Vorlesung 1

Advanced Operating Systems.md

@@ -0,0 +1,171 @@
+# Einführung
+Betriebssysteme stecken nicht nur in Einzelplatzrechnern, sondern z.B. auch in:
+- Informationssystemen
+  - Gesundheitswesen
+  - Finanzdienstleister
+- Verkehrsmanagement-Systemen
+  - Eisenbahn
+  - Flugwesen
+- Kommunikationssystemen
+  - Mobilfunk
+  - Raumfahrt
+- eingebettetenSystemen
+  - Multimedia
+  - Fahrzeugsysteme
+  - Sensornetze
+- ... $\rightarrow$ verschiedenste Anforderungen!
+
+Konsequenz: Spezialbetriebssysteme für Anforderungen wie ...
+- Robustheit
+- Echtzeitfähigkeit
+- Energieeffizienz
+- Sicherheit
+- Adaptivität
+- ...
+
+Gegenstand dieser Vorlesung: Konstruktionsrichtlinien für solche ,,High-End Betriebssysteme''
+
+## Funktionale und nichtfunktionale Eigenschaften
+- Beispiel: Autokauf ,,Mit unserem Fahrzeug können Sie einkaufen fahren!''
+- Beispiel: Handykauf ,,Mit unserem Telefon können Sie Ihre Freunde und Familie anrufen!''
+
+- Anforderungen (Requirements)
+    - Funktionale und nichtfunktionale Eigenschaften (eines Produkts, z.B. Softwaresystems) entstehen durch Erfüllung von funktionalen und nichtfunktionalen Anforderungen
+- funktionale Eigenschaft
+    - legt fest, was ein Produkt tun soll.
+    - Bsp Handykauf: Das Produkt soll Telefongespräche ermöglichen.
+- eine nichtfunktionale Eigenschaft (NFE)
+    - legt fest, wie es dies tun soll, also welche sonstigen Eigenschaften das Produkt haben soll.
+    - Bsp Handykauf: Das Produkt soll klein, leicht, energiesparend, strahlungsarm, umweltfreundlich,... sein.
+- andere Bezeichnungen nichtfunktionaler Eigenschaften
+    - Qualitäten bzw. Qualitätsattribute (eines Software-Produkts):
+        - Nichtfunktionale Anforderungen bzw. Eigenschaften eines Software-Systems bzw. -Produkts oft auch als seine Qualitäten bezeichnet.
+        - einzelne realisierte Eigenschaft ist demzufolge ein Qualitätsattribut (quality property) dieses Systems bzw. Produkts.
+    - Weitere in der Literatur zu findende Begriffe in diesem Zusammenhang:
+        - Non-functionalrequirements/properties
+        - Constraints
+        - Quality ofservice(QoS) requirements
+        - u.a.
+- ,,~ilities''
+    - im Englischen:nichtfunktionale Eigenschaften eines Systems etc. informell auch als seine „ilities“ bezeichnet, hergeleitet von Begriffen wie
+        - Stability
+        - Portability
+        - ...
+    - im Deutschen: ( ,,itäten'',,,barkeiten'', ... möglich aber sprachästhetisch fragenswert)
+        - Portab-ilität , Skalier-barkeit, aber: Offen-heit , Performanz, ...
+
+## Konsequenzen für Betriebssysteme
+### Hardwarebasis
+Einst: Einprozessor-Systeme
+
+Heute:
+- Mehrprozessor-Systeme
+- hochparallele Systeme
+- neue Synchronisationsmechanismen erforderlich
+- $\rightarrow$ unterschiedliche Hardware und deren Multiplexing aufgrund unterschiedlicher nichtfunktionaler Eigenschaften
+
+### Betriebssystemarchitektur
+Einst: Monolithische und Makrokernel-Architekturen
+
+Heute:
+- Mikrokernel(-basierte) Architekturen
+- Exokernelbasierte Architekturen ( Library-Betriebssysteme )
+- Virtualisierungsarchitekturen
+- Multikernel-Architekturen
+- $\rightarrow$ unterschiedliche Architekturen aufgrund unterschiedlicher nichtfunktionaler Eigenschaften
+
+### Ressourcenverwaltung
+Einst: sog. Batch-Betriebssysteme: Stapelverarbeitung von Jobs (FIFO, Zeitgarantie: irgendwann)
+
+Heute:
+- Echtzeitgarantien für Multimedia und Safety-kritische Anwendungen (Unterhaltung, Luft-und Raumfahrt, autonomes Fahren)
+- echtzeitfähige Scheduler, Hauptspeicherverwaltung, Ereignismanagement, Umgangmit Überlast und Prioritätsumkehr ...
+- $\rightarrow$ unterschiedliche Ressourcenverwaltung aufgrund unterschiedlicher nichtfunktionaler Eigenschaften
+
+### Betriebssystemabstraktionen
+- zusätzliche Abstraktionen und deren Verwaltung ...
