Sistema Operativo Parte 1

1 Administración de Sistemas y Redes de Computadoras

Administración de Sistemas y Redes de computadoras

Redes

INTRODUCCIÓN

El desarrollo tecnológico en especial en estos últimos 20 años ha sido muy vertiginoso, de

hecho, forma parte de nuestra vida cotidiana muchos equipos o artefactos propios del siglo

XXI. Ya es común el uso de teléfonos, pero no de aquellos que funcionaban con discos para

marcar un número, sino de celulares, y mas aún estos celulares ya son smartphone

(inteligentes), sin contar tablets, lcd, pc, notebooks o inclusive electrodomésticos de la

denominada “línea blanca”, como heladeras y lavarropas que llevan incorporados sistemas

operativos para brindar más funcionalidad y comodidades a los usuarios.

¿Qué tiene que ver todo esto con las “redes”? Sucede que desde la aparición de los primeros

computadores hasta la fecha, se produjo tal evolución que ya no es posible entender el

funcionamiento de un equipo en forma aislada. Las primeras computadoras, solo procesaban

datos o efectuaban cálculos matemáticos complejos, pero era bastante complicado la

inserción de datos o bien la extracción de los resultados. Tales tareas se hacían a través de los

denominados periféricos, como: impresoras, lectoras de tarjetas perforadas, cintas

magnéticas, posteriormente discos de almacenamiento, etc.

Si tomamos el caso de una impresora, esta se conectaba a la computadora para poder ser

usada, sin embargo si otra computadora necesitaba imprimir, necesitaba tener instalada otra

impresora, sin importar si se utilizaría mucho o no, lo que implicaba un costo importante para

un recurso que no se utiliza a menudo.

Aquí aparece otro concepto, el de recurso.

Recurso: bajo esta denominación identificamos a todos aquellos elementos, que por su

característica tienden a ser:

Escasos

costosos

únicos

Por lo tanto, teniendo en cuenta estas características, para facilitar su uso y bajar costos, lo

mejor es compartirlo entre varios equipos. Y aquí llegamos al concepto de Red:

Una red es la conexión de dos o más computadoras que ponen en disposición de cada “puesto

de trabajo” los recursos existentes, ya sean de hardware o software, en las otras

computadoras.

Una red, montada en una empresa, por ejemplo, puede distribuir las tareas a realizar entre las

computadoras que la componen, puede además, centralizar la información para facilitar la

administración de cada equipo, se ahorra dinero (no es necesario comprar muchos periféricos

ya que si se encuentran las computadoras conectadas en red pueden compartir por ejemplo

una impresora).


Podemos efectuar entonces una primera clasificación de redes, de acuerdo a la cantidad de

equipos enlazados y su ubicación geográfica.

Red LAN

Características principales de una red LAN (Local Area Network) , red de área local.

La red se extiende hasta una distancia de 200 metros

La velocidad de transmisión de 1 a 100 Mbps, aunque actualmente pueden ser

mayores

Baja cantidad de errores en transmisión de datos

Recursos compartidos, tanto de hardware como de software

Posibilidad de conectarse a otras redes

Red WAN (Wide Area Network)

Corresponden a este tipo de redes, a aquellas que por su ubicación geográfica están muy

distantes, en otra región o país. Una WAN esta compuesta por varias redes LAN, donde cada

una de ellas se encuentran geográficamente lejos.

La conexión entre estas redes LAN, puede ser a través de proveedores externos o terceros, y

las conectividades pueden ser, por cable, wifi o bien satelital.

Red MAN (Metropolitan Area Network)

Tomando del concepto anterior de una WAN, podemos definir a una MAN como aquella red

que se encuentra en una ubicación geográfica próxima, como ser una ciudad. Esta dentro de

un area acotada. Puede darse el caso de varias sucursales de una misma empresa, dentro de

una misma area.

