Informatik/Advanced Operating Systems.md

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