная память. Виртуальный адрес. Страничные прерывания. Подкачка. Таблицы страниц. Назначение полей таблицы страниц. Проблемы поддержки таблиц страниц. Буфер быстрого преобразования адреса. Многоуровневые таблицы страниц. Инвертированные таблицы страниц. Защита памяти.
Сегментная организация памяти. Преимущества сегментной организации памяти. Логические адреса. Вычисление физического адреса. Методы реализации сегментной организации памяти.
Сегментно-страничная организация памяти. Подкачка страниц. Страничные прерывания и их обработка, стратегии выборки и замещения. Алгоритмы замещения страниц. Аппаратные средства поддержки работы алгоритмов.
Локальные и глобальные алгоритмы. Оптимальный алгоритм. FIFO алгоритм «Первым пришел - первым обслужен. Алгоритм NRU «Не использовавшаяся в последнее время страница». Алгоритм LRU «Дольше всего не использовавшаяся страница». Проблемы реализации LRU. Алгоритм NFU «Редко используемая страница».
Причины изменения частоты страничных прерываний. Пробуксовка. Модель рабочего множества.
Алгоритмы «Рабочее множество». Замещение страниц в многозадачной среде. Демоны системы управления памятью.
Управление памятью в операционной системе UNIX. Вспомогательные структуры данных. Совместное использование областей. Операции над областями.
Взаимодействие между процессами. Причины взаимодействия процессов. Организация обмена данными. Средства обмена данными. Категории средств обмена. Обмен данными.
Порядок начала связи. Инициализация обмена. Способы адресации средств связи. Порядок обмена. Характеристики средств связи. Информационная валентность и направленность средств связи. Порядок завершения связи.
Передача информации с помощью каналов связи. Модели передачи данных. Буферизация. Надежность средств связи. Понятие протокола связи.
Организация взаимодействия процессов в UNIX. Механизмы IPC и общие принципы их организации. Идентификация экземпляров средства связи.
Разделяемая память. Сообщения. Сигналы. Обработка сигналов. Каналы. Виды каналов. Особенности чтение и записи данных при работе с каналами. Семафоры.
Примеры взаимодействия. Конфликты и состояния состязания. Взаимное исключение. Критические области. Общая схема реализации взаимного исключения. Алгоритмы синхронизации процессов.
Условия корректности алгоритмов синхронизации. Запрет прерываний. Взаимное исключение с активным ожиданием. Переменные блокировки.
Строгое чередование. Флаги готовности. Нарушение условий реализации взаимного исключения.
Алгоритм Петерсона. Доказательство выполнения условий взаимного исключения в алгоритме Петерсона. Алгоритм булочной. Доказательство выполнения условий взаимного исключения в алгоритме булочной.
Команда TS. Недостатки алгоритмов с активным ожиданием. Инверсия приоритета. Проблема производителя и потребителя.
Семафоры. Решение проблемы производителя и потребителя с помощью семафоров.
Мониторы. Решение проблемы производителя и потребителя с помощью мониторов.
Сообщения. Решение проблемы производителя и потребителя с помощью сообщений.