计算机操作系统第8章网络操作系统

1、 计算机操作系统刘刘 腾腾 红红 编著编著computer operating system第第8章章 网络操作系统网络操作系统要求学生掌握网络操作系统的功能和特要求学生掌握网络操作系统的功能和特征，网络操作的系统结构，网络操作系征，网络操作的系统结构，网络操作系统的通信方式，网络操作系统的资源共统的通信方式，网络操作系统的资源共享，网络操作系统的服务软件，网络操享，网络操作系统的服务软件，网络操作系统的应用程序接口。作系统的应用程序接口。第第8章章 网络操作系统网络操作系统q 8.1 概述概述q 8.2网络操作系统的结构网络操作系统的结构q 8.3网络操作系统的通信网络操作系统的通信q 8.

2、4资源共享资源共享q 8.5服务软件服务软件q8.6应用程序接口应用程序接口网络操作系统的设计不是完全独立的，与单机系统不可分离。20世纪80年代随着个人计算机的广泛应用以及局域网技术的创立与应用,如何在各种机器之间共享资源成为人们研究的焦点. 网络操作系统可以为用户提供网络接口、管理共享资源以及提供各种网络服务，因此有人也将其称为网络管理系统。但是，网络操作系统并非仅仅只有这些功能，它是建立在单机操作系统之上的，因此也具有一个单机操作系统的所有功能。8.1 概述概述nos定义定义 通常将网络操作系统通常将网络操作系统(network operating system，nos)定义为：是定义为

3、：是在网络环境下，用户与网络资源之间的接在网络环境下，用户与网络资源之间的接口，是使网络上各计算机能方便而有效地口，是使网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供所需的各共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务软件和有关规程的集合，用以实现种服务软件和有关规程的集合，用以实现对网络资源的管理和控制。对网络资源的管理和控制。网络操作系统的基本任务 屏蔽本地资源与网络资源的差异性，为用户提供各种基本网络服务功能，完成网络共享系统资源的管理，并提供网络系统的安全性服务。同时在多个用户争用系统资源时，网络操作系统进行资源调剂管理。8.1.1 网络操作系统的功能网络操作系统的功能网络操作

4、系统除了具备单机操作系统所需的功能，如内存管理、cpu管理、输入输出管理、文件管理等外，还提供高效可靠的网络通讯能力以及提供多项网络服务功能，如远程管理、文件传输、电子邮件、远程打印等。nos对网络资源的管理功能对网络资源的管理功能：1文件服务（file service）2打印服务（print service）3数据库服务（database service）4通信服务（communication service）5信息服务（message service）6分布式服务（distributed service） 7网络管理服务（network management service）8intern

5、et/intranet服务（internet/intranet service）8.1.2网络操作系统的特征网络操作系统的特征(1)开放性(2)一致性(3) 并行性(4)透明性(5)可靠性(6)安全性网络操作系统的安全性表现在以下几个方面：网络操作系统的安全性表现在以下几个方面：u网络操作的安全性u用户身份验证u资源的存储控制u网络传输的安全性8.2 网络操作系统的结构网络操作系统的结构网络操作系统与单机操作系统一样，其结构通常由两部分组成：内核和核外部分。内核是操作系统的核心；核外部分也叫外壳，由一些实用程序组成。网络操作系统主要用于管理共享资源。网络操作系统软件既可以相等地分布在网络上的所

6、有节点，即对等式结构；也可以将主要部分驻留在中心节点管理资源，为其他节点提供服务，称为集中式结构。作为整个网络与用户的界面，网络操作系统是整个网络的核心，它的结构决定了网络上文件传输的方式及文件处理的效率。8.2.1 网络操作系统结构设计的模式网络操作系统结构设计的模式操作系统结构设计的模式是指将操作系统所提供的特性、服务及系统所执行的任务统一成一体化的概括性框架。nos分为两种不同的机制。如果nos软件相等地分布在网络上的所有节点， 这种机制下的nos称之为对等式网络操作系统；如果nos的主要部分驻留在中心节点， 则称为集中式nos。集中式nos下的中心节点称为服务器，使用由中心节点所管理资

7、源的应用称为客户。因此，集中式nos下的运行机制就是人们平常所谓的“客户服务器”方式。网络操作系统结构设计的主要模式：u客户/服务器模式如果nos的主要部分驻留在中心节点， 则称为集中式nos。集中式nos下的中心节点计算机称为服务器，用于向其它节点提供数据和服务；向服务器提出请求数据和服务的计算机称为客户。因此，集中式nos下的运行机制就是人们平常所谓的“客户服务器”方式。客户/服务器模式下的操作系统 u对等模式在对等模式中，网络上任一节点机所拥有的资源都作为网络公用资源，可被其它节点机上的网络用户共享。u对象模式在对象模式中，通常用对象表示系统中的资源，如：进程、文件、内存块等都可看成对象

