Sistemi Operativi: Componenti e Caratteristiche

Sistemi Operativi

• La virtualizzazione è un concetto chiave nei sistemi operativi: consente di rendere facilmente disponibili le risorse ai vari software applicativi senza conflitti in caso di più applicazioni eseguite contemporaneamente.
• La standardizzazione è fondamentale per l'interoperabilità: un sistema operativo dovrà far funzionare assieme svariati dispositivi e software di diversi produttori.
• La sicurezza di un sistema operativo comprende:
  • Controllo degli accessi
  • Integrità
  • Disponibilità
  • Affidabilità
  • Segretezza
• L'efficienza di un sistema operativo è importante perché virtualizzare una grande quantità di risorse è più complicato di virtualizzarne poche.

Componenti di un Sistema Operativo

• Il kernel è lo strato di base che implementa la virtualizzazione e solitamente anche il controllo degli accessi.
• Il bootstrap è l'operazione che mi consente di caricare in memoria nuovo codice eseguibile.
• Il kernel può essere:
  • Monolitico: un kernel che viene configurato prima della compilazione in modo da avere tutte le componenti necessarie per l'hardware sul quale dovrà essere installato.
  • Modulare: un kernel al quale possono essere aggiunti e tolti moduli che danno il supporto a particolari dispositivi, anche durante l'esecuzione.
• Le librerie vanno ad aggiungere codice nel segmento applicativo dei processi e implementano le system call.
• Altre componenti di un sistema operativo comprendono:
  • Log
  • Applicazioni di gestione
  • Applicazioni per lo sviluppo

Scambio di Dati via Rete

• Il DMA (Direct Memory Access) channel è un coprocessore in grado di eseguire un piccolo sottoinsieme dell'instruction set del processore, tipicamente istruzioni relative alla copia di dati.
• La trasmissione di dati via rete comprende:
  • Scrittura dei dati nel buffer di trasmissione
  • Copia dei dati dal buffer di trasmissione nel registro della NIC (Network Interface Card)
  • Trasmissione dei dati attraverso un canale di comunicazione
• La ricezione di dati via rete comprende:
  • Ricezione dei dati dalla rete nella NIC
  • Copia dei dati dai registri della NIC nel buffer di ricezione
  • Segnalazione dell'arrivo di dati attraverso un interrupt
• La sincronizzazione dell'attività del programma che trasmette e del programma che riceve è fondamentale per evitare perdite di dati.### Interfaccia di Rete e Trasmissione di Dati
• La comunicazione tra macchine remote è difficile a causa delle velocità diverse dei clock del processore del transmitter e del receiver.
• Il problema viene risolto attraverso algoritmi di flow control (controllo di flusso), che regolano la velocità di trasmissione e ricezione rispetto al canale di comunicazione.

Bufferizzazioni

• La bufferizzazione è una tecnica utilizzata per evitare tempi morti nella trasmissione e ricezione di dati.
• Un buffer è una porzione di memoria RAM utilizzata per memorizzare i dati in attesa di trasmissione o ricezione.
• La bufferizzazione può essere implementata utilizzando un registro nella NIC (Network Interface Card).

Virtualizzazione dell'Attività di Rete

• La virtualizzazione dell'attività di rete consente alle applicazioni di comunicare tra loro senza dover gestire i dettagli della comunicazione di rete.
• Ciò avviene attraverso l'utilizzo di API (Application Program Interface) standard, come ad esempio MPI (Message Passing Interface).

Socket

• Un socket è un'API di comunicazione utilizzata per stabilire una connessione di rete tra due processi.
• Un socket è caratterizzato da un indirizzo di rete e una porta.
• Le porte sono suddivise in well known e ephimeral, con le well known assegnate ai server e le ephimeral ai client.

File Descriptor

• Un file descriptor è un numero intero che rappresenta una risorsa messa a disposizione dal sistema per un processo.
• I file descriptor sono utilizzati per agire su diversi tipi di risorse, come ad esempio file, socket e dispositivi.
• Le primitive read() e write() sono bloccanti, ovvero bloccano il processo che le ha lanciate se non sono in condizione di portare a termine il compito per mancanza di risorse.