+  - ... zur Reservierung von Ressourcen ($\rightarrow$ eingebettete Systeme)
+  - ... zur Realisierung von QoS-Anforderungen ($\rightarrow$ Multimediasysteme)
+  - ... zur Erhöhung der Ausfallsicherheit ($\rightarrow$ verfügbarkeitskritische Systeme)
+  - ... zum Schutz vor Angriffen und Missbrauch ($\rightarrow$ sicherheitskritische Systeme)
+  - ... zum flexiblen und modularen Anpassen des Betriebssystems ($\rightarrow$ hochadaptive Systeme)
+- $\rightarrow$ höchst diverse Abstraktionen von Hardware aufgrund unterschiedlicher nichtfunktionaler Eigenschaften
+
+### Betriebssysteme als Softwareprodukte
+- Betriebssystem:
+    - eine endliche Menge von Quellcode, indiziert durch Zeilennummern: MACOSX = $\{0, 1, 2, ..., 4399822, ...\}$
+    - ein komplexes Softwareprodukt ...welches insbesondere allgemeinen Qualitätsanforderungen an den Lebenszyklusvon Softwareprodukten unterliegt!
+- an jedes Softwareprodukt gibt es Anforderungen an seine Nutzung und Pflege $\rightarrow$ Evolutionseigenschaften
+- diese können für Betriebssysteme höchst speziell sein (Korrektheitsverifikation, Wartung, Erweiterung, ...)
+- $\rightarrow$ spezielle Anforderungen an das Softwareprodukt Betriebssystem aufgrund unterschiedlicher nichtfunktionaler Eigenschaften
+
+## NFE von Betriebssystemen
+Funktionale Eigenschaften (= Funktionen, Aufgaben) ... von Betriebssystemen:
+- Betriebssysteme: sehr komplexe Softwareprodukte
+- Ein Grund hierfür: besitzen Reihe von differenzierten Aufgaben - also funktionale Eigenschaften
+
+Grundlegende funktionale Eigenschaften von Betriebssystemen:
+1. **Hardware-Abstraktion** (Anwendungen/Programmierern eine angenehme Ablaufumgebung auf Basis der Hardware bereitstellen)
+2. **Hardware-Multiplexing** (gemeinsame Ablaufumgebung zeitlich oder logisch getrennt einzelnen Anwendungen zuteilen)
+3. **Hardware-Schutz** (gemeinsame Ablaufumgebung gegen Fehler und Manipulation durch Anwendungen schützen)
+
+Nichtfunktionale Eigenschaften (Auswahl) von Betriebssystemen:
+- Laufzeiteigenschaften
+  - Sparsamkeit und Effizienz
+  - Robustheit
+  - Verfügbarkeit
+  - Sicherheit (Security)
+  - Echtzeitfähigkeit
+  - Adaptivität
+  - Performanz
+- Evolutionseigenschaften
+  - Wartbarkeit
+  - Portierbarkeit
+  - Offenheit
+  - Erweiterbarkeit
+
+Klassifizierung: Nichtfunktionale Eigenschaften unterteilbar in:
+1. Laufzeiteigenschaften (execution qualities)
+    - zur Laufzeit eines Systems beobachtbar
+    - Beispiele: ,,security'' (Sicherheit), ,,usability'' (Benutzbarkeit), ,,performance''
+    (Performanz), ...
+2. Evolutionseigenschaften (evolution qualities)
+    - charakterisieren (Weiter-) Entwicklung- und Betrieb eines Systems
+    - Beispiele: ,,testability'' (Testbarkeit), ,,extensibility'' (Erweiterbarkeit) usw.
+- liegen in statischer Struktur eines Softwaresystems begründet
+
+## Inhalte der Vorlesung
+Auswahl sehr häufiger NFE von Betriebssystemen:
+- Sparsamkeit und Effizienz
+- Robustheit
+- Verfügbarkeit
+- Sicherheit (Security)
+- Echtzeitfähigkeit
+- Adaptivität
+- Performanz
+  
+Diskussion jeder Eigenschaft: (Bsp.: Echtzeitfähigkeit)
+- Motivation, Anwendungsgebiete, Begriffsdefinition(en) (Bsp.: Multimedia- und eingebettete Systeme)
+- Mechanismen und Abstraktionen des Betriebssystems (Bsp.: Fristen, Deadline-Scheduler)
+- unterstützende Betriebssystem-Architekturkonzepte (Bsp.: Mikrokernel)
+- ein typisches Beispiel-Betriebssystem (Bsp.: QNX)
+- Literaturliste
+
+
+# Sparsamkeit und Effizienz
+# Robustheit und Verfügbarkeit
+# Sicherheit
+# Echtzeitfähigkeit
+# Adaptivität
+# Performanz und Parallelität
+# Zusammenfassung
+
+
+# Literatur
+
+- NFE in Betriebssystemen
+    - Eeles, Peter; Cripps, Peter: The Process of Software Architecting
+- Funktionale Eigenschaften eines Betriebssystem
+    - Tanebaum, Andrews; Bos, Herbert: Modern Operating Systems
+    - Tanebaum, Andrews; Woodhull, Alberts: Operating Systems Design and Implementation
+    - Stallings, William: Operating Systems: Internals and Design Principles