Advanced Operating Systems · Anforderungen (und die aus ihnen resultierenden Eigenschaften) im Vergleich: funktionale vs. nichtfunktional Beispiel Autokauf: „Mit unserem Fahrzeug

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Peter Amthor Fak. IA / FG VSBS Technische Universität Ilmenau www.tu-ilmenau.de/vsbs

Advanced Operating Systems

Kapitel 1: Einführung

Peter Amthor Wintersemester 2018/19

AOS WS 2018/19 © P. Amthor, H.-A. Schindler 1–2

■  Zielgruppe: Wahlpflichtbereich BSc IN/II 5. FS (5 LP) ■  Voraussetzungen: Grundlagenvorlesung „Betriebssysteme“

■  Version History:

1 Einführung

About

Zeitraum Kursname Lehrender nie Betriebssysteme 2 —

bis 2012 Nichtfunktionale Eigenschaften H.-A. Schindler 2013—2016 Advanced Operating Systems H.-A. Schindler

seit 2017 Advanced Operating Systems P. Amthor

è panta rhei...


Termine

Organisatorisches

Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag 9:00 9:00

9:00

HU 011

9:00

HU 011

9:00

11:00

K 2003A

11:00

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13:00 13:00

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1 Einführung


Übungen

■  ergänzen und illustrieren den Vorlesungsinhalt ■  bestehen aus

◆  Wiederholungsfragen: ich frage, Sie antworten (ich merke, was ich nochmals/besser erklären muss...)

◆  Diskussionsfragen: Sie diskutieren, untereinander und mit mir (zumeist keine „richtige“ Antwort à Erweiterung des Horizonts)

◆  „Rechenaufgaben“: haben Sie vorbereitet, wir vergleichen Lösungen ◆  praktische Aufgaben: haben Sie auch vorbereitet, Sie zeigen eine Demo

■  Lernerfolg ~ Vorbereitung von Rechen- und praktischen Aufgaben!

■  Termine bedarfsgesteuert: rechtzeitige Ankündigung (2 Wochen vorher)

Organisatorisches

1 Einführung


Begleitmaterial

Webseiten des Fachgebiets: http://www.tu-ilmenau.de/vsbs → Lehre → WS 2018/19

→ Advanced Operating Systems

■  Kurzbeschreibung der Lehrveranstaltung ■  tagesaktuelles Vorlesungsmaterial

◆  Inhaltsübersicht ◆  Präsentationsmaterial (nach Abschluss eines Kapitels) ◆  Übungsmaterial ◆  Literatur ◆  Weblinks

à gute Idee: Mitschreiben bei Bedarf!

Organisatorisches

1 Einführung


Leistungsnachweis

■  Prüfungsgespräch: 20 Minuten (benotet) ■  (mehr oder minder) zeitnah im Anschluss an die Vorlesung ■  Prüfungsstoff: Vorlesungen + Übungen

Organisatorisches

1 Einführung


◆  Informationssystemen •  Gesundheitswesen •  Finanzdienstleister

◆  Verkehrsmanagement-Systemen •  Eisenbahn •  Flugwesen

◆  Kommunikationssystemen •  Mobilfunk •  Raumfahrt

◆  eingebetteten Systemen •  Multimedia •  Fahrzeugsysteme •  Sensornetze

◆  ...

à verschiedenste Anforderungen!

1.1 Themenumfeld

Betriebssysteme … ■  … stecken nicht nur in Einzelplatzrechnern, sondern z.B. auch in:

1.1 Themenumfeld


■  Konsequenz: Spezialbetriebssysteme für Anforderungen wie ... ◆  Robustheit ◆  Echtzeitfähigkeit ◆  Energieeffizienz ◆  Sicherheit ◆  Adaptivität ◆  ...

■  Gegenstand dieser Vorlesung: Konstruktionsrichtlinien für solche ”High-End Betriebssysteme”

(Advanced Operating Systems)

1.1 Themenumfeld

1.1 Themenumfeld


1.2 Funktionale und nichtfunktionale Eigenschaften

■  Anforderungen (und die aus ihnen resultierenden Eigenschaften) im Vergleich: funktionale vs. nichtfunktional

◆  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. 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. Handykauf: Das Produkt soll klein, leicht, energiesparend, strahlungsarm, umweltfreundlich, ... sein.



■  andere Bezeichnungen nichtfunktionaler Eigenschaften ◆  Qualitäten bzw. Qualitätsattribute (eines Software-Produkts):

Ø Nichtfunktionale Anforderungen bzw. Eigenschaften eines Software-Systems bzw. -Produkts oft auch als seine Qualitäten bezeichnet.

Ø Einzelne realisierte Eigenschaft ist demzufolge ein Qualitätsattribut (quality property) dieses Systems bzw. Produkts.

◆  Weitere in der Literatur zu findende Begriffe in diesem Zusammenhang: •  non-functional requirements/properties •  Constraints •  Quality of service requirements •  u.a.

Zur Terminologie ...



