Műszaki informatika

Operációs rendszerek

Operációs rendszerek főbb feladatai

• Az operációs rendszer egyfajta tolmácsként funkcionál a felhasználói alkalmazások és a hardver között. • Kapocs a felhasználó és a gép között• Programok betöltése, futtatása• Perifériák kezelése• Parancsok értelmezése, végrehajtása• Hibakezelés• Adatvédelem

Modern operációs rendszerek jellemzői

• Több felhasználó támogatása• Multitasking• Egyszerű kezelőfelület• A lehető legjobban kihasználja a rendelkezésre álló hardver

erőforrásokat• A számítógép erőforrásait hatékonyan osztja szét a futó alkalmazások

között• Kezeli a hardver eszközöket

• Az operációs rendszer egyfajta tolmácsként funkcionál a felhasználói alkalmazások és a hardver között. • A számítógép bekapcsolása után történik az operációs rendszer

betöltése, általában valamely lemezmeghajtóról a RAM-ba.• Az operációs rendszer kódjának a számítógépes hardverrel

közvetlenül kommunikáló része a rendszermag (kernel). • Az operációs rendszert az alkalmazásokkal és a felhasználóval

összekapcsoló része a parancsértelmező. • A felhasználó a parancssoros kezelőfelületen (CLI: Command Line

Interface) vagy a grafikus kezelőfelületen (GUI: Graphical User Interface) keresztül kommunikálhat a parancsértelmezővel.

Az operációs rendszer telepítésének módjai

• Tiszta telepítésha új rendszert alakítunk ki, vagy nincs meg az új verzióra történő frissítés lehetősége a jelenlegi operációs rendszerről. Ez a módszer törli az összes adatot arról a partícióról, amelyre az operációs rendszert telepítjük, így a folyamat végén a szoftveralkalmazásokat is újra kell telepíteni. Új számítógép-rendszer esetében tiszta telepítés szükséges. Szintén tiszta telepítést kell végrehajtani, ha a meglévő operációs rendszer valamilyen módon megsérült.

• FrissítésHa azonos operációs rendszer platformon maradunk, akkor általában lehetséges az újabb verzióra történő frissítés. A frissítés során a rendszerbeállítások, az alkalmazások és az adatok is megmaradnak. Tulajdonképpen csak a régi operációs rendszer fájljait írjuk felül az újakkal.

• Több operációs rendszer indításának lehetősége (multi-boot)Egynél több operációs rendszer is telepíthető a számítógépre, amelyek közül a rendszerindítás során választhatunk. Mindegyik operációs rendszer külön partícióra kerül, saját fájlokkal és konfigurációs beállításokkal. A rendszerindítás során a felhasználó egy menü segítségével választhatja ki a kívánt operációs rendszert. Egyszerre csak egy operációs rendszer futhat, amely kizárólagos felügyeletet gyakorol a hardver felett.

• VirtualizációA virtualizáció általában kiszolgálókon alkalmazott technika, amely virtuális gépek létrehozásával lehetővé teszi több operációs rendszer futtatását egyazon hardveren. Ebben az esetben ugyanazon a fizikai erőforráson több logikai erőforrás működik.

Kommunikáció

Forrás, Csatorna, Cél

Protokollok

• Protokoll: szabály, megállapodás, mely az egymással kommunikáló felek közötti párbeszéd szabályait rögzítik.• A protokollok definiálják az üzenetküldés és a szállítás részleteit,

melyek a következők:• Üzenetformátum• Üzenetméret• Időzítés• Beágyazás• Kódolás• Szabványos üzenetminta

• Minden réteg célja, hogy szolgáltatásokat nyújtson a felette lévő rétegnek, miközben elrejti a megvalósítás tényleges megvalósításának részleteit• Az egyik gép n-edik rétege párbeszédet folytat egy másik gép n-edik

rétegével• A párbeszéd írott és íratlan szabályait együttesen az n-edik réteg

protokolljának nevezzük

ISO – OSI modell• ISO – International Standards Organization• OSI – Open System Interconnection• Nyílt rendszerek összekapcsolása• 7 rétege van• Elvek:

• A rétegek különböző absztrakciós szinteket képviseljenek.• Minden réteg jól definiált feladatot hajtson végre• A rétegek feladatának definiálásakor a nemzetközileg

szabványosított protokollokat kell figyelembe venni• A rétegek határait úgy kell meghatározni, hogy a rétegek közötti

információcsere minimális legyen.• A rétegek számának elég nagynak kell lenni ahhoz, hogy eltérő

feladatok ne kerüljenek szükségtelenül ugyanabba a rétegbe, viszont elég kicsinek kell lennie ahhoz, hogy az architektúra ne váljon kezelhetetlenné

Hibrid referenciamodell

Fizikai rétegTovábbítja a biteket a kommunikációs csatornán

• Külső burkolat

• Árnyékolás

• Szigetelés

• Belső vezeték

Koaxiális kábel felépítése

Az UTP kábel számos hálózatban használt, 4 érpárból álló réz alapú átviteli közeg. Az UTP kábeleknek mind a 8 rézvezetéke szigetelőanyaggal van körbevéve, emellett a vezetékek párosával össze vannak sodorva, így csökkentve az elektromágneses és rádiófrekvenciás interferencia jeltorzító hatását. Az árnyékolatlan érpárok közötti áthallást úgy csökkentik, hogy az egyes párokat eltérő mértékben sodorják. Maximális átviteli távolsága 100 m. Minimálisan felhasználható mérete 40 cm.Beszerelés szerint 2 fajta kábeltípust különböztetünk meg. Egyik a fali kábel, ami merevebb így könyebben törik is, ezért csak falban vagy kábelcsatornában használjuk. A fali kábelnek egy kicsivel kisebb az ellenállása, mert minden egyes ér egy tömör rézszál. Másik típus a lengő vagy patch kábel. Ezek hajlékonyabbak, jobban bírják a gyűrődést, de egy ere sok-sok vékony részszálból van összesodorva.

narancs / fehérnarancszöld / fehérkékkék / fehérzöldbarna / fehérbarna

zöld / fehérzöld narancs / fehérkékkék / fehérnarancs barna / fehérbarna

Egyeneskötésű (link): Mind a két végén 568A•PC — Switch•Router — Switch•HUB — PC

Keresztkötésű (cross-link): Egyik végén 568Amásikon 568B van.•Router — PC•PC — PC•Switch — Switch

IEEE szabvány

Megjelenés ideje

Működési frekvencia(Ghz)

Sebességjellemző(Mbit/s)

SebességMax.(Mbit/s)

Hatótáv beltérben(méter)

Hatótáv kültérben(méter)

802.11 1997 2,4 0,9 2 ~20 ~100

802.11a 1999 5 23 54 ~35 ~120

802.11b 1999 2,4 4,3 11 ~38 ~140

802.11g 2003 2,4 19 54 ~38 ~140

802.11n 2009 2,4/5 74 600 ~70 ~250

802.11ac 2012-2013 5 450 6,93 Gbit/s - -

Adatkapcsolati réteg Megbízható adatátvitelt biztosít egy fizikai összeköttetésen keresztül.Adatkeretbe tördel és ezeked sorrendben továbbítjaNyugtázókeretOsztott csatornához való hozzáférés: közeghozzáférés-vezérlő alréteg (medium access control, MAC)

28

Főbb feladatok

• Jól definiált szolgáltatási interfész biztosítása a hálózati rétegnek• Az átviteli hibák kezelése• Az adatforgalom szabályozása, hogy a lassú vevőket ne árasszák el a

gyors adók.