Red SAN (Storage Area Network)

Comprende un conjunto de servidores dedicados exclusivamente al almacenamiento de datos,

siendo liberados de tareas de procesamiento. Son redes generalmente caras en cuanto a

mantenimiento e implementación. Se encuentra al igual que las WAN , diseminados en un

amplio espectro geográfico

Red WLAN, ( Wireless Local Area Network)

Toma el concepto de la redes LAN, agregándole la funcionalidad de accesos inalámbricos, WIFI,

facilitando en varios casos la conectividad entre equipos.

Red PAN, ( Personal Area Network)

Redes de uso temporal, que son utilizadas para conectar equipos que se encuentran a

distancias muy pequeñas, generalmente utilizadas en hogares. Son conexiones enlazadas a

través de infrarojo, bluetooth, o wireless. Sincronizacion de celulares o centro multimedia de

entretenimiento.


Componentes de una red

Interfaz de usuario

En computación, la interfaz de usuario es el espacio por medio del cual se pueden comunicar

las personas con las máquinas para que así los usuarios puedan operar y controlar a la

máquina, y que esta a su vez envíe retroalimentación para ayudar al operador a tomar

decisiones y realizar tareas.

La palabra "interface" -interfaz en inglés- puede traducirse como: superficie de contacto entre

dos cuerpos. Lo que en este caso nos ayuda a entender el término, ya que se pude decir que la

interfaz de usuario es el área en el que máquina y usuario se tocan para interactuar, pero sin

invadir el espacio del otro.

Se conoce también como UI por sus siglas en inglés (User Interface). Menos populares son sus

siglas en español "IU".

Los sistemas operativos como OS X y Windows tienen una interfaz de usuario gráfica, lo que

significa que el usuario interactúa con la máquina por medio de imágenes, que en el caso de

estos dos sistemas operativos son íconos, ventanas y menús desplegables.

Los aparatos móviles como el iPhone, el iPad, y los dispositivos que tienen Android como

sistema operativo, también tienen una interfaz gráfica, pero con el añadido de que la

interacción se hace por medio de pantallas táctiles, lo qué hace más evidente lo que

mencionamos anteriormente sobre que el usuario y la máquina se tocan para interactuar.

Hay interfaces que funcionan por medio de texto, es decir que no son gráficas. Un ejemplo de

esto sería el sistema operativo MS-DOS, que funciona introduciendo cadenas de comandos

para operar una computadora. Este tipo de interface se la denomina “interprete de

comandos”.


Las interfaces de usuario no solamente se limitan al software de una computadora, sino que

también incluyen el hardware. Como mencionamos anteriormente, las pantallas táctiles son

parte de la interfaz de muchos dispositivos móviles. En una computadora de escritorio, parte

de la interfaz podría ser el mouse o el trackpad, ya que esos dispositivos nos permite

manipular el sistema.

Sistema Operativo

Un sistema operativo es un conjunto de programas y utilidades básicas que hacen que su

computadora funcione. El centro de un sistema operativo es el núcleo, también llamado

kernel, siendo este el corazón de nuestro S.O y por consiguiente el elemento más importante

del mismo. El núcleo realiza todo el trabajo básico tanto para la ejecución de programas como

de acceso al hardware. Un buen diseño del kernel nos asegura un sistema operativo estable y

productivo.

Software

Programas de Sistema

Programas de Aplicación

El software se divide

principalmente en dos grupos:

1- los programas de sistema,

que son aquellos que

controlan al computador

2- los programas de

aplicación, que son

aquellos que realizan las

tareas que el usuario

desea


Un sistema operativo, corresponde al grupo de programas de sistema, debiendo asegurar

disponibilidad, control y organización del flujo de trabajo. Dentro de sus funciones principales

se destaca:

1- La utilización compartida de recursos.

Permite la disponibilidad de los recursos del computador ( memoria, CPU, dispositivos

de entrada/salida) entre múltiples usuarios concurrentes. La idea de usuario en este

punto se refiere a diferentes programas que solicitan atención al sistema operativo.