■  „ILITIES“ ◆  im Englischen:

nichtfunktionale Eigenschaften eines Systems etc. informell auch als seine „ilities“ bezeichnet, hergeleitet von Begriffen wie

•  Stability •  Portability •  ...

◆  im Deutschen:

müsste man dann z.B. von „itäten“ bzw. „barkeiten“ usw. sprechen ... (Portabilität, Skalierbarkeit, aber: Offenheit, Performanz, ...)

... und Sprechweise



1. Hardware-Basis Einst: ■  Einprozessor-Systeme Heute: ■  Mehrprozessor-Systeme ■  hochparallele Systeme

■  hieraus: wiederum neue Synchronisationsmechanismen erforderlich

1.3 Konsequenzen für Betriebssysteme

è unterschiedliche Hardware und deren Multiplexing aufgrund unterschiedlicher

nichtfunktionaler Eigenschaften



2. Betriebssystem-Architektur

Einst: ■  Monolithische u. Makrokernel-Architekturen Heute: ■  Mikrokernelbasierte Architekturen ■  Exokernelbasierte Architekturen (Library-Betriebssysteme) ■  Virtualisierungsarchitekturen ■  Multikernel-Architekturen

è unterschiedliche Architekturen aufgrund unterschiedlicher nichtfunktionaler

Eigenschaften




3. Ressourcenverwaltung

■  Beispiel: echtzeitfähige Betriebssysteme ◆  benötigen z.B.:

•  echtzeitfähigen Scheduler (Scheduling-Algorithmus) •  angepasste Organisation der Hauptspeicherverwaltung •  angepasste Verwaltung der Plattenzugriffe •  angepassten Umgang mit Interrupts •  angepassten Umgang mit Systemaufrufen •  angepasste Organisation von Warteschlangen •  Umgang mit Überlast •  Umgang mit sog. Prioritätsumkehr


è unterschiedliche Ressourcenverwaltung aufgrund unterschiedlicher

nichtfunktionaler Eigenschaften



4. Zusätzliche Betriebssystem-Abstraktionen

■  zusätzliche Abstraktionen und deren Verwaltung ... ◆  ... zur Reservierung von Ressourcen (à Embedded-Systeme) ◆  ... zur Realisierung von QoS-Anforderungen (à Multimediasysteme) ◆  ... zur Erhöhung der Ausfallsicherheit (à verfügbarkeitskritische Systeme) ◆  … zur Durchsetzung von Nutzungsrichtlinien (à sicherheitskritische

Systeme) ◆  … zum flexiblen und modularen Anpassen des Betriebssystems (à adap-

tive Systeme)


è höchst unterschiedliche Abstraktionen von Hardware aufgrund

unterschiedlicher nichtfunktionaler Eigenschaften



5. Betriebssysteme als Softwareprodukte

■  Betriebssystem: •  komplexes Softwareprodukt … dennoch: allgemeine Anforderungen

an Softwareprodukte gelten ■  an jedes Softwareprodukt gibt es Anforderungen an seine Nutzung

und Pflege à Evolutionseigenschaften ■  diese können für Betriebssysteme höchst speziell sein

(Korrektheitsverifikation, Wartung, Erweiterung, ...)


è spezielle Anforderungen an das Softwareprodukt Betriebssystem aufgrund

unterschiedlicher nichtfunktionaler Eigenschaften



■  Funktionale Eigenschaften (≈ Funktionen, Aufgaben) §  Betriebssysteme schon als sehr komplexe Softwareprodukte erwähnt ... §  Ein Grund für diese Komplexität:

besitzen Reihe von differenzierten Aufgaben – also funktionale Eigenschaften:

1.4 NFE 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)

1.4 Nichtfunktionale Eigenschaften von Betriebssystemen


Ein Teil der folgenden nichtfunktionale Eigenschaften wurde bereits erwähnt:

◆  Sparsamkeit und Effizienz ◆  Robustheit ◆  Verfügbarkeit ◆  Sicherheit (Security) ◆  Echtzeitfähigkeit ◆  Adaptivität ◆  Performanz

◆  Wartbarkeit ◆  Portierbarkeit ◆  Offenheit ◆  Erweiterbarkeit

als sog. Laufzeiteigenschaften

als sog. Evolutionseigenschaften

1.4 NFE von Betriebssystemen



■  nichtfunktionale Eigenschaften unterteilbar in:

1.  Laufzeiteigenschaften (execution qualities) Ø zur Laufzeit eines Systems beobachtbar

§  Beispiele: -  „security“ (Sicherheit), „usability“ (Benutzbarkeit),

„performance“ (Performanz), ...

2.  Evolutionseigenschaften (evolution qualities) Ø charakterisieren (Weiter-) Entwicklungs- und Betrieb eines Systems

§  Beispiele: -  „testability“ (Testbarkeit), „extensibility“ (Erweiterbarkeit) usw.