Processi

• In UNIX, i processi possono essere duplicati utilizzando la system call fork().

• La fork crea una copia identica del processo che l'ha chiamata, inclusi i segmenti dati e codice.

• La fork ritorna un valore diverso per il padre e il figlio, che possono essere utilizzati per differenziare il funzionamento dei due processi.

• Il sistema operativo crea il primo processo, init, che può avviarne altri tramite la fork.

• I processi possono essere identificati tramite un PID (process identifier).### Gestione dei processi

• La system call signal (int signum, sighandler_t handler) consente di stabilire corrispondenze tra la segnalazione signum e la funzione handler da eseguire in caso di segnalazione.

• La funzione handler non fa parte del normale flusso di esecuzione del programma.

• Per inviare una segnalazione si utilizza la system call kill.

• Gli handler di default del sistema sono:

  • term: invoca la exit terminando il processo
  • ign: handler vuoto, ignora la segnalazione
  • core: fa il core dump dello stato dell'applicazione
  • stop: mette il processo in attesa (passa in stato wait)
  • cont: riprende il processo che è attualmente in attesa (esce dallo stato wait)

• La kill prende come parametro il PID del processo a cui inviare la segnalazione.

• Occorrono controlli di sicurezza per evitare che un utente possa terminare i processi di un altro utente.

Controllo degli accessi

• Un sistema operativo deve intermediare le richieste di accesso degli utenti alle risorse.
• Esistono due approcci per l'assegnazione dei permessi: l'approccio mandatorio e l'approccio discrezionale.
• L'approccio mandatorio è più adatto a sistema chiusi, dove il progettista del sistema decide manualmente i permessi.
• L'approccio discrezionale delega all'amministratore di sistema la gestione dei permessi.
• I principi di Denning per la gestione della sicurezza sono:
  • Anello debole: partire dal presupposto che chi attacca è più furbo di noi.
  • Minimo privilegio: assegnare ai permessi possibili nell'accesso alle risorse.
  • Cambio di contesto: assegnare permessi diversi in base al contesto attuale.

Permessi in UNIX

• Non tutti i file system supportano la gestione dei permessi.
• In UNIX esiste un utente root, con UID 0, che è proprietario di tutti i file.
• L'utente proprietario del file può modificare i permessi con il comando chmod.
• Il comando chmod prende come parametro una lettera (u, g, o) che indica l'utente o gruppo a cui attribuire i permessi.
• I permessi di accesso ai file sono discrezionali, mentre il permesso di modificare i permessi è mandatorio.
• Il comando chown consente di cambiare il proprietario del file.

Controllo degli accessi role-based

• In UNIX ad ogni utente è assegnato un gruppo di appartenenza.
• Un utente può essere membro di più gruppi.
• Il file /etc/passwd contiene le informazioni degli utenti.
• Il file /etc/group contiene le informazioni dei gruppi.
• Il comando chmod può agire anche sui gruppi, col parametro g.

sudo e accesso root

• Il comando sudo esegue un comando con permessi di root anche se lanciato da un altro utente.
• Il file /etc/sudoers contiene le configurazioni di sudo.
• sudo può essere configurato per richiedere una password.

File system

• Il file system ext2 è il primo file system sviluppato appositamente per Linux.
• Un file system deve memorizzare file di diversi tipi.
• Esistono 5 tipi di file: regolari, directory, link, speciali e pipe.
• I dati dei file sono suddivisi in blocchi, la cui dimensione varia da un file system all'altro.
• L'inode contiene i metadati del file e i puntatori ai blocchi di dati.
• L'indirizzamento diretto è inode->blocchi dati.
• L'indirizzamento indiretto è inode->blocchi di indirizzamento->blocchi dati.
• La dimensione degli indirizzi può essere 32 o 64 bit, a seconda dell'implementazione.
• La dimensione dei blocchi di dati è il risultato di un compromesso tra le esigenze di spazio e di efficienza.