2- Constitución de una maquina virtual

Así se denomina la capa de software, a manera de interfaz, encima del hardware,

llamada sistema operativo, que evita la complejidad de dispositivos y recursos a los

programadores, ofreciendo facilidad en el uso de dispositivos. De esta forma se genera

las bases o plataforma sobre el cual funcionan las aplicaciones de usuario.


Estructura en capas para un sistema operativo

Nivel de nucleo

Gestion básica de procesos: planificación a corto plazo, cambio de contexto. Primitivas

de sincronización. Gestion de E/S y tiempo, rutinas de atención

Nivel del Sistema Basico de Ficheros BFS.

Corresponde a la ubicación en disco, directorios, rutinas de E/S, servidores de

dispositivos

Nivel Sistema

Implementación de las llamadas al sistema, independencia del dispositivo (tablas de

canales); gestión de buffers para acceso a ficheros; carga, ejecución y finalización de

ficheros


Tipos de Sistemas Operativos según su finalidad u objetivo.

Control de Procesos: son aquellos cuya función principal es proporcionar el máximo de confiabilidad con la mínima intervención humana. Por ejemplo las computadoras analógicas de medición de temperatura.

Sistema de consulta de información: está relacionado con un sistema de base de datos que tiene que estar disponible para múltiples usuarios. Además debe tener un tiempo de respuesta razonable, para ello existen procedimientos y formas que optimizan las búsquedas y las actualizaciones de la base de datos deben hacerse en tiempo real (on line)

Gestión de operaciones: se caracteriza para base de datos muy volátiles. Como requisito, debe actualizar la información en el momento, manejo concurrente.

Sistemas de propósito general: esta compuesto por un gran numero de usuarios simultáneamente, puede disponer de varios compiladores, editores y paquetes de depuración de errores, para el caso de programadores.

Evolución de Sistema Operativo, según su núcleo

Monolítico: tienen por característica que el desarrollo del kernel de tamaño considerable,

entiéndase por ello que es grande y complejo, y que engloba todos los servicios del sistema.

Todos los componentes funcionales del núcleo tienen acceso a todas sus estructuras de datos

internas y a sus rutinas. Un error en una rutina puede propagarse a todo el núcleo.

Está programado de forma no modular, y tiene un rendimiento mayor que un micronúcleo. Sin

embargo, cualquier cambio a realizar en cualquier servicio requiere la recompilación del

núcleo y el reinicio del sistema para aplicar los nuevos cambios.

Solo tienen una pequeña estructuración donde para las llamadas al sistema se hacen

colocando parámetros en lugares previamente definidos, como registros o pilas y después

Clasificación según evolución

del núcleo

Monolítico

Micronúcleos

Sistema de estratos o capas

Máquina Virtual

Cliente / Servidor

Los sistemas operativos pueden

clasificarse de acuerdo como está

diseñado su núcleo.


ejecutando una instrucción especial (trampa o interrupción) de Kernel para ejecutar un

procedimiento (llamada supervisora). Una vez hecha la llamada, se detecta en los parámetros

si el nuevo proceso correrá en modo Kernel o modo usuario.

Existen 3 capas:

(1) procedimientos principales (2) procedimientos de servicio (3) procedimientos de

utilidades.

Hay diversas ramificaciones de este diseño, que se han ido amoldando a nuevas necesidades.

Podemos citar el sistema de módulos ejecutables en tiempo de ejecución, que le brinda al

modelo de núcleo monolítico algunas de las ventajas de un micronúcleo. Dichos módulos

pueden ser compilados, modificados, cargados y descargados en tiempo de ejecución, de

manera similar a los servicios de un micronúcleo, pero con la diferencia de que se ejecutan en

el espacio de memoria del núcleo mismo (anillo 0). De esta forma, un bloqueo del módulo, es

probable que bloquee todo el núcleo. Además, el módulo pasa a formar un todo con el núcleo,

usando la API del mismo, y no se emplea un sistema de mensajes como en los micronúcleos.