8、。把具有相同特性的对象归纳为对象类，对象类是描述资源类型的。网络操作系统windows nt广泛使用对象来表示共享的系统资源。但在严格的意义下，windows nt并不是一个面向对象的系统，windows nt的大部分代码是用c语言编写的，这是因为c语言具有良好的可移植性，但它并不支持面向对象的结构。因此，windows nt只能算是一个基于对象的系统。无论是面向对象还是基于对象的系统，都可以认为是采用对象模式来进行操作系统结构设计的。8.2.2客户客户/服务器模式下的网络操作服务器模式下的网络操作系统的组成系统的组成1、工作站操作系统工作站上配置操作系统的目的是：1）工作站上的用户，可使用本

9、地资源并执行在本地可以处理的应用程序和用户命令。2）实现工作站上的用户与服务器的交互。2、服务器操作系统在客户/服务器模式下的网络操作系统主要指的就是服务器操作系统。位于网络服务器上的操作系统的主要功能是：1）管理服务器上的各种资源，如：处理机、存储器、i/o设备以及数据库等；2）实现服务器与客户的通信；3）提供各种网络服务；4）提供网络安全管理。8.2.3 客户客户/服务器模式的工作过程服务器模式的工作过程在原语或系统调用命令中包含相应的参数。客户机遇服在原语或系统调用命令中包含相应的参数。客户机遇服务器之间的交互过程如下务器之间的交互过程如下:客户机提出服务请求。客户机上的网络软件把它装配

10、成请求包(其中包含相应的参数)。经过传输协议软件把请求包发送给服务器.服务器上的传输协议软件接受到请求包后，对该请求包进行检查。如无错误，便将它提交给服务器方的网络软件进行处理服务器方网络软件根据请求包中的请求，完成相应的处理或服务。并将结果装配成一个响应包。通过传输协议把响应包发给客户机。由客户的传输协议软件把收到的响应包交给客户的网络软件。网络软件做适当的处理后提交给客户。8.2.4 内核结构内核结构操作系统的内核是对硬件的首次扩充，是实现操作系统资源管理的基本功能。操作系统的内核具有两方面的接口：一方面是内核与硬件的接口，由一组驱动程序和一些基本例程组成；另一方面是内核与shell的接口

11、，由一组系统调用组成。网络操作系统中有两种内核组织形式：一种是强内核（monolithic kernel），另一种是微内核（micro kernel）。微内核结构是一种新的结构,它体现了操作系统结构设计的新思想。微内核的设计目标是使操作系统的内核尽可能小，使其它所有的操作系统服务一般都放在核外用户级完成。微内核主要提供四种服务：u进程间的通信机制；u某些存储管理；u有限的低级进程管理和调度；u低级i/o。微内核操作系统是具有微内核的操作系统。微内核的基本思想是良好的结构化、模块化，最小的公共服务。它作为一个必不可少的核心，提供最基本、最必要的服务，其它服务都以服务器的形式建立在微内核上。如图8

12、-3所示微内核结构与强内核结构相比具有如下优点1）开放性。2）灵活性3）可扩充性当然，强内核也有一个潜在的优势，那就是陷入内核要比向远程服务发送消息要快。但实际上，这一优势并不存在，因为其它一些因素占支配地位，而使消息传送时间可以忽略不计。操作系统的发展趋势将是微内核占据统治地位。8.3 网络操作系统的通信网络操作系统的通信网络中各节点之间的通信是所有信息交换的基础，对于网络操作系统而言，对各节点之间通信的支持是必须的。网络操作系统中，基本上可分为两种类型的通信方式：基于共享变量的通信方式和基于消息传递的通信方式。.1基于共享变量的通信方式基于共享变量的通信方式 基于共享变量的

13、通信方式适用于网络中各节点主机内各个进程间的通信，因为各节点主机都有一个共享存储器可供节点机内各个进程访问。在这种情况下与单机操作系统中各个进程的通信相同。基于共享变量的主要通信方式有：1、进程间的同步与互斥 2、消息缓冲通信 3、信箱通信8.3.2基于消息传递的通信方式基于消息传递的通信方式在计算机网络系统中，在各节点之间，一般无共享存储器，因此不同节点机上的进程之间普遍采用消息传递通信方式。在基于消息传递的通信方式中，一个进程发送一条消息，而另一个进程接收这条消息。这种通信机制的核心成分是发送原语和接收原语。在发送原语中，要指明发送的目的进程标识和发送的消息。如：send(dest，&mp