29

A hálózati rétegnek nyújtott szolgáltatásokTovábbítja a biteket a címzett géphez, hogy azokat át lehessen adni a

hálózati rétegnek1. Nyugtázatlan összeköttetés nélküli szolgáltatás2. Nyugtázott összeköttetés nélküli szolgáltatás3. Nyugtázott összeköttetés-alapú

30

Keretezés

31

Bájtszámmező

32

Jelzőbájt

33

Hibakezelés

• Minden keret ténylegesen megérkezett-e?• Helyes a sorrend?• Válasz: nyugtázó keret• Időzítők• Számlálók• Hibajavító kód• Hibajelző kód

34

Forgalomszabályozás

• Visszacsatolás-alapú forgalomszabályozás

• Sebességalapú forgalomszabályozás

35

Híd (bridge)

• Az adatkapcsolati rétegben működve szelektív összekapcsolást végez („csak az megy át a hídon, aki a túloldalra tart”).• Az összekapcsolt részhálózatok külön ütközési tartományt alkotnak.• Az üzenetszórást általában minden összekapcsolt részhálózat felé

továbbítja.

36

Kapcsoló (switch): 

• Olyan többportos eszköz, melynek bármely két portja között híd (bridge) funkcionalitás működik.

37

2 alréteg

• Logikai kapcsolatvezérlés alréteg LLC: Logical Link Control• Közeghozzáférés vezérlési alréteg

MAC: Media Access Control

38

MAC

Statikus csatornafelosztás• Frekvenciaosztásos multiplexelésen alapuló hozzáférés (FDMA). A csatornát (különböző

frekvenciákon alapuló) alcsatornákra osztjuk, így csökkentjük a versenyhelyzetet. Ideális esetben minden adó más-más alcsatornára (frekvenciára) kerül, így az ütközés teljesen eliminálható.

• Időosztásos multiplexelésen alapuló hozzáférés (TDMA). A közös csatornát előre meghatározott időszelet-használati besorolással megosztjuk a versenyhelyzetben lévő adók között, ezzel biztosítva, hogy egy időpillanatban csak egy adó küldhessen információt a csatornán.

• Hullámhossz-osztásos multiplexelés (WDM). Hasonló az FDM-hez, de ezt az optikai átvitelnél, a fény frekvenciatartományában alkalmazzuk.

Dinamikus csatornafelosztás• véletlen hozzáférés• elosztott vezérlésű• központosított vezérlésű.

39

Egyszerű ALOHA

40

Réselt ALOHA

41

Ethernet (IEEE 802.3)

42

43

44

Kapcsolók (switchek)

• A kapcsolók minden portjukhoz egy táblázatban (ún. kapcsolási táblában) tárolják le az adott porton elérhető gépek Ethernet (vagy más néven MAC) címét. A kapcsolók dinamikusan töltik fel és tartják karban kapcsolási táblájukat (az érkező keretek forráscíme alapján). A kapcsolási táblát egy ún. tartalom szerint címezhető memóriában tárolják (content-addressable memory, CAM).• A CAM olyan memória, amely a hagyományos memóriákhoz képest

fordítottan működik: ha valamilyen adatot táplálunk be (Ethernet cím), a hozzá tartozó memóriacímet adja kimenetként. A CAM révén a kapcsolók kereső algoritmus futtatása nélkül is meg tudják találni az adott MAC címhez tartozó portot.

45

Ethernet kapcsolás folyamata (Ethernet switching)

A kapcsoló a beérkező Ethernet keret célcímét keresi a kapcsolási táblájában:• Ha a célcím üzenetszórási cím (48 db 1-es bit érték), akkor a keretet a

kapcsoló valamennyi portján továbbítja (kivéve az érkezési portot).• Ha a célcím nem található meg a kapcsolási táblában, akkor

valamennyi portján továbbítja a keretet (kivéve az érkezési portot).• Ha a célcím megtalálható a kapcsolási táblában, akkor a hozzá tartozó

porton továbbítja a keretet (feltéve, hogy az nem azonos a keret érkezési portjával).