Este es el esquema usado por, entre otros, Linux, FreeBSD y varios derivados de UNIX. Cabe

resaltar que el paso constante de mensajes entre los servicios del micronúcleo, es en parte

responsable del pobre rendimiento de los micronúcleos.

Ejemplos de sistemas monolíticos, son UNIX, Syllable, BSD (FreeBSD, NetBSD, OpenBSD),

Solaris, Núcleos tipo DOS, DR-DOS, MS-DOS, Familia Microsoft Windows 9x (95, 98, 98SE, Me),

Núcleos del Mac OS hasta Mac OS 8.6, OpenVMS, XTS-400

Micronúcleo: La alternativa es tener una estructura de micronúcleo, donde las partes

funcionales están divididas en unidades separadas con mecanismos de comunicación estrictos

entre ellos.

Sistema de estratos o capas

El kernel se encuentra dividido en estratos o capas, de la 0 a la 4, donde cada capa sabe que

puede contar con los servicios de su capa inferior y/o superior

Capa Función

4 Programas de usuario

3 Administración de E/S

2 Comunicaciones

1 Administración de memoria

0 Microprogramación

Máquinas virtuales

Se creo sobre la observación que un sistema operativo de tiempo compartido se puede dividir

en: (1) Multiprogramación y (2) Interfaz amigable con el usuario.

Sobre esto se dividieron las dos áreas, teniendo un corazón llamado Monitor de Máquina

Virtual que ofrece varias máquinas virtuales a la siguiente capa de interfaz de programación,


siendo cada máquina una copia exacta de la máquina real con su modo Kernel / Usuario, E/S,

interrupciones y demás.

Esto permite la ejecución de diferentes sistemas operativos sobre la misma computadora real.

Simulando ASAMBLER o MICROPROGRAMACIÓN a nivel de Hardware. Por ejemplo: Intel puso

esto en Pentium para emular el procesador del D.O.S. o ejecutar Windows.

Actualmente se pueden tener por ejemplo 2 máquinas virtuales con recursos diferentes para

su ejecución y un EXOKERNEL que se encarga de coordinar y administrar recursos de ambas.

Ventajas: facilita el desarrollo de sistemas operativos (cuando la máquina es cara y no se

puede entregar una a cada programador). Sin este esquema, es necesario bajar la máquina

cada vez que quiere probar una modificación al sistema. También permite resolver problemas

de compatibilidad. Por ejemplo, si queremos desarrollar un nuevo sistema operativo, pero

queremos que los miles de programas DOS que existen sigan corriendo, podemos usar esta

solución, asignando una máquina virtual a cada programa DOS que se ejecute. Se puede ir más

lejos, y crear una máquina virtual distinta a la original. Así es como Windows para arquitectura

Intel se puede ejecutar, por ejemplo en una Silicon Graphics. El problema es que, en este caso,

hay que interpretar cada instrucción (en lugar de ejecutarla directamente).

Cliente/Servidor

La idea es desplazar el código del sistema a capas superiores, dejando el código del Kernel al

mínimo. El método más usado es que las funciones del sistema operativo se hagan en modo

usuario y que las terminales envíen la solicitud a un servidor que haga el trabajo, buscando

que el Kernel se ocupe solo de comunicaciones entre los clientes y servidores. En teoría ofrece

la ventaja que al ejecutarse los procesos en el servidor en modo usuario, si ocurre una falla, el

hardware no se cae, únicamente el servicio. Otra ventaja es su adaptabilidad a sistemas

distribuidos, donde al cliente no le afecta quién atiende su solicitud. Únicamente recibe la

tarea realizada de vuelta.