14、tr)，它表明发送一条由mptr指向的消息给标识符为dest的进程，并使调用进程阻塞，直至发送完成。mptr指向的是发送消息的地址。该消息包括：发送进程标志符、消息长度、消息正文。在接收原语中，要指出消息源标识和接收的变量表。如：receive(addr，&mptr)，它表明调用该原语的进程被阻塞，等待消息的到达。当有消息到达后，它被唤醒并将所接收的消息复制到由mptr指向的缓冲区。这里的addr是接收进程的网络地址。以客户/服务器模式为例看其通信过程客户/服务器共享的一些定义通常放在头文件中。主要有四组定义：（1）常数定义（2）操作类型定义（3）返回代码定义（4）消息格式定义客户进程的工作流

15、程如图8-4所示服务器进程的工作流程如图8-5所示8.3.3远程过程调用远程过程调用远程过程调用模型来自于高级程序设计语言中传统的过程调用模型。传统过程调用机制是结构化程序设计的基石，它允许程序员把一个程序划分成一些较小的、便于管理和调试的、功能相对独立的片段(即过程)。在远程过程调用方式中，客户机上有一个客户代理（client stub），客户先调用客户代理把参数打包成一个消息，让内核将该消息通过网络发送给服务器，如图8-6所示。客户代理在发生send调用时，紧接着就是receive调用，将自身阻塞，直到应答返回。归纳起来，远程过程调用的具体步骤为：归纳起来，远程过程调用的具体步骤为：1）客

16、户过程以通常方式调用客户代理；）客户过程以通常方式调用客户代理；2）客户代理构造一个消息并陷入内核；）客户代理构造一个消息并陷入内核；3）本地内核发送消息给远程内核；）本地内核发送消息给远程内核；4）远程内核把消息送给服务器代理；）远程内核把消息送给服务器代理；5）服务器代理从消息包中取出参数并调用服务器；）服务器代理从消息包中取出参数并调用服务器；6）服务器完成相应的服务，将结果送给服务器代理；）服务器完成相应的服务，将结果送给服务器代理；7）服务器代理将结果打包形成一个消息并陷入内核；）服务器代理将结果打包形成一个消息并陷入内核；8）远程内核发送消息给客户机内核；）远程内核发送消息给客户机

17、内核；9）客户机内核把消息传送给客户代理；）客户机内核把消息传送给客户代理；10）客户代理取出结果，返回给客户的调用程序。）客户代理取出结果，返回给客户的调用程序。远程过程调用的缺点、网络通信的延迟将使远程过程调用的开销增加、一个远程过程调用不能把指针作为参数传递、个远程过程不能共享调用者的环境，因此不能直接访问调用者的i/o描述符或操作系统的功能、远程过程调用的参数在系统内不同机型之间的通讯能力有所不足如果没有统一的格式约定，则无法进行参数的传送、缺乏在一次调用过程中多次接受返回结果的能力服务器上执行被调用进程的计算时，有时会随着计算的进行，不断的向调用进程送回结果这要求调用进程必须反复的发

18、出远程过程调用请求，才能取得这一连串的结果、远程过程调用缺乏传送大量数据的能力8.4 资源共享资源共享资源共享是计算机网络中最重要的功能之一，该功能是对计算机网络中的硬件和软件资源实施有效的管理。网络资源主要指计算机网络中可供用户访问和共享的各种软件、硬件资源，主要包括：硬盘、打印机、文件和数据等。由此，网络操作系统中的资源共享是：硬盘共享、打印机共享、文件共享和数据共享等。8.4.1 硬盘共享硬盘共享1、以虚拟软盘方式实现硬盘共享为了实现硬盘的共享，其软件必须具有如下功能：（）用户管理（）盘卷管理（）安装管理（）信号量管理2、以文件服务方式进行硬盘共享1、打印机共享的功能1）支持多个用户同时

19、打印2）建立连接和拆除连接3）连接多台打印机作为共享打印机4）提供多种多样的打印方式2、打印服务器和spooling技术具体过程为：在打印文件时，首先将文件写入磁盘；然后将磁盘文件送到打印设备，即把磁盘文件放入缓冲池，缓冲池将其缓冲为打印队列中的缓冲文件，并保持等待状态直到缓冲池将它送到打印设备。3、打印机共享的原理4、共享打印的实现方法1）客户/服务器方式2）对等方式8.4.3文件和数据共享文件和数据共享一个用户，可以选择自己工作站的资源并设置其共享属性在windows2000中，用户的资源共享与停止可以在资源管理器中完成，如图8-8所示在网络环境下，可以采用数据移动和计算移动两个方式实现文

20、件和数据的共享1、数据移动文件共享2、计算移动文件共享8.5 服务软件服务软件在计算机网络中，提供了多种网络应用服务。其基本服务有：名字服务、文件服务、电子邮件服务、www服务等，在internet中，目前提供的服务有很多，其主要的服务如表8-1所示。8.5.1名字服务名字服务名字服务是管理网络上所有对象的名字，如：进程名、服务器名、各种资源名、文件及目录名等。名字服务器实质上包含一个存放了这些名字及其属性的数据库系统，以及向用户提供的以透明方式寻址和定位服务的软件。当某一用户要访问某一对象（如文件）时，只需给出该对象的名字而不需知道该对象的物理位置。可以说，现在的nos，几乎都提供名字服务。