46

Kapcsolási módszerek:

• Tárol és továbbít: A keret továbbítása a teljes keret megérkezése után kezdődik meg. A kapcsoló újraszámítja a keretellenőrző összeget (CRC, vagy más néven Frame Control Sequence, FCS), s ha a keret hibás, eldobja.• Közvetlen kapcsolás: A célcím (6 bájt) megérkezése után azonnal

megkezdődik a keret továbbítása a kimeneti porton.• Töredékmentes kapcsolás: A minimális keretméret (64 bájt)

megérkezése után kezdődik a keret továbbítása a kimeneti porton. (Esetlegesen ütköző keret nem kerül továbbításra.)

47

Vezérjeles gyűrű, Token ring (ISO/IEEE 802.5)

• A vezérjeles gyűrű eliminálja az ütközést: van egy speciális keret (vezérjel, token), s egy állomás csak akkor adhat keretet, ha birtokolja a vezérjelet. Az állomás az adás után a vezérjelet továbbadja a soron következő állomásnak.• Az állomások logikailag gyűrű topológia alapján működnek (megelőző,

rákövetkező csomópont), de fizikailag a csomópontok egy ún. TCU (Trunk Coupling Unit) egységhez csatlakoznak (fizikailag csillag topológia). A TCU reléket és működtető elektronikát tartalmaz, a logikai gyűrű szervezése a TCU feladata. Ez biztosítja, hogy egy állomás kikapcsolásakor (esetleg meghibásodásakor) a gyűrű záródjék.

48

Vezérjeles gyűrű működési elve

1. Ha egy állomás keretet akar továbbítani, először meg kell várnia vezérjelet (token-t).

2. Ha megjött a vezérjel, a továbbítandó keretet (amely tartalmazza a feladó és a célcímet) bitenként továbbítja.

3. Minden állomás bitenként veszi és (a rákövetkező felé) továbbküldi a keretet.4. A címzett állomás a beolvasott keretet feldolgozza, s ugyanúgy továbbítja,

mint a többi állomás, azzal a különbséggel, hogy a címzett a válasz biteket is beállítja a keret végén (jelezve a sikeres, vagy sikertelen átvitelt).

5. A keretet a feladó állomás távolítja el a gyűrűből. A feladó a válasz biteket is feldolgozza.

6. A feladó állomás továbbküldi a vezérjelet.

49

A vezérjel továbbadásának alternatív megoldásai• Lassú gyűrű (4 Mbps): Egyszerre csak 1 keret van a gyűrűben. A

vezérjelet a feladó állomás csak a keret visszaérkezése után továbbítja.• Gyorsabb gyűrű (16 Mbps): Egyszerre több keret van a gyűrűben. A

vezérjelet a feladó állomás a keret elküldése után azonnal továbbítja a rákövetkező állomásnak (early token release).

Hálózati réteg Összeköttetést és útvonalválasztást biztosít két hálózati csomópont között. Ehhez a réteghez tartozik a hálózati címzés és az útvonalválasztás (routing).Egymástól eltérő hálózatok összekapcsolása

• Feladata: a csomag eljusson a célig • Több útválasztó• Ez a legalacsonyabb rétek, mely a két végpont közötti átvitellel

foglalkozik.• Ismernie kell a topológiát• Útvonalválasztás, túlterheltség

Szállítási rétegnek nyújtott szolgáltatások• A szolgáltatásoknak függetlennek kell elnniük az útválasztók

kialakításától• A szállítási réteg elől el kell takarni a jelenlévő útválasztók számát,

típusát és topológiáját• A szállítási réteg rendelkezésre bocsátott hálózati címeknek egységes

számozási rendszert kell alkotniuk.