Clasificación de un Sistema Operativo según volumen de tareas o funciones

Sistemas Monousuario: ejecutan de una tarea a la vez, por ej. DOS

Sistemas Multiprocesador: Como su nombre indica son aquellos sistemas operativos que

están montados sobre ordenadores que están compuestos por más de un procesador,

supongamos un Pc que en vez de tener un Core i5, tuviera dos o más Core i5 conectados entre

si dentro de la misma placa base, esto sería un sistema multiprocesador. Algunos sistemas

como ejemplo son: Windows NT, OS/2, NeXTStep, Solaris, Windows 7

Sistemas Multitarea o Multiprogramados: Estos sistemas nos permiten la ejecución de varios

programas a la vez, o eso es lo que pensamos, porque en realidad no es así, el procedimiento

es el siguiente: cuando ejecutamos un programa, normalmente hay puntos en que el

procesador no está siendo utilizado, por ejemplo cuando cargamos un juego, mientras se carga

el juego, en realidad el microprocesador no hace nada, solo interviene la unidad de disco y el

gestor de la memoria pero no el microprocesador, entonces en estos casos en vez de no hacer

nada el microprocesador, el sistema operativo se encarga de en esos tiempos, llamados

tiempos muertos o inactivos, hace que otro programa siga ejecutándose, dando así la

apariencia de que se están ejecutando a la vez.

De aquí se desprende el concepto de “concurrencia aparente.”

En el caso de los sistemas del tipos de multitareas, podemos agruparlos según el modo en que

el CPU toma el control de los procesos concurrentes, dando a cada uno de ellos un tiempo

(enlapsed time) para su ejecución. Estos pueden ser:

Sistema Operativo

Monousuario

Multitarea

Cooperativa

Preferente

Real Multiprogramación


Cooperativa Los procesos de usuario son quienes ceden la CPU al sistema operativo a intervalos regulares. Muy problemática, puesto que si el proceso de usuario se interrumpe y no cede la CPU al sistema operativo, todo el sistema estará trabado, es decir, sin poder hacer nada. Da lugar también a latencias muy irregulares, y la imposibilidad de tener en cuenta este esquema en sistemas operativos de tiempo real. Un ejemplo sería Windows hasta la versión 2000.

Preferente El sistema operativo es el encargado de administrar el/los procesador(es), repartiendo el tiempo de uso de este entre los procesos que estén esperando para utilizarlo. Cada proceso utiliza el procesador durante cortos períodos de tiempo, pero el resultado final es prácticamente igual que si estuviesen ejecutándose al mismo tiempo. Ejemplos de sistemas de este tipo serían Unix y sus derivados (FreeBSD, Linux), VMS y derivados, AmigaOS, Windows NT.

Real Sólo se da en sistemas multiprocesador. Es aquella en la que varios procesos se ejecutan realmente al mismo tiempo, en distintos microprocesadores. Suele ser también preferente. Ejemplos de sistemas operativos con esa capacidad: variantes Unix, Linux, Windows NT, Mac OS X, etc. La concurrencia real, se produce cuando dos procesos o programas son ejecutados al mismo tiempo, en un sistema multiprocesador. Un sistema multiprocesador es aquel que tiene la presencia de 2 o mas microprocesadores o CPU, entiéndase que cada uno de ellos representa un Core ( nucleo). En caso de los nuevos procesodores dualCore o QuadCore, tenemos la presencia de 2 y 4 nucleos respectivamente, lo que permite el multiprocesamiento. La tecnología hyperthreading ( multi hilos), hace referencia a multiples hilos de procesos que se ejecutan en forma simultanea o concurrencia real, obteniendo un mayor rendimiento. La cantidad de procesos debe ser <= a la cantidad de procesadores. Los procesos deben estar en memoria , de lo contrario no hay multiprogramación. La memoria se encuentra particionada, donde cada parte corresponde a un proceso distinto. Requerimientos:

Debe conmutar de una tarea a otra

Administrar la protección de memoria para cada una de las tareas

Sincronizar las tareas interdependientes


Sistema operativo, carga inicial, canal, rutinas

Al iniciar la carga con las instrucciones IPL, desde el sector de BOOT, se logra tener cargado en memoria el sistema operativo. Los espacios de memoria son reservados, de manera que queda un espacio para el sistema operativo, otro para las rutinas de manejo de unidades y/o periféricos, como también espacios para cada una de las aplicaciones o programas de usuario.