21、8.5.2文件服务文件服务该服务为用户（程序）对服务器中的目录和文件进行有效的及可控制的访问提供了手段。1、目录服务2、ftp使用ftp的操作步骤如下：1）确定需要访问的主机。即确定需要访问internet上哪一台远程计算机，了解其主机名或其ip地址。2）在远程主机和本地机间建立一个ftp连接。3）把远程主机上你所需要的文件传输到本地机上。4）当文件传输结束后，拆除已建立的连接，退出ftp。8.5.3电子邮件服务电子邮件服务电子邮件是electronic mail 的中文名，简称e-mail。电子邮件是internet中最基本的、应用最广泛的一种服务。它具有发送邮件速度快、邮件的异步传输、费用

22、低廉、使用方便等特点。目前，电子邮件服务有多种类型，除文字型电子邮件外，还有图像型电子邮件和语音型电子邮件。一般来说，电子邮件系统具有如下功能：1）撰写2）传输3）报告4）显示5）处理6）管理8.5.4 www服务服务万维网是world wide web的中文名,简称www或者web，它是一种特殊的结构框架，它的目的是访问遍布internet上数以万计的计算机的连接文件。www是超文本信息系统，它是跨平台的、分布式的系统，同时它是一个动态和交互的系统。由于web是以客户/服务器模式工作的,我们从客户和服务器两方讨论www服务的过程。1客户方2服务器方http协议由两部分组成：协议由两部分组成：

23、 浏览器到服务器的请求集，以及服务浏览器到服务器的请求集，以及服务器到浏览器的应答集组成。器到浏览器的应答集组成。http协议支持两种请求：简单请求协议支持两种请求：简单请求和完全请求。表和完全请求。表8-2显示了一些常用的请求方法。显示了一些常用的请求方法。8.6 应用程序接口应用程序接口网络操作系统为网络用户提供了两级接口：操作命令接口和应用程序编程接口。操作命令接口是指用户使用网络操作系统中提供的各种命令，以请求网络操作系统提供各种服务；网络应用程序编程接口是指用户通过网络操作系统提供的系统功能调用编写应用程序，达到使用网络、操纵网络的目的。8.6.1 操作命令接口操作命令接口用户命令接

24、口可分为两种：种是用于批处理方式的作业控制命令；另一种是用于交互方式作业控制的操作命令。这两种接口分别适用于不同的场合：对于交互方式命令接口，用户可以直接参与作业的控制，因而对用户来说是很方便的，可以及时了解作业的运行情况，查看作业的运行结果或终止作业的执行。但是在某些情况下，用户对于需要输入大量的操作命令感到不便，这时就可以采用批处理控制方式，编写包含作业控制的命令文件，然后一次性运行该命令文件获得所需要的结果。用户命令接口可以有多种不同的形式。目前，网络操作系统中操作命令接口主要有命令方式和图形用户界面（gui）方式。1、命令方式用户键入的命令通常以命令名开始，命令名本身代表操作系统所要执

25、行的操作。命令的一般格式是：command arg1，arg2，arg n ，option1，option m例如，在unix系统中，其命令行的一般格式是： 命令名 选项 参数2、图形用户界面（gui）以命令方式来控制程序的运行虽然有效，但给用户增加了不少负担。用户必须记住各种命令，并从键盘输入这些命令以及所需数据，以控制程序的运行。gui的目标是通过出现在屏幕上的对象直接进行操作，以控制和操纵程序的运行。这样可大大减轻或免除用户记忆的工作量，其操作方式从原来的“记忆并键入”改变为“选择并点取”，极大地方便了用户。8.6.2网络编程接口网络编程接口为了便于用户使用网络和开发网络应用程序，各种网

26、络在各个层次上为用户和开发者提供了方便灵活的编程接口。通常称为应用程序编程接口（apiapplication programming interface）1、bsd套接字接口linux操作系统的网络通信是按照tcp/ip模型的四层层次结构实现的。为了使应用层的程序能够使用下层的通信协议，linux提供了网络编程的通用协议，称为套接字（socket）接口。套接字既可看成是支持多种网络操作形式的接口，也可看成是一种进程间通讯接口。linux的bsd套接字的socket结构体在include/linux/net.h中定义如下：struct socket short type; socket_state state; long flags; struct proto_ops *ops; void *data; struct socket *conn; strcut socket *iconn; struct socket *next; struct wait_queue *wait; struct inode *inode; struct fasync_struct *fasync_list; struct file *file;2、inet套接字层ine