Kétféle megoldás

• Összeköttetés nélküli szolgáltatás• datagramok

• Összeköttetés-alapú szolgáltatás• Virtuális áramkör

Összeköttetés nélküli szolgáltatás

Összeköttetés-alapú szolgáltatás

Összehasonlítás

Útválasztó algoritmusok

• Adaptív – nem adaptív • Legrövidebb út• Elárasztás• Távolságvektor-alapú útválasztás• Végtelenig számlálás problémája

IPV4

IPV6

Forgalomirányítók (alapvető) működése1. A router az input interfészen érkező csomagot fogadja.2. A router a csomag célcímét illeszti a routing táblázat soraira. • Ha a célcím több sorra illeszkedik, akkor a leghosszabb prefixű sort tekintjük

illeszkedőnek.• Ha nem létezik illeszkedő sor, akkor a cél elérhetetlen, a csomag nem

továbbítható. A csomagot a router eldobja és ICMP hibajelzést küld a feladónak.

• Ha létezik illeszkedő sor, akkor a csomagot az ebben szereplő kimeneti interfészen továbbítjuk (adatkapcsolati rétegbeli beágyazással) a következő hopként megadott szomszédhoz, ill. a célállomáshoz, ha már nincs több hop.

ICMP

ARP (Address Resolution Protocol)A cél IP cím alapján keressük a hozzátartozó Ethernet címet. Minden csomópont egy táblázatban (ARP táblázat) tartja nyilván a hálózati címekhez tartozó fizikai címeket. A táblázat új bejegyzéseit emberi beavatkozás nélkül kell létrehozni:• ARP kérdés: Ki tudja az X hálózati cím fizikai címét?• A kérdés keretét üzenetszórásos küldéssel az alhálózat valamennyi

csomópontja megkapja és feldolgozza.• Ha valamely csomópont “magára ismer“ az X hálózati címben, akkor a

saját fizikai címével megválaszolja az ARP kérdést.

RARP (Reverse Address Resolution Protocol)A RARP protokoll alkalmazása speciális esetekben szükséges (tipikusan hálózati boot, vagy hálózatról történő IP cím meghatározása esetén.) Egy (vagy több) RARP szerver egy táblázatban (RARP táblázatban) tartja nyilván a fizikai címekhez tartozó hálózati címeket. A táblázatot a rendszeradminisztrátor tartja karban. Az IP cím - Ethernet cím összerendelés statikus (azaz egy Ethernet címhez mindaddig ugyanaz az IP cím lesz hozzárendelve, amíg a rendszeradminisztrátor meg nem változtatja azt). Ha több RARP szervert üzemeltetünk, akkor mindegyiken ugyanazt az összerendelési táblázatot kell alkalmaznunk.Működési vázlata:• RARP kérdés: Ki tudja az X fizikai cím hálózati címét?• A kérdés keretét üzenetszórásos küldéssel az alhálózat valamennyi csomópontja

megkapja.• A RARP szerverek feldolgozzák a kérdést: Ha megtalálják a táblázatukban az X fizikai

címet, akkor a táblázatban található hálózati címmel megválaszolják a RARP kérdést.

DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol1. DHCP kérdés: Ki tud adni egy IP címet?2. A kérdés keretét üzenetszórásos küldéssel az alhálózat valamennyi

csomópontja megkapja.3. A DHCP szerverek feldolgozzák a kérdést: Ha a kezelt

címtartományukban még van szabad IP cím, akkor azzal megválaszolják a DHCP kérdést.

4. A kliens a hozzá érkező DHCP válaszokból választ egyet, s visszajelzi a választását a megfelelő DHCP szervernek.

5. A DHCP szerver „könyveli” a címválasztást (foglalt lett a cím), s a könyvelésről megerősítést küld a kliensnek.

Szállítási réteg Megbízható hálózati összeköttetést létesít két csomópont közöttAdatokat fogad a viszony rétegtől, feldarabolja és továbbítja a hálózati rétegnek, közben biztosítja a hibátlan megérkezést.