Ø liegen in statischer Struktur eines Softwaresystems begründet

Klassifizierung



1.5 Inhalte der Vorlesung

Auswahl sehr häufiger NFE von Betriebssystemen:

◆  Sparsamkeit und Effizienz ◆  Robustheit ◆  Verfügbarkeit ◆  Sicherheit (Security) ◆  Echtzeitfähigkeit ◆  Adaptivität ◆  Performanz

◆  Wartbarkeit ◆  Portierbarkeit ◆  Offenheit ◆  Erweiterbarkeit

Laufzeiteigenschaften

Evolutionseigenschaften



■  Diskussion jeder Eigenschaft: (Bsp.: Echtzeitfähigkeit)

◆  Motivation, Anwendungsgebiete (Bsp.: Multimedia- und eingebettete Systeme)

◆  Mechanismen und Abstraktionen des Betriebssystems

(Bsp.: Fristen, Deadline-Scheduler)

◆  unterstützende Betriebssystem-Architekturkonzepte (Bsp.: Mikrokernel)

◆  ein typisches Beispiel-Betriebssystem

(Bsp.: RTOS)




… somit folgende Inhaltsübersicht: 1 Einführung (dieses Kapitel)




2 Sparsamkeit und Effizienz

Energieeffizienz

Speicher- effizienz

Raumfahrt- Technologie

mobile Geräte

Automobil- Technologie

„smart dust“

Smartcards




3 Robustheit und Verfügbarkeit Verfügbarkeit Ausfallzeit pro

Jahr Ausfallzeit pro Woche

90% > 1 Monat ca. 17 Stunden

99% ca. 4 Tage ca. 2 Stunden

99,9% ca. 9 Stunden ca. 10 Minuten

99,99% ca. 1 Stunde ca. 1 Minute

99,999% ca. 5 Minuten ca. 6 Sekunden

99,9999% ca. 2 Sekunden << 1 Sekunde

„Consumer“-Bereich ...

Hochverfüg-barkeitsbereich

(Hoch-) Verfügbarkeit




4 Sicherheit

Krankenhaus- und Patienten- Informationssysteme

Abwehr von Industrie- und Militärspionage

Generell alle (auch „nicht-sensible“)

IT-Systeme!




5 Echtzeitfähigkeit

militärische (Abwehr-)Systeme

Steuerungen in Fahrzeugen, Flugzeugen, …

Multimedia-Systeme

Digitale Motorelektronik (DME)



AOS WS 2018/19 © P. Amthor, H.-A. Schindler 1–28 1.5 Inhalte der Vorlesung

6 Adaptivität

... und ihre Virtualisierung

Flexibilität von Betriebssystemen ...



7 Performanz und Parallelität

Multikernel-Architekturen für heterogene superskalare CPUs

High-Performance Computing, Parallel Computing

Verteilte Betriebssysteme




Ziele: 1.  Kenntnisse zur Integration von NFE in Betriebssysteme 2.  Diskussion von (Nicht-) Zusammenwirkung unterschiedlicher

NFE: Synergien und Widersprüche verschiedener

•  Mechanismen •  Architekturmodelle •  deren jeweils verfolgte NFE (soweit verallgemeinerbar...) à Engineering-Werkzeug für Sie!

8 Zusammenfassung Energieeffizienz

Echtzeit

Safety Security

Performanz 1 2 3 4

0

Energieeffizienz

Echtzeit

Safety Security

Performanz 1 2 3 4

0

Industrieautomatisierung

Medizintechnik

Nicht- funktionale

Eigenschaften




1.6 Bezüge zu anderen Wahlpflichtmodulen (Auswahl)

Sparsamkeit und Effizienz

Robustheit und Verfügbarkeit

Sicherheit

Echtzeitfähigkeit

Adaptivität

Performanz und Parallelität

Systementwurf (Prof. Zimmermann) Systemsicherheit

(Prof. Kühnhauser)

Network Security (Prof. Schäfer)

Kryptografie (Prof. Dietzfelbinger)

Verteilte Echtzeitsysteme (Dr. Schindler)

alle Themen: Linux und SELinux (Dr. Schindler)

1.6 Bezüge zu anderen Wahlpflichtmodulen


è  NFE in Betriebssystemen: wenig zusammenfassende Literatur è  Die meisten Informationen finden sich in Büchern zum Thema „Softwaretechnik“,

z.B.

1.  [Eeles+2010] Eeles, Peter / Cripps, Peter: The Process of Software Architecting Pearson Education, Inc – Boston, MA © 2010 ISBN13: 978-0-321-35748-9

■  bzw. in Internetquellen

Literatur

1 Einführung


■  Zu den funktionalen Aufgaben eines Betriebssystem sollte jedes Betriebssystembuch Aussagen liefern.

■  für die Vorlesung u.a. relevant:

1.  [Stallings2009] Stallings, William: Operating Systems – Internals and Design Principles Pearson Education, Pearson Education International © 2009 ISBN13: 978-0-13-603337-0

2.  [Tanenbaum2008] Tanenbaum, Andrew S.: Modern Operating Systems (3rd ed.) Pearson Prentice Hall © 2008 ISBN13: 978-0-13-600663-3

Literatur

1 Einführung


Fragen?

ENDE Kap. 1

1 Einführung

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