Los modos de operar de un sistema son dos:

Modo usuario

Modo supervisor

Se cargan las rutinas X, Y, Z para manejo de dispositivos, junto con la carga del sistema operativo. Aquellas rutinas que se utilizan frecuentemente quedan en memoria, y las que no se liberan, para ser cargadas cuando son solicitadas. Estas rutinas manejan por ejemplo la pantalla (video), y acceso a discos rigidos.

Las rutinas se cargan junto con el S.O., y son generales para todas las aplicaciones. De esta forma se evita que cada aplicación cargue sus propias rutinas de acceso a dichos recursos. Así se produce la optimización de los recursos, en este caso de la memoria y que cada programa tenga que desarrollar sus rutinas de acceso a los mismos.

Al recibir una señal o interrupción se produce una transferencia del control a la rutina de atención de interrupción. Se guarda la posición del programa (PGM) cuando fue interrumpida su ejecución para que, luego de atendida la interrupción se retorne a la siguiente línea de ejecución del programa. La idea es que el usuario le pide al sistema operativo que haga estas tareas por él a través de llamadas al sistema.

Tipos de Protección

Protección de E/S: Las instrucciones E/S solo se pueden ejecutar en modo sistema para prevenir un daño por el usuario y asi el sistema filtra los datos.

Protección de Memoria: La administración de memoria se divide en base y límite para protegerla.

Control del CPU: Se previene que no se quite el control al sistema operativo si sucediera algo como un ciclo infinito en un programa de usuario.

Canal

El canal es el elemento que controla uno o varios periféricos, llevando a cabo la transferencia de datos desde los mismos hasta la memoria principal en forma independiente del procesador central. El canal seria un procesador de entradas y salidas.

Existe un asincronismo entre el canal y el CPU


SPOOLING (Simultaneous Peripheral Operations On Line)

El Spooling es básicamente, la utilización en forma simultánea de varios dispositivos periféricos, atendiendo de esta forma un mismo CPU a varios programas o rutinas, dando un tiempo a cada una de ellas.

Se requieren de dos rutinas para hacer Spooling:

Rutina de manejo de E/S

Rutina de manejo de interrupción

La rutina de planificación o Scheduling puede determinar en que orden pueden ser atendidas las distintas tareas, por ejemplo mientras se procesa una tarea A, quedan las tareas B, C, D, E que pueden ser atendidas por orden de aparición o llegada ( cola tipo FIFO, First In Fist Out). Un sistema que trabaja de esta manera se lo denomina Monitor Batch de Cola Unica.

Los procesos PA y PB, no se ejecutan concurrentemente. Estamos en un caso de mono programación, con concurrencia aparente.

Proceso por lotes, primero se ejecuta el PA y luego el PB

Estados de un proceso

El procedimiento es el siguiente, un proceso A, está en estado RUN, mientras se está ejecutando, hasta que genera una llamada de E/S, lo que origina una espera hasta tanto la rutina de E/S haya terminado. Entonces el proceso A, pasa de estado RUN a estado WAIT.

Run

Wait Ready

Run – Ejecución

Wait – Espera – E/S

Ready – indica el próximo

proceso disponible

PA PB


Cuando la rutina de E/S termina su tarea, genera una interrupción, de manera que cambia el estado del proceso A, que estaba en WAIT, a pasar a estado READY, o sea que ahora ya está listo para que el CPU vuelva a tomar control sobre dicho proceso A y continuar ejecutándolo, pasando a estado RUN nuevamente.

De estado RUN a READY se da en el caso que un proceso se detiene para dar lugar a otro, sin la necesidad que se halla efectuado una llamada de E/S.

Tabla de Procesos

El sistema operativo debe llevar un control de todos los procesos que se están ejecutando, esto lo hace mediante una tabla de procesos donde se guarda información acerca del estado de cada proceso en el momento que ha sido bloqueado y dejado en espera.

A esto se lo denomina Imagen de núcleo.

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