UDP-User Datagram Protocol

Az UDP nagyon egyszerű protokoll. A fejrész legfontosabb két mezője a két portszám, melyek a kommunikációs adatfolyam azonosítását végzik. Nincs benne kötelező visszajelzési mechanizmus, s az áramlásszabályozást gyakorlatilag az applikációk végzik.

TCP-Transmission Control Protocol

Az TCP protokoll (RFC 793) megbízható (nyugtázott), összeköttetés alapú szállítási réteg protokoll. Az adatkommunikáció megkezdése előtt kapcsolat (TCP összeköttetés) épül ki a felek között. A kommunikáció során pedig folyamatos áramlásszabályozást lát el.

Háromutas kézfogás

• A kapcsolatot kezdeményező elküld egy kapcsolat kérést jelző Syn kódbitet és egyben elküldi a saját sorszámát.• A fogadó érzékelve a kérést beállítja a Ack nyugtázó kódbitet, és a nyugta

számát egyel nagyobra állítja a kapott sorszámnál (várományos nyugtázás). Ezzel együtt elküldi a saját kapcsolatfelvételi kérelmét amit a Synkódbit segítségével jelez és beteszi a saját sorszámát a csomagba.• A kapcsolatot kezdeményező érzékelve a visszaérkező csomagot, a

nyugtaszám alapján tudja, hogy küldeménye elért a célállomáshoz. Annyi teendője van csupán, hogy nyugtázza a célállomás által elküldött sorszámot az Ack kódbit beállításával és a nyugtaszámban megnöveli egyel a célálomástól kapott sorszámot.

Alkalmazási rétegAz applikációk (fájlátvitel, e-mail stb.) működéséhez nélkülözhetetlen szolgáltatásokat biztosítja.

DNS – Domain Name System

• 1983• Hierarchikus körzetalapú névkiosztási séma és az azt megvalósító

adatbázisrendszer• Elsősorban arra szolgál, hogy hosztneveket feletessen meg IP-

címeknek

DNS-névtér

• A névhierarchia legfelső szintje: ICANN (Internet Corporation for Assigned Named and Numbers) 1998• 250 elsődleges körzet• Általános• Országra vonatkozó

• Másodlagos körzetnevek• A komponenseket . választja el egymástól

DNS-névtér

Elsődleges körzetnevek

Névszerverek

• A DNS-névtér egymással nem átlapoló zónákra van osztva.• Minden zónához egy vagy több névszerver tartozik.• Egy lemezen lévő fájlból nyeri az információkat.• Névfeloldás: név megkeresése és a hozzá tartozó cím meghatározása• Hiteles bejegyzés: a bejegyzés attól a szevertől származik, amelyik azt

kezeli.• Gyorstárban lévő bejegyzések: esetleg elavult

Névfeloldás

Elektronikus levél

SMTP – Simple Mail Transfer Protocoll• A forrásgép TCP összeköttetést teremt a célgép 25-ös portjával.• A küldő gép megvárja, amíg a szerver fogadógép meg nem szólal. A

szerver azzal kezdi, hogy küld egy sornyi szöveget, melyben azonosítja magát, és megadja, hogy fel van-e készülve a levelek fogadására. • Ha nem, akkor a kliens bontja az összeköttetést és később

újrapróbálkozik.• Ha a szerver felkészült a fogadásra, akkor a kliens megadja, hogy kitől

és kinek megy a levél. • Ha a megadott címzett létezik a célgépen, akkor a szerver szabad utat

enged az üzenetnek. A kliens elküldi, a szerver nyugtázza. A TCP miatt nincs szükség ellenőrző összegre.• Az összeköttetés lebomlik

SMTP hátrányai• Olyan feladót ad meg, amit csak akar• ASCII üzenetet továbbít ->hosszú üzeneteknél probléma• Nincs titkosításESMTP – Extended SMTPIMAP – Internet Message Access ProtocollIMAP-szerver 134-as portPOP3 – Post Office